Optimierung des Randzonengefüges von Funktionsgradientenhartmetallen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden die Vorgänge während der Herstellung von Funktionsgradientenhartmetallen (FGHM) mit dem Ziel der Optimierung sowohl der Bulkeigenschaften als auch der Eigenschaften des modifizierten Randbereichs untersucht. Diese Abstimmung ist unabdingbar für die verlangte Steigerung der Schneidleistung und die Erweiterung der Einsatzfelder dieser Werkzeugmaterialien. Um den Einfluss der Zusammensetzung zu analysieren, wurde das Sinterverhalten an fünf verschiedenen WC-(Ti,Ta,Nb)(C,N)-Co-Hartmetalllegierungen mit unterschiedlichen Mischcarbid- und N-Anteilen untersucht. Die Steuerung der Eigenschaften erfolgte in dieser Arbeit ausschließlich über den Zeitpunkt und die Höhe der N2-Zugabe zur Sinteratmosphäre. Idealerweise erfolgt der Aufbau des Gradienten erst nach Bildung der Flüssigphase. An diesem Punkt im Sinterzyklus sollte die Oberfläche nahezu gradientenfrei sein und eine geringe Rautiefe aufweisen. Das ist über die genaue Abstimmung des N2-Drucks im vorangegangenen Sinterabschnitt möglich. Um zu einem tieferen Verständnis des Sinterprozesses zu gelangen, wurden die CO- und N2-Entgasungscharakteristika mittels Massenspektrometrie und Messungen des Schmelz- und Schwindungsverhaltens in Abhängigkeit der Sinteratmosphäre durchgeführt. Damit konnte für alle Legierungen bewertet werden, wie stark die N-Aktivität den Löslichkeitszustand der Binderphase durch den Austausch von C gegen N in der kubischen Hartstoffphase beeinflusst. Durch die zusätzlich durchgeführten systematischen Abbruchversuche ließen sich die Vorgänge während der Sinterung mitverfolgen. Dadurch konnte bei allen Legierungen eine vorübergehende Bildung von [eta]-Carbiden, vornehmlich an der Oberfläche, festgestellt werden, die durch die Zugabe von N2 zur Sinteratmosphäre wieder rückgebildet wurden. Messungen des Verlaufs von Dichte, spezifischer Sättigungsmagnetisierung und Koerzitivfeldstärke brachten zusätzliches Verständnis für diese Vorgänge. Im letzten Teil der Arbeit wurden zwei Gradiententypen, bezeichnet als ´regulärer´ und ´inverser Gradient´, hergestellt und umfassend charakterisiert. Der reguläre Gradient weist eine Anreicherung von Mischcarbonitriden an der Oberfläche auf. Der inverse Gradient zeichnet sich durch eine Ti(C,N)+Co-Anreicherung unterhalb einer mischcarbidfreien WC+Co-Zone aus. Der Härteverlauf innerhalb der Randzone konnte durch die Analyse der Element- und Phasenverteilung erklärt werden. In Dreh- und Frästests zeigten FGHM dieses Typs eine ausgesprochen hohe Schneidleistung, die sogar höher als die von PVD-beschichteten Wendeschneidplatten lag.

In the present work the processes during the sintering of functional gradient hardmetals (FGHMs) were investigated in order to optimise the properties of both the bulk and the modified near-surface region. This adjustment is an essential prerequisite for the demanded increase of the cutting performance and the extension of application fields of these cutting tools. To analyse the influence of the chemical composition, the sintering behaviour of five different WC-(Ti,Ta,Nb)(C,N)-Co-based hardmetal alloys with varying contents of the fcc phase and of N was investigated. In this work the properties of the alloys were exclusively controlled by varying the time and the level of the N2 addition during sintering. Ideally, the formation of the gradient is initiated after liquid-phase formation. At this sintering state the surface region should be nearly gradient-free and should show a low level of surface roughness. This was achieved by an exact control of the N2 pressure during solid-state sintering. To acquire detailed understanding of the occurring processes, evolving gas analysis of the CO and N2 evolution was carried out by mass spectroscopy. The melting behaviour as well as the shrinkage behaviour as a function of the sintering atmosphere were examined. Hence, the influence of N activity on the solution state of the binder phase via the exchange of C by N in the fcc phase could be estimated for all investigated alloys.<br />Additionally, the monitoring of the processes during sintering was possible by systematic interruptions of the heating cycles. For all alloys, a temporary formation of [eta]-carbides, especially on the surface of the samples, was detected. By the addition of N2 to the sintering atmosphere these phases were re-dissolved. Further understanding of the processes during sintering was obtained by measuring the density, the specific magnetic saturation and the coercive force of the samples. The last part of this work was attributed to the formation and the extensive characterisation of two types of gradients.<br />The ´regular´ gradient shows an enrichment of cubic hard-phases at the surface and therefore an increase of hardness towards the surface. The ´inverse´ gradient shows an enrichment of Ti(C,N) and Co underneath a WC+Co-zone. The measured variations in the hardness distribution could be explained by the analysis of the element and phase distribution. This type of FGHM showed a excellent cutting performance in both turning and milling tests and could even outperform PVD-coated hardmetals.