High entropy alloys als Binderphase in WC-Verbundwerkstoffen

Abstract

Die Substitution oder Verringerung des Co Anteils im Binder von WC/Co Hartmetalln erlangt aus ökonomischen, wirtschaftlichen und gesundheitlichen Aspekten immer größere Bedeutung. Die Suche nach einem geeigneten Ersatz mit gleichbleibenden Eigenschaften gestaltet sich dabei als große Herausforderung. HEA stellen durch ihre Eigenschaften einen möglichen Ersatz des CoBinders dar. Die Wechselwirkungen zwischen Wolframcarbid und HEA sind jedoch nur rudimentär bekannt, die wenigen bisherigen experimentellen Untersuchungen in der Literatur negieren darüber hinaus etliche Probleme wie -Carbid-Bildung und Veränderung der nominellen Binderzusammensetzung durch Reaktionen des HEA-Binders mit dem WC. Es werden Hartmetalle mit einer Auswahl verschiedener HEA Systeme hergestellt und in weiterer Folge die Phasenbildungen und Löslichkeiten der verwendeten Elemente untersucht. Mittels Metallographie, sowie LOM- und REM Untersuchungen wurden die theoretisch vorausgesagten Phasen aus ThermoCalc überprüft. Cr-Carbide wurden über einen veränderten Cr-Gehalt im HEA gesteuert, wodurch eine kubisch flächenzentrierte Binderphase im Hartmetall hergestellt werden konnte. Die Substitution von Chrom durch Mangan oder Kupfer verhinderte die Bildung dieser Cr-Carbide. Jedoch muss durch den hohen Dampfdruck von Mn auf ein Abdampfen und somit einen Verlust während der Herstellung geachtet werden. Durch Variation des Cu Gehalts kann in Abhängigkeit der Abkühlgeschwindigkeit Cu Segregation im Binder verhindert werden. Die Ergebnisse geben einen ersten Überblick über die Zusammensetzung möglicher HEABinder, welche unter definierten Bedingungen einen (teilweisen) Ersatz von Cobalt in Wolframcarbid Hartmetallen bilden können.

The substitution of cobalt in WC cemented carbides gets more and more important due to economical, ecological and health aspects. At the moment it seems difficult to find an appropriate substitute with similar or better properties than cobalt. In this case, the specific properties of HEA at high temperatures might make them an interesting alternetive. To use HEA as a binder in cemented carbides the interaction between HEA and WC needs to be revised. For these investigations, cemented carbides with different high entropy alloys as binder were produced and the phase formation and solubility of the elements in the binder was studied. The first step was to calculate phase diagrams and property diagrams for each system with ThermoCalc. To proof these theoretical models, metallographic preparation procedures where used to visualize different phases in the light microscope or the scanning electron microscope. To build a cubic face-centered binder phase (FCC) the amount of C and Cr may be varied to control the formation of - and Cr-carbides. It would be possible to inhibit the formation of Cr-carbides if chromium gets substituted by manganese or copper. For manganese, new difficulties occur due the high vapour pressure it would be possible that manganese evaporates during sintering. Certain amounts of copper in combination with low cooling rates after sintering could form segregations in the binder. The results of this thesis will give an overview for further investigations at this research field and possible useful high entropy alloys as binder for WC cemented carbides.