Hartmetall in Werkzeug und Matrize

Aug 09, 2023

Aufgrund der zahlreichen möglichen Kombinationen von Metallbindemittelgehalt und Korngröße werden Karbide in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt.

Das Wort Hartmetall beschreibt im Allgemeinen eine Gruppe von Materialien, die sich durch hohe Härte und metallische Eigenschaften auszeichnen. Die ersten Hartmetalle, die 1921 entwickelt wurden, waren äußerst einfach und wurden hauptsächlich beim Drehen eingesetzt. Ein metallischer Glanz und eine relativ gute elektrische und thermische Leitfähigkeit unterscheiden diese Werkstoffe entscheidend von den nichtmetallischen Hartstoffen, die schon lange vor der Einführung der Karbide als Schleifmittel eingesetzt wurden.

Hartmetall ist ein zweiphasiger pulvermetallurgischer (PM) Werkstoff, bestehend aus einer Hartstoffphase und einer Bindemetallphase. Der harte Werkstoff sorgt für die nötige Verschleißfestigkeit und das Bindemetall garantiert die entsprechende Zähigkeit. Aufgrund ihrer zahlreichen möglichen Kombinationen von Metallbindemittelgehalt und Korngröße werden Karbide in vielen Anwendungen eingesetzt (vglBild oben).

Die im Werkzeug- und Formenbau am häufigsten verwendeten Karbide bestehen aus Wolframkarbid (Hartstoff) und Kobalt (Bindemetall).

Um die geeignete Sorte für eine Werkzeug- und Gesenkanwendung auszuwählen, ist es wichtig, detaillierte Kenntnisse über Hartmetall und die Art und Weise zu haben, wie seine Eigenschaften beeinflusst werden können. Es gibt zwei Hauptmöglichkeiten:

Mit kleiner werdender durchschnittlicher Korngröße wird das Hartmetall härter, verschleißfester und spröder. Je gröber die durchschnittliche Korngröße wird, desto weicher und zäher wird das Material.

Ein höherer Bindemittelgehalt macht die Sorte weicher und zäher, während ein niedrigerer Bindemittelgehalt sie härter, verschleißfester und spröder macht (sieheAbbildung 1).

Eine weitere Möglichkeit, die Eigenschaften zu beeinflussen, besteht mit anderen Legierungsbestandteilen wie Chromkarbid (CrC), Vanadiumkarbid (VC), Titankarbid (TiC) und Tantalkarbid (TaC), auch g-Phasen genannt. Diese Legierungsbestandteile werden in minimalen Mengen eingesetzt, auch Dotierung genannt, und verbessern Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Zähigkeit und Festigkeit bei hohen Temperaturen oder können beim Sintern als Kornwachstumshemmer wirken.

Aufgrund der Sprödigkeit und Härte ist die Homogenität des Materials für die Querbruchfestigkeit des Materials und den homogenen Verschleiß äußerst wichtig (vglFigur 2).

Mehrere weitere Eigenschaften sind für Hartmetall von entscheidender Bedeutung, wenn es für Werkzeuge und Formen verwendet wird:

Mehrere Qualitäten wurden in einem 0,065 Zoll dicken Edelstahl-Stanzvorgang mit einem Drahterodierstempel (Drahterosion) verglichen.

Abbildung 1: Klicken Sie auf das Bild, um es größer anzuzeigen. Die durchschnittliche Korngröße und der Kobaltgehalt wirken sich auf mehrere Karbideigenschaften aus.

Als erstes wurde ein Feingehalt von 15 Prozent im Submikronbereich ausgewählt. Dies zeigte ein Pullback-Chipping nach 500 Treffern (sieheFigur 4 ). Eine gründliche Analyse ergab, dass ungenügende Oberflächenqualität sowie Korrosion zu Abrieb an der Schneidkante führten. Der Stempel splitterte beim Zurückziehen ab und wurde zerstört.

Die zweite Sorte bestand aus 15 Prozent grobem Korn. Dieses Material zeigte nach 5.000 Schlägen übermäßigen Verschleiß (vglAbbildung 5).

Die dritte Sorte war eine korrosionsbeständige Sorte mit 12 Prozent mittlerer Körnung. Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenqualität betrug die Lebensdauer des Prägestempels 50.000 Schläge. Mit Verbesserungen der Schmierung hielt es 80.000 Schläge durch (sieheAbbildung 6).

Die 15-Prozent-Submikron- und 12-Prozent-Mittelkörnung hatten eine ähnliche Härte, die 12-Prozent-Sorte wurde jedoch aus hochwertigem Neumaterial mit der richtigen Korngröße, dem richtigen Kobaltgehalt und einer verbesserten Oberflächenqualität aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit hergestellt.

Die Materialqualität muss nicht nur Stößen standhalten, sondern auch allen Anforderungen der Anwendung gerecht werden. Beispielsweise kann die Oberflächengüte, die für die Werkzeugstandzeit von entscheidender Bedeutung ist, verbessert werden, wenn die Sorte einer Kobaltverarmung standhält. Durch die Reduzierung des Kobaltgehalts verringert sich die Wahrscheinlichkeit von Abrieb, was zu Abplatzungen durch Rückzug führt. Schließlich kann reines Hartmetall hohen Stößen standhalten und gleichzeitig eine hohe Härte beibehalten.

Obwohl alle Werkzeuge irgendwann verschleißen, ist das Verständnis der Ursache dafür der wichtigste Faktor bei der Entscheidung, wie die Werkzeugstandzeit verbessert werden kann. Obwohl dies logisch klingt, kann es sehr schwierig sein, es in die Praxis umzusetzen.

Die forensische Analyse eines ausgefallenen Tools kann zeigen, wo der Prozess fehlgeschlagen ist. Beispielsweise kann ein Chip auf der Oberseite des Stempels und nicht an der Seite auf eine schlechte Oberflächengüte, Abrieb oder einen zu großen Matrizenabstand hinweisen. Ein Abplatzer an der Seite des Stempels kann auf einen zu geringen Matrizenabstand, eine unzureichende Stoßfestigkeit oder einen Aufprallsplitter hinweisen. In manchen Fällen kann durch das Schneiden des Stempels und die Betrachtung der Mikrostruktur und Oberflächenbeschaffenheit festgestellt werden, ob es Fehler im Substrat oder im Endbearbeitungsprozess gab.

Die meisten Stanzer haben keinen Zugang zu leistungsstarken Mikroskopen oder verfügen nicht über die metallurgische Erfahrung, um die genaue Ursache des Verschleißes zu ermitteln. Daher besteht die Lösung normalerweise darin, den Matrizenabstand zu ändern, die Matrize neu zu konstruieren oder auf ein härteres Hartmetall umzusteigen. Allerdings kann eine Erhöhung der Zähigkeit zwar kurzfristig Absplitterungsprobleme lösen, jedoch das Potenzial für eine längere Werkzeuglebensdauer später verringern.

Sich mit der Werkzeuglebensdauer zufrieden zu geben, kann für jede Werkzeugwerkstatt den Anfang vom Ende bedeuten. Endlose Werkstattstunden damit zu verbringen, ein langlebigeres Werkzeug zu finden, kann auch das Geschäftsergebnis ruinieren. Es ist leicht zu sagen: „Ich bin heute profitabel, also bin ich zufrieden“, aber die Verbesserung der Werkzeugstandzeit ist nicht mehr nur eine gute Idee; es ist eine Notwendigkeit zum Überleben.

Wenn Sie sich von einem Hartmetallspezialisten für das Stanzen beraten lassen, können Sie den Arbeitsaufwand für die Analyse erheblich reduzieren. Lösungen in einer Anwendung können oft zur Lösung von Problemen in anderen verwendet werden.

Viele neue Hartmetallsorten werden entwickelt. Heute stehen Eigenschaften und Eigenschaften zur Verfügung, die es vor einigen Jahren noch nicht gab, und viele Qualitäten, die in der Vergangenheit einwandfrei funktionierten, wurden verbessert. Wenn Sie sich die Zeit nehmen, um sicherzustellen, dass die Werkzeuge optimal funktionieren, können Sie Lösungen finden, die die Ergebnisse verbessern.