Fachwörter-Lexikon

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Hartstoffschicht

Das klassische Titannitrid als Hartstoffschicht wurde in den letzten Jahren zunehmend durch Mischschichten mit Aluminium, Silizium, Kohlenstoff oder Chrom sowie diamantähnlichen Schichten verdrängt. Sie alle werden unter dem Begriff Hartstoffschichten geführt und werden vorzugsweise auf Schneidewerkzeugen (Fräsen, Drehen) eingesetzt. Die Zusammensetzung der Hartstoffschicht muss sorgfältig auf die Art des zu bearbeitenden Materials abgestimmt werden. Je nach Zusammensetzung und Aufbau einer Hartstoffschicht können mit dieser beispielsweise hohe Temperaturen widerstanden (Trockenbearbeitung), eine geringe Neigung zum Verschweißen mit dem zu bearbeitenden Werkstoff, eine geringe Reibung oder ein hoher Widerstand gegen Brechen erzielt werden. Untersuchungen hierzu wurden von innovativen Werkstoffherstellern (z.B. Gühring KG oder Oerlikon Balzers) durchgeführt. Daraus entstanden sind beispielsweise Mehrfachschichten mit Härten bis zu 5500 HV und sehr guten Vermögen zur Aufnahme von Belastungen, wodurch die Gefahr zum Abplatzen stark gesenkt wird.

Polieren - Einflusszone

Beim Polieren - vor allem beim manuellen Polieren an Polierrädern - wird die Metalloberfläche einer starken thermischen Belastung unterworfen. Dadurch wird das metallische Kristallgefüge bis in eine Tiefe von einigen Mikrometern verändert. In der Regel wird das Gefüge durch die schnelle Aufheizung und Abkühlung beim Polieren feinkristalliner. Diese Gefügeänderung kann sich beispielsweise in einer Änderung der Härte, der chemischen Beständigkeit oder auch der Beschichtbarkeit im Vergleich zu einer nicht polierten Oberflächen bemerkbar machen. 

Hartmetall

Werkstoffe werden durch Wärmebehandlung verbessert und gezielt weiterentwickelt. Im Fall von Eisenwerkstoffen handelt es sich zum Beispiel um Hochleistungsschnellschnittstahl (HSS), der mit mehreren anderen Metallen legiert mit einer großen Härte und gleichzeitig einer hohen Bruchfestigkeit versehen ist und sich damit hervorragend als Schneidstoff für die Zerspanung eignet. Seit den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde Hartmetall eingesetzt, dessen Erfindung mit der Verbreitung von Glühlampen verbunden war. Für Glühbirnen wurden Wolframdrähte benötigt; zur Bearbeitung dieses hochschmelzenden Werkstoffs und für das Ziehen der Drähte wurde ein Werkstoff gesucht, der die teuren Diamanten ersetzen sollte. Mit mehreren US-amerikanischen und deutschen Patenten in den 20er und 30er Jahren lag der Werkstoff Hartmetall mit einem Hauptanteil feinen Wolframkarbidpulvers und einem relativ weichen Bindemetall (in der Regel Kobalt) fest. Ende 1925 erwarb die Friedrich Krupp AG mehrere dieser Patente und begann mit der industriellen Hartmetallfertigung. Damit wurde auch der Name Widia (von Wie Diamant) eingeführt, der lange Zeit ein Synonym für Hartmetall überhaupt war.

Hartmetalle bestehen in der am meisten gebrauchten Form aus Wolframkarbid (WC) mit etwa 33 % (Zerspanungsgruppe P02 mit zusätzlich 59 % Titan- und Tantalkarbiden) bis nahezu 100 % (z. B. 97 % WC) und 8 % bzw. 3 % (Co) Kobalt als Bindemetall. Hartmetalle mit lediglich Wolframcarbid und Kobalt haben allgemein die größte Bedeutung, während Hartmetalle mit großen Anteilen weiterer Karbide vor allem in der Zerspanung zur Anwendung kommen, weil sie verbesserte Eigenschaften gegen Verschleiß bei hohen Temperaturen besitzen (Oxidationsbeständigkeit, Warmhärte, Warmfestigkeit und Diffusionsbeständigkeit). Gemeinsame Eigenschaften fast aller Hartmetalle sind die gegenüber Stahl fast doppelte Dichte von etwa 13 g/cm³ bis 15 g/cm³, der doppelte bis dreifache E-Modul von etwa 400 kN/mm² bis 670 kN/mm² und die nur rund halb so große Ausdehnung in der Wärme von etwa 4 bis 8•10^-6 1//K.

Hartmetalle, die nur aus Wolframcarbid und Kobalt bestehen, zeichnen sich unter 600 °C durch höhere Festigkeitswerte und geringeren abrasiven Verschleiß aus und werden daher für allgemeine Verschleißteile sowie im Bergbau und für Umformwerkzeuge eingesetzt.

Eine dritte Gruppe sind die sogenannten Cermets, die vor allem Titankarbide enthalten. Da Titankarbid härter, aber weniger zäh als Wolframkarbid ist und wegen der schlechteren Diffusionsneigung in Eisenmetallen, ist auch die Klebneigung gegenüber den Spänen niedriger. Daher eignen sie sich sehr gut für die Zerspanung von Eisenwerkstoffen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten.

Schließlich gibt es noch eine Hartmetallgruppe, die statt mit Kobalt mit Nickel gebunden ist. Nickel ist sehr korrosionsbeständig und aus diesem Grund werden die sogenannten Sonderhartmetalle bei tribochemischen Beanspruchungen verwendet, wenn der Korrosionsangriff ein anderes Hartmetall zu schnell schädigen würde.

Die Korngrößen des Wolframkarbids in den Hartmetallen werden zum Beispiel [2] in sieben Gruppen eingeteilt (Abb. 1): ultrafein (Korngrößen < 0,5 µm), extrafein, fein, mittel, mittelgrob, grob, extragrob (Korngrößen > 5 µm).

 

 

Abb. 1: Gefügeaufnahmen von Hartmetallen eines Feinkorns- (links) und eines Grobkorns-Hartmetall

 

Zusammen mit den Anteilen an Wolframkarbid und Binder beziehungsweise auch mit Zusatzkarbiden ergibt sich ein sehr weites Anwendungsspektrum gegen jede Art von Verschleiß (Abb. 2). Die höchsten Härtewerte ergeben sich bei feinem Korn in Verbindung mit niedrigem Kobaltgehalt beziehungsweise hohem Wolframkarbidgehalt; sehr gute Biegebruchfestigkeiten liegen bei umgekehrter Zusammensetzung vor, also bei hohem Kobaltgehalt und gröberem Korn, weil hier die Bindephase, die Kobaltzwischenschicht zwischen den Körnern, dicker ist.

 

Quelle: Kolaska, H.: Pulvermetallurgie der Hartmetalle. Fachverband Pulvermetallurgie, Hagen, 1992

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