Unternehmensnachrichten über Kann Wolframkarbid zu Stahl geschweißt werden?

In der industriellen Produktion besteht oft die Notwendigkeit, verschleißfeste Hartmetallteile (wie Verschleißauskleidungen, Werkzeugschneidkanten) mit hochfesten Stahlkomponenten (wie Gerätebasen, Halterungen) zu kombinieren. Diese Kombination nutzt die Verschleißfestigkeit von Hartmetall und die Zähigkeit von Stahl. An diesem Punkt fragen sich viele: "Kann Hartmetall direkt an Stahl geschweißt werden?" Als Branchenpraktiker mit jahrelanger Erfahrung in der Behandlung solcher Probleme lautet die klare Antwort: Ja, es ist möglich, aber es ist nicht einfach.

Die erheblichen Unterschiede in den Materialeigenschaften zwischen Hartmetall und Stahl (z. B. Schmelzpunkt, Wärmeausdehnungseigenschaften) bedeuten, dass gängige Schweißverfahren oft zu Rissen führen. Zuverlässige Verbindungen können jedoch durch die Auswahl des richtigen Schweißverfahrens und die Beherrschung der Schlüsseltechniken erreicht werden. Dieser Artikel erklärt die Hauptgründe, warum das Schweißen schwierig ist, 3 praktikable industrielle Methoden, praktische Anwendungsszenarien und Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung von Fehlern – alles basierend auf realen Fabrikerfahrungen, um Klarheit und Relevanz für den industriellen Einsatz zu gewährleisten.

Die grundlegende Herausforderung beim Schweißen von Hartmetall (WC) an Stahl (z. B. Kohlenstoffstahl, Edelstahl) ergibt sich aus ihren unterschiedlichen Materialeigenschaften, hauptsächlich in drei Aspekten:

Stahl hat typischerweise einen Schmelzpunkt von 1.450–1.550°C, während Hartmetall eine schlechte Stabilität bei hohen Temperaturen aufweist: Oberhalb von 1.300°C neigt es zur Zersetzung (Freisetzung von Kohlenstoff) und wird sogar spröde. Die hohen Temperaturen des konventionellen Schweißens (z. B. Lichtbogenschweißen, das oft 1.500°C übersteigt) beschädigen Hartmetall direkt und machen es unwirksam, bevor eine starke Verbindung hergestellt wird.

Beim Schweißen dehnen sich Materialien bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen. Stahl hat einen viel höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Hartmetall: Beispielsweise hat Kohlenstoffstahl einen Koeffizienten von etwa 12×10⁻⁶/°C, während der von Hartmetall nur 5×10⁻⁶/°C beträgt. Beim Abkühlen zieht sich Stahl viel stärker zusammen als Hartmetall, wodurch massive thermische Spannungen entstehen, die zu Schweißrissen oder Brüchen des Hartmetalls führen.

Stahl ist ein duktiles Metall, das sich unter Belastung verformen kann, ohne zu brechen. Im Gegensatz dazu ist Hartmetall ein keramikartiger Verbundwerkstoff (bestehend aus Wolfram-Kohlenstoff-Kristallen und Kobaltbindern) und von Natur aus spröde. Dieser Unterschied bedeutet, dass sich die Verformung von Stahl unter Belastung nach dem Schweißen direkt auf das Hartmetall überträgt, was zu einem spröden Bruch führt.

Industrieller Fall: Eine Werkstatt versuchte einmal, Hartmetallklingen mit herkömmlichem Lichtbogenschweißen an Stahlwerkzeughalter zu schweißen. Während des Abkühlens verursachte die thermische Spannung durch die Kontraktion des Stahlhalters, dass die Hartmetallklingen vollständig entlang der Schweißnaht rissen – wodurch die gesamte Charge von Teilen unbrauchbar wurde.

Trotz der Herausforderungen gibt es ausgereifte industrielle Lösungen für diese Schweißaufgabe. Die Kernstrategien sind "Temperaturkontrolle zum Schutz von Hartmetall" und "Spannungsabbau zur Vermeidung von Rissen". Im Folgenden werden die drei am häufigsten verwendeten Methoden vorgestellt:

• Prozessprinzip: Die Heiztemperaturen werden zwischen 800–1.100°C geregelt – hoch genug, um den Füllstoff zu schmelzen, aber niedrig genug, um eine Zersetzung oder Sprödigkeit des Hartmetalls zu verhindern. Beim Abkühlen erzeugt der verfestigte Füllstoff eine mechanische und teilweise metallurgische Verbindung.
• Vorteile: Geringe Anforderungen an die Ausrüstung (Flammen- oder Widerstandsofenheizung funktioniert), geringe Kosten, geeignet für die Massenproduktion, minimale thermische Schäden am Hartmetall und hohe Schweißeffizienz.
• Nachteile: Geringere Festigkeit als beim Schmelzschweißen, schlechte Schlagfestigkeit und ungeeignet für Anwendungen mit hoher Belastung oder hohen Stoßfrequenzen.
• Anwendungsszenarien:
  • Verschleißauskleidungen für Bergbauausrüstung (z. B. Schweißen von Hartmetallblöcken an Stahlbrecherbasen);
  • Allgemeine Schneidwerkzeuge (z. B. Verbinden von Hartmetallkanten mit Stahl-Holzbearbeitungsplanergehäusen);
  • Verschleißringe für Pumpen (z. B. Schweißen von Hartmetallringen an den Innenwänden von Stahlpumpengehäusen zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit).

Industrieller Fall: Ein Betonmischerhersteller verwendete kupferbasiertes Löten, um kleine Hartmetallblöcke an Stahlmischerschaufeln zu befestigen. Die Lebensdauer der Schaufeln verlängerte sich von 3 Monaten auf 12 Monate, mit einer Gesamtkostenreduzierung von etwa 30 %.

• Prozessprinzip: Die Kombination aus niedriger Temperatur und hohem Druck verhindert die Zersetzung von Hartmetall und fördert gleichzeitig die atomare Diffusion. Es wird kein Zusatzmetall benötigt – die Verbindung beruht auf der atomaren Bewegung innerhalb der Materialien selbst, was zu einer Schweißnahtfestigkeit führt, die der der Grundmaterialien nahekommt.
• Vorteile: Extrem hohe Verbindungsfestigkeit, keine sichtbare Schweißnahtoberfläche, hervorragende Abdichtung, geeignet für Präzisionsteile oder hohe Festigkeitsanforderungen und minimale Auswirkungen auf die Materialeigenschaften nach dem Schweißen.
• Nachteile: Hohe Investitionen in die Ausrüstung (spezielle Hochtemperatur-Hochdruck-Diffusionsöfen sind erforderlich), lange Produktionszyklen (jede Schweißnaht dauert mehrere Stunden), hohe Kosten und Ungeeignetheit für große oder unregelmäßige Teile.
• Anwendungsszenarien:
  • Spulen für Hydraulikventile (z. B. Schweißen von Hartmetall-Dichtflächen an Stahlspulen für leckagefreie Leistung);
  • Präzisionsformeinsätze (z. B. Verbinden von Hartmetallstempeln mit Stahlkaltstanzformrahmen für Maßgenauigkeit);
  • Hochfeste Luft- und Raumfahrtkomponenten (die sowohl die Zähigkeit von Stahl als auch die Verschleißfestigkeit von Hartmetall erfordern, mit strengen Zuverlässigkeitsanforderungen).

• Prozessprinzip: Die konzentrierte Energie des Lasers begrenzt die Erwärmung auf einen kleinen Bereich (Durchmesser des Schmelzbades typischerweise 0,5–2 mm), wodurch eine präzise Steuerung der Temperatur und des Wärmeeintrags ermöglicht wird. Dies minimiert die thermische Spannung. Das Zusatzmetall gleicht die Materialunterschiede zwischen Hartmetall und Stahl aus und verbessert die Schweißverträglichkeit.
• Vorteile: Schnelle Schweißgeschwindigkeit, kleine wärmebeeinflusste Zone, Fähigkeit, komplexe Formen zu schweißen (z. B. gekrümmte Oberflächen, kleine Lochkanten), geeignet für Kleinserienfertigung oder Teilereparaturen und ästhetisches Schweißnahtaussehen.
• Nachteile: Hohe Ausrüstungskosten (Faserlaserschweißgeräte sind teuer), hohe Qualifikationsanforderungen für Bediener (präzise Steuerung des Laserfokus ist erforderlich) und Ungeeignetheit für extra große Teile.
• Anwendungsszenarien:
  • Reparatur von verschlissenen Teilen (z. B. Schweißen von Hartmetallschichten zur Wiederherstellung der Abmessungen von verschlissenen Stahlwellen);
  • Herstellung von unregelmäßigen Werkzeugen (z. B. Verbinden von Hartmetallschneidköpfen mit Stahl刀柄 für kundenspezifische Fräser);
  • Kleine Präzisionsteile (z. B. Schweißen von Hartmetall-Verschleißpunkten an Stahlventilkernen mit Durchmessern ≤10 mm).

Selbst bei der richtigen Schweißmethode kann eine unsachgemäße Bedienung zu Schweißrissen, Ablösung von Hartmetall oder anderen Problemen führen. Konzentrieren Sie sich basierend auf der industriellen Erfahrung auf diese vier kritischen Schritte:

Öl, Oxidschichten oder Rost auf den Schweißoberflächen beeinträchtigen das Benetzen des Zusatzmetalls oder die atomare Diffusion, was zu einem Verbindungsfehler führt. Spezifische Schritte:

• Hartmetalloberfläche: Mit 800–1.000er-Schleifpapier schleifen, um Oxide zu entfernen, bis ein gleichmäßiger metallischer Glanz sichtbar ist. Mit Alkohol oder Aceton abwischen, um Schleifstaub und Öl zu entfernen.
• Stahloberfläche: Rost mit einer Drahtbürste oder saurem Beizen entfernen, dann schleifen, um eine raue Oberfläche zu erzeugen (Rauheit Ra 1,6–3,2μm), um die Haftung mit dem Zusatzmetall zu verbessern. Abschließend mit Aceton mit einem fusselfreien Tuch reinigen.

Negativbeispiel: Eine Werkstatt entfernte vor dem Hartlöten nicht vollständig Öl von einer Stahlbasis. Während erste Inspektionen eine gute Verbindung zeigten, löste sich der Hartmetallblock nach 1 Woche Betrieb – aufgrund schlechter Haftung zwischen dem Zusatzmetall und dem ölverunreinigten Stahl.

Temperatur und Zeit sind entscheidend für die Schweißqualität; passen Sie sie basierend auf der Methode und dem Materialtyp an:

• Hartlöten: Temperaturen zwischen 800–1.100°C halten (nicht über 1.100°C hinausgehen, um eine Zersetzung des Hartmetalls zu verhindern). Die Heizzeit sollte gerade ausreichen, um den Füllstoff zu schmelzen und Lücken zu füllen (typischerweise 10–30 Sekunden pro Teil).
• Diffusionsbonden: Temperaturen bei 600–1.000°C und gleichmäßigen Druck halten (um ein Brechen des Hartmetalls durch lokale Spannungen zu vermeiden). Die Haltezeit hängt von der Teilestärke ab (normalerweise 1–3 Stunden für die vollständige atomare Diffusion).
• Laserschweißen: Laserleistung basierend auf der Teilestärke anpassen (typischerweise 500–1.500 W). Impulserhitzung (Heiz-Pause-Heiz-Zyklen) mit 1–2 Sekunden pro Impuls verwenden, um eine Überhitzung zu verhindern.

Um die nicht übereinstimmende Wärmeausdehnung zu berücksichtigen, fügen Sie eine Übergangsschicht (z. B. Nickellegierungsblech, Kupferlegierungsblech) zwischen Hartmetall und Stahl ein. Sein Wärmeausdehnungskoeffizient liegt zwischen den beiden Materialien und wirkt als Puffer, um die Abkühlspannung zu reduzieren:

• Implementierung: Schneiden Sie die Übergangsschicht so zu, dass sie der Größe des Schweißbereichs entspricht, klemmen Sie sie zwischen Hartmetall und Stahl ein und schweißen Sie die Baugruppe zusammen. Die Schichtdicke sollte 0,1–0,5 mm betragen (übermäßige Dicke verringert die Gesamtverbindungsfestigkeit).
• Ergebnis: Ein Hersteller von Bergbauausrüstung reduzierte die Schweißrissraten von 40 % auf unter 8 %, indem er beim Schweißen von Hartmetall-Verschleißauskleidungen eine Nickellegierungs-Übergangsschicht hinzufügte.

Schnelles Abkühlen nach dem Schweißen (z. B. Abschrecken in Wasser) verschärft die thermische Spannung und verursacht Risse. Verwenden Sie eine langsame Abkühlung, um die Spannung abzubauen:

• Natürliche langsame Abkühlung: Schweißteile in einer trockenen, windfreien Umgebung platzieren und über 24 Stunden natürlich abkühlen lassen. Vermeiden Sie die Einwirkung von niedrigen Temperaturen oder Zugluft.
• Niedertemperatur-Anlassen: Wenn möglich, Teile in einen Anlassofen legen, 200–300°C für 2–4 Stunden halten und dann mit dem Ofen auf Raumtemperatur abkühlen. Dies baut die innere Spannung weiter ab und verbessert die Verbindungsstabilität.

Das Streben nach übermäßiger Schweißnahtfestigkeit ist kontraproduktiv. Die inhärente Sprödigkeit von Hartmetall bedeutet, dass eine übermäßig starke Verbindung die Stahlverformung direkt auf das Hartmetall überträgt, wodurch es bricht. Eine gute Schweißnaht gleicht "Zuverlässigkeit" und "Spannungspufferung" aus, um einen spröden Bruch zu vermeiden.

Der Kobaltgehalt beeinflusst die Schweißbarkeit erheblich. Hartmetall mit niedrigem Kobaltgehalt (<5 %) hat eine schlechte Haftung an Füllstoffen oder Grundmetallen, was zu Schweißfehlern führt. Wählen Sie Sorten mit 8–15 % Kobalt für eine bessere Verträglichkeit.

Die Inspektion ist entscheidend, um die Qualität sicherzustellen. Führen Sie nach dem Schweißen Sichtprüfungen (auf Risse, Porosität), mechanische Tests (Zug-, Schlagtests) und Dichtheitsprüfungen (für abgedichtete Teile) durch, um zu vermeiden, dass fehlerhafte Teile zu Geräteausfällen führen.

Das Schweißen von Hartmetall an Stahl ist durchaus machbar, erfordert aber die Auswahl der richtigen Methode basierend auf dem Zweck, der Größe und den Leistungsanforderungen des Teils:

• Wählen Sie Hartlöten für die Massenproduktion und moderate Festigkeitsanforderungen;
• Wählen Sie Diffusionsbonden für Präzisionsteile und hohe Festigkeitsanforderungen;
• Wählen Sie Laserschweißen für komplexe Formen oder Reparaturen.

Durch striktes Befolgen der Oberflächenvorbereitung, Temperaturkontrolle, Verwendung einer Übergangsschicht und langsames Abkühlen können Sie Risse und Ablösungen vermeiden und eine zuverlässige Verbindung erzielen, die die Verschleißfestigkeit von Hartmetall und die Zähigkeit von Stahl kombiniert.

Wenn Ihre Teile besondere Arbeitsbedingungen aufweisen (z. B. extra große Größe, extrem hoher Druck, starke Korrosion) und Sie sich über das geeignete Schweißverfahren unsicher sind, wenden Sie sich gerne an uns. Wir können kundenspezifische Lösungen anbieten und sogar Schweißtests durchführen, um sicherzustellen, dass das Endprodukt den industriellen Anforderungen entspricht.