Der Effekt von Kornwachstumsinhibitoren auf die Sinterverdichtung, Gefügeentwicklung und mechanischen Eigenschaften nanoskaliger und ultrafeinkörniger WC-Co-Hartmetalle

Abstract

In dieser Arbeit wurde unter Zugabe der Dotierungselemente VC, Cr3C2, TaC und Cr2N das Sinterverhalten und von Nano- bzw. Ultrafeinkorn Wolframcarbid-Cobalt (WC-Co) Hartmetallen untersucht und die nach einem Vakuum- und Druck¬sinterprozess erhaltenen Proben im Hinblick auf deren Gefüge und mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Ziel war es, unter Beibehaltung des nanoskaligen bzw. ultrafeinkörnigen Charakter des WC-Ausgangspulvers, ein ebenso feinkörniges WC-Co-Hartmetall zu erzeugen. Verwendet wurden konventionell erhältliche nanoskalige bzw.<br />ultrafeinkörnige WC-Pulver, welche mit Bindergehalten von 8 - 12 wt.% Cobalt die Basis des WC-Co-Hartmetalls bilden. Für eine homogene Verteilung aller Hartmetallbestandteile wurde eine Optimierung der Mischungs¬mahlung durchgeführt. In weiterer Folge wurde in Bezug auf die Kornwachs¬tumshemmung das Potential verschiedener Dotierungsvarianten, sowohl bei hohen als auch niedrigen Dotierungsgehalten herausgearbeitet.<br />Neben einer klassischen metallografischen Gefügebeurteilung wurde auch die WC-Korngröße nach der Linienschnittmethode (LI) an rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen (REM) bestimmt und mit der tatsächlich vorliegenden WC-Kristallitgrößenverteilung aus Electron Backscatter Diffraction Scans (EBSD) verglichen. Die Aufmerksamkeit lag dabei u. a. auf gröberes Korn, da dieses innerhalb nanoskaliger bzw.<br />ultrafein¬körniger Hart¬metallgefüge eine Schwachstelle darstellt und zur Beeinträchtigung der mech¬anischen Eigenschaften führt. Durch eine Umrechnung der eindimensionalen LI-Länge in ein zweidimensionales Flächenmaß, wurde gezielt auf die Anwesenheit von Grobkornanteilen hingewiesen. Weiters wurde als Vorraussetzung einer Optimierung des Sinterprozesses, ausgehend von der WC-Hartstoffphase im Einzelnen aber auch von kompletten Hartmetallansätzen, in Abhängigkeit von der Sintertemperatur das Ausgasverhalten mit Hilfe eines Massenspektrometers erfasst und deren Schwindungscharakteristik dilatometrisch gemessenen.<br />Nach der Arrhenius¬Beziehung wurden den Sinterstadien zugehörige Aktivierungs¬energien zugeordnet. Thermogravimetrische- und differentialthermo¬analytische Messungen lieferten ergänzende Informationen über Masseänderungen bzw. kalorische Effekte während des Sinterprozesses. Zur Charakterisierung mechanischer Eigenschaften wurde, ergänzend zur den durchweg ermittelten HV30-Härte und Palmqvist-Risszähigkeit KIc, die Biegefestigkeit (TRS) und der Weibull-Modul von ausgewählten Hartmetalllegierungen bestimmt. Details über das Bruchverhalten konnten mit einer Bruchflächenanalyse aufgezeigt werden. Durch magnetische Eigenschaftskennwerte wurde der C-Haushalt über den magnetischen Sättigungskennwert kontrolliert, wohingegen die Koerzitivkraft (Hc) in Kombination mathematischer Modelle eine Abschätzung der Feinheit der Gefügestruktur erlaubte.<br />Ergebnisse der Untersuchungen waren unter anderem, dass insbesondere Doppel- und Tripeldotierungsvarianten ein hohes Potential besitzen dem Kornwachstum nanoskaligen WC-Ausgangspulver entgegenzuwirken. Auch wenn das Ausgasen aller Hartmetallkomponenten im Wesentlichen bei 1000°C abgeschlossen ist, so wird die Restporosität des Hartmetalls durch dessen Dotierungsgehalt bestimmt. Im Rahmen einer Drucksinterung konnten jedoch dichte Hartmetalle einer A00 / B00 / C00-Porosität hergestellt werden. Ein Hartmetall auf Basis eines nanoskaligen WC-Pulvers zeigt ein deutlich besseres Härte/Zähigkeit-Verhältnis als eines, welchem ein ultrafeinkörniges WC-Pulver zu Grunde liegt. Biegefestigkeitsmessungen zeigten Werte von nahezu 4,6 GPa.<br />

In this work, the sintering behaviour of nano- and submicron-grained tungsten carbide-cobalt (WC-Co) hardmetals was analysed. The addition of grain-growth inhibitors such as VC, Cr3C2, TaC and Cr2N, their impact on the microstructure and on the mechanical properties was studied in detail by vacuum sintering and pressure- assisted treatment. The aim of this work was to retain the nano- and submicron- scaled character of the WC powders within the hardmetals' microstructure. Starting from commercially available nanoscaled and ultrafine-grained WC-powders, 8 - 12 wt.% Co was added to prepare WC-Co hardmetals. To achieve a homogeneous distribution of the hardmetal components the milling and mixing procedure was optimised. With respect to the grain-growth inhibition effect, the effectiveness of various doping compositions was inspected at high and low dopant amounts. In addition to standard metallographic microscopy analysis the WC grain size was performed by Linear Intercept (LI) method on scanning electron microscope images and the results were compared to crystallite size measurements obtained by electron backscatter diffraction (EBSD) measurements. By the fact, that individual large grains represent a weak point in the hardmetals' microstructure, which can substantially affect the mechanical properties of the material, the presence of large grains was especially considered. A transformation of the one-dimensional LI length into a two-dimensional square measure was used to highlight coarse grains. For optimising the sintering process the individual WC powders were blended with different types and amounts of dopant carbides and different amounts of Co and were analysed for their sintering, outgassing (MS-EGA) and shrinkage (DIL) behaviour. For estimating the activation energy of the characteristic shrinkage steps, an Arrhenius-type relationship was used. Differential thermal analysis (DTA) and thermogravimetric (TG) measurements were done to gain information on about thermal effects during the sintering process. Characterisation of the mechanical properties was done by hardness (HV30) and Palmqvist fracture toughness (KIc) measurements. The transverse rupture strength (TRS) and Weibull parameter of selected double- and triple-doped hardmetals were investigated. Details on fracture characteristics were found by observations of the fracture surface. Finally, magnetic properties like magnetic saturation and coercive force were used, to adjust the carbon level of the samples and to estimate the refinement of the hardmetals' microstructure.<br />Some results of these studies show that especially double- and triple-doping compositions exhibit a high potential to retain the nanoscaled character of WC powders within the hardmetals microstructure.<br />Even though the main outgassing of the hardmetal components is finished at 1000°C residual porosity within the hardmetal microstructure is depending on doping content. It can be completely removed by gas pressure treatment. Hardmetals produced from nanoscaled WC-powders show a better hardness/toughness relationship than ones based on ultrafine-grained WC powders. TRS is up to almost 4.6 GPa.