Einführung in Wolframkarbid

Wolframcarbid ist ein Legierungsmaterial aus Wolframcarbid (WC) und Kobalt (Co), das eine äußerst hohe Härte sowie hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Diese Legierung wird häufig zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, Formen und verschleißfesten Bauteilen eingesetzt. Der Herstellungsprozess von Wolframcarbid basiert auf der Pulvermetallurgie, bei der Wolframcarbid als „harter Kern“ wirkt und Kobalt als Bindemittel die Wolframcarbidpartikel fest miteinander verbindet. Zusätzlich können je nach Bedarf weitere Elemente wie Titancarbid (TiC) oder Tantancarbid (TaC) hinzugefügt werden, um die Eigenschaften der Legierung zu verbessern.

Seit der Erfindung von Wolframcarbid sind genau einhundert Jahre vergangen.

Anfang der 1920er-Jahre erfand Karl Schröter, ein Ingenieur beim deutschen Glühlampenhersteller OSRAM, Hartmetall aus WC-Co, um ein alternatives Material für die teure Diamantmatrize zum Ziehen von Wolframdrähten zu finden. 1923 meldete er das erste Hartmetallpatent (deutsches Patent Nr. 420.689) an und erhielt 1925 die Genehmigung.

1926 produzierte KRUPP, ein Militärgigant, der das Patent erworben hatte, die erste Charge kommerziellen Hartmetalls. Es wurde als Schneidkopf für die spanende Bearbeitung eingesetzt und steigerte die Verarbeitungseffizienz exponentiell. Dies sorgte weltweit für Aufsehen, und Hartmetall wurde schnell zu einem strategischen Material mit hohem Preis. Damals war ein Gramm Hartmetall teurer als ein Gramm Gold.

Arten von Hartmetall

01 Wolfram-Kobalt-Hartmetall

Diese Art von Hartmetall enthält nur Wolframcarbid und Kobalt oder reines WC-Co-Hartmetall mit einer sehr geringen Menge anderer Zusätze (im Allgemeinen nicht mehr als 1 %). Die internationale Norm (ISO) bezeichnet es als Hartmetall der K-Klasse, während die nationale Norm meines Landes es als Wolfram-Kobalt-Hartmetall (YG) bezeichnet; beispielsweise YG6 (WC-6Co), also Hartmetall mit 6 % Kobalt (Massenanteil), während der Rest aus Wolframcarbid besteht. Dies ist die Zusammensetzung des weltweit ersten kommerziellen Hartmetalls.

02 Wolfram-Kobalt-Titan-Hartmetall

Wolfram-Kobalt-Titan-Hartmetall enthält neben Wolframcarbid und Kobalt auch eine bestimmte Menge (mehr als 1 %) Titancarbid (TiC) und wird als Wolfram-Kobalt-Titan-Hartmetall (WC-TiC-Co) bezeichnet. In der internationalen Norm gehört es zur P-Klasse, in der nationalen Norm zur YT-Klasse. Der Anteil an Titancarbid ist gewöhnlich geringer als der Anteil an Wolframcarbid. Übersteigt der Anteil an Titancarbid den Anteil an Wolframcarbid, handelt es sich um ein „titancarbidbasiertes Hartmetall“ oder, fachsprachlich, um ein „titancarbidbasiertes Cermet“.

03 Wolfram-Kobalt-Titan-Tantal-(Niob)-Hartmetall

Die dritte Kategorie ist WC-TiC-TaC(NbC)-Co-Hartmetall, dem zusätzlich zur zweiten Kategorie eine bestimmte Menge Tantancarbid (TaC) und/oder Niobcarbid (NbC) zugesetzt wird. In internationalen Normen wird es als M-Kategorie und in nationalen Normen als YW-Kategorie bezeichnet.

Daneben gibt es WC-Ni-Hartmetalle, bei denen Kobalt durch Nickel (Ni) ersetzt wird, sowie stahlgebundene Hartmetalle, bei denen eine Eisenlegierung (Stahl) Kobalt ersetzt. Durch den Ersatz von WC und Co in WC-Co durch Metallcarbide wie Titancarbid, Tantancarbid, Niobcarbid, Molybdäncarbid oder Chromcarbid beziehungsweise durch Metalle wie Nickel, Eisen und Chrom können Ingenieure unterschiedliche Zusammensetzungen entwickeln und so Hartmetalle mit verschiedenen Eigenschaften herstellen, die den Anforderungen unterschiedlicher Anwendungsbereiche entsprechen.

Eigenschaften von Hartmetall

(1) Hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit. Die Härte von Hartmetall liegt zwischen 80 und 94 HRA, während die maximale Härte von Werkzeugstahl nach dem Abschrecken und Härten nur 80 HRA oder geringfügig mehr beträgt. Lange Zeit war Hartmetall nach Diamant das Material mit der zweithöchsten Härte. Tatsächlich wurde die erste Generation von Hartmetall „Widia“ genannt (abgeleitet vom deutschen Ausdruck „Wie Diamant“), da es als Ersatz für Diamant entwickelt wurde. Daher kann man sagen, dass Hartmetall für die Härte geschaffen wurde.

(2) Hohe Festigkeit und hoher Elastizitätsmodul. Die Biegefestigkeit von typischem Hartmetall kann 3000~5000 MPa (N/mm2) erreichen, und es verformt sich nicht leicht.

(3) Wärme- und Korrosionsbeständigkeit. Im Allgemeinen ist Hartmetall gut beständig gegen atmosphärische Einflüsse sowie gegen Säuren, Laugen und andere korrosive Einwirkungen und oxidiert nicht leicht.

Diese Eigenschaften machen es zum besten Material für verschleißfeste Strukturteile, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen und korrosiven Einflüssen eingesetzt werden.

Verwendungen von Hartmetall

Werkzeugmaterial

Als Bearbeitungswerkzeug ist Hartmetall die wichtigste Anwendung von Hartmetall und macht mehr als die Hälfte der Hartmetallproduktion aus. Seit seiner Erfindung ist Hartmetall das beste Material für Bearbeitungswerkzeuge.

Formenwerkstoff

Hartmetall wird hauptsächlich für Kaltziehmatrizen, Kaltstanzmatrizen, Kaltfließpressmatrizen, Kaltstauchmatrizen und andere Kaltumformwerkzeuge eingesetzt.

Messwerkzeuge und verschleißfeste Bauteile

Hartmetall wird für Einlagen und Teile von Messwerkzeugen verwendet, deren Oberflächen leicht verschleißen, sowie für Präzisionslager von Schleifmaschinen, Führungsplatten und Führungsstangen von spitzenlosen Schleifmaschinen, Drehbankspitzen und andere verschleißfeste Bauteile.

Spezialhartmetall

Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie hat sich auch die Herstellung hochwertiger Hartmetallmaterialien rasch weiterentwickelt. Da die technischen Anforderungen der nachgelagerten Industrien zunehmen, ist die Marktnachfrage nach Hartmetallmaterialien kontinuierlich gestiegen. Auch die Produktionstechnologie für Hartmetallmaterialien wurde verbessert. Die entsprechenden Spezialhartmetallmaterialien werden heute in großem Umfang in der Rüstungsindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der mechanischen Bearbeitung, der Metallurgie, der Erdölbohrtechnik, bei Bergbauwerkzeugen, in der elektronischen Kommunikation, im Bauwesen und in anderen Bereichen eingesetzt. Auch bei Hightech-Waffen und der Ausrüstungsherstellung, beim Fortschritt der Spitzenforschung und -technologie sowie im Bereich der Kernenergie kommen Hartmetallprodukte mit hohem Technologiegehalt und hoher Qualitätsstabilität zum Einsatz.