СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО ТВЕРДОГО СПЛАВА ПОЛУЧЕННОГО ТРАДИЦИОННЫМ СПЕКАНИЕМ
1, 1, 1.
1ФГБУН Институт материаловедения ХНЦ ДВО РАН, г. Хабаровск.
E-mail: *****@***ru
Аннотация
В работе представлены исследования состава структуры и свойств образцов среднезернистого субмикронного и ультрамелкозернистого твердых сплавов, содержащих 8% масс. кобальта, спеченных традиционным методом. Проведен анализ соответствия зависимостей твердости, трещиностойкости и прочности от среднего диаметра зерен традиционным закономерностям, основанным на законах Холла-Петча и Орована-Гриффитса.
Вольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТС) были и остаются наиболее распространенным материалом металлорежущих инструментов. По данным статистики в США более половины добываемого вольфрама расходуется на изготовление твердых сплавов [1], а объем рынка твердых сплавов оценивается в 22 млрд $ [2]. Как показали многочисленные исследования, ультрамелкозернистые твердые сплавы значительно превосходят стандартные твердые сплавы по износостойкости благодаря высокой твердости [3].
В большинстве традиционных закономерностей твердость увеличивается при уменьшении среднего диаметра зерен, а трещиностойоксть уменьшается [4]. Традиционно прочность твердых сплавов зависит от размера критического дефекта и содержания кобальта [5]. Большая часть работ посвящена исследованию свойств субмикронных, ультрамелкозернистых, наноструктурных сплавов, созданных с помощью новых методик спекания (горячее прессование и электроискровое спекание) [6]. Размер пор при использовании таких методик сокращается до незначительного. Даже в таких условиях прочность сплавов оказывается разбросанной в широком диапазоне [6]. В то же время традиционное спекание остается наиболее простым и недорогим методом создания твердых сплавов. Таким образом, несмотря на множество исследований, зависимости твердости, трещиностойкости и прочности от среднего диаметра зерен карбида вольфрам для субмикронных и ультрамелкозернистый твердых сплавов остаются неопределенными из-за наличия множества противоречий. Целью данной работы является исследование влияния среднего диаметра зерен WC на твердость, трещиностойкость и прочность среднезернистого, субмикронного и ультрамелкозернистого твердых сплавов, полученных традиционным спеканием.
В работе были созданы три твердых сплава с одинаковым содержанием кобальта (масс. 8%): среднезернистый WC-8Co, субмикронный WC-8Co-1Cr3C2 и ультрамелкозернистый WC-8Co-0.4VC-0.4Cr3C2. Смешивание всех порошков и измельчение карбида вольфрама для получения субмикронного сплава производили в планетарной шаровой мельнице в PM-400 при частоте 250 об/мин в стаканах объемом 500 мл (Таблица 1). Соотношение масс шаров к порошку в мельнице составило 10:1. Режимы для достижения однородности и необходимого гранулометрического состава подбирались экспериментально с учетом предварительно произведенных исследований [7]. Спекание каждой партии из 5 образцов производили в трубчатой печи Carbolite STF в вакууме. Максимальная температура спекания среднезернистого и субмикронного сплавов была 1450°С, для ультрамелкозернистого сплава - 1430 °С. Время выдержки при максимальной температуре – 1 час. Содержание углерода в полученных сплавах определено на анализаторе Horiba Emia 320V2. Размер полученных образцов (20x6,5x5,25 мм) и методика определения прочности соответствовали ИСО 3327-82.
Используя среднедисперсный, субмикронный и ультрадисперсный порошки с помощью традиционного спекания были получены образцы среднезернистого, субмикронного и ультрамелкозернистого твердых сплавов, твердость которых при уменьшении среднего диаметра зерен с 1,6 мкм до 0,37 мкм возрастает с 1356 до 1941 кгс/мм2. Трещиностойкость и прочность при этом уменьшается с 21,4 до 8,5 МПаÖм и с 2080 МПа до 1210 МПа соответственно. Рост твердости и уменьшение трещиностойкости хорошо описывается с помощью традиционных закономерностей основанных на законе Холла-Петча. Одновременного роста твердости и трещиностойкости при уменьшении среднего диаметра зерен не наблюдается. При уменьшении среднего диаметра зерен из-за снижения трещиностойкости происходит снижение прочности в соответствии с законом Орована-Гриффитса. Полученные твердые сплавы немного уступают по прочности сплавам, полученным горячим прессованием и электроискровым спеканием из-за наличия относительно крупных дефектов (около 40 мкм). По твердости и трещиностойкости субмикронные и ультрамелкозернистые сплавы, полученные традиционным спеканием, соответствуют субмикронным и ультрамелкозернистым сплавам, полученным горячим прессованием и электроискровым спеканием.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Xuemei Liu, Xiaoyan Song, Jiuxing Zhang, Shixian Zhao. Temperature distribution and neck formation of WC–Co combined particles during spark plasma sintering. Materials Science and Engineering A 488 (2008) 1–7.
2. Tamotsu Fukatsu, Keiichi Kobori, Mitsuo Ueki. Micro-grained cemented carbide with high strength. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 1991, Volume 10, Issue 2, p. 57-60.
3. G. Gille, B. Szesny, K. Dreyer, H. van den Berg, J. Schmidt, T. Gestrich, G. bmicron and ultrafine grained hardmetals for microdrills and metal cutting inserts. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2002, 20,p. 3–22.
4. A. V. Shatov, S. S. Ponomarev, S. A. Firstov Fracture and Strength of Hardmetals at Room Temperature // Comprehensive Hard Materials, Volume 1, 2004, 21,p. 30–35.
5. M. Sherif El-Eskandarany, Amir A. Mahday, H. A. Ahmed, A. H. Amer. Synthesis and characterizations of ball-milled nanocrystalline WC and nanocomposite WC–Co powders and subsequent consolidations. Journal of Alloys and Compounds 312 (2000) 315–325
6. Zhigang Zak Fang. Correlation of transverse rupture strength of WC–Co with hardness// Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2005, vol. 23, issue 2, p. 119-127.
7. M. I. Dvornik, A. V. Zaytsev Research of surfaces and interfaces increasing during planetary ball milling of nanostructured tungsten carbide/cobalt powder// Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2013, vol. 36, p. 271–277
