Verbundwerkstoffe auf Basis WC-Co-Cu

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, das noch zum Großteil unerforschte Matrixsystem Kobalt ¿ Kupfer theoretisch und experimentell zu erforschen. Es soll für Verbundwerkstoffe in Kombination mit Wolframcarbid und einer weiteren Verstärkungsphase, dem Diamanten, Anwendung finden. Der Verbundwerkstoff WC-Co, auch besser bekannt unter der Bezeichnung Hartmetall, findet bereits in vielen technologischen Bereichen Anwendung. Durch die Kombination der Matrix aus Kobalt und Kupfer versucht man die niedrige Affinität des Kupfers zu Kohlenstoff zu nützen, um die Reaktivität der Matrix gegenüber Diamanten als Verstärkungsphase zu senken. Dies soll dem Verbundwerkstoff in seiner Gesamtheit verbesserte Eigenschaften geben. Zu der Thematik der Matrixkombination Kobalt - Kupfer ist relativ wenig Literatur vorhanden. Daher konzentriert sich der erste Teil der Arbeit auf die theoretische Beleuchtung des Grundsystems WC-CoCu und der Erweiterung Diamant/WC-CoCu mittels der Datenbank und Berechnungssoftware ThermoCalc. Diese Vorabrechnungen sollen dazu dienen, einen Trend heraus zu finden und somit Ansätze für praktische Arbeiten zu liefern, die das weitere Vorgehen an experimentellen Arbeiten erleichtern sollen. Der zweite Teil der Arbeit fokussiert dann die anschließenden praktischen Arbeiten der diamantverstärkten Verbundwerkstoffe, die mithilfe der Erkenntnisse aus den theoretischen Berechnungen angestellt wurden. Die Methode der Wahl für die Probenherstellung fiel auf die in der Hartmetallbranche übliche Sinterung unter Vakuum. Bei der praktischen Nacherfassung der theoretischen Berechnungen wurde vor allem Hauptaugenmerk auf die Diamanteinbindung in die Matrix als Qualitätskriterium gelegt.

The aim of this work was the theoretical and experimental investigation of the rather unexplored matrix system of cobalt and copper, as used in composite materials with tungsten carbide and diamond as inclusion materials. The composite material consisting of WC as inclusion material and cobalt as matrix is widely known as hardmetal and well established in various technological applications. To further increase the wear resistance of the said hardmetal, diamonds can be added as an additional inclusion material. Since cobalt has a rather high affinity towards carbon, measures have to be taken in order to 'protect' the diamond inclusion during consolidation. One approach that is studied in depth in this work is the addition of copper to the metal matrix, which is rather inert towards carbon, in order to decrease the overall reactivity of the metal matrix. Since literature concerning the matrix combination cobalt-copper is rather rare, theoretical calculations of the system were done in the first part of this work, using the ThermoCalc software. First off the system WC-CoCu was treated and was expanded further on by the addition of diamonds in order to get to the system of diamond/WC-CoCu. These calculations aid towards a deeper understanding of the system and therefore reduce the experimental parameters worth investigating. In the second part of this work diamond-reinforced composites were produced based on the theoretical calculations. The composites were produced in analogy to the commonly used production scheme for hardmetals by pressing and vacuum sintering. The key parameter of interest here was the incorporation of the diamonds within the metal matrix, which was investigated by studying the fracture surfaces of the respective composites by electron microscopy.