Повышение эффективности модифицирования твердосплавных композитов наночастицами керамики.
, к. т.н. доц., , аспирант,
, к. т.н. доц., к. т.н. доц.
Сибирский Федеральный Университет. Политехнический институт,
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79,
тел.
E-mail:
Накопленные данные многочисленных исследований о свойствах, способах, технологиях изготовления и практическому применению наноструктурированных твердосплавных композитов показывает, что задача повышения комплекса их физико-механических и эксплуатационных характеристик может быть решена за счет использования в качестве основной фазы наноразмерных порошков карбида вольфрама [1]. Однако, сохранение наноразмерного карбидного зерна в структуре твердосплавного композита требует применения специального оборудования и технологий (СВЧ спекание, ГИП, плазменное спекание под давлением, спекание индукционным нагревом, электроимпульсное плазменное спекание (ЭИПС –Spark Plasma Sintering – SPS) и др.), что приводит к увеличению стоимости твердосплавных изделий. Другим эффективным технологическим способом (приемом) повышения качества твердосплавного материала является использование в исходной смеси субмикронных порошков карбида вольфрама в сочетании с добавками наноразмерных частиц карбидов, нитридов, оксидов, которые играют роль ингибиторов роста зерна основной карбидной фазы WC при спекании [2-4]. На целесообразность использования такого подхода с целью обеспечения функционального градиента свойств за счет микронной, субмикронной карбидной фазы и добавок наночастиц различного состава и дисперсности указывается также в работах [2,5].
Необходимо особо подчеркнуть, что влияние добавок наночастиц не ограничивается только их ингибирующим воздействием. При условии их равномерного распределения по объему кобальтового связующего формируются квазинанокристаллические фрагменты структуры (Co – включение наночастиц оксидов) между зернами WC [5-7,9].
В процессе выполнения исследований разрабатывались новые способы предварительной подготовки нанопорошков с целью повышения эффективности модифицирования твердосплавных композитов, обеспечения статистической однородности распределения, наноструктурированных фрагментов по объему кобальтовой связки. Для достижения этой цели наноразмерные порошки оксидов алюминия и циркония подвергаются предварительному ультразвуковому диспергированию в водном растворе поливинилового спирта до получения устойчивой суспензии. Затем суспензия смешивается с порошком карбида вольфрама и производится совместный размол в шаровой мельнице в течение 20 часов до получения однородного распределения компонентов. При этом за счет механической активации, разницы в размерах порошков и пластифицирующих свойств поливинилового спирта на поверхности карбидов формируется плакирующий слой из наночастиц. Полученную смесь дошихтовывают кобальтом в нужной пропорции и дополнительно перемешивают, затем подвергают сушке с последующей грануляцией [6]. Предложенное техническое решение позволяет упростить традиционную, наиболее широко применяемую технологию производства твердых сплавов, исключить из технологического цикла ряд промежуточных операций (поскольку размол совмещен со смешиванием и пластифицированием).
В конечном итоге, усовершенствованная технология получения твёрдосплавного композита обеспечивает равномерное распределение модифицирующих наночастиц оксидов по структуре твердосплавного композита в виде однородного плакирующего слоя из наночастиц оксидов на частицах карбида вольфрама (рис. 1а). При спекании наночастицы оксида алюминия образует тонкую прослойку разделяющую зерна карбида вольфрама в кобальтовой прослойке. (рис. 1б).
а б
Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения наноструктурированных твердых сплавов модифицированных наночастицами. (а - прессовка, б – образование прослойкиСо+Аl2O3 после спекании)
Таблица 1.Элементный состав точечных и суммарного спектров сплава Т15К6-нано Al2O3, х10000
Spectrum | Instats. | C | Al | Ti | Co | W | Total |
Spectrum 1 | Yes | 11.72 | 26.28 | 5.92 | 34.18 | 21.90 | 100.00 |
Spectrum 2 | Yes | 15.15 | 46.27 | 7.52 | 4.24 | 26.82 | 100.00 |
Spectrum 3 | Yes | 5.83 | 10.16 | 2.54 | 81.47 | 100.00 |
Примечание: данные приведенные в таблице получены для рис. 1б.
Изучение микроструктурных параметров твердого сплава методами растровой электронной микроскопии в сочетании с использованием поэлементного анализа свидетельствует о достаточно высокой статистической равномерности взаимного распределения компонентов композита (карбидов вольфрама, кобальта и модифицирующих добавок наночастиц) по объему, что было подтверждено данными последних исследований, которые подробнее представлены в работах [6,7,9]. (рис.2).
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение излома твердого сплава (а) и концентрационные кривые распределения Al, Co, W, С, О (б)
Результаты совместных работ с Национально – исследовательским Томским политехническим университетом (ТПУ) [6,9] свидетельствуют о положительном влиянии добавок наночастиц на свойства стандартных твердых сплавов, что объясняется, прежде всего, изменением их структурных параметров. Формирование наноструктурных фрагментов в объеме металлической кобальтовой прослойки обеспечивает снижение до субмикронных размеров ее толщины между карбидными зернами, реализуется известный в материаловедении эффект дисперсного упрочнения (рис. 3). Как результат обеспечивается качественно новый уровень свойств, увеличивается способность сплава сопротивляться сдвиговым деформациям, тормозятся процессы роста зерна карбидной фазы. Включения тугоплавких и твердых наночастиц в прослойках связки позволяют повысить стойкость к износу при повышенных температурах, например при высокоскоростном резании, и, кроме того, являются барьерами на пути распространения микротрещин (рис. 4), повышается прочность инструмента. Наночастицы керамики в количестве 0,05-0,2 % по массе, не только дисперсно упрочняют кобальтовую прослойку но и композит в целом(повышают трещиностойкость до 50%, прочность на изгиб до 25%), стойкость к температурным воздействиям, снижают адгезионное схватывание с обрабатываемым материалом, в 1,5 раза снижается абразивный износ. Чрезвычайно важным фактом, который был обнаружен и повторялся при изучении микроструктуры твердосплавных материалов, модифицированных наночастицами в условиях ЦЗЛ УНТЦ Кировградского завода твердых сплавов и ТПУ, является стабильное снижение среднего размера карбидных зерен основной фазы WC, TiC (рис.3), а также данные приведены в работах [6,7,9].
|
|
Рис. 3. Изменение прочности на изгиб (уи) и размера карбидного зерна (d) в зависимости от концентрации нанодобавок (С): 1 – ВК6 - наноAI2O3; 2- ВК15 - наноAI2O3; 3- изменение размера зерна WCв зависимости от концентрации А120з - нано. | Рис. 4. Релаксация напряжений во фронте распространения трещины (от угла отпечатка пирамидки Виккерса) |
Для целенаправленного управления составом, структурой и свойствами твердосплавных композитов определены эффективные пути повышения физико-механических свойств (предела прочности на изгиб, трещиностойкости) за счет прогнозирования их на стадии проектирования в зависимости от концентрации и размеров карбидной фазы, наночастиц и объемных долей всех составляющих. Разработан программный продукт [8] по расчету параметров структуры и функционально связанных с ними прочности и трещиностойкости.
Разработанные применительно к известным стандартным твердым сплавам математические модели, методики прогнозирования прочности, вязкости разрушения модифицированных твердых сплавов в зависимости от концентрации и объемных долей всех составляющих, были адаптированы для оценки эффективности «внедрения» наночастиц в структуру кобальтовой связки вновь создаваемых и планируемых к производству твердых сплавов с субмикронным зерном. Обнаруженный дополнительный положительный эффект от внедрения наночастиц в прослойку связующего, когда они играют роль барьеров роста карбидных субмикронных зерен, становится принципиально важным и актуальным достоинством и аргументом в пользу формирования наноструктурных фрагментов (Co – нановключения) между зернами WC. Если не предотвратить рекристаллизацию карбидных зерен с размерами 0,5 – 0,9 мкм, то они могут вырасти до «обычных» микронных размеров (3-5 мкм), а твердый сплав будет иметь такие же структурные параметры, а значит и уровень физико-механических, прочностных и эксплуатационных свойств как и у известных стандартных твердых сплавов.
Выводы
1. Использование нанопорошков для реализации градиента функциональных свойств не имеет альтернативы при создании твердосплавных композитов, т. к. они могут обеспечивать существенное повышение физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик при небольшом количестве добавок к матричному материалу, без усложнения традиционной базовой (стандартной) технологии и без существенных дополнительных затрат на оборудование и оснастку.
2. Результаты проведенных комплексных параметрических исследований свидетельствуют, что у этих композитов реализуется известный в материаловедении принцип «состав – структура - свойства». Применение разработанных составов твердых сплавов, технологии их изготовления обеспечивает изменение структурных параметров, толщины кобальтовой прослойки связующего, снижение среднего размера карбидного зерна и, как результат, дисперсное упрочнение связующего и твердосплавного композита в целом; увеличение (по сравнению со стандартными материалами) прочности на изгиб на 25-30%; трещиностойкости на 50%; износостойкости (стойкость к истиранию) в 2-2.5-раза.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 14-08-00508).
Список литературы:
1. , , и др. // IV Всероссийская конференция по наноматериалам. / Сборник материалов. – М: ИМЕТ РАН, 2011, с. 71.
2. Андриевский разработок и перспективы в области порошковых наноструктурных материалов/ // Материалы IIмежрегион. конф. с междунар. участием. Красноярск: КГТУ, КНЦ СО РАН, 1999. С.190-196.
3. , и др. Использование нанопорошкаAl2O3в качестве ингибитора роста зерна в сплаве ВК8/ Вопросы материаловедения, № 2, 2004. С.100-105.
4. , , Зеер использования нанопорошков для повышения эксплуатационных характеристик твердосплавного инструмента// Технология машиностроения, №9, 2008 г., с.31-35
5. , Клячко сплавы // М.: Издательский дом "Руда и металлы". -2005. -415 с.
6. , , Лепешев добавок легирующих керамических наночастиц на структурные параметры и свойства твердых сплавов// Вестник СибГАУ №3 (49), 2013, с.174-181.
7. , , . Конструирование и исследование твердосплавных и керамических композитов, модифицированных наночастицами//Перспективные материалы, №5, 2012, с. 76-88.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 000 РФ, Расчет структурных параметров композита WC-Co-Al2O3 – нано/, , Лыткина . 20.12.2013г.
9. , , , Двилис эффективных путей управления структурой и свойствами твердосплавных композитов модифицированных наночастицами//Журнал Сибирского Федерального Университета. Серия: техника и технологии №1 (7), 2014.
