Teil 4: Klassifizierung und Anwendungsgebiete von Hartmetall
Kapitel 12 Verschleißfeste Hartmetallteile und Oberflächentechnik
12.0 Überblick über Hartmetall-Verschleißteile und Oberflächentechnik
Verschleißfeste Teile aus Hartmetall spielen aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Haltbarkeit eine wichtige Rolle in der modernen Industrie. Ihre hohe Härte (HV 1600–2500 ± 30), ausgezeichnete Verschleißfestigkeit (Verschleißrate < 0,05 mm³/N·m ± 0,01 mm³/N·m) und ausgezeichnete Schlagzähigkeit (Schlagenergie > 50 J ± 5 J) machen sie zu bevorzugten Materialien für Anwendungen wie Formen, Dichtungen, Düsen, Bergbaubohrer und Oberflächenbeschichtungen. Die Leistungsparameter dieser Teile zeigen in der Praxis erhebliche Vorteile, wie z. B. eine Formlebensdauer von > 10⁶ ± 10⁵ , eine Dichtungsleckagerate von nur < 0,01 ml/min ± 0,001 ml/min, eine kontrollierte Düsendurchflussabweichung von < 1 % ± 0,1 %, eine Lebensdauer von Bergbaubohrern von über 100 Stunden ± 10 Stunden und eine Oberflächenbeschichtungsdicke von 50–500 μm ± Durch geometrische Optimierung (wie Spannungskonzentrationskoeffizient K_t <1,3 ± 0,05), thermische Spritztechnologie (wie WC-Co, Bindungsstärke > 70 MPa ± 1 MPa) und Oberflächenverstärkungstechnologie (wie Laserbeschichtung, Härte HV 2000–3000 ± 50) wurde die Leistung verschleißfester Teile aus Hartmetall deutlich verbessert und die Verschleißfestigkeit kann um 30 % ± 5 % reduziert werden, wodurch die Lebensdauer effektiv verlängert und die Arbeitseffizienz verbessert wird.
12.0.1 Konzept der verschleißfesten Hartmetallteile
Verschleißfeste Teile aus Hartmetall sind hochleistungsfähige, verschleißfeste Teile, die in einem pulvermetallurgischen Verfahren mit Hartphasen wie Wolframkarbid (WC), Titankarbid (TiC) oder Niobkarbid (NbC) als Matrix hergestellt werden, ergänzt durch metallische Bindephasen wie Kobalt (Co) und Nickel (Ni). Diese Teile verfügen über eine ultrahohe Verschleißfestigkeit, da ihre Korngröße üblicherweise im Bereich von 0,2 bis 2 Mikrometern liegt, und eignen sich besonders für industrielle Anwendungen mit hoher Belastung, häufiger Reibung oder extremen Umgebungen. Die Verschleißfestigkeit von Hartmetall ergibt sich aus der Balance zwischen seiner hohen Härte und der entsprechenden Zähigkeit. Der Härtewert liegt üblicherweise zwischen 1.600 und 2.500 Vickershärte (HV) und ist damit weit höher als bei herkömmlichem Stahl (200–600 HV). Durch Zugabe von Spurenelementen oder Verbundwerkstoffen (wie dem WC-Co-System) kann die Schlagzähigkeit über 50 J erreichen, was ausreicht, um mechanischen Stößen und thermischer Belastung standzuhalten. Das Konstruktionsziel verschleißfester Teile besteht nicht nur darin, die Lebensdauer zu verlängern (beispielsweise muss die Form Millionen von Stanzzyklen standhalten), sondern auch die Stabilität unter komplexen Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Dichtungen müssen beispielsweise eine geringe Leckage aufweisen und Düsen einen präzisen Durchfluss gewährleisten. Diese Eigenschaften machen sie in der Fertigungs-, Bergbau- und Energiebranche unverzichtbar.
12.0.2 Definition und Bedeutung der Oberflächentechnik
Oberflächentechnik ist eine Technologie, die die Oberfläche von Materialien durch physikalische, chemische oder mechanische Verfahren modifiziert oder beschichtet, um die Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit oder Biokompatibilität von Teilen zu verbessern. Bei verschleißfesten Hartmetallteilen verbessert die Oberflächentechnik die Oberflächeneigenschaften durch Verfahren wie thermisches Spritzen, Laserauftragschweißen und Ionenimplantation deutlich. Beispielsweise kann durch thermisches Spritzen eine WC-Co-Beschichtung mit einer Haftfestigkeit von über 70 MPa und einer steuerbaren Schichtdicke im Bereich von 50–500 µm auf dem Substrat aufgebracht werden, was die Verschleißfestigkeit deutlich verbessert. Laserauftragschweißen bildet durch lokales Schmelzen und schnelles Erstarren eine metallurgische Verbindungsverstärkungsschicht mit einer Härte von bis zu 2000–3000 HV und einer um etwa 30 % reduzierten Verschleißfestigkeit, was die Lebensdauer der Teile effektiv verlängert. Kern der Oberflächentechnik ist die Optimierung der Oberflächenmikrostruktur, die Reduzierung der Spannungskonzentration (K_t < 1,3), die Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit und der Erhalt der mechanischen Gesamteigenschaften des Grundmaterials. Diese Technologie ist insbesondere bei Hartmetallanwendungen wichtig, da die Oberfläche der Bereich ist, in dem das Teil in direktem Kontakt mit der äußeren Umgebung steht und ihre Leistung sich direkt auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der gesamten Komponente auswirkt.
12.0.3 Anwendungshintergrund und Entwicklung von verschleißfesten Hartmetallteilen und Oberflächentechnik
Die Kombination aus verschleißfesten Hartmetallteilen und Oberflächentechnik trägt dem Bedarf der modernen Industrie nach effizienten und langlebigen Geräten Rechnung. Mit der Entwicklung intelligenter Fertigung, grüner Energie und dem Bergbau unter extremen Bedingungen erweitern sich die Anwendungsbereiche von Hartmetall kontinuierlich. Im Formenbau erfüllen Hartmetallteile beispielsweise durch geometrische Optimierung und Oberflächenverstärkung die Anforderungen an hochpräzises Stanzen und komplexe Umformungen. Im Bergbau führt die längere Lebensdauer verschleißfester Bohrer direkt zu geringeren Austauschhäufigkeiten und niedrigeren Betriebskosten. Fortschritte in der Oberflächentechnik, wie Nanobeschichtungen und mehrschichtige Verbundbeschichtungen, haben die Anwendung von Hartmetall in Hightech-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik weiter vorangetrieben. In Kombination mit digitaler Zwillingstechnologie und Echtzeitüberwachung ermöglicht die Oberflächentechnik zudem eine dynamische Leistungsoptimierung und Anpassung an unterschiedliche Arbeitsbedingungen.
verschiedene Aspekte wie verschleißfeste Teile, thermische Spritzanwendungen, Bergbau und Bohren sowie Oberflächenverstärkungstechnologie. Durch die eingehende Untersuchung von Materialeigenschaften, Verarbeitungstechnologie und Anwendungsszenarien soll theoretische Unterstützung und praktische Anleitung für verwandte Branchen bereitgestellt werden, insbesondere bei der Leistungsoptimierung und innovativen Anwendungen in Umgebungen mit hoher Belastung und hohem Verschleiß.
12.1 Verschleißfeste Teile aus Hartmetall
Verschleißfeste Teile aus Hartmetall erreichen eine hohe Verschleißfestigkeit (Verschleißrate < 0,05 mm³/N·m ± 0,01 mm³/N·m) und eine lange Lebensdauer (> 10⁶-fach ± 10⁵-fach) durch optimiertes geometrisches Design (Krümmungsradius > 0,5 mm ± 0,01 mm), Materialverhältnis (WC > 90 % ± 1 %, Co 6 – 12 % ± 1 %) und Präzisionsverarbeitung (Sintertemperatur 1450 °C ± 10 °C). Diese Teile erbringen eine gute Leistung in industriellen Umgebungen mit hohen Belastungen und häufiger Reibung. Ihre Leistung beruht auf der Balance zwischen der hohen Härte (HV 1600 – 2200 ± 30) und der entsprechenden Zähigkeit (Bruchzähigkeit K₁ c 10 – 20 MPa·m¹/² ± 0,5) der Hartmetallmaterialien. Verschleißfeste Hartmetallteile werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter Hartmetallmatrizen (zum Stanzen und Formen), Hartmetalldichtungen (zur Vermeidung von Flüssigkeitslecks) und Hartmetalldüsen (für präzises Einspritzen). Ihre Konstruktion muss sowohl Verschleißfestigkeit als auch Schlagfestigkeit berücksichtigen, um den Anforderungen unterschiedlicher Arbeitsbedingungen gerecht zu werden.
12.1.1 Konzept der Hartmetall-Verschleißteile
Verschleißfeste Teile aus Hartmetall sind Verbundwerkstoffe, die durch ein pulvermetallurgisches Verfahren gesintert werden und Wolframkarbid (WC) als hauptsächliche Hartphase und Kobalt (Co) als Bindephase enthalten. Der WC-Gehalt liegt üblicherweise über 90 % ± 1 % und sorgt als hartes Skelett für eine hohe Härte, während der Co-Gehalt zwischen 6 %–12 % ± 1 % liegt und als Bindephase wirkt, um die Zähigkeit und Schlagfestigkeit zu verbessern. Das beste Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit kann durch Anpassung des Verhältnisses erreicht werden. Der Sinterprozess wird bei einer hohen Temperatur von 1450 °C ± 10 °C durchgeführt. Zum Schutz der Umgebung wird Vakuum oder Argon verwendet, wodurch sichergestellt wird, dass die Korngröße in einem Bereich von 0,5–2 Mikrometern kontrolliert wird und dadurch eine hervorragende Verschleißfestigkeit (Verschleißrate < 0,05 mm³/N·m) erreicht wird. Diese niedrige Verschleißrate ermöglicht die Aufrechterhaltung der Dimensionsstabilität im Langzeitgebrauch. Beispielsweise hält die Form über eine Million Stanzvorgängen stand, während Dichtungen und Düsen eine geringe Leckagerate (<0,01 ml/min) und Durchflussabweichung (<1 %) aufweisen müssen. Das geometrisch optimierte Design mit Krümmungsradius (>0,5 mm) reduziert effektiv Spannungskonzentrationen und verlängert die Lebensdauer der Teile, während die Schlagfestigkeit (Schlagenergie >50 J) die Zuverlässigkeit unter dynamischer Belastung gewährleistet. Darüber hinaus können verschleißfeste Hartmetallteile durch die Zugabe von Spurenelementen (wie Tantalkarbid TaC oder Niobkarbid NbC ) ihre Hochtemperaturbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit weiter verbessern, um sie an anspruchsvollere Industrieumgebungen anzupassen.
12.1.2 Eigenschaften von Hartmetall-Verschleißteilen
Die Merkmale verschleißfester Teile aus Hartmetall zeigen sich in ihrer einzigartigen Mikrostruktur und ihren physikalischen Eigenschaften. Dank der hohen Härte (HV 1600–2200 ± 30) sind die Teile widerstandsfähig gegen Oberflächenverschleiß und eignen sich besonders für die Bearbeitung von Materialien mit hoher Härte (wie gehärtetem Stahl HRC 50–60 oder Titanlegierung HRC 30–35). Die Bruchzähigkeit K₁ c 10–20 MPa·m¹/² ± 0,5 gewährleistet gleichzeitig die strukturelle Integrität der Teile bei Stoß- oder Vibrationsbedingungen. Zudem verfügt Hartmetall über eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit (Haltbarkeit > 1000 Stunden in sauren oder alkalischen Umgebungen) und hohe Temperaturstabilität (Betriebstemperatur kann 800 °C ± 50 °C erreichen), wodurch es sich hervorragend für die Bereiche Chemie, Energie und Metallurgie eignet. Die Wärmeleitfähigkeit (ca. 80 – 120 W/mK) hilft ebenfalls dabei, Wärme abzuleiten und thermische Schäden beim Schneiden oder Reiben zu verringern. Die Oberflächenrauheit (Ra 0,1–0,5 Mikrometer) nach dem Präzisionspolieren verbessert die Kontaktleistung und Lebensdauer der Teile zusätzlich. Zusammen bilden diese Eigenschaften den Wettbewerbsvorteil verschleißfester Hartmetallteile unter hochintensiven Arbeitsbedingungen.
12.1.3 Leistungsbilanz von Hartmetall-Verschleißteilen
Die Leistungsoptimierung verschleißfester Teile aus Hartmetall ist untrennbar mit der Abstimmung von Härte und Zähigkeit verbunden. Der Härtebereich HV 1600–2200 ± 30 bietet eine hervorragende Beständigkeit gegen Oberflächenverschleiß und eignet sich besonders für die Bearbeitung von Werkstücken mit hoher Härte (wie gehärtetem Stahl HRC 50–60). Gleichzeitig stellt die Bruchzähigkeit K₁ c 10–20 MPa·m¹/² ± 0,5 sicher, dass die Teile bei mechanischer Erschütterung oder thermischer Belastung nicht leicht reißen. Diese ausgewogenen Eigenschaften verleihen verschleißfesten Teilen aus Hartmetall eine gute Leistung in Anwendungen wie Formenbau, Abdichtung und Leckageschutz sowie Einspritzsteuerung. Beispielsweise muss die Form hochfrequenten Stößen (hunderte Male pro Minute) standhalten, die Dichtung korrosiven Medien (wie Schwefelsäure oder Salzwasser) standhalten und die Düse die Strömungsdynamik präzise steuern (Durchflussabweichung <1 %). Diese Anforderungen werden durch eine präzise Steuerung von Materialien und Prozessen erreicht. Darüber hinaus kann durch eine Wärmebehandlung (z. B. Niedrigtemperaturtempern 500 °C ± 20 °C) oder eine Oberflächenbeschichtung (z. B. TiN oder CrN) die Härte weiter verbessert (Erhöhung um 10–20 %) oder der Reibungskoeffizient gesenkt (<0,3) werden, wodurch die Leistung in bestimmten Anwendungsszenarien optimiert wird.
12.1.4 Anwendung von Hartmetall-Verschleißteilen
haben aufgrund ihrer hohen Härte (HV 1600–2500), ihrer hervorragenden Verschleißfestigkeit (Verschleißrate <0,05 mm³/N·m) und Schlagzähigkeit (Schlagenergie >50 J) einen umfassenden und vielfältigen Anwendungswert im industriellen Bereich gezeigt. Im Folgenden werden ihre Anwendungen systematisch nach Anwendungsfeldern und Funktionslogik geordnet und optimiert, wobei die traditionelle Fertigung, aufstrebende Hightech-Industrien und Einsatzszenarien in speziellen Umgebungen abgedeckt werden.
(1) Metallverarbeitung und -umformung
Hartmetallform
Es wird häufig beim Metallstanzen, Kunststoffspritzgießen und in Pulvermetallurgieformen verwendet und weist eine hohe Verschleißfestigkeit und Dimensionsstabilität auf, mit einer typischen Lebensdauer von mehr als dem 10⁶-Fachen. Insbesondere in der Automobilindustrie (z. B. Motorblöcke und Getriebeteile) und der Produktion elektronischer Komponenten (z. B. Handygehäuse und Leiterplattensteckverbinder) gewährleistet seine hohe Härte (HV 1600–2200) Genauigkeit und Haltbarkeit bei langfristiger Hochfrequenzbeanspruchung, insbesondere in der intelligenten Fertigung, um das Präzisionsformen komplexer Geometrien zu unterstützen.
Hartmetall-Schneidwerkzeuge
Es wird für Hochgeschwindigkeitszerspanungen (z. B. Drehen, Fräsen und Bohren) in der Metall- und Holzverarbeitung eingesetzt. Aufgrund seiner hohen Härte (HV 1800–2500) und seiner Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation (Hitzebeständigkeit bis 900 °C) eignet es sich gut für die Luft- und Raumfahrt (z. B. für Titanlegierungsteile) und den Automobilbau (z. B. für Motorkurbelwellen). Die Schnittgeschwindigkeit kann 200–300 m/min und die Lebensdauer 200–300 Stunden erreichen.
Hartmetall-Strangpressmatrize
Für Aluminiumprofile und Kunststoffextrusionen mit einer Temperaturbeständigkeit von bis zu 600 °C, einer Härte von HV 1700–2100 und einer Maßgenauigkeit von ±0,01 mm wird es häufig in der Bauindustrie (z. B. Türen und Fenster aus Aluminiumlegierungen) und bei der Herstellung von Verpackungsmaterialien verwendet, um eine effiziente Formgebung und Oberflächenqualität sicherzustellen.
(2) Flüssigkeitskontrolle und Abdichtung
Hartmetalldichtungen
Wird in Pumpen, Ventilen und Kompressoren verwendet, um Flüssigkeits- oder Gaslecks mit einer Leckrate von <0,01 ml/min zu verhindern. Seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und die geringen Reibungseigenschaften machen es zu einem hervorragenden Werkstoff für die petrochemische Industrie (z. B. Raffinerieanlagen und Rohrleitungssysteme) und die Wasseraufbereitungsindustrie (z. B. Abwasserpumpen und Filtersysteme), insbesondere bei sauren oder alkalischen Medien. Dadurch verlängert es den Wartungszyklus der Anlagen.
Ventilkern und Ventilsitz aus Hartmetall
Wird für Hochdruckventile in der Öl- und Gasindustrie sowie in Chemieanlagen verwendet. Mit einer Druckbeständigkeit von >50 MPa, ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit (Beständigkeit gegen H₂S- und CO₂-Korrosion >2000 Stunden) und einer Leckrate von <0,005 ml/min wird eine zuverlässige Dichtungsleistung in extremen Umgebungen gewährleistet.
Hartmetalldüse
Beim Sandstrahlen, Sprühen und 3D-Drucken mit einer Durchflussabweichung von <1 % bewährt es sich in der Luft- und Raumfahrt (z. B. bei Triebwerkskomponenten), der additiven Fertigung (z. B. hochpräziser 3D-Metalldruck), der Halbleiterfertigung (z. B. Anlagen zur chemischen Gasphasenabscheidung) und der Energieindustrie (z. B. bei Gasturbinendüsen). Seine hohe Verschleißfestigkeit und die präzise Flüssigkeitssteuerung verbessern die Produktionseffizienz und die Qualität der Endprodukte erheblich.
(3) Bergbau und abrasive Verarbeitung
Hartmetall-Bohrer für den Bergbau
Es zeichnet sich durch eine extrem lange Lebensdauer (> 100 Stunden) unter extremen Bedingungen wie im Tiefbau aus. Seine hohe Härte und Schlagfestigkeit ermöglichen effizientes Bohren. Es wird häufig in der Kohle-, Metallbergbau- und Ölförderungsindustrie eingesetzt und reduziert so die Austauschhäufigkeit und die Betriebskosten.
Hartmetall-Mahlkugeln und Mahlkörper
Wird für die Mineralverarbeitung, Keramikproduktion und das Schleifen von Beschichtungen verwendet. Mit einem Kugeldurchmesserbereich von 5–50 mm, einer Härte von HV 1600–2000 und einer Verschleißrate von <0,01 %/Stunde verbessert es die Schleifleistung und Produktgleichmäßigkeit erheblich, insbesondere bei der Vorbereitung von Lithiumbatteriematerialien und der Produktion hochwertiger Keramik.
(4) Getriebe und mechanische Teile
Hartmetallrollen
Beim Warm- und Kaltwalzprozess in der Stahlindustrie erreicht die verschleißfeste Schichtdicke 5–10 mm und die Härte HV 1500–2000. Dies gewährleistet die Oberflächenqualität des gewalzten Stahls (Ra <0,8 Mikrometer) und eine Lebensdauer von >5000 Tonnen gewalztem Stahl. Seine Stabilität unter hohen Belastungen (Druck >200 MPa) und hohen Temperaturen (600–1000 °C) macht es in schweren metallurgischen Anlagen unverzichtbar.
Hartmetallzahnräder und Getriebeteile
Es wird in Schwermaschinen, Windkraftanlagen und Schiffsantriebssystemen verwendet, hat eine Zahnoberflächenhärte von HV 1800–2200, eine Dauerfestigkeit von >1000 MPa, ist verschleiß- und geräuschreduzierend, weist eine gute Leistung bei hohen Drehmomenten (>500 Nm) auf und hat eine Lebensdauer von bis zu 10 Jahren.
Hartmetall-Lagerbuchsen
Es bietet geringen Verschleiß und hohe Tragfähigkeit in Schwermaschinen und Windkraftanlagen, verfügt über eine hervorragende Verschleißfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit und wird häufig in Umgebungen mit hohen Geschwindigkeiten (> 3000 U/min) und hohen Belastungen (> 10 kN) eingesetzt.
(5) Draht- und Präzisionsfertigung
Hartmetall-Drahtziehsteine
Bei der Herstellung von Metalldrähten und -kabeln mit einer Lochdurchmessertoleranz von ±0,001 mm und einer Oberflächenrauheit von Ra <0,1 Mikrometer eignet es sich zum Ziehen von Kupferdrähten, Stahldrähten und Glasfaservorformen mit einer Lebensdauer von >10 ⁴ Ziehzyklen, insbesondere in der Elektronik- und Kommunikationsindustrie (wie etwa der 5G-Infrastruktur).
(6) Medizin- und Spezialindustrie
Komponenten für medizinische Geräte aus Hartmetall
Wie orthopädische chirurgische Sägeblätter und Zahnbohrer mit einem Durchmesser von 0,5–6 mm, einer Härte von HV 1800–2200, Biokompatibilität gemäß ISO 10993 und einer Lebensdauer von >50 Operationen. Im Jahr 2025 wird mit der Entwicklung der medizinischen Robotertechnologie deren Anwendung in der minimalinvasiven Chirurgie und der Implantatverarbeitung zunehmen.
(7) Neue Felder und Zukunftspotenziale
Mit dem Fortschritt der Industrietechnologie haben verschleißfeste Hartmetallteile breite Anwendungsmöglichkeiten in der Batterieproduktion für Elektrofahrzeuge (Verbesserung der Elektrodenmaterialverarbeitungsgenauigkeit), in Robotergelenkkomponenten (Verbesserung der Bewegungsbeständigkeit) und in der Verarbeitung von Weltraumforschungsgeräten (z. B. hochtemperaturbeständige Raumfahrzeugkomponenten) gefunden. Darüber hinaus sind ihre hohe Verschleißfestigkeit und Stabilität auch bei der Herstellung von Quantencomputern und Anlagen für erneuerbare Energien (z. B. Anlagen zur Wasserstoffproduktion) von entscheidender Bedeutung. In Kombination mit optimiertem Design durch künstliche Intelligenz und nachhaltiger Fertigungstechnologie werden sich ihre Anwendungsbereiche künftig noch erweitern.
Diese Anwendungen profitieren von der hervorragenden Leistung von Hartmetall und seine Leistung in verschiedenen industriellen Szenarien hat eine umfassende Umstellung von der traditionellen Fertigung auf Spitzentechnologie ermöglicht.
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