Keramische Werkstoffe – eine Alternative zu Hartmetall?

Herstellung von Werkzeugkomponenten auf einer Drahterodiermaschine „Cut 2000 S“: Lassen sich Maschinen- und Werkzeugteile statt aus Hartmetall auch aus Hochleistungskeramik – wie Aluminiumoxid/Zirconiumdioxid-Hybridwerkstoffen – fertigen?

Foto: Rauschert Heinersdorf-Pressig GmbH

In einer Vielzahl von technischen Anwendungen mit hoher mechanischer Beanspruchung wird weltweit in großen ­Mengen Hartmetall eingesetzt. Infolge der dominierenden Marktmacht der Volksrepublik China bei der Verarbeitung dieses Werkstoffs wurden die Preise jedoch deutlich angehoben und die freie Verfügbarkeit durch Lizenzvergabe eingeschränkt. Mit bestimmten keramischen Werkstoffen, deren Bestandteile weltweit zugänglich sind, ist es allerdings möglich, Hartmetalle in ­relevantem Umfang zu substituieren.

Hartmetall bietet ideale Materialkennwerte

Hartmetalle sind Metall-Matrix Verbundwerkstoffe aus Hartstoffen (meist Wolframcarbid), die als kleine Partikel in eine ­Bindephase-Matrix (meist Cobalt oder Nickel) eingelagert sind. Diese Werkstoffe kombinieren hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit, was ihren Einsatz für verschiedene industrielle Anwendungen unter extremen Bedingungen möglich macht [1].

Ihre Materialeigenschaften erlauben den Gebrauch für Zerspan- und Schneidwerkzeuge wie Bohrer und Fräser oder als Stanzwerkzeuge. Aufgrund ihrer Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit gestatten Hartmetalle höhere Bearbeitungs­geschwindigkeiten als viele andere Werkstoffe, bei gleichzeitig langer Lebensdauer und hoher Präzision. Dementsprechend werden Hartmetalle in verschiedenen Industriesektoren wie dem Maschinenbau, der Automobilindustrie, der Medizin- und Zahntechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Bild 1 zeigt die Preisentwicklung von Wolfram im Zeitraum von Februar 2025 bis Juni 2026. Wie bei anderen kritischen Rohstoffen dominiert die Volksrepublik China die Wertschöpfungskette von Hartmetallen und hat Exportkontrollen für diesen strategischen Rohstoff eingeführt. Verbunden mit gleichzeitig ­hoher Nachfrage aus Rüstungs- und Technologiesektoren hat dies zu einer Preissteigerung von Wolfram im Vergleichszeitraum um mehr als den Faktor 8 geführt [2].

In diesem Beitrag soll vorgestellt werden, wie technische Keramik als Alternative zu Hartmetallen für Werkzeugkomponenten eingesetzt werden kann.

Technische Keramik als Alternative

Als alternativer Werkstoff können Maschinen- und Werkzeugteile aus Hochleistungskeramik – bestehend aus Aluminiumoxid/Zirconium­dioxid-Hybridwerkstoffen – eingesetzt werden [3]. Insbesondere bei hochwertigen Anwendungen können Nichtoxid-Keramiken wie Siliziumnitrid (Si₃N₄) Anwendung finden. Insbesondere kommt hier die Variation Si₃N₄/TiN infrage, da sich diese ­Keramik durch ihre elektrische Leitfähigkeit erodieren lässt, so wie das auch beim Hartmetall möglich ist.

Bild 2 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von gesintertem Hartmetall und elektrisch leitfähigem Siliziumnitrid. Während Hartmetall ein zweiphasiger Verbundwerkstoff aus Hartstoffen ist, die in eine zähe metallische Matrix eingebettet sind, handelt es sich bei SiN um eine monolithische, einphasige Keramik aus SiN-Kristallen mit dünner amorpher Korngrenzenphase zwischen den Körnern sowie Einlagerungen von TiN-Partikeln. Die klassische Struktur von SiN bleibt dabei erhalten [4]. Wolframcarbid-Körner sind meist isometrisch-polyedrisch, während Siliziumnitrid eine nadelförmige Kornmorphologie aufweist. Diese nadelartigen Kristalle verzahnen sich ineinander.

Die elektrische Leitfähigkeit dieser Keramik kann durch die Betrachtung der Perkolation erklärt werden, wobei der Anteil von TiN auch andere physikalische Eigenschaften des Werkstoffes ­bestimmt [5].

Übersicht der Werkstoff­eigenschaften

Die Tabelle vergleicht die Werkstoffeigenschaften von Wolframcarbid mit denen von technischer Keramik. Bauteile aus technischer Keramik zeichnen sich – neben einer hohen Temperatur­beständigkeit – durch einen hohen Oxidations- und Korrosionswiderstand sowie eine relativ geringere Dichte im Vergleich zu Metallen aus. Die Verschleißfestigkeit von SiN minimiert den ­Abrieb von Werkzeugen im Gebrauch, was die Kontamination, ­etwa durch Co oder Ni, vermeidet.

Die thermische Leitfähigkeit von Hartmetallen beträgt 50 bis 120 W/(mK) je nach Zusammensetzung und Mikrostruktur [1]. Die thermische Leitfähigkeit von SiN liegt hingegen bei moderateren 15 bis 50 W/(mK), was dazu beiträgt, Wärme gleichmäßig zu verteilen und Spannung durch thermische Gradienten zu ­minimieren [4]. Darüber hinaus bietet SiN einen geringeren ­thermischen Ausdehnungskoeffizienten (3 – 4 x 10–6 K^-1 vs 4,5 – 6,5 x 10–6 K^-1) und eine hohe thermische Schockresistenz (~600 °C, bzw. ~300 °C bei SiN/TiN). Das Einbringen von TiN-Partikeln kann als Riss-Stopper wirken und die Bruchzähigkeit verbessern. TiN neigt bei hohen Temperaturen (>800 °C) an Luft zur Oxidation (Bildung von TiO2) und hat einen höheren Ausdehnungskoeffizienten (5 – 6 x 10–6 K^-1).

Anwendungsbeispiele im Bereich 
Werkzeugkomponenten

Anwendungen von SiN – unter Ausnutzung der elektrischen Isolierung sowie von Leichtbaupotenzial/Härte – sind Wälz- und Hybridlager, komplexe Schneidwerkzeuge und Wendeschneidplatten, Pumpenkomponenten, Düsen oder Führungen mit komplexen Innengeometrien, Mikrobohrungen oder scharfen Innen-Ecken. Weitere mögliche Anwendungen sind Handhabungs- und Bearbeitungswerkzeuge für die Halbleiterindustrie.

Bild 3 zeigt Beispiele der Anwendungsmöglichkeiten von elektrisch leitfähigem SiN/TiN. Einsatzfelder sind Komponenten für formgebende Werkzeuge, die zum Beispiel in Trockenpressen, Spritzgussmaschinen und solchen für Extrusion, Schneiden oder Stanzen genutzt werden. Eingesetzt werden sie im Maschinen- und Fahrzeugbau, aber auch in der Luftfahrt und der Militärtechnik.

In einem Forschungsprojekt (Projekt ELCER-Tools, NW-1504–0009) wurde eine Panzerung von Extruderschnecken in Kollaboration mit der Firma Alumina-Systems durch Fügung angebrachter SiN/TiN-Keramiksegmente erprobt. Dabei konnte der Verschleiß der Schnecke deutlich vermindert werden. Die Schnecke war fast ein Jahr im Einsatz und zeigte keine Ausfall­erscheinungen [7].

Wirtschaftlichkeit und Marktpotenzial

Als Referenzbeispiel für unterschiedliche Preise kann für einen Plattenrohling der Maße 100 mm x 40 mm x 30 mm mit etwa 960 € für Hartmetall (Quote Boehlerit GmbH & Co. KG) gerechnet werden. Der Preis für SiN/TiN liegt etwa 20 % günstiger. Für einen umfassenden Vergleich sind jedoch darüber hinaus der Maschinenverschleiß und die werkstückindividuelle Fertigungs­genauigkeit zu berücksichtigen. Die höhere Stabilität von Keramik bietet das Potenzial, durch eine geringere Belastung der Struktur den ressourcenschonenden Einsatz von Maschinen möglich zu machen und ihre Lebenszeit zu verbessern. Die geringeren Gesamtkosten über den gesamten Lebenszyklus können dadurch in manchen Fällen höhere Fertigungskosten für ein konkretes Bauteil ausgleichen. Aufgrund der geringeren Bruchzähigkeit technischer Keramik ist keramikgerechtes Konstruieren (bevorzugte Druckbelastung, gleichmäßige Wanddicken, sanfte Übergänge, spannungsfreie Montage) erforderlich, um dessen technische Stärken voll zu nutzen.

Während technische Keramik Hartmetall nicht in vollem Umfang ersetzen wird, bestehen jedoch Vorteile und Substitutions-Potenzial hinsichtlich höherer Schnittgeschwindigkeiten, Verschleiß- und Korrosionsschutz, Gewichtseinsparung und Dynamik, was höhere Drehzahlen zulässt.

Zusammenfassung und Ausblick

In diesem Beitrag wurde die Anwendbarkeit von technischer Keramik als Alternative zu Hartmetall für Werkzeugkomponenten im Maschinenbau dargestellt. Die Möglichkeit, weltweit zugäng­liche Rohstoffe für die Fertigung von Nichtoxidkeramik einzusetzen, stellt eine Gelegenheit dar, die Abhängigkeit von einer chinesisch kontrollierten Lieferkette zu reduzieren. Ihre hohe Härte macht technische Keramik zudem extrem widerstandsfähig gegen abrasiven Verschleiß. Aufgrund der moderateren Bruchzähigkeit sind jedoch bauteilgerechte Konstruktionen für den erfolgreichen Einsatz ausschlaggebend. Weitere Vorteile technischer Keramik sind ihre Temperaturbeständigkeit (> 1000 °C), Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit, die geringere Dichte und die thermische Isolation.

Literatur

[1] Prakash, L.; 1.02 – Fundamentals and General Applications of Hardmetals. In: Comprehensive Hard Materials (Ed. Sarin, V.K.) (2014), Vol. 1, S. 29–90.
[2] Henke, J.: Hersteller brauchen Wolfram, doch die Preise steigen rasant. Handelsblatt (2026).
[3] Burger, W.; Kiefer, G.: Alumina, Zirconia and Their Composite Ceramics with Properties Tailored for Medical Applications. Journal of Composites Science (2021), Vol. 5, Nr. 306.
[4] Heimann, R. B.: Silicon Nitride Ceramics: Structure, Synthesis, Properties, and Biomedical Applications. Materials (2023), Vol. 16, Nr. 5142.
[5] Zivkovic, Lj. M.; Nikolic, Z. S.; Boskovic, S. M.; Electrical Properties and Percolation Concentration in Si3N4-TiN based Composites. Key Engineering Materials (2002), Vol. 206–213, S. 1489–1492.
[6] Burger, W.; Kiefer, G.: Keramikwerkstoff (DE102014113416B4) (2014), Deutsches Patent- und Markenamt.
[7] Friedrich, H.; Wagner, R.; Sauerzapfe, K.: Development and Application of Electrically Conductive Ceramics. Ceramic Applications (2019), Vol. 7 (2), S. 35–39.

Autoren

Michael Metzler, M.Sc., ist technischer Direktor bei der Rauschert-Gruppe (www.rauschert-tec.com).
Rolf Wagner, Dr. rer. nat., ist technischer Berater für die Rauschert-Gruppe.