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Schadensbilder bei WC-Hartmetallen mit Co-Binder
Olaf Sommer, Institut für Festkörperanalytik GmbH Sommer, Langner & Partner, Karlsruhe
Kurzfassung
Mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie wird das Schadensbild eines Wolframkarbidhartmetalls
mit Kobaltbinder beschrieben. Das Hartmetallwerkzeug wurde unter hoher mechanischer Bean-
spruchung im wässrigen Medium eingesetzt und weist im Randbereich eine Kobaltverarmungszone
auf, die nur anhand eines Line-Scans nachgewiesen werden kann. Die Röntgendiffraktometrie
liefert zusätzliche Informationen über Materialeigenschaften und läßt erkennen, daß auch die
atomare Struktur von Wolframkarbid auf die Standzeit einen Einfluß ausübt.
Allgemeines zur Problemstellung
Die günstigen Eigenschaften von Hartmetallen beruhen auf deren Kombination von hoher Härte bei
gleichzeitig vorhandener Zähigkeit. Ihre vielfältige Verwendung in verschiedensten Anwendungs-
bereichen läßt die Nachfrage immer noch steigen. Je nach Anwendungsgebiet werden bestimmte
Anforderungen an das Hartmetall gestellt, die u.a. durch geeignete Wahl des Hartstoffs, dessen
Korngrößenverteilung, Bindemittelart und Bindemittelgehalt erreicht werden.
So werden z.B. Hartmetalle auf Wolframkarbidbasis mit Kobaltbinder u.a. als Hochdruckkolben,
Bohrer oder Walzen eingesetzt. Die Wolframkarbidkörner sind dabei für die Härte und das Kobalt
für die Zähigkeit des Werkstücks verantwortlich.
Schadensfälle treten nicht nur unter extremen Belastungen oder besonderen Randbedingungen wie
hohen Temperaturen oder aggresssiven Gasen auf, sondern auch dann, wenn man die Einflüsse als
„normal“ bezeichnen würde.
Am Beispiel eines Hartmetallwerkzeugs auf Wolframkarbidbasis mit 6 Gew.-% Kobalt als Binder
soll gezeigt werden, wie bereits durch Kontakt mit Leitungswasser frühzeitig Schäden auftreten
können, die die Stabilität des Werkzeugs zerstören. Die Schadensfallanalytik erfolgte hauptsächlich
mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und der Röntgendiffraktometrie. Die Kombination
beider Analysemethoden ergänzen sich in hervorragender Weise, um Informationen über den Werk-
stoff zu erhalten, die zur Schadensverhütung beitragen können.
Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung
Obwohl aufgrund einschlägiger Erfahrung bereits bekannt ist, daß durch Leitungswasser bei
Wolframkarbidhartmetallen mit Kobaltbinder eine Kobaltauswaschung stattfinden kann, werden
dennoch solche Schadensfälle immer wieder beobachtet. Bei unterschiedlichsten Anwendungs-
gebieten kommen diese Werkzeuge immer wieder mit wässrigen Medien in Kontakt. Daß sich
dieses Phänomen einer Kobaltauswaschung nicht nur auf die äußerste Lage von Wolframkarbid-
körner beschränken muß, geht aus dem Schadensbild hervor, das in Bild 1 gezeigt wird. Dies ist ein
typisches Schadensbild einer Kobaltauswaschung, wie sie durch intensiven Kontakt mit
Leitungswasser bereits nach kurzer Zeit auftreten kann. Es handelt sich dabei um den Querschnitt
durch ein Hartmetallwerkzeug, das unter hoher mechanischer Beanspruchung im wässrigen
Medium einige Stunden lang arbeitete.
Mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie können kleine Probenbereiche genau analysiert und
Aussagen über die Elementverteilung getroffen werden. Wie das Sekundärelektronenbild (Bild 1)
erkennen läßt, ist die äußere Randzone poröser als der Kernbereich der untersuchten Probe. Ein
Line-Scan (Bild 2), der die Elementverteilung von Wolfram, Kohlenstoff und Kobalt entlang einer
Linie vom Randbereich zum Kernbereich hin wiedergibt, zeigt, daß im Randbereich eine Kobaltver-
