Binder improvement of coarse-grained hardmetal grades

Abstract

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Binderverstärkung von WC-15 wt%Co Hart-metallen zum Zwecke der Erhöhung der Verschleißbeständigkeit. Es wurden verschiedene Ansätze verfolgt, die sich an den bekannten Härtungsmechanismen orientieren. Dispersions-härtung erfolgte durch den Einsatz von im Binder unlöslichen Oxiden wie zum Beispiel Al2O3, Mischkristallhärtung durch Zusatz von Ruthenium und Ausscheidungshärtung durch Wärme-behandlung von unlegierten WC-Co Hart¬metallen. Die Mikrostrukturanalyse erfolgte standardmäßig mittels Licht- und Rasterelektronen-mikroskopie (LOM, REM). Für alle Proben wurden Härtewerte und magnetische Eigen-schaften ermittelt. Fallweise wurde Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Röntgen¬diffraktion (XRD) eingesetzt. Um die Verschleißbeständigkeit zu testen, wurde ein Strahltest entwickelt mit dem auf einfache Weise Proben untereinander in Hinblick auf erosiven Verschleiß verglichen werden können. Zur Untersuchung des abrasiven Verschleißes wurde für ausgewählte Proben ein Schleifradtest, angelehnt an die Norm ASTM B611-85, durch¬geführt. Außerdem wurden für ausgewählte Hart¬metallsorten Biegefestigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Mittels Wärmebehandlung lassen sich das Gefüge und die mechanischen Eigen¬schaften von WC-Co Hartmetallen beeinflussen und die Erosionsbeständigkeit er¬höhen. REM-, TEM- und XRD-Analysen zeigten die diffusionskontrollierte Bildung von Co3W-Lamellen, eingebettet in hexagonaler Bindermatrix, für Proben mit niedrigem Gesamtkohlenstoffgehalt. Die Ausbildung dieser Phase hat einen entscheidenden Einfluss auf die Verschleißbeständigkeit. Der Einsatz von Ruthenium erhöht die Erosionsbeständigkeit des Hartmetalls. Die Werte der magnetischen Sättigung werden zu niedrigeren Werten verschoben. Außerdem verbreitert sich das Zweiphasengebiet, sowohl für Hartmetalle mit Co-, als auch für solche mit Fe/Ni-Binder. Der Anteil hexagonaler Phase im Binder erhöht sich mit zunehmendem Ru-Gehalt. Der Einsatz von MAX-Phasen und Carbiden ver¬bessert in den meisten Fällen die Erosions-beständigkeit. In allen Proben, die Alu¬minium enthalten, wurden immer Al2O3-Ausscheidungen gebildet, unabhängig vom Kohlen¬stoffgehalt des Hartmetalls. Der Einsatz von intermetallischen Phasen oder von im Binder löslichen Oxiden, die inter-metallische Phasen bilden, erhöht in den meisten Fällen die Erosionsbeständig¬keit des Hart-metalls. Unlösliche Oxide verhalten sich unterschiedlich hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Erosions-beständigkeit. La2O3 verbessert diese nur bei langsamer Abkühlung des Hart¬metalls von Sinter¬temperatur, Y2O3 verbessert diese bei allen untersuchten Abkühl¬raten und Al2O3-Zusatz verschlechtert die Erosionsbeständigkeit.

This work deals with binder strengthening of WC-15 wt%Co hardmetals for the purpose of wear-resistance improvement. Several approaches were pursued which orientating on the well-known strengthening mechanisms. Dispersion hardening was performed by addition of insoluble oxides, for example Al2O3, solid solution hardening by Ruthenium addition and precipitation hardening by annealing of undoped WC-Co hardmetals. The hardmetals were analysed with light and scanning electron microscopy (LOM, SEM) for microstructure analysis, as well as hardness measurement and magnetic properties investigation. Case-by-case transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD) was applied. For erosion-resistance testing sandblasting equipment was developed, that allows straight-forward testing of erosive wear resistance. The abrasive wear resistance was tested with a wheel test according to ASTM B611-85 for selected samples. Additionally TRS samples were prepared and tested for selected hardmetal grades. Heat treatment influences the microstructure and mechanical properties of WC-Co hardmetals. The erosion resistance can be improved. SEM, TEM and XRD investigations show lamellar Co3W precipitations - embedded in hexagonal structured binder - in hardmetals with low C content. The process of Co3W formation is diffusion controlled. Co3W formation influences the erosion resistance importantly. Ruthenium addition increases the erosion resistance, shifts the values of magnetic saturation to lower values and broadens the two-phase field. This effect exists for Co binder as well as Fe/Ni binder. The broadening of the two-phase field could be interesting for industrial production of hardmetals with alternative binders, because normally their two-phase field is very narrow and the C adjustment hard to manage. Furthermore, Ru addition increases the content of hexagonal phase in the Co binder. The addition of MAX phases or carbides improves the erosion resistance in most cases. All samples which contain aluminium form Al2O3 precipitations, independent from the C content of the hardmetal. The addition of intermetallic phases or oxides soluble in the binder - which form intermetallic phases upon sintering - increases the erosion resistance of the hardmetal in most cases. Insoluble oxides perform different. La2O3 improves the erosion resistance just for hardmetals cooled from sintering temperature with low cooling rate, Y2O3 improves the erosion resistance for all cooling rates investigated in this work and Al2O3 decreases the erosion resistance.