Teil 4: Klassifizierung und Anwendungsgebiete von Hartmetall
Kapitel 11 Hartmetall-Schneidwerkzeuge und -Verarbeitung
11.0 Hartmetall-Schneidwerkzeuge und -Verarbeitung
11.0.1 Was ist Schneiden?
Schneiden ist ein zentraler Prozess der spanenden Bearbeitung. Dabei werden überschüssige Teile mithilfe von Werkzeugen vom Werkstückmaterial entfernt, um die gewünschte Form, Größe und Oberflächenqualität zu erzielen. Das Schneiden basiert auf der Schärfe des Werkzeugs und der plastischen oder spröden Verformung des Materials. Durch Scher-, Extrusions- und Reibungskräfte wird die Materialschicht schrittweise abgetragen. Der Schneidprozess umfasst üblicherweise eine schnelle Rotations- oder Vorschubbewegung, die Späne erzeugt und beim Schneiden von Metallen (z. B. Stahl, Gusseisen) oder Nichtmetallen (z. B. Verbundwerkstoffen) unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist. Effizienz und Qualität des Schneidens werden direkt vom Werkzeugmaterial, den geometrischen Parametern, den Schnittparametern (wie Geschwindigkeit, Vorschub, Schnitttiefe) sowie der Härte und Zähigkeit des Werkstückmaterials beeinflusst. Als Schlüsselwerkzeug in der spanenden Bearbeitung haben Hartmetall-Schneidwerkzeuge dank ihrer hervorragenden Leistung die Schnittgenauigkeit, Effizienz und Standzeit deutlich verbessert und sind aus der modernen Fertigung nicht mehr wegzudenken.
1.0.2 Was sind Hartmetall-Schneidwerkzeuge?
Hartmetall-Schneidwerkzeuge bestehen aus Hartmetall als Grundmaterial. Sie werden häufig in der Metallzerspanung, der Nichtmetallverarbeitung und der Verbundwerkstoffverarbeitung eingesetzt. Dank ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und ihrer Langlebigkeit sind sie zu einem unverzichtbaren Kernwerkzeug in der modernen Fertigung geworden. Hartmetall ist ein Verbundwerkstoff aus Hartmetall (z. B. Wolframkarbid WC, Titankarbid TiC , Tantalkarbid TaC ) als Hartphase und Metall (z. B. Kobalt Co, Nickel Ni) als Bindephase. Der Herstellungsprozess umfasst die präzise Dosierung hochreiner Rohstoffe, Hochtemperatursintern (1400–1600 °C) unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre sowie Präzisionsbearbeitung oder Beschichtung, um Materialgleichmäßigkeit und Leistungsstabilität zu gewährleisten. Seine hervorragende Leistung spiegelt sich hauptsächlich in den folgenden Schlüsselaspekten wider:
Hervorragende Leistung von Hartmetall-Schneidwerkzeugen – hohe Härte
Der Härtebereich liegt bei HV 1600–2500 (±30) und ist damit deutlich höher als bei herkömmlichem Schnellarbeitsstahl (HV 800–900) oder Werkzeugstahl (HV 600–700). Diese Funktion ermöglicht das effektive Schneiden einer Vielzahl von Materialien mit hoher Härte, darunter Stähle (wie Kohlenstoffstahl Q235 HV 150–250±10, legierter Stahl 40Cr HV 200–400±10), Gusseisen (wie Grauguss HT200 HV 150–220±10, Sphäroguss QT500 HV 200–250±10) sowie schwer zu bearbeitende Materialien (wie Titanlegierung TC4 HV 300–400±10, Nickelbasislegierung Inconel 718 HV 400–500±10) und superharte Materialien (wie polykristalliner Diamant PCD HV >5000±50). Diese hohe Härte sorgt für die Stabilität der Schneidkante beim Hochgeschwindigkeitsschneiden , verhindert geometrische Fehlausrichtungen durch Verschleiß und verlängert die Lebensdauer des Werkzeugs erheblich (bis zu Hunderten von Stunden unter geeigneten Arbeitsbedingungen), sodass es sich besonders für hochpräzise und kontinuierliche Schneidaufgaben eignet.
Hervorragende Leistung von Hartmetall-Schneidwerkzeugen – hervorragende Zähigkeit
Die Bruchzähigkeit ( K ₁ c ) beträgt 10 – 20 MPa·m¹ / ² ( ± 0,5) und ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit wird durch Anpassung des Kobaltgehalts der Bindephase (normalerweise 6 – 20 %) oder Zugabe von Spuren seltener Erden (wie Ce, La) erreicht. Diese Zähigkeitseigenschaft ermöglicht es dem Material, hochfrequenten Stößen, Vibrationen und thermischen Belastungen während des Schneidprozesses standzuhalten, insbesondere beim intermittierenden Schneiden (wie der Bearbeitung von Gusseisen oder Werkstücken mit Lücken), der Schwerlastbearbeitung (wie Tieflochbohren) oder bei intermittierenden Belastungsbedingungen. Durch Optimierung der Korngröße (0,5 – 2 μ m ) oder Einführung von Nanokarbiden wird die Beständigkeit des Materials gegen Rissausbreitung zusätzlich verbessert, wodurch die strukturelle Integrität des Werkzeugs unter komplexen Arbeitsbedingungen sichergestellt wird.
Hervorragende Leistung von Hartmetall-Schneidwerkzeugen – Verschleißfestigkeit
Die Verschleißrate liegt unter 0,05 mm³/N·m (± 0,01 mm³/N· m) . Dank der hohen Härte des Hartmetalls und der Schmierung durch die Bindephase behält das Werkzeug auch nach längerem Schneiden seine Schneidleistung (Lebensdauer > 10 Stunden ± 1 Stunde, je nach Arbeitsbedingungen bis zu 50–100 Stunden). Insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten (1000–2000 m/min ± 10 m/min) oder bei Einwirkung harter Partikel (wie Schleifmittel, Keramikpulver) weisen Hartmetallwerkzeuge eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit auf. Diese Verschleißfestigkeit beruht auf dem synergetischen Effekt der dichten Struktur im Material (Dichte > 98 % des theoretischen Werts) und der Oberflächenbeschichtung (wie TiN ). Al₂O₃ , TiAlN , Dicke 5–25 μ m ) und wird häufig in Hochlastverarbeitungsszenarien wie Hochgeschwindigkeitsfräsen, -bohren und -drehen verwendet.
Hervorragende Leistung von Hartmetall-Schneidwerkzeugen – weitere Leistungsvorteile
Neben den oben genannten Kerneigenschaften zeichnen sich Hartmetall-Schneidwerkzeuge auch durch eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen (800–1000 °C), einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (ca. 4,5–6,0 × 10⁻⁶/°C) und eine gute chemische Stabilität (Säure- und Laugenkorrosionsbeständigkeit) aus. Diese Eigenschaften ermöglichen die Anpassung an verschiedene Verarbeitungsumgebungen von Raumtemperatur bis hin zu hohen Temperaturen (300–800 °C) und eignen sich besonders für die Luft- und Raumfahrt (z. B. die Verarbeitung von Titanlegierungen), die Energiewirtschaft (z. B. für Klingen aus Hochtemperaturlegierungen) und die Elektronikindustrie (z. B. für die hochpräzise Mikrobearbeitung). Darüber hinaus werden durch moderne Fertigungstechnologien (z. B. heißisostatisches Pressen (HIP) und Laser-Oberflächenbehandlung) innere Defekte des Werkzeugs (wie Poren und Risse) effektiv reduziert, was seine Lebensdauer und Zuverlässigkeit weiter verbessert.
Anwendung und Entwicklung von Hartmetall-Schneidwerkzeugen
Das Anwendungsspektrum von Hartmetall-Schneidwerkzeugen umfasst eine Vielzahl von Werkstücken wie Stahl, Gusseisen, schwer zu bearbeitende Werkstoffe, Nichteisenmetalle, Verbundwerkstoffe und superharte Werkstoffe. Sie finden breite Anwendung im Automobilbau (z. B. für Motorteile), in der Luft- und Raumfahrt (z. B. für Turbinenscheiben), im Formenbau (z. B. für Stanzwerkzeuge) und in der Elektronikindustrie (z. B. für das Bohren von Leiterplatten). Mit dem Voranschreiten von Industrie 4.0 und intelligenter Fertigung entwickeln sich Hartmetallwerkzeuge zu Hochleistungswerkzeugen (z. B. Nanobeschichtungen, Gradientenwerkstoffe) und intelligenten Werkzeugen, z. B. durch integrierte Sensoren zur Überwachung des Verschleißzustands oder zur Optimierung der Schnittparameter durch KI, um höhere Effizienz und komplexere Anforderungen zu erfüllen.
11.0.3 Was sind Schneidwerkzeuge aus Hartmetall?
Hartmetall-Schneidwerkzeuge bestehen aus Hartmetall als Grundmaterial. Dank ihrer hervorragenden Härte, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit finden sie breite Anwendung in der Metallzerspanung und Nichtmetallverarbeitung. Durch präzises Design, fortschrittliche Oberflächenbehandlungsverfahren und geometrische Optimierung erfüllen diese Werkzeuge die vielfältigen Anforderungen von der allgemeinen Bearbeitung bis hin zu hochpräzisen und komplexen Arbeitsbedingungen. Im Folgenden werden die wichtigsten Arten von Hartmetall-Schneidwerkzeugen sowie ihre Eigenschaften, Anwendungsszenarien und Optimierungstechnologien umfassend und detailliert erläutert, unter Berücksichtigung von Branchenpraktiken und den neuesten technologischen Entwicklungen.
(1) Hartmetall-Drehwerkzeuge
sind die Kernwerkzeuge der Drehbearbeitung. Durch die Rotation des Werkstücks und die axiale oder radiale Zustellung des Werkzeugs werden Außenkreise, Innenbohrungen, Stirnflächen, Stufen, Gewinde und komplexe Konturen gefertigt. Hartmetall-Drehwerkzeuge werden üblicherweise aus hochharten Werkstoffen (z. B. YG6, YG8, YT15, YT30) hergestellt. Der Werkzeugkörper besteht aus Vollhartmetall, geschweißten Hartmetallklingen oder austauschbaren Klingenstrukturen, um unterschiedlichen Bearbeitungsanforderungen gerecht zu werden. Der Spanwinkel (5°–15° ± 0,5°) und der Rückwinkel (6°–12°) sind geometrisch präzise optimiert, um Schnittkraft und Spanwiderstand zu reduzieren und die Schneidleistung zu verbessern. Der sekundäre Rückwinkel (1°–3°) und die Schneidkantenfase (0,1–0,2 mm) erhöhen die Spanfestigkeit zusätzlich . Oberflächenbeschichtungstechnologien werden häufig eingesetzt, wie beispielsweise PVD-Beschichtungen ( TiN , TiCN , Dicke 2-5 μ m ) und CVD-Beschichtungen ( Al ₂O ₃ , TiAlN ( Dicke 5–25 µm ± 0,1 µm ) verbessert die Hitzebeständigkeit (bis 1000 °C), Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit deutlich. Während des Schneidvorgangs muss das Drehwerkzeug der stabilen Belastung durch kontinuierliches Schneiden oder den Stößen durch intermittierendes Schneiden standhalten. Die Lebensdauer beträgt in der Regel 10–20 Stunden (± 1 Stunde), und die Genauigkeit kann <0,01 mm (± 0,001 mm) erreichen, was für die Bearbeitung hochpräziser Teile geeignet ist. Zu den technischen Daten gehören eine Schnittgeschwindigkeit von 100–500 m/min (± 10 m/min), eine Härte von HV 1800–2200, eine Bruchzähigkeit von 12–18 MPa·m¹ / ² und eine Verschleißrate von <0,05 mm³/N· m. Es wird häufig in der Automobilindustrie zur Bearbeitung von Kurbelwellen, Nockenwellen und Pleuelstangen, zur Herstellung von Präzisionsdrehformen und Stanzwerkzeugen sowie zur Bearbeitung von Außenkreisen aus Titanlegierungen und Teilen aus Aluminiumlegierungen für die Luftfahrt eingesetzt.
(2) Hartmetallfräser: Fräser werden für die Hochgeschwindigkeitszerspanung mit mehreren
Schneiden auf Fräsmaschinen eingesetzt . Sie eignen sich für die Bearbeitung von Flächen, Nuten, Stufen, Kanten und komplexen gekrümmten Oberflächen. Sie sind die Kernwerkzeuge mehrachsiger Bearbeitungszentren. Zu den Hartmetallfräsern gehören Schaftfräser, Planfräser, Kugelkopffräser und Profilfräser. Gängige Sorten sind YG10 (hohe Zähigkeit, geeignet für intermittierendes Schneiden), YT30 (hohe Hitzebeständigkeit, geeignet für hohe Temperaturen) und YW2 (hervorragende Gesamtleistung). Schaftfräser bestehen meist aus Vollhartmetall mit 2–4 Schneiden und einem Durchmesser von 3–20 mm. Sie eignen sich für Bohrungen und Nuten mit kleinem Durchmesser sowie für die Feinbearbeitung. Planfräser haben größere Durchmesser (50–200 mm) und verwenden austauschbare Schneiden oder sind integral ausgeführt. Sie verfügen über 4–12 Schneiden und eignen sich für die Bearbeitung großer Flächen. Kugelkopffräser und Profilfräser werden für komplexe gekrümmte Oberflächen und die Formenbearbeitung eingesetzt. Die geometrische Optimierung umfasst einen Spiralwinkel (30°-45°±1°) zur Verbesserung der Spanabfuhr, einen positiven Spanwinkel (5°-10°) zur Reduzierung der Schnittkraft und einen R-Winkel (0,5-2 mm) zur Verbesserung der Kantenfestigkeit. CVD-Beschichtung (wie TiAlN , Al₂O₃ , Dicke 10–25 μm ) oder PVD – Beschichtung (wie CrN , Dicke 2–5 μm ) bietet Temperaturbeständigkeit (bis 1100 °C) und Verschleißschutz. Schnittgeschwindigkeit 200–1000 m/min, Lebensdauer 5–15 Stunden, Genauigkeit <0,02 mm, seine technischen Eigenschaften sind Härte HV 1700–2100, Bruchzähigkeit 14–20 MPa·m¹ / ², hohe Schlagzähigkeit, die wichtigsten Anwendungsszenarien umfassen die Luft- und Raumfahrtverarbeitung von Aluminiumlegierungshäuten und Titanlegierungskomponenten, das Fräsen komplexer Oberflächen und Stanzwerkzeuge im Formenbau sowie die Bearbeitung von Schlitzteilen und Zahnradprofilen.
(3) Hartmetallbohrer.
Hartmetallbohrer ersetzen herkömmliche Schnellarbeitsstahlbohrer und eignen sich zum Bohren von tiefen Löchern, kleinen Löchern und mehrschichtigen Materialien. Spiralbohrer sind universell einsetzbar und bestehen aus YG6X (nanokristalline Struktur, Härte HV 1900–2000), haben einen Spiralwinkel von 25–35±1° und können Löcher mit einem Durchmesser von 5–50 mm bohren. Sie eignen sich für allgemeine Bohrungen. Tieflochbohrer (z. B. Einlippenbohrer) bestehen aus YW1 mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis von bis zu 100:1. Sie verfügen über interne Kühlkanäle zur Reduzierung von Wärmestau und Spanabfuhr und eignen sich für die Bearbeitung von tiefen Löchern (z. B. >100 mm). Stufenbohrer verwenden ein mehrschichtiges Klingendesign, mit dem Stufenlöcher mit unterschiedlichen Durchmessern gleichzeitig bearbeitet werden können. Sie werden häufig in Formen und mechanischen Teilen eingesetzt. PVD-Beschichtungen (z. B. TiN , TiCN , Dicke 10–15 μm ) oder CVD-Beschichtung (Diamant, Dicke 5–10 μm ) verbessert die Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit, Schnittgeschwindigkeit 50–300 m/min, Lebensdauer 10–30 Stunden, Präzision <0,01 mm. Zu den technischen Eigenschaften gehören Härte HV 1800–2200, Verschleißfestigkeit <0,03 mm³/N· m, gute Hochtemperaturbeständigkeit (bis zu 900 °C), breite Anwendung beim Bohren von Autoteilen (wie Zylinderblöcken, Pleuelstangen), der Bearbeitung von Leiterplatten elektronischer Komponenten und Tieflochbohren von Strukturteilen der Luftfahrt (wie Flügelgelenken). Der Schlüssel zur Optimierung liegt in der Zugabe einer selbstschmierenden Beschichtung (wie MoS₂ ) , um die Reibung zu verringern und das Spanleitstufendesign zu optimieren, um ein Verstopfen zu verhindern.
(4) Hartmetall-Bohrwerkzeuge.
Bohrwerkzeuge dienen zum Erweitern oder Feinabstimmen vorhandener Bohrungsdurchmesser. Hartmetall-Bohrwerkzeuge sind meist verstellbar, integriert oder austauschbar. Schruppbohrwerkzeuge bestehen aus YG8 (hohe Zähigkeit, HV 1700–1900), mit einer Schnitttiefe von 1–5 mm, geeignet für schnelles Schruppen, und einem Werkzeugdurchmesserbereich von 20–150 mm; Feinbohrwerkzeuge bestehen aus YT5 (Härte HV 1750–1850), mit einer Schnitttiefe von 0,1–0,5 mm und einer Genauigkeit von <0,005 mm, geeignet für hochpräzise Bohrungsbearbeitung. Die Werkzeuggeometrie umfasst einen Spanwinkel von 5°–10° (negativer Spanwinkel kann zum Schruppen verwendet werden), einen sekundären Rückwinkel von 2°–5° und einen Schneidkanten- Entspannungswinkel (0,2°–0,5°). CVD-Beschichtungen (z. B. Al₂O₃ , Dicke 10–20 μm ) oder PVD – Beschichtungen (z. B. TiAlN ) verbessern die Hitzebeständigkeit und die Oberflächengüte. Die Schnittgeschwindigkeit beträgt 100–400 m/min, die Lebensdauer 15–25 Stunden, und die technischen Eigenschaften sind eine Bruchzähigkeit von 12–16 MPa·m¹ /² und eine Oberflächenrauheit Ra <0,4 μm . Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten zählen das Feinbohren von Motorzylinderblöcken (Zylinderdurchmessergenauigkeit <0,01 mm), die Bearbeitung von Innenbohrungen in Hydraulikteilen (z. B. Pumpengehäuse) und das Feinbohren von Formen (z. B. Stanzformen).
(5) Hartmetallreibahlen (Reibahlen)
Reibahlen werden zum Schlichten des Bohrungsdurchmessers verwendet, um Rundheit, Toleranz und Oberflächengüte zu verbessern, und eignen sich für die Massenproduktion und hohe Präzisionsanforderungen. Maschinenreibahlen bestehen aus YG6 (Härte HV 1800–2000) mit einem Durchmesserbereich von 5–50 mm, 4–8 Schneiden und einer Schneidenlänge vom 1,5- bis 2-fachen des Durchmessers; verstellbare Reibahlen bestehen aus YT 15 mit einem Verstellbereich von ±0,02 mm, der sich für die Feinabstimmung des Bohrungsdurchmessers und die Verarbeitung mehrerer Spezifikationen eignet. Das geometrische Design umfasst gerade oder spiralförmige Schneiden (Spiralwinkel 5–10°), Spanwinkel 5–8°, PVD-Beschichtung (z. B. TiCN , Dicke 10–15 μm ) oder CVD-Beschichtung (z. B. Al₂O₃ ) zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Antihaftwirkung. Schnittgeschwindigkeit 20–100 m/min, Lebensdauer 20–40 Stunden, Genauigkeit <0,002 mm, seine technischen Eigenschaften umfassen Härte HV 1800–2100, Verschleißfestigkeit <0,02 mm³/N· m, breite Anwendung bei der Endbearbeitung von Lagerlöchern (Rundheit <0,005 mm), Löchern in Autogetriebewellen und Präzisionsinstrumententeilen (wie etwa Löchern für Messwerkzeuge).
(6) Hartmetall- Räumnadeln:
Räumnadeln werden zum Räumen verwendet und eignen sich für die Massenproduktion von Passfedernuten, Zahnformen, Zahnstangen und komplexen Konturen. Rundräumnadeln bestehen aus YW2 (stark hitzebeständig, HV 1750–2000), haben einen Durchmesser von 10–100 mm, 10–20 Zähne und eine progressive Zahnhöhe (0,1–0,5 mm/Zahn); Flachräumnadeln bestehen aus YG10, haben eine Breite von 20–100 mm und 15–30 Zähne und eignen sich zum Planräumen. Die geometrische Optimierung umfasst einen Spanwinkel von 5°–10°, eine Spanleittiefe von 2–5 mm und eine CVD-Beschichtung (z. B. TiAlN , Dicke 15–20 μm ) oder PVD-Beschichtung (z. B. CrN ) zur Verbesserung der Schlagfestigkeit und Hitzebeständigkeit. Die Schnittgeschwindigkeit beträgt 10–50 m/min, die Lebensdauer 10–20 Stunden und die Genauigkeit <0,01 mm. Seine technischen Eigenschaften sind eine Bruchzähigkeit von 14–18 MPa·m¹ /² und eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit. Zu den wichtigsten Anwendungsszenarien zählen das Räumen von Zahnradkeilnuten (Modul 1–5), das Ziehen von Zähnen an Strukturteilen der Luftfahrt (wie etwa Rumpfverbinder) und das Formenziehen (wie etwa Stanzwerkzeuge).
(7) Hartmetall-Umformwerkzeuge:
Umformwerkzeuge dienen der Bearbeitung spezifischer Formen wie Zahnprofilen, gekrümmten Oberflächen oder speziellen Konturen und finden breite Anwendung in der mehrachsigen CNC-Bearbeitung. Der Zahnprofilfräser besteht aus YT30 (hohe Hitzebeständigkeit, HV 1600–1800) und bearbeitet Zahnräder mit einem Modul von 1–10. Der Werkzeugdurchmesser beträgt 50–200 mm. Der Kurvenfräser besteht aus YW1A. Für die komplexe Bearbeitung gekrümmter Oberflächen ist eine 5-Achs-Anlenkung erforderlich. Der Werkzeugradius beträgt 5–50 mm. Die geometrische Gestaltung umfasst Formschneiden (R 0,1–2 mm), Entspannungswinkel (0,1°–0,5°) und Mehrschneidenstrukturen (3–6 Schneiden). PVD-Beschichtungen (z. B. CrN , Dicke 15–25 μm ) oder CVD-Beschichtungen (z. B. TiAlN ) bieten Verschleißfestigkeit und Schutz vor hohen Temperaturen. Die Schnittgeschwindigkeit beträgt 50–200 m/min, die Lebensdauer 5–15 Stunden, die Präzision <0,02 mm, seine technischen Eigenschaften umfassen Härte HV 1700–2000, Verschleißfestigkeit <0,04 mm³/N· m, breite Anwendung bei der Zahnradformung in der Automobilindustrie (Modul 2–8), der Oberflächenbearbeitung von Präzisionsteilen (wie etwa Handygehäusen) und der Herstellung von Rotorblättern für die Luftfahrt (wie etwa Turbinenschaufeln).
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