Die Rolle des Stickstoffs bei der Herstellung von Wolfram, Wolframcarbiden und Hartmetallen

Abstract

Wolframcarbidpulver werden in der Industrie zur Herstellung so genannter „Hartmetalle“ eingesetzt. Diese hochharten, metallischen Verbundwerkstoffe bestehen neben Wolframcarbid als Hartstoffphase aus zwei bis dreißig Prozent Kobalt als Binderphase. Hartmetalle weisen neben einer hohen Härte auch eine beträchtliche Zähigkeit auf. Da der Einsatz der Hartmetalle als Hochleistungswerkzeuge die Einwirkung massiver Kräfte auf das Material bewirkt, sind die Kombination aus Härte und Zähigkeit essentiell um einen Bruch im Betrieb zu vermeiden. Die Herstellung der Wolframcarbide erfolgt zunächst über die Stufe der Wolframmetallherstellung aus Wolframoxiden. Die Metallpulver werden mit hochreinem Ruß gemischt und in einer Hochtemperaturbehandlung unter Wasserstoff als Schutzgas (vor der Reoxidation) und Transportgas zu Wolframcarbiden umgesetzt. Während der Herstellung der Metall- und Carbidpulver werden in den Verfahren stets mehr oder minder große Mengen an Stickstoff aus der Luft eingebracht. Das Wissen über den Einfluss des Stickstoffs auf wesentliche Qualitätsmerkmale der Prozesse bei der Hartmetallherstellung ist jedoch gering und in der Literatur auch zum Teil widersprüchlich dokumentiert. Durch den Stickstoff können unter gewissen Prozessbedingungen auch Wolframnitride bzw. Wolframcarbonitride gebildet werden. Diese Verbindungen verhalten sich in den nachfolgenden Schritten und damit auch beim Hartmetallsintern anders als reines Wolframcarbid, womit sie die Eigenschaften der Hartmetalle beeinflussen könnten. In Zuge dieser Arbeit wurde also der Einfluss des Stickstoffs bei der Reduktion von Wolframoxid, bei der Carburierung von Wolframpulvern sowie binären und tertiären Metallpulvermischungen (Wolfram, Tantal, Molybdän, Chrom) und beim Sintern von Hartmetallen untersucht. Von den hergestellten Pulvern wurden metallographische Kupferschliffe angefertigt sowie die Oberfläche bzw. die chemische und phasenanalytische Zusammensetzung (XRD-Analyse, Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt) bestimmt. In den gesinterten Hartmetallen wurden die mechanisch-physikalischen Qualitätsmerkmale (Härte, magnetische Eigenschaften, Gefügeanalysen) untersucht, um die Vor- und Nachteile des Einflusses des Stickstoffs auf die Prozesse abzubilden.

Tungsten carbides are industrially used for the production of the so called “cemented carbides” (hard metals). These metallic compounds consist of tungsten carbide and two to thirty percent cobalt as binder metal. Cemented Carbides offer high hardness in combination with considerable toughness and stability. This combination is crucial for the application of cemented carbides as high-performance tools, where strong forces and heavy loads are applied and failure in operation has to be avoided. The synthesis of tungsten carbide starts with the production of tungsten from tungsten oxides. The tungsten-metal powder and high-purity soot are mixed and exposed to a high temperature treatment under reducing protective gas (hydrogen) which also accounts for the transport of the reacting carbon atoms. During these processes, a certain amount of nitrogen from the ambient atmosphere is always present. The knowledge of the effect of nitrogen on the processes from literature and industry is very limited and contradictory. Under certain process conditions, tungsten carbonitrides and tungsten nitrides can form when nitrogen is present. These compounds have a different comportment than pure tungsten carbide in the following process steps, and can thus influence the properties of thereof produced cemented carbides. In the present work, the influence of nitrogen on the most important process steps in the cemented carbide production (reduction of tungsten oxide, carburetion of tungsten as well as of binary and ternary metal powders (tungsten, molybdenum, chromium and tantalum) and the sintering of cemented carbides) was examined. The produced powders were characterized by metallographic examinations (copper embedded), their surfaces and their chemical and phase composition (XRD, carbon and nitrogen content). The sintered hard metals were characterized by their hardness, magnetic properties and micrographs to determine the advantages and inconveniencies of the influence of nitrogen on the processes.