Badbasierte Photopolymerisation und thermische Nachbehandlung von WC-Co-Hartmetallwerkstoffen

Aufgrund überlegener Materialeigenschaften im Vergleich zu Stahl finden bei der Herstellung von Werkzeugen bevorzugt Wolframkarbid-Kobalt-(WC-Co-) Hartmetalle Anwendung. In Studien wird gezeigt, dass die badbasierte Photopolymerisation für das endkonturnahe Fertigen von Keramiken verwendet werden kann. In dieser Arbeit wird untersucht, ob trotz der starken Absorption von Licht im Wellenlängenbereich von 400 – 500 nm durch Wolframkarbid- und Kobalt-Pulver WC-12Co-(Gew.-%)-Bauteile mit der badbasierten Photopolymerisation und einer thermischen Nachbehandlung hergestellt werden können. ... mehrEs wird ein Schlicker mit einem Feststoffgehalt von bis zu 40 Vol.-% entwickelt. Eine hybride Polymerisationsmethode ermöglicht die Aushärtung der photosensitiven Schlicker. Thermische Analysen werden zur Optimierung eines Temperatur-Zeit-Profils zum Entbindern der Grünkörper genutzt. Die Grünkörper und die gesinterten Modellkörper werden mit mikroskopischen Methoden und Röntgenanalyse-Verfahren charakterisiert. Nach dem Flüssigphasensintern wird eine lineare Schwindung von 21 – 28 % erfasst. Der verbleibende Restporositätsanteil beträgt ~ 9 %. Es wird ein WC-Kornwachstum sowie die Bildung der spröden η-Phase beobachtet. Eine Härte von 1.157 ± 59 HV10 und eine Palmqvist-Bruchzähigkeit von 12 ± 2 MPa√m wird erreicht. Mit einem anschließenden Gasdrucksintern kann der Restporositätsanteil auf Kosten weiterer η-Phasenbildung auf < 0,5 % reduziert werden. Dies führt zu einer Härtesteigerung auf 1.400 ± 22 HV10 und einer Erhöhung der Palmqvist-Bruchzähigkeit auf 15 ± 1 MPa√m in η-Phasen-freien Bereichen. Eine Charakterisierung der Biegebruchfestigkeit ist aufgrund oberflächennaher Defekte und einer Verformung der Prüfgegenstände nicht möglich. Die erreichten Eigenschaften werden mit den in der aktuellen Literatur genannten Werten konventionell hergestellter und von mit weiteren additiven Fertigungssystemen gefertigten Hartmetallen verglichen. Die Untersuchungen zeigen, dass während der badbasierten Photopolymerisation schlicker- und prozessbedingte Defekte auftreten. Der geringe Feststoffgehalt und die dadurch reduzierte Stabilität der Grünkörper führen während der thermischen Nachbehandlung zur Bildung von Poren und Rissen.

Due to their superior material properties compared to steels, tungsten carbide-cobalt- (WC-Co-) cemented carbides are the preferred choice for complex tools. Numerous studies show that vat photopolymerization can be used for near-net-shape printing of ceramics. This study investigates whether vat photopolymerization followed by thermal post-treatment can be used to manufacture WC-12Co-(wt.%)-components despite the strong absorption of tungsten carbide and cobalt powder in the wavelength range of 400 – 500 nm. For this purpose, a slurry with a solid fraction of up to 40 vol.% is developed. ... mehrA hybrid polymerization method is used to cure the photosensitive slurry. Based on thermogravimetric analyses, an optimized temperature-time-profile for debinding the green bodies is developed. The printed green bodies and sintered specimens are evaluated using microscopic methods and X-ray analysis techniques. After liquid phase sintering, a linear shrinkage of 21 – 28 % is observed. The average residual porosity content is ~ 9 %. In addition, WC grain growth and the formation of the brittle η-phase are observed. A hardness of 1.157 ± 59 HV10 and a Palmqvist fracture toughness of 12 ± 2 MPa√m are achieved. Using post-sinter-HIP (gas pressure sintering), the residual porosity fraction can be reduced to < 0.5% at the expense of further formation of the η-phase. This results in an increase in hardness to 1.400 ± 22 HV10 and up to 15 ± 1 MPa√m in Palmqvist fracture toughness in η-phase-free areas. Flexural strength is not characterized due to the deformation and strong defects close to the surface in the test specimens. The achieved properties are compared with the values in current literature on conventionally manufactured cemented carbides and those made by other additive manufacturing systems. The study shows that slurry-related and process-related defects are formed during vat photopolymerization. In particular, the low solid fraction and the resulting reduced stability of the green bodies during thermal post-treatment lead to the forming of pores and cracks.