Microstructure of particle reinforced steels for mining industry

Abstract

Die Entwicklung von hoch verschleißfesten Materialien gegen Abrasion war das Ziel vieler Untersuchungen und wissenschaftlicher Arbeiten. Die Bergbauindustrie ist eines der Felder, die abrasionsresistente Materialien benötigen. Diese Materialen bestehen üblicherweise aus einem hohen Volumenanteil einer harten keramischen Phase, welche in eine zähe metallische Matrix eingebettet ist. Dies kann nur durch Pulvermetallurgie, im speziellen HIP (heiß isostatisches Pressen), bewerkstelligt werden. In dieser Arbeit werden Materialien alternativer Herstellungsprozesse untersucht. Pulver Vorsintern und direktes Warmstrangpressen von gekapselten Eisenbasis-Werkzeugstählen und harten Keramikphasen wird vorgestellt. Das Warmstrangpressen ermöglicht die Produktion von teilchenverstärkten Werkzeugstahlmatrix-Verbundwerkstoffen (PRM) mit bis zu 30% Wolframkarbiden (FTC, WC/W2C) oder Titankarbiden (TiC). Die ausgewählten Matrixmaterialien werden normalerweise als Warm- (AISI-H13) und Kaltarbeitsstähle (AISI-D7) verwendet. Plasma-Pulver Schweißen (PTAW) wird auch für die Produktion von verschleißbeständigen Schichten mit FTC Partikeln und H13 Matrix verwendet. Das Verhalten von Wolframkarbiden wird in Kombination mit Karbonyl-Eisen-Pulver (CN), Graphit und elementarem Bor beobachtet. Die Herstellungsprozesse werden erklärt und die resultierenden Mikrostrukturen präsentiert. Partikelverteilungen und deren Reaktionen mit der jeweiligen Werkzeugstahlmatrix werden mit Hilfe von Licht-, Rasterelektronen- und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Röntgendiffraktion (XRD) wird für die Phasenbestimmung der Pulverproben und extrudierten Proben verwendet. Ebenso wird die Verschleißbeständigkeit der extrudierten und der geschweißten Schichten mittels ASTM G-65 Trockener Dreikörperabrasivverschleiß bei Laborbedingungen untersucht. Lichtmikroskopische Untersuchungen zeigen eine nahezu homogene Verteilung der FTC und TiC Partikeln innerhalb des Kernes des Extrudates. Die Ausrichtung der FTC und TiC Phasen ist in Extrusionsrichtung. Hohe Wärmeeinbringung beim PTA Schweißen resultiert in einer massiven Auflösung der FTC Partikeln in der Matrix und reduziert den Volumenanteil der harten Partikeln. Der quantitativen Analysen der Volumenanteile der Phasen in den Extrudaten wurde die Rietveld-Methode zugrunde gelegt. Beide Extrudate mit Kalt- und Warmarbeitsstahlmatrix enthalten 13-30 vol.-% Restaustenit, gemeinsam mit unterschiedlichen Karbiden wie chromreichen M7C3, M23C6, und im Falle des Kaltarbeitsstahles vanadiumreiche MC-Phasen. Extrudate mit harten FTC Phasen enthalten neben WC und W2C außerdem 4 bis 17 vol.-% Eta-Karbid Fe3W3C. Eta-Karbid formt sich rund um die FTC Phasen, aufgrund von Austauschdiffusion mit der Metallmatrix bei hohen Temperaturen. Die Dicke der Diffusionszone um die FTC Partikeln hängt von der Temperatur und der Prozesszeit ab. Bei Extrudaten, welche TiC Partikel enthalten, wurde keine Diffusionszone in Nähe der TiC Partikel festgestellt. In der mittels PTA Schweißen hergestellten Schicht ist die Übergangszone deutlich geringer als jene bei den Extrudaten. Um die Wolframkarbide herum war in den Sinterproben mit Karbonyl-Eisenpulver keine Diffusionszone sichtbar. Eta-Karbide bildeten sich eutektisch entlang der angeschmolzenen Korngrezenen. Bor wirkt als Flüssigphasen-Sintermittel und hilft bei der Verdichtung der Proben und der Verringerung der Porosität. Ein Vergleich der Verscheiß- Massenverluste der Extrudate mit PTA geschweißten Schichten zeigt eine höhere Verschleißbeständigkeit der Extrudate. Der Grund dafür wird mit SEM Bildern der abgenutzten Oberfläche erklärt, welche dickere Eta-Karbid Zonen um die Partikeln in den Extrudaten haben, die als Binder agieren und die harten Partikel in der Matrix halten. Des Weiteren besteht der Volumenanteil der harten Partikel aus verbleibenden FTC Partikeln und den Eta-Karbiden. Beide sind in der Schicht der PTA Schweißung kleiner

Development of materials with high resistance against abrasion wear has been the target of extensive investigation and scientific research work. The mining industry is one of the fields that use abrasion resistant materials. These materials usually consist of a high volume fraction of hard ceramic phases embedded in a tough metallic matrix and can only be produced by the powder metallurgy route via hot isostatic pressing (HIP). In this work, the products of alternative manufacturing procedures are investigated. Powder sintering and direct hot extrusion of encapsulated mixtures of iron base tool steel and hard ceramic phase are presented. Hot direct extrusion enabled the production of particulate reinforced tool steel metal matrix composites (PRM) with up to 30% of fused tungsten carbide (FTC, WC/W2C) or titanium carbide (TiC). The selected matrices are commonly used hot (AISI-H13) and cold (AISI-D7) work tool steels. Plasma transferred arc welding (PTAW) is also used as a route for producing wear resistant coatings with FTC particles and H13 matrix on a substrate. The behaviour of tungsten carbide is studied in the mixture with carbonyl iron powder (CN), graphite and elemental boron during sintering. The manufacturing processes are explained and resulting microstructures are presented.<br />Particle distribution and their reaction with tool steel matrices are studied by optical microscopy, scanning and transmission electron microscopy. X-ray diffraction (XRD) is used to determine the phases in the initial powder and the extruded samples. Wear resistance of the extrudate and the welded coating is studied according to ASTM G-65 dry sand rubber wheel abrasion test in laboratory air at room temperature.<br />Optical microscopy reveals a nearly homogeneous distribution of FTC and TiC within the core of the extrudates. Alignment of FTC and TiC hard phases is seen in the extrusion direction. High heat input in the PTAW results in massive dissolution of FTC particles in the matrix and decreases the volume fraction of hard particles. Quantitative analyses of the phase volume fractions in the extrudates are done based on Rietveld refinements of the synchrotron X-ray diffractograms. Both extrudates with cold work and hot work tool steel matrices showed 13-30 vol.-% retained austenite together with different carbides like chromium rich M7C3, M23C6 and, in the case of cold work tool steel, vanadium rich MC phases. Extrudates with FTC hard phases besides WC and W2C also contain 4 to 17 vol% of Eta-carbide Fe3W3C. The Eta-carbide forms around the FTC hard phases, because of interdiffusion with the metal matrix at elevated temperatures. The thickness of the diffusion zone around the FTC particles depends on the temperature and time of processing. In composites containing TiC particles, no diffusion zones around the TiC particles are detected. In the PTA welded coating, this rim is significantly smaller than on the extrudates. No diffusion zone is visible around the tungsten carbide particles in the sintered mixture with carbonyl iron powder where Eta-carbides are formed at the grain boundaries as eutectic from melting with austenite. Boron acts as a liquid phase sintering agent and helps in densification of samples and decreasing the porosity. Comparing wear mass losses of the extrudates with the PTA welded coating showed higher wear resistance of the extrudates. The reason is explained by SEM images of worn surface, which shows thicker Eta-carbide rims around particles in the extrudates acting as a binder to keep the hard particles in the matrix. Furthermore, the relevant volume fraction of hard particles consists of the remaining FTC particles plus the Eta-carbide interface reaction product. Both are smaller in the PTAW coating