Sintervorgänge in Ti(C,N)-Cermet-Legierungen

Abstract

Im allgemeinen Sprachgebrauch umfasst der Begriff "Cermet" Verbundwerkstoffe, welche auf Titancarbid bzw. Titancarbonitrid mit einem Cobalt- und/oder Nickel-Binder basieren. Diese Werkstoffe erweisen sich als nützlich in Einsatzgebieten, in welchen hohe Härten und hohe Zähigkeiten maßgeblich sind. Die Härte verdankt dieser Verbundwerkstoff der Hartstoffphase, die Zähigkeit der Binderphase.<br />In dieser Arbeit wurden die verschiedenen metallurgischen Reaktionen, die während einer Sinterung von Ti-Mo-W-Co-Ni-C-N-Cermets ablaufen, untersucht.<br />Hierzu wurden thermoanalytische und massenspektrometrische Untersuchungen an den einzelnen Rohstoffen sowie an Mischungen der Carbide und Carbonitride, mit der Bindermetalllegierung durchgeführt.<br />Hier wurde z.B. festgestellt, dass die Oberflächenoxide der Zusatzcarbide, WC und Mo2C, unterhalb von 1000°C abgebaut werden und dass die ersten flüssigen Phasen schon unterhalb von 1300°C gebildet werden.<br />Zusätzlich wurden Sinterabbruchversuche bewerkstelligt. Hierbei handelt es sich um Versuche, in welchen die Proben bis zu einem bestimmten Punkt gesintert und dann abrupt abgekühlt werden. Diese Methode erlaubt es die Reaktionen die während dem Sintern einer Legierung ablaufen zu beobachten und verstehen zu lernen. Die Proben wurden röntgendiffraktometrisch und mikroskopisch untersucht um zu ergründen was mit den einzelnen Legierungselementen passiert. Ferner wurden die magnetischen Kennwerte der Proben ermittelt, da diese Werte wichtige Informationsquellen zum Legierungsgehalt des Binders sind.<br />Außerdem wurden Modelllegierungen mit einem Bindermetallanteil von 30 m.% hergestellt und gesintert. Diese Legierungen wurden, ausgehend von der einfachsten Zusammensetzung unter sukzessiver Zugabe der Legierungselemente hergestellt. So konnte das analysierte System stark vereinfacht werden und die Einflüsse der jeweiligen Legierungselemente auf die magnetischen und die physikalischen Eigenschaften bestimmt werden. Ferner wurden diese Legierungen sowohl mikroskopisch bezüglich ihrem Sintergefüge als auch ihrem Ausgasungs- und ihren Aufschmelzverhalten untersucht. In diesen Untersuchungen stellte sich unter anderem heraus, dass sowohl das Mo2C als auch das WC eine starke Wirkung auf die Morphologie des Titancarbonitrids im gesinterten Gefüge haben.<br />

In current language the term "Cermet" covers the composite materials, which are based on titanium carbide respectively titanium carbonitride with a cobalt and/or nickel binder. These materials are useful in operational areas in which high hardness and high toughness are needed. The composite material owes its hardness to the hard phase; the toughness on the other hand is due to the binder phase.<br />This work deals with the different metallurgical reactions, which take place during the sintering process of a Ti-Mo-W-Co-Ni-C-N-alloy.<br />For achieving this goal thermoanalytic- and evolving-gas-analysis investigations were made. These measurements were accomplished on the individual raw materials as well as on mixtures consisting of carbides and carbonitrides with the binder metals. It could be stated for example that the surface oxides of the auxiliary carbides WC and Mo2C are reduced below 1000°C and that the first liquid phases are already formed below 1300°C. Furthermore, interrupted sintering experiments were performed. These experiments consist of sintering a sample to a certain point in the sintering profile and then down-cooling rapidly to ambient temperature.<br />This method permits to observe the different reactions that take place during sintering and to understand the phenomena. These samples were analysed by means of X-ray diffraction, microscopy, magnetic measurements and by hot extraction. Besides, the magnetic characteristic values of the samples were determined, since these values are important sources of information for the chemical composition of the binder.<br />In addition, model-alloys with a binder content of 30 wt.% were prepared and sintered. These alloys were manufactured, on the basis of the simplest composition and under gradual addition of the alloying elements. In this way the system could be simplified and the effects of the different alloying elements on the magnetic and the physical properties could be determined. Moreover, evolving-gas-analysis, microstructure analysis as well as melting behaviour investigations were carried out on these model-alloys. These investigations showed for example that WC as well as Mo2C has a strong effect on the sintered microstructure of the cermet. The various analytical results were combined and helped to identify the different reactions taking place during the sintering process.