Teil 3: Leistungsoptimierung von Hartmetall
Kapitel 7: Kontrolle der mechanischen Eigenschaften von Hartmetall
Hartmetall (WC-Co) wird aufgrund seiner hervorragenden Härte (HV 1200–1800), guten Bruchzähigkeit (K₁c 8–16 MPa· m¹ / ²) , hohen Druckfestigkeit ( 4000–6000 MPa) und hervorragenden Verschleißfestigkeit (Verschleißrate <0,1 mm³/N·m) häufig in Flugzeugwerkzeugen (Lebensdauer > 15 Stunden), Bergbaubohrern (Bohren > 1200 m ) und verschleißfesten Matrizen ( Extrusion > 10⁶ – fach ) verwendet. Unter extremen Arbeitsbedingungen, wie z. B. hoher Stoßbelastung (Frequenz > 500 Hz), zyklischer Belastung (> 10⁵-fach), hohen Temperaturen (> 800 °C) und abrasivem Verschleiß (Härte > 800 HV), ist die Gesamtleistung von Hartmetall jedoch noch immer eine Herausforderung. Es ist schwierig, mit einer einzelnen Optimierungsstrategie die synergetischen Anforderungen an Härte, Zähigkeit, Dauerfestigkeit und Verschleißfestigkeit gleichzeitig zu erfüllen. Ein Durchbruch in der Gesamtleistung kann durch die Kontrolle der Mikrostruktur (WC-Korngröße 0,2–2 μm , Co -Gehalt 6–15 %), eine eingehende Analyse des Ausfallmechanismus (Risswachstumsrate ~ 10⁻⁶ mm/Zyklus) und die Anwendung moderner Verstärkungstechnologien (VC-Zusatz 0,2–0,5 %, Ionenimplantationsdosis 10¹⁶–10¹⁷ cm⁻² , Laserbeschichtungsdicke 50–150 μm ) erreicht werden .
In diesem Kapitel werden die folgenden vier Aspekte behandelt: Ausgewogenheit zwischen Härte und Zähigkeit, Dauerfestigkeit und Schlagzähigkeit, Analyse von Ausfallmechanismen und Strategien zur Leistungsverbesserung. Es werden systematisch die mechanischen Eigenschaften, Vor- und Nachteile, Regelungstechnik und Bedingungen von Hartmetall erörtert. Darüber hinaus wird in diesem Kapitel auch ein Ausblick auf die Entwicklungstrends von Hartmetall im Rahmen der zukünftigen KI-Technologie und des industriellen Internets der Dinge ( IIoT ) gegeben, um eine höhere Effizienz und Zuverlässigkeit für industrielle Anwendungen zu gewährleisten.
Die Vorteile von Hartmetall sind seine hohe Härte und Verschleißfestigkeit sowie seine Fähigkeit, hohen Belastungen und Reibung unter extremen Arbeitsbedingungen standzuhalten. Seine Nachteile sind jedoch der Widerspruch zwischen Härte und Zähigkeit. Eine hohe Härte (HV > 1600) führt in der Regel zu einer verringerten Zähigkeit ( K₁c < 10 MPa · m¹/ ²) , was zu Sprödbruch führt. Zudem muss die Ermüdungsbeständigkeit von Hartmetall bei hochfrequenter zyklischer Belastung noch verbessert werden (die Risswachstumsrate muss auf < 10⁻⁷ mm/Zyklus begrenzt werden). Durch die Analyse in diesem Kapitel erhalten die Leser ein umfassendes Verständnis der Methoden zur Regulierung der mechanischen Eigenschaften von Hartmetall und seiner Leistung in der Praxis.
7.0 Mechanische Eigenschaften von Hartmetall
Hartmetall (WC-Co) wird aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften häufig in der Luftfahrt, im Bergbau und im Formenbau eingesetzt. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Beschreibung der wichtigsten mechanischen Eigenschaften, einschließlich Definition, Messmethode, Einflussfaktoren und Anwendungshintergrund:
7.0. 1. Hohe Härte von Hartmetall
7.0.1.0 Welche Härte hat Hartmetall ?
Die Härte von Hartmetall (WC-Co) beschreibt die Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegenüber Eindrücken und Kratzern durch Fremdkörper (z. B. Eindringkörper). Sie spiegelt die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen plastische Verformung und Verschleiß wider. Als Verbundwerkstoff besteht Hartmetall aus einer Hartphase aus Wolframkarbid (WC, Härte ca. HV 2000–2500) und einer Bindephase aus Kobalt (Co, Härte ca. HV 300). Die Härte von Hartmetall liegt üblicherweise zwischen HV 1200–1800 und kann durch Oberflächenmodifizierung (z. B. Aufkohlen, Laserbeschichten) auf HV 2000–2500 erhöht werden. Die Härte bestimmt direkt die Haltbarkeit von Hartmetall in Umgebungen mit hoher Belastung und Reibung, beispielsweise beim Schneiden, Bohren und Formenbau.
Die physikalische Natur der Härte hängt eng mit der Mikrostruktur des Materials zusammen, was hauptsächlich auf die hohe Härte und die korngrenzenverstärkende Wirkung der WC-Phase zurückzuführen ist, während die Co-Phase einen Teil der Energie durch plastische Verformung absorbiert und die Gesamtleistung anpasst.
7.0.1.1 Methode zur Messung der Härte von Hartmetall
Die Härte von Hartmetall kann mit verschiedenen Prüfmethoden gemessen werden . Für unterschiedliche Szenarien und Genauigkeitsanforderungen eignen sich unterschiedliche Methoden:
Vickershärte (HV)
Bereich : HV 1200–1800, bis zu HV 2000–2500 nach Oberflächenmodifizierung.
Prinzip : Verwenden Sie einen Vickers-Härteprüfer, einen Diamant-Viereckpyramiden-Eindringkörper (Diagonalwinkel 136°), wenden Sie eine Standardlast (normalerweise 30 kg) an und berechnen Sie den Härtewert durch Messen der diagonalen Länge des Eindrucks. Die Formel lautet:
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