Teil 3: Leistungsoptimierung von Hartmetall
Kapitel 8: Korrosions- und Hochtemperaturbeständigkeit von Hartmetall
Hartmetall ist ein pulvermetallurgisch hergestellter Verbundwerkstoff mit Wolframkarbid (WC) als Haupthartphase und Kobalt (Co), Nickel (Ni) und anderen Metallen als Bindephase. Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wird es häufig in Schneidwerkzeugen, Bergbaumaschinen und verschleißfesten Teilen eingesetzt. Im Folgenden werden Konzept und typische Eigenschaften unter den Aspekten Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit kurz erläutert.
Korrosionsbeständigkeit von Hartmetall
Korrosionsbeständigkeit bezeichnet die Fähigkeit von Hartmetall, chemischer Erosion in korrosiven Medien (wie Säuren, Laugen und Salzlösungen) zu widerstehen. Diese Eigenschaft wird hauptsächlich durch die Materialzusammensetzung und die Mikrostruktur beeinflusst.
Die Bindungsphase von Hartmetall spielt eine Schlüsselrolle für dessen Korrosionsbeständigkeit. Hartmetall mit Kobalt als Bindungsphase (wie die YG-Serie) weist in sauren Medien eine schlechte Leistung auf. Beispielsweise korrodiert Kobalt in Schwefelsäure- oder Salzsäureumgebungen leicht, wodurch sich die Materialoberfläche allmählich auflöst. Am Beispiel von YG6 (mit 6 % Kobalt) beträgt die Korrosionsrate in 10 %iger Salzsäure bei Raumtemperatur etwa 0,1 bis 0,2 mm/Jahr, während es in schwach alkalischen oder neutralen Medien (wie 10 %iger Natronlauge) kaum korrodiert. Im Gegensatz dazu weist Hartmetall mit Nickel als Bindungsphase (wie die YN-Serie) eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf, insbesondere in alkalischen und oxidierenden Medien. Es ist stabiler und eignet sich für den Einsatz unter rauen Bedingungen wie der Meeresumwelt. Darüber hinaus können Defekte in der Mikrostruktur die Korrosionsbeständigkeit ebenfalls erheblich beeinträchtigen. Wenn das Hartmetall eine hohe Porosität aufweist oder Verunreinigungen wie freien Kohlenstoff und die η-Phase enthält, werden diese Defekte zum Ausgangspunkt der Korrosion und beschleunigen den Materialabbau.
Hohe Temperaturbeständigkeit von Hartmetall
Unter Hochtemperaturbeständigkeit versteht man die Fähigkeit von Hartmetall, seine Härte, Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen zu bewahren. Diese Eigenschaft wird auch von Zusammensetzung und Temperatur beeinflusst.
Hartmetall weist bei niedrigen Temperaturen eine gute Leistung auf und behält üblicherweise unter 600 °C eine hohe Härte und Festigkeit. Beispielsweise kann YG8 (mit 8 % Kobalt) bei 600 °C noch eine Härte von etwa 1.200 HV behalten, was nur etwa 20 % weniger ist. Übersteigt die Temperatur jedoch 800 °C, beginnt die Bindephase (z. B. das Kobalt) weich zu werden, was zu einer deutlichen Abnahme der Gesamtfestigkeit und -härte des Materials führt. Beispielsweise kann die Härte von YG8 bei 1.000 °C auf 500–600 HV sinken. Außerdem wird die Oxidationsbeständigkeit von Hartmetall bei hohen Temperaturen beeinträchtigt. Wolframkarbid wandelt sich in einer oxidierenden Umgebung mit hohen Temperaturen in Wolframoxid (WO₃ ) um , was zu Oberflächenablösung führt und die Lebensdauer beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu weist Hartmetall mit zugesetztem Titankarbid ( TiC ) (wie z. B. YT15) bei 800 °C eine bessere Oxidationsbeständigkeit auf, seine Festigkeit sinkt jedoch trotzdem um 20–30 %.
Die Korrosionsbeständigkeit und die Hochtemperaturbeständigkeit von Hartmetall sind wichtige Faktoren für den Einsatz in rauen Umgebungen. Nickelhaltiges Hartmetall weist in verschiedenen Medien eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf, während kobalthaltiges Hartmetall in sauren Umgebungen korrosionsanfällig ist. Hartmetall ist unter 600 °C temperaturbeständig, seine Härte und Oxidationsbeständigkeit nehmen jedoch bei höheren Temperaturen deutlich ab. Diese Eigenschaften bestimmen die Anwendbarkeit von Hartmetall in verschiedenen Anwendungsszenarien und bilden eine wichtige Grundlage für dessen Auswahl und Einsatz.
Die Verwendung von Hartmetall ( WCCo ) in rauen Umgebungen ist für seine Anwendung in der Chemie-, Schifffahrts- und Luftfahrtbranche entscheidend. Beispielsweise muss Hartmetall in sauren Lösungen (pH < 3 ± 0,1) starken chemischen Angriffen standhalten, in Salznebel (> 1000 ± 100 Std.) Lochfraß vermeiden und in Flugzeugtriebwerken (> 1000 °C ± 10 °C) seine Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit bewahren . Die elektrochemische Aktivität der Bindungsphase Co (Korrosionspotenzial E_corr ~ 0,3 V ± 0,02 V vs. SCE) führt jedoch leicht zu Korrosion, und WC oxidiert bei hohen Temperaturen zu WO₃ (Dicke > 1 μm ± 0,1 μm), was zu Leistungseinbußen führt. Die Optimierungsstrategie muss bei der Mikrostruktur (WC-Korn 0,52 μm ± 0,01 μm, Co 6 % 12 % ± 1 %), den Additiven (wie Cr ₃ C ₂ 0,5 % ± 0,01 %) und dem Oberflächenschutz (Beschichtungsdicke 520 μm ± 0,1 μm) ansetzen, um eine synergetische Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit zu erreichen.
diskutiert das Verhalten und den Optimierungspfad von WCCo in sauren, salzhaltigen und Hochtemperaturumgebungen unter vier Gesichtspunkten : Korrosionsbeständigkeitsmechanismus , hohe temperatur leistung , Methode zur Leistungsoptimierung sowie Prüfung und Bewertung. Der Korrosionsbeständigkeitsmechanismus zeigt die Natur der Korrosion durch die elektrochemische Theorie (Tafel-Kurve, i_corr <10 ⁻⁶ A/cm²±10 ⁻⁷ A/cm²); die Hochtemperaturleistung konzentriert sich auf Oxidationsbeständigkeit (Gewichtszunahme <0,5 mg/cm²±0,05 mg/cm²) und thermische Ermüdung (Rißbildung <0,1 mm±0,01 mm); die Optimierungsmethode schlägt eine Ni-basierte Bindungsphase (Korrosionsrate <0,01 mm/Jahr±0,001 mm/Jahr) und eine Cr₃C₂-Beschichtung (Härte>HV 1500±30) vor; Prüfung und Bewertung kombinieren ISO 9227, ASTM G59 und Thermoschocktest (>500-mal±50-mal), um eine quantitative Grundlage zu bieten.
Beispielsweise beträgt der Gewichtsverlust von WC auf Ni-Basis (Ni 10 % ± 1 %) im Salzsprühnebel <0,08 mg/cm² ± 0,01 mg/cm²; die Härte von Cr₃C₂ -beschichteten Werkzeugen bei 1000 °C ± 10 °C beträgt >HV 1200 ± 30 und die Lebensdauer beträgt >5000 Stunden ± 500 Stunden. Dieses Kapitel schließt nahtlos an Kapitel 6 (Beschichtungsverschleißrate <0,06 mm³/N·m ± 0,01 mm³/N· m) und Kapitel 7 (K₁ c 820 MPa·m¹/² ± 0,5) an und bildet die Grundlage für Kapitel 9 (Multifunktionale Verbundwerkstoffe).
8.1 Mechanismus der Korrosionsbeständigkeit von Hartmetall
Die Korrosionsbeständigkeit von Hartmetall ist eine wichtige Grundlage für seinen langfristigen Einsatz in aggressiven chemischen Umgebungen (wie Säuren, Salznebel und alkalischen Umgebungen). Seine Gewichtsverlustrate liegt üblicherweise bei 0,1 mg/cm² ± 0,01 mg/cm² . Dies weist eine gute Stabilität auf und ist in der Lage, Korrosion in sauren (pH < 3 ± 0,1), Salznebel- (NaCl-Konzentration 5 % ± 0,1 %) und alkalischen (pH > 10 ± 0,1) Umgebungen wirksam zu widerstehen. Der Korrosionsprozess wird hauptsächlich durch die elektrochemische Aktivität der Bindungsphase (wie Kobalt, Co) angetrieben, und seine Korrosionsstromdichte ( i_corr ) beträgt etwa 10⁻⁵ A/cm² ± 10⁻⁶ A/cm², wodurch sich Kobalt bevorzugt auflöst, was wiederum dazu führt, dass die Wolframkarbidpartikel (WC) (Größe 0,52 μm ± 0,01 μm ) abfallen und Korrosionslöcher mit einem Durchmesser von etwa 110 μm ± 0,1 μm bilden . Obwohl WC selbst eine extrem hohe chemische Stabilität aufweist und seine Auflösungsrate äußerst niedrig ist (< 10 ⁻⁸ g/cm ² · h ± 10 ⁻⁹ g/cm ² · h), kann es bei unzureichender Bindungsstärke zwischen WC und der Bindungsphasenschnittstelle (> 100 MPa ± 10 MPa) leicht zu Abblättern an der Schnittstelle kommen, was Korrosionsschäden deutlich beschleunigt. Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit muss die Korrosionsstromdichte der Bindungsphase (Ziel i_corr < 10 ⁻⁶ A/cm ² ± 10 ⁻⁷ A/cm ² ) verringert werden , wodurch seine elektrochemische Stabilität (Korrosionspotenzial E_corr > 0,2 V ± 0,02 V vs. SCE) verbessert und die Bindungsstärke der WC-Co-Schnittstelle erhöht wird.
Aufgrund des elektrochemischen Verhaltens von WC und der Bindungsphase ist Korrosion im Wesentlichen ein elektrochemischer Prozess. Kobalt fungiert als Anode für die oxidative Auflösung (Co → Co²⁺ + 2e⁻ ) , während WC aufgrund seiner hohen chemischen Trägheit häufig als Kathode an der Reaktion teilnimmt. Dieser galvanische Effekt ist die Hauptantriebskraft für Korrosion. In einer sauren Umgebung (pH < 3 ± 0,1) beschleunigen H⁺-Ionen die Auflösungsreaktion von Kobalt, während in einer Salzsprühumgebung (NaCl 5 % ± 0,1 %) Cl⁻-Ionen den Passivierungsfilm auf der Kobaltoberfläche zerstören können, was zu verstärkter Lochfraßbildung führt. Mikroskopische Analysen zeigen, dass sich Korrosionslöcher hauptsächlich an der WC-Co-Grenzfläche konzentrieren, was darauf hindeutet, dass eine unzureichende Grenzflächenbindung der Hauptfaktor für das Versagen ist. Dieser Mechanismus wurde durch das Studium der elektrochemischen Theorie und von Teststandards (wie ISO 9227, ASTM G59) weiter verifiziert. In tatsächlichen Fällen beträgt die Gewichtsverlustrate von WC-10Co-Hartmetall in einer Salzsprühumgebung 0,09 mg/cm² ± 0,01 mg/cm² , was die begrenzte Korrosionsbeständigkeit widerspiegelt.
Der Korrosionswiderstand von Hartmetall beruht im Allgemeinen hauptsächlich auf der elektrochemischen Auflösung der Bindungsphase und dem Versagen der Grenzfläche , was sich in sauren und salzhaltigen Umgebungen durch Lochfraß und Partikelablösung äußert. Durch die Reduzierung der Korrosionsstromdichte, die Verbesserung der elektrochemischen Stabilität und die Erhöhung der Grenzflächenbindungskraft kann die Korrosionsbeständigkeit effektiv verbessert werden, was den Einsatz in rauen Umgebungen theoretisch unterstützt.
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