Kapitel 3: Physikalische und chemische Eigenschaften von Hartmetall
Wolframhartmetall hat sich aufgrund seiner hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften zum Kernmaterial für Schneidwerkzeuge, verschleißfeste Teile, Bergbaumaschinen, die Luft- und Raumfahrt, chemische Anlagen, Kernkraftwerke und Tiefseegeräte entwickelt. Zu diesen Eigenschaften gehören mechanische Eigenschaften (Härte, Zähigkeit, Druckfestigkeit, Biegefestigkeit), thermische Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient, Hochtemperaturbeständigkeit, Thermoschockbeständigkeit), chemische Stabilität (Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit) sowie elektrische und magnetische Eigenschaften (Leitfähigkeit, Co-Phasenmagnetismus), die sich aus der kovalenten Bindungssteifigkeit von Wolframkarbid (WC) und der plastischen Synergie der Kobalt- (Co) oder Nickel- (Ni) Bindungsphase ergeben.
Dieses Kapitel analysiert jede physikochemischen Eigenschaft, Prüf- und Testmethoden, Einflussfaktoren auf verschiedene Leistungsaspekte sowie erweiterte Anwendungsfälle und untersucht eingehend die theoretischen Grundlagen, die Prüftechnik, den Regelungsmechanismus, die Anpassungsfähigkeit an Umweltbedingungen und die Leistung unter Arbeitsbedingungen. Anhand detaillierter theoretischer Modelle, präziser experimenteller Daten, umfangreicher domänenübergreifender Fälle und einer Leistungseinflussanalyse enthüllt dieses Kapitel den inhärenten Mechanismus physikochemischen Eigenschaften und bietet eine umfassende Referenz für Leistungsoptimierung, Anpassung an extreme Arbeitsbedingungen und interdisziplinäre Forschung zu Hartmetall.
3.1 Mechanische Eigenschaften von Hartmetall
Die mechanischen Eigenschaften bilden den Grundstein für die Zuverlässigkeit von Hartmetall in Umgebungen mit hoher Belastung, Stößen, Verschleiß und komplexen Beanspruchungen. Hartmetall wird häufig in den Bereichen Schneiden, Bergbau, Stanzen, Luftfahrt und Tiefseebohrungen eingesetzt. In diesem Abschnitt werden Härte, Zähigkeit, Druckfestigkeit und Biegefestigkeit einzeln analysiert und neue Prüf- und Testmethoden sowie Einflussfaktoren erläutert.
3.1.1 Härte von Hartmetall
Härte bezeichnet die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen das Eindringen von Fremdkörpern in die Oberfläche und gegen Kratzer. Sie ist ein wichtiger Indikator für die mechanischen Eigenschaften eines Materials. Sie spiegelt allgemein die Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Verformungsbeständigkeit eines Materials wider und wird häufig durch die Widerstandsfähigkeit gegen Druck, Scherung oder plastische Verformung charakterisiert. Zu den gängigen Messmethoden gehören die Brinellhärte (HB), die Rockwellhärte (HR), die Vickershärte (HV) und die Shorehärte (HS). Ihre Werte werden anhand des Eindringkörpertyps (z. B. Stahlkugel oder Diamant), der Belastungsgröße und der Eindruckfläche berechnet (ISO 6507, ASTM E10). Beispielsweise beträgt die Vickershärte von Hartmetall üblicherweise 1.200–2.400 HV, abhängig von der Korngröße und dem Gehalt der Bindephase. Die Härte hängt eng mit der Mikrostruktur des Materials (z. B. Korngröße, Phasenzusammensetzung) und der Wärmebehandlung zusammen und ist eine wichtige Grundlage für die Auswahl von Materialien und die Bewertung der Haltbarkeit.
Die Vickershärte (HV) von Hartmetall beträgt 1500 – 2500 ± 30 und übertrifft damit Schnellarbeitsstahl (HV 800 – 1000), Keramik (HV 1200 – 1800) und Titanlegierungen (HV 300 – 400) bei weitem. Dies ist der Kern seiner Verschleißfestigkeit. Die Härte rührt vom kovalenten Bindungsnetzwerk von WC her (WC-Bindungsenergie 6,0 eV ± 0,2 eV, Bindungslänge 2,0 Å ± 0,05 Å), und seine hexagonale Kristallstruktur (P6m2, Elastizitätsmodul 700 GPa ± 10 GPa) bietet Widerstand gegen plastische Verformung. Die Härte von Hartmetall mit 10 % Co beträgt HV 1800 ± 30, und die von Hartmetall mit 20 % Co sinkt auf HV 1400 ± 30, da die Weichheit der Co-Phase (HV 300 – 400, kubisch-flächenzentrierte FCC-Struktur) die Druckfestigkeit verringert.
Die Härte von Hartmetall ist hervorragend.
Bei 600 °C beträgt die Härte von Hartmetall mit 6 % Co weiterhin HV 1500 ± 30, sinkt bei 800 °C auf HV 1200 ± 20 und bei 1000 °C auf HV 1000 ± 30 und ist damit besser als bei Schnellarbeitsstahl (Senkung auf HV 500 bei 600 °C) und Keramik (Senkung auf HV 800 bei 1000 °C). Durch Zugabe von Cr₃C₂ (0,5 % 1 %) wird die Härte durch Mischkristallverfestigung (Atomradius Cr 1,28 Å, Gitterspannung < 2 % ± 0,2 %) auf HV 1900–2200 ± 50 erhöht. Beispielsweise weist ein Hartmetallwerkzeug (HV 1900) mit 8 % Co und 0,5 % Cr₃C₂ einen Verschleißwert von <0,1 mm ± 0,02 mm und eine Lebensdauer von 15 Stunden ± 1 Stunde beim Hochgeschwindigkeitsschneiden von rostfreiem Stahl (Zugfestigkeit > 1000 MPa, Schnittgeschwindigkeit 200 m/min, Reibungskoeffizient <0,3 ± 0,05) auf, was besser ist als bei Keramikwerkzeugen (Lebensdauer < 5 Stunden, Verschleißwert > 0,3 mm).
Der Einfluss der Umgebung auf die Härte muss beachtet werden.
In einer heißen und feuchten Umgebung (40 °C, 90 % Luftfeuchtigkeit, 168 Stunden) wird Mikrokorrosion der Co-Phase induziert (Gewichtsverlust <0,1 mg/cm² ± 0,02 mg/cm², Korrosionstiefe <1 μm ± 0,2 μm) und die Härte nimmt um <2 % ± 0,5 % ab; in einer extrem kalten Umgebung (40 °C) erhöht sich die Härte aufgrund der Versprödung der Co-Phase leicht um 1 % ± 0,3 % (plastische Dehnung nimmt um <3 % ± 0,3 % ab); unter hohem Druck (> 100 MPa, 5000 m Tiefsee) gibt es keine signifikante Änderung (Abnahme <0,5 % ± 0,1 %); Strahlung (Kernenergie, 10⁴ Gy, γ-Strahlen) induziert Punktdefekte und die Härte nimmt um <1 % ± 0,2 % ab.
Ni-haltiges Hartmetall (12 % Ni, HV 1700 ± 30) ist in Meeresumgebungen (Salzgehalt 3,5 %, pH 8, Cl⁻19 g/l) stabiler und weist einen Härteabfall von < 1 % auf. In der Praxis weisen Hartmetallrollen mit 6 % Co eine Verschleißtiefe von < 0,05 mm ± 0,01 mm und eine Lebensdauer von > 300 Stunden ± 20 Stunden im Bergbau auf (Granit, Gesteinshärte > 1000 MPa, Schlagfrequenz > 1000 Mal/min), was besser ist als Schnellarbeitsstahl (Lebensdauer < 50 Stunden).
Die Optimierung der Härte erfordert einen Kompromiss mit der Zähigkeit.
Durch Zugabe von TiC (10–15 %, Härte 20 GPa±1 GPa) wird die Härte auf HV 2000±50 erhöht und gleichzeitig die Dichte (auf 12 g/cm³±0,1 g/cm³) reduziert, was für leichte Luftfahrtteile wie Turbinenschaufelformen geeignet ist (Belastung > 2000 MPa, Verformungstoleranz < 0,01 mm). Beim Verbundstanzen (600 °C, Frequenz > 10⁴ Mal/Stunde) beträgt die Oberflächenrauheit der Hartmetallform mit 15 % TiC Ra < 0,1 μm±0,02 μm, und die Lebensdauer wird um 40 %±5 % erhöht, was besser ist als bei Stahlformen (Ra > 0,5 μm, Lebensdauer < 2000 Stunden). Ein bereichsübergreifender Vergleich zeigt, dass die Härte von Hartmetall besser ist als die von hochfestem Stahl (HV 600–800) und Titanlegierung (HV 300–400), aber schlechter als die von Diamant (HV > 8000).
3.1.1.1 Härteausdrücke
Es gibt viele Möglichkeiten, die Härte auszudrücken, die für unterschiedliche Testszenarien und Materialvergleiche geeignet sind:
Vickershärte (HV)
Die Vickershärte (HV) ist ein Standardverfahren zur genauen Messung der Härte von Materialien. Dabei wird ein pyramidenförmiger Diamant-Eindringkörper (Scheitelwinkel 136°) mit einer bestimmten Last (üblicherweise 5–100 kgf, der Bereich kann auf 1–120 kgf erweitert werden) in die Materialoberfläche gedrückt. Nach 10–15 Sekunden Haltezeit wird die diagonale Länge des Eindrucks (d, Einheit mm) gemessen, um den Härtewert zu berechnen. Die Formel lautet: HV = 1,8544 × F/d², wobei F die aufgebrachte Last (kgf), d die durchschnittliche diagonale Länge des Eindrucks (mm) ist. Das Ergebnis wird in kgf/mm² ausgedrückt und üblicherweise direkt als HV-Wert bezeichnet (ISO 6507-1:2018).
Die Vickers-Härte lässt sich aufgrund ihrer kleinen Eindrücke (Durchmesser 0,01–1 mm), der hohen Genauigkeit (Fehler < 5 %) und des großen Prüfbereichs (HV 10–3000+) auf eine Vielzahl von Materialien anwenden, darunter Hartmetall, Stahl, Keramik und Dünnschichtmaterialien. Beispielsweise liegt der HV von herkömmlichem Hartmetall bei 1200–2000, während der von Nano-Hartmetall (Körner 0,05–0,2 μm) 2000–2400 erreichen kann (Journal of Materials Science 2025). Der Vorteil besteht darin, dass winzige Bereiche (wie Beschichtungen) oder dünne Bleche (Dicke > 0,1 mm) geprüft werden können. Allerdings ist die Prüfzeit lang und die Anforderungen an die Oberflächenebenheit sind hoch (Ra < 0,8 μm, ITIA 2024).
Rockwellhärte (HRC/HRB)
Die Rockwellhärte (HRC/HRB) ist eine gängige Methode zur Messung der Härte von Materialien. Der Eindringkörper (Diamantkegel oder Stahlkugel) wird mit der Anfangslast (10 kgf) und der Gesamtlast (60–150 kgf) in das Material gedrückt. Der Härtewert wird durch Messung der Differenz der Eindringtiefen bestimmt (ASTM E18-22). Diese Methode zeichnet sich durch schnelles Prüfen, geringe Eindringtiefe und einfache Handhabung aus und wird häufig bei Metallwerkstoffen eingesetzt.
HRC : Verwenden Sie einen Diamantkegel (Scheibenwinkel 120°) mit einer Gesamtlast von 150 kgf, geeignet für Materialien mit hoher Härte (wie gehärtetem Stahl, Hartmetall). Der HRC-Wert berechnet sich nach der Formel: HRC = 100 – (h/0,002), wobei h die Eindringtiefe (mm) ist. Der HRC-Bereich liegt üblicherweise zwischen 20 und 70, z. B. bei Hartmetall HRC 60–70, entsprechend einer Vickershärte HV 1200–2400.
HRB : Verwenden Sie einen 1/16-Zoll-Stahlkugel-Eindringkörper mit einer Gesamtlast von 100 kgf, geeignet für weichere Materialien (wie geglühten Stahl, Kupferlegierungen). Die Berechnungsformel für den HRB-Wert lautet: HRB = 130 – (h/0,002), im Bereich von 20 bis 100. Beispielsweise liegt der HRB-Wert von geglühtem Stahl bei etwa 70 bis 90 (ITIA 2024).
Der Vorteil der Rockwellhärte liegt in der direkten Ablesbarkeit mit hoher Genauigkeit (Fehler <3%), allerdings ist sie nicht für dünne Materialien oder kleine Flächen geeignet (ISO 6508-1:2016).
Brinellhärte (HB)
Die Brinellhärte (HB) ist eine Methode zur Messung der Härte eines Materials. Dabei wird eine gehärtete Stahlkugel oder eine Wolframkarbidkugel (üblicherweise 2,5, 5 oder 10 mm Durchmesser) unter einer bestimmten Last (F, üblicherweise 500-3000 kgf ) in die Materialoberfläche gedrückt, eine bestimmte Zeit (10-30 Sekunden) gehalten und dann der Eindruckdurchmesser (d, in mm) gemessen, um die Härte zu berechnen. Die Formel lautet: HB = (2F) / (πD(D – √(D² – d² ))), wobei D der Eindruckdurchmesser (mm), F die Last (kgf ) und d der Eindruckdurchmesser (mm) ist. Das Ergebnis wird in kgf / mm² angegeben (ASTM E10-18).
Die Brinellhärte eignet sich für weichere oder mittelharte Werkstoffe (wie Stahl, Gusseisen, Nichteisenmetalle) und liegt üblicherweise im Bereich von HB 30–650. Beispielsweise liegt die HB von ungehärtetem Stahl bei etwa 120–200, während Hartmetall aufgrund seiner hohen Härte (HV 1200–2400) für dieses Verfahren in der Regel nicht geeignet ist (ITIA 2024). Ihr Vorteil liegt in der großen Eindruckfläche, die der durchschnittlichen Leistung des Materials entspricht. Sie eignet sich für ungleichmäßige Werkstoffe, jedoch nicht für dünne Teile oder Werkstoffe mit hoher Härte (der Fehler beträgt ca. 3–5 %, ISO 6506-1:2014).
Mohshärte
Die Mohshärte ist eine relative Skala zur qualitativen Messung der Härte von Materialien. Sie wurde 1812 vom deutschen Mineralogen Friedrich Mohs vorgeschlagen, um die Härte durch Vergleich der Kratzfestigkeit des Materials zu bestimmen. Die Methode verwendet zehn Standardmineralien als Maßstab mit Härtegraden von 1 (weichstes) bis 10 (härtestes): 1 Talk, 2 Gips, 3 Kalzit, 4 Fluorit, 5 Apatit, 6 Orthoklas, 7 Quarz, 8 Topas, 9 Korund, 10 Diamant. Kratzen Sie während des Tests mit einer Standardprobe über die Materialoberfläche. Bleibt ein Abdruck zurück, ist die Härte des Materials geringer als die der Standardprobe.
Die Mohshärte ist einfach und intuitiv zu bestimmen und lässt sich auf Mineralien und einige technische Werkstoffe anwenden. Sie weist jedoch eine geringe Genauigkeit auf und ist nur ein relativer Wert. Beispielsweise liegt die Mohshärte von Hartmetall bei etwa 9–9,5, nahe an der von Korund und deutlich höher als die von Stahl (etwa 5–6) (ITIA 2024). Die Einschränkungen liegen darin, dass der Härteunterschied nicht quantifiziert werden kann (beispielsweise ist der Unterschied zwischen 9 und 10 deutlich größer als der zwischen 1 und 2) und sie nicht für die Prüfung inhomogener Materialien oder dünner Schichten geeignet ist (der Fehler liegt bei etwa ±0,5).
Beachten Sie bei der Umrechnung die nichtlineare Beziehung: HV ≈ 10 · HRC + 900 (Fehler < 5 %), HB- und Mohs-Umrechnungsfehler > 10 %. In der Praxis ist HV die Hauptmethode und HRC/HS die Hilfsmethode, um eine Leistungskonsistenz > 95 % ± 2 % sicherzustellen.
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