Grundsätzlich wird Hartmetall in einem Sinterprozess hergestellt. Dies impliziert, dass die feingemahlenen Pulver der Komponenten gemischt, gepresst und abschließend erhitzt werden. Im Produktionsprozess selbst wird der Druck hoch gehalten, sodass das Pulvergranulat sich zu einem homogenen Stück formt.
- Mischen
Zuerst werden Wolframkarbid, Kobalt und verschiedene Dotierkarbide nach speziellen Rezepturen vermischt. Die Korngröße des Hartstoffs Wolframkarbid und der Anteil des Bindemetalls Kobalt definieren die gewünschte Härte. Um Verunreinigungen zu vermeiden, hat Sauberkeit in diesen ersten Schritten oberste Priorität. Wolframkarbid (WC), das für die Härte in Hartmetallen sorgt, macht je nach Sorte 73-94 % aus. Kobalt ist dementsprechend mit 6-27 % enthalten und sorgt für Zähigkeit. Das ist wichtig, um einen Bruch des Materials unter Biegebelastung zu vermeiden. Kobalt (Co) bezeichnet man in diesem Kontext deswegen auch als „Binder“ oder das „Bindemetall“. - Mahlen
In diesem Produktionsprozess werden Hartstoff und Binder geprüft. Erste Priorität hat in diesem Schritt die Sauberkeit, um die Materialien nicht zu verunreinigen. Durch die Korngröße des Wolframkarbids und den Anteil des Kobalts wird die gewünschte Härte definiert. Das Mischen und Mahlen erfolgt über mehrere Stunden in Kugelmischern, sogenannten Attritoren. - Sieben
Das zukünftige Hartmetall kommt nach der Trocknung im Sprühturm in spezielle Behälter zum Trocknen und wird anschließend gesiebt. Größere Bestandteile, die den Produktionsprozess stören könnten, werden so ausgeschlossen. - Pressen
Anschließend erfolgt die Formgebung des pulvrigen Werkstoffs durch eine Verdichtung mit verschiedenen Pressverfahren. Je nach Anforderung an das Material und das spätere Produkt stehen vier Pressverfahren zur Auswahl: direktes Pressen, Strangpressen, monostatisches oder isostatisches Pressen. Diese haben auch eine Auswirkung auf die Produktionsschritte im Detail. - Bearbeiten
Nach dem Pressen kann eine erste Bearbeitung erfolgen. Beim direkten Pressen ist das zum Beispiel nicht erforderlich, da der Werkstoff direkt in seine gewünschte Endform gepresst wird. - Sintern
Die Werkteile sind nun in ihrer gewünschten Form und fertig für den letzten Produktionsschritt: Das Sintern. Das Sintern ist das Herzstück jeder Produktion und verbindet die Stoffe miteinander. Zu diesem Zweck werden die Werkteile in speziellen Sinteröfen unter Druck stark erhitzt. Dieser Vorgang nennt sich Heißisostatisches Pressen. Dabei schmilzt das Kobalt und verbindet sich fest und ohne Zwischenräume mit dem Wolframkarbid. Deswegen gilt Hartmetall auch als „Verbundwerkstoff“. Das Sintern dauert insgesamt über 36 Stunden und läuft in drei Phasen ab. Dabei erreichen die Öfen Temperaturen über 1300°C. Der Pressling verändert sich durch das Sintern deutlich. Klicken Sie auf die Abbildung, um sich das Werkteil nach dem Sintern anzusehen.
Die größte Herausforderung beim Sintern ist die Schrumpfung des Rohlings: Durch das Sintern wird der Hartmetallrohling erheblich kleiner. Der Längen- und Durchmesserschwund liegt bei 15-25% und bezieht sich auf die geometrischen Werte. Der Volumenschwund beträgt etwa 50%, wodurch sich die Dichte des Rohlings etwa verdoppelt. Der Pressling muss demnach um einiges größer als die gewünschte finale Form hergestellt werden, um nach dem Sintern die richtige Größe zu erzielen. - Schleifen (optional)
Abschließendes Schleifen des fertigen Hartmetallprodukts stellt einen optionalen letzten Arbeitsschritt im Produktionsprozess dar. Wie bereits erwähnt, verändert sich der Rohling durch das Sintern. Dadurch können minimale Abweichungen vom Zielzustand entstehen. Um diese auszugleichen, stehen automatisierte Schleifmaschinen zur Verfügung. Damit lassen sich die Werkstücke sowohl flach- als auch rundschleifen. Für große Serien gleicher Teile bietet sich das Spitzenlos-Schleifen an.
Was ist Sintern?
Hartmetall besteht immer aus der Verbindung eines Hartstoffs (Karbid), mit einem Bindemetall. Als Hartstoff verwendet man meistens Wolframkarbid (WC). Weitere Hartstoffe können aber auch z.B. Titan (TiC), Tantal (TaC) oder Chrom (CrC) sein. Das häufigste Bindematerial ist Kobalt (Co). Unter dem Begriff „Sintern“ versteht man eine Temperaturbehandlung, demnach einen thermischen Prozess unter Sauerstoffausschluss, der die Wolframkarbide in einer Bindermatrix einbindet. Hierbei wird der Binder im Grünling in einer Sinteranlage bis zur Flüssigphase erhitzt. Sinteranlagen für Hartmetalle sind doppelwandige, wassergekühlte Kesselöfen aus Stahl. Je nach Hartmetallsorte liegt die Sintertemperatur bei 1300 bis 1500°C. Die Bindermetallanteile des Hartmetalls gehen dabei in die schmelzflüssige Phase über, wodurch Poren bzw. Zwischenräume ausgefüllt werden. Der Sintervorgang erfolgt aufgrund der temperaturabhängigen Reaktionsfreudigkeit der Hartmetallrohstoffe mit dem Luftsauerstoff unter Vakuum. Man unterscheidet zwischen einem „normalen“ Sinterprozess und einem Sinter-HIP Verfahren. Beim Sinter-HIP Verfahren wird nach dem Erreichen der Flüssigphase unter hohem Druck Argon eingepresst. Dadurch wird das Hartmetall nochmals verdichtet und garantiert eine homogene, porenfreie Struktur.