Effect of binder on sintering and microstructure of cemented carbides

Grâce à leurs excellentes propriétés de dureté et de résistance à l’usure, les carbures cémentés sont les meilleurs candidats pour la réalisation d’outillage de coupe. Elaborés par la métallurgie des poudres, ils sont majoritairement composés de carbure de tungstène, choisis pour ses propriétés de dureté et d’un liant métallique à haute ductilité, le plus souvent le cobalt. Néanmoins, l’utilisation du cobalt comme liant est remis en question depuis quelques années par la commission européenne REACH à cause de sa toxicité. En conséquence, des liants alternatifs tels que les alliages de Fe et Ni sont étudiés. Malgré les différents travaux menés, il subsiste un manque de compréhension fondamental sur l’effet spécifique du liant sur le frittage et le grossissement de grains des carbures cémentés. Le but de cette étude est la compréhension de l’effet de la composition du liant sur le frittage et le grossissement de grains. Dans cet objectif, différent liants WC-20vol%M (M=Fe, Ni or Co) et différent taux de carbone sont considérés. Le frittage et le grossissement de grains seront étudiés à l’aide de caractérisations macroscopiques et microstructurales, puis les résultats discutés en comparaison avec la littérature. Comme il a été déjà observé dans le cas d’alliages WC-Co, le retrait au cours du frittage survient plus tôt dans le cas d’alliages riches en W qu’en C, quelque soit le liant considéré. Concernant l’effet de la nature du liant, le frittage en phase solide est décalé vers les hautes températures pour WC-Fe en comparaison avec WC-Co et WC-Ni. Dans cette étude le retrait est directement corrélé avec la capacité d’étalement du liant dans la porosité, comme le confirme l’analyse de la microstructure. Quant au grossissement de grain, il est inhibé pour un faible ratio C/W, quelque soit la nature du liant. Néanmoins, pour un ratio C/W élevé, celui-ci augmente, ainsi que la tendance au grossissement anormal, en particulier dans le cas du liant nickel. Les mécanismes de grossissement de grains sont discutés en lien avec les observations structurales des interfaces.Thanks to their exceptional hardness and wear resistance, cemented carbides are the best candidates to make efficient cutting and drilling tools by the powder metallurgy route. Known as a very hard ceramic material, tungsten carbide is used as the major component of cemented carbides. A ductile metal binder is added as the matrix, which in most cases is cobalt. Nevertheless the use of cobalt as a binder is questioned by the new European regulation on chemicals (REACH). Therefore, new alternative binders are considered, especially Fe and Ni-alloys. Although a few studies exist for Fe-based and Ni-based WC cemented carbides, there is still a lack of fundamental understanding of the specific effect of the binder on sintering and grain growth. This work discusses the effect of binder composition on sintering and grain growth of cemented carbides. For this purpose, different binder compositions WC-20vol%M (M= Fe, Ni or Co) and different C/W ratio are considered. Sintering and grain growth behaviors are investigated using several macroscopic and microstructural characterizations, and results are discussed and compared to the literature. As already observed in previous works on WC-Co, shrinkage occurs earlier for W-rich than for C-rich alloys for the three binders. Regarding the influence of the binder nature, solid state sintering is delayed to higher temperature for WC-Fe in comparison to WC-Co and WC-Ni alloys. Shrinkage is directly related to the spreading efficiency of the binder into the porosity, as confirm by the microstructure analysis. Grain growth is inhibited for low C/W ratio whatever the binder nature. Nevertheless, for a high C/W ratio, grain growth is enhanced and the abnormal character of grain growth increases, especially in the case of a Ni binder. Grain growth mechanisms are discussed in relation with the observed structure of phase boundaries