WC-W2C particle reinforced powder metallurgy iron and nickel matrix composites produced by pressing and sintering

Abstract

Die Entwicklung neuartiger Materialien für Anwendungsbereiche, in welchen vor allem abrasiv beanspruchende Bedingungen vorherrschen, war das Ziel vieler wissenschaftlicher Arbeiten. Dafür haben sich Legierungen durchgesetzt, die aus einer zähen metallischen Matrix bestehen, die ihrerseits durch eine keramische Hartphase verstärkt ist. Aufgrund ihrer hohen Stabilität unter extrem abrasiven Bedingungen werden für solche Hartphasen häufig Partikel des Typs Wolfram-Schmelzcarbid WC-W2C verwendet.<br />In dieser Arbeit wurden Eisen- und Nickel-Basis-Legierungen, verstärkt mit Wolfram-Schmelzkarbid, auf pulvermetallurgischem Weg durch Pressen und Sintern hergestellt und untersucht. Da sich die WC- und W2C-Phasen der Hartpartikel nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befinden, können sich diese während thermischer Behandlung, z.B. beim Sintern durch Änderung des C-Gehaltes zersetzen, bzw. mit der Matrix reagieren.<br />Dies hat tendenziell einen Härteverlust und/oder eine Erniedrigung der Verschleißstabilität des Materials zur Folge. Durch die Variation der Sintertemperatur sowie bei Eisen-Basis-Legierungen des Kohlenstoffgehaltes wurden Materialien produziert, die sich vor allem in der Beschaffenheit ihrer Reaktionszone Matrix-Hartphase unterschieden. In der Folge wurden auch weitere Herstellungsparameter wie die Korngröße und Struktur der Ausgangspulver sowie deren Mischungsverhältnisse variiert. Weitere Materialmodifizierungen wurden durchgeführt, indem auch Proben mit einer Chrom-haltigen Eisenmatrix hergestellt und charakterisiert wurden.<br />Zwecks Ausbildung einer Kohlenstoff-Diffusionsbarriere zwischen Matrix und Hartphase wurden auch Proben aus Molybdän beschichteten Hartphasen hergestellt. Die Materialien wurden auf ihre mechanischen Eigenschaften sowie auf ihre chemische Zusammensetzung und Sinteraktivität untersucht.<br />Um das Hochtemperaturverhalten der Proben zu ermitteln, wurden Verzunderungstests an der Luft bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, und die so erhaltenen Proben durch optische und gravimetrische Analysen charakterisiert. Zur Prüfung der Verschleißbeständigkeit der Materialien wurden drei verschiedene Testarten durchgeführt (Stift-Scheibe-Test, Reibradtest, sowie Prall- und Abrasions-Verschleiß-Test an der Impeller Tumbler Maschine). Die Versuche zeigen, dass es viele Parameter gibt, die das Erscheinungsbild der Reaktionszone zwischen Wolfram-Schmelzcarbid und Matrixmaterial beeinflussen. Erhöhung der Sintertemperatur führt zu einer besseren Anbindung der Hartpartikel an die Matrix, aber auch zu einer verstärkten Auflösung von Wolfram-Schmelzcarbid. Zugabe von Kohlenstoff bei Eisen-Basis-Legierungen reduziert die Hartphasenauflösung und verbessert mechanische Eigenschaften wie Härte und Bruchfestigkeit. Die Oxidationstests ergaben, dass die Hartphasen die höchste Reaktivität mit Luft zeigen; ab etwa 700°C zerfallen sie unter Bildung von W-Oxiden; die poröse Eisenmatrix wird dagegen durch die Ausbildung von Zunderschichten und sich daraus ergebenden Porenverschluss gegen Oxidation in gewissen Ausmaß geschützt. Im Stift-Scheibe-Test erwiesen sich die Fe-Matrix-Werkstoffe als beständiger als die Ni-Basis-Varianten; neben Delamination und Tribooxidation trat vor allem im letzteren Fall auch adhäsiver Verschleiß auf. Im Reibradtest waren beide Varianten nicht sehr beständig, weil die weiche Matrix zwischen den Hartphasen "herausgewaschen" wurde. Insgesamt ist die Herstellung einer idealen, weder zu weichen noch zu spröden Reaktionszone mit guter Verbindung zwischen Hartphase und Matrixmaterial im Realfall nicht einfach und erfordert viele Kompromisse.<br />

A development of new materials for applications in highly abrasive environment has been a target of many scientific research projects. For that purpose, materials consisting of a fraction of hard ceramic particles embedded in a metallic matrix are widely used.<br />Particles of fused tungsten carbide WC-W2C type are frequently used for such applications because of their stability in extremely abrasive environments.<br />In this work, iron and nickel based alloys reinforced with fused tungsten carbide were produced by the powder metallurgy route of pressing and sintering and then characterized. Thermal treatments such as sintering lead to changes of the carbon content and to a decomposition and/or reaction of the hard phases with the matrix, because in this system the WC and the W2C phases are not in thermodynamic equilibrium with the matrix. As a consequence, the material tends to exhibit a hardness loss and/or its wear resistance decreases.<br />Iron and nickel based samples with different appearance of the reaction zone were produced by variation of the sintering temperature as well as of the carbon content in iron based samples. Furthermore, the production parameters such as particle size and structure of the powders used were varied as well as their composition. Other material modification was performed by using a chromium alloyed iron matrix material. In order to generate a carbon diffusion barrier between the matrix and the hard phase, samples were manufactured from molybdenum coated hard phases. Mechanical properties as well as chemical composition and sintering activity of the materials were studied.<br />Scaling tests in air at different temperatures were performed, in order to investigate the high temperature behavior of the samples. For that purpose, gravimetrical and optical analyses were carried out.<br />Characterization of the wear resistance was accomplished by three different wear tests (pin-on-disc test, dry sand rubber wheel test, and continuous impact abrasion test, performed on an impeller tumbler machine).<br />There are numerous parameters influencing the appearance of the reaction zone between fused tungsten carbide and matrix material. Increasing the sintering temperature leads to a better bonding between hard phases and matrix, but it also leads to stronger dissolving of fused tungsten carbide. A carbon addition to iron based alloys diminishes the amount of hard phase dissolution and improves mechanical properties, such as hardness and transverse rupture strength. Oxidation tests showed that from 700°C the carbide particles are heavily oxidized, forming fragmented W oxides, while porous Fe matrices are to some extent protected against further oxidation by formation of scales and resulting pore closure. In pin-on-disc tests Fe-matrix materials showed a higher wear resistance than Ni-based materials; Ni-based samples suffered from adhesive wear, and, like Fe-based materials, of delamination and tribooxidation. In the dry sand rubber wheel test both materials proved to be fairly unstable, due to a "wash out" effect of the soft matrix between the hard particles.<br />Overall, generating of an ideal reaction zone that is neither too soft nor too brittle, with a good bonding between hard phase and matrix material, is not easy, and it requires a high number of compromises.<br />