Das Sintern von Hartmetall

Hartmetalle sind aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften überaus beliebt in der Industrie. Werkzeuge und Maschinenbauteile aus Hartmetall sind deutlich widerstandsfähiger und langlebiger. Doch was genau ist Hartmetall, was ist ein Verbundstoff und wie werden Hartmetalle überhaupt hergestellt?

Was ist Hartmetall?

Bei Hartmetallen handelt es sich um Verbundstoffe, bei denen Metalle zunächst gemahlen werden. Das Pulver wird nun gemeinsam mit einem bindenden Stoff in eine Form gebracht und anschließend gesintert. Wolframkarbid und Kobalt sind in der Regel die verwendeten Ausgangsstoffe. Doch auch Titankarbid oder Tantalkarbid kommen zur Anwendung. Kobalt ist das am meisten verwendete Bindemittel bei der Herstellung von Hartmetallen.

Der Unterschied von Sintern und Legieren

Reine Metalle sind chemische Elemente, welche natürlich auf unserer Erde vorkommen. Hierzu zählen die Edelmetalle wie Gold und Silber, aber auch Kupfer und unedle Metalle wie Zink, Blei, Nickel oder Wolfram. Metalle werden in der Regel legiert, um sie für bestimmte Zwecke nutzbar zu machen. Beim Legieren werden zwei oder mehr Metalle miteinander verschmolzen und gehen eine Verbindung auf kleinster Ebene miteinander ein. Je nachdem, welchen Anteil die jeweiligen Metalle in der Legierung haben, verändern sich die Eigenschaften der entstandenen Legierung.

Am Beispiel von Gold kann man dies sehr gut erklären. Reines Gold ist unglaublich weich und biegsam. Um es nun zum Beispiel für den Gebrauch in der Schmuckherstellung nutzbar zu machen, wird es mit Silber und Kupfer gemischt. Diese Metalle helfen dabei, die Härte zu erhöhen, und nehmen auch Einfluss auf die Farbgebung.

Im Gegensatz zur Legierung, bei welcher die Komponenten beim Verschmelzen untrennbar miteinander verbunden werden, gibt es den Sinterprozess für Verbundwerkstoffe. Verbundwerkstoffe verbinden sich teilweise, doch die einzelnen Komponenten innerhalb des Werkstoffes bleiben erhalten. Eine Metall-Matrix rund um das Bindemetall sorgt für besonderen Halt. Diese Zusammensetzung ist jedoch auf kleinster Ebene sichtbar und ohne Hilfsmittel nur mit den bloßen Augen nicht zu erkennen.

Was hebt Hartmetalle von anderen Metallen und Legierungen ab?

Das spezielle Herstellungsverfahren von Hartmetallen verleiht diesen Verbindungen besondere Eigenschaften, welche für besondere Zwecke gedacht sind. Die drei Haupteigenschaften sind die Langlebigkeit durch Verschleißfestigkeit, die sehr hohe Härte und auch die erhöhte Druckfestigkeit.

Je nachdem, wie fein die Metalle beim Herstellungsprozess gemahlen werden, kann Einfluss auf diese drei Eigenschaften genommen werden. Es gibt unterschiedliche Abstufungen zwischen feinen Körnern und groben Körnern.

Grobkörniges Ausgangsmaterial sorgt dafür, dass der entstandene Verbundwerkstoff eine höhere Zähigkeit aufweist. Hierbei gilt, dass die Zähigkeit höher wird, je gröber die Körnung ist. Die Härte und auch die Verschleißdauer des entstandenen Materials hingegen erhöhen sich, je feiner die Körnung ist.

Auch der Anteil des verwendeten Bindemittels spielt eine wichtige Rolle bei der Härte des Materials. Je weniger Bindestoff verwendet wird, desto härter ist das Metallgefüge. Besonders praktisch ist es, dass die so entstandenen Verbundwerkstoffe auch mit anderen Metallen verbunden werden können. Ein Beispiel hierfür sind Lötverfahren. Die Vickershärte (Härte Vickers = HV), gibt die jeweilige Härte des Sinterwerkstoffes an.

Das Herstellungsverfahren von Hartmetall

Wie eingangs bereits erwähnt, werden Hartmetalle in einem Sinterverfahren hergestellt und es handelt sich nicht um eine Legierung, sondern um einen Verbundwerkstoff. Die Herstellung erfordert einige Schritte.

1.      Mischen und Mahlen

2.      Trocknen und Pressen (Formgebung)

3.      Sintern

4.      Nachbearbeitung

5.      Beschichtungen (wenn erforderlich)

Mahlen und Mischen

Das Mischen und Mahlen legen den Grundstock für ein sauberes Ergebnis. Wolframkarbid wird ebenso wie das Bindemittel Kobalt gemahlen. Dies geschieht jedoch getrennt voneinander. Nachdem die Komponenten die gewünschte Körnung haben, werden sie gründlich und gleichmäßig gemischt. Dies ist sehr bedeutend für den weiteren Herstellungsprozess. Nur dann, wenn die Metallpulver sauber und gleichmäßiggemahlen wurden, können sie gleichmäßig und ordentlich vermischt werden. Beim spätern Sinterprozess ist dies ausschlaggebend für das gewünschte Endergebnis.

Beim Mischen der Komponenten wird zudem maßgeblich bestimmt, welche Härte der fertige Sinterwerkstoff erhalten soll. Das Wolframkarbid wird meistens einen Anteil von rund 70 bis 94 Prozent ausmachen und das Bindemittel (Kobalt) wird dementsprechend zu rund 30 bis sechs Prozent eingesetzt. Die Rezeptur bestimmt die Härte und wird individuell gewählt. Das Mischen erfolgt nicht einfach so, sondern meist über einen längeren Zeitraum hinweg in speziellen Kugelmischern. So wird ein gutes Durchmischen der Pulver gewährleistet.

Das Mischen und Mahlen muss sauber erfolgen

Verunreinigungen sind nicht nur bei legierten Metallen das Todesurteil für den Werkstoff. Auch bei Verbundwerkstoffen muss unbedingt auf eine vollständig saubere Verarbeitung geachtet werden. Gelangen Verunreinigungen in die Komponenten, werden diese zur weiteren Verarbeitung unbrauchbar. Verunreinigungen und Verschmutzungen beeinträchtigen die Eigenschaften von Metallen nachhaltig. Insbesondere Bruchgefahr an der verunreinigten Stelle besteht.

Trocknen und Pressen

Nach dem Mischen erfolgt eine Trocknung des Materials. Das Pulvergemisch muss nach dem Trocknen zudem noch einmal gründlich gesiebt werden. Körner, welche zu groß sind und nicht der gewünschten Größe entsprechen, werden auf diese Art aus dem Produktionsprozess ausgeschlossen.

Nachdem das Gemisch perfekt vermischt, getrocknet und gesiebt wurde, wird es in die jeweils gewünschte Form gepresst. Dies geschieht unter sehr hohem Druck. Zur Anwendung kommen zudem verschiedene Pressverfahren, welche individuell nach Bedarf gewählt werden. Die Wahl des jeweiligen Pressverfahrens wirkt sich zudem auf weitere Schritte im Produktionsverfahren von Hartmetall aus.

•  Strangpressen
•  direktes Pressen
•  monostatisches Pressen
•  isostatisches Pressen

Sintern

Das Sintern beschreibt den Vorgang, bei welchem bei Druck und Hitze eine Verbindung der Metalle eingegangen wird. Es handelt sich, wie bereits erwähnt, nicht um das Zusammenschmelzen einer Legierung, sondern um die Bildung einer Metallmatrix rund um das Bindemittel.

Die speziell hierfür gedachten Sinteröfen schaffen perfekte Voraussetzungen. Das sogenannte heißisostatische Schmelzen findet in diesen Öfen unter Druck und Hitze statt. Kobalt wird hierbei zum Schmelzen gebracht und geht eine Verbindung mit dem Karbid (meistens Wolframcarbid) ein. Der Sintervorgang nimmt anderthalb Tage, also rund 36 Stunden in Anspruch.

Es gibt drei verschiedene Sinterphasen, welche der Verbundwerkstoff durchlaufen muss. Die Temperaturspitze liegt über 1.300 °C. Wichtig zu wissen ist, dass der Rohling bei diesem Prozess erheblich kleiner wird, sich seine Dichte sich jedoch erhöht. Bei einem Volumenrückgang von rund 50 Prozent erhöht sich die Dichte um den gleichen Wert. Um die gewünschte Größe zu erhalten, muss das jeweilige Stück also passend gefertigt werden, um nach dem Herstellungsprozess wirklich in der richtigen Größe zur Verfügung zu stehen.

Nachbearbeitung

Das Schmirgeln, Schleifen oder Polieren sind ebenso wie eine eventuelle Beschichtung optional. Ob diese Schritte notwendig sind, entscheidet immer der jeweils angedachte Verwendungszweck des fertigen Verbundwerkstoffes.