Das ist Hartmetall
Transcription
Das ist Hartmetall
Das ist Hartmetall S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Der Werkstoff mit Ausdauer Die wertvollste Eigenschaft des Hartmetalls liegt in der Möglichkeit, eines der schwierigsten Probleme, mit dem die Ingenieure zu kämpfen haben, sicherer und verläßlicher als mit irgendeinem anderen bekannten Werkstoff zu lösen, nämlich das Problem der Zuverlässigkeit. Zuverlässigkeit hat oft mit Verschleiß zu tun. Und Verschleißfestigkeit ist das herausragendste Merkmal des Hartmetalls. Falls der Werkstoff auch Deformation, Schlag, schwere Belastung, hohen Druck, Korrosion und hohe Temperatur vertragen muß, ist Hartmetall meistens der einzige Werkstoff, der diesen Anforderungen einwandfrei entspricht. Es ist schon lange bekannt, daß die Verwendung von Hartmetall eine optimale Lösung bei Werkzeugen zur Metallbearbeitung und zum Gesteinsbohren ist. Inzwischen haben Hartmetalle auch in vielen anderen Werkzeug- und Konstruktionsbereichen ihre Überlegenheit bewiesen. Bei Industrieanlagen und Verbrauchsgütern sind Störungen häufig auf den Ausfall eines einzigen Teils oder Geräts zurückzuführen. Die Lösung kann der Einsatz eines hochwertigen Hartmetallteils sein. Erfahrungsgemäß ergeben sich Konstruktionslösungen aus der engen Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren aus dem Anwendungsbereich und aus der Hartmetalltechnik. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn diese Kontakte in einem frühen Stadium des Entwicklungsprojekts geknüpft wurden, wenn es noch möglich ist, die Konstruktion zu ändern und die Vorteile des Hartmetalls voll zu nutzen. Diese Schrift soll als Leitfaden zur Wahl und Anwendung von Hartmetall dienen. Die Angaben und Diagramme enthalten typische Werte aus Laborversuchen. Die Empfehlung von Hartmetallsorten für bestimmte Anwendungsbereiche fußt auf Laborversuchen und Erfahrungen; Sie kann nur als Empfehlung für ähnliche Anwendungen dienen. Härte, HV Diamant Kubisches Bornitrid Keramik (KIC 2-8 MN/m3/2) Hartmetall (KIC 5-25MN/m3/2) Schnellstahl (KIC 5-25MN/m3/2) Biegebruchfestigkeit, N/mm2 2 Der Begriff "Hartwerkstoffe" steht für Materialien, die an Härte die festesten Stähle übertreffen. Die Härteabstufung geht vom Diamanten (härtester Werkstoff) über Bornitride und Keramik bis zum Hartmetall, dem heute wichtigsten Hartwerkstoff, der eine breite Palette von Härte- und Zähigkeitskombinationen abdeckt. S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Hartmetallarten Hartmetalle sind eine Reihe von Compositstoffen, bestehend aus harten Karbidteilchen, die durch ein metallisches Bindemittel gebunden sind. Der Anteil der Karbidphase liegt gewöhnlich zwischen 70 und 97% des Gesamtgewichts des Composits und die Korngröße ist durchschnittlich 0,4 bis 10 µm. Wolframkarbid (WC), die harte Phase, bildet zusammen mit Kobalt mensetzungen gibt es Hartmetalle mit verschiedenen Anteilen von Titankarbid (TiC), Tantalkarbid (TaC) und Niobkarbid (NbC). Diese Karbide können sowohl gegenseitige Verbindungen eingehen als auch einen hohen Anteil an Wolframkarbid binden. Es werden auch Hartmetalle hergestellt, bei denen die Kobaltbindephase mit anderen Metallen legiert oder durch andere einzelnen Phasen. Metallurgisch wird die Wolframkarbidphase (WC) als Phase (Alpha) bezeichnet, die Bindephase (Co, Ni usw.) als -Phase (Beta) und jede weitere einzelne oder kombinierte Karbidphase (TiC, Ta/NbC usw.) als -Phase (Gamma). Außer für Metallbearbeitungszwecke gibt es keine international festgelegte Klassifizierung der Hartmetalle. (Co), der Bindephase, das Hartmetallgrundgefüge, aus dem andere Hartmetallarten entwickelt wurden. Außer den reinen Wolframkarbid-Kobalt-Zusam- Metalle ersetzt ist, z. B. Eisen (Fe), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Molybdän (Mo) oder Legierungen dieser Elemente. Hartmetall besteht somit aus drei Die von Sandvik entwickelten Hartmetallsorten werden jedoch in vier Hauptgruppen eingeteilt, wie auf der nächsten Seite beschrieben. WC-Korngröße, µm Schlagende Bergbauwerkzeuge Bergbau- und Tiefbauwerkzeuge Mauer- und Steinbearbeitungswerkzeuge Die Anwendungsbereiche für reines Hartmetall. Walzen zum Warmwalzen 800 Kaltformwerkzeuge Holzbearbeitungswerkzeuge Ziehwerkzeuge Metallbearbeitungswerkzeuge Werkzeuge zur Bearbeitung von Compositstoffen 2000 Titelseite: Mikrostruktur des extra grobkörnigen WC-CoHartmetalls nach elektrolytischem Ätzen. Vergrößerung: 1500fach. 1200 1400 1600 1800 1000 V te, H Här 30 2200 Kobaltgehalt, Gewichts% 3 S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S WC-CoMetalle Korrosionsfeste Metalle Diese Gruppe enthält nur WC und Co (d. h. zwei Phasen) und einige Spurenelemente. Die Metalle werden nach Kobaltgehalt und WC-Korngröße klassifiziert. Die Metalle mit 10 bis 20 Gewichts% Bindemittel und WC-Korngrößen zwischen 1 und 5 µm haben eine hohe Festigkeit und Zähigkeit in Verbindung mit guter Verschleißfestigkeit. Die Metalle mit 3 bis 15 Gewichts% Bindemittel und Korngrößen unter 1 µm haben eine große Härte und Druckfestigkeit in Verbindung mit außerordentlich hoher Verschleißfestigkeit. Das Sandvik-Programm umfaßt auch WC-Co-Metalle mit einer Reihe von ultrafeinen WC-Korngrößen (<0,5 µm). Mit einer so feinen, gleichmäßigen Korngröße wird eine einzigartige Kombination von Härte, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit erzielt. Diese Gruppe besteht aus Hartmetallsorten, bei denen die Bindephase besonders für eine Korrossionsfestigkeit ausgelegt ist, die höher liegt, als bei den Metallen, die nur Kobalt enthalten. Erreicht wird das durch Legierung der Kobalt-Bindephase mit Elementen wie Nickel und Chrom oder durch eine noch korrosionsfestere Legierung anstelle dieser. Metalle mit DoppelEigenschaft (DP) Diese Gruppe besteht aus Metallen, bei denen die Verteilung der Bindephase so geändert ist, daß die Oberflächenzone des Werkstoffs andere Eigenschaften hat als die Masse. Dieses von Sandvik entwickelte, völlig neue Konzept gestattet die Herstellung von Teilen mit scharf abgegrenzten Mikrostrukturzonen, deren Bindemittelgehalt jeweils verschieden ist. Jede Zone hat somit verschiedene Eigenschaften – daher der Begriff "Doppel-Eigenschaft". Mehr Information über DP-Hartmetall steht auf Seite 17. Metalle mit kubischen Karbiden Diese Gruppe besteht aus Metallen mit einem bedeutenden Anteil -Phase (Ti, Ta, Nb)C neben dem WC und Co (Dreiphasenwerkstoffe). Die Hauptmerkmale der -Phase sind gute thermische Stabilität, geringes Kornwachstum und Oxydationsbeständigkeit. Diese Metalle wurden so ausgelegt, daß sich eine gute Abstimmung von Verschleißfestigkeit und Zähigkeit in den Anwendungsbereichen ergibt, wo ein enger Kontakt mit eisenhaltigen Werkstoffen vorkommt und hohe Temperaturen auftreten. Das geschieht typisch bei der Metallbearbeitung und an Hochdruck-Gleitstellen unter Heißlauf- und Freßgefahr. 5 µm Mikrostruktur eines WC-Co-Metalls 4 Mikrostruktur eines -Phasen-Metalls S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Korngrößenklassifizierung Sandvik Hard Materials arbeitet mit folgender Korngrößenklassifizierung bei allen Standardsorten: Ultrafein < 0,5 µm Extrafein 0,5 - 0,9 µm Fein 1,0 - 1,3 µm Mittel 1,4 - 2,0 µm Mittelgrob 2,1 - 3,4 µm Grob 3,5 - 5,0 µm Extragrob > 5,0 µm 5 µm 5 S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Werkstoffeigenschaften Verschleißfestigkeit Die wichtigste Eigenschaft des Hartmetalls ist die Verschleißfestigkeit. Diese Eigenschaft, oder richtiger diese Kombination von Eigenschaften, bezieht sich auf Oberflächenerscheinungen. Wenn zwei Flächen aneinander reiben, verlieren beide Material. Bei geringer Belastung geschieht dieser Verlust durch die Abtragung einzelner Körnchen oder Partikel. Dieser Vorgang wird normalerweise Abrieb genannt. Bei größerer Belastung geschieht der Verlust durch die Abtragung von Körnchenklumpen. Dieser Vorgang wird Abrasion genannt. Beide Vorgänge, bei denen Ober- cm-3 F flächenmaterial abgetragen wird, tragen zum Verschleiß bei. In der Praxis wird die Materialabtragung oft auch durch die Umgebung beeinflußt, besonders wenn es sich um Korrosion oder Oxydation handelt. Der Begriff Verschleiß ist sehr komplex, und Verschleißwerte sind von vielen Variablen abhängig. Vergleichsangaben sind kritisch zu betrachten. Die Verschleißfestigkeit kann jedoch im Labor unter einheitlichen Bedingungen festgestellt werden. Solche Bewertungen gelten jedoch nur für das Verhalten der geprüften Werkstoffe unter diesen speziellen Bedingungen. cm-3 Verschleißfestigkeit Stahlscheibe Prüfstück Umrührer Schmirgelbrei Bei der Prüfung nach ASTM B611-85 wird das Prüfstück an den Rand einer rotierenden Scheibe gepreßt, die teilweise in einen Brei aus Aluminiumteilchen (Al2O3) und Wasser taucht. Die Abriebfestigkeit richtet sich nach dem Kobaltgehalt und der Wolframkarbidkorngröße, wie aus den Diagrammen hervorgeht. Verschleißfestigkeit Extrafein Extrafein Mittel Mittelgrob Mittel Mittelgrob Vickershärte Gewichts% Co Verschleißfestigkeit als Funktion des Co-Gehalts bei verschiedenen WC-Korngrößen nach der Prüfmethode ASTM B611-85. 6 Verschleißfestigkeit als Funktion der Härte (ASTM B611-85). S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Zähigkeit Wenn ein Teil äußeren Belastungen ausgesetzt ist, statischen oder dynamischen, entstehen mechanische Spannungen im Werkstoff. Die mechanische Festigkeit und Verformbarkeit des Werkstoffs ist daher wichtig. In vielen Fällen, besonders bei Stoßlasten, müssen diese beiden Eigenschaften gleichzeitig beachtet werden. Das sind die Grundlagen des Begriffs "Zähigkeit", der als "Fähigkeit, einen Bruch zu vermeiden" definiert werden kann. Bruch ist eine vollständige Trennung in mindestens zwei Teile. Es gibt viele Möglichkeiten, Zähigkeit zu definieren und zu bestimmen. Bei obiger Definition wird das integrierte Produkt aus Kraft und Verformung bis zum Bruch als Zähigkeitswert benutzt. Zur Bestimmung der Zähigkeit von Hartmetall ist die Palmqvist- Methode gebräuchlich. Hier wird die Bruchzähigkeit des Werkstoffs durch den kritischen Spannungsintensitätsfaktor KIC dargestellt. Die Ergebnisse von Zähigkeitsprüfungen zeigen, daß diese Eigenschaft mit steigendem Bindemittelgehalt und steigender WC-Korngröße zunimmt. Im Vergleich zu anderen metallischen Werkstoffen liegt Hartmetall im unteren Teil der Zähigkeitsskala, etwa gleichwertig mit gehärtetem Stahl. Der Definition nach und bestätigt durch die Untersuchung von Bruchflächen muß Hartmetall als spröder Werkstoff bezeichnet werden, da vor dem Bruch praktisch keine plastische Verformung stattfindet. Verschiedene Hartmetalle weisen jedoch große Unterschiede im Zähigkeitsverhalten auf. Das KIC, MN/m3/2 L2 läßt sich am besten durch einen Blick auf die Mikrostruktur erläutern. Die auftretenden Brucharten sind Spaltungsbrüche in Hartmetallkörnchen, Korngrenzbrüche zwischen Hartmetallkörnchen und Scherbrüche im Bindemittel. Generell steigt die Zahl der Spaltungsbrüche mit zunehmer Korngröße und die Zahl der Scherbrüche mit zunehmendem Bindemittelgehalt. In Bruchenergie ausgedrückt kommt der Hauptbeitrag zur Zähigkeit von letzterem, nämlich dem Rißweg durch das Bindemittel. Die moderne Bruchmechanik bietet ein Mittel zur Erklärung der Zähigkeit, da sie sich mit den Bedingungen der Rißbildung und -ausbreitung in nicht homogenen Werkstoffen unter Spannung befaßt. Bruchzähigkeit Grob L3 Mittel Extrafein L1 L4 Ultrafein Gewichts% Co Die Palmqvist-Methode benutzt die Eckrißlänge einer Vickershärte-Eindrückung zur Herleitung der Bruchzähigkeit. Der kritische Spannungsintensitätsfaktor ist definiert als: KIC = 6,2 (HV50 L ) 1/2 Bruchzähigkeit als Funktion des Co-Gehalts bei verschiedenen WC-Korngrößen. in MN/m3/2 7 S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Härte Verschleißfestigkeit und Zähigkeit sind zwei komplexe Eigenschaften, die bei einem Werkstoff dafür sorgen, der Zerstörung entgegenzuwirken. Eine hohe Verscheißfestigkeit ist nur möglich, wenn die Forderung nach hoher Zähigkeit gesenkt wird und umgekehrt. Eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Zähigkeit können jedoch gleichzeitig erzielt werden, wenn es gelingt, diese Eigenschaften neu zu verteilen. Es gibt da zwei Möglichkeiten: DP-Hartmetall oder dünne Beschichtung mit verschleißfestem Werkstoff. Die Kombinationsmöglichkeiten sind zahlreich, folglich wird nachstehend nur homogenes, herkömmliches Hartmetall behandelt. HV30 Die Härte wird normalerweise nach dem Vickers-Eindruckverfahren gemäß EN 23 878 (ISO 3878) ermittelt. Dieses Verfahren gestattet eine Reihe von Lasten, HV30 ist jedoch üblich. Die Kraft eines Gewichts von 30 kg, 294 N, wird benutzt, um einen meßbaren Eindruck mit möglichst geringen Rissen an den Ecken zu erzeugen. Bei den härtesten Sorten beeinträchtigt die Größe des Eindrucks und der Risse die Genauigkeit. Ein anderes Verfahren ist das Rockwell A (ISO 3738). Es ähnelt dem Vickersverfahren, arbeitet jedoch mit einem Diamantkegel, und die Eindringtiefe ist das Maß für die Härte. Es gibt keine theoretische Grundlage für eine Umwandlung zwischen den zwei Verfahren. Für Vergleiche muß jeweils eine entsprechende Prüfung vorgenommen werden. Die Härte steigt mit sinkendem Bindemittelgehalt und sinkender Korngröße. Der Härtebereich erstreckt sich von der Werkzeugstahlhärte 700 HV30 bis zu 2200 HV30. Die Härte sinkt mit steigender Temperatur infolge steigender Plastizität. F0 F1 x y Beim Vickersverfahren wird eine Diamantpyramide in die polierte Hartmetalloberfläche eingedrückt. Die Härte ist umgekehrt proportional zur Größe der Eindruckfläche. Härte Ultrafein % Relative Härte Extrafein Mittel Extragrob Mittelgrob Gewichts% Co Härte als Funktion des Co-Gehalts bei verschiedenen WC-Korngrößen. 8 Temperatur, °C Relative Härte bei verschiedenen Temperaturen. S A N D V I K Mechanische Festigkeit Jeder Werkstoff hat einige Defekte, wie Poren, Einschlüsse und Mikrorisse. Diese Defekte führen zu einer verringerten mechanischen Festigkeit. Bei verformbaren Werkstoffen (Kupfer, Flußstahl usw.) sind Zahl und mittlere Größe der Defekte wichtige Faktoren, während die Zahl über einer bestimmten Größe bei spröden Werkstoffen (z. B. gehärteter Stahl und Hartmetall) die Festigkeit begrenzt. Infolge letzterer Erscheinung ist die mechanische Festigkeit volumenabhängig, da die Wahrscheinlichkeit, einen großen Defekt zu finden, mit steigendem Werkstoffvolumen zunimmt. Weibull hat die Volumenabhängigkeit kritischer Defekte in einem Werkstoff auf die mechanische Festigkeit bezogen. Nach der Weibullschen Theorie läßt sich das Verhältnis mit folgender Formel beschreiben: 2 = V1 V2 1 1/m ( ) H A R D M A T E R I A L S wobei 1 und 2 die Bruchspannungen sind, die den Volumen V1 bzw. V2 entsprechen und m ein Faktor ist, der von der Streubreite in der Bruchspannung des Werkstoffs abgeleitet ist. Modernes, qualitativ hochwertiges Hartmetall hat einen m-Wert von etwa 9. Hohe m-Werte bedeuten kleine Schwankungen der Bruchspannung und ein weniger volumenabhängiger Werkstoff. In der Praxis ist die Spannungsverteilung komplex, und die Weibullsche Theorie liefert nur eine unvollständige Beschreibung. Die Berechnung der Bruchwahrscheinlichkeit bei einem gewissen Hartmetallvolumen mit einer bekannten Spannungsverteilung ist jedoch möglich. Ein qualitativ hochwertiges Hartmetall wird normalerweise als außerordentlich defektfreier Werkstoff verstanden. Bearbeitungsverfahren wie Schleifen und Funkenerosion können jedoch zur Bildung von großen Oberflächendefekten führen und somit die Festigkeit des fertigen Produkts beeinträchtigen. Die Verwendung von qualitativ minderwertigem Hartmetall, in dem bereits Defekte vorhanden sind, erhöht die Gefahr von frühen Ausfällen und Leistungsschwankungen. Biegebruchfestigkeit Die Biegebruchfestigkeitsprüfung ist das einfachste und gebräuchlichste Verfahren zur Ermittlung der mechanischen Festigkeit von Hartmetall. Nach dem genormten Verfahren EN 23 327 (ISO 3327) wird eine Probe bestimmter Länge mit angefastem, rechteckigen Querschnitt auf zwei Auflager gelegt und in der Mitte bis zum Bruch belastet. Die Biegebruchfestigkeit (TRS) ist der Medianwert mehrerer Versuche. Der Höchstwert wird bei einem Kobaltgehalt von etwa 15 Gewichts% und mittlerer bis grober WC-Korngröße erreicht. Der geringe Umfang plastischer Deformation wird im allgemeinen nicht beachtet, da sie nur bei den zähesten Hartmetallen auftritt. Die Probestücke müssen formgesintert oder geschliffen sein. F h b V1 V2 Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines großen Defekts ist bei einem großen Volumen größer. L Die Biegebruchfestigkeit wird als Bruchspannung in der Oberflächenzone ermittelt: Rbm = 3FLk2 2bh k = Anfasungsberichtigungsfaktor (normalerweise 1,00-1,02) 9 S A N D V I K Vorsichtiges Schleifen, ohne die Verursachung von Rissen oder Oberflächendefekten, erhöht die Biegebruchfestigkeitswerte im Vergleich zu Werten, die mit formgesinterten Proben erzielt werden. Die Hersteller von drehenden Hartmetallwerkzeugen haben sich auf eine geänderte Biegebruchfestigkeitsprüfung geeinigt, die sich mehr nach der Geometrie von massiven Hartmetall- Rbm2/Rbm1 H A R D M A T E R I A L S werkzeugen richtet und ein schnelles Prüfverfahren gestattet. Für diese Prüfung wird anstelle des nach EN 23 327 (ISO 3327) genormten Prüfstücks ein runder Stab Ø 3,25x38 mm benutzt. Diese geänderte Prüfung ist Industrienorm und als ISO-Norm vorgeschlagen. Mit dem runden Probestück wird die Kantenwirkung der rechteckigen Probe vermieden. Bei der Prüfung mit dem runden Probestück werden folglich höhere Biegebruchfestigkeitswerte erzielt als mit dem rechteckigen Probestück, typisch etwa 20% höher. Bei Vergleichen ist daher Vorsicht angebracht. Die Biegebruchfestigkeit sinkt mit steigender Temperatur. Bei längeren Belastungszeiten und hohen Temperaturen weisen die Hartmetalle Kriechwerte auf. Relative Biegebruchfestigkeit Volumenverhältnis V2/V1 Volumenabhängigkeit der Biegebruchfestigkeit. % Relative Biegebruchfestigkeit N/mm2 Biegebruchfestigkeit Mittel Einfacher Bruch Temperatur, °C Relative Biegebruchfestigkeit als Funktion der Temperatur für ein Hartmetall mit 11% Co und mittlerer WC-Korngröße. 10 Komplexer Bruch Gewichts% Co Biegebruchfestigkeit als Funktion des Co-Gehalts. Über 20% wird das Verhältnis durch die Einwirkung anderer Bruchvorgänge gestört. S A N D V I K Zugfestigkeit H A R D M A T E R I A L S spruchung, die viel höher ist als die reine Scherfestigkeit. Ein geeignetes Verfahren zur Ermittlung der Druckfestigkeit steht in der EN 24 506 (ISO 4506). Zur Erzielung von genauen Werten bei Hartmetall muß die Probengeometrie geändert werden, damit die Kanten- und Kontaktwirkungen ausgeschaltet werden, die bei einem einfachen zylindrischen Probestück auftreten. Wenn die Last angesetzt wird, entsteht zuerst eine elastische Deformation, vor dem Bruch ergibt sich jedoch auch eine gewisse plastische Deformation. Die Spannungs/Beanspruchungskurve läßt sich in normaler Weise beschreiben, mit der Neigung vom Ursprung an Die Prüfung der Zugfestigkeit von spröden Werkstoffen ist schwierig. Ein präzises Testergebnis ist extern abhängig von sowohl der Probenvorbereitung (die Oberfläche muß “perfekt” sein) als auch von überlagerten Belastungen an den Halterungen, aus denen sich komplexe zusätzliche Spannungen ergeben. Durch Anwendung der Weibullschen Theorie läßt sich die Zugfestigkeit jedoch von dem Biegebruchfestigkeitswert ableiten. Bei m=9 ist die Zugfestigkeit 56% des Biegebruchfestigkeitswerts. Druckfestigkeit Eine der wichtigsten Eigenschaften der Hartmetalle ist die äußerst hohe Druckfestigkeit unter einachsigen Belastungen. Die Beanspruchung führt bei dieser Belastungsart nicht direkt zum "Druckbruch", sondern eher zu einer Art Scherbruch. Die Scherbeanspruchung beim Bruch der zusammengedrückten Probe ist etwa die Hälfte der Druckbean- F (Elastizitätsmodul), einem oder mehreren Restspannungswerten und der Bruchspannung. Der Grad der plastischen Deformation sinkt mit steigender Druckfestigkeit. Die Druckfestigkeit steigt mit sinkendem Bindemittelgehalt und sinkender Korngröße. Eine Hartmetallsorte mit kleiner WC-Korngröße und niedrigem Bindemittelgehalt hat eine typische Druckfestigkeit von fast 7000 N/mm2. Die Druckfestigkeit sinkt mit steigender Temperatur. Der Grad der plastischen Deformation steigt erheblich mit der Temperatur, somit wird die Probe vor dem Bruch tonnenförmig, was die Ergebnisse unsicher macht. Scherfestigkeit Die Durchführung reiner Scherversuche ist schwierig. Die Untersuchung von Bruchstücken zeigt jedoch, daß die Scherfestigkeit ebenso hoch ist wie die Druckfestigkeit oder etwas höher. F % N/mm2 Relative Druckfestigkeit Druckfestigkeit Extrafein Mittel Extragrob Mittelgrob Gewichts% Co Druckfestigkeit als Funktion des Co-Gehalts für verschiedene WC-Korngrößen. Temperatur, °C Druckfestigkeit als Funktion der Temperatur für Hartmetall mit 13% Co und grober WC-Korngröße. 11 S A N D V I K Dauerfestigkeit H A R D M A T E R I A L S N/mm2 Die Dauerfestigkeit des Hartmetalls unter pulsierender Druckbelastung ist normalerweise 65-85% der statischen Druckfestigkeit bei 2x106 Lastspielen. Dauerdruckfestigkeit Ultrafein, 6 Gewichts% Co Fein, 6 Gewichts% Co Es wurde keine Dauerfestigkeitsgrenze festgestellt, was wie bei Stahl und anderen Metallen einer Dauerstandfestigkeit entspricht. Die Dauerfestigkeit steigt mit sinkender WC-Korngröße und sinkendem Bindemittelgehalt. Grob, 8 Gewichts% Co Grob, 15 Gewichts% Co Zahl der Lastspiele Wöhler-Kurve von Dauerdruckfestigkeitsversuchen mit vershiedenen Hartmetallen. Die untere Lastgrenze ist 250 N/mm2. Elastizitätsmodul, Gleitmodul und Querzahl Hartmetall ist ein sehr steifer Werkstoff. Der Elastizitätsmodul (E) ist 2-3mal höher als bei Stahl und steigt linear mit sinkendem Bindemittelgehalt. Zusätze von -Phase verringern den Elastizitätsmodul. Genaue Messungen sind schwierig, wenn nur Spannungs/Belastungskurven zur Verfügung stehen. Für zuverlässigere Ergebnisse werden somit Resonanzmessungen von Quer- oder Längswellen vorgenommen. Der Elastizitätsmodul wird nach EN 23 312 (ISO 3312) bestimmt. Der Gleitmodul (G) wird am besten in ähnlicher Weise mit Hilfe von Torsionswellen bestimmt. Die Werte für Hartmetall liegen zwischen 180 und 270 kN/mm2. Mit den E- und G-Werten kann die Querzahl (Poissonsche Konstante) nach folgender Formel berechnet werden: = E -1 2G 12 kN/mm2 Elastizitätsmodul und Querzahl E Gewichts% Co Elastizitätsmodul und Querzahl als Funktion des CoGehalts. S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Dichte Die Dichte wird nach der Norm EN 23 369 (ISO 3369) bestimmt. Die großen Unterschiede in der Dichte der Hartmetallbestandteile (WC = 15,7 g/cm3, Co = 8,9 g/cm3, TaC = 13,2 g/cm3 und TiC = 4,9 g/cm3) führen zu großen Unterschieden in der Hartmetalldichte, je nach der Zusammensetzung. Typisch ist die Hartmetalldichte 50-100% größer als die Dichte von Stahl. Das ist ein wichtiger Faktor, wenn das Gewicht bei der Konstruktion kritisch ist. g/cm3 Dichte Gewichts% Co Dichte als Funktion des Co-Gehalts. (Nur WC-Co-Hartmetalle). Wärmeverhalten Längsdehnungszahl Da Wolframkarbid eine sehr niedrige Längsdehnungszahl hat, sind die Werte der WC-Co-Hartmetalle nur etwa halb so groß wie die von ferritischem und martensitischem Stahl, gegenüber austenitischem Stahl ist das Verhältnis etwa 1:3. Falls Titankarbid beigegeben ist, sind die Werte etwas höher als bei reinen WC-Co-Hartmetallen. 10-6/°C Längsdehnungszahl 20-800 °C 20-400 °C Gewichts% Co Wärmedehnung als Funktion des Co-Gehalts für zwei verschiedene Temperaturintervalle. 13 S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Wärmeleitfähigkeit Die Wärmeleitfähigkeit von WC-CoHartmetallen ist etwa doppelt so hoch wie die von unlegiertem Stahl und etwa ein Drittel so hoch wie die von Kupfer. Die Wolframkarbidkorngröße hat einen geringen Einfluß, eine vorhandene Phase senkt jedoch die Wärmeleitfähigkeit erheblich. W/(m • °C) Wärmeleitfähigkeit Grob Mittel Fein Niedriger -Phasen-Gehalt Hoher -Phasen-Gehalt Spezifische Wärmekapazität Bei Zimmertemperatur ist die spezifische Wärmekapazität von reinen WC-CoHartmetallen etwa 150-350 J/(kg•°C), das ist etwa die Hälfte des Wertes von unlegiertem Stahl. Temperatur, °C Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Temperatur, verschiedener Mikrostrukturen und WC-Korngrößen. Elektrisches und magnetisches Verhalten Widerstand Permeabilität WC-Co-Hartmetalle haben einen niedrigen Widerstand, ein typischer Wert ist 20 µ cm. Hartmetalle mit -Phase haben einen höheren Widerstand. Da die Bindephase Kobalt (und Nickel) enthält, weisen die Hartmetalle bei Zimmertemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf. Leitfähigkeit Curietemperatur Infolge des niedrigen Widerstands sind die WC-Co-Hartmetalle gute Leiter mit einem Wert von etwa 10% des Kupferwertes. Die Legierung mit eine -Phase bildenden Karbiden, z. B. Titankarbid, senkt diesen Wert erheblich. Der Übergang der Kobaltbindephase vom ferromagnetischen zum paramagnetischen Zustand erfolgt in einem Temperaturbereich von etwa 950 bis 1050 °C, je nach der Legierungszusammensetzung. 14 Obwohl WC-Co-Hartmetalle eine ferromagnetische Bindephase enthalten, haben sie gewöhnlich eine niedrige magnetische Permeabilität. Sie steigt mit dem Kobaltgehalt, und der typische Wertebereich ist 2 bis etwa 12, wenn der Vakuumwert gleich 1 ist. S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Korrosionsfestigkeit Die Korrosion bewirkt bei Hartmetall im allgemeinen eine Oberflächenverarmung der Bindephase, somit verbleibt an der Oberfläche nur ein Karbidskelett. Die Bindung zwischen benachbarten Karbidkörnchen ist ziemlich schwach, und die Zerstörungsrate nimmt entsprechend zu. Bei niedrigem Bindephasengehalt ist das Karbidskelett mehr ausgebildet, folglich haben solche Hartmetallsorten eine etwas höhere kombinierte Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit als entsprechende Metalle mit höherem Bindephasengehalt. In der Praxis reicht diese Wirkung jedoch nicht aus, um die Lebensdauer signifikant zu verlängern. Wegen der begrenzten Korrosionsfestigkeit sind reine WC-Co-Metalle in Anwendungsbereichen mit schwierigen Korrosionsbedingungen oft ungeeignet. Für diese Bereiche hat Sandvik eine Reihe von sehr korrosionsfesten Metallen entwickelt. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, sind reine WC-Co-Metalle bis herab zu pH 7 beständig. Das gilt auch für WC-Co-Metalle mit kubischen Karbiden wie TiC, TaC und NbC. Die höchste Korrosionsfestigkeit erreichen gewisse auf TiC-Ni-Basis legierte Metalle, die bis herab zu etwa pH 1 beständig sind. Im Vergleich zu reinen WC-Co-Metallen sind sie jedoch spröde und haben eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Sie haben auch den Nachteil, daß das Schleifen und Löten schwieriger ist, und werden daher nur für bestimmte Zwecke benutzt, wenn die Forderungen in bezug auf Korrosions- und Verschleißfestigkeit hoch sind, die mechanische Festigkeit und der Wärmestoßwiderstand jedoch eine weniger wichtige Rolle spielen. In den meisten Fällen sind die speziell legierten WC-Ni-Metalle in bezug auf Korrosion und Verschleiß die bessere Wahl, sie sind bis herab zu pH 2-3 beständig. Auch in gewissen Lösungen mit pH-Werten unter 2 haben sie sich als korrosionsfest erwiesen. Da sie WC als harten Grundstoff haben und Ni und Co in fast jeder Hinsicht ähnliche Metalle sind, ist ihr mechanisches und thermisches Verhalten mit dem der reinen WC-Co-Metalle vergleichbar. Der pH-Wert ist einer der wichtigsten Parameter zur Bestimmung der Korrosivität eines Mittels, andere Faktoren haben jedoch auch großen Einfluß, z. B. die Temperatur und die elektrische Leitfähigkeit des Mittels. Letztere richtet sich nach der Ionenkonzentration, d. h. der Menge der in der Lösung gelösten Salze. Die Korrosivität eines Mittels läßt sich daher nicht so einfach definieren, folglich gibt es keine allgemein gültigen Regeln. Einen ersten Hinweis auf die Korrosionsfestigkeit von Hartmetallen gibt das Sandvik Datenblatt "Korrosionsfestigkeit bei der Hartmetallwahl", aus dem hervorgeht, wie sich verschiedene Hartmetalle gegenüber einigen gewöhnlichen Mitteln verhalten. Für die sichere Wahl empfehlen wir Versuche mit dem betreffenden Mittel oder zur Orientierung mindestens eine Analyse des Mittels. Korrosionsrate mm/Jahr Nicht korrosionsfest Reine WC-CoMetalle Wenig korrosionsfest Legierte WC-NiMetalle Korrosionsfest Legierte TiC-NiMetalle Sehr korrosionsfest Korrosionsrate als Funktion des pH-Werts für verschiedene Hartmetallsorten, geprüft in gepufferten Lösungen. Diese Versuche endeten mit einer Oberflächenbehandlung, damit sich ein echter Wert für die Tiefe der korrodierten Oberflächenzone ergibt. 15 S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Gradient und Verbundwerkstoffe Bei vielen Produkten unterscheiden sich die im Inneren erforderlichen Werkstoffeigenschaften oft von den in der Oberflächenzone oder an der Oberfläche des fertigen Teils geforderten. Ein steifer und stabiler Körper kann aus mechanischen Gründen notwendig sein, ebenso wichtig können jedoch hohe Verschleiß- und Korrosionsfestigkeitswerte des Bauteils sein. Werkstoffe, die diesen unterschiedlichen Forderungen gerecht werden, brauchen nicht im ganzen Körper die gleiche Zusammensetzung und Mikrostruktur haben. Verbundstahl ist zum Beispiel ein Werkstoff, der seit langer Zeit benutzt wird, um billige und feste Massenwerkstoffe mit hochlegierten und teueren korrosionsfesten Oberflächenwerkstoffen zu kombinieren. Ähnliche Werkstoffe Oberflächenzone mit einem großen Anteil Hartphase (WC) und einem kleinen Anteil Bindephase (Co), damit die Verschleißfestigkeit hoch ist. Druckspannungen sorgen für erhöhte Festigkeit. wurden auch für Schneidwerkzeuge entwickelt, bei denen eine dünne Schicht für die Verschleißfestigkeit sorgt und ein Hartmetall für die im Schwereinsatz erforderliche mechanische Festigkeit. Bei Verschleißteilen ist die Lage oft ähnlich. Die Oberfläche eines Dorns muß sehr verschleißfest sein, gleichzeitig sind Zähigkeit und mechanische Festigkeit für den Träger der Oberflächenzone notwendig. Damit sich Bergbauund Straßenbauwerkzeuge nicht so stark abnutzen, müssen sie sehr hart sein, aber Zähigkeit ist auch wichtig, damit sie Stoßbelastungen aushalten. Aus einem umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsprogramm hat Sandvik Hard Materials zwei Produktkonzepte eingeführt, um solche Probleme zu lösen. Diese Lösungen Zwischenzone mit Co-Bindephase angereichert, damit die Zähigkeit hoch ist. Ziehdorn aus DP-Hartmetall 16 bieten einzigartige Eigenschaften, die mit einem homogenen Werkstoff nicht erreicht werden. Die eine Gruppe basiert auf dem Sandvik DP-Hartmetall, bei dem die Oberfläche und das Innere verschiedene Mengen harter Bestandteile haben, um eine optimale Kombination von Härte, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit zu erzielen. Die andere Gruppe besteht aus einem Verbundwerkstoff – Sandvik Cast-in Carbide. Dieser Werkstoff ist aus zwei verschiedenen Werkstoffen zusammengesetzt, einem steifen und verschleißfesten Hartmetall und einem zähen Gußeisen als Träger, das nicht so teuer ist und sich leichter bearbeiten läßt. Kern mit einem CoBindephasengehalt, der zwischen dem der beiden äußeren Zonen liegt. S A N D V I K Sandvik DPHartmetall Bei herkömmlichem Hartmetall sind Verschleißfestigkeit und Zähigkeit so voneinander abhängig, daß die Verbesserung der einen Eigenschaft zu einer Beeinträchtigung der anderen führt. Sandvik hat eine völlig neue WCCo-Hartmetallart entwickelt, bei der die Verschleißfestigkeit und Zähigkeit unabhängig voneinander verbessert werden können. Durch eine gesteuerte Umverteilung der Kobaltbindephase können jetzt Hartmetallteile hergestellt werden, die drei abgegrenzte Mikrostrukturzonen mit jeweils verschiedenen Eigenschaften haben. Diese Gradiente verteilen zusammen mit den Wärmedehnungsunterschieden die inneren Spannungen. Es kann beispielsweise eine sehr harte und verschleißfeste Oberflächenschicht gebildet werden, die mit Druckspannungen vorgespannt ist, um die Bildung und Ausbreitung von Rissen zu verhindern. Ein Hartmetall mit dieser Verteilung von Eigenschaften hat an der Oberfläche H A R D M A T E R I A L S eine hohe Verschleißfestigkeit, während der Kern zäh ist. Solche Werkstoffe tragen daher die Bezeichnung DP – Doppel-Eigenschaft. Ursprünglich wurden sie zum Gesteinsbohren eingesetzt. Sie haben sich auch in anderen Bereichen bewährt, wie bei Ziehwerkzeugen für Rohre und Draht sowie bei Kaltstauchformen. Das DP-Konzept ist durch SandvikPatente geschützt. SANCIC – Sandvik Cast-in Carbide Durch die Verstärkung der Gußeisenoberfläche mit Hartmetallkörnchen oder -plättchen wurde eine neue Generation von Verbundwerkstoffen entwickelt. Die hohe Verschleißfestigkeit des Hartmetalls wurde mit der Festigkeit und Zähigkeit des Gußeisens kombiniert. Beim Gießen entsteht eine starke metallurgische Bindung zwischen dem Hartmetall und Eisen. Körnchen Hartmetallkörnchen werden hauptsächlich bei Prudukten verwendet, die durch Schläge stark beansprucht werden. Plättchen werden an stark erosionsgefährdeten Stellen oder zur Bildung von scharfen Schneiden und Kanten verwendet. Körnchen und Plättchen können selbstverständlich am gleichen Produkt gemischt werden. Die Körnchen machen etwa 50% des Compositzonenvolumens aus und haben eine durchschnittliche Größe von 1-6 mm. Ein typisches SANCIC-Produkt erreicht fast die Verschleißfestigkeit des massiven Hartmetalls und hat 8090% der Festigkeit des reinen Sphärogusses. Die Zähigkeit liegt in dem von herkömmlichem Konstruktionsstahl erwarteten Bereich, so daß hochlegierter Chrom- oder Nickelstahl weit übertroffen wird. Die Verschleißfestigkeit der SANCIC-Produkte liegt typisch 3-15mal höher als bei herkömmlichen Konstruktionen aus Stahl, Gußeisen und mit Auftragsschweißungen oder keramischen Werkstoffen. SANCIC eignet sich für fast alle Bauteilformen und -größen. Hartmetallplättchen Sphäroguß SANCIC wird als Composit oder Plattierung hergestellt. Beim Composit werden Hartmetallkörnchen in Sphäroguß eingegossen. Bei der Plattierung werden Hartmetallplättchen in die Oberflächenzone des Grundwerkstoffs eingebettet. Das in beiden Fällen angewandte Gußverfahren bewirkt eine metallurgische Bindung zwischen dem Hartmetall und dem Grundwerkstoff. 17 S A N D V I K H A R D M A T E R I A L S Hartmetall im Vergleich mit anderen Werkstoffen Die Gestaltung und Konstruktion von Teilen für schwierige technische Aufgaben erfordert oft Werkstoffe mit einzigartigen Kombinationen von Eigenschaften. Die optimale Lösung zu finden, ist nicht leicht, und der Ingenieur muß viele verschiedene Werkstoffgruppen genau kennen. Hartmetalle haben eine einzigartige Kombination von Eigenschaften und bieten in vielen Fällen die optimale Lösung. Zur Erleichterung Ihrer Wahl können die nachstehenden Diagramme dienen, in denen die Eigenschaften von WC-Co-Hartmetallen mit denen anderer Werkstoffe verglichen werden. Härte HV50 Beachten Sie beispielsweise die interessante Kombination von hoher Druckfestigkeit, Steifigkeit, Härte und geringer Wärmedehnung sowie die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit der WC-Co-Hartmetalle. Zähigkeit MN/m3/2 Stahl WC-Co SiC Al2O3 Stellit Gußeisen Stellit Gußeisen WC-Co Stahl SiC Druckfestigkeit N/mm2 kN/mm2 Al2O3 Elastizitätsmodul WC-Co WC-Co SiC Al2O3 SiC Gußeisen Al2O3 18 Si3N4 Stellit Stellit Stahl Gußeisen S A N D V I K Querzahl H A R D M A T E R I A L S Dichte g/cm3 WC-Co Al2O3 WC-Co Stellit Gußeisen Stahl SiC Stellit Stahl Gußeisen Al2O3 SiC 10-6/°C Längsdehnungszahl W/(m•°C) Wärmeleitfähigkeit SiC WC-Co Stellit Gußeisen Al2O3 WC-Co Stahl Stahl Gußeisen Al2O3 SiC Stellit µcm Elektrischer Widerstand Stahl Stellit Gußeisen WC-Co Cu Angaben über Eigenschaften und Empfehlungen Die in dieser Broschüre aufgeführten Eigenschaften und Daten sind Durchschnittswerte aus Laborversuchen des Herstellers. Sie gelten nur für die bei solchen Versuchen erzielten Ergebnisse und sind nicht als garantierte Werte zu betrachten. Alle Angaben in dieser Broschüre bezüglich der Verwendung einer speziellen Legierung für einen bestimmten Zweck oder bezüglich der Verwendung unserer Produkte sind nur Empfehlungen aufgrund von Herstellerversuchen oder Erfahrungen. Solche Angaben erfolgen daher ohne Gewähr. Unsere Produkte und alle empfohlenen Verfahren müssen vom Benutzer unter den betreffenden Einsatzbedingungen geprüft werden, um festzustellen, ob sie für den vorliegenden Zweck geeignet sind. Al 19 Sandvik Hard Materials kurzgefaßt Die 1862 gegründete Sandvik-Gruppe ist eines der größten Exportunternehmen Schwedens. Die Hauptverwaltung in Sandviken hat über 200 Tochtergesellschaften und Vertretungen in 90 Ländern. Die Gruppe beschäftigt 30 000 Mitarbeiter und erzielt einen Umsatz von 30 Milliarden SEK. Über 90% werden außerhalb Schwedens abgesetzt. Forschung wird bei Sandvik großgeschrieben. Etwa 1 Milliarde SEK wird jährlich für die Forschung und Entwicklung neuer Produkte und Verfahren ausgegeben. INTERNATIONAL FÜHREND IN HARTMETALL Die Sandvik-Gruppe besteht aus sechs separaten Geschäftsbereichen, drei davon entwickeln und produzieren Hartmetallprodukte. Außer Sandvik Hard Materials sind das Sandvik Tooling (Sandvik Coromant, CTT Tools und Sandvik Automation) sowie Sandvik Rock Tools. Diese drei Geschäftsbereiche erzielen zusammen die Hälfte des Gruppenumsatzes. Die Hartmetallprodukte des breiten Lieferprogramms von Sandvik Hard Materials werden in über zehn Werken weltweit hergestellt. ROHLINGE FÜR WERKZEUGHERSTELLER Ein wichtiger Bereich ist die Lieferung von Rohlingen oder Halbzeugen für die Herstellung von Werkzeugen zum Schneiden und Bearbeiten von Metall, Compositstoffen, Holz, Ziegeln, Beton und Gestein. Werkzeugrohlinge gibt es in Form von Stangen, Sägezähnen, Bohrerspitzen, Scheiben und Einsätzen, deren Ausführung und Größe sich nach den Industriestandards richten. KONSTRUKTIONSTEILE Hartmetall ist oft der einzige Werkstoff, der auch bei Deformation, Schlag, starker Belastung, hohem Druck, Korrosion und hoher Temperatur ausreichend verschleißfest ist. In diesem Bereich beliefern wir die Industrie mit Hartmetallteilen wie Dichtungen, Lagern, Kolben, Ventilen und Düsen. NICHT NUR HARTMETALL Die Tätigkeit von Sandvik Hard Materials umfaßt auch die Herstellung von Produkten aus neuen Hartwerkstoffen wie PKD (Polykristalldiamant) und CBN (polykristallines kubisches Bornitrid). • Argentinien: Buenos Aires 01-484 32 41 • Australien: Newcastle 049-24 21 00 • Belgien: Brüssel 02-702 98 00 • Brasilien: Sao Paulo 011-525 26 11 • Chile: Santiago 2-623 54 43 • China: Beijing 10-6501 31 40 • Dänemark: Espergærde 49-17 49 00 • Deutschland: Düsseldorf 0211-502 75 57 • Finnland: Vanda 09-87 06 61 • Frankreich: Epinouze 04 75 31 38 00 • Großbritannien: Coventry 01203-85 69 00 • Indien: Poona 0212-77 64 91 • Indonesien: Jakarta 021-830 84 11 • Irland: Dublin 01-295 20 52 • Italien: Mailand 02-30 70 51 • Japan: Kobe 078-992 09 92 • Kanada: (Warren, MI) 800-533-6067 • Korea: Seoul 02-785 17 61 • Malaysia: Kuala Lumpur 03-756 21 36 • Mexiko: Tlalnepantla 05-729 39 00 • Neuseeland: Pakuranga 9-274 62 00 • Österreich: Wien 1-277 37 • Philippinen: Manila 02-807 63 72 • Polen: Warschau 22 43 21 51 • Schweden: Örebro 019-611 96 90 • Schweiz: Spreitenbach 056-417 61 11 • Singapur: Singapur 265 22 77 • Slowakei: Bratislava 02 73 54 86 • Spanien: Barcelona 93-862 94 00 • Südafrika: Benoni 011-914 34 00 • Taiwan: Chung Li 03-452 31 72 • Thailand: Bangkok 02-379 44 61 • Tschechien: Prag 02 2425 33 11 • Ungarn: Budapest 1 269 63 91 • USA: Warren, MI 810-755 20 00 • Venezuela: Caracas 02-93 09 22 H-9100-GER Schmidt&Magnusson/Larsherberts Offset WALZEN FÜR DIE STAHLINDUSTRIE Sandvik Hard Materials hat seit langem eine führende Stellung als Lieferant von massiven Hartmetallwalzen für die Stahlindustrie. Compositwalzen aus Hartmetall und Sphäroguß sind eine neue Spezialität auf diesem Gebiet.