Hartmetall mit alternativem Binder auf Fe-Mn Basis

Abstract

Hartmetalle sind Verbundwerkstoffe, bei denen Hartstoffe in einer duktilen Metallmatrix eingebettet sind. Das wichtigste Hartmetall ist WC-Co, wobei Kobalt häufig mit Nickel kombiniert wird. Beide Metalle weisen toxische Eigenschaften auf, weshalb alternative Binderlegierung auf Eisen/Manganbasis evaluiert werden sollte. Dies sollte durch Phasenanalyse diverser Probereihen erreicht werden. Die aus der Literatur bekannten Probleme der Mangan-Verdampfung und der Oxidbildung sollten dabei minimiert werden. Mit Hilfe der CAL(culated)PHA(ase)D(iagram)-Methode wurden Phasendiagramme der Systeme W-C-Fe-Mn(-Si) berechnet. Darauf basierend wurden Hartmetallproben im pulvermetallurgischen Verfahren produziert und metallographische Schliffe angefertigt. Ausgewählte Proben wurden unterschiedlichen Abkühlraten ausgesetzt. Mittels Gefügebilder, XRD- und EDX-Messungen wurden die vorhandenen Phasen analysiert, durch EDX und XRF-Messungen wurde der Mn-Verlust evaluiert. Es konnte für keine Zusammensetzung das Zweiphasengebiet erreicht werden, da stets η-Karbide oder Zementit präsent war. Auch hohe Abkühlraten konnten diesen Umstand nicht ändern. Silizium scheint das Kohlenstofffenster zwar zu vergrößern, jedoch werden schon bei geringen Mengen zusätzliche Phasen gebildet. Durch Einbringung des Mangans als vorlegiertes Pulver, Sintern unter Atmosphärendruck und moderatere Sintertemperaturen konnten größere Mn-Verluste verhindert werden. Eine Haltezeit in reduzierender Atmosphäre ist ausreichend, um die Oxidbildung in Proben mit ≤ 1wt%Si weitestgehend zu unterbinden.

Hardmetalsare composite materials in which a hard phase is embedded in a ductile metal matrix. The most important hard metal is WC-Co, whereby cobalt is often combined with nickel. Both metals exhibit toxic properties, so alternative iron/manganese based binder alloy should be evaluated. This should be achieved by phase analysis of various test series. The problems of manganese evaporation and oxide formation known from the literature should be minimised. Using the CAL(culated)PHA(ase)D(iagram) method, phase diagrams of the systems W-C-Fe-Mn(-Si) were calculated. Based on this, cemented carbide samples were produced by the powder metallurgical method and metallographic sections were prepared. Selected samples were exposed to different cooling rates. By means of micrographs, XRD and EDX measurements the existing phases were analysed. By EDX and XRF measurements the Mn loss was evaluated. The two-phase region could not be reached for any composition, as η-carbides or cementite were always present. Even high cooling rates could not change this circumstance. Silicon does seem to increase the carbon window, but additional phases are formed even at low amounts. By introducing the manganese as a pre-alloyed powder, sintering under atmospheric pressure and moderate sintering temperatures, larger Mn losses could be prevented. A holding time in a reducing atmosphere is sufficient to largely prevent oxide formation in samples with ≤ 1wt%Si.