Ein Blick hinter die Kulissen der upGrade-Sorte CT-GS20Y von Ceratizit

Im Zuge eines Forschungsprojekts untersuchte die Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL) die mechanischen Eigenschaften sowie das Belastungs- und Schädigungsverhalten der Hartmetallsorten CT-GS20Y und CTS20D.

Die neue upGrade-Sorte CT-GS20Y ist wie die Premiumhartmetallsorte CTS20D ein 10 %-Binder-Submikron-Hartmetall mit einer eingestellten Wolframkarbidkorngröße von 0,5 bis 0,8 µm. Diese Sorte wird bevorzugt für Bohr- und Fräswerkzeuge aus Vollhartmetall angewendet und deckt damit 70 % des Einsatzfeldes ab. Um den Qualitätsanforderungen zu genügen, unterzog Ceratizit die neue Hartmetallsorte CT-GS20Y, die aus 99 % hochwertigen Sekundärrohstoffen besteht, eingehenden Zerspanungsversuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Hartmetallsorte CT-GS20Y der Premiumhartmetallsorte CTS20D in Hinblick auf erzielbare Werkstückoberflächengüte und der Widerstandsfähigkeit gegen Werkzeugbruch um nichts nachsteht. Dennoch möchte Ceratizit unter Beweis stellen, dass Sekundärrohstoffe in ihrem Produkt keinen Einfluss auf Verformungs- und Kriecheigenschaften unter extremen thermischen und mechanischen Lasten haben.

Übersichts- und Detailaufnahme des Gefüges der upGrade-Sorte CT-GS20Y in a) und b) sowie der Premiumhartmetallsorte CTS20D in c) und d), aufgenommen am MCL mit Zeiss Gemini SEM 450. Für die Aufnahmen wurde die Probenoberfläche mit Argon-Ionen poliert. In den Aufnahmen erscheint das Wolframkarbid hell, während der Kobaltbinder dunkel ist.

Gemeinsames Forschungsprojekt

Im Zuge eines gemeinsamen Forschungsprojekts untersuchte die Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL) die mechanischen Eigenschaften sowie das Belastungs- und Schädigungsverhalten der Hartmetallsorten CT-GS20Y und CTS20D. Um das Gefüge zu beurteilen, wurde am MCL hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie (REM) eingesetzt. Das REM bildet die Probenoberfläche durch Abtasten mit einem gebündelten Elektronenstrahl ab. Dies ermöglichte, die Verteilung der Wolframkarbide in der Kobaltmatrix zu untersuchen. Trotz eines hohen Sekundärrohstoffanteils in der Sorte CT-GS20Y weisen beide Hartmetallsorten dieselbe Gefügestruktur auf. Zusätzlich wurde die Form der Wolframkarbide begutachtet, die keinerlei Unterschied zwischen den Hartmetallsorten erkennen ließ.   Darüber hinaus wurden Elektronenrückstreubeugungsuntersuchungen (EBSD) durchgeführt, um kristallografische Information zu extrahieren: EBSD ermöglicht die Unterscheidung von kristallografischen Phasen, um bspw. die Korngrößen, -orientierung und -grenzen zu charakterisieren. So wurden Kristallorientierungsbilder der Wolframkarbidkörner der upGrade-Sorte CT-GS20Y und der Premiumhartmetallsorte CTS20D erstellt. Auf Basis der EBSD-Aufnahmen wurde zudem die Wolframkarbid-Korngrößenverteilung beider Hartmetallsorten gemessen. Die Karbidkorngrößenverteilung zeigt eine Streuung vom Nanometerbereich bis hinauf zu vereinzelten 2,0 µm großen Körnern. In beiden EBSD-Aufnahmen wurden ungefähr 5.000 Karbide erfasst, wobei der Großteil davon in der eingestellten Submikrongröße zwischen 0,5 und 0,8 µm vorliegt.

Hohen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt

Während dem Einsatz bspw. als Werkzeugmaterialien in der Zerspannung sind Hartmetalle hohen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt. Je nach bearbeitetem Material, verwendetem Fertigungsverfahren und angewandten Prozessparametern werden Temperaturen zwischen 600 und 1.000 °C erreicht. Um das Materialverhalten während der Zerspanung zu verstehen, wurden am MCL Experimente unter monoton steigender und zyklischer Beanspruchung sowie Kriechversuche unter konstanter Last und erhöhter Temperatur durchgeführt. Um die Hartmetallsorten unter einachsiger Belastung sowie bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 900 °C zu prüfen, kam eine servohydraulische Prüfmaschine mit Vakuumkammer zum Einsatz. Längenänderungen während dem Versuch wurden berührungslos mit einem hochpräzisen Laserextensometer gemessen. Die Probe wurde dabei induktiv auf die gewünschte Temperatur gebracht und die Konstanz der Temperatur über die Messlänge durch den Einsatz von Thermoelementen sichergestellt. Um ein Ausknicken unter Druckbelastung zu verhindern, haben die Proben eine Sanduhr-Geometrie.

Die Spannungs-Dehnungskurven, aufgenommen unter monoton steigender Druckbelastung, zeigen, dass mit einem Temperaturanstieg von Raumtemperatur bis zu 900 °C die Steifigkeit der beiden Hartmetallsorten signifikant abnimmt. Im Weiteren ist ersichtlich, dass beide Sorten bei den jeweiligen Temperaturen ein ähnliches Verformungsverhalten aufweisen. Zyklische Versuche unter reiner Druck-, symmetrischer Zug- und Druckbeanspruchung sowie auch Kriechversuche zeigten dieselbe Tendenz zu gleichem Verformungsverhalten.

Kein messbarer Einfluss

Das Forschungsunternehmen MCL konnte durch Untersuchungen der Gefügestruktur und des Verformungsverhaltens nachweisen, dass die upGrade-Sorte CT-GS20Y bei gleichen Beanspruchungen und unter erhöhten Temperaturen die gleichen Eigenschaften aufweist wie die Premiumhartmetallsorte CTS20D. Damit konnte bestätigt werden, dass die beiden Hartmetallsorten hinsichtlich dieser mechanischen Beanspruchungen gleichwertig sind und dass hochwertige Sekundärrohstoffe unter extremer mechanischer und thermischer Belastung keinen messbaren Einfluss auf die mechanischen und Kriecheigenschaften haben. Die Kunden von Ceratizit profitieren dadurch von einer höheren Preisstabilität und Versorgungssicherheit, da für die Herstellung von CT-GS20Y zu 99 % hochwertige Sekundärrohstoffe verwendet werden, die zusätzlich Umwelt und Klima schonen.