Microstructuur, porositeit en grafiet in hardmetaal onderzoeken

Soorten en structuren van hardmetaal

Poedermetallurgische legeringen zoals WC-Co en WC-TiC-Co worden doorgaans hardmetalen genoemd. Belangrijke families zijn onder meer wolfraam-kobalt (YG), wolfraam-titanium-kobalt (YT), wolfraam-titanium-molybdeen-niobium (YW), staalgebonden (YE), titanium-nikkel-molybdeen (YN) en gegoten wolfraamcarbide (YZ). WC-Co biedt over het algemeen een hogere sterkte en slagtaaiheid, terwijl WC-TiC-Co een grotere slijtvastheid, warmtehardheid en toegestane snijsnelheid biedt.

YG-hardmetaal bevat doorgaans een lichte WC-alfa-fase en een donkere bèta-fase van het bindmiddel. Tot de fijnkorrelige kwaliteiten behoren YG3X (K01), YG (K20) en YG6X (K10); YG6X is bijzonder fijnkorrelig. YG8 en YG8N (K30) liggen tussen fijn en medium in. Kwaliteiten met grof WC en een hoog bindmiddelgehalte, zoals YG11C en hoger, hebben een lagere hardheid maar een betere taaiheid voor matrijzen en mijnbouwgereedschappen die aan stootbelasting worden blootgesteld. Deze classificatie volgt ISO 4499-1:2008.

YT-hardmetaal bevat doorgaans een blokvormige WC-alfa-fase, een bindmiddel-bèta-fase en een afgeronde oranjegele tot bruine TiC-WC-gamma-fase. De kleur varieert afhankelijk van de oxidatieomstandigheden. De WC-korrels zijn doorgaans middelgroot en kunnen grover worden naarmate het gehalte aan de gamma-fase toeneemt.

Toevoegingen van TaC en NbC zorgen voor een verfijning van de WC- en TiC-WC-korrels en vormen harde, fijne, onregelmatige complexe carbiden. Bij staalgebonden hardmetaal kan gebruik worden gemaakt van TiC of WC in een warmtebehandelbare staalmatrix; de carbide-deeltjes blijven stabiel, terwijl het stalen bindmiddel kan worden gegloeid, genormaliseerd, gehard en getemperd.

Voorbereiding van monsters

Omdat de porositeit van het oppervlak en de kern kan verschillen, wordt vaak gekozen voor een dwarsdoorsnede van een breuk. Deze wordt verkregen door middel van draad-EDM of door mechanisch breken. Voor handmatige preparatie wordt er met waterkoeling geslepen op een siliciumcarbide-slijpschijf van 150–250 μm, waarna wordt gelapt met 10 of 12 μm boorcarbide- of siliciumcarbidepoeder op een gietijzeren schijf bij ongeveer 450 r/min. Voor het polijsten kan een oplossing worden gebruikt van 1.000 mL water, 10 g kaliumferricyanide, 10 g kaliumhydroxide en ongeveer 40 g chroomoxide of aluminiumoxide, of synthetische diamantpasta.

Bij mechanisch polijsten wordt gebruikgemaakt van grove en fijne fasen. Grof gemonteerde preparaten kunnen met zwavel worden gefixeerd in een ring van ongeveer 80 mm. Voor het fijnpolijsten kunnen een 85%-aluminiumoxide- en een 15%-rubberschijf worden gebruikt, in combinatie met een verzadigde kaliumpermanganaatoplossing gedurende ongeveer 20 minuten.

Etsen en fase-identificatie

Verse mengsels met gelijke volumes van kaliumferricyanide- en kaliumhydroxideoplossingen bij 20%, 10% of 5% brengen WC- en TiC-WC-fasen aan het licht; bij lagere concentraties kan de eta-fase zichtbaar worden, variërend van oranjegele tot oranjerode kleuren. Als alternatief kan een gepolijst, droog monster in de lucht bij 450–500 °C gedurende ongeveer 10–15 minuten worden verhit tot het lichtgeel wordt. Overgeoxideerde donkerblauwe oppervlakken moeten opnieuw worden gepolijst.

Beoordeling van porositeit en grafiet

Porositeit manifesteert zich als scherp begrensde zwarte ronde gaatjes kleiner dan 40 μm. Bekijk een ongeëtst, gepolijst monster bij een vergroting van 100× of 200× over meerdere gezichtsvelden, van de rand naar het midden, en rapporteer zowel de algemene als de ernstige porositeit, waarbij de nadruk ligt op de ernstige waarde. ISO 4499-4:2016 kan worden geraadpleegd als internationale referentiemethode; hieruit mag geen gelijkwaardigheid of aanvaarding worden afgeleid.

Een teveel aan koolstof leidt tot fijn, nestachtig of puntvormig grafiet. Bij een volumefractie van ongeveer 2% in WC-Co wordt het vlokvormig; in WC-TiC-Co kan bij ongeveer 1,5% een fijnere, nestachtige vorm ontstaan. Beoordeel ongeëtste, gepolijste monsters op grafiethoeveelheid, grootte, morfologie en verdeling. Grafiet, porositeit en de eta-fase verminderen de sterkte, taaiheid en slijtvastheid; daarom draagt de identificatie ervan bij aan de procescontrole bij het poeder-, meng-, pers- en sinterproces.