3   Eigenschaften von Hartmetall im Vergleich zu anderen Werkstoffen

3.1   Einleitung

Es gibt je nach Zusammensetzung und Gefügestruktur eine Vielzahl von Hartmetall-Sorten mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften.

Hier werden die gebräuchlichsten Hartmetalle in nur zwei Gruppen, nämlich „Hartmetalle" (mit Wolfram-Karbid als Hauptbestandteil) und „Sonderhartmetalle" (mit Titankarbid als Hauptbestandteil) zusammengefasst und eigenschaftsmäßig mit anderen Werkstoffen, die in gewissen Anwendungsbereichen mit Hartmetall konkurrieren, verglichen. Dabei sind heterogene Materialien wie z. B. beschichtete Schneidstoffe nicht berücksichtigt worden.

Das spezifische Gewicht ergibt sich aus den spezifischen Gewichten der einzelnen Komponenten. Der besonders weite Bereich der Hartmetalle hängt mit dem großen Unterschied der spezifischen Gewichte der besonders häufig vorkommenden Karbide Wolframkarbid (spez. Gewicht 15,7 g/cm³) und Titankarbid (spez. Gewicht 4,9 g/cm³) zusammen.

Die Härte der zähesten bzw. weichsten Hartmetalle entspricht in etwa der der härtesten Stähle und erreicht mit gewissen Sonderhartmetallen auf Titankarbid-Basis fast den dreifachen Wert.

Die Biegebruchfestigkeit als Maß für die Zähigkeit verläuft der Härte entgegengesetzt und bestreicht ebenfalls den Bereich zwischen den Werten von gehärtetem Schnellarbeitsstahl und der Schneidkeramik. Im Unterschied zu Stahl ist der Härteabfall bei erhöhter Temperatur wesentlich geringer.

Die Druckfestigkeit ist die hervorstechendste Eigenschaft von Hartmetall überhaupt. Sie erreicht bei bestimmten Hartmetallsorten etwa 7000 N/mm². Es gibt außer Diamant kein druckfesteres Material auf dieser Welt, und es ist nicht verwunderlich, dass die höchste Drücke bei sehr hohen Temperaturen erfordernde künstliche Herstellung von Diamant nur mit hartmetallbestickten Stempeln und Matrizen möglich geworden ist.

Der hohe E-Modul von Hartmetall wird nur von den Diamantwerten übertroffen. Der im Vergleich zu Stahl viel niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizient schafft gewisse Probleme bei der Verbindung mit Stahlträgerkörpern. Die Zusammenhänge zwischen Härte, Biegebruchfestigkeit und Schnittgeschwindigkeitsbereich von Schneidstoffen war Gegenstand anschaulich Untersuchungen in der Vergangenheit.

3.2   Anwendungsvielfalt und Klassifikationssysteme

Die weite Variationsmöglichkeit der Hartmetalle hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften hat einerseits sehr zur Ausweitung der Hartmetall-Anwendung, andererseits aber auch zu einer verwirrenden Vielfalt von Hartmetall-Sorten beigetragen.

3.2.1   Anwendungsbereiche von Hartmetallsortengruppen

Nach wie vor geht der größere Teil (ca. 55-60 %) der Hartmetall-Erzeugung in die Zerspanung. Auf die spanlose Formgebung (Ziehsteine, Matrizen, Walzen u. dgl.) entfallen dagegen, allerdings mit steigender Tendenz, nur 8-15 %. Im Bergbau, in der Bauwirtschaft sowie im Straßen- und Tunnelbau werden 15-20 % der erzeugten Hartmetallmenge verwendet. Den Rest von ca. 10-15 % stellen die verschiedenartigen Verschleißteile wie Kugeln, Dichtungsringe, Plunger, Schleifspindeln, Bestückungen in Zerkleinerungseinrichtungen, Spikes, Presswerkzeuge, auch für die künstliche Diamantherstellung, und vieles andere mehr dar.

Durch Variationen der Zusammensetzung, der Korngröße und anderer Gefügeparameter ist die Zahl der auf dem Markt befindlichen Hartmetallsorten in den letzten Jahrzehnten immer größer geworden.

Um die Auswahl einer für eine bestimmte Anwendung geeigneten Hartmetallsorte für den Verbraucher zu erleichtern, sind im Laufe der Jahre verschiedene Klassifikationssysteme entwickelt worden, auf die im folgenden naher eingegangen wird.

3.2.1.1   DIN 4990 Mai 1942

Die erste Standardisierung von Hartmetall erfolgte während des Zweiten Weltkrieges in Deutschland und führte zur Ausgabe von DIN 4990 im Mai 1942. Diese Normung bildete auch die Basis für die spanenden Hartmetalle der meisten europäischen Hartmetall-Hersteller bis in die Mitte der 50er Jahre. Für die Sortenkennzeichnung der gelöteten Werkzeuge wurden Farben verwendet wie z. B. Grau für F 1, Schwarz für S 1, Weiß für S2, Rot für S3, Gelb mit schwarzen Streifen für H2, Gelb für H 1, Blau für G 1, Braun für G 2 und Grün für G 3.

3.2.1.2   USA

In den USA wurde der sogenannte Industriecode, manchmal auch der von der Buick Motor Division of General Motors entwickelte Buick-Code verwendet.

3.2.1.3   ISO

Da neu entwickelte, insbesondere die für die Zerspanung von Guss und Stahl empfohlenen Universal-Hartmetall-Sorten im System nach DIN 4990 nicht mehr unterzubringen wären und auch die von einzelnen Firmen zum Teil abgewandelten Farbkennzeichnungen bei gelöteten Werkzeugen immer unübersichtlicher wurden, begann sich in der zweiten Hälfte der 50er Jahre die ISO (International Standardization Organization) mit dem Problem der Hartmetall-Normung zu befassen. Dies führte im April 1958 zu einem Vorschlag des ISO-Komitees TC 29.

Da aufgrund der damals geübten strengen Geheimhaltung nicht nur von Herstellungsbedingungen, sondern auch von Sortendaten eine Diskussion über die wahrscheinlich recht divergierenden Auffassungen von Zusammensetzung und Gefügeaufbau der einzelnen Hartmetallsorten für bestimmte Anwendungen in ISO TC 29, wo die Hartmetall-Hersteller ziemlich stark vertreten waren, gar nicht möglich war, wurden nur Anwendungsgruppen von Hartmetall auf der Basis verbaler Beschreibungen genormt.

Die Kennfarben Blau, Gelb und Rot wurden den so genannten Zerspanungs-Hauptgruppen P, M, K zugeteilt. Innerhalb einer Zerspanungs-Hauptgruppe sind zweistellige Kennziffern für die jeweiligen Zerspanungs-Anwendungsgruppen vorgesehen, deren Höhe einen Maßstab für die Zähigkeitsbeanspruchungen und damit für die Zähigkeit des dafür zu verwendenden Hartmetalls darstellen. Mit zunehmender Kennzahl der Anwendungsgruppe nehmen die durch Werkstoff und Arbeitsbedingungen bestimmten Zähigkeitsbeanspruchungen zu, die Vorschübe werden größer, die Schnittgeschwindigkeiten kleiner. Mit abnehmender Kennzahl dagegen steigt die Verschleißfestigkeit auf Kosten der Zähigkeit, und die Schnittgeschwindigkeiten werden größer. Dementsprechend sind die den Anwendungsgruppen zugeordneten Hartmetalle mit steigender Kennzahl zäher, mit abnehmender Kennzahl härter und verschleißfester.

Die Hartmetallbezeichnungen sind heute weitgehend dem ISO-Vorschlag angepasst worden. Die Kennziffern der Zerspanungs-Anwendungsgruppen wurden meist direkt in die Sortenbezeichnungen übernommen.

Die Buchstaben der Zerspanungs-Hauptgruppen sollten dagegen laut ISO-Empfehlung nicht für Sortenbezeichnungen verwendet werden. Für diese sind firmenspezifische Buchstaben empfohlen worden.