(W,Mo)C-based cemented carbides with alternative binder phase

Abstract

Aus folgenden zwei Gründen wurden (W,Mo)C-Hartmetalle mit Binder auf Ni-Basis untersucht. Zum einen ist Co aus wirtschaftlichen und gesundheitlichen Gründen ein kritisches Element. Daher ist es für den Hartmetallsektor von großem Interesse, den Verbrauch von diesem Element in Zukunft zu reduzieren oder zu ganz zu vermeiden. Zum anderen war das Ziel, den Wolframanteil in Hartmetallen durch Substition mit Molybdän zu reduzieren. Molybdän ist das einzige Element, das in WC in nennenswerter Menge löslich ist, ohne die Kristallstruktur zu verändern. In dieser Arbeit wurden (W,Mo)C-Hartmetalle mit Bindemitteln auf Ni-Basis (reines Ni und 85Ni15Fe mit und ohne Cr3C2 als Kornwachstumsinhibitor) untersucht, womit zwei Parameter des üblichen WC-Co-Systems verändert wurden. Die Hartstoffpulver hatten die Zusammensetzung (W0,91Mo0,09)C mit einer mittleren Korngröße von 1,2 μm und (W0,76Mo0,24)C mit mittleren Korngrößen von etwa 0,5 bzw. 1,3 μm. Darüber hinaus wurde eine Hartmetallsorte mit einzelnen WC- und Mo2C-Pulvern hergestellt, deren Mo-Gehalt dem der (W0,91Mo0,09)C-Sorte entspricht. Alle Ansätze hatten die gleiche Nennmenge an Bindephase. Die Sinterung wurde in einer Niederdruck-Ar-Atmosphäre durchgeführt. Eigenschaften wie Porosität, Gefügeentwicklung, Härte und Bruchzähigkeit wurden untersucht und mit (W,Mo)C-Hartmetallen mit Co-Binder verglichen. Dadurch war es möglich, Hartmetalle mit akzeptabler Qualität herzustellen, die auf ihr Sinterverhalten und ihre Materialeigenschaften mit Metallographie, SEM, DTA, Dilatometrie, Pulver-XRD und Härte/Bruchzähigkeit untersucht wurden. Diese neue Kategorie von Hartmetallen erwies sich im Hinblick auf den Sinterprozess als herausfordernd, da die einzigartige Wechselwirkung zwischen den einzelnen Hart- und Binderphasen zu gemischten Ergebnissen führt. Die Verwendung des weicheren Ni als Binderbasis führte zu einem erheblichen Verlust an Härte, aber zu einer gleichwertigen Steigerung der Bruchzähigkeit. Die Verwendung von ultrafeinen (W,Mo)C-Pulvern verbessert die Härte auf ein Niveau, das mit dem des herkömmlichen WC-Co-Systems vergleichbar ist oder dieses sogar übertrifft. Eines der vorlegierten Pulver weist jedoch eine geringe Sinteraktivität auf, was zu einer hohen Restporosität führt. Dies bedeutet, dass eine weitere Optimierung des Gefüges, z. B. durch Dotierung mit anderen Karbidbildnern, erforderlich ist, um das volle Potenzial des (W,Mo)C-Mischkristalls auszuschöpfen. Dennoch ist es möglich, ähnliche Eigenschaften wie bei den üblichen Werkstoffen zu erreichen - mit ca. 25 % weniger W-Verbrauch und ohne den Einsatz von Co.

(W,Mo)C cemented carbides with Ni-based binders were investigated for the following two reasons. On the one hand, Co is a critical element for economic and health concern reasons. Therefore, it is of great interest for the hardmetal sector to reduce or completely avoid the consumption of this element in the future. On the other hand, the aim was to reduce the tungsten content in cemented carbides by substituting it with molybdenum. Molybdenum is the only element that is soluble in WC in significant quantities without changing the crystal structure. In this work (W,Mo)C hardmetals have been investigated with Ni-based binders (pure Ni and 85Ni15Fe with and without Cr3C2 as grain growth inhibitor), changing two parameters of the common WC-Co system. The hard-phase powders were of composition (W0.91Mo0.09)C with an average grain size of 1.2 μm and (W0.76Mo0.24)C and with average grain sizes of around 0.5 and 1.3 μm, respectively. In addition, a hardmetal grade with individual WC and Mo2C powders grade was prepared with a Mo content corresponding to that of the (W0.91Mo0.09)C grade. All starting formulations had the same nominal amount of binder phase. The sintering was conducted in a low-pressure Ar atmosphere. Properties such as porosity, microstructure evolution, hardness and fracture toughness were investigated and compared to (W,Mo)C hardmetals with Co binder. As a result, it was possible to produce hardmetals with acceptable quality, that were investigated for their sintering behaviour and their material properties with metallography, SEM, DTA, Dilatometry, Powder-XRD and hardness/fracture toughness. This new category of cemented carbides turned out to be chemically challenging in regard to the sintering process as the unique interaction of each hard and binder phase leads to mixed results. The use of the softer Ni as a binder base resulted in a significant loss in hardness but equal gains in the fracture toughness. The use of ultra-fine (W,Mo)C powders improves the hardness to a point that is comparable or even succeeding that, of the common WC-Co system. However, one of the pre-alloyed powders is plagued with low sintering activity resulting in high residual porosity. This means that further optimisation of the microstructure, e.g. by doping with other carbide former is still necessary, to utilize the full potential of the (W,Mo)C solid solution. Nevertheless, it is possible to achieve similar properties as the common materials - with ca. 25% less consumption of W and without the use of Co.