Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co
Приведены исследования спеченного твердого сплава (Ti,W)C–WC–Co. Доказано, что в этом сплаве, в период жидкофазного спекания, могут возникать устойчивые изолированные поры, которые не заполняются расплавом кобальта. Определено условие, при выполнении которого изолированные поры заполняются расплавом...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Дата: | 2019 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167301 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co / С.А. Давиденко // Надтверді матеріали. — 2019. — № 2 (238). — С. 59-64. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859876737985282048 |
|---|---|
| author | Давиденко, С.А. |
| author_facet | Давиденко, С.А. |
| citation_txt | Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co / С.А. Давиденко // Надтверді матеріали. — 2019. — № 2 (238). — С. 59-64. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Приведены исследования спеченного твердого сплава (Ti,W)C–WC–Co. Доказано, что в этом сплаве, в период жидкофазного спекания, могут возникать устойчивые изолированные поры, которые не заполняются расплавом кобальта. Определено условие, при выполнении которого изолированные поры заполняются расплавом кобальта, что гарантирует получение беспористых твердых сплавов.
Проведено дослідження спеченого твердого сплаву (Ti,W)C–WC–Co. Доведено, що в цьому сплаві, у період рідкофазного спікання, можуть виникати стійкі ізольовані пори, що не заповнюються розплавом кобальту. Визначено умову, при виконанні якої ізольовані пори заповнюються розплавом кобальту, що гарантує одержання безпористих твердих сплавів.
The study of sintered solid alloy (Ti, W)C–WC–Co was conducted. Prove that in this alloy, during the period of rare-phase sintering, there may be stable isolated pores that are not filled with a melt of cobalt. The condition is defined, in the course of which insulated pores are filled with a melt of cobalt, which guarantees the production of bepporous solid alloys.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:51:26Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 2 59
УДК 620.22:669.018.25
С. А. Давиденко
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля
НАН Украины, г. Киев, Украина
snesha@.ism.kiev.ua
Об устойчивости изолированных пор
в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co
Приведены исследования спеченного твердого сплава (Ti,W)C–
WC–Co. Доказано, что в этом сплаве, в период жидкофазного спекания, могут
возникать устойчивые изолированные поры, которые не заполняются расплавом
кобальта. Определено условие, при выполнении которого изолированные поры
заполняются расплавом кобальта, что гарантирует получение беспористых
твердых сплавов.
Ключевые слова: спеченные твердые сплавы, структура, изоли-
рованная пора.
ВВЕДЕНИЕ
Спеченные твердые сплавы (Ti,W)C–WC–Co получают мето-
дами порошковой металлургии. Окончательная структура этих сплавов фор-
мируется в процессе жидкофазного спекания [1]. В Институте сверхтвердых
материалов им. В. Н. Бакуля проводятся глубокие исследования структуры
спеченных твердых сплавов с целью увеличения работоспособности режуще-
го инструмента [2, 3]. После завершения жидкофазного спекания в объеме
изделий наблюдаются изолированные поры. Поры являются центрами зарож-
дения усталостных трещин, что в конечном итоге приводит к разрушению
твердосплавного изделия [4, 5]. Удаление пор в объеме твердосплавного из-
делия решалось эмпирическими методами. Научный подход к устойчивости
изолированных пор в композиционных материалах был развит А. Ф. Лисов-
ским в [6, 7]. Теоретические и экспериментальные исследования по устойчи-
вости изолированных пор были выполнены для двухфазных композиций [6].
Однако проблема устойчивости изолированных пор в трехфазных компози-
циях остается малоизученной. Спеченные твердые сплавы (Ti,W)C–WC–Co
относятся к трехфазным композициям, в которых кобальт является связкой.
Целью настоящей работы является исследование устойчивости изолиро-
ванных пор в трехфазной композиции (Ti,W)C–WC–Co.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования был спеченный твердый сплав (Ti,W)C–WC–Co,
содержащий, % (по объему): 52,0(Ti,W)C, 40,5WC, 7,5Со. Этот спеченный
твердый сплав соответствовал промышленному сплаву Т15К6.
Образцы размерами 5×8×20 мм спекали в вакуумной печи при остаточном
давлении 0,2 Па, температуре 1520 °С и выдержке при этой температуре
30 мин. Исходная структура образцов представлена на рис. 1. На шлифах
образцов методами стереологической металлографии [8] определили объем-
© С. А. ДАВИДЕНКО, 2019
http://stmj.org.ua 60
ное содержание фаз, а также удельные площади (Sv) контактных
(Ti,W)C/(Ti,W)C, WC/WC и межфазной (Ti,W)C/WC поверхностей. Стерео-
логические исследования проведены на оптическом металлографическом
микроскопе Neophot-21. Разрешающая способность микроскопа Neophot-21
составляла 150 нм.
10 мкм
Рис. 1. Структура исходных образцов.
После спекания образцов грань 8×20 мм шлифовали алмазным кругом,
что позволило получить бороздки различной глубины от 0,5 до 10 мкм. При
наложении шлифованных граней друг на друга образовались полости раз-
личного диаметра от 1 до 20 мкм. В таком положении образцы нагревали в
вакуумной печи при остаточном давлении 0,2 Па до температуры 1400 °С и
выдерживали 20 мин. При этой температуре кобальт представлял расплав,
который проникал в образованные полости. После охлаждения образцы раз-
резали алмазным кругом в плоскости перпендикулярной направлению шли-
фования образцов. Таким путем получили сечение полостей, которые иссле-
довали на микроскопе Neophot-21.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В табл. 1 представлены результаты стереологических исследований об-
разцов, из которых следует, что сплав (Ti,W)C–WC–Co является трехфазной
композицией, в которой имеются контактные поверхности WC/WC,
(Ti,W)C/(Ti,W)C, (Ti,W)C/WC.
Таблица 1. Стереологические характеристики образцов
(Ti,W)C–WC–Co
Доля фаз,
% (по объему)
Площадь удельной поверхности, мм2/мм3
WC (Ti,W)C Co WC
vS )WCTi,(
vS WC/WC
vS )WCWC/(Ti,
vS )WCWC)/(Ti,Ti,(
vS
40,5 52,0 7,5 1200 1260 200 570 260
На рис. 2 представлен фотоснимок зоны контакта двух образцов. В облас-
ти А (см. рис. 2) остались поры размерами 10×20 мкм; в области В все поры
заполнены расплавом кобальта и сформировалась однородная структура; в
области С поры заполнены расплавом кобальта, однако однородной структу-
ры нет. Из этих данных следует, что в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–
WC–Co существует критический размер пор – rкр. Все поры размерами r < rкр
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 2 61
заполняются расплавом кобальта (см. рис. 2, область С), если размер пор r >
rкр, то такие поры не заполняются расплавом кобальта (см. рис. 2, область А)
и являются устойчивыми.
A B C
20 мкм
Рис. 2. Зона контакта образцов после выдержки 20 мин при температуре 1400 °С.
Результаты исследований, приведенные на рис. 3 и 4, также подтвержда-
ют, что в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co существуют поры
критического размера. На рис. 3 показана зона контакта шлифованных образ-
цов с шероховатостью 2 мкм после выдержки 20 мин при температуре
1400 °С. Видно, что в зоне контакта все полости заполнены расплавом ко-
бальта и сформировалась однородная структура.
20 мкм
Рис. 3. Зона контакта шлифованных образцов с шероховатостью 2 мкм.
На рис. 4 представлена зона контакта шлифованных образцов с шерохова-
тостью 10 мкм. В этой зоне образовалась цепочка устойчивых пор.
Необходимо отметить, что в объеме образцов имеются поры, размер кото-
рых меньше rкр. Природа образования таких пор рассмотрена ниже.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Исследованиями [9] установлено, что существует два класса композици-
онных материалов, состоящих из тугоплавких частиц и связки. Материалы, у
которых соотношение поверхностных энергий удовлетворяют неравенству
γαα > 2gγαβ, относятся к первому классу, а материалы, у которых γαα < 2gγαβ –
ко второму. В выше приведенных неравенствах приняты следующие обозна-
чения: γαα – поверхностное натяжение на контактной границе тугоплавких
частиц α; γαβ – поверхностное натяжение на межфазной границе частица α–
http://stmj.org.ua 62
жидкая фаза β; g – коэффициент, учитывающий изменение геометрической
формы частиц α. Композиционные материалы первого класса способны по-
глощать жидкую фазу из окружающей среды [10, 11], в них существует дав-
ление миграции П, которое имеет физический смысл давления всасывания. В
композиционных материалах второго класса отсутствует давление миграции
П. Исследования авторов [12–14] показали, что спеченные твердые сплавы
(Ti,W)C–WC–Co, согласно классификации [9], относятся к материалам пер-
вого класса. При погружении образцов, изготовленных из твердого сплава
(Ti,W)C–WC–Co, в расплав кобальта под действием давления П происходит
миграция расплава кобальта из окружающей среды в объем образца, в ре-
зультате чего в образце увеличивается содержание кобальта. В свете изло-
женных в [6, 7] научных положений, на расплав кобальта в изолированной
поре действует капиллярное давление и давление миграции П. Под действием
капиллярного давления рк жидкость стремится заполнить пору. Давление
миграции П стремится возвратить расплав кобальта в объем образца. Если
рк > П, то пора заполняется расплавом кобальта, если рк < П, изолированная
пора не заполняется расплавом кобальта, она становится устойчивой. Крити-
ческий размер поры определяется из равенства рк = П. Капиллярное давление
в поре описывается выражением
θγ= cosжг
к r
k
p , (1)
где k – коэффициент геометрической формы поры; θ – краевой угол смачива-
ния; γжг – поверхностное натяжение на границе жидкость–газ; r – радиус по-
ры.
40 мкм
Рис. 4. Зона контакта шлифованных образцов с шероховатостью 10 мкм.
В трехфазной композиции выражение давления миграции П имеет сле-
дующий вид [11]
( ) ( ) ( )
V
S
gg
V
S
g
V
S
g
∂
∂
γ−γ−γ+
∂
∂
γ−γ+
∂
∂γ−γ= αβ
βεαεαβ
ββ
βεββ
αα
αεαα 3321 3
1
2
3
1
2
3
1
П , (2)
где α и β – твердые фазы; ε – жидкая фаза; V – объем; αα, αε, ββ, βε, αβ –
контактные и межфазные поверхности соответственно.
Для трехфазных композиций давление миграции П трудно вычислить из
выражения (2), поэтому его целесообразно определить экспериментальным
путем. В табл. 2 приведены значения давления миграции П для спеченных
твердых сплавов (Ti,W)C–WC–Co различного состава, которые были взяты из
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 2 63
[11], а также наши расчетные значения rкр. Из равенства рк = П нашли выра-
жение для определения rкр:
θγ= cos
П
жг
кр
k
r . (3)
Таблица 2. Давление миграции П в сплавах (Ti,W)C–WC–Co
и значения rкр
Состав,
% (по объему
Удельная поверхность, мм2/мм3
WC (Ti,W)C Co WC
vS W)CTi,(
vS WC/WC
vS W)CWC/(Ti,
vS W)CWC)/(Ti,Ti,(
vS
Π,
МПа
rкр∗
,
мкм
92,5 – 7,5 1700 – 660 – – 0,57 2,6
85,4 7,0 7,6 1650 130 560 100 – 0,55 2,3
77,0 15,6 7,4 1450 290 480 110 50 0,44 2,8
65,0 27,6 7,4 1260 500 380 150 110 0,30 4,0
50,0 42,5 7,5 960 770 220 250 160 0,16 6,7
40,0 52,3 7,7 770 950 120 290 220 0,15 7,0
15,0 77,3 7,7 300 1520 – 160 510 0,15 7,0
– 92,5 7,5 – 1820 – – 690 0,15 7,0
∗Данные автора.
На основании исследований, изложенных в [15], приняли, что поверхно-
стное натяжение расплава кобальта, при температуре 1400 °С равно 1,5 Н/м.
С учетом этих данных по формуле (3) рассчитали значения rкр для изолиро-
ванной поры в спеченных твердых сплавов (Ti,W)C–WC–Co (табл. 2). Приве-
денные в табл. 2 значения rкр получены для условия полного смачивания рас-
плавом кобальта стенок поры. В спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–
Co имеются примеси, например Al2O3, SiO2 и др. Эти примеси в период спе-
кания осаждаются на стенках поры, образуя соединения, которые не смачи-
вает расплав кобальта. В этих условиях cos θ ≈ 0° и, согласно зависимости (3),
поры любого размера становятся устойчивыми. Такие поры наблюдали в
объеме образцов после спекания. Необходимо отметить, что компрессионное
спекание способствует заполнению расплавом кобальта изолированных пор.
Это объясняется тем, что действие компрессионного давления совпадает с
действием капиллярного давления pк.
Кристаллическая структура твердых растворов (Ti,W)C, (Ti,Та,W)C,
(Ti,Та,Nb,W)C, используемых для получения спеченных твердых сплавов,
одинаковая. Это позволяет сделать предположение, что результаты исследо-
ваний, полученные для спеченных твердых сплавов (Ti,W)C–WC–Co, явля-
ются справедливыми и для твердых сплавов (Ti,Та,W)C–WC–Co и
(Ti,Та,Nb,W)C–WC–Co.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co образуются устойчивые
изолированные поры, которые не заполняются расплавом кобальта в период
жидкофазного спекания. В этих сплавах существует критический размер пор
rкр. Все поры размерами меньше rкр заполняются расплавом кобальта. Изоли-
рованные поры, размер которых больше rкр, не заполняются расплавом ко-
бальта и являются устойчивыми.
http://stmj.org.ua 64
Автор выражает признательность чл.-корр. НАН Украины В. П. Бонда-
ренко за ряд полезных советов при обсуждении материалов статьи.
Проведено дослідження спеченого твердого сплаву (Ti,W)C–WC–Co.
Доведено, що в цьому сплаві, у період рідкофазного спікання, можуть виникати стійкі
ізольовані пори, що не заповнюються розплавом кобальту. Визначено умову, при виконанні
якої ізольовані пори заповнюються розплавом кобальту, що гарантує одержання безпо-
ристих твердих сплавів.
Ключові слова: спечені тверді сплави, структура, ізольована пора.
The study of sintered solid alloy (Ti, W)C–WC–Co was conducted. Prove that
in this alloy, during the period of rare-phase sintering, there may be stable isolated pores that
are not filled with a melt of cobalt. The condition is defined, in the course of which insulated
pores are filled with a melt of cobalt, which guarantees the production of bepporous solid alloys.
Keywords: sintered solid alloys, structure, isolated time.
1. Прокопів М.М. Нове явище в структуроутворенні твердого сплаву Т5К10. Сверхтв.
материалы. 2018. № 1. С. 97–99.
2. Прокопів М.М. Дослідження мікропористості сплавів групи ВК. Сверхтв. материалы.
2008. № 4. С. 13–16.
3. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых
сплавов. Москва: Металлургия, 1976. 528 с.
4. Nordgren A., Melander E. Influence of porosity on strength of WC–10%Co cemented carbide.
Powder Metall. 1988. Vol. 31, no. 3. P. 189–200.
5. Fry P.R., Garrett G.G. Fatigue crack growth behaviour of tungsten carbide–cobalt hardmetals.
J. Mater. Sci. 1988. Vol. 23. P. 2325–2338.
6. Lisovsky A.F. Termodynamics of isolated pores filling with liquid in sintered composite mate-
rials. Metall. Mater. Transact. A. 1994. Vol. 25. P. 73–740.
7. Lisovsky A.F. On the filling of a pore in a solid-liquid nanodyspersed system. J. Superhard
Mater. 2008. Vol. 30, no. 5. P. 326–332.
8. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. Москва: Металлургия, 1970. 375 с.
9. Lisovsky A.F. Formation of nonequilibrium dihedral angles in composite materials. Int. J.
Powder Metall. 1990. Vol. 26, no. 1. P. 45–50.
10. Lisovsky A.F. On the imbibition of metal melts by sintered carbides. Powder Met. Int. 1987.
Vol. 19, N 5. P. 18–21.
11. Lisovsky A.F. Deconsolidation of polycrystalline skeletons in sintered composite materials.
Mater. Sci. Forum. Sinter. Fundam. 2009. Vol. 623. P. 43–56.
12. Lisovsky A. F., Gracheva T.E. Some peculiarities of structure formation of (Ti,W)C–WC–Co
sintered carbides when interacting with metal melts. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1992.
Vol. 11, no. 2. P. 83–87.
13. Lisovsky A. F., Gracheva T. Е. Some special features of the mass transfer of the liquid phase
in composite materials based on tungsten and titanium carbides. J. Eng. Phys. Thermophys.
1987. Vol. 53, no. 1. P. 807–709.
14. Lisovsky A.F., Gracheva T.E., Kulakovsky V.N. Composition and properties of (Ti,W)C–
WC–Co sintered carbides alloyed by MMT-process. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1995.
Vol. 13, no. 6. P. 379–383.
15. Туманов В.И., Функе В.Ф., Беленькая Л.И., Усольцева Л.Г. Влияние легирования на
поверхностное натяжение металлов группы железа. Изв. АН СССР. ОТН. Металлургия
и толливо. 1962. № 6. С. 43–48.
16. Прокопив Н.М,. Харченко О.В, Ткач В.Н. и др. Влияние термокомпрессионной
обработки под давлением аргона 3,0 МПа на микроструктуру стандартного твердого
сплава (Т,W)C–WC–10Co. Сверхтв. материалы. 2011. № 5. С. 48–55.
Поступила в редакцию 11.06.18
После доработки 19.06.18
Принята к публикации 19.06.18
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167301 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:51:26Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Давиденко, С.А. 2020-03-23T19:59:09Z 2020-03-23T19:59:09Z 2019 Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co / С.А. Давиденко // Надтверді матеріали. — 2019. — № 2 (238). — С. 59-64. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167301 620.22:669.018.25 Приведены исследования спеченного твердого сплава (Ti,W)C–WC–Co. Доказано, что в этом сплаве, в период жидкофазного спекания, могут возникать устойчивые изолированные поры, которые не заполняются расплавом кобальта. Определено условие, при выполнении которого изолированные поры заполняются расплавом кобальта, что гарантирует получение беспористых твердых сплавов. Проведено дослідження спеченого твердого сплаву (Ti,W)C–WC–Co. Доведено, що в цьому сплаві, у період рідкофазного спікання, можуть виникати стійкі ізольовані пори, що не заповнюються розплавом кобальту. Визначено умову, при виконанні якої ізольовані пори заповнюються розплавом кобальту, що гарантує одержання безпористих твердих сплавів. The study of sintered solid alloy (Ti, W)C–WC–Co was conducted. Prove that in this alloy, during the period of rare-phase sintering, there may be stable isolated pores that are not filled with a melt of cobalt. The condition is defined, in the course of which insulated pores are filled with a melt of cobalt, which guarantees the production of bepporous solid alloys. Автор выражает признательность чл.-корр. НАН Украины В. П. Бондаренко за ряд полезных советов при обсуждении материалов статьи. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Одержання, структура, властивості Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co On the Stability of Isolated Pores in Cemented Carbides (Ti,W)C—WC—Co Article published earlier |
| spellingShingle | Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co Давиденко, С.А. Одержання, структура, властивості |
| title | Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co |
| title_alt | On the Stability of Isolated Pores in Cemented Carbides (Ti,W)C—WC—Co |
| title_full | Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co |
| title_fullStr | Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co |
| title_full_unstemmed | Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co |
| title_short | Об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (Ti,W)C–WC–Co |
| title_sort | об устойчивости изолированных пор в спеченных твердых сплавах (ti,w)c–wc–co |
| topic | Одержання, структура, властивості |
| topic_facet | Одержання, структура, властивості |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167301 |
| work_keys_str_mv | AT davidenkosa obustoičivostiizolirovannyhporvspečennyhtverdyhsplavahtiwcwcco AT davidenkosa onthestabilityofisolatedporesincementedcarbidestiwcwcco |