Hartmetall-Sortenauswahl: Kobaltgehalt, Korngröße und ISO K-Klasse

Zwei Hartmetallkomponenten, die auf der Zeichnung identisch aussehen, können eine Standzeit aufweisen, die sich um den Faktor drei bis fünf unterscheidet, und die Ursache liegt ausschließlich in der verwendeten Sorte. Hartmetall ist kein einheitlicher Werkstoff. Es handelt sich um eine Familie von WC-Co-Verbundwerkstoffen, deren mechanisches Verhalten über drei unabhängige Stellhebel eingestellt wird: Kobaltgehalt, Wolframkarbid-Korngröße und Karbidadditive. Eine falsche Kombination dieser Parameter ist die häufigste Ursache für das vorzeitige Versagen von Hartmetallbuchsen, Düsen, Matrizen und Bohrkomponenten.

Dieser Artikel beschreibt das Vorgehen von Eurobalt bei der Sortenauswahl im Rahmen des ISO 513 K-Klassensystems, das als Referenz in der europäischen Hartmetallfertigung dient, und zeigt, wie sich die Einsatzbedingungen in eine konkrete Sortenempfehlung übertragen lassen.

Warum die Sortenauswahl entscheidend ist

Ein WC-Co-Hartmetall liegt auf einer Pareto-Front zwischen zwei gegenläufigen Eigenschaften: Härte (bestimmt die Verschleißfestigkeit) und Biegebruchfestigkeit (bestimmt die Schlag- und Schwingfestigkeit). Beides gleichzeitig zu maximieren ist nicht möglich. Jede Sorte stellt einen gezielten Kompromiss an einer bestimmten Stelle dieser Kurve dar.

In der Praxis bedeutet das:

• Eine Düse, durch die reines abrasives Wasser strömt, profitiert von einer harten, feinkörnigen Sorte mit niedrigem Kobaltgehalt, doch dieselbe Sorte bricht bei Einsatz als Schlagbohreinsatz schlagartig aus.
• Eine Buchse in einem Schlaghammer benötigt eine zähere Sorte mit höherem Kobaltgehalt, verbaut man jedoch dieselbe Sorte in einer Präzisionsdrossel, verschleißt sie innerhalb weniger Stunden.

Der Auswahlprozess folgt daher nicht dem Prinzip „härtester verfügbarer Werkstoff gewinnt“. Er besteht darin, die Position auf der Härte-Zähigkeit-Kurve an den im Betrieb dominierenden Versagensmechanismus anzupassen.

Die drei Stellhebel der Hartmetalleigenschaften

1. Kobaltgehalt (Bindephase)

Kobalt bildet das zusammenhängende metallische Netzwerk, das die WC-Körner verbindet. Es ist der zentrale Stellhebel für die Zähigkeit.

Co-Gehalt	Verhalten
3-6 %	Höchste Härte, geringste Zähigkeit, ausschließlich reiner Abrasivverschleiß
6-10 %	Ausgewogener Verschleiß und moderate Schlagfestigkeit
10-15 %	Deutlich verbesserte Schlagzähigkeit, reduzierte Härte
15-25 %	Anwendungen mit starker Schlagbeanspruchung und Umformung, etwa Kaltstauchmatrizen

Jeder zusätzliche Prozentpunkt Kobalt senkt die Härte in der Regel um etwa 0,5 HRA und erhöht die TRS um 50-100 MPa.

2. Wolframkarbid-Korngröße

Die Korngröße wird nach ISO 4499 klassifiziert und beeinflusst die Eigenschaften ebenso stark wie der Kobaltgehalt. Bei gleichem Co-Gehalt liefert ein feineres Gefüge höhere Härte und bessere Kantenstabilität, während ein gröberes Gefüge vor dem Bruch mehr Energie aufnimmt.

Klasse	Mittlere WC-Korngröße	Typische Wirkung
Ultrafein (UF)	< 0,5 μm	Höchste Härte, scharfe Kanten, empfindlich gegen Ausbrüche
Fein (F)	0,5-1,4 μm	Hohe Verschleißfestigkeit, feine Oberflächengüte
Mittel (M)	1,4-3,4 μm	Allzweck-Verschleiß- und Strukturbauteile
Grob (C)	3,4-5,0 μm	Verbesserte Thermoschock- und Schlagfestigkeit
Sehr grob (XC)	> 5,0 μm	Starke Schlagbeanspruchung, Gesteinsbohren

3. Karbidadditive

Geringe Zusätze sekundärer Karbide verändern einzelne Eigenschaften, ohne die WC-Co-Basis zu verändern:

• TaC, NbC: erhöhen die Warmhärte und verringern die Kantenverformung.
• Cr₃C₂: wirkt beim Sintern als Kornwachstumsinhibitor und verbessert die Korrosionsbeständigkeit.
• TiC: steigert die Warmhärte und verringert die Affinität zu eisenhaltigen Werkstoffen (relevant eher für Schneidwerkzeuge als für Verschleißteile).

Bei den meisten bei Eurobalt gefertigten Verschleiß- und Strukturbauteilen werden die Additive minimal gehalten, um das Zähigkeitsprofil des WC-Co-Grundwerkstoffs zu erhalten.

Sortenkarte der ISO 513 K-Klasse

Die ISO 513 K-Klassifikation umfasst Hartmetalle zur Bearbeitung von Gusseisen, Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Werkstoffen und gilt darüber hinaus als Standardreferenz für Verschleißteile und strukturelle Hartmetallkomponenten. Niedrigere K-Nummern stehen für härtere, verschleißfestere Sorten, höhere K-Nummern für zähere Sorten für Schlag- und Umformbeanspruchung.

Die folgende Tabelle zeigt den typischen Eigenschaftsbereich des bei Eurobalt gefertigten K-Sortenspektrums:

ISO 513 Klasse	Co-Gehalt	Korngröße	Härte (HRA)	TRS (MPa)	Dichte (g/cm³)	Typische Anwendungen
K01-K10	3-6 %	UF / F	91,5-93,0	1500-1800	14,9-15,1	Präzisions-Verschleißeinsätze, Wasserstrahldüsen, feine Durchflussdüsen, Dichtringe für leichte Beanspruchung
K20	6-8 %	F / M	90,0-91,5	1800-2100	14,7-14,9	Buchsen, Plunger, Ventilsitze, abrasiv beanspruchte Hülsen
K30	8-10 %	M	88,5-90,0	2000-2300	14,4-14,7	Öl- und Gas-Chokes, Bohrloch-Buchsen, magnetisierte Funktionsteile, allgemeiner Industrieverschleiß
K40	10-15 %	M / C	86,5-88,5	2200-2500	13,9-14,4	Walzrollen, Schlagbohrer-Einsätze, Bauteile unter zyklischer Schlagbeanspruchung
K50	15-25 %	C / XC	82,0-86,5	2400-2800	13,0-13,9	Kaltstauchmatrizen, Bergbaupicks, schwere Stanzwerkzeuge

Die angegebenen Werte stellen typische Bereiche dar und werden für jede Charge im nachfolgend beschriebenen internen Qualitätsprogramm bestätigt.