Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co

З використанням растрової електронної мікроскопії встановлено наявність в структурі сплавів WC—Co мікропор, розташованих на міжзеренних і міжфазних границях, співрозмірних з прошарком кобальтової фази. Показано зміну їх розміру і форми при зміні розмірів кобальтового прошарку і зерен карбіду вольфра...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Сверхтвердые материалы
Date:	2008
Main Author:	Прокопів, М.М.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2008
Subjects:	Получение, структура, свойства
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20734
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co / М.М. Прокопів // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 4. — С. 67-74. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20734
record_format	dspace
spelling	Прокопів, М.М. 2011-06-04T17:23:13Z 2011-06-04T17:23:13Z 2008 Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co / М.М. Прокопів // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 4. — С. 67-74. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20734 669.25/.27:539.217.1 З використанням растрової електронної мікроскопії встановлено наявність в структурі сплавів WC—Co мікропор, розташованих на міжзеренних і міжфазних границях, співрозмірних з прошарком кобальтової фази. Показано зміну їх розміру і форми при зміні розмірів кобальтового прошарку і зерен карбіду вольфраму. uk Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co
spellingShingle	Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co Прокопів, М.М. Получение, структура, свойства
title_short	Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co
title_full	Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co
title_fullStr	Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co
title_full_unstemmed	Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co
title_sort	дослідження мікропористості сплавів групи wc—co
author	Прокопів, М.М.
author_facet	Прокопів, М.М.
topic	Получение, структура, свойства
topic_facet	Получение, структура, свойства
publishDate	2008
language	Ukrainian
container_title	Сверхтвердые материалы
publisher	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
format	Article
description	З використанням растрової електронної мікроскопії встановлено наявність в структурі сплавів WC—Co мікропор, розташованих на міжзеренних і міжфазних границях, співрозмірних з прошарком кобальтової фази. Показано зміну їх розміру і форми при зміні розмірів кобальтового прошарку і зерен карбіду вольфраму.
issn	0203-3119
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20734
citation_txt	Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co / М.М. Прокопів // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 4. — С. 67-74. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT prokopívmm doslídžennâmíkroporistostísplavívgrupiwcco
first_indexed	2025-11-25T20:57:31Z
last_indexed	2025-11-25T20:57:31Z
_version_	1850544071909572608
fulltext	ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 4 67 УДК 669.25/.27:539.217.1 М. М. Прокопів (м. Київ) Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co З використанням растрової електронної мікроскопії встановле- но наявність в структурі сплавів WC—Co мікропор, розташованих на міжзеренних і міжфазних границях, співрозмірних з прошарком кобальтової фази. Показано зміну їх розміру і форми при зміні розмірів кобальтового про- шарку і зерен карбіду вольфраму. Ключові слова: твердий сплав, спікання, структура, карбід вольфраму, кобальт, мікропористість, зерно, прошарок. Вступ. Відомо, що при спіканні сплавів системи WC—Со іс- нують вимоги, при яких повинна формуватись безпориста структура [1]: ут- ворення рідкої фази з нульовим кутом змочування, а також часткове розчи- нення в ній твердої фази. Незважаючи на спікання в рідкій фазі, в структурі технічних твердих сплавів присутні (до 0,2 % (за об’ємом)) залишкові пори [2], котрі значною мірою зменшують їх працездатність, особливо при втомі і в умовах дії ударних навантажень [3]. Поскільки при існуючій технології порошкової металургії неможливо уникнути утворення пор в структурі твер- дих сплавів, тому їх, поряд із зернами карбіду вольфраму і кобальтового про- шарку, прийнято вважати компонентом структури сплавів групи WC [4]. Деякі дослідники [5], вивчаючи еволюцію структури пор в процесі спікання, вказу- ють, що пори на стадії твердофазного спікання збільшуються в розмірі, але при появі рідкої фази повністю зникають. Тому в сучасних публікаціях досить час- то вживаються терміни “безпориста структура”, “ліквідація пор” та ін. Слід зазначити, що сьогодні ведуться глибокі дослідження карбідної і кобальтової фаз сплавів з використанням високочутливих електронних мікроскопів як в електронному, так і контрастному зображенні. В той же час вивченню пористості в структурі сплавів WC—Co не приділяється належної уваги. Зокрема, величину і об´ємну долю пор вже протягом довготривалого часу досліджують на полірованому шліфі зразка при збільшенні лише в 100— 200 раз, а для їх оцінки використовують трибальну систему: Розміри пори, мкм 20 20—50 50—100 Оцінка в балах 0,1 1,0 10,0 Залежно від розміру і розподілу пор у відповідності з класифікацією ІSO 4505 використовують різні шкали: А02—А08 (максимальний розмір пор — до 19 мкм); В02—В08 (найбільший розмір пор до 25 мкм); С02—С08 (вугле- цева пористість). Отже, вищенаведена методика ефективна для оцінки пор, які за розміром більші від розмірів карбідних зерен. Крім цього, в структурі окремих зразків пори за даною методикою взагалі не ідентифікуються, хоч значення густини сплаву менше за теоретичне. Часто зразки однієї партії з однаковими параметрами структури (в тому числі, залишкової пористості, визначеної з використанням згаданої методики) однаковими значеннями коерцитивної сили, твердості і густини суттєво відрізняються за показниками міцності і пластичності, що може бути пов´язано з мікропористістю. © М. М. ПРОКОПІВ, 2008 www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 68 Таким чином, використання стандартної методики не дає вичерпної від- повіді щодо наявності в сплаві мікропор, зокрема з розміром на рівні розміру прошарку кобальтової фази, причин їх утворення і місць розташування в структурі сплавів. В роботі [6] на поверхнях зламу зразків сплаву WC—16 Со при збільшенні в 1000 раз на оптичному і в 2500 раз на електронному мікроскопах виявлено міжчастинкові пори, за формою близькі до сферичних. Їх доля менша за до- лю, яка повинна бути, виходячи з реальної об’ємної пористості сплаву. Тому авторами робиться припущення, що це двомірні пори, які можуть бути зосереджені як між зернами WC—WC, так і між поверхнями зерен WC и кобальтового прошарку. У кобальтовій фазі таких пор, на думку авторів, бути не може через високі температури спікання. Виходячи зі сказаного, зрозуміло, що залишкові мікропори в структурі сплавів групи WC потребують більш глибокого дослідження з використанням сучасної апаратури, тим більше, що в літературі відсутня інформація, яка б стосувалась направленого дослідження в цьому напрямку. Ціль даної роботи полягала в дослідженні мікропористості сплавів групи WC—Со. Методика досліджень. В якості об’єкту дослідження було взято дрібно- зернистий (ВК8М), середньозернисті (ВК6, ВК8, ВК15) і крупнозернисті (ВК10КС, ВК10ВГС, ВК13ВГС) тверді сплави (таблиця). Для виготовлення з них спечених зразків використовували стандартні твердосплавні суміші ви- робництва Кіровградського заводу твердих сплавів (КЗТС, Росія). Після по- переднього спікання зразків у метано-водневому середовищі [7] виконували компресійне їх спікання під тиском газу 2,5 МПа, що передбачало одержання високої щільності структури і виключало присутність в ній пор розміром > 25 мкм [8, 9]. Підготовку шліфів зі спечених зразків для дослідження на оптичному мікроскопі проводили за стандартною методикою, аналіз мікрострукт ури виконували на нетравленому шліфі за допомогою мікроана- лізатора “CamScan-4DV” в контрастному зображенні. Склад і характеристика сплавів Склад cплаву, % (за масою) Марка сплаву WC Cо Середній розмір зерен WC dWC, мкм Розмір прошарку Со, мкм Твердість HRА ВК6 94 6 2,42 0,5—1,0 89,0 ВК8 92 8 2,48 0,5—1,0 88,5 ВК8М* 92 8 1,75 0,5 89,2 ВК15 85 15 2,77 0,5—1,5 86,5 ВК10КС 90 10 3,84 1,0—2,0 86,7 ВК10ВГС 90 10 3,54 0,5—2,0 86,9 ВК13ВГС 87 13 3,44 0,5—2,0 86,4 *Сплав містить 0,2 % (за масою) VC. Компресійне спікання зразків здійснювали за режимом, приведеним на рис. 1. Для кожної марки твердого сплаву температури (Т1 = Т2) ізотермічних витримок на стадії вакуумного спікання і під тиском газу відрізнялись у відповідності з хімічним складом сплавів. Зниження температури Т1 до 1250—1200 °С після стадії вакуумного спікання обумовлене напусканням холодного газу в робочий простір установки для здійснення операції компресійного спікання під тиском. ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 4 69 0 10 15 45 20 τ, хв 1 2 200 400 600 800 1000 1400 T 1 1200 T 2 T, °C 1200—1250 °C 2,5 2,0 1,5 1,0 p, МПа 3×10 –5 Рис. 1. Схема компресійного спікання твердих сплавів: 1 — зміна температури; 2 — зміна тиску. Результати досліджень. На рис. 2 представлена мікроструктура сплаву WC—8 Со з різного роду порами, яка отримана за допомогою оптичного мікроскопу. 50 мкм а ×500 10 мкм пори Co WC б ×1600 в ×1600 Рис. 2. Мікроструктура сплаву ВК8 після спікання у водні з крупними порами (а), мікро– порами (б) та їх скупченнями (в) після компресійного спікання під тиском аргону 2,5 МПа. Аналіз структури підтверджує аргументи щодо недостатньої ефективності стандартної методики з використанням оптичного мікроскопу для виявлення пор, особливо при зменшенні їх розміру. На рис. 3—5 подано мікроструктуру з електронного мікроскопу “Cam- Scan” в контрастному зображенні зразків сплавів ВК8М, ВК6, ВК8, ВК15, ВК10КС, ВК10ВГС, ВК13ВГС після компресійного спікання під тиском газу 2,5 МПа. На рис. 3, а показано сплав ВК8М в такому світловому і контрастному зображеннях, при яких можна аналізувати карбідну (сірого) і кобальтову (чорного кольору) фази. Взято частину шліфа, на якій присутні рекриста- лізовані крупні зерна WC, а також нерівномірно розподілена кобальтова фаза з розміром прошарку (2—3 мкм), який перевищує нормативний (0,5 мкм). На перший погляд в структурі (див рис. 3, а) є тільки одна пора (показана стрілкою) розміром 10 мкм, яку можна розпізнати хіба що за формою, бо вона, як і кобальтова фаза, чорного кольору. Збільшення контрастності і яскравості шліфа за допомогою меню “Зображення” діалогового вікна “Фор- мат рисунку” (див. рис. 3, б) змінило колір кобальтової фази з чорного до сірого, а карбіду вольфраму — з сірого до білого. В той же час деякі ділянки www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 70 шліфа, в основному рівновісної форми з розміром на рівні розміру кобальто- вого прошарку, залишились чорного кольору (показані стрілкою). Більшість таких ділянок розташована на міжфазних границях, а окремі з них повністю знаходяться між зернами WC. Скупчення таких ділянок виявлено в місцях формування нерівномірної зернової структури. 10 мкм пора Co WC а пора пора Co WC пора б Рис. 3. Мікроструктура сплаву ВК8М в контрастному зображенні різної інтенсивності та яскравості; ×2000. Аналогічні одиничні пори і їх скупчення є і на шліфах сплаву ВК8 (рис. 4). Зі збільшенням вмісту кобальту до 15 % (за масою) в структурі спеченого сплаву також присутні ділянки чорного кольору, тобто пори, але переважна їх більшість має видовжену, а не сферичну форму. Пори видовженої форми розміщені вздовж граней зерен карбіду вольфраму і кобальтового прошарку. Сфероподібні пори мають більший розмір порівняно з розміром пор такої ж форми в сплавах ВК6, ВК8М і ВК8. пора Co WC а б в г Рис. 4. Сплави ВК6 (а, б) і ВК8 (в, г) з мікропорами; ×2500. ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 4 71 Відмінним для сплаву ВК15 є значне зменшення кількості пор, які роз- міщені між зернами карбіду вольфраму. Такі пори, розміщені у вигляді лан- цюга на міжфазних і міжзеренних границях, були зафіксовані в окремих зраз- ках (рис. 5, б). пора Co WC а б Рис. 5. Сплав ВК15; а, б — різні ділянки шліфа; × 2500. В структурі крупнозернистих сплавів ВК10КС, ВК10ВГС (рис. 6, а, б) та- кож присутні поодинокі ділянки чорного кольору і їх скупчення на міжфазних і міжзеренних границях. Аналогічно структурі сплаву ВК15, міжфазні пори в цих сплавах близькі до сферичної і видовженої форми, а також значно менше пор, розташованих між зернами карбіду вольфраму. Натомість зафіксовано пори (на рис. 6, г обведені контуром), які розділяють кобальтовий прошарок. 10 мкм а б в г Рис. 6. Микроструктура сплавів ВК10КС (а, б) і ВК10 ВГС (в, г); ×2000. Аналіз мікроструктури сплаву ВК13ВГС (рис. 7, а, б) підтверджує, що зі збільшенням розмірів карбідного зерна і кобальтового прошарку збільшуєть- www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 72 ся розмір пор на міжфазних границях, а їх кількість зменшується. Значно зменшується також кількість міжзеренних пор. 10 мкм а б в г Рис. 7. Мікроструктура сплаву ВК13ВГС: а, б — компресійне спікання, Т = 1400 °С, вит- римка — 30 хв, р = 2,5 МПа; в, г — спікання в вакуумі, Т = 1380 °С; а — режим неізотермічного нагріву; б — витримка — 15 хв; ×2000. Обговорення результатів. Сфероподібна форма, співрозмірність темних ділянок з розміром кобальтового прошарку, а також їх розташування пере- важно на міжфазних і міжзеренних границях є доказом того, що це пори. Підтвердженням цього є також відсутність інших, крім кобальту і вольфраму, елементів в місцях таких ділянок. Наявність в таких порах вгнутої поверхні свідчить, що в цьому місці зразка в процесі спікання існувало повне змочу- вання кобальтом карбідних зерен. Утворення таких пор могло відбутися че- рез те, що при рідкофазному спіканні внаслідок дії капілярних сил утворився каркас із карбідних зерен, об’єм пустот між якими більший за об’єм розплав- леного кобальту. Можливо, додатковим фактором у формуванні таких пор є і значна різниця коефіцієнтів термічного розширення кобальту та карбіду вольфраму. Стосовно пор, які розташовані між зернами WC, то це може бути частина об’єму тих же самих пор, що попали в площину шліфа, або утвори- лись в результаті росту карбідних зерен за механізмом коалесценції в умовах твердофазного спікання. Такі пори в площині шліфа є як поодинокими (див. рис. 4, а, в), так і у великій кількості у вигляді скупчень (див. рис. 4, б, г). Крім цього, в деяких випадках розмір пор між крупними зернами WC (див. рис. 4, г) теж збільшується. Згідно [9], однією з причин аномального росту крупних карбідних зерен є наявність біля них і значного розміру кобальтового про- шарку. Натомість наявність мікропор між такими зернами може вказувати на те, що вони не ліквідувалися після свого утворення на стадії твердофазного спікання, або утворилися в результаті ліквідації крупних пор під дією тиску ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 4 73 газу при компресійному спіканні. На всіх шліфах досліджених зразків не було виявлено двомірних пор, наявність яких допускали автори роботи [6] в структурі сплаву WC—16 Со. Варто зазначити, що згідно теорії [10], яка ек- спериментально була підтверджена в [11], дуже малі рівномірно розподілені ізольовані пори гальмують рух тріщин. В той же час, скупчення великої кількості їх є причиною низької міцності і пластичності матеріалу, в структурі якого за існуючою методикою не виявлено пор. Аналогічні пори були виявлені і в структурі середньозернистого сплаву WC—10 Со. Дослідження структури сплаву ВК13 ВГС, який спікали у вакуумі при 1390 °С без витримки (див. рис. 7, в) і при 20-ти хвилинній ізотермічній витримці (див. рис. 7, г), вказують на те, що ділянки на шліфі чорного кольо- ру є дійсно порами. Відсутність в цьому сплаві пор видовженої форми можна пояснити непов- ним ущільненням сплаву, а також тим, що вони утворюються при охолод- женні крупнозернистого сплаву в результаті відриву кобальтового прошарку від зерен WC. Пори видовженої форми, на відміну від пор рівновісної форми, діють як надрізи. Тому в сплавах з підвищеним (більше 10 %) вмістом ко- бальту вони є додатковою причиною зменшення приросту механічної міцності. Поодинокі пори є найбільш поширеними в сплавах групи WC—Со, за ни- ми йдуть скупчення пор по площі і скупчення у вигляді ланцюга, причому останні два види в більшості випадків знаходяться в місцях з неоднорідною зерновою структурою сплавів. Утворення скупчень пор по площі, а також у вигляді ланцюга може бути пов’язано з ліквідацією крупних пор (виникли в сплаві на стадії попереднього спікання в вакуумі) під дією тиску газу на заключній стадії компресійного спікання.. Висновки В структурі сплавів групи WC—Co незалежно від вмісту кобальту в до- сліджуваному інтервалі (6—15 % (за масою)) і розміру карбідного зерна присутні поодинокі мікропори і їх скупчення, розташовані на міжфазних і міжзеренних границях і співрозмірні з розміром кобальтової фази. В структурі дрібно- і середньозернистих сплавів з вмістом Со до 10 % утворюються пори сфероподібної форми як в процесі ущільнення сплавів при нагріванні від температури твердофазного до температури рідкофазного спікання, так і при їх охолодженні. Збільшення вмісту кобальту до 15 % в середньозернистих і розміру кар- бідного зерна в крупнозернистих твердих сплавах групи WC—Co призводить до формування мікропор переважно видовженої форми при охолоджені спла- вів від температури рідкофазного спікання в результаті відриву кобальтової фази від грані карбідного зерна через різні значення їх КТР. Наявність в структурі сплавів WC—Co мікропор потребує нових підходів при вивченні їх реальних стереологічних характеристик, впливу на термічні напруження, а також фізико-механічні властивості. 1. Третьяков В. И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. — М.: Металлургия, 1976. — 528 с. 2. Панов В. С., Чувилин А. М., Фальковський В. А. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. — М.: МИСиС, 2004. — 464 с. 3. Лошак М. Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. — Киев: Наук. думка, 1984. — 327 с. www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 74 4. Фальковський В. А., Клячко Л. И. Твердые сплавы. — М.: Изд. дом “Руда и металлы”, 2005. — 416 с. 5. Grewe H., Osterman G. Hot isostatic secondary compression of hard metals // Technische Mitteilungen Кrupp: Farschungberichte. — 2001. — 35, N 1. — S. 51—58. 6. Лаптев А. В., Пономарев С. С., Очкас Л. Ф. Особенности структуры и свойств сплава 84 % WC—16 % Со, полученного горячем прессовании в твердой и жидкой фазах // Порошк. металлургия. — 2001. — № 9/10. — С. 3—13. 7. Бондаренко В. П., Павлоцкая Э. Г. Спекание вольфрамовых твердых сплавов в прецизионно контролируемй газовой среде. — Киев: Наук. думка, 1995. — 202 с. 8. Gille G., Szesny B., Dreyer K. et al. Submicron and ultrafine grained herdmеttal for microdrills and metal cutting insert // Prоc. 15th Int. Plansee Seminar, Reutte, May 28—June 1, 2001. — Reutte, 2001. — V. 2. — Р. 782—816. 9. Бондаренко В. П., Прокопив Н. М., Харченко О. В. Термокомпрессионная обработка твердых сплавов // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент — техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2004. — Вып. 7. — С. 252—256. 9. Чапорова И. Н., Чернявский К. С. Структура спеченных твердых сплавов. — М.: Метал- лургия, 1975. — 248 с. 10. Шуров А. Ф., Ширяев А. М., Коткис А. М. Вязкость разрушения хрупких материалов // Прикладные проблемы прочности и пластичности. — Горький: Горьк. ун-т, 1981. — С. 108—113. 11. Сытник А. А., Васильев А. Д., Слысь И. Г. Влияние пористости на трещиностойкость хрупких порошковых материалов // Электронная микроскопия и прочность материалов. — Киев: Ин-т пробл. материаловедения НАН Украины, 1989. — С. 34—40. Ін-т надтвердих матеріалів Надійшла 17.03.08 ім. В. М. Бакуля НАН України

Дослідження мікропористості сплавів групи WC—Co

Institution

Similar Items