4 Herstellung von Hartmetall

4.1 Einleitung

Die Herstellung von Hartmetall erfolgt durch Flüssigphasensinterung. Zuvor müssen die Partikel vermischt und granuliert werden. Es stehen verschiedene Arten der direkten und indirekten Formgebung zur Auswahl. Darauf folgen die Sinterung und gegebenenfalls eine Nachbehandlung.

4.2 Mischen / Mahlen und Granulieren

In der Kugelmühle oder im Attritor werden die eingesetzten Pulver vermischt und Granulate aufgebrochen. Dazu sind das Presshilfsmittel, Mahlkörper und das Mahlmedium nötig.

Das Pressmittel bewirkt den Zusammenhalt der Presslinge. Dafür eignet sich Paraffinwachs. Als Mahlkörper werden meist Kugeln aus Hartmetall (idealerweise mit der gleichen Zusammensetzung wie das Granulat) mit z.B. 8 mm, 4 mm oder 1 mm Durchmesser eingesetzt. Entscheidend ist eine passende Mahlgeschwindigkeit, sodass die Mahlkörper nicht den Mantel der Mühle beschädigen. Das Mahlmedium dient zum Ausschluss von Luft und als Lösungsmittel für das Paraffinwachs. Meist werden Kohlenwasserstoffe eingesetzt.

Nach dem Mahlen werden die Mahlkörper abgesiebt. Die Granulation, die bei Matrizenpressen erforderlich ist, erfolgt industriell durch Sprühtrocknung. Im Labor wird zuerst das Lösungsmittel im Vakuum abgezogen. Das pressfertige Hartmetall-Pulver wird durch ein Sieb gepresst. Im Taumelmischer werden die Kanten des Pulvers abgeschliffen, sodass ein rieselfreudiges Pulver entsteht.

4.3 Formgebung

Zur Formgebung stehen die indirekte Methode kaltisostatisches Pressen und die direkten Methoden Spritzgießen, Strangpressen und Matrizenpressen zur Verfügung.

Das kaltisostatische Pressen eignet sich für große Teile aus Hartmetall, wie zum Beispiel einen Igelfräßer. Dabei wird über ein flüssiges Medium und eine Gummiform von allen Seiten Druck auf das Pulver ausgeübt. Presslinge können vor der Sinterung noch weiter bearbeitet werden.

Zum Strangpressen und Spritzgießen werden dem vakuumgetrockneten Granulat für die Weiterverarbeitung thermoplastische Plastifizierer in Form von Wachs oder organischen Polymeren eingeknetet. Dies geschieht im Knettrog durch gegenläufig und unterschiedlich schnell rotierende Knetarme. Nun kann das plastifizierte Gemenge hydraulisch und kontinuierlich je nach gewünschtem Durchmesser durch Schnecken- (kleine Durchmesser) oder Kolbenstrangpressen (Durchmesser bis 30 mm) mittels Pressdüse in die entsprechende Form gebracht werden. Durch Strangpressen können Gewinde und Bohrer hergestellt werden. Das Spritzgießen eignet sich für komplizierte Massebauteile wie Uhrengehäuse aus Hartmetall.

Die Methode zur Herstellung großer Mengen kleinerer Hartmetall-Bauteile ist das Matrizenpressen. Dabei wird das granulierte Pulver unter hohem Druck in die passende Form gepresst. Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von Wendeschneidplatten und Kugelschreiber Kugeln.

4.4 Sinterung

Nach dem Pressvorgang erfolgt die Sinterung. Sie wird zumeist im Vakuum durchgeführt. Dabei wird ein bestimmtes Temperaturprogramm gefahren.

Zu Beginn wird langsam auf rund 500°C erhitzt. Dabei werden die vorhandenen Plastifizierer-Wachse gekrackt und somit aus dem Verbund entfernt.
Nach dem Entwachsen wird die Temperatur weiter langsam erhöht und es erfolgt weitere Entgasung. Es muss vor allem entstehendes Kohlenmonoxid entfernt werden.
Anschließend wird die Temperatur weiterhin langsam auf rund 1350°C-1500°C erhöht. Ab rund 1310°C beginnen erste Schmelzvorgänge. Eine eutektische Mischung von Co mit etwas WC bildet sich, die die WC Kristalliten benetzt und an ihnen entlang kriecht. Wenn vollständig entgast wurde, setzt nun der Schrumpfvorgang ein, da auf vor allem kleine Poren ein starker Druck wirkt. Das Material schrumpft hierbei um bis zu 25%. Ist eine zusammenhängende Schmelze gebildet, kann der Abkühlvorgang beginnen.

Fast alle vor dem Sintern im Hartmetall-Körper vorhandenen Poren können so entfernt werden. Um die Dichte weiter zu erhöhen, kann nun durch Schutzgas (meist Argon) ein Überdruck angelegt werden, der zu einer weiteren Verdichtung führt. Dies wird als HIP (hot isostatic pressing) bezeichnet.

Zur Analyse einer Sinterung kann mittels eines Dilatometers der zurückgelegte Weg bei der Schrumpfung der Hartmetall-Probe gemessen werden. Mithilfe der DTA (Differentielle Thermo Analyse) Gerätes können Effekte wie das Aufschmelzen einer Komponente bei der Sinterung beobachtet werden. Auch Die Massenspektroskopie findet zur Analyse der entstehenden Gase während der Sinterung Anwendung.

4.5 Phasendiagramme

Bei der Herstellung von Hartmetall spielt das W/C/Co-Phasendiagrammen eine wichtige Rolle. Dabei wird die Zusammensetzung gegen die Temperatur aufgetragen. Es sind die thermodynamisch stabilen Phasen und die Gleichgewichtskurven zur Phasenumwandlung wichtig.

Mit Hilfe eines Phasendiagramms kann bei einer bekannten Zusammensetzung des Gemisches schnell herausgefunden werden, welche Phasen bei einer gewünschten Temperatur vorliegen, und ob man sich im gewünschten Phasengebiet befindet.

Da der Kohlenstoffgehalt des Gemisches durch Vorhandensein von Luftsauerstoff eventuell schwanken kann, muss gewährleistet sein, dass man sich im so genannten „Kohlenstofffenster“ des Dreistoffdiagramms W/C/Co befindet. Es handelt sich hierbei um jenen zweiphasigen Bereich (hier vorhanden: WC und Co-Mischkristall), bei dem einerseits kein ternäres Carbid (W₃Co₃C), die sogenannte η-Phase, vorliegt (dies wäre bei zu wenig Kohlenstoff der Fall), bei dem aber andererseits auch kein elementares Graphit (zuviel C) vorhanden ist. Beide Fälle würden die gewünschten Materialeigenschaften negativ beeinflussen.