Polykristallines Wolframkarbid

Abstract

Hartmetalle sind Verbundwerkstoffe aus Wolframkarbid (WC) als Hartstoffphase und überwiegend Kobalt als Binderphase. Die wesentlichen Eigenschaften des Materials werden über den Bindergehalt und die Karbidteilchengröße im Hartmetall eingestellt. Der Bindergehalt kann zwischen 2 % und 30 % variieren. Die Teilchengröße des eingesetzten Wolframkarbids reicht von 100 nm bis 50 µm. Die Wolframkarbidteilchen haben abhängig von den Herstellungsbedingungen einen unterschiedlichen Aufbau und sind mehr oder weniger stark polykristallin. Diese innere Struktur wird vor allem über die Karburierungsbedingungen verändert, aber auch von Dotierungselementen beeinflusst. Während des Sinterns des Hartmetalls verändert sich das Wolframkarbid. Es kommt zu Auflösungs- und Abscheidevorgängen sowie zu einer Penetration des Binders in die WC-Korngrenzen der polykristallinen Teilchen. Dieses Aufspalten der Partikel führt zu einer Veränderung der Eigenschaften des Wolframkarbids und damit auch zu der des Hartmetalls. Dadurch hat der Aufbau der Wolframkarbidteilchen einen direkten Einfluss auf die Eigenschaften des daraus hergestellten Hartmetalls. Das Wissen über den Einfluss der Karburierungsbedingungen auf das Karbid im Teilchengrößenbereich von 1 µm bis 10 µm ist noch gering. Im Zuge dieser Arbeit wurde deshalb der Einfluss der Karburierungsbedingungen auf die Eigenschaften der hergestellten Wolframkarbidpulver im Teilchengrößenbereich von 1 - 5 µm und den daraus hergestellten Hartmetallen näher untersucht. Der Fokus lag vor allem auf den beiden Parametern Karburierungstemperatur und Dotierungen. In weiterer Folge wurde der Einfluss der Teilcheneigenschaften auf die daraus hergestellten Hartmetalle eruiert. Um ein besseres Verständnis über die Vorgänge während der Karburierung zu bekommen, wurden mechanistische Untersuchungen durchgeführt. Am Ende war es möglich, ausgehend von einem Wolframmetallpulver, durch Variation der Karburierungsbedingungen eine Vielzahl verschiedener Wolframkarbidpulver herzustellen, die nach der Sinterung Hartmetalle mit unterschiedlichen Eigenschaften ergaben.

Cemented carbides are metallic composite materials consisting of tungsten carbide as hard phase and mostly cobalt as binder phase. The main properties of the material are influenced by variation of the binder content (2 - 30 %) and variation of the particle size of the tungsten carbide powder (100 nm - 50 µm). The structure of the tungsten carbide particles depends on production conditions and is more or less polycrystalline. It is influenced by the carburization conditions, but also depending on the addition of doping elements. During sintering the tungsten carbide changes its properties. It dissolves and precipitates and the grain boundaries are penetrated by the binder, resulting in a disintegration of the particles. Hence, the properties of the tungsten carbide and thus also the properties of the cemented carbide are altered. As a consequence the properties of cemented carbides are influenced by the structure of the used WC powders. There is a lack of knowledge about the carburization of tungsten in the particle size range from 1 µm to 10 µm. Therefore the influence of the carburization conditions on the properties of the resulting tungsten carbide in the particle size range 1 - 5 µm was investigated. The focus was on the carburization temperature and the addition of doping elements. Furthermore the influence of the properties on the produced cemented carbides was evaluated. For a better understanding of the processes during the carburization, mechanistically experiments were performed. Based on the acquired knowledge it was possible to produce a lot of different tungsten carbide powders starting from the same tungsten metal powder just by variation of the carburization conditions. Not only the properties of the tungsten carbide itself could be changed, but also the properties of the resulting cemented carbides.