Struktur und Eigenschaften von P-Hartmetallen

Abstract

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Untersuchungen zum strukturellen Aufbau von P-Hartmetallen und dessen Einfluss auf physikalische und mechanische Eigenschaften.<br />P-Hartmetalle sind auf pulvermetallurgischem Weg und durch Flüssigphasensintern hergestellte Verbundwerkstoffe. Während in herkömmlichen Hartmetallen nur WC als harte Phase im Gefüge vorkommt, weisen P-Hartmetalle neben dem hexagonalen WC noch größere Mengen einer zweiten Hartstoffphase auf. Diese ist zumeist eine Mischphase aus kubischen Carbiden wie TiC, TaC und NbC. Oft wird auch TiN zugegeben, wodurch man anstelle eines Mischcarbides ein Mischcarbonitrid erhält.<br />P-Hartmetalle weisen gegenüber reinen WC-Co Hartmetallen bessere Hochtemperatureigenschaften wie höhere Warmfestigkeit und Härte, bessere Oxidationsbeständigkeit und eine geringere Diffusionsneigung auf. So können höhere Schnittgeschwindigkeiten bei der spanenden Bearbeitung von Stählen, was das Haupteinsatzgebiet dieser Legierungen darstellt, erreicht werden.<br />Wie herkömmlichen WC-Co Hartmetallen können auch P-Hartmetallen Kornwachstumshemmer in Form von Cr3C2 und/oder VC zugesetzt werden. Die theoretische Löslichkeit von Cr und V im Co-Binder als auch in der kubischen Phase ist von wichtiger Bedeutung. Es wird ein höchst möglicher Legierungszustand des Co angestrebt, da dieser sowohl die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Binderphase, als auch das Potential zur Kornwachstumshemmung verbessert. Ergebnisse systematischer Untersuchungen zu den Grenzlöslichkeiten, nicht nur von Cr und V, sondern auch der kubischen Carbidbildner, sind für P-Hartmetalle nur unzureichend vorhanden. Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich im ersten Teil mit dieser Aufgabenstellung, wobei die Lösungszustände der Bindephase, als auch der kubischen Phase in Abhängigkeit der C-Aktivität, des N-Gehaltes und der Sinteratmosphäre untersucht wurden. Die Erkenntnisse daraus wurden in weiterer Folge dazu verwendet, dotierte P-Hartmetalle unterschiedlicher Zusammensetzungen herzustellen, und den Einfluss von Dotierung, C-Gehalt und N-Gehalt auf die Ausbildung der Mikrostruktur und damit vor allem auf mechanische Eigenschaften wie Härte, Risszähigkeit, Biegefestigkeit und Weibull-Modul zu untersuchen. Weiters wurden auch physikalische Eigenschaften wie Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit gemessen und Versuche zur Charakterisierung der Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen durchgeführt.<br />Ziel der Arbeiten war es letztendlich, die Verschleißeigenschaften der untersuchten Legierungen zu verbessern.<br />

The available theses deals with studies concerning the structure and its influence on physical and mechanical properties of P-type hardmetals. P-type hardmetals are PM composite materials, which are produced by liquid phase sintering. Contrary to conventional WC/Co hardmetals, which only exhibit one hard phase, P-type hardmatels consist besides hexagaol WC of a second cubic hard phase. Cubic Carbides like TiC, TaC and NbC are the most used materials therefore and they form a solid solution during sintering process. Often TiN is also used for producing P-type hardmetals which leads to the formation of mixed carbonitrides instead of mixed carbides as the hard cubic phase. The application of a cubic hard phase improves properties at high temperatures like hardness, oxidation resistance or a less affinity for diffusion processes and therefore a better wear resistance. The main application of P-type hardmetals is the machining of steel.<br />Grain growth inhibitors like Cr3C2 and VC are added to hardmetals to get finer microstructures. The knowledge of the solubilities of these elements and also of W, Ti, Ta and Nb in the binder phase and in the cubic hard phase is of great importance for improving properties. There are no systematic studies concernig theoretical solubilities in these P-type alloys.<br />The first part of this thesis deals with this problem and studies solubilities dependent on carbon activity, nitrogen content and sintering atmosphere. The results of these measurements are used to produce doped P-type hardmetals of different composition and study the influence of doping, C- and N-content on microstructure and mechanical properties like hardness, toughness, transverse rupture strength and statistics of Weibull. Physical properties like thermal diffusivity and thermal conductivity or the resistance against high temperature oxidation are also measured. The general aim of this work is to improve wear resistance of the studied P-type hardmetals.