So prüfen Sie die Mikrostruktur, Porosität und den Graphitgehalt von Hartmetall

Hartmetallarten und -strukturen

Pulvermetallurgische Legierungen wie WC-Co und WC-TiC-Co werden gemeinhin als Hartmetalle bezeichnet. Zu den wichtigsten Gruppen gehören Wolfram-Kobalt (YG), Wolfram-Titan-Kobalt (YT), Wolfram-Titan-Molybdän-Niob (YW), stahlgebundene Legierungen (YE), Titan-Nickel-Molybdän (YN) sowie gegossenes Wolframkarbid (YZ). WC-Co bietet im Allgemeinen eine höhere Festigkeit und Schlagzähigkeit, während WC-TiC-Co eine größere Verschleißfestigkeit, Warmhärte und zulässige Schnittgeschwindigkeit aufweist.

YG-Hartmetall enthält in der Regel eine helle WC-Alpha-Phase und eine dunkle Bindemittel-Beta-Phase. Zu den feinkörnigen Sorten gehören YG3X (K01), YG (K20) und YG6X (K10); YG6X ist besonders feinkörnig. YG8 und YG8N (K30) liegen zwischen fein- und mittelkörnig. Grobkörnige WC-Sorten mit hohem Bindemittelanteil wie YG11C und darüber weisen eine geringere Härte, aber eine bessere Zähigkeit auf und eignen sich daher für stoßbelastete Stanzwerkzeuge und Bergbauwerkzeuge. Diese Klassifizierung entspricht der Norm ISO 4499-1:2008.

YT-Hartmetall enthält in der Regel eine blockartige WC-Alpha-Phase, eine Bindemittel-Beta-Phase und eine abgerundete, orange-gelbe bis braune TiC-WC-Gamma-Phase. Die Farbe variiert je nach Oxidationsbedingungen. Die WC-Körner sind in der Regel mittelgroß und können mit steigendem Gamma-Phasen-Anteil gröber werden.

Durch die Zugabe von TaC und NbC werden die WC- und TiC-WC-Körner verfeinert und es entstehen harte, feine, unregelmäßige, komplexe Karbide. Bei stahlgebundenem Hartmetall können TiC oder WC in einer wärmebehandelbaren Stahlmatrix verwendet werden; die Karbidpartikel bleiben dabei stabil, während das Stahlbindemittel geglüht, normalisiert, abgeschreckt und angelassen werden kann.

Probenvorbereitung

Da sich die Porosität an der Oberfläche und im Kern unterscheiden kann, wird häufig ein Bruchquerschnitt gewählt. Dieser wird mittels Drahterodieren oder durch mechanisches Brechen hergestellt. Bei der manuellen Präparation wird mit Wasserkühlung auf einer 150–250 μm-Siliziumkarbid-Scheibe geschliffen und anschließend mit 10 oder 12 μm Bor- oder Siliziumkarbid-Pulver auf einer Gusseisenscheibe bei etwa 450 U/min geläppt. Zum Polieren kann eine Lösung aus 1.000 ml Wasser, 10 g Kaliumferricyanid, 10 g Kaliumhydroxid und etwa 40 g Chromoxid oder Aluminiumoxid oder eine synthetische Diamantpaste verwendet werden.

Beim mechanischen Polieren werden Grob- und Feinstufen angewendet. Grob polierte Proben können mit Schwefel in einem Ring von etwa 80 mm fixiert werden. Für das Feinpolieren können eine 85%-Aluminiumoxid-Scheibe und eine 15%-Gummischeibe in einer gesättigten Kaliumpermanganatlösung für etwa 20 Minuten verwendet werden.

Ätzen und Phasenbestimmung

Frische, volumenproportionale Mischungen aus Kaliumferricyanid- und Kaliumhydroxid-Lösungen bei 20%, 10% oder 5% zeigen WC- und TiC-WC-Phasen; bei niedrigeren Konzentrationen kann die Eta-Phase in orange-gelben bis orange-roten Farbtönen sichtbar werden. Alternativ kann eine polierte, trockene Probe an der Luft bei 450–500 °C etwa 10–15 Minuten lang erhitzt werden, bis sie blassgelb wird. Überoxidierte dunkelblaue Oberflächen müssen nachpoliert werden.

Porositäts- und Graphitbewertung

Porosität zeigt sich als scharf begrenzte schwarze, kreisförmige Löcher mit einer Größe unter 40 μm. Untersuchen Sie eine ungeätzte, polierte Probe bei 100-facher oder 200-facher Vergrößerung über mehrere Sichtfelder hinweg vom Rand bis zur Mitte und geben Sie sowohl die allgemeine als auch die starke Porosität an, wobei der Wert für die starke Porosität hervorzuheben ist. ISO 4499-4:2016 kann als internationale Referenzmethode herangezogen werden; dies impliziert jedoch keine Gleichwertigkeits- oder Anerkennungserklärung.

Überschüssiger Kohlenstoff führt zur Bildung von feinem, nestartigem oder punktförmigem Graphit. Bei einem Volumenanteil von etwa 2% in WC-Co wird er flockenförmig; in WC-TiC-Co kann ein Anteil von etwa 1,5% eine feinere, nestartige Form erzeugen. Bewerten Sie ungeätzte, polierte Proben hinsichtlich Graphitmenge, -größe, -morphologie und -verteilung. Graphit, Porosität und die Eta-Phase verringern Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit; daher unterstützt ihre Identifizierung die Prozesssteuerung bei Pulverisierung, Mischen, Pressen und Sintern.