Metallographic characterization of a gold-steel composite

1 Introduction and motivation

Since the 3^rd century AD, the damascene technique was used in Europe in the manufacture of high-grade tools and weapons to forge different sorts of steel into a layered composite material [1, 2]. The damascene technique has recently been used for various steel combinations [3, 4, 5, 6]. An interesting experiment was the forging of steel and cast iron [7].

Joining different copper alloys by forging is referred to as the “Mokume Gane technqiue” [8]. It could, however, also be shown that copper and iron sheets can be joined by forging [9].

In this work, a tool steel (K110, material number 1.2379) and gold were joined by forging to obtain a composite material which was subsequently examined.

From a metallographic point of view, two difficulties have to be overcome: the preparation and the use of suitable etchants.

Preparation: When consumables and preparation parameters usually used for hard materials (diamond tipped plane grinding disks, diamond suspensions, appropriate bases/cloths, contact pressures, times) are chosen for the preparation, gold will be profoundly deformed as diamonds are pressed into the soft material. However, applying the common procedures for soft materials, such as abrasives softer than diamond, lower contact pressures, etc., the hard cold work steel is insufficiently prepared. A compromise was therefore sought.

Etchant: Etchants typically used for cold work steel do not react with gold. When appropriate gold etchants are used, it must be assumed that solely the steel, acting like a protective anode, is attacked so that the gold microstructure cannot be revealed. This could be observed for an aqueous KJ-J₂ solution intended to etch gold.

2 Experimental procedure

Sheets of K110 steel (Cr- and C-rich cold work steel, Table 1 [10]) with a thickness of approx. 0.8 mm and gold sheets with a thickness of approx. 0.5 mm were assembled and forged together at approx. 800 °C. The bar was subsequently twisted, creating the typical torsion pattern (Figure 1). The bar was cut longitudinally twice to obtain a 4 mm thick slice. The end portions of this bar were subjected to a metallographic examination.

Figure 1

Twisted bar; overall view and longitudinal section with torsion pattern.

Bild 1: Verdrehter Stab Gesamtansicht und Längsschnitt mit Torsionsmuster.

The samples were cold-embedded and metallographically prepared. Murakami’s reagent, 3 % Nital, and a KCN-H₂O₂ solution were used as etchants. A light optical microscope (LOM) and a scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were used for the examinations.

Preparation: To reveal the sample’s surface, SiC paper (P800 grit, approx. 20 μm) and, subsequently, a 9 μm and 6 μm diamond film with fixed diamond particles were used. Then, a hard satin woven acetate cloth with medium resilience was used for polishing with a 3 μm diamond suspension. However, diamond powder particles are thus pressed into the soft gold (Figure 2). Finally, the material was polished using a short-pile velvet cloth and a 1 μm diamond suspension until the majority of the impressed diamonds were removed from the gold.

Figures 2a and b

Diamond grains pressed into the gold (prior to final polishing using 1 μm diamond suspension).

Bilder 2a und b: Diamantkörner in Gold eingedrückt (vor der Endpolitur mit 1 μm Diamantsuspension).

Murakami’s reagent was used to etch the cold work steel to reveal the size and distribution of the Cr-rich mixed carbides. 3 % Nital etching is suitable for revealing the remaining microstructure of the steel.

The gold could be selectively etched by applying an aqueous KCN solution (approx. 5 %) to the section’s surface, adding 1 % H₂O₂ solution dropwise and simultaneous wiping.

3 Results and discussion

3.1 Polished composite

Owing to their respective colors, the gold and steel layers that were forged together can clearly be distinguished after the final polish (Figure 3). In some locations, the two materials could not be joined successfully and cracks and oxides formed (Figure 3b, d). However, the forge welding process was mainly successful (Figure 3c, e). Here and there, diamonds pressed into the gold can still be observed (Figure 3c).

Figures 3a to e

Polished Au-steel composite (LOM). (a) Overview, (b–e) details.

Bilder 3a bis e: Polierter Au-Stahl-Verbund (LOM). (a) Übersicht, (b–e) Details.

3.2 Microstructure of cold work steel K110

The steel K110 is characterized by carbides that were broken during the forging process (Figure 4a, d). This has previously been reported with regard to medical drills [11, 12].

Figures 4a to f

Steel with broken carbides and their distribution and size (LOM): (a, b) polished, (c, d) Murakami, (e, f) 3 % Nital etching.

Bilder 4a bis f: Stahl mit gebrochenen Karbiden, deren Verteilung und Größe (LOM): (a, b) poliert, (c, d) Murakami, (e ,f) 3 % Nital Ätzung.

After Murakami etching, the coarse Cr-rich mixed type (CrFe)₇C₃ carbides are multicolored and the fine, spherical mixed M₂₃C₇ carbides or V-rich mixed MC carbides are only very weakly attacked and hardly recognizable (Figure 4c, d). This etching allows an observation of the distribution and size of the Cr-rich special carbides.

Etching with 3 % Nital reveals the steel’s microstructure. K110 is typically oil- or air-hardened and, depending on the desired hardness, tempered at temperatures up to 500 °C. Forging was done at approx. 800 °C, i. e., this steel’s soft annealing range. As a matter of fact, a spheroidized annealed structure can be observed (Figure 4e, f).

3.3 Etching the composite

After Murakami etching, a selective etchant was sought for gold. In the literature [13], an aqueous KJ-J₂ solution is recommended for etching Au. Figure 5 shows the result.

Figures 5a and b

Au-steel composite: (a, b) Murakami and KJ-J₂ etching (LOM).

Bilder 5a und b: Au-Stahl-Verbund: (a, b) Murakami und KJ-J₂ geätzt (LOM).

The KJ-J₂ solution attacks the steel matrix (Figure 5a, b) and the carbides are contoured (“black-white etching”). However, it does not react as desired with the gold and no microstructure can be recognized.

3.4 KCN etching of the gold

In reference to gold extraction by cyanide leaching, a KCN solution was tried as etchant. Gold cyanide leaching is based on the principle that gold is, owing to atmospheric oxygen acting as an oxidant, dissolved as NaAu(CN)₂ [14]. As the KCN solution’s pH value is in the alkaline range, the steel should not be attacked.

It could be shown that the atmospheric oxygen acting as an oxidant is already sufficient to etch gold (Figure 6a, b). However, using a KCN-H₂O₂ mixture provides a more efficient etching effect. The etchant was applied for 3 min (Figure 6c, d) and 5 min (Figure 6e, f), respectively.. In line with expectations, the steel was not attacked.

Figures 6a to f

KCN etchings: (a, b) Murakami and KCN in air, 20 min, (c, d) KCNH₂O₂, 3 min, (e, f) KCN-H₂O₂, 5 min.

Bilder 6a bis f: KCN Ätzungen: (a, b) Murakami und KCN an Luft, 20 min, (c, d) KCNH₂O₂, 3 min, (e, f) KCN-H₂O₂, 5 min.

Gold grains in the gold layers can reach a size of up to 1 mm (Figure 6). It is assumed that, after the forging and deformation, gold recrystallizes while it cools. After the etching, the contrast is increased using polarized light (Figure 7).

Figures 7a to d

KCN-H₂O₂ etchings in the LOM: (a, c) bright field, (b, d) polarized light.

Bilder 7a bis d: KCN-H₂O₂ Ätzungen im LOM: (a, c) Hellfeld, (b, d) polarisiertes Licht.

3.5 Interface gold/K110

Figure 8 shows the gold-steel interface after etching using Murakami and KCN-H₂O₂.

Figures 8a to d

Gold-steel interface: (a, b) Murakami etching. (c, d) Murakami and KCN-H₂O₂, 3 min.

Bilder 8a bis d: Gold-Stahl Grenzschicht: (a, b) Murakami Ätzung. (c, d) Murakami und KCN-H₂O₂, 3 min.

At the steel/gold interfaces, a bright, approx. 10 μm thick fringe can be observed in the gold. Moreover, very fine, gray precipitates can be seen (Figure 8b, d). Apparently, a diffusion zone exists between the two materials. Therefore, the element distribution was analyzed using a SEM-EDS line profile (Figure 9). As the gold concentration drops abruptly at the phase boundary and the iron concentration extends further into the gold, it can be assumed that Fe diffuses more rapidly into the Au than Au into the steel. This is consistent with the Au-Fe phase diagram, as, at 800 °C, about 20 wt.% Fe is soluble in Au but only about 3 wt.% Au in Fe [15].

Figure 9

Interface of the Au-Fe composite. SEM-EDS line profile and element distribution.

Bild 9: Grenzfläche der Au-Fe Verbunds. REM-EDXLinienprofil und Elementverteilung.

4 Conclusions

This work shows that a composite material consisting of tool steel and gold can be manufactured by forging. This type of forging can be referred to as a damascene technique. Owing to the diffusion taking place at the interface, the steel-gold composite is characterized by a good bond, which could be confirmed by a SEM-EDS line profile.

It was challenging to find a suitable preparation method and selective etchant to reveal the microstructure. KCN-H₂O₂ has proven its efficacy for etching Au.

The steel is characterized by a microstructure consisting of a spheroidized annealed structure, as well as coarse and fine Cr-rich special carbides. The coarse carbides show cracks which formed during the forging process.

Gold has a coarse-grained microstructure with grains up to a size of 1 mm. This can probably be attributed to a recrystallization process during cooling from the processing temperature.

1 Einleitung und Motivation

Die Damaszenertechnik wurde in Europa seit dem 3. Jahrhundert n. Chr. zum Schmieden verschiedener Stahlsorten zu einem Schichtverbundwerkstoff eingesetzt, um hochwertige Werkzeuge und Waffen herzustellen [1, 2]. In jüngster Zeit wurde die Damasttechnik für verschiedene Stahlkombinationen angewendet [3, 4, 5, 6]. Ein interessantes Experiment war das Schmieden von Stahl und Gusseisen [7].

Beim Schmieden verschiedener Kupferlegierungen wird die Fügetechnik als „Mokume Gane“ bezeichnet [8], es wurde aber auch gezeigt, dass Kupfer- und Eisenbleche durch Schmieden verbunden werden können [9].

In dieser Arbeit wurde ein Werkzeugstahl (K110 bzw. Wst.Nr. 1.2379) mit Gold zu einem Verbundwerkstoff zusammengeschmiedet und untersucht.

Vom metallographischen Standpunkt sind zwei Schwierigkeiten zu lösen: die Präparation und die Anwendung geeigneter Ätzmittel.

Präparation: Werden bei der Präparation, die für harte Werkstoffe üblichen Verbrauchsmaterialien und Präparationsparameter (Diamant bestückte Planschleifscheiben, Diamantsuspensionen, entsprechende Unterlagen/Tücher, Anpressdrücke, Zeiten) eingesetzt, erzeugt man im Gold starke, tiefe Deformationen und Diamanten werden in den weichen Werkstoff eingedrückt. Wendet man hingegen, die für weiche Materialien üblichen Prozeduren an, z. B. weichere Abrasivstoffe als Diamant, geringere Anpressdrücke, etc., wird der harte Kaltarbeitsstahl unzureichend präpariert. Es wurde daher nach einem Kompromiss gesucht.

Ätzmittel: Die für den Kaltarbeitsstahl üblicherweise verwendeten Ätzmittel zeigen keine Reaktion mit Gold. Beim Einsatz geeigneter Goldätzmittel, muss davon ausgegangen werden, dass der Stahl sich wie eine Schutzanode verhält und alleinig angegriffen wird, so dass die Mikrostruktur des Goldes nicht gezeigt werden kann. Dieses Verhalten wurde bei einer wässrigen KJ-J₂- Lösung, welche Gold ätzen sollte, beobachtet.

2 Experimentelles

Bleche aus Stahl K110 (Cr- und C-reicher Kaltarbeitsstahl, Tabelle 1 [10]) mit einer Dicke von etwa 0,8 mm und Goldbleche mit einer Dicke von etwa 0,5 mm wurden zusammengesetzt und bei etwa 800 °C geschmiedet. Anschließend wurde dieser Stab verdreht, wodurch das typische Torsionsmuster entsteht (Bild 1). An diesem Stab wurden zwei Längsschnitte durchgeführt, um eine 4 mm dicke Scheibe zu erhalten. Die Endstücke dieses Stabes wurden metallographisch untersucht.

Die Proben wurden kalt eingebettet und metallographisch präpariert. Als Ätzmittel wurden Murakami, 3 % Nital sowie eine KCN-H₂O₂-Lösung verwendet. Für die Untersuchungen wurden Lichtmikroskop (LOM) und Rasterelektronenmikroskop (REM) mit energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) eingesetzt.

Präparation: Mit SiC-Papier (Körnung P 800, ca. 20 μm) wurde die Probenoberfläche freigelegt, im Anschluss daran wurde eine 9 μm bzw. eine 6 μm Diamant bestückte Folie eingesetzt. Bei diesen Folien ist der Diamant fixiert. Danach erfolgte der Einsatz eines harten, satingewebten Azetattuches mittlerer Stoßelastizität zum Polieren mit 3 μm Diamantsuspension. Dabei wurde allerdings Diamantpulver in das weiche Gold eingedrückt (Bild 2). Abschließend wurde mit einem kurzflorigen Samttuch und 1 μm Diamantsuspension endpoliert, bis die im Gold eingedrückten Diamanten zum überwiegenden Teil entfern waren.

Zur Ätzung des Kaltarbeitsstahls wurde Murakami verwendet, um die Größe und Verteilung der Cr-reichen Mischkarbide zu erfassen. Durch die Ätzung mit 3 % Nital kann das restliche Gefüge des Stahls entwickelt werden.

Durch die Verwendung einer ca. 5 %igen wässrigen KCN-Lösung, die auf die Schliff oberfläche aufgebracht wurde, und dem Zutropfen einer 1 %igen H₂O₂-Lösung bei gleichzeitigem Wischen konnte das Gold selektiv geätzt werden.

3 Ergebnisse und Diskussion

4 Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit wird gezeigt, dass durch Schmieden ein Verbundwerkstoff bestehend aus Werkzeugstahl und Gold hergestellt werden kann. Diese Art des Schmiedens kann zur Damaszenertechnik gezählt werden. Der Verbund Stahl zu Gold ist sehr gut, denn es tritt Diffusion an der Grenzfläche auf, was durch ein REM-EDX Linienprofil bestätigt werden konnte.

Herausfordernd war es, eine geeignete Präparationsmethode und selektive Ätzmittel zur Gefügedarstellung zu finden. Für Au bewährte sich eine KCN-H₂O₂-Ätzung.

Der Stahl besitzt eine Mikrostruktur bestehend aus eingeformtem Glühgefüge sowie groben und feinen Cr-reichen Sonderkarbiden. Die groben Karbide zeigen Risse, welche durch den Schmiedevorgang entstanden sind.

Gold hat ein grobkörniges Gefüge von bis zu 1 mm Größe, was wahrscheinlich auf Rekristallisation während des Abkühlens von der Bearbeitungstemperatur zurückzuführen ist.