5   Prüfungen des Rohhartmetalls

5.1   Einleitung

Die Prüfung der Sintercharge beginnt mit der sorgfältigen Beobachtung beim Ausbau der Charge aus dem Ofen. Ungleichmäßiges Aussehen der Ofenfüllung in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage, auffälliger Sinterverzug und andere Unregelmäßigkeiten geben dem Fachmann bereits Hinweise auf die Möglichkeit von Fehlsinterungen oder die Notwendigkeit einer allenfalls erweiterten Probenahme. Derartige äußerlich erkennbare Unterschiede bieten unter Umstanden bereits die Möglichkeit einer Ausscheidung von Teilen der Sinterung für eine korrigierende Nachbehandlung.

Zur Sicherstellung der Gleichmäßigkeit der Sintercharge empfiehlt sich die Entnahme von Proben aus verschiedenen Positionen im Ofen (zum Beispiel oben-mitte-unten).

An diesen Proben werden zunächst meist zerstörungsfrei die Dichte und Koerzitivkraft als Maß für den Sintergrad und die magnetische Sättigung als Indikator für die Kohlenstoffbilanz bestimmt.

Auch das mit einer 10- bis 15-fach vergrößernden Lupe untersuchte Bruchgefüge ist für den Fachmann ein wichtiger Hinweis, vor allem für das Auftreten von Kohlenstoffausscheidungen, Eta-Phase und anderer Gefüge-Inhomogenitäten, sowie selektives Kornwachstum.

Für die Härteprüfung wird am besten eine Bruchfläche angeschliffen und poliert.

Weitere Prüfungen, wie genaue Porositäts- und Gefügeuntersuchungen, können fallweise auf Grund der Resultate der vorangegangenen Bestimmungen durchgeführt werden.

Die auf Grund der metallurgischen Prüfung freigegebene Charge bzw. die in Ordnung befundenen Teile dieser Charge werden weiteren, allenfalls auf die Anwendung der betreffenden Hartmetallteile abgestimmten Kontrollen zugeführt. Dazu gehört vor allem die Überprüfung der Abmessungen, das heißt deren Lage innerhalb der im vorangegangenen Kapitel behandelten Sintertoleranzen, sowie eine Sichtkontrolle auf Ausbrüche und andere mit dem freien oder einer Lupe bewaffneten Auge erkennbare Defekte. Je nach Produktgruppe bzw. den vorliegenden Spezifikationen wird eine mehr oder weniger ausgedehnte Stichproben- oder 100 %-ige Kontrolle durchgeführt.

Im Rahmen der ISO hat man sich sehr bemüht, Richtlinien für eine ausreichende metallurgische Prüfung von Hartmetall zu erarbeiten. Für die Bestimmung physikalischer und mechanischer Eigenschaften benötigt man meist eine besondere Probenform, andere metallurgische Prüfungen sind mit der Zerstörung der Teile verbunden. Die zuständige auch von Hartmetallverbrauchern besetzte Arbeitsgruppe der ISO (TC 119) hat daher trotz aller verständlichen Wünsche der Verbraucher in ihrem diesbezüglichen Standard (ISO 4498- 1978) darauf hingewiesen, dass die Gleichmäßigkeit einer Charge wirtschaftlich nur im Zuge der Produktionskontrolle sichergestellt werden kann und die Prüfung von gesinterten Hartmetallteilen im wesentlichen nur der Sicherstellung der richtigen Sorte dienen kann, wozu geringe Probemengen und wenige Bestimmungen genügen.

Dazu gehört gemäß ISO 4498-1978:

die Bestimmung der Koerzitivkraft nach ISO 3326,
die Bestimmung der Dichte nach ISO 3369,
die Bestimmung der Rockwell-Härte HRA nach ISO 3738,
die Bestimmung der Vickers-Härte nach ISO 3878.

In Sonderfällen kann die Prüfung erweitert werden auf:

die Untersuchung der Gefügestruktur nach ISO 4499
und die Untersuchung von Porosität und nicht gebundenem Kohlenstoff nach ISO 4505.

Die maßgeblich Kontrolle und andere Prüfungen sind für bestimmte Produktgruppen im Hinblick auf ihre Anwendung gesondert geregelt und daher einer allgemeinen Normung nicht zugänglich. Bezüglich der allgemeinen Grundbegriffe der Messtechnik, der Fehlerbeurteilung, Stichprobengröße, Vertrauensbereiche usw., sei auf die einschlägige Normliteratur z. B. DIN 1319 verwiesen.

Die praktische Durchfahrung der Bestimmung der bisher erwähnten metallurgischen Daten sollte nach den oben angeführten ISO-Normen erfolgen. Nachstehend finden sich noch einige Hinweise zur analytisch-chemischen Untersuchung von Hartmetall, sowie ergänzende Bemerkungen zu den schon erwähnten und weiteren physikalischen und mechanischen Eigenschaftsuntersuchungen.

5.2   Chemische Untersuchung

Die chemische Analyse von gesintertem Hartmetall bedarf einer gewissen Erfahrung. Bereits die Zerkleinerung der Probe ist mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Am besten wird dafür ein aus zähem Hartmetall gemachter Mörser verwendet. Eine Zerkleinerung auf etwa 2 mm große Stücke ist ausreichend. Als Lösungsmittel bewährt sich am besten ein Gemisch von 2 Teilen Flulßsäure und 1 Teil Salpetersäure mit 2 Teilen Wasser. In neuerer Zeit wird zunehmend zur Bestimmung der metallischen Elemente im Hartmetall die Röntgenfluoreszenz-Analyse herangezogen. Von der ISO/ TC 119 wurden zwei Varianten des Verfahrens bereits genormt, die ,,Solution Method" gemäß ISO 4883- 1978 und die ,,Fusion Method" gemäß ISO 4503-1978. Nach der erstgenannten Variante wird direkt die Lösung in entsprechenden Probezellen im Röntgenspektrometer analysiert. Bei der zweiten Variante werden die Substanzen nach dem Lösen in Sulfate oder Oxide überführt, die dann durch Schmelzen mit einer Mischung von Natriumtetraborat und einer Bariumverbindung in eine fair die Analyse geeignete Form gebracht werden. Wichtig ist in beiden Fällen die Erstellung von Eichkurven mittels synthetisch präparierter Model Substanzen, deren Zusammensetzung ähnlich den Analysenproben sein soll.

Zur Bestimmung von Kobalt wird in ISO 3909- 1976 auch eine potentiometrische Bestimmungsmethode beschrieben.

Der gesamte und freie Kohlenstoff wird meist unter Verwendung von rasch arbeitenden Spezialgeräten nach dem Prinzip der Infrarotabsorptionsmessung oder nach dem Prinzip der Leitfähigkeitsänderung entsprechender Absorptionslösungen für CO2 bestimmt. In beiden Fällen wird die Probe zunächst unter Verwendung geeigneter Zusatzstoffe in einem Verbrennungsofen im reinen Sauerstoffstrom oxidiert. Zum Eichen der erwähnten speziellen Geräte sowie überhaupt fair sehr genaue Absolutbestimmungen wird nach wie vor die gravimetrische Methode angewandt, die in ISO 3907- 1977 für den Gesamtkohlenstoff und in ISO 3908-1976 für den freien Kohlenstoff beschrieben wird.

Seit einiger Zeit befasst sich die ISO-Arbeitsgruppe 119 auch mit den modernen Analysenmethoden mittels Atomabsorptionsspektrometrie, die bei Verwendung geeigneter Eichlösungen eine sehr rationelle und befriedigend genaue Bestimmung von vielen metallischen Elementen in Karbiden und Mischkarbiden, Hartmetallmischungen, sowie in vorgesinterten und gesinterten Hartmetallen, ermöglicht. In den ISO-Entwürfen 7627/1-6 werden die allgemeinen Erfordernisse und die speziellen Methoden für einzelne Elementgruppen wie folgt beschrieben:

ISO 7627/I: Allgemeine Erfordernisse
ISO 7627/2: Ca, K, Mg, Na im Bereich von 0,001-0,02%
ISO 7627/3: Co, Fe, Mn, Ni im Bereich von 0,01 -0,5%
ISO 7627/4: Mo, Ti, V im Bereich von 0,01-0,5%
ISO 7627/5: Co, Fe, Mn, Mo, Ni, Ti, V im Bereich von 0,5-2%
ISO 7627/6: Cr im Bereich von 0,01 -2%

Die eigentliche Spektrometrie der Atomabsorption in der Flamme erfolgt in den modernen Geräten weitgehend automatisch und mit geringem Zeitaufwand. Die Reproduzierbarkeit und damit die Analysengenauigkeit ist hervorragend.

5.3   Physikalische Prüfungen

5.3.1   Dichte

Da die Dichte mittels der in ISO 3369 beschriebenen Immersionsmethode (Wiegen des Probekörpers in Luft und Wasser) sehr genau und zerstörungsfrei bestimmt werden kann, ist sie ein erster Anhaltspunkt für das Ausmaß der Dichtsinterung und damit für den Sintergrad.

Voraussetzung dafür ist, dass die Solldichte auf Grund der Zusammensetzung genau bekannt ist. In der Praxis ergibt sich die Solldichte aus der Sinterprobe der jeweiligen Pulvercharge, d. h. die Streuung von Charge zu Charge innerhalb einer Hartmetallsorte ist unbedingt zu berücksichtigen.

Der für die Qualitätsprüfung so ungemein wichtige Sintergrad kann übrigens nicht aus der in diesem Zusammenhang ebenfalls aussagefähigen Koerzitivkraft allein, sondern immer nur unter Berücksichtigung des Dichtewertes abgeleitet werden, wie bei Besprechung der Koerzitivkraft-Prüfung noch näher erläutert wird.

Die theoretische Dichte einer Hartmetall-Legierung ergibt sich aus den Prozentgehalten und Dichten der einzelnen Komponenten.

Ist der zu prüfende Sinterkörper so porös, dass beim Eintauchen in Wasser Luftblasen aufsteigen, was allerdings nur bei sehr krasser Untersinterung z. B. durch Sortenverwechslung vorkommt, darf die Dichte erst nach Tränken des trockenen Hartmetallteiles mit flüssigem Paraffin erfolgen, da durch Sättigung der Poren mit Wasser eine viel höhere Dichte des Körpers vorgetäuscht werden würde.

Auf Grund des hohen Dichteunterschiedes zwischen WC und TiC bestreicht die Dichte von Hartmetallsorten je nach Zusammensetzung einen sehr weiten Bereich und spielt daher auch bei der Aufklärung von Sortenverwechslungen eine große Rolle, zumal sie zerstörungsfrei bestimmt werden kann.

5.3.2   Härte

Die Härte ist prinzipiell durch den Widerstand eines Werkstoffes gegen das Eindringen eines harten Körpers definiert. Im Falle der in den USA verbreiteteren Rockwell-A-Härte besteht der Prüfvorgang im Eindringen eines Diamantkegels, im Falle der in Europa favorisierten Vickershärte HV im Eindringen einer Diamantpyramide unter definierter Belastung. Beide Methoden werden für die Härteprüfung von Hartmetall von der ISO empfohlen und sind in

ISO 3738 „Hardmetals-Rockwell Hardness Test (Scale A)" und
ISO 3878 „Hardmetals-Vickers Hardness Test" ausreichend beschrieben.

Die Prüffläche muss eben und entsprechend präpariert sein, die Diamantspitzen müssen laufend überprüft werden. Bei beiden Härtetest handelt es sich um eine zerstörende Prüfung. Ganz abgesehen von der erforderlichen Bearbeitung der Prüffläche sollen geprüfte Teile auch auf Grund der Kerbwirkung von Härteeindrücken von der Anwendung ausgeschlossen werden. Übrigens ist zu berücksichtigen, dass durch Sinterhauteffekte bei oberflächlicher Prüfung die Härtewerte verfälscht sein können. Man muss daher entweder auf ausreichenden Abschliff achten, oder eine Bruchfläche für den Härtetest präparieren.

Härteeindrücke sind häufig, vor allem bei den weniger zähen Sorten, der Ausgangspunkt von Rissen, deren Länge für eine Beurteilung der Zähigkeit ausgewertet werden kann. Der außerordentlich große Einfluss der Oberflächenpräparation auf die zu beobachtende Risslänge hat einer größeren Verbreitung dieser Prüfmethode in der Praxis jedoch entgegengewirkt.

Auf Grund zahlreicher praktischer Bestimmungen kann der Zusammenhang zwischen Rockwell-A-Härte (HRA) und Vickers-Härte (HV) als Kurvenband dargestellt werden.

In Abhängigkeit von der Sintertemperatur bzw. vom „Sintergrad" durchläuft der Härtewert ein Maximum. Der zunächst weiche Grünling wird im Zuge der Sinterung immer härter. Unmittelbar nach dem Dichtsintern erreicht die Härte ihren höchsten Wert. Durch Rekristallisation bzw. Kornvergrößerung nimmt der Härtewert bei noch höheren Temperaturen oder längerer Sinterzeit wieder ab.

In der Frage der zweckmäßigsten Belastung beim Vickers-Härtetest kam bei den Normungsgesprächen leider keine einheitliche Empfehlung zustande. Der Vorteil der hohen Belastung liegt in der Größe und damit genauen Ausmeßbarkeit des Eindrucks, sowie in der Erzielung eines von der Verteilung der verschiedenen Gefügebestandteile unabhängigen Durchschnittswertes. Nachteilig ist die große Tendenz zur Rissbildung.

Niedrige Belastungen vermeiden zwar die Rissbildung, der resultierende Eindruck ist aber klein, so dass trotz Verwendung von starken Vergrößerungen der Fehlerbereich der Ausmessung etwas größer wird.

Außerdem können die Härtewerte durch die Art der Verteilung der unterschiedlich harten Gefügephasen in Richtung einer größeren Streuung beeinflusst werden. Die ISO-Empfehlung bevorzugt zwar eine Belastung von 30 kgf (294 N), gesteht aber Belastungen in dem weiten Bereich von 1-50 kgf (9,81 -491 N) zu.

Die Verwendung von besonders kleinen Belastungen, etwa zwischen 10 und 50 Gramm in speziellen Geräten, führt zur so genannten Mikrohärte. Die Größe der Eindrücke beträgt dabei nur mehr einige Mikrometer, so dass Einzelkörner von Hartstoffen bzw. einzelne Gefügebestandteile des Hartmetalls auf ihre Härte untersucht werden können.

Mit steigender Temperatur fällt die Härte von WC/Co-Hartmetall wesentlich langsamer ab als beispielsweise die von Schnellstahl. TiC- und Ta(Nb)C-Zusätze erhöhen die Warmhärte beträchtlich, d. h. der Härteabfall mit steigender Temperatur ist geringer. Hartmetalle der ISO-Anwendungsgruppe P10 besitzen beispielsweise bei 800° noch etwa die Hälfte ihrer Kalthärte, während die Härte eines WC10Co-Hartmetalles bei dieser Temperatur auf etwa ein Drittel abgefallen ist. Ein noch flacherer Abfall der Härte mit steigender Temperatur ist bei der Schneidkeramik zu beobachten, die sich daher besonders bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und entsprechend hohen Zerspanungstemperaturen als vorteilhaft erweist.

5.3.3   Koerzitivkraft

Die magnetische Feldstärke, die erforderlich ist, um die Aufmagnetisierung eines ferromagnetischen Werkstoffes wieder aufzuheben, wird als Koerzitivkraft MHC definiert. Sie ist umso niedriger, je "weicher-magnetisch" ein Material ist, und wird daher gelegentlich auch als „magnetische Härte" bezeichnet. Je feiner verästelt und damit spannungsreicher die Binderphase im Hartmetall vorliegt, umso höher ist die Koerzitivkraft. Die Koerzitivkraft gibt bei Hartmetall also Aufschluss über den Zustand der üblicherweise ferromagnetischen Bindemetallphase. Ein Vergleich von MHC-Werten ist daher nur bei Hartmetallen mit gleichartiger Bindemetallegierung sinnvoll. Die Feinheit der Verästelung der Binderphase und damit die Koerzitivkraft nimmt mit zunehmender Kornfeinheit der Karbidphase und mit abnehmendem Bindemetallgehalt zu. In der gleichen Richtung nimmt aber auch die Härte zu, so dass Härte und Koerzitivkraft konform laufen. In der Praxis kann die sehr rasch und zerstörungsfrei durchführbare Koerzitivkraft-Messung weitgehend die Härtebestimmung ersetzen.

Ebenso wie die Härte durchläuft die Koerzitivkraft, in Abhängigkeit von der Sintertemperatur und -zeit bzw. vom Sintergrad, ein Maximum. Die Entscheidung, ob ein etwas zu niedriger Wert der Koerzitivkraft vor oder hinter dem Maximum liegt, was Unter- bzw. Übersinterung bedeutet, liefert die Dichtebestimmung. Ist die zu niedrige Koerzitivkraft durch noch nicht vollständige Dichtsinterung verursacht, wird auch die Dichte unter dem Sollwert liegen.

Der üblicherweise angestrebte optimale Sintergrad liegt etwas unter dem für eine bestimmte Hartmetallcharge erzielbaren Maximalwert der Koerzitivkraft bei „voller Dichte", das heißt beim höchsten erzielbaren Dichtewert. Leicht untersintertes Hartmetall ist bei bereits voller Dichte durch aber dem Sollwert liegende Koerzitivkraft und Härtewerte zu erkennen, beim übersinterten Hartmetall liegen Koerzitivkraft und Härte unter dem Sollwert (bei ebenfalls noch voller Dichte).

Es muss jedoch im Auge behalten werden, dass der Wert der Koerzitivkraft beim Hartmetall zusätzlich auch etwas durch den Kohlungsgrad beeinflusst wird, und zwar in der Weise, dass er bei Unterkohlung hoher, bei Überkohlung niedriger anfallen kann.

Die praktische Durchfahrung der Koerzitivkraftmessung ist in ISO 3326 beschrieben. Im Hinblick auf die große praktische Bedeutung dieses Prüfwertes, auch zur zerstörungsfreien Überprüfung der Einheitlichkeit einer Menge von Hartmetallteilen, wird die Koerzitivkraft (genaue englische Bezeichnung: magnetization coercive field strength) im ISO-Dokument 4489 an erster Stelle der üblicherweise durchgeführten Hartmetallprüfungen genannt.

Die neue SI-Einheit für die Koerzitivkraft ist A/m bzw. für Hartmetall zweckmäßigerweise kA/m. Der letztere Wert wird aus den früher üblichen Oersted durch Multiplikation mit dem Faktor 1/4 π = 0,0796 erhalten.

5.3.4   Magnetische Sättigung 4πσ

Der Begriff „magnetische Sättigung" ist eine Abkürzung für den Sättigungswert bzw. Maximalwert der magnetischen Induktion, die auch als magnetische Flussdichte bezeichnet wird. In der Umgangssprache ausgedrückt würde das die auf die Gewichtseinheit eines magnetisierbaren Materials bezogene maximale Aufmagnetisierung („Sättigungsmagnetisierung") in einem entsprechend starken Magnetfeld

Wird ein ferromagnetisches Material in ein Magnetfeld mit der auf der Abszisse aufgetragenen Feldstärke H gebracht, so ergibt sich je nach Feldstärke eine Aufmagnetisierung" (magnetischer Fluss). Bei genügend großer Feldstärke wird die Sättigungsmagnetisierung MS erreicht. Nach Entfernen des Materials aus dem Magnetfeld geht die Magnetisierung auf den Wert R zurück. Die so genannte Remanenz R ist um so höher, je härtermagnetisch ein Material ist. Dieser Restmagnetismus kann nur durch Anlegen eines entgegengesetzt gerichteten Magnetfeldes abgebaut werden. Die zur Aufhebung der Remanenz erforderliche Feldstärke dieses entgegengesetzt gerichteten Feldes ist die unter 3.3.3 behandelte Koerzitivkraft MHC.

Die Bestimmung der magnetischen Sättigung kann z. B. in einer magnetischen Waage erfolgen, und zwar aus dem Unterschied des normalen Gewichtes einer Probe zum Gewicht, mit dem die gleiche Probe in ein zur Erreichung der Sättigungsmagnetisierung genügend starkes Magnetfeld hineingezogen wird, das in einem sich nach unten verengenden Spalt zweier Magnetpole erzeugt wird. Auch eine so genannte „ballistische Methode" wird angewandt, bei der die aufmagnetisierte Probe in Form einer genau definierten Bewegung aus dem Magnetfeld gestoßen und die in Meßspulen erzeugte Induktion gemessen wird.

Im Falle von Hartmetall wird der Prüfwert magnetische Sättigung einesteils durch die der ferromagnetischen Binderlegierung inhärente magnetische Eigenschaft und andererseits durch die Menge dieses Binders beeinflusst. Nur wenn eine dieser beiden Einflußgrößen genau bekannt ist, können Aussagen über die andere Einflußgröße gemacht werden.

Die magnetische Charakteristik des ferromagnetischen Bindemetalls wird aber nicht nur durch die gewählte Zusammensetzung, sondern auch durch geringfügige Verunreinigungen und vor allem durch den Kohlungsgrad der Hartmetall-Legierungen sehr maßgeblich beeinflusst. Da die Deutung dieses Prüfwertes daher so schwierig und von so vielen, zum Teil nur den Herstellern bekannten Einflussgrößen abhängig ist, hat die ISO bisher die magnetische Sättigung nicht für das normale Prüfverfahren empfohlen.

Für den Hartmetall-Hersteller ist die Prüfung der magnetischen Sättigung jedoch auf Grund der dort gegebenen besseren Voraussetzungen ein wertvolles Instrument zur Produktionskontrolle. Dies gilt vor allem für Hartmetalle mit Kobaltmetall als Binder und WC als Hauptbestandteil.

Für reines Kobalt beträgt die magnetische Sättigung 2,02 • 10-4 Tesla • m³ • kg^-1. Ferner ist bekannt, dass um so mehr Wolfram in Kobalt gelöst werden kann bzw. beim Abkühlen gelöst bleibt, je niedriger die Kohlenstoffbilanz des Hartmetalls ist, das heißt, je weiter der Kohlenstoffgehalt unter dem stöchiometrischen Gehalt des Karbides liegt. Durch Auflösen von Wolfram in Kobalt wird dessen inhärenter Wert der magnetischen Sättigung erniedrigt,

Weiters ist zu berücksichtigen, dass sich bei einem gewissen Unterkohlungsgrad die Doppelkarbidphase Co₃W₃C (η) bildet. Das Kobalt in dieser Verbindung ist nicht mehr ferromagnetisch und daher der 4πσ-Messung entzogen.

Für Hartmetall mit x-Gewichtsprozent Kobalt kann der 4πσ-Wert bei etwa stöchiometrischem Kohlenstoffgehalt der Karbide, das heißt ausgeglichener Kohlenstoffbilanz - oder auch bei etwas darüber liegender Kohlenstoffbilanz, das heißt wenn gerade die ersten Spuren von freiem Kohlenstoff im Gefüge feststellbar sind - maximal x-Prozent des 4πσ-Wertes von reinem Kobalt betragen. Zunehmende Unterkohlung macht sich in einer Erniedrigung des 4πσ-Wertes bemerkbar, zunächst nur auf Grund der höheren Löslichkeit von Wolfram in Kobalt, also auch ohne dass Eta-Phase im Gefüge festgestellt werden kann. Ab einer gewissen Unterkohlung scheidet sich Eta-Phase im Hartmetall aus, was mit einer weiteren Erniedrigung des 4πσ-Wertes verbunden ist. Da die Erniedrigung des Kohlenstoffgehaltes bis zum ersten Auftreten von Eta-Phase analytisch kaum genau erfasst werden kann, die Festigkeitseigenschaften des Hartmetalls aber schon durch das in Kobalt gelöste Wolfram und erst recht durch das Auftreten von Eta-Phase ziemlich stark beeinflusst werden, ist die Einbeziehung der 4πσ-Prüfung in die laufende Produktionskontrolle, vor allem für die Qualitätsbeurteilung innerhalb der gleichen Pulvercharge, unter Berücksichtigung anderer physikalischer Prüfwerte, zumindest von Dichte und Koerzitivkraft, sehr wertvoll. Es sei aber nochmals betont, dass ohne Kenntnis der spezifischen Chargencharakteristik der 4πσ-Wert für die Beurteilung, z. B. der Gebrauchsqualität eines Hartmetalls, nur begrenzt aussagefähig ist.

In der Fertigung wird üblicherweise der in der Abbildung schraffierte Bereich rechts und links vom Maximum der Zähigkeit, mit einem gewissen Sicherheitsabstand von den Bereichen, in denen mit dem Auftreten von freiem Kohlenstoff bzw. Eta-Phase im Hartmetall gerechnet werden muss, angestrebt.

Ergänzend soll noch festgehalten werden, dass der Bereich zwischen voller magnetischer Sättigung (ausgeglichener Kohlenstoffbilanz) und dem Bereich des Auftretens der Eta-Phase prüftechnisch auch durch Bestimmung der Curie-Temperatur erfasst werden kann. Die Curie-Temperatur, also die Temperatur, bei der der Ferromagnetismus verschwindet, ist nämlich ebenfalls von der in Kobalt gelösten Wolframmenge abhängig. Sie kann bestimmt werden und ist vom Kobaltgehalt der Legierung und der Gefügestruktur praktisch unabhängig. Da ein linearer Zusammenhang zwischen den 4πσ-Werten und den Curie-Temperaturen einer Hartmetall-Legierung mit unterschiedlichem Kohlungsgrad besteht, kann der analytische Kobaltgehalt der Legierung bestimmt werden, wenn sowohl 4πσ- als auch Curie-Temperatur bekannt sind.

5.3.5   Biegebruchfestigkeit, Bruchzähigkeit, Brucharbeit

Trotz aller Versuche zur Erarbeitung von speziellen Prüfverfahren für die Gebrauchszähigkeit von Hartmetallen, das heißt ihren Widerstand gegen die in der Praxis vorkommenden Zähigkeitsbeanspruchungen, z. B. durch Schläge, Stöße, Temperaturwechsel, Zug- und Biegespannungen, ergibt die Biegebruchfestigkeit für den Komplex Zähigkeit immer noch am ehesten einen reproduzierbaren aussagefähigen Prüfwert. Allerdings darf die starke Beeinflussung des Prüfwertes durch allfällig im Bruchbereich vorhandene Poren, Verunreinigungen oder andere sich als „Kerben" auswirkende Fehlstellen nicht übersehen werden. Die Zusammenhänge von Biegebruchfestigkeit und Fehlstellen sind in zahlreichen Arbeiten untersucht worden. Einigermaßen verlässliche Prüfwerte können nur aus dem Durchschnitt einer größeren Anzahl von Messungen erhalten werden. Dabei ist die Streuung der Messergebnisse besonders zu beachten. Nach ISO 3327 sollten mindestens 5 Einzelbestimmungen durchgeführt werden, in der Praxis werden üblicherweise ca. 10 Proben für die Bestimmung verwendet.

In modernen Apparaturen werden statistische Auswertungen mittels integrierten Rechnern durchgeführt und auf Wunsch ausgedruckt. Aus solchen Auswertungen lässt sich die für die Praxis so ungemein wichtige Wahrscheinlichkeit von Brüchen bei Belastungen unter der mittleren Biegebruchfestigkeit ableiten.

Die Prüfmethode zur Bestimmung der Biegebruchfestigkeit wurde ebenfalls von der ISO TC 119 genormt. Sie wird in ISO 3327 beschrieben.

Die stabförmigen Probekörper werden auf zwei Auflagen gelegt und durch die in der Mitte zwischen den beiden Auflagen ansetzende Prüfkraft bis zum Bruch belastet.

Der Prüfwert wird außer von der inhärenten Festigkeit des Probekörpers von dessen Formabmessungen und Oberflächengülte sowie von der Auflagelänge und der Belastungsgeschwindigkeit bestimmt. Diese soll so gewählt werden, dass die Probenspannung maximal 100 N/mm² in der Sekunde zunimmt. Übertragen auf die Belastung der Probe bedeutet dies eine maximale Zunahme von 800 N/Sekunde für den kurzen und 300 N/Sekunde für den langen Prüfkörper.

Form und Abmessungen der Prüfkörper konnten im Hinblick auf die bereits vorhandenen Geräte und ausgeübten Verfahren nicht ganz vereinheitlicht werden. Es wurden zwei Typen von Probekörper genormt, und zwar mit 35 mm Länge für einen Auflageabstand von 30 mm und mit 20 mm Länge für einen Auflageabstand von 14,5 mm. Die längere Probenform ,,A" hat einen Querschnitt von 5 x 5 mm, die kürzere Probenform „B" ist 6,5 mm breit, 5,25 mm hoch und ergibt etwa 10 % höhere Festigkeitswerte. Grundsätzlich werden geschliffene Prüfstäbe mit einer Anfasung der Längskanten von 0,15-0,2 mm empfohlen, jedoch sind auch roh gesinterte mit einer Fase von 0,4-0,5 mm zugelassen. Für die Fase wird ein Korrekturfaktor K angegeben. Die Prüflast kann entweder mittels Zylinder oder Kugel aus Hartmetall aufgebracht werden. Auch die Auflagen sollen aus Hartmetall sein.

Der Einfluss der Oberflächenrauhigkeit und anderer Prüfbedingungen auf das Festigkeitsverhalten von WC-Co-Hartmetallen wurde ausführlich untersucht.

Die sich aus den zugelassenen Möglichkeiten ergebenden Varianten sind zwar bedauerlich, für den Prüfwert aber von nicht allzu großem Einfluss. Die jeweils angewendete Methode ist mit dem Prüfwert anzugeben.

Da die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins eines bruchauslösenden Defektes im Bereich der Biegespannungen mit abnehmendem Volumen des Probekörpers immer kleiner wird, ist die Biegebruchfestigkeit vom Volumen des Probekörpers abhängig, das heißt, große Biegebruchproben liefern niedrigere Werte als kleine.

Der Gesamtbereich der Biegebruchfestigkeit liegt für Hartmetall zwischen etwa 1000 und 3000 N/mm².

Einen von der Lage bruchauslösender Defekte eher unabhängigen Zähigkeitswert stellt die sogenannte Bruchzähigkeit KIC dar, die am besten als eine Biegebruchprüfung an einer gekerbten Probe beschrieben werden kann. Die Kerbe wird entweder mittels Funkenerosion, Ritzen mit Diamant, Sägeschnitt, z.T. mit zusätzlichem Anriss, oder anderen Methoden über die ganze Breite der Probe auf der Zugspannungsseite, also gegenüber der Belastungsstelle eingebracht.

Für gebräuchliche Hartmetalle werden Bruchzähigkeitswerte von etwa 8-20 MPA m^1/2 bzw. MN m^-3/2 angegeben. Für Submicron-Hartmetalle finden sich Werte zwischen 9,6 und 13,8 MPA m^1/2 bzw. MN m^-3/2.

Ein anderer Versuch, einem die Gebrauchszähigkeit umschreibenden Prüfwert möglichst nahe zu kommen, ist die Bestimmung der so genannten Brucharbeit, die sich aus der Biegebruchfestigkeit mal dem gemessenen Weg des Druckstempels entsprechend der elastischen und plastischen Verformbarkeit der Probe bis zum Bruch ergibt. Für eine allgemeine Anwendung derartiger Prüfungen liegen allerdings noch zu wenig Erfahrungen vor.

5.3.6   Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Poissonsche Zahl

Durch verschiedene Maßnahmen, wie Lagerung von kugelförmigen Prüfstabenden in kugelschalenförmigen Halterungen, hat man versucht einigermaßen verlässliche Zugfestigkeitswerte von Hartmetall zu bestimmen. Auch hier spielen bruchauslösende Fehlstellen eine große Rolle. Um diese auszuschalten, hat man auch versucht, die Bruchstücke von zunächst sehr langen, dünnen zylindrischen Bruchstäben immer wieder neu zu prüfen, wobei man tatsächlich zunehmend höhere Werte erhalten konnte. Die in 3.3.5 erwähnte Volumenabhängigkeit der Biegebruchfestigkeit gilt natürlich auch besonders für die Zugfestigkeit. Der Zugfestigkeitsbereich bei Hartmetall liegt zwischen etwa 750 und 1500 N/mm².

Gegenüber früheren Ansichten, dass der Bruch ohne plastische Verformung auf die ohnehin sehr geringe elastische Verformung folgt, hat die Verfeinerung der Messtechnik vor allem bei zäheren Hartmetallen die Erfassung von - allerdings sehr kleinen - bleibenden Verformungen möglich gemacht.

Das Verhältnis von Zugfestigkeit zu Druckfestigkeit beträgt bei WC/Co-Hartmetallen etwa 1:3 (Schnellstahl 1:1,5, Glas 1:10 bis 1:20), von Zugfestigkeit zu Biegebruchfestigkeit etwa 1:2.

Von wesentlich größerer Bedeutung für die Praxis ist die Druckfestigkeit, die besonders bei WC-Co-Hartmetallen sehr hoch ist. Auch bei der Bestimmung der Druckfestigkeit muss auf exakte axiale Ausrichtung der Proben und der Stempel, sowie Vermeidung von Biegespannungen durch entsprechende Lagerung der Stempel in Kugelgelenken geachtet werden.

Um den Bruch auf die Mitte des Prüfkörpers zu lokalisieren, wurde für die Druckfestigkeits-Prüfung nach ISO 4506-1979 genormt.

Mittels Dehnungs-Messstreifen können die unter Druckbelastung auftretenden elastischen und plastischen Verformungen an zylindrischen Prüfkörpern gemessen werden. Das Verhältnis von Querstauchung zu Längsstauchung ist als Poissonsche Zahl, Poissonsche Konstante oder Querdehnungszahl definiert und liegt bei Hartmetall zwischen 0,21 und 0,25.

Die hohe Druckfestigkeit von Hartmetall ist eine der hervorstechendsten und wertvollsten Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe und wird in praktisch allen Anwendungsbereichen ausgenützt (druckfester Schneidkeil bei allen Zerspanungsvorgängen, Press- und Ziehmatrizen, Walzen, Anvils und Dies für die synthetische Diamantherstellung, um nur einige Beispiele zu nennen).

Der Gesamtbereich der Druckfestigkeit liegt bei Hartmetall zwischen 7 kN/mm² für feinkörnige, kobaltarme WC-Legierungen und 3,5 kN/mm² für bindemetallreiche TiC-Hartmetalle.

5.3.7   Elastizitätsmodul, Schubmodul und Ultraschallprüfungen

Der Elastizitätsmodul ist ein Anhaltspunkt für den Widerstand eines Werkstoffes gegen elastische Verformung und ist umso höher, je starrer und steifer sich ein Material verhält.

Die mechanische Bestimmung des E-Moduls darf nur im Bereich der rein elastischen Verformung erfolgen, in dem das Hookesche Gesetz, nämlich die lineare Abhängigkeit der elastischen Verformung von der Belastung, Gültigkeit hat. Der E-Modul wäre demnach diejenige Belastung, bei der linear hochgerechnet die Längsdehnung gleich 1 wäre, das heißt der Prüfstab auf die doppelte Länge gestreckt werden würde.

Da die sehr kleinen Verformungen im rein elastischen Bereich nur schwierig in der erforderlichen Genauigkeit gemessen werden können, zieht man für die Bestimmung des E-Moduls in der Praxis die Ultraschallmethode vor. Mittels eines Ultraschallgenerators mit einem Frequenzbereich zwischen 20 und 100 kHz wird ein 60 mm langer Prüfstab zur Eigenschwingung angeregt und die Resonanzfrequenz bestimmt. Der E-Modul E ergibt sich aus der Frequenz der Eigenschwingung f, Länge des Prüfstabes L und seiner Dichte q.

Diese Bestimmungsmethode wurde von der ISO bereits genormt und wird in ISO 3312 beschrieben.

Der E-Modul ist bei Hartmetall rund dreimal so hoch wie der von Stahl, besonders hoch ist er bei den feinkörnigen WC-Co-Sorten mit niedrigem Kobaltgehalt (ca. 700 kN/mm²). Er fällt mit steigendem Co- und TiC-Gehalt und ist mit ca. 400 kN/mm² bei den hoch binderhaltigen TiC-Hartmetallen am niedrigsten.

Typische auf dem hohen E-Modul des Hartmetalls beruhende Anwendungsfälle sind Brinellkugeln, Bohrstangen, Hartmetallwalzen, Vollhartmetallbohrer, -fräser, -reibahlen, usw.

Eine andere elastische Größe ist der Schubmodul oder Torsionsmodul, auch Gleit-, Scherungs-, oder Drillungsmodul bezeichnet (englisch: rigidity modul). Er wird wie der Elastizitätsmodul meist dynamisch und zwar durch Erregung von Torsionsschwingungen gemessen und steht mit dem Elastizitätsmodul und der Poissonschen Zahl.

Dementsprechend liegt der Wertebereich des Schubmoduls bei Hartmetall etwa zwischen 160 und 290 kN/mm².

Ultraschallechomessungen werden vielfach auch zur Fehlstellenermittlung im Hartmetall selbst oder zur Kontrolle von Lötnähten durchgeführt. Als materialtypische Eigenschaft kann die Messung der Schallgeschwindigkeit unter Umständen auch zur zerstörungsfreien Prüfung von Gefügeabweichungen, Sortenverwechslungen usw., herangezogen werden.

5.3.8   Schlagfestigkeit

Dieser meist als Schlagbiegefestigkeit nach Charpy gemessene Prüfwert hat sich als Test für die Gebrauchszähigkeit von Hartmetall eigentlich kaum eingeführt. Dies dürfte unter anderem auf die ungenügende Reproduzierbarkeit bzw. den weiten Streubereich dieser Bestimmung zurückzuführen sein.

Untersuchungen ergaben einen linearen Zusammenhang zwischen der Schlagfestigkeit und dem Co-Gehalt bei WC-Co-Legierungen. Der Bereich bei Hartmetallegierungen wird mit 0,4-6 J (im Charpy-Test) angegeben.

5.3.9   Warmfestigkeit

Eingehende Untersuchungen der Warmfestigkeit liegen für WC-Co-Hartmetalle und für warm- und zunderfeste Hartmetalle auf TiC-Basis vor. Die Bestimmungen werden auf den üblichen Prüfmaschinen unter zusätzlicher Verwendung von schutzgasgespülten Ofen oder auf Sonderprüfmaschinen mit bereits integriertem Schutzgas- oder Vakuumofen durchgeführt.

Die Ergebnisse sind stark von den Prüfbedingungen abhängig, weshalb die von den verschiedenen Verfassern angegebenen Werte stark variieren. Auch die Oberflächenbeschaffenheit der Proben hat großen Einfluss auf die Ergebnisse. Aus neuer Zeit stammen Untersuchungen über die Warmbiegefestigkeit von WC-Co-Hartmetallen im Zusammenhang mit der Bruchursache sowie über den Einfluss des Co-Gehaltes auf die Warmbiegefestigkeit.

Für die Praxis ist von Bedeutung, dass Hartmetalle im Bereich von 20-400 °C nur wenig an Biegefestigkeit verlieren. Bei den harten TiC-Ta(Nb)C-haltigen Sorten ist sogar zwischen 0 und 200 °C ein leichter Anstieg der Festigkeit zu beobachten. Von 400-800 °C fällt die Biegefestigkeit um so starker ab, je höher der Kobaltgehalt und je niedriger der TiC-Ta(Nb)C-Anteil ist. Die zäheren Sorten verlieren also prozentuell mehr an Festigkeit als die härteren, und bei 800 ° liegen die Werte der verschiedenen Sorten bereits naher beisammen, etwa zwischen 900 und 1600 N/mm².

Die Warmfestigkeitswerte von Hartmetall sind vor allem im Hinblick auf die hohen Temperaturen, die bei der Zerspanung am Schneidkeil auftreten, aber auch bei verschiedenen spanlosen Formgebungsoperationen (insbesondere Warmverformung mit Hartmetallwerkzeugen) sowie bei der synthetischen Diamanterzeugung von großem Interesse. Allerdings sind bei vielen Hartmetallanwendungen, bei denen erhöhte Temperaturen auftreten, die Warmfestigkeitseigenschaften von anderen Einflüssen, wie Zunder- und Diffusionsvorgängen, überlagert. Besonders die WC/Co-Hartmetalle sind überhaupt nicht zunderfest und sollten daher im Regelfall an Luft nicht Ober 400 °C eingesetzt werden.

5.3.10   Elektrische Leitfähigkeit

Dieser Prüfwert hat für die Anwendung des Hartmetalls praktisch keine Bedeutung, ist aber stark von der Zusammensetzung des Hartmetalls abhängig. Da er übrigens leicht bestimmbar ist und auch Gerate zur zerstörungsfreien Ermittlung eines Relativwertes durch Aufsetzen einer Sonde auf eine ebene Fläche existieren, kann eine solche zerstörungsfreie Prüfung unter Umstanden auch zur raschen Trennung von Hartmetallteilen verschiedener Sorten bzw. zur Aufklärung von Sortenverwechslungen herangezogen werden. In der Literatur wird meist der reziproke Wert der elektrischen Leitfähigkeit, der spezifische elektrische Widerstand, angegeben. Sein Gesamtbereich liegt bei Hartmetall zwischen 15 und 100 Mikro-Ohm • cm, wobei die niedrigsten Werte den WC-Sorten und die höchsten dem Hartmetall auf TiC-Basis zukommen.

5.3.11   Wärmeleitfähigkeit

Ebenso wie die elektrische Leitfähigkeit wird auch die Wärmeleitfähigkeit von der Zusammensetzung des Hartmetalls stark beeinflusst. Die Bestimmung in entsprechend adaptierten Kalorimetern ist jedoch ziemlich aufwendig und erfordert speziell anzufertigende Prüfstabe. Die Wärmeleitfähigkeit ist für die Anwendung von Hartmetall von großer Bedeutung, da sie letztlich die sich einstellende Temperatur an den Verschleiß beanspruchten Stellen der Hartmetallwerkzeuge bestimmt und großen Einfluss auf die Temperaturwechselfestigkeit des Hartmetalls hat. Deshalb wird z. B. in Frässorten das die Wärmeleitfähigkeit stark erniedrigende TiC weitgehend durch TaC ersetzt.

Der typische Bereich für Hartmetall liegt zwischen 120 W/mK für kobaltarme WC-Co-Hartmetalle und 20 W/mK für Hartmetalle auf TiC-Basis.

5.3.12   Wärmeausdehnungskoeffizient

So wie die Wärmeleitfähigkeit hat auch der Wärmeausdehnungskoeffizient großen Einfluss auf die Temperaturwechselfestigkeit von Hartmetall. Außerdem spielt der Wärmeausdehnungskoeffizient bei der Verbindung von Hartmetall mit anderen Werkstoffen, beispielsweise durch Löten oder Schrumpfen, eine große Rolle. Die Bestimmung erfolgt in so genannten Dilatometern. Der Wärmeausdehnungskoeffizient nimmt mit steigendem WC- und TaC-Gehalt ab. TiC und Co erhöhen den Wärmeausdehnungskoeffizient in etwa nach der Mischungsregel. Er ist aber auch bei den reinen TiC-Hartmetallen noch merklich niedriger als der von Schnellstahl. Der Gesamtbereich für Hartmetall betragt 4,5 -8,5 ? 10-6/K von 0-800 °C.

5.3.13   Spezifische Warme

Darunter versteht man die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Masseneinheit eines Materials (1 kg) um eine Temperatureinheit (1 K bzw. 1 °C) zu erwärmen. Die spezifische Warme wird in J/kgK ausgedruckt und in einem Kalorimeter gemessen. Sie spielt anwendungstechnisch insofern eine Rolle, als bei den meisten Verschleißvorgängen Warme entsteht und die Höhe der sich im Hartmetall einstellenden Temperatur auch durch die spezifische Wärme des Hartmetalls mitbestimmt wird. Typische Werte für Hartmetall liegen zwischen 150 und 300 J/kgK.

5.3.14   Wechselfestigkeit, Ermüdung

In den meisten Anwendungsfällen wird das Hartmetall z. B. durch intermittierendes Verkleben und Ablösen von Spänen, durch ständigen Wechsel der Angriffsrichtung von Belastungen, durch Maschinenvibrationen und andere Effekte auf Wechselfestigkeit beansprucht. Es ist daher bedauerlich, dass das Datenmaterial über diese so wichtige Eigenschaft eher spärlich ist. Die meisten Bestimmungen betreffen die Biegewechselfestigkeit, die überwiegend auf Umlaufbiegemaschinen bestimmt wird. Die Vorbehandlung der Probekörper, insbesondere ihre Oberflächengüte ist auch hier von großem Einfluss. Auch die Häufigkeit von Gefügefehlstellen, von denen der Ermüdungsbruch bevorzugt ausgeht, bestimmt stark die Höhe der Wechselfestigkeit. Sie beträgt für ein WC-6Co-Hartmetall bei 2 Millionen Lastwechseln ca. 450 N/mm², für ein WC-11Co-Hartmetall ca. 690 N/mm² bei 20 °C und ca. 740 N/mm² bei 500 °C.

Eigene Messungen ergaben für ein WC-6Co-Hartmetall mittlerer Korngröße eine Dauerfestigkeit von 600 N/mm², was immerhin zwischen 30 und 40 % des Biegebruchfestigkeitswertes liegt. Der Bereich liegt für WC-Co-Hartmetalle zwischen 5 und 25 % mit 600 bis 850 N/mm² (108 Lastspiele).