Hårdmetall är inte en vanlig metall i egentlig mening, utan faktiskt en komposit – ett sammansatt material bestående av extremt hårda partiklar inbäddade i ett bindemedel, vanligtvis volframkarbid (WC) och kobolt (Co). Till skillnad från stål, aluminium eller koppar, som är metalliska grundmaterial eller legeringar, har hårdmetall utvecklats specifikt för att erbjuda exceptionell slitstyrka, hårdhet och värmebeständighet. Där stål kan deformeras eller nötas ner vid hög belastning och temperatur, bibehåller hårdmetall sin form, skärpa och strukturella integritet under förhållanden där andra metaller ger vika. Just denna egenskap gör materialet väldigt passande för exempelvis svarvstål, vändskär, fräsverktyg, borrar och andra precisionsverktyg inom industrin!
Vad är hårdmetall? Ett material med 100 år på nacken!
Hårdmetall är ett pulvermetallurgiskt kompositmaterial som vanligtvis består av volframkarbid, ett extremt hårt keramiskt material, sammanbundet av ett mer segt metalliskt bindemedel – oftast kobolt. Kombinationen skapar ett material som är hårdare än de flesta metaller, men ändå tillräckligt segt för att inte vara helt sprött som keramer, det hade ju inte fungerat i så fall.
Materialet utvecklades redan under 1920-talet i Tyskland. Den första kommersiella versionen av hårdmetall togs fram av kemikoncernen Krupp 1923 och patenterades under namnet ”Widia” – en sammandragning av de tyska orden wie Diamant, vilket betyder ”som diamant”. Ursprungsidén var att ersätta diamanter i vissa industriella tillämpningar, eftersom diamant är betydligt dyrare och har vissa kemiska begränsningar, särskilt vid bearbetning av järnlegeringar. Diamant är visserligen lite hårdare än just hårdmetall, men sistnämnda passar utmärkt till de flesta områden.
Sedan dess har hårdmetall revolutionerat bearbetningsindustrin och blivit standard inom skärande bearbetning, bergborrning, gruvteknik och verktyg som kräver exakthet.
Utveckling och tillverkning genom åren
Tillverkningen av hårdmetall sker genom en process som kallas pulvermetallurgi. Processen innebär huvudsakligen följande steg:
1. Fint pulver av volframkarbid blandas med ett bindemedel, oftast kobolt, och ibland andra tillsatser såsom titankarbid eller tantalkarbid för att modifiera egenskaperna.
2. Blandningen pressas samman under högt tryck till en kompakt form, ofta kallad ”grön kropp”.
3. Denna kropp sintras i ugn vid temperaturer runt 1350–1500 °C, vilket får pulvret att smälta lokalt och binda samman till ett fast, extremt hårt material = hårdmetall.
Under årtiondenas gång har tekniken förfinats genom förbättrade pulverblandningar, bättre styrning av kornstorlekar och nya sintringstekniker. Modern hårdmetall tillverkas ofta med mycket specifika kornstorlekar – allt från mikro- till nanoskala – beroende på användningsområde. Dessutom kan man nu ytbehandla hårdmetall med PVD- eller CVD-belagda skikt av exempelvis titan-nitrid (TiN) eller aluminiumoxid (Al₂O₃), vilket ytterligare ökar slitstyrkan och livslängden.
Olika varianter av hårdmetaller
Materialet hårdmetall är faktiskt inte homogent utan finns i en rad olika sammansättningar, kornstorlekar och kvaliteter, samtliga anpassade efter olika användningsområden. De vanligaste parametrarna som varierar är bland annat dessa:
Karbidtyp
Absolut vanligast är som sagt volframkarbid, men även titankarbid och tantalkarbid används.
Bindemetall
Kobolt är i princip standard och något man ofta hör ute i handeln, men ibland används nickel eller järn i särskilda applikationer.
Kornstorlek
Grovkorniga hårdmetaller har hög brottseghet, medan finkorniga ger högre hårdhet.
Beläggningar
Hårdmetallverktyg kan vara obelagda eller belagda med olika keramiska material för att öka prestandan i olika miljöer.
Det finns också specialanpassade hårdmetaller för exempelvis träbearbetning (med hög seghet), för rostfritt stål (med kemisk resistens), eller för höglegerade metaller som kräver särskilda termiska egenskaper.
Användningsområde inom skär och verktyg
Hårdmetaller används idag inom nästan varje område där material behöver bearbetas eller brytas – med hög precision och i stor skala. Här radar vi upp några vanliga tillämpningar inom skärande bearbetning:
Borr
Spiralborrar, bergborrkronor och brotschar i hårdmetall används inom både industri, tillverkning och gruvteknik.
Tips! Hårdmetallborr hittar du hos Göhlins i Gnosjö AB! Ja, förutsatt att du vill ha kvalitet på riktigt förstås!
Svarvstål och fräsverktyg
Hårdmetallskär, exempelvis vändskär till svarv eller vändskär fräs, används för att bearbeta allt från mjuka aluminiumlegeringar till höglegerade stål i CNC-maskiner.
Hyvelstål och hyvlar
Särskilt vid bearbetning av hårda träslag eller kompositmaterial.
Stansverktyg och pressformar
Där hög slitstyrka och formstabilitet är avgörande.
Hårdmetallens låga slitage gör att verktygen håller längre, kräver färre verktygsbyten och ger högre produktivitet.
Materialet har även andra applikationer!
Användningsområdet för hårda metaller är betydligt bredare än enbart skärverktyg. Inom gruv- och tunnelindustrin används hårdmetall i komponenter som utsätts för extremt slitage, till exempel i bergborrkronor, skoptänder, krosskomponenter och slitageplattor. Materialets höga slitstyrka gör det särskilt lämpligt för dessa miljöer där konventionella metaller snabbt skulle nötas ner.
När det gäller medicinteknik återfinns materialet i vissa kirurgiska instrument, framför allt inom ortopedin, där precision och hållfasthet är avgörande. Dess dimensionsstabilitet och motståndskraft mot kemikalier gör det även användbart för ventiler, tätningar och munstycken inom den petrokemiska industrin – applikationer där både högt tryck och aggressiva medier förekommer.
Flyg- och rymdindustrin använder hårdmetall i specifika komponenter som måste kombinera låg vikt med hög slitstyrka och förmåga att tåla vibrationer och extrema temperaturväxlingar. Dessutom förekommer hårdmetall som slityta i en rad maskinkomponenter inom industrin, där den motverkar friktion och förslitning – till exempel i transportskruvar, kugghjul och lagerdelar som annars snabbt skulle förlora sin funktion i krävande driftmiljöer.
Vi sätter hårt mot hårt – hårdmetall vs vanlig metall
Vad skiljer egentligen hårdmetaller mot helt vanliga metaller? Det tar vi en titt på här nedan!
Fördelar med hårdmetall:
– Extremt slitstarkt – upp till 100 gånger längre livslängd än stål i vissa applikationer!
– Formstabilt vid höga temperaturer – bibehåller skärpa även vid 800–1000°C.
– Hög tryckhållfasthet – tål enorm mekanisk belastning utan att deformeras.
– Anpassningsbart – kan skräddarsys efter behov genom justering av kornstorlek, bindemedel och beläggning.
Nackdelar kommer man inte undan:
– Sprött i slagpåkänning – kan spricka om det träffas av plötsliga stötar.
– Dyrare att tillverka – pulvermetallurgi och specialmaterial kostar mer än vanliga stål.
– Svårbearbetat – kräver slipning med diamantverktyg för efterformning, dvs. om det ska bearbetas efter tillverkning.
Övriga material med dylika egenskaper
Ett relativt fåtal andra materialgrupper kan, tro det eller ej, jämföras med hårdmetall i prestanda, även om de inte fullt ut blir en ersättare. Några av dessa material är exempelvis:
Keramer (t.ex. aluminiumoxid, kubisk bornitrid)
Hårdare än hårdmetall men ofta ännu sprödare, används för högprecisionsslipning och vissa torra bearbetningsmiljöer.
Cermets
En blandning av keramer och metall, ofta med hög kemisk resistens, men något mindre slitstarka.
Polykrystallin diamant (PCD)
Används för bearbetning av icke-järnmetaller och kompositer – hårdare än hårdmetall men känslig för järn.
Höglegerade snabbstål (HSS)
Mindre hårda än hårdmetall men mer sega – används där slagpåverkan förekommer.
Inget material erbjuder exakt samma kombination av hårdhet, seghet, formbarhet och tillverkningsbarhet som hårdmetall.
Kuriosa: Vad är vanliga handverktyg tillverkade av?
Sedvanliga handverktyg såsom skruvmejslar, hylsnycklar, fasta nycklar och hammare är i princip aldrig tillverkade i hårdmetall – och det av goda skäl! Dessa verktyg utsätts av förklarliga skäl för både slag, böjningar och vridningar, där en spröd hårdmetall skulle riskera att spricka rätt så kvickt. Istället dominerar dessa material till verktygen i verktygsväskan:
Kromvanadinstål (Cr-V)
Ett legeringsstål med god slitstyrka och seghet. Chrome-Vanadium är perfekt till skiftnycklar, fasta nycklar, hylsnycklar, plattång, avbitartång osv.
Snabbstål (HSS)
I vissa högkvalitativa borrar eller sågblad. Namnet snabbstål beskriver materialets egenskaper väldigt bra, dvs. ett stål som klarar av mycket snabb bearbetning!
S2-stål
Vattenhärdande verktygsstål, här finner vi exempelvis skruvmejslar, bits, insexnycklar med mera.
Härdat kolstål
För enklare verktyg, såsom knivar, saxar osv.
Pulverstål (PM-stål)
I exklusivare verktyg, särskilt knivar och bits.
Skruvbits däremot kan ibland ha hårdmetallinslag eller beläggning för ökad livslängd, särskilt inom industriell användning.
Framtiden är hård!
En ljus morgondag väntar hårdmetaller, men den uppvisar också tecken på förändring och anpassning till nya krav, inom både teknik och hållbarhet, som så mycket annat i vårt samhälle. Ett av de mest prioriterade forskningsområdena är att minska beroendet av kobolt som bindemedel. Kobolt är inte bara dyrt, utan dess utvinning är också förknippad med etiska problem, särskilt i regioner som Demokratiska republiken Kongo där arbetsvillkoren ofta är bristfälliga. Här i EU har dessutom kobolt klassats som ett kritiskt material, vilket ytterligare ökar trycket på industrin att hitta alternativa lösningar. Som ett resultat pågår det intensiv forskning kring andra bindemetaller, där nickel och vissa järnlegeringar visar lovande resultat som mer hållbara alternativ.
En annan viktig utvecklingslinje handlar om nanostrukturerade hårdmetaller. Genom att kontrollera kornstorleken ner till nanoskala kan man påverka materialets egenskaper på mikronivå och därmed åstadkomma en kombination av högre hårdhet och ökad brottseghet – två egenskaper som annars brukar stå i motsatsförhållande till varandra. Denna teknik öppnar upp för nya verktygstyper som är både mer slitstarka och mindre benägna att spricka under mekanisk belastning.
Inom tillverkningsteknologin ser man en begynnande utveckling av additiv tillverkning, alltså 3D-printing av hårdmetallkomponenter. Även om tekniken fortfarande befinner sig i ett tidigt skede, undersöks möjligheterna att direktprinta komplexa verktyg och geometrier i hårdmetall, vilket skulle kunna revolutionera tillverkningsprocesserna och ge stor flexibilitet vid produktutveckling.
Sist men inte minst riktas förstås stor uppmärksamhet mot miljöaspekterna av hårdmetallproduktion. Mer energieffektiva sintringsprocesser utvecklas för att minska koldioxidavtrycket, och återvinning av använda hårdmetallverktyg blir allt viktigare för att både minska råmaterialbehovet och säkra tillgången på kritiska ämnen. Med industrins ökande krav på hållbarhet, effektivitet och materialprestanda, kommer hårdmetallens roll med största sannolikhet inte bara att bestå (där ligger ingen tvekan) – utan dock att stärkas ytterligare i framtidens tillverkande industri.
Vi summerar artikeln – hårdmetall för bearbetning av annan metall
Hårdmetall är ett tekniskt avancerat material som kombinerar hårdhet och hållbarhet på ett sätt som ingen vanlig metall kan matcha. Ursprungligen framtaget för över hundra år sedan, på 1920-talet, har materialet utvecklats till en nyckelkomponent inom skärande bearbetning, gruvteknik, och många andra industrier där höga mekaniska och termiska krav ställs. Genom pulvermetallurgi kombineras volframkarbid med kobolt till en extremt slitstark produkt – skräddarsydd för att leverera maximal prestanda under extrema förhållanden.
Olika varianter av hårdmetall gör det möjligt att optimera verktyg för specifika applikationer, medan konkurrerande material som keramer eller diamant har sina egna nischade användningsområden. Handverktyg är däremot nästan alltid gjorda i segare stål, inte hårdmetall, av praktiska skäl.
Framöver ser vi en utveckling mot mer hållbara, etiska och effektiva hårdmetaller, där materialval, tillverkningsmetoder och återvinning kommer att spela en allt större roll i framtidens industriella landskap.
Hoppas att du fann denna artikel intressant! Tipsa oss gärna om ytterligare ämnen att skriva om, det gör du smidigast via vårt kontaktformulär här på Nordic Manufacturing.
