8   Hartmetall-Werkzeuge

Die ständige Ausweitung der Stanz- und Umformtechnik hat auch dem Hartmetall in großem Umfang neue Anwendungsmöglichkeiten erschlos­sen. In vielen Fällen hat hierbei das Leistungsverhalten der Werkzeuge aus Hartmetall vor allem die Wirtschaftlichkeit des jeweiligen Verfahrens ent­scheidend beeinflußt.

Werkzeuge aus Hartmetall werden heute in allen Bereichen der Stanz- und Umformtechnik eingesetzt, vor allem wenn folgende Anforderungen vor­liegen:

• hohe Stückzahlen oder große Zahlen von Produktionseinheiten (Stand­mengen, Standwege, Standzeiten, Standvolumina);
• gleichbleibende Qualität der Produkte;
• wirtschaftliche Fertigung.

Ihr Einsatz erfolgt im Regelfall in der Großserienfertigung, wo äußerste Beständigkeit gegen abrasive, adhäsive oder/und oberflächenzerrüttende Beanspruchung bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit gefor­dert wird. Ein typisches Beispiel für den High-Tech-Einsatz von Stanz­werkzeugen sind Chip-Fassungen aus einer Kupfer-Legierung.

Vielfach sind es aber auch andere Gründe, die den Einsatz von Hartmetall-Werkzeugen zwingend geraten sein lassen, zum Beispiel:

• sogenannte exotische, austenitische Werkstoffe mit Aufschweiß­neigung;
• Umformung im Grenzbereich der Festigkeitseigenschafte (Umform­grad, Ziehmodul);
• hohe Maßhaltigkeit der Produkte; das heißt: geringste Auffederung bzw. Rückfederung der Werkzeuge.

Diesen Anforderungen werden meist nur Hartmetall- oder mit Hartmetall bestückte Werkzeuge gerecht, insbesondere dann, wenn sie mit dem zu verwendenden Werkzeug und mit den Zusatzeinrichtungen optimal ab­gestimmt sind, so daß das Ganze als integriertes Fertigungssystem wirkt.

8.1   Auswahl der Hartmetalle

Für Hartmetall, das in Stanz- und Umformwerkzeugen Verwendung finden, ist die in der Tabelle ausgewiesenen Kriterien von großer Bedeutung.

Diesen Kriterien sind die Berechnung der auftretenden Spannungen und eine Systemanalyse ähnlich die Tabelle gegenüberzustellen.

Einmal erkannte Schwachpunkte im System und beim Werkstoff sind bei der Konstruktion zu berücksichtigen und nach Möglichkeit zu eliminieren.

Trotzdem werden nicht alle Forderungen an das System Werkzeug/Werk­stoff zu erfüllen sein, da sich verschiedene Eigenschaften von Hartmetall, wie zum Beispiel Härte und Zähigkeit, in der Regel entgegengesetzt gegenüber­stehen und Kompromisse erfordern.

In den letzten Jahren hat sich das Sortiment der in der Stanz- und Umformtechnik verwendbaren Hartmetall-Varianten ständig erweitert. Zu den bisher eingesetzten Sorten sind neuentwickelte Fein- bzw. Feinstkornlegierungen hinzugekommen. Auch HIP-behandeltes Hartmetall finden ein immer weiteres Anwendungsfeld.

In Hochleistungswerkzeugen der Stanz- und Umformtechnik wird wegen der guten Zähigkeitseigenschaften überwiegend Hartmetall auf der Basis WC-Co eingesetzt.

Außer nach den Cobaltgehalten wird WC-Co-Hartmetall nach der WC-Korngröße unterteilt. Das Bild zeigt die Gefügeunterschiede von WC­Co-Legierungen mit unterschiedlicher WC-Kristallitgröße

Ultrafeinstkorn: mittlere Korngröße < 0,5 gm
Feinstkorn: mittlere Korngröße < 1,5 µm
Normalkorn: mittlere Korngröße - 1,5- 3 µm
Grobkorn: mittlere Korngröße - 3 -20 µm.

Im Stanz- und Ziehbereich ist ein deutlicher Trend hin zur Anwendung von Feinstkorn-Hartmetall festzustellen. Dagegen ist in den letzten Jahren, besonders bei hochbeanspruchten Werkzeugen der Massivumformung, ein deutlicher Trend hin zu Hartmetall mit gröberem Wolfram­carbidkorn und mittlerem Cobaltgehalt zu erkennen.

Der Einfluß des Gehaltes der Cobaltbindephase auf die Härte und Biegefestigkeit der Hartmetall wird im Bild dargestellt.

Bis zur Einführung von Feinstkorn-Hartmetall (WC-Kristallitgröße <= 1,5 µm) galt die Tatsache, daß mit abnehmender Kristallitgröße einer WC-Co-Legierung die Biegefestigkeit fällt und die Härte steigt. Bei Feinstkorn- und Ultrafeinstkorn-Hartmetall wird diese Gesetz­mäßigkeit durchbrochen. Bei diesen feinkörnigen WC-Co-Legierungen steigt nicht nur die Härte, sondern überraschenderweise auch die Biege­festigkeit mit abnehmender WC-Kristallitgröße an. Aus dem Bild geht dieser Sachverhalt eindeutig hervor. In allen drei Fällen ist das Hartmetall über das Sinter-HIP-Verfahren gefertigt, um so auch geringste Porositäten zu vermeiden. Ähnliche Ergebnisse erhält man auch, wenn gesintertes Hartmetall heißisostatisch nachverdichtet werden. Über die Vermeidung von Mikroporosität wird insbesondere bei cobaltarmen Hartmetall-Legie­rungen eine erhebliche Zähigkeitssteigerung erreicht.

Die Tabelle zeigt eine Zusammenfassung der heute in der Stanz- und Umformtechnik gebräuchlichen Hartmetallegierungen, ihre ungefähre Zusammensetzung und die wichtigsten Eigenschaften.

In der Tabelle sind die dazugehörigen Einsatzgebiete zusammengestellt, wobei im einzelnen die Belastungsanalyse entscheidet.

8.2   Statische und dynamische Beanspruchung von Hartmetall

Die in der Tabelle angegebenen Festigkeitswerte gelten nur für den sta­tischen Belastungsfall und können deshalb bei Spannungsberechnungen an Umformwerkzeugen, die fast ausschließlich dynamisch belastet sind, nicht verwendet werden. Das Bild zeigt die Schwellwechselfestigkeit im Biege- und Druckbereich zwischen 0 bis 108 Lastwechseln an einer WC-Co-Legierung mittlerer Korngröße mit 6 Massen-% Co im Sinter­zustand, die experimentell bei einer Frequenz von 25 Hz ermittelt worden ist.