Hartstoffschichten

Hartstoffe funktionieren als Verschleißschutz nur dann effizient, wenn Beschichtungsdicke, Zusammensetzung und Oberflächenhärte stimmen. Prüfinstrumente von Fischer nutzen verschiedene Verfahren wie Röntgenfluoreszenz oder Nanoindentation, um beispielsweise Eigenschaften von TiN-Beschichtungen und anderen Hartmetallen oder Carbid­-Schichten exakt zu bestimmen.

Verschleißschutz & Hartstoffe prüfen

Application Notes

Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Hartstoffschichten

Hartstoffschichten finden in vielen Bereichen der Industrie Verwendung. Vor allem bei der spanenden Bearbeitung von Materialien werden inzwischen überwiegend Werkzeuge aus beschichteten Schneidstoffen eingesetzt. Je nach Anwendungsgebiet werden maßgeschneiderte Beschichtungslösungen zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit und damit der Standzeit hergestellt. Die Qualitätsüberwachung der maßgebenden Materialeigenschaften dieser Beschichtungen wie der Mikrohärte stellt hohe Anforderungen an die Messtechnik.

Typische Hartstoffbeschichtungen bei spanenden Werkzeugen wie beispielsweise Wendeschneidplatten oder Bohrern dienen hauptsächlich als Schutz gegen Verschleiß, denn Härte und Zähigkeit der Werkzeugschneide werden durch die Beschichtung bestimmt. Die im PVD- oder CVD-Verfahren aufgebrachten Beschichtungen wie z. B. Titannitrit (TiN) sind oft nur wenige Mikrometer dick, so dass eine Charakterisierung der Materialeigenschaften mittels klassischer Härtemessung kaum möglich ist.

Das Verfahren der instrumentierten Eindringprüfung („Mikrohärteprüfung“) bietet dagegen den Vorteil, dass exakte Messwerte bereits bei sehr geringen Schichtdicken (und damit geringen Eindringtiefen der Diamantpyramide) erzielt werden, wobei ein Substrateinfluss auf die Messwerte ausgeschlossen werden kann. Das FISCHERSCOPE® HM2000 arbeitet nach diesem Prinzip und kann neben der Martens-Härte (HM) der Schicht auch weitere Parameter wie die elastische Verformung ermitteln. Das integrierte Mikroskop erlaubt die exakte Positionierung auch auf kleinen Objekten.

Die verfahrensbedingte Rauheit der Schichten macht es zudem notwendig, die Anzahl der Messungen zu erhöhen, um einen aussagekräftigen Mittelwert zu erhalten. Mithilfe der präzise arbeitenden Positioniervorrichtung im HM2000 können solche Mehrfach-Messzyklen automatisiert werden. Beispielhaft sind nachfolgend Messergebnisse einer typischen TiN-Schicht auf einem Bohrer dargestellt.

Abb. 1: Tiefenabhängige Martens-Härte einer 1µm dicken TiN-Schicht, ab einem Zehntel der Schichtdicke zeigt sich bereits der Einfluss des Grundwerkstoffes (Bückle-Regel)

An der Standardabweichung erkennt man den Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit, also der Rauheit der zu messenden Schicht. Durch die Wiederhol­messungen ergibt sich aber die eindeutige Charakterisierung der Härte dieser Beschichtung. Aufgrund der einfachen Probenhandhabung beim FISCHERSCOPE® HM2000 können diese Messungen in einer relativ kurzen Zeit durchgeführt werden.

Mit dem FISCHERSCOPE® HM2000 können verschleißbestimmende Eigenschaften wie Härte und Zähigkeit von Hartstoffschichten an spanenden Werkzeugen wie Bohrern und Wendeschneidplatten präzise ermittelt werden. Zu weiteren Details und einer Probemessung steht Ihnen Ihr Fischer-Repräsentant jederzeit zur Verfügung.

Legierungsanalyse von Hartmetallen für Werkzeuge

Fräser und Bohrer werden zur Bearbeitung unterschiedlichster Materialien eingesetzt. Je nach späterem Verwendungszweck werden für deren Herstellung unterschiedliche Hartmetalle benötigt. Um die Qualität des Ausgangsmaterials genau bestimmen zu können, muss der Hersteller der Werkzeuge die Materialzusammensetzung des Hartmetalls genau kennen. Dazu ist eine präzise Legierungsanalyseanalyse bei der Wareneingangsprüfung unablässig.

Als Material werden gesinterte Carbidhartmetalle verwendet, die in den meisten Fällen hauptsächlich aus Wolframcarbid bestehen. Dazu kommen in sehr geringen Mengen Additive wie Titancarbid, Tantalcarbid, Chromcarbid oder Vanadiumcarbid, die je nach Zusammensetzung die Materialeigenschaften des fertigen Hartmetalls wesentlich beeinflussen.

Hartmetalle werden in verschiedene Gruppen eingeteilt: P-Hartmetalle zum Beispiel haben einen verhältnismäßig großen Anteil an Titan- und Tantalcarbid (TiC bzw. TaC) und werden zur Bearbeitung von langspanenden Werkstoffen wie Stahl oder Stahlguss verwendet. Hartmetalle der K-Gruppe sind fast TiC- und TaC-frei und werden bevorzugt für die Bearbeitung von kurzspanenden Werkstoffen wie Eisenguss, Nicht-Eisen-Metallen, gehärteten Stählen, Holz oder Kunststoff eingesetzt. Neben den konventionellen Hartmetallen auf Wolframcarbid-Basis gibt es auch Hartmetalle, die nur Titancarbid und Titannitrid als Hartstoffe beinhalten und sich durch eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit auszeichnen.

Um die Zusammensetzung des jeweiligen Hartmetalls genau analysieren zu können, hat sich die zerstörungsfreie Röntgenfluoreszenz-Analyse (RFA) gegenüber herkömmlichen chemischen Analyse-Methoden durchgesetzt. Mit der RFA können die Legierungsanteile auch bei geringer Konzentration von ca. 0,1 % schnell und präzise gemessen werden. Dazu werden Geräte mit Halbleiter-Detektor wie das FISCHERSCOPE® X-RAY XDAL® eingesetzt, um die beinhalteten Elemente sauber voneinander abgrenzen zu können.

Abb. 1: Vergleich zweier Wolframcarbid-Proben zu reinem Wolfram: gelb reines W, blau 1,2 % TaC (Probe1) und grün 9,8 % TaC (Probe2)

   

WC

Co

TiC

TaC

NbC

Cr3C2

VC

Ni

Mo

Probe 1

X

92,48

5,99

-0,41

1,16

0,60

-0,10

0,13

0,17

-0,02

s

0,28

0,14

0,29

0,13

0,03

0,09

0,20

0,05

0,01

Probe 2

X

69,19

8,17

10,17

9,77

2,51

-0,11

0,14

0,18

-0,02

s

0,53

0,07

0,48

0,41

0,05

0,11

0,24

0,04

0,01

Tab. 1: Messergebnisse für die beiden Proben aus dem Spektrum (in %)

Zur Analyse von Proben, die nicht nur aus reinen Elementen, sondern auch aus chemischen Verbindungen (Komponenten, z. B. Carbide) bestehen, bietet die WinFTM® Software den Komponentenmodus. Dadurch können eine Reihe von Komponenten wie z. B. WC bzw. TiC und TaC wie Elemente gemessen und im Ergebnis mit einem Messwert für die komplette Komponente angezeigt werden. Eine Umrechnung ist nicht mehr nötig.

Das FISCHERSCOPE® X-RAY XDAL® ist bestens geeignet für die präzise Legierungsanalyse von Hartmetallen. Eingesetzt in der Wareneingangskontrolle hilft es, die Zusammensetzung der eingehenden Hartmetalle zu prüfen und eine schnelle und exakte Materialzuordnung zu ermöglichen. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Ihren lokalen Ansprechpartner von Fischer.

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