Hartmetallsorte: WC-Korngröße, Kobaltgehalt und ISO-513-Klassen

Die Angabe „Hartmetall“ im Katalog eines Schaftfräsers bezeichnet nicht einen einzelnen Werkstoff, sondern eine ganze Familie. Der Standzeitunterschied zwischen zwei gleich benannten Werkzeugen stammt meist nicht aus der Geometrie, sondern aus dem Kobaltgehalt des Substrats und der Wolframkarbid-Korngröße. Dieser Ratgeber behandelt den Aufbau von Hartmetall, die ISO-513-Anwendungsklassen und die zahlenmäßige Entsprechung des Kompromisses zwischen Härte und Zähigkeit. Der allgemeine Vergleich der Schneidstofffamilien findet sich im Ratgeber zu den Schneidstoffen.

1. Aufbau von Hartmetall

Hartmetall (cemented carbide) ist ein pulvermetallurgisch hergestellter Verbundwerkstoff. Die Hartstoffphase besteht aus Wolframkarbidkörnern (WC); diese Körner werden in einem metallischen Kobaltbinder (Co) gehalten. Bei Sorten für die Metallzerspanung liegt der Anteil der Hartstoffphase über 80 Gew.-%.

Das Verhalten des Werkstoffs wird über zwei unabhängige Größen eingestellt:

• Binderanteil: der Gewichtsanteil des Kobalts. Er bestimmt die Zähigkeit und den Widerstand gegen plastische Verformung.
• WC-Korngröße: der mittlere Korndurchmesser. Er bestimmt die Härte bei gleichem Binderanteil.

Bei manchen Sorten werden zusätzlich zu WC kubische Karbonitride (TiC, TaC, NbC) zugegeben. Diese erhöhen die Warmhärte und ermöglichen die Ausbildung von Gradientenstrukturen; bei VHM-Schaftfräsern besteht die Grundzusammensetzung jedoch überwiegend aus WC-Co.

Zur Rolle des Kobalts: Kobalt ist keine „Verunreinigung“, sondern die tragende Phase des Werkstoffs. Eine Verringerung des Kobaltanteils erhöht zwar die Härte, macht den Werkstoff aber anfällig gegenüber der Rissausbreitung.

2. Einfluss des Kobaltgehalts

Mit steigendem Kobaltgehalt sinken Härte und Verschleißfestigkeit, während Zähigkeit und Biegefestigkeit zunehmen. Die folgenden Werte beziehen sich auf typische WC-Co-Zusammensetzungen, wie sie in technischen Veröffentlichungen der Hersteller angegeben werden.

Zum Vergleich: Reines WC hat eine Härte von 92–94 HRA und einen Elastizitätsmodul von rund 720 GPa; reines Kobalt hat einen Elastizitätsmodul von rund 209 GPa. Das elastische Verhalten des Verbundwerkstoffs verschiebt sich mit der Zusammensetzung annähernd linear zwischen diesen beiden Extremen.

Die bei VHM-Schaftfräsern verwendeten Substrate liegen überwiegend im Band 6–15 % Kobalt. Das untere Ende dieses Bandes arbeitet zugunsten der Verschleißfestigkeit, das obere zugunsten der Schlag- und Kantenbruchfestigkeit.

Die Biegebruchfestigkeit steigt mit dem Kobaltgehalt nicht unbegrenzt. Nach Herstellerangaben erreicht die TRS bei etwa 15 % Kobalt ihr Maximum und fällt bei höheren Binderanteilen wieder ab. In der obigen Tabelle ist dieses Maximum nicht erkennbar, da die Tabellenzeilen aus Sorten mit voneinander abweichender Korngröße zusammengestellt sind und die Korngröße die TRS mindestens so stark beeinflusst wie der Kobaltgehalt. Die Vereinfachung „mehr Kobalt, mehr Zähigkeit“ verliert daher ihre Gültigkeit, sobald der Bereich der Zerspanungswerkzeuge verlassen wird.

3. Korngrößenklassen

Die mittlere WC-Korngröße wird metallografisch nach ISO 4499-2 mit dem Linienschnittverfahren (linear intercept) bestimmt. Die Norm legt zugleich die Klassenbezeichnungen fest, in denen das Messergebnis berichtet wird.

Die Korngröße ist der zweite Hebel, der bei gleichem Kobaltgehalt die Härte bestimmt. Feines Korn ergibt bei gleichem Binderanteil eine höhere Härte; erklärt wird dies mit der Verkürzung der mittleren freien Weglänge des Binders. Auch Druckfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit nehmen mit kleiner werdendem Korn zu: Bei Sorten mit kleiner Korngröße und niedrigem Binderanteil nähert sich die Druckfestigkeit der Größenordnung von 7.000 N/mm², während die Ermüdungsfestigkeit bei 2×10⁶ Lastwechseln auf einem Niveau von 65–85 % der statischen Druckfestigkeit bleibt.

Submikron-Hartmetall und Schaftfräser mit kleinem Durchmesser

Dafür, dass bei Werkzeugen mit kleinem Durchmesser ein Submikron-Substrat bevorzugt wird, gibt es drei konkrete Gründe.

1. Schneidkantenradius. Die kleinste erreichbare Verrundung einer geschliffenen Schneidkante ist durch die Korngröße begrenzt. Auf einem Substrat mit 2 µm Korn lässt sich keine scharfe und gleichmäßige Schneidkante erzeugen.
2. Maßstab der Spanungsdicke. In der Durchmesserklasse 1–3 mm liegt der Zahnvorschub meist in der Größenordnung weniger Mikrometer. Nähert sich der Schneidkantenradius der Spanungsdicke, beginnt anstelle des Schneidens ein Quetschen; Wärme und Kräfte steigen.
3. Mikroausbrüche an der Schneidkante. Bei einem Werkzeug mit kleinem Durchmesser ist die Querschnittsfläche ohnehin klein; ein aus der Kante herausgebrochenes großes Korn ist, bezogen auf den Durchmesser, ein großer Fehler. Feines Korn verkleinert das ausbrechende Partikel.

Ein Submikron-Substrat bietet keine absolute Überlegenheit. Auf einer wenig steifen Werkzeugmaschine sowie bei Werkstücken mit Guss- oder Zunderhaut beziehungsweise unregelmäßiger Oberfläche neigt feines Korn stärker zum Kantenausbruch; unter diesen Bedingungen liefert eine Sorte mit gröberem Korn und höherem Kobaltgehalt eine längere Standzeit.

4. ISO-513-Anwendungsklassen

ISO 513 unterteilt harte Schneidstoffe für Werkzeuge mit definierter Schneide nach der Gruppe des bearbeiteten Werkstoffs in sechs Hauptgruppen. Jede Gruppe hat einen Buchstaben und eine Kennfarbe.

Die Einteilung der bearbeiteten Werkstoffe in diese Gruppen ist im Ratgeber zu den ISO-Werkstoffgruppen ausführlicher beschrieben.

ISO 513 kodiert darüber hinaus auch den harten Schneidstoff selbst. Für VHM-Werkzeuge sind die folgenden drei Kennzeichnungen maßgeblich:

• HW: unbeschichtetes Hartmetall, überwiegend WC, Korngröße ≥ 1 µm
• HF: unbeschichtetes Hartmetall, überwiegend WC, Korngröße < 1 µm
• HC: die beschichtete Ausführung der vorgenannten

Bedeutung der Klassenzahl

Die zweistellige Zahl nach dem Buchstaben gibt die Position innerhalb der Gruppe an. Mit größerer Zahl nehmen Zähigkeit und zulässiger Vorschub zu; mit kleinerer Zahl nehmen Härte, Verschleißfestigkeit und zulässige Schnittgeschwindigkeit zu.

Dieselbe Logik gilt auch für die Gruppen M, K, N, S und H. Eine Klassenzahl gibt keinen absoluten Härtewert an, sondern nur die relative Position innerhalb derselben Gruppe. Aus diesem Grund werden P30 und K30 nicht unmittelbar miteinander verglichen.

5. Der Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit

Die Wahl der Hartmetallsorte besteht darin, eine Position auf einer einzigen Kurve festzulegen. Eine Verringerung des Kobaltgehalts oder eine Verkleinerung der Korngröße bewegen in dieselbe Richtung, nämlich zur Härte hin; werden beide zusammen angehoben, führt dies zur Zähigkeit hin. Diese beiden Hebel lassen sich so einsetzen, dass sie einander teilweise ausgleichen: Die Kombination Submikron-Korn + 12 % Kobalt ist deshalb bei Werkzeugen mit kleinem Durchmesser verbreitet, die zugleich eine scharfe Schneidkante und eine hohe Kantenzähigkeit erfordern.

Der Elastizitätsmodul bleibt von diesem Kompromiss unberührt. Messungen zeigen, dass der Elastizitätsmodul von der Korngröße nahezu unabhängig ist und sich im Wesentlichen mit dem Binderanteil ändert. Praktisch bedeutet dies: Das Auslenkverhalten des Werkzeugs wird nicht von der Korngröße, sondern vom Kobaltgehalt und von der freien Auskraglänge bestimmt. Ein Substrat mit höherem Kobaltgehalt biegt sich bei gleicher Geometrie etwas stärker durch.

Auch der Mechanismus, nach dem der Verschleiß fortschreitet, beeinflusst die Sortenwahl. Bei Arbeiten, in denen der Abrasivverschleiß überwiegt, wird zugunsten eines niedrigen Kobaltgehalts entschieden, bei Arbeiten, in denen die Gefahr von Adhäsion und Kantenausbrüchen überwiegt, zugunsten eines hohen. Die Unterscheidung der Mechanismen wird im Ratgeber zum Werkzeugverschleiß behandelt.

Damit vergleichbare Zahlen entstehen, müssen die Messnormen übereinstimmen: für die Härte ISO 3878 (Vickers) oder ISO 3738-1 (Rockwell A), für die Biegebruchfestigkeit ISO 3327, für die Dichte ISO 3369. Der unmittelbare Vergleich von TRS-Werten, die mit unterschiedlicher Probengeometrie ermittelt wurden, führt zu falschen Ergebnissen.

6. Substrat und Beschichtung gemeinsam wählen

Beschichtung und Substrat sind nicht zwei getrennte Entscheidungen, sondern zwei Schichten derselben Sorte. Die Beschichtung liefert die Warmhärte, die Diffusionsbarriere und das Reibverhalten; das Substrat liefert die mechanische Abstützung darunter. Eine harte Beschichtung auf einem weichen Substrat sitzt auf einem Untergrund, der unter Last einsinkt, und platzt ab.

Die Einzelheiten der Beschichtungsfamilien sind im Ratgeber zu den Beschichtungen dargestellt. Zu den praktischen Folgen der Paarung von Substrat und Beschichtung bei gehärteten Werkstoffen kann der Ratgeber zum Fräsen von gehärtetem Stahl herangezogen werden.

Kritischer Punkt: Steht im Katalog eines Werkzeugs nur der Name der Beschichtung, sagt dies nichts über das Substrat aus. Werkzeuge, die zwei Lieferanten unter demselben Beschichtungsnamen anbieten, können aufgrund unterschiedlicher Kobaltgehalte und Korngrößen deutlich unterschiedliche Standzeiten liefern.

Nachdem über Substrat und Beschichtung entschieden ist, lassen sich die Entscheidungen auf der Geometrieseite über die Kategorie der flachen Schaftfräser bewerten.

Quellen

• ISO 513:2012 — Classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges — Designation of the main groups and groups of application (iso.org)
• ISO 4499-2:2020 — Hardmetals — Metallographic determination of microstructure — Part 2: Measurement of WC grain size (iso.org)
• ISO 3327:2009 — Hardmetals — Determination of transverse rupture strength
• ISO 3878:1983 — Hardmetals — Vickers hardness test · ISO 3738-1:1982 — Hardmetals — Rockwell hardness test (scale A) · ISO 3369:2006 — Impermeable sintered metal materials and hardmetals — Determination of density
• Sandvik Coromant — Cutting tool materials (sandvik.coromant.com)
• Hyperion Materials & Technologies — Mechanical strength of cemented carbide (hyperionmt.com)
• A.L.M.T. Corp. — Features of cemented carbide (allied-material.co.jp)