Hartmetall

Hartmetall ist ein Verbundwerkstoff aus einer Metallmatrix und eingelagertem Hartstoff. Es zeichnet sich durch eine höhere Härte im Vergleich zu reinem Metall oder gehärtetem Stahl aus. Hartmetall wird überwiegend für Umform- und Stanzwerkzeuge verwendet.

Als Hartmetall versteht man Verbundwerkstoffe aus einer Metallmatrix und eingelagertem Hartstoff. Die Hartstoffe liegen in Hartmetallen als kleine Partikel vor. Diese werden durch eine Matrix aus Metall zusammengehalten. Hartmetalle weisen deshalb zwar im Vergleich zu den reinen Hartstoffen nicht die gleiche Härte auf, zeichnen sich aber durch eine deutlich höhere Zähigkeit aus. Im Vergleich zu Legierungen, reinen Metallen oder gehärtetem Stahl ist Hartmetall deutlich härter, jedoch aber auch bruchempfindlicher.

Anwendung findet Hartmetall überwiegend  bei der Herstellung von Schneidstoffen für Werkzeuge, wie in etwa Meißel, Bohrer und Fräser. Darüber hinaus wird Hartmetall in Umform- und Stanzwerkzeugen verwendet. Mit etwa 900 °C, übersteigt die Temperaturbeständigkeit von Hartmetall die von anderen Werkstoffen wie Schnellarbeitsstahl deutlich. Hierdurch können dreimal so hohe Schnittgeschwindigkeiten erreicht werden.

Unterschiedlichen Sorten von Hartmetall

Hartmetall wird üblicherweise in drei Gruppen aufgeteilt. Ausschlaggebend für die Gruppierung ist die Zusammensetzung der Hartmetalle.

Wolframcarbid-Kobalt-Hartmetall (WC-Co)

Wolframcarbid-Kobalt-Hartmetalle sind, gemessen an der produzierten Menge, der Standard unter den Hartmetallen. Neben Wolframcarbid wird bei der Herstellung von diesen Werkstoffen nur unwesentliche Mengen anderer Carbide verwendet, die den Anteil von 0,8 % nicht übersteigen. WC-Co-Hartmetall zeichnet sich durch eine große Variation bei der WC-Korngröße aus, die sich zwischen weniger als einem und bis zu 20 μm bewegt. Ebenfalls muss der Kobaltgehalt zwischen 3 und 30 % liegen. Hierdurch können Anpassungen für nahezu jedes Szenario erfolgen. Jedoch ist diese Art von Hartmetall wenig bis gar nicht für die Zerspanung von weichem Stahl geeignet, da eine Eindiffusion von Eisen bei erhöhten Temperaturen erfolgt.

Hartmetall für die Stahlbearbeitung

Hartmetall für die Stahlbearbeitung zeichnet sich durch einen erhöhten Anteil an Carbiden bzw. Mischcarbiden aus. Es enthält im Vergleich zu WC-Co-Sorten einen höheren Anteil an Titancarbid, Tantal-Niob-Carbid oder Zirkoniumcarbid. Charakteristisch für diese Art von Hartmetallen sind die hohe Oxidationsbeständigkeit sowie die Warmhärte/Warmfestigkeit. Durch eine verbesserte Diffusionsbeständigkeit gegenüber Eisenwerkstoffen eignen sie sich besonders gut für die Bearbeitung von Stahlwerkstoffen. Bei diesen Arbeiten können an der Schneidkante Temperaturen von 1000 °C entstehen. Hartmetallsorten für die Stahlbearbeitung werden in zwei Gruppen entsprechend ihrer Zusammensetzung eingeteilt. Dabei ist der Anteil der Mischkarbide entscheidend: Gruppe A enthält mehr als 10 % an Mischcarbiden, Gruppe B weniger als 10 %.

Cermets

Der Name Cermet ist eine Zusammensetzung der beiden englischen Wörter ceramic und metall. Im Gegensatz zu WC-Co-Hartmetallen weisen Hartmetalle dieser Sorte kein Wolframcarbid, sondern andere Hartstoffe, wie in etwa Titancarbid oder Titannitrid, auf. Als Bindephase dient bei Cermet Nickel, Cobalt und Molybdän. Cermet-Hartmetall zeichnet sich auf der einen Seite durch eine hohe Warmfestigkeit, Härte und Zähigkeit aus, auf der anderen Seite weisen sie durch eine sehr geringe Adhäsions- und Diffusionsneigung auf. So werden noch höhere Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht, was insbesondere beim Schlichten von Metall von Vorteil ist. Schneidstoffe aus Cermet-Hartmetallen findet somit überwiegend Anwendung beim High Speed Cutting Verfahren.

Wie ist Hartmetall zusammengesetzt?

Außer in Cermets, kommen bei den unterschiedlichen Hartmetall-Sorten meist Wolframcarbid als Hartstoff zum Einsatz. Weitere eingesetzte Hartstoffe sind Titancarbid, Titannitrid, Vanadiumcarbid oder Niobcarbid. Cobalt stellt das geläufigste Bindemittel für die Matrix dar. Es kommt aber auch Nickel oder eine Mischung aus beiden Elementen zum Einsatz. Die Beimischung von Nickel erhöht dabei die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes.

Die unterschiedlichen Eigenschaften im Vergleich zu Stahl

Hartmetalle unterscheiden sich im Vergleich zu Stahl in mehreren Materialeigenschaften deutlich. Hartmetalle weisen einen E-Modul von 400 bis zu 650 GPa auf und liegen damit in etwa zwei- bis dreimal höher als Stähle. Dies führt dazu, dass Hartmetalle es schaffen bei gleichbleibendem Trägheitsmoment ein deutlich steifere Struktur zu realisieren. Auch im Hinblick auf die Dichte überragen Hartmetalle Stahl. Sie liegen bei etwa 12,75 bis 15 g/cm3, während Stahl 7,85 g/cm3 erreicht. Wie auch der E-Modul nimmt die Härte von Hartmetall mit abnehmenden Cobaltgehalt zu. Hartmetalle können hierbei eine Härte von 2200 HV30 erreichen. Die Druckfestigkeit von Hartmetallen erreicht Werte von bis zu 8000 MPa. Diese korreliert ebenfalls negativ mit dem Kobaltgehalt. 

Die Korngröße von Hartmetallen hat einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften der Werkstoffe. Eine Verkleinerung der Korngröße kann die Härte sowie Druckfestigkeit verbessern, erhöht aber den Herstellungsaufwand erheblich.

Anwendungsgebiete

Verwendung als Schneidstoff

Hartmetalle weisen im Gegensatz zu Schnellarbeitsstählen eine geringe Bruchzähigkeit und Thermoschockbeständigkeit auf. Jedoch führt die deutlich höhere Härte und der damit verbundenen hohe abrasiven Verschleißwiderstand zu höheren Schnittgeschwindigkeiten. Dies wird durch die hohe Temperaturbeständigkeit von bis zu 1100 °C erreicht. Die realisierten Schnittgeschwindigkeiten sind mehr als viermal so hoch im Vergleich zu HSS. Typischen Anwendungen für Hartmetalle in Schneidstoffen sind beim Fräsen, Bohren und Drehen. Weitere klassische Einsatzmöglichkeiten sind Verfahren wie die Bearbeitung von Gesteinen und das Auftrennen von Harthölzern.

Verwendung zur Umformung

Im Gegensatz zu Werkzeugstählen weisen Hartmetalle eine erheblich höhere Verschleißfestigkeit auf. Hierdurch eignen sie sich ideal für eine Vielzahl an Umformverfahren wie Fließpressen, Drahtziehen und Strangpressen.  Insbesondere für Herstellung von Aktivelementen wie Matrizen und Stempeln für diese Verfahren kommen Hartmetalle zum Einsatz. Auch in der Textilindustrie finden Hartmetalle ihr Einsatzgebiet. Die Düsen beim Spinnen von Textilien werden in etwa aus Hartmetall produziert.

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