Come esaminare la microstruttura, la porosità e la grafite del metallo duro

Tipi e strutture dei metalli duri

Le leghe ottenute mediante metallurgia delle polveri, quali WC-Co e WC-TiC-Co, sono comunemente denominate carburi cementati o metalli duri. Le principali famiglie comprendono tungsteno-cobalto (YG), tungsteno-titanio-cobalto (YT), tungsteno-titanio-molibdeno-niobio (YW), leghe con legante in acciaio (YE), titanio-nichel-molibdeno (YN) e il carburo di tungsteno fuso (YZ). Il WC-Co offre generalmente una maggiore resistenza meccanica e tenacità all’urto, mentre il WC-TiC-Co garantisce una maggiore resistenza all’usura, durezza a caldo e velocità di taglio ammissibile.

Il metallo duro YG contiene normalmente una fase alfa di WC chiaro e una fase beta di legante scuro. Le qualità a grana fine includono YG3X (K01), YG (K20) e YG6X (K10); lo YG6X è particolarmente fine. Le qualità YG8 e YG8N (K30) si collocano tra la grana fine e quella media. Le qualità a grana grossa di WC e ad alto contenuto di legante, come la YG11C e superiori, presentano una durezza inferiore ma una maggiore tenacità, rendendole adatte per stampi sottoposti a carichi d’urto e utensili da miniera. Questa classificazione è conforme alla norma ISO 4499-1:2008.

Il metallo duro YT contiene solitamente una fase alfa di WC a forma di blocchi, una fase beta legante e una fase gamma di TiC-WC di colore da giallo-arancio a marrone, con forma arrotondata. Il colore varia a seconda delle condizioni di ossidazione. I suoi grani di WC sono generalmente di dimensione media e possono diventare più grossolani all’aumentare del contenuto della fase gamma.

Le aggiunte di TaC e NbC affinano i grani di WC e TiC-WC e formano carburi complessi, duri, fini e di forma irregolare. Il metallo duro legato con acciaio può utilizzare TiC o WC in una matrice di acciaio trattabile termicamente; le sue particelle di carburo rimangono stabili mentre il legante in acciaio può essere ricotto, normalizzato, temprato e rinvenuto.

Preparazione dei campioni

Poiché la porosità superficiale e quella interna possono differire, spesso si opta per una sezione trasversale ottenuta per frattura. La sezione può essere ricavata mediante elettroerosione a filo o per frattura meccanica. Per la preparazione manuale, si esegue la molatura con raffreddamento ad acqua su una mola in carburo di silicio da 150–250 μm, quindi si esegue la levigatura con polvere di carburo di boro o carburo di silicio da 10 o 12 μm su un disco in ghisa a circa 450 giri/min. Per la lucidatura è possibile utilizzare una soluzione composta da 1.000 mL di acqua, 10 g di ferricianuro di potassio, 10 g di idrossido di potassio e circa 40 g di ossido di cromo o allumina, oppure una pasta di diamante sintetico.

La lucidatura meccanica prevede fasi grossolane e fini. I campioni montati per la lucidatura grossolana possono essere fissati con zolfo in un anello di circa 80 mm. Per la lucidatura fine si possono utilizzare un disco in allumina 85% e un disco in gomma 15% con una soluzione satura di permanganato di potassio per circa 20 minuti.

Attacco metallografico e identificazione delle fasi

Miscele fresche in volumi uguali di soluzioni di ferricianuro di potassio e idrossido di potassio a 20%, 10% o 5% rivelano le fasi WC e TiC-WC; concentrazioni inferiori possono rivelare la fase eta, con colori che vanno dal giallo-arancio al rosso-arancio. In alternativa, riscaldare un campione lucidato e asciutto all’aria a 450–500 °C per circa 10–15 minuti fino a quando non assume un colore giallo pallido. Le superfici blu scuro sovraossidate devono essere rilucidate.

Valutazione della porosità e della grafite

La porosità si presenta sotto forma di fori circolari neri dai contorni ben definiti, di dimensioni inferiori a 40 μm. Esaminare un campione lucidato e non inciso a 100× o 200× in più campi visivi, dal bordo al centro, e riportare sia la porosità generale che quella grave, sottolineando il valore relativo alla porosità grave. La norma ISO 4499-4:2016 può essere consultata come metodo di riferimento internazionale; ciò non implica alcuna dichiarazione di equivalenza o di accettazione.

L'eccesso di carbonio produce grafite fine a forma di nido o a forma di punta. A una frazione volumetrica di circa 2% in WC-Co assume una forma a scaglie; in WC-TiC-Co, circa 1,5% può produrre una forma più fine a nido. Valutare i campioni lucidati non incisi in base alla quantità, alle dimensioni, alla morfologia e alla distribuzione della grafite. La grafite, la porosità e la fase eta riducono la resistenza, la tenacità e la resistenza all’usura; pertanto, la loro identificazione supporta il controllo dei processi di polverizzazione, miscelazione, pressatura e sinterizzazione.