2   Einteilung von Sinter-Hartmetall

Im wesentlichen läßt sich heute zwischen folgenden Legierungstypen unterscheiden:

• WC-Co-Hartmetall,
• WC-(Ti,Ta,Nb)C-Co-Hartmetall,
• Cermets (Hochtitancarbidhaltiges Hartmetall),
• Sonderhartmetall

2.1   WC-Co-Hartmetall

Obwohl die Hartmetal-Legierungen dieses Typs nur aus zwei Kom­ponenten und ebenso aus zwei Phasen, dem Monowolframcarbid und dem Cobalt bestehen, haben sie mengenmäßig die größte Bedeutung. Der Grund dafür ist, daß sie im Vergleich zu anderen Legierungstypen bis zu Einsatztemperaturen von ca. 600 °C höhere Festigkeitswerte bei gleichzeitig geringerem Abrasivverschleiß aufweisen.

Durch Variation der Durchschnittskorngröße des Wolframcarbides von unter 1 pm bis circa 20 pm und des Anteils an Bindelegierung zwischen 3 und 30 Massen-% ist eine Vielfalt von Eigenschaftskombinationen rea­lisierbar und damit ein weiter Anwendungsbereich gegeben, der sich vom Einsatz bei Bergbauwerkzeugen über Umformwerkzeuge und Verschleiß­teile bis hin zur spanenden Bearbeitung von Gußeisen, Nichteisen­metallen sowie Nichtmetallen erstreckt.

Die heute marktüblichen Zusammensetzungen und daraus resultierende Eigenschaftskennwerte von WC-Co-Feinstkorn-Hartmetall mit feiner, beziehungsweise mittlerer Korngröße sind den Tabellen zu ent­nehmen. Die Tabelle zeigt die entsprechenden Werte für grobkörniges WC­Co-Hartmetall.

Feinstkorn-Hartmetall mit Carbidkorngrößen unter 1 gm und Cobalt­Gehalten von 6 bis 13,5% Co weisen im Vergleich zu konventionellem Hartmetall vergleichbarer Zusammensetzung erwartungsgemäß eine höhere Härte und Druckfestigkeit und einen dementsprechend geringeren Verschleiß auf, besitzen jedoch überraschenderweise auch eine extrem hohe Biegefestigkeit sowie eine hohe Bruchzähigkeit. Bemerkenswert ist auch der erhöhte Wert für die Bruchzähigkeit der grobkörnigen Hartmetall-Sorten. Das Bild zeigt einen Gefügevergleich zwischen einer Feinstkorn- und einer grobkörnigen WC-Co-Sorte mit jeweils ca. 10% Cobalt. Das Bild dokumentiert das Bruchgefüge eines konventionellen Hartmetalls im Vergleich zu Feinstkorn- und Ultrafeinstkorn-Hartmetall.

2.2   WC-(Ti,Ta,Nb)C - Co-Hartmetall

Durch Zufügen von Titancarbid sowie Tantal (Niob)-carbid zu dem oben beschriebenen WC-Co-Hartmetall entstehen dreiphasige Legierungen mit verbesserten Hochtemperatureigenschaften. Dieses gilt insbesondere für die Oxidationsbeständigkeit, die Warmhärte bezie­hungsweise Warmfestigkeit sowie die Diffusionsbeständigkeit gegen­über Eisenbasislegierungen.

Der Hauptanwendungsbereich dieser Sorten liegt demzufolge in der spa­nenden Bearbeitung von Stählen, da hier besonders hohe Temperaturen von über 1000 °C an der Werkzeugschneide auftreten können. Für Werk­zeuge zur spanlosen Umformung und für den Verschleißschutz ist dieses Hartmetall von untergeordneter Bedeutung.

2.3   Hochtitancarbidhaltiges Hartmetall (Cermets)

Ihre Entwicklung ist gekennzeichnet durch Optimierung und Anpassung der Legierungszusammensetzung an den Anwendungszweck durch Zusatz weiterer Legierungskomponenten sowohl von der Hartstoffseite als auch von der Seite der Bindelegierung her. Hier stehen vor allem Bemühungen im Vordergrund, die Warmhärte der Bindephase durch Untersuchung der Mischkristall- und der Ausscheidungshärtbarkeit zu maximieren. Auch die Mikrostruktur der Hartstoffphase kann von der Korngröße und der Beeinflussung der Kern-Mantelstruktur her noch opti­miert werden, wie erfolgreiche Versuche in letzter Zeit gezeigt haben. Die Entwicklung der Biegefestigkeiten von Cermets seit ihrer Einführung im Jahr 1931 bis heute wird im Bild anschaulich gemacht.

Das das „Titanit S", ein Cermets der ersten Generation, war ein molybdänlegiertes Titancarbid mit reinem Nickelbinder. Die nächste Generation wurde von der Ford Motor Co. 1954 auf den Markt gebracht und enthielt ebenfalls TiC als Hartstoff, das Anlegieren der Hartstoffteilchen mit Molybdän geschah aber während der Sinterung mit flüssiger Phase durch einen Molybdän(carbid)-Zusatz zum Bindemetall. Dadurch entwickelt sich die für Cermets typische Mikrostruktur, charak­terisiert durch Hartstoffpartikel mit einem TiC-Kern und einem (Ti,Mo)C,­-Mantel, eingebettet in den metallischen Binder.

Die dritte Generation der Cermets, die sogenannten Spinodal­Legierungen, waren gekennzeichnet durch die Einführung von Stickstoff in Form von Titannitrid. Aufgrund der Mischungslücke im System Ti-Mo-C-N kommt es beim Abkühlen von der Sintertemperatur zu einer spinodalen Entmischung. Die dabei entstehende gut benetzbare molyb­dänreiche, aber stickstoffarme a"-Phase schirmt die titan- und stickstoff­reiche a' -Phase gegen die Bindephase ab.

Bei der neuesten Entwicklung der Cermets ist es gelungen, durch Zusatz von Komplexcarbiden oder -nitriden des Titans und Aluminiums den Legierungsgehalt des Binders noch weiter anzuheben und gleichzeitig eine sehr günstige Mikrostruktur zu erzielen. Komplexcarbide und -nitride vom Typus Ti2AIC und Ti2AIN (H-Phasen) setzen sich beim Sintern mit dem Bindemittel unter Ausscheidung von TiC beziehungsweise TiN um. Das sich beim Sintern bildende TiC (TiN) lagert sich an den Oberflächen der Hartstoffkörnchen epitaktisch ab und bildet eine dünne, aber dichte diffusionshemmende Hülle. Das bei der metallurgischen Reaktion des Komplexcarbides (Nitrids) freiwerdende Aluminium geht zum Teil ebenso wie ein Teil des Titans mit der Bindelegierung eine feste Lösung ein. Zum anderen kann es intermetallische Phasen der Zusammensetzung Ni3(Ti,AI) beziehungsweise Ni(Ti,Al) bilden. Beides führt zu einer Steigerung der Festigkeit und Warmhärte des Binders, ohne ihn zu verspröden.

Einen Überblick über die wichtigen Eigenschaften von drei Cermet­legierungen der ISO-Anwendungsgruppen P05 bis P20 gibt die Tabelle.

2.4   Sonderhartmetall

Neben dem beschriebenen marktüblichen Hartmetall behauptet sich auf einigen Anwendungsgebieten mit speziellen tribotechnischen Anforderungen einige Sonder-Hartmetalle. Deren Zusammensetzung und Eigenschaftskenndaten zeigt die Tabelle. In diesen Legierungen ist die übliche Co-Bindephase durch Ni ersetzt worden, um in korrosiv bean­spruchten Tribosystemen ein besseres Leistungsverhalten zu erzielen. Zudem läßt sich die nickelreiche Bindephase paramagnetisch einstellen, was in speziellen Anwendungsfällen, zum Beispiel beim Herstellen von Magnetpulverpreßlingen, von Bedeutung ist. Allerdings sind die Festig­keitswerte gegenüber einer entsprechenden WC-Co-Legierung geringfü­gig niedriger.

Zur weiteren Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit wurde ein Teil des Ni­Binders durch Cr ersetzt. Gleichzeitig konnten durch diese Maßnahme die Druckfestigkeit und insbesondere auch die Biegefestigkeit enorm ver­bessert werden.

In dem Sonderhartmetall CR ist neben der Bindephase auch noch die Hartstoffphase WC durch das gegenüber den meisten organischen Säuren und gegenüber den Mineralsäuren wesentlich resistentere Chromcarbid Cr3C2 ersetzt. Somit ist das Cr3C2-Ni-Sonder-Hartmetall bevorzugt in jenen Tribosystemen einzusetzen, in denen es auf höchste Korrosionsbeständigkeit ankommt. Wegen der sehr geringen Biegefestigkeit sind die Einsatzgebiete jedoch stark eingeschränkt.

2.5   Ausblick

Das heute auf dem Markt befindlichen Hartmetall hat einen hohen Leistungsstandard erreicht. Die Weiterentwicklung geht vor allem in Richtung Feinkörnigkeit und einer weiteren Verbesserung und Erwei­terung der bestehenden Cermetsorten. Auch die Entwicklung von whisker­verstärktem Hartmetall mit hoher Bruchzähigkeit bei gleichzeitig hoher Härte und Verschleißbeständigkeit ist - zumindest in der weiteren Zukunft - nicht ausgeschlossen.