Warum ist die Härte einer Verschleißschicht nicht alleine entscheidend für die Lebensdauer?

Immer wieder werde ich gefragt, wie groß die Härte der von mir gefertigten Bauteile ist. Die Frage ist natürlich berechtigt, da wir über die Jahrzehnte so konditioniert wurden, dass die Härte das Maß aller Dinge ist. Für ein besseres Verständnis möchte ich mich heute mit der Frage beschäftigen, warum die Härte bei gepanzerten Bauteilen aber nicht alleine über die Lebensdauer eines Bauteiles entscheidet und warum eine geringere Härte trotzdem zu einer längeren Lebensdauer führen kann.

Per Definition ist Härte das, was ein Werkstoff dem Eindringen eines anderen entgegensetzt. Die Härteprüfung benutzt verschieden geformte Diamanten zum Eindringen in die Oberfläche und misst die eingedrungene Tiefe. Sehr harte metallische Werkstoffe werden mit dem HRC-Prüfverfahren nach Rockwell gemessen, Mineralien werden i.d.R. nach Mohs klassifiziert.


Aus dem Werkzeugbau kennen wir viele verschiedene Materialien mit finalen Härten zwischen 45 und 65 HRC. Die Auswahl des Materials und die Art der Wärmebehandlung in Kombination definieren die Werkstoffeigenschaften und entscheiden über die Haltbarkeit des Bauteils in seinem ganz spezifischen Umfeld. Die Belastungen sind häufig eine Kombination aus Hitze, Reibung, chemischer und schlagender Beanspruchung.


Meine hochverschleißfesten Bauteile mit aufgepanzerter Oberfläche bestehen in der Regel aus einem kostengünstigen, weichen Grundmaterial – wie z.B. S235 – und einer harten Verschleißschicht. Die Einsatzbedingungen sind auch hier immer eine Kombination aus verschiedenen Verschleißarten, erzeugt durch Reibung, Schläge, Säuren und Hitze.

 

Die Verschleißschicht wird durch verschiedene Schweißverfahren aufgetragen und besteht im Wesentlichen aus einer Matrix mit eingelagerten Carbiden.


Vereinfacht dargestellt entstehen Carbide im Schmelz- und Erstarrungsprozess (ähnlich dem Gußprozess) durch die Reaktion von hochwertigen Metallen mit Kohlenstoff. So entstehen z.B. Chrom-, Vanadium-, Niob- und Wolframcarbide. Die Härte der Carbide reicht von 900 HV bis 2900HV. Wolframcarbid ist hier Spitzenreiter mit einer Härte von 8,5-9,0 auf der Mohs Härteskala, was bedeutet, dass es fast so hart und verschleißresistent ist wie Diamant.


Je härter die Carbide sind, desto teurer sind sie leider auch. Daher verwenden wir eine Kombination aus dem relativ kostengünstigen Chromcarbid zusammen mit höherwertigen und kostenintensiven Carbiden aus Vanadium, Wolfram, Niob etc.


Die Carbide sind der eigentliche Verschleißpartner. Je härter und je dichter gepackt diese im Material sind, desto länger haltend ist grundsätzlich festzuhalten.


Die Matrix unserer Materialien ist das Trägermaterial, welches die Karbide festhält und am ausbrechen hindert. Stellen wir uns als Vergleich eine Waschbetonplatte vor, so ist die Matrix der Beton, die Karbide sind die Kieselsteine. Ist die Matrix zu hart, brechen die Carbide bei Schlagbeanspruchung heraus, ist sie zu weich, werden sie herausgerissen.

Grundsätzlich unterscheiden wir zwischen harten und weichen Matrixen. Beispiele wie folgt:

Bor generiert eine spröd-harte Matrix welche sehr gut bei Erosion & Abrasion ist, jedoch nicht so gut bei Schlägen.

Mangan hingegen lässt eine zäh-harte, gut verformbare und kaltverfestigende Matrix entstehen, welche sehr gut bei Schlagbeanspruchung ist.

Eine weitere Funktion einer Matrix ist die Temperatur- und Korrosionswiderstandsfähigkeit, welche durch die Elemente Chrom und Nickel entsteht.

Alles zusammen betrachtend stellen wir fest, dass die richtige Konzeption der Matrix extrem wichtig ist. Dafür müssen wir die Einsatzbedingungen der Verschleißteile kennen um individuell darauf eingehen zu können. Nur so kann sichergestellt werden, dass diese möglichst lange halten.

Wenn wir nun eine Härteprüfung an unserer Verschleißschicht durch das o.g. Rockwell-Prüfverfahren HRC vornehmen, so kann bei einer Prüfung ein Carbid oder die Matrix getroffen werden. Treffen wir mit dem Diamantkegel auf ein Karbid, so die Härte nicht gemessen werden, da der Kegel nicht eindringt. Treffen wir hingegen die Matrix, so hindern uns die benachbarten Carbide am tiefen Eindringen und die Skala zeigt recht unterschiedliche Werte an. Aus diesem Grund messen wir die Härte an verschiedenen Stellen und mitteln den Wert anschließend.

 

Fazit

Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass die Kombination aus verschiedenen Carbiden zusammen mit einer funktionellen Matrix darüber entscheiden, wie lange der Werkstoff der Beanspruchung widersteht, nicht die Härte alleine. Die Kunst für uns besteht darin, das optimale Verhältnis aus Herstellkosten und Betreibernutzen einer Beschichtung zu entwickeln und umzusetzen.

In den Bildern ist einerseits eine geschliffene Materialprobe mit mehreren Prüfpunkten, andererseits die HRC-Härteprüfung in unserem QS-Labor zu sehen.

DURAPARTS steht mit seinen Partnerbetrieben seit vielen Jahren für individuelle Verschleißschutzlösungen im deutschsprachigen Raum.