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Hartmetalle sind streng genommen keine Legierungen, da es sich hier um Verbundwerkstoffe handelt. Die Metallkomponenten können hierbei teilweise legiert sein, doch beim Sinterprozess, in dem diese Hartmetalle entstehen, gehen nicht alle Komponenten eine untrennbare Verbindung miteinander ein.

Dies liegt an den verschiedenen Bestandteilen, welche zur Herstellung von Hartmetallen verwendet werden. Die metallischen Hartstoffe, welche verwendet werden, nennt man Carbide. Wolframcarbid ist hierbei eines der bekanntesten Inhaltsstoffe. Zusätzlich kommt ein Bindemetall zum Einsatz. Beim Sintern backen die Bestandteile teilweise zusammen, Bindemetalle füllen die Freiräume zwischen den Hartmetallkomponenten.

Welche Metalle kommen zum Einsatz?

Metalle, beziehungsweise Metallkarbide zur Herstellung von Hartmetall werden pulverisiert und gemeinsam mit einem Bindemetall gesintert. Sintern bedeutet, dass die Komponenten zusammenbacken, anstatt vollständig miteinander zu verschmelzen. Hierzu werden spezielle Sinteröfen verwendet.

Wolfram ist das meistverwendete Grundmetall zur Hartmetallherstellung. Dieses muss natürlich ebenso wie andere Metalle in Carbidform vorliegen. Tantal, Titan oder Chrom kommen ebenfalls in Carbidform zur Anwendung. Die Wahl der Komponenten ist immer abhängig vom jeweiligen Verwendungszweck des hergestellten Hartmetalls.

Bindemetalle hingegen sind zum Beispiel Kobalt oder auch Nickel. Eisen oder eine Nickel-Chrom Legierung sind ebenfalls denkbar.

Das durch Sintern entstandene Hartmetall ist ein Verbundwerkstoff und kombiniert die besten Eigenschaften der Komponenten miteinander. Beispielsweise wird das Wolframcarbid, das für Härte und Sprödigkeit bekannt ist, zusammen mit anderen Metallen zur Besonderheit. Weiche und gleichzeitig zähe Metalle wie zum Beispiel Eisen, Nickel oder Kobalt vervollständigen den Verbundwerkstoff.

Hierbei werden nicht alle Komponenten geschmolzen, sondern durch das Sintern aneinandergebacken. Das verwendete Binde-Metall hat einen niedrigeren Schmelzpunkt und fließt zwischen die Körner des Karbidmetalles.

Zum Beispiel: Kobalt fließt also zwischen die Wolframcarbidkörner und nimmt den leeren Platz zwischen ihnen ein. So wird zwischen den Carbidbestandteilen der Mischung eine harte Matrix geschaffen, welche diese umschließt und somit miteinander verbindet.

Was sind Carbide?

Ein Karbid oder Carbid ist eine Verbindung aus einem chemischen Element (also einem natürlich vorkommenden Stoff) mit Kohlenstoff (C). Es gibt verschiedene Carbide wie zum Beispiel Aluminiumkarbid oder Kalziumkarbid. Selbstverständlich interessieren wir uns im Zusammenhang mit Hartmetallen für die Metallkarbide.

Diese entstehen, indem man unter Druck und bei hoher Temperatur einen Reaktions- oder Schmelzprozess auslöst. Der Kohlenstoff wird hierbei in das Metallgitter eingelagert, was durch den Druck enorm begünstigt wird. Diese metallartigen Carbide bilden nun die Grundlage zur Herstellung von Hartmetall.

Die Carbide sind überaus hitzebeständig und zeichnen sich durch hohe Schmelzpunkte aus. Diese können sogar zwischen 3.000 °C und 4.000 °C liegen. Dementsprechend sind sie perfekt geeignet, um zum Beispiel Schneidwerkzeuge daraus herzustellen. Ein Nachteil ist, dass sie sehr stoßempfindlich sind und man sie auch als spröde bezeichnet. Die Hartmetalle sind sehr verschleißfest und dementsprechend langlebig. Auch zahlreiche Alltagsgegenstände oder eher Teile davon bestehen aus Karbiden. Wolframcarbid ist zum Beispiel die Grundlage für Kugelschreiberkugeln. Hätten Sie das gewusst?

Hartmetall gibt es in verschiedenen Sorten

Hartmetall ist nicht gleich Hartmetall, denn es gibt verschiedene Zusammensetzungen und dementsprechend werden Hartmetalle in drei Hauptsorten unterteilt.

Diese sind:

  • Wolframcarbid-Kobalt
  • Hartmetall zur Stahlbearbeitung
  • Cermets

Die Sorten haben jeweils verschiedene Eigenschaften, welche sich innerhalb der Sorten noch einmal hervorheben lassen. So zum Beispiel durch den Anteil des Bindemetalls oder die Korngröße der gemahlenen Komponenten zur Herstellung der Hartmetalle. Die Grundlage, nach welcher die Gruppierungen jedoch vorgenommen werden, ist jedoch stets die jeweilige Zusammensetzung.

Wolfram Kobalt Hartmetall

Sehr bekannt, da es häufig zum Einsatz kommt, ist WC-CO, das Wolfram-Karbit-Hartmetall. Es gilt sogar als Standard und weist ein breites Verwendungsspektrum auf. Wolframcarbit (WO-CO) ist der Ausgangsstoff und es kommt nur selten und in geringem Anteil vor, dass andere Metallkarbide bei der Produktion zum Einsatz kommen. Ist dies der Fall, wird höchstens ein Anteil von 0,8 % eingesetzt.

Bei Hartmetall aus Wolframcarbid gibt es eine erhebliche Bandbreite wählbarer Korngrößen. Die Korngröße, welche durch das Mahlen erzeugt wird, hat einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des entstandenen Endproduktes aus Hartmetall. Von unter einem μm (Mikrometer) bis hin zu 20 μm kann diese Größe der Körner variieren.

Der verwendete Anteil am Bindemetall Kobalt schwankt entsprechend zwischen 3 % bis zu 30 %. Durch diese Variablen kann das Hartmetall entsprechend für verschiedene Verwendungszwecke hergestellt werden. Zerspanwerkzeuge für weichere Stähle bilden an dieser Stelle jedoch eine Ausnahme, denn hierfür ist dieser Werkstoff nicht geeignet. Zur Bearbeitung von Stahl gibt es andere Hartmetalle, welche sich aufgrund ihrer Eigenschaften deutlich besser eignen.

Das Hartmetall für die Bearbeitung von Stahl

Möchte man Hartmetall für die Stahlbearbeitung herstellen, wird ein erhöhter Carbidanteil benötigt. Insbesondere gemischte Carbide, also eine Zusammenstellung von zwei oder Mehr Metall-Carbiden macht an dieser Stelle den entscheidenden Unterschied. Gerne verwendet werden Zirkoniumcarbid, Titancarbid oder auch Tantal-Niob Carbide.

Das so entstandene Hartmetall ist deutlich oxidationsbeständiger als das WO-CO und auch seine Warmfestigkeit oder Warmhärte ist deutlich besser. Die Diffunsionsbeständigkeit zeichnet diesen Werkstoff aus, sodass die Stahlbearbeitung hiermit wunderbar erfolgen kann.

Da bei der Stahlbearbeitung sehr hohe Temperaturen entstehen können (bis zu 1.000 °C), sind die oben genannten Eigenschaften wichtig. Hartmetalle zur Bearbeitung von Stählen unterteilt man in zwei Gruppen. Eine Gruppe enthält über 10 % Mischkarbide und die andere unter 10 % Mischkarbide.

Cermets

Cermet (= Ceramic und Metall) ist eine Wortneuschöpfung und besteht aus den englischen Wörtern für Keramik und Metall. Die Cermets enthalten andere Bestandteile als Wolframcarbid. Zur Verwendung kommen andere Hartmetalle oder Hartstoffe. Hierzu zählen zum Beispiel Titannitrid oder Titancarbid. Nickel oder Cobalt werden bei Cermets als Binder eingesetzt.

Insbesondere weil die Neigung zu Diffusion und zu Adhäsion bei Cermets geringer ist als bei anderen Hartmetallen, werden sie gerne zum Schneiden eingesetzt. Dementsprechend können mit Schneidwerkzeugen aus Cermet noch höhere Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht werden. Die besonders hohe Härte, Zähigkeit und Warmfestigkeit sprechen außerdem für die Verwendung dieses Werkstoffes. Cermet Hartmetalle werden häufig eingesetzt, wenn Schneidverfahren mit einer hohen Geschwindigkeit in einen Produktionsprozess eingebunden werden.

Fazit – Wie sind Hartmetalle zusammengesetzt?

Hartmetalle werden grob in drei Gruppen unterteilt. Diese sind die Cermets, Hartmetalle zur Stahlbearbeitung und Wolframcarbid Hartmetalle. Wolframcarbid ist der absolute Standard unter den Komponenten von Hartmetallen. Das meistgenutzte Bindemittel ist Cobalt.

Außer in Cermets, enthalten Hartmetalle fast immer Wolframcarbid. Doch auch Titannitrid, Titancarbid und andere Hartstoffe kommen bei der Herstellung von Hartmetallen zum Einsatz. Nickel ist ein alternatives Bindemittel zu Cobalt und erhöht die Korrosionsbeständigkeit eines Hartmetalls.

Die durch Sintern entstandenen Verbundwerkstoffe sind also hart, zäh und lan

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