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Ammoniumparawolframat

Ammoniumparawolframat ist ein weißes kristallines Wolfram-Salz. Die chemische Formel lautet (NH4)10(H2W12O42)·4H2O.
APW ist Zwischenprodukt bei der Aufbereitung von wolframhaltigen Erzen zu Wolfram oder Wolframverbindungen und enthält etwa 85 % WO3.
APW ist die weltweit übliche Handelform für wolframhaltige Rohstoffe und wird in der Regel in MTU (metric ton unit) gehandelt. Eine MTU enthält 10 kg WO3.

Benetzbarkeit

Ist eine Flüssigkeit nicht in der Lage, eine Oberfläche zu benetzen, zieht sie sich zu einem Tropfen zusammen. Es überwiegen die Kohäsionskräfte in der Flüssigkeit.

Bei vollständiger Benetzbarkeit breitet sich die Flüssigkeit auf der Unterlage aus. Es überwiegen die Adhäsionskräfte zwischen Unterlage und Flüssigkeit.

Zwischen Wolframkarbid und flüssigem Kobalt liegt vollkommene Benetzbarkeit vor, so dass flüssiges Kobalt die die Wolframkarbidpartikel umhüllen kann und auf Grund der Oberflächenspannung die Wolframkarbidpartikel zusammengleiten.

Biegefestigkeit

Die Biegebruchfestigkeitsprüfung (DIN EN ISO 3327) ist die gebräuchlichste Methode zur Bestimmung der Festigkeit spröder Werkstoffe. Die Probe liegt auf zwei Punkten auf. In der Mitte zwischen den zwei Auflagepunkten wird Kraft bis zum Bruch aufgebracht. Früher wurde grundsätzlich die Festigkeit an Proben rechteckigen Querschnitts geprüft. Mittlerweile werden zur Bestimmung der Biegebruchfestigkeit von Hartmetall für rotierende Werkzeuge in der Regel Proben mit rundem Querschnitt verwendet (Ø 3,3 x 30 mm), da diese Methode eher die Eigenschaften rotierender Werkzeuge widerspiegelt.

Die Festigkeit wird bei spröden Werkstoffen durch die Anzahl von Defekten oberhalb einer bestimmten Größe begrenzt. Es besteht eine  Volumenabhängigkeit, da die Wahrscheinlichkeit einen Defekt  zu finden mit zunehmendem Volumen zunimmt. Deshalb ist es notwendig, Hartmetall nahezu defektfrei herzustellen. Auch kleinste Oberflächendefekte können zum Versagen führen.

Dichte

Defektfreiheit ist bei spröden Werkstoffen von größter Bedeutung ist. Betroffen sind sowohl Defekte an der Oberfläche als auch im Inneren des Körpers. Eine Art Defekten sind Poren. Je größer der Anteil an Poren, um so geringer die Werkstoffdichte. Deshalb gibt die Dichte schon Hinweise darauf, ob das Material bis zur theoretischen Dichte gesintert wurde.

Darüber hinaus gibt bereits die Dichte Informationen über den ungefähren Anteil an Bindermetall.

Extrudieren

Mit Hilfe des Extrudierens  (Strangpressens) werden plastische Massen über eine Düse, auch Mundstück genannt, ausgepresst.

Bei den Pressen kann es sich entweder um Kolben- oder um Schneckenpressen handeln. Der Formkörper besitzt nach dem Auspressen den Querschnitt der Düse. Befinden sich im Pressenkopf Düsen mit integriertem Werkzeug, ist es möglich, Formkörper mit Löchern, auch Kanal genannt, über die gesamte Länge des ausgepressten Stranges herzustellen (vergleiche Hohlziegel).

Beim Extrudieren handelt es sich um ein kontinuierliches Formgebungsverfahren. Es kann ein quasi endloser Strang erzeugt werden.

Gefüge

Das mikroskopische Gefüge eines Werkstoffes bestimmt seine makroskopischen Eigenschaften. Es gibt unzählige verschiedene Hartmetalllegierungen (Unterschiede in der Korngröße des Ausgangswolframcarbides, Unterschiede im Gehalt an Bindermetall, Unterschiede in den Zusätzen wie Cr3C2, VC, TaC, TiC), die sich auch deutlich in ihren Anwendungseigenschaften unterscheiden. Um als qualitativ gut bezeichnet zu werden, müssen Hartmetalle nur zwei Voraussetzungen erfüllen: sie müssen möglichst porenfrei sein und ein möglichst gleichmäßiges Gefüge besitzen.

Die Gefügeuntersuchung dient dazu, die Gleichmäßigkeit des Gefüges und den Anteil an Poren zu beurteilen.

Im polierten Zustand des Schliffes können folgende Merkmale gesehen und bestimmt werden (DIN ISO 4505):

A-Porosität (Poren bis 10 µm)
B-Porosität (Poren zwischen 10 und 25 µm)
C-Porosität (Kohlenstoff-Porosität)

Im geätzten Zustand lassen sich folgende Phasen im Gefüge erkennen (DIN ISO 4499):

Wolframcarbid-Phase (α-Phase)
Binde-Phase, in der Regel Kobalt (β-Phase)
Weitere einzelne oder kombinierte Karbid-Phasen (γ-Phase)
Doppelkarbid-Phase (η-Phase) – unerwünscht

Grünformgebung

Die Grünbearbeitung dient dazu, die Form des Bauteiles bereits vor dem Sintern möglichst endkonturnah herzustellen. Der Grünling wird mittels mechanischer Verfahren wie Bohren, Fräsen oder auch Schleifen bearbeitet.

Vorteil der Bearbeitung ist die Tatsache, dass sie zu diesem Zeitpunkt schneller und mit geringerem Energieaufwand durchgeführt werden kann. Abgetragenes Material kann bei sortenreiner Trennung dem Prozess wieder zugeführt werden.

Bei der Bearbeitung muss mit ausreichendem Aufmaß gearbeitet werden, um den Volumenverlust während des Sinterns (Schwindung) zu berücksichtigen.

Hartmetall

Landläufig bekannt war dieser Werkstoff und ist es wohl heute auch noch unter dem Namen WIDIA-Stahl. Die Bezeichnung WIDIA ist der 1927 von der Firma Krupp eingeführte Markenname. WIDIA steht  für „hart Wie Diamant“. Die Bezeichnung Stahl führt allerdings völlig in die Irre. Bei Hartmetall handelt es sich nämlich nicht um eine Stahl-Legierung, sondern um einen Verbundwerkstoff.

Die  Hauptkomponenten des Hartmetalles sind  zum einen der Hartstoff Wolframkarbid (WC), zum anderen das Bindemetall Kobalt (Co).  Beide Komponenten liegen als Hartmetallrohstoffe pulverförmig vor. Bei Wolframcarbid und Kobalt handelt es sich um zwei sehr unterschiedliche Stoffe. Sowohl Dichte als auch Härte sind sehr verschieden. Entscheidend für den zu wählenden Herstellungsprozess sind die unterschiedlichen Temperaturen, bei denn die beiden schmelzen bzw. verdampfen. Wolframcarbid beginnt erst bei einer Temperatur zu schmelzen, bei der fast die Verdampfungstemperatur des Kobalts erreicht ist. D.h. eine Herstellung auf schmelzmetallurgischem Wege scheitert an der hohen Schmelztemperatur des Wolframkarbides, allein schon deswegen, weil geeignetes Tiegelmaterial fehlt. Deshalb erfolgt die Herstellung von Hartmetall auf pulvermetallurgischem Wege, d.h. durch Sintern eines Gemisches aus innig miteinander vermischtem WC- und Co-Pulver.

 

Wolframkarbid (WC) - Hartstoff

  • Dichte 15,63 g/cm³
  • Mikrohärte > 2.000
  • Schmelztemp. 2.870 °C

Kobalt (Co) - Metallischer Binder

  • Dichte 8,90 g/ cm³
  • Mikrohärte 100 - 200
  • Schmelztemp. 1.495 °C
  • Siedetemp. 2.927 °C

Hauptanwendungsgruppen

Da die Vielfalt an Schneidstoffen sehr hoch ist, ist es nicht möglich, Schneidstoffsorten entsprechend ihren eigenen Merkmalen zu normen. Deshalb erfolgte eine Klassifizierung der Schneidstoffe nach Ihrer Anwendung (DIN ISO 513).

Jeder Schneidstoff-Hersteller ordnet seine Produkte diesen Hauptanwendungsgruppen bzw. Anwendungsgruppen zu.

Diese Zuordnung ist durchaus problematisch und für den Hartmetallhersteller nur schwer zu vollziehen. Die Einflussgrößen während der Anwendung sind zahlreiche: Hartmetall-Substrat, Beschichtung, Schneidengeometrie, Kantenverrundung, Schnittdaten, Bearbeitungsmaschine (Steifigkeit), Kühlung des Werkzeuges, Möglichkeit des Abtransportes der Späne, zu zerspanendes Material. Dies alles sind Größen, die dem Hartmetall-Hersteller in der Regel nicht bekannt sind.

 

Härte

Die Härte ist definiert als der Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines anderen härteren Körpers entgegensetzt. Die Härte ist die wichtigste Kenngröße für den Anwender. Das Verschleiß- und Schneidverhalten von Werkzeugen wird durch ihre Härte maßgeblich vorgegeben.

Die Härte wird nachdem Vickers-Eindruckverfahren entsprechend DIN ISO 3878 bestimmt. Üblicherweise wird mit einer Last von 30 kg gemessen. Die Messwerte werden als HV30 angegeben.

Die Härte ist umso höher, je geringer der Kobalt-Gehalt der Hartmetalllegierung ist und je niedriger die Korngröße des eingesetzten Wolframkarbid-Pulvers ist.

Kobalt

Die metallische Bindephase der meisten Hartmetalle  besteht aus Kobalt. Kobalt ist ein ferromagnetisches Übergangsmetall und hat die Ordnungszahl 27. Seine Dichte beträgt 8,90 g/ cm³, seine Schmelztemperatur 1.495 °C und seine Siedetemperatur 2.927 °C.

Kobalt ist das Metall, das für Hartmetall auf Wolframkarbidbasis am besten als Bindemetall geeignet ist. Es ist in der Lage, bereits im festen Zustand mit steigender Temperatur in zunehmendem Maße Wolframkarbid zu lösen. Das schmelzflüssige Eutektikum aus Wolframkarbid und Kobalt ist hervorragend geeignet, die Wolframkarbidkörner zu benetzen. Beim Abkühlen erstarrt nicht das Eutektikum aus Wolframkarbid und Kobalt, sondern es scheidet sich ein großer Teil des gelösten Wolframkarbides an bereits vorhandenen Wolframkarbidkörnern wieder ab. So bleibt die Duktilität der Binderphase aus Kobalt weitestgehend erhalten.

Magnetische Eigenschaften

Magnetische Eigenschaften

Die magnetischen Eigenschaften des Hartmetalles rühren von den der ferromagnetischen Binderlegierung innewohnenden magnetischen Eigenschaften und resultieren aus dem Mengenanteil an Binderlegierung und aus dem Anteil, der in ihr befindlichen Fremdelemente.

Koerzitivkraft Hc [kA/m] (DIN ISO 3326)

Bringt man einen ferromagnetischen Werkstoff in ein magnetisches Feld, wird in diesem Teil eine magnetische Flussdichte induziert bis zu einem Sättigungswert. Wird die Erregung des magnetischen Feldes auf 0 zurückgeführt, bleibt eine magnetische Flussdichte erhalten, die Remanenz. Um diese Remanenz auf 0 zurückzuführen, muss man eine entgegengesetzt gerichtetes magnetisches Feld anlegen.

Als Koerzitivkraft wird die magnetische Feldstärke bezeichnet, die notwendig ist, um die Remanenz eines ferromagnetischen Werkstoffes wieder auf 0 zurückzuführen (Hysterekurve).

Die Koerzitivkraft gibt beim Hartmetall Aufschluss über den Zustand der ferromagnetischen Bindephase. Je feiner verästelt und damit spannungsreicher die Bindephase im Hartmetall vorliegt, umso höher ist die Koerzitivkraft, die notwendig ist, um die Magnetisierung wieder aufzuheben. Man spricht zuweilen auch von magnetischer Härte. Die Koerzitivkraft nimmt mit feiner werdendem WC-Gefüge und mit abnehmendem Kobaltgehalt zu.

Magnetische Sättigung 4πσ [µTm³/kg]

Die magnetische Sättigung bezeichnet den Maximalwert der magnetischen Induktion, auch als magnetische Flussdichte oder Kraftflussdichte bezeichnet.

Die magnetischen Eigenschaften werden zum einen durch die magnetische Charakteristik des Bindemetalls, zum anderen durch die in ihm befindlichen Fremdelemente bestimmt.

Bleibt nach dem Sintern Wolfram in der Co-Phase gelöst wegen zu niedriger Kohlenstoffbilanz, bildet sich ein Doppelcarbid aus Co und W, die so genannte η-Phase Co3W3C. Kobalt in dieser Verbindung ist nicht mehr ferromagnetisch und liefert daher keinen Beitrag mehr zu den magnetischen Eigenschaften. Steigt der Kohlungsgrad, wird kein Wolfram mehr im Kobalt gelöst, sondern es liegt als Mono-Wolframkarbid WC vor und kristallisiert auch als solches aus. Der Anteil an Kobalt, das einen Betrag zu den magnetischen Eigenschaften liefert, nimmt zu. Ab einem gewissen Grad der Überkohlung scheidet sich im Gefüge freier Kohlenstoff aus. Bei Kenntnis der magnetischen Eigenschaften des Bindemetalles lassen sich bereits ohne Kenntnis des tatsächlichen Gefüges recht genaue Aussagen über den Kohlungszustand des Hartmetalles treffen.

Sowohl die η-Phase als auch freier Kohlenstoff schwächen das Gefüge des Hartmetalles und sind deshalb unerwünscht. Da man aus der gemessenen magnetischen Sättigung auf den Kohlungsgrad der Hartmetalllegierung schließen kann, ist die Messung dieser Eigenschaft von allergrößter Bedeutung.

Mischen

Ziel des Mischens ist das Homogenisieren aller nach Rezept eingewogenen Mischungsbestandteile und das Beseitigen von Agglomeraten. Ein Aufmahlen und damit eine Verkleinerung der Pulverkörner sind nicht angestrebt. Durch zu intensives Mahlen ist der Energieeintrag in die Mischung unter Umständen so hoch, dass es sich nachteilig auf das sich im Sinterprozess entwickelnde Gefüge auswirken kann.

Das Mischen kann in sogenannten Attritoren erfolgen, aber auch in Kugel- oder Schwingmühlen. Gemahlen wird in Gegenwart einer organischen Mahlflüssigkeit, die ein Oxidieren der Pulverbestandteile verhindern soll und die nach dem Mahlprozess komplett aus der Mischung wieder ausgetrieben werden muss.

Je nach geplanter Formgebung muss der Mischung ein Presshilfsmittel zugegeben werden.

Für das kaltisostatische Pressen muss eine rieselfähige Mischung hergestellt werden. Die Konsistenz muss derart sein, dass der Presskörper nach dem Pressen nicht wieder auseinanderfällt.

Zum Zwecke des Extrudierens muss durch Zusatz des Presshilfsmittels eine plastifizierbare, Knete ähnliche Masse hergestellt werden.

Monostatisches Pressen

Uniaxiales Trockenpressen: Das Pulver wird in eine Matrize gefüllt, es wird verdichtet, der Presskörper wird der Matrize entnommen.

Es handelt sich um ein diskontinuierliches Verfahren. Nur geeignet für einfache Geometrien. Hat aber den Vorteil guter Reproduzierbarkeit, guter Maßhaltigkeit und eingeschränkter Trocknung.

Phasendiagramm

Es ist vielleicht hilfreich, sich den Pulvermetallurgischen Herstellungsprozess ähnlich dem vorzustellen, was in einer Bäckerei geschieht. Aus pulverförmigen und flüssigen Rohstoffen wird eine Masse geformt, die dann in einem Ofen in einen festen Körper überführt wird. Mit Hilfe eines so genannten Phasendiagrammes, auch Zustandsschaubild genannt, soll zu erklären versucht werden, was während des Sinter-Prozesse geschieht.

Das Auftreten bestimmter Phasen bei bestimmten Temperaturen wird im Allgemeinen in so genannten Phasendiagrammen dargestellt. Für das System Wolfram - Kohlenstoff - Kobalt bräuchte man ein ternäres System, das sich nur räumlich darstellen lässt.

Nur bei einem stöchiometrischen Verhältnis von Wolfram zu Kohlenstoff gleich 1 scheidet sich Wolframmonokarbid aus der Schmelze aus. Deshalb genügt die Betrachtung für einen stöchiometrischen  Kohlenstoffgehalt von 50 % (entspricht 6,13 Gewichtsprozent Kohlenstoff) im Wolframkarbid. Das kann in dem quasibinären System WC - Co geschehen (siehe unten abgebildetes Phasendiagramm).

Voraussetzung dafür, dass ein Formkörper entsteht, ist ein Zusammenwachsen der einzelnen Pulverpartikel. Das passiert bereits ab  etwa 800 °C durch das Festphasen-Sintern. Es erfolgt ein Materialaustausch der einzelnen Partikel auf Grund von diffusionsgesteuerten Platzwechselvorgängen. Bereits zu diesem Zeitpunkt beginnt sich Wolframkarbid im Kobalt zu lösen. Es löst sich zu keinem Zeitpunkt umgekehrt Kobalt im Wolframkarbid. Die Zusammensetzung der Bindephase Kobalt bewegt sich entlang der Begrenzungslinie des γ-Gebietes. Bereits bei diesen Temperaturen werden etwa 80 % der erforderlichen Verdichtung erreicht, natürlich bei gleichzeitiger Schwindung des Presskörpers. Bei ca. 1300 ° C tritt die erste Schmelze auf, und zwar deutlich unterhalb der Temperatur, bei der reines Kobalt zu schmelzen beginnt. In der Schmelze löst sich sofort Wolframcarbid bis zum Erreichen der eutektischen Schmelze (54 % Co, 46 % WC). Bei weiterer Temperatursteigerung wird weiteres Wolframkarbid entlang der rechten Begrenzungslinie des Gebietes Wolframkarbid und Schmelze (S) gelöst.

Bei der Sintertemperatur für ein Hartmetall mit 6 % Kobalt beträgt der Anteil der flüssigen Phase 11,8 Gewichtsprozent, das entspricht 15,6 Volumen-Prozent. Die flüssige Phase benetzt die Wolframkarbidteichen vollständig und dringt zwischen die agglomerierten Hartstoff-Teilchen. Damit dieser Vorgang stattfinden kann, ist es so wichtig, dass das Bindemetall in der Lage ist, die Hartstoffpartikel gut zu benetzen. Unter Einwirkung der Oberflächenspannung gleiten die Wolframkarbidteilchen zusammen, was zu einer weiteren Schwindung des Presskörpers führt.

Während des Sintervorganges finden Umlösevorgänge der Hartstoffphase statt. Beständig löst sich Wolframkarbid auf und gleichzeitig scheidet sich Wolframkarbid an bestehenden Hartstoffgrenzflächen wieder ab.

Beim Abkühlen von Sintertemperatur nimmt die Löslichkeit des Wolframkarbides im Kobalt stetig wieder ab und nach und nach scheidet sich das gelöste Wolframkarbid an bereits existierenden Hartstoffteilchen wieder ab. Da immer ein möglichst energiearmer Zustand angestrebt wird, ist eine Minimierung der Grenzflächenenergie angestrebt, also eine Minimierung der spezifischen Oberfläche, was zu Kornwachstum führt. Während des beschriebenen Prozesses lösen sich kleine Kristallite zu Gunsten des Wachstums großer Kristalle auf. Diesem unerwünschten Kornwachstum wirken geringste Zusätze von Fremdatomen entgegen, den so genannten Dope-Karbiden.

In Folge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Kobalt- bzw. Wolframkarbidphase steht die Kobaltphase nach dem Abkühlen unter Zug-, die Wolframkarbidphase unter Druckspannung. Das verzögert bei mechanischer Belastung den Bruch der spröden Karbidphase.

Porosität

Anders als bei duktilen Werkstoffen ist es bei spröden Werkstoffen, wie Hartmetall einer ist, nicht möglich, Poren durch plastische Verformung zu schließen. Vor dem Bruch findet bei Hartmetallen nur eine unwesentliche plastische Verformung statt. Die Poren können auf Grund innerer Kerbwirkung weit unterhalb der theoretischen Bruchfestigkeit, die für eine Hartmetall-Sorte charakteristisch ist, zu einem Versagen führen.

Im polierten Zustand des Schliffes können folgende Merkmale gesehen und bestimmt werden (DIN ISO 4505):

A-Porosität (Poren bis 10 µm)
B-Porosität (Poren zwischen 10 und 25 µm)
C-Porosität (Kohlenstoff-Porosität)

Pulvermetallurgie

Die Pulvermetallurgie ist ein Teilgebiet der Metallurgie, das sich mit der Herstellung von Metallpulvern und Bauteilen daraus befasst (DIN EN ISO 3252).
Der Herstellungsprozess umfasst im Wesentlichen drei Herstellungsschritte:

  • Pulvergewinnung
  • Formgebung und Verdichtung
  • Verfestigung durch Sintern

Die Pulvermetallurgie gehört zu den urformenden Verfahren.

Die klassische auf pulvermetallurgischem Wege hergestellte Werkstoffgruppe ist die der Keramiken, egal, ob es sich um die klassischen Keramiken wie Ziegel und Porzellan, oder um technische Keramiken wie z.B. Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid handelt. Aus diesem Grunde sprach man auch zu Beginn der Entwicklung von pulvermetallurgischen Produkten aus metallischen Pulvern von Metallkeramik.

Die Pulvermetallurgie bietet gegenüber der Schmelzmetallurgie den großen Vorteil, dass es auf diesem Wege möglich ist, Ausgangsstoffe gemeinsam zu einem Verbundwerkstoff zu verarbeiten, die nicht gemeinsam erschmolzen werden können.

Beim Hartmetall werden so unterschiedliche Stoffe wie Wolframkarbid (Schmelztemperatur 2.870 °C) und Kobalt (Schmelztemperatur 1495 °C, Siedetemperatur 2.927 °C) zu einem Verbundwerkstoff zusammengeführt.

Schneidstoffe – Historie

Begonnen hat die Entwicklung moderner Schneidstoffe Mitte des 19. Jahrhunderts. Man verwendete zunächst Kohlenstoffstähle und konnte mit Schnittgeschwindigkeiten von ca. 5 m/min arbeiten. Eine Verdopplung der Schnittgeschwindigkeit brachten um 1900 die auf der Weltausstellung in Paris vorgestellten Schnellarbeitsstähle. Von diesem Zeitpunkt an nahm die Entwicklung neuer Schnellarbeitsstähle Fahrt auf. Man entwickelte Schnellarbeitsstähle, mit denen man kurz vor dem 1. Weltkrieg Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 30 m/min erreichte. 1914 folgten gegossenen Hartlegierungen (Stellite), die  dann Schnittgeschwindigkeiten bis zu 40 m/min erlaubten. Der nächste große Schritt war dann die Entwicklung der Hartmetalle. 1923 wurde der Fa. Osram ein Patent erteilt auf eine pulvermetallurgisch hergestellte Legierung aus WC und Co. Dieses Patent erwarb 1925 die F. Krupp und brachte 1927 die ersten mit Hartmetall bestückten Werkzeuge auf den Markt. Nun konnte man mit sehr vielen höheren Schnittgeschwindigkeiten, nämlich mit bis zu 200 m/min ans Werk gehen.

Es folgten in den 50er Jahren hochtitankarbidhaltige Hartmetalle und bereits die ersten Keramiken (bis 500 m/min). Synthetischer Diamant tauchte damals erstmals auf. In den 60er Jahren kamen superharte Schneidstoffe auf Borkarbidbasis hinzu. Gleichzeitig wurde begonnen, Beschichtungssysteme für Hartmetalle auf den Markt zu bringen. Als Verbesserung gegenüber der sehr spröden Schneidkeramik wurde Ende der 70er Jahre das Siliciumnitrid eingeführt. Ein bislang letzter großer Entwicklungsschritt war die Entwicklung der Feinstkornhartmetalle, die sich vor allem durch eine hohe Zähigkeit bei gleichzeitig hoher Härte auszeichnen.

Schneidstoffe

Schneidstoffe

Als Schneidstoffe werden diejenigen Werkstoffe bezeichnet, aus denen der schneidende Teil eines Zerspanungswerkzeugs mit geometrisch bestimmter Schneide oder eines Scherwerkzeugs besteht.

Schneidstoffe sollten folgende Eigenschaften besitzen:

  • Härte und Druckfestigkeit
  • Biegefestigkeit und Zähigkeit
  • Kantenstabilität
  • Warmfestigkeit
  • Oxidationsbeständigkeit
  • Geringe Adhäsionsneigung
  • Abriebfestigkeit.

Man unterscheidet folgende Gruppen von Schneidstoffen:

  • Werkzeugstähle
  • Hartmetalle
  • Schneidkeramiken
  • Hochharte Schneidstoffe aus Bornitrid oder Diamant.

Die Schneidstoffe unterscheiden sich in ihren Eigenschaften deutlich. Da Zähigkeit und Härte gegenläufige Werkstoffeigenschaften sind, sind die Schneidstoffe auch in der Anwendung sehr unterschiedlich einzusetzen. Zunehmende Verschleißfestigkeit und Warmfestigkeit erlauben zunehmende Schnittgeschwindigkeiten. Zunehmende Zähigkeit und Biegefestigkeit erlauben einen höheren Vorschub. Der ideale Schneidstoff müsste beides erlauben.

Sintern

Unter Sintern versteht man das Wärmebehandlungsverfahren, während dem das noch lose gebundene Pulverhaufwerk verdichtet und die endgültige Festigkeit erzielt wird.

Der Presskörper ist mit einer großen freien Energie versehen. Während des Sinterns wird der Presskörper in den stabileren Zustand des dichten Körpers überführt. Es werden alle äußeren und inneren Oberflächen des Presslings minimiert (nach außen offenen Poren, eingeschlossenen Poren, Korngrenzen).

Der Prozess läuft temperatur- und zeitinduziert ab.

Durch den Materialtransport und damit verbundener Umlagerung der einzelnen Partikel ändert sich die äußere Form des Körpers. Er schwindet. Zum einen wachsen die einzelnen Partikel zusammen, zum anderen nimmt das Porenvolumen ab.

Anders als in der klassischen Keramikindustrie, in der man mit Durchschuböfen arbeiten kann, wird Hartmetall in Autoklaven gesintert, also diskontinuierlich, da nur so die notwendige Atmosphäre zur Verfügung gestellt werden kann.

Sinterschwund

Der Formkörper verliert während des Sinterprozesses an Volumen, dadurch dass er während dieses Prozesses bis annähernd zur theoretischen Dichte verdichtet wird. Im Grünling vorhandenes Porenvolumen wird durch das Sintern beseitigt. Der Volumenschwund beträgt beim Hartmetall etwa 38 – 48 %, das entspricht einem linearen Schwund von etwa 15 - 20 %.

Bei der Auslegung der Bauteile muss dieser Schwund berücksichtig werden, d.h. es müssen alle Zeichnungsmaße des Grünlings um einen Prozentsatz vergrößert werden (Aufmaß). Dieses Aufmaß beträgt etwa 17 – 24 %.

Urformen

Von Urformen spricht man, wenn aus einem formlosen Stoff ein fester Formkörper erzeugt wird. Vier Möglichkeiten werden unterschieden.

 

  • Ausgehend von einer Flüssigkeit bekommt man dadurch, dass man diese Flüssigkeit in eine Form gießt und erstarren lässt, einen Festkörper. Dieses ist ein Gießprozess.
  • Durch das Abscheiden von Feststoffen aus einer Gasphase kann man Festkörper beschichten. Es handelt sich um das Bedampfen.
  • Man kann ionisierte Stoffe aus einem Elektrolyten auf Oberflächen abscheiden. Man spricht von Galvanisieren.
  • Oder man bringt Schüttgüter in Form und führt sie anschließend einer Festigkeit gebenden Wärmebehandlung zu. In diesem Fall spricht man von Sintern.

Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe sind eine sehr vielfältige Gruppe moderner Werkstoffe. Ihr gemeinsames Merkmal ist, dass zwei oder mehrere Feststoffe innig miteinander verbunden werden und so ein Werkstoff entsteht, der sich synergetisch die positiven Eigenschaften der Einzelkomponenten zunutze macht.

Verschleißfestigkeit

Die wichtigste Eigenschaft des Hartmetalle ist die Verschleißfestigkeit.

Während der Zerspanung finden im Schneidenbereich Verformungs-, Trenn- und Reibvorgänge statt. Der Schneidstoff unterliegt während dieses Prozesses verschiedenen Belastungen, vor allem hohen Druckspannungen, hohen Schnittgeschwindigkeiten und hohen Temperaturen. Das Einsatzende findet der Schneidstoff in der Regel durch einen kontinuierlich zunehmenden Verschleiß an Span- und Freifläche.

Die Verschleißfestigkeit ist eine Eigenschaft der Oberfläche. Bei reibendem Kontakt zweier Flächen verlieren beide Material. Von Abrieb spricht man, wenn es sich beim Verlust nur um den Abtrag von kleinsten Partikeln handelt, von Abrasion spricht man, wenn größere Partikel aus der Oberfläche heraus gebrochen werden. Zu diesen beiden Effekten kommen oft noch, verursacht durch Umgebungsmedien, Korrosions- und Oxidationsvorgänge hinzu. In Hinblick auf einen hohen Widerstand der Schneidkante gegen plastische Verformung sollte das Hartmetall eine große Warmhärte und Druckfestigkeit aufweisen. Gleichzeitig aber auch eine hohe Biegefestigkeit und ausreichend hohe Zähigkeit.

Verschleiß ist ein sehr komplexer Vorgang und deshalb nur sehr schwer zu bewerten. Es gibt Prüfungen, die unter vorgegebenen Laborbedingungen durchgeführt werden. Die gewonnenen Ergebnisse gelten aber immer nur für die untersuchten Werkstoffpaarungen und Untersuchungsbedingungen und lassen sich nicht auf andere Bedingungen übertragen.
Hinweise auf das Verschleißverhalten geben Größen, die einer Messung und Bewertung leichter zugänglich sind. Das sind die Zähigkeit und die Biegebruchfestigkeit.

Wolfram

Wolfram ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol W und der Ordnungszahl 74. Es zählt zu den Übergangsmetallen, im Periodensystem steht es in der 6. Nebengruppe oder Chromgruppe. Wolfram ist ein weißglänzendes, in reinem Zustand sprödes Metall mit einer Dichte von 19,3 g/cm³. Es besitzt von allen reinen Metallen den höchsten Schmelzpunkt (3.422 °C) und den zweithöchsten Siedepunkt (5.930 °C). Seine bekannteste Verwendung ist daher die Glühwendel in Glühlampen.

Wolfram gehört zu den sogenannten Refraktärmetallen (von lat. refractarius = widerspenstig), die sich alle durch einen sehr hohen Schmelzpunkt und eine hohe Härte auszeichnen. Die übrigen Refraktärmetalle sind Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom und Molybdän. Die Metalle Titan, Vanadium, Niob, Tantal und Chrom sind in Form ihrer Karbide gängige Zusätze in Hartmetalllegierungen.

Wolframerz

Der Wolframgehalt der Erdkruste liegt etwa bei 0,0001 g/t. Das Metall konnte in der Natur bisher nicht gediegen (in reiner Form) nachgewiesen werden.

Wolframerz enthält Wolfram meist in der Form der Minerale Scheelit – CaWO4, Ferberit – FeWO4 oder auch  Hübnerit – MnWO4. Ihr Gehalt an Wolframoxid beträgt maximal etwa 1,5 %, in der Regel oft nur 0,5 %. Diese Erze müssen also zunächst in der Nähe des Abbauortes zu einem Konzentrat durch Abtrennen von Gangmaterial angereichert werden. Das Konzentrat enthält dann ca. 65 – 70 % Wolframoxid.

China nimmt mit 75 – 90 % der globalen Bergwerksförderung die dominierende Stellung ein, mit großem Abstand gefolgt von der Russischen Föderation, Kanada, Vietnam u.a. Das bedeutendste bekannte Vorkommen von Wolfram in Europa befindet sich im Felbertal in den Hohen Tauern (Bundesland Salzburg in Österreich).

Wolframkarbid

Wolframkarbid ist eine chemische Verbindung des Wolframs mit Kohlenstoff. Wolframkarbid hat einen ausgeprägt metallischen Charakter, obwohl kein Metall,  was die gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit erklärt und die gute Benetzbarkeit durch das Metall Kobalt.

Zerspannungsgruppen

Zerspanungsgruppen

DIN ISO 513: Da die Vielfalt an Schneidstoffen sehr hoch ist, ist es nicht möglich, Schneidstoffsorten entsprechend ihren eigenen Merkmalen zu normen. Deshalb erfolgte eine Klassifizierung der Schneidstoffe nach Ihrer Anwendung.

Jeder Schneidstoff-Hersteller ordnet seine eigenen Produkte diesen Hauptanwendungsgruppen bzw. Anwendungsgruppen zu.

Diese Zuordnung ist durchaus problematisch und für den Hartmetallhersteller nur schwer zu vollziehen. Die Einflussgrößen während der Anwendung sind zahlreiche: Hartmetall-Substrat, Beschichtung, Schneidengeometrie, Kantenverrundung, Schnittdaten, Bearbeitungsmaschine (Steifigkeit), Kühlung des Werkzeuges, Möglichkeit des Abtransportes der Späne, zu zerspanendes Material. Dies alles sind Größen, die dem Hartmetall-Hersteller in der Regel nicht bekannt sind.

Zähigkeit

Zähigkeit ist die Fähigkeit einen Bruch zu vermeiden.

Die Zähigkeit von Hartmetallen wird meist mit der Palmquist-Methode bestimmt. Gemessen wird der kritische Spannungsintensitätsfaktor KIc [MNm-3/2].  Dieser Faktor ist das Maß für die am Rissende auftretende Spannung.

Hartmetall ist ein spröder Werkstoff, da praktisch keine plastische Verformung dem Bruch vorangeht. Der Spannungsintensitätsfaktor dient dazu, sich eine Vorstellung von der Rissfortpflanzung im Material zu machen. Je nach Hartmetall-Zusammensetzung weisen die einzelnen Sorten jedoch große Unterschiede auf. Diese Messmethode kann nicht zur ständigen Kontrolle der Produktion herangezogen werden, da sie recht aufwendig ist. Zunächst muss ein Härteeindruck erzeugt werden. Anschließend wird die Länge der an den Ecken dieses Eindruckes entstandenen Risse vermessen. Aus diesen Längen wird dann der KIc-Wert mit der Einheit MNm-3/2 ermittelt.

Es muss erwähnt werden, dass in der Literatur angegebene KIc-Werte mit größter Vorsicht zu betrachten sind, da man je nach Messbedingungen und Probenpräparation zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen gelangen kann.