О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co

Обоснована размерная область существования наночастиц WC и наноструктурированных твердых сплавов WC—Со. Показано, что существующие технологии спекания не позволяют получать беспористые твердые сплавы WC—Со с размером карбидных частиц 5—40 нм. Предложен метод формирования наноструктурированных тверды...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Сверхтвердые материалы
Дата:	2010
Автор:	Лисовский, А.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2010
Теми:	Получение, структура, свойства
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63496
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:	О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co / А.Ф. Лисовский // Сверхтвердые материалы. — 2010. — № 6. — С. 31-40. — Бібліогр.: 32 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859596627304513536
author	Лисовский, А.Ф.
author_facet	Лисовский, А.Ф.
citation_txt	О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co / А.Ф. Лисовский // Сверхтвердые материалы. — 2010. — № 6. — С. 31-40. — Бібліогр.: 32 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Сверхтвердые материалы
description	Обоснована размерная область существования наночастиц WC и наноструктурированных твердых сплавов WC—Со. Показано, что существующие технологии спекания не позволяют получать беспористые твердые сплавы WC—Со с размером карбидных частиц 5—40 нм. Предложен метод формирования наноструктурированных твердых сплавов. Обґрунтовано розмірну область існування наночасточок WC та наноструктурованих твердих сплавів WC—Со. Показано, що існуючі технології спікання не дозволяють отримувати безпористі тверді сплави WC—Со з розміром карбідних часточок 5—40 нм. Запропоновано метод формування наноструктурованих твердих сплавів. The dimensional area of existence of WC nanoparticles and nanostructure cemented carbide WC—Co is proved. It is shown, that existing technologies of sintering do not allow to receive free-pore cemented carbide WC—Co with a size carbide particles 5—40 nanometers. The method of formation of nanostructure cemented carbides is offered.
first_indexed	2025-11-27T22:15:31Z
format	Article
fulltext	ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2010, № 6 31 УДК 669.018.25 А. Ф. Лисовский (г. Киев, Украина) О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co Обоснована размерная область существования наночастиц WC и наноструктурированных твердых сплавов WC—Со. Показано, что сущест- вующие технологии спекания не позволяют получать беспористые твердые сплавы WC—Со с размером карбидных частиц 5—40 нм. Предложен метод формирования наноструктурированных твердых сплавов. Ключевые слова: спеченные твердые сплавы, наноструктура, технология. ВСТУПЛЕНИЕ В настоящее время исследователи и производители проявля- ют повышенный интерес к созданию наноструктурированных композиций, ожидая получить уникальные свойства материалов. Преследуя эту цель, ряд исследовательских центров мира и передовых фирм приступили к созданию наноструктурированных твердых сплавов WC—Co. Обзор опубликованных результатов исследований [1—3] показал, что на этом пути предстоит решить ряд трудных проблем. Кроме того, многие из этих исследований проведены без глубокой теоретической проработки, в результате чего не дали ожидае- мых результатов. Следует обратить внимание на то, что до настоящего времени теоретиче- ски не обоснована область существования спеченных твердых сплавов WC— Co, обладающих наносвойствами. Как следствие этого во многих опублико- ванных работах исследователи не видят разницы между наноразмерными и наноструктурированными твердыми сплавами WC—Co. Цель настоящей работы — обосновать область существования нанострук- турированных твердых сплавов WC—Co и, исходя из достижений нанострук- турного материаловедения, определить перспективные направления исследо- ваний для получения наноструктурированных твердых сплавов. О РАЗМЕРНОЙ ОБЛАСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ WC И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ WC—Co Наноструктурированные твердые сплавы формируют из наночастиц WC и связки, поэтому на первом этапе рассмотрим область существования наноча- стиц WC. Физические тела по размерам можно разделить на следующие классы — макрочастицы, наночастицы, кластеры, молекулы, атомы и т. д. Интересы автора сосредоточены на первых двух классах. Макрочастицы имеют определенную структуру и объем, при этом их физические, механиче- ские, химические, термодинамические и другие свойства не зависят от разме- ра. Отличительной особенностью наночастиц является зависимость вышеука- занных свойств от размера частицы. На рис. 1 представлены области сущест- вования макро- и наночастиц. © А. Ф. ЛИСОВСКИЙ, 2010 www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 32 r з r кр r кл ас те ры н ан оч ас ти ц ы макрочастицы С во й ст во У ль тр ад и сп ер сн ы е 10 0– 50 0 н м С уб м и к ро н н ы е 50 0– 90 0 н м М ел к оз ер н и ст ы е 90 0– 13 00 н м С ре дн ез ер н и ст ы е 13 00 – 20 00 н м К ру п н оз ер н и ст ы е – б ол ее 2 00 0 н м Рис. 1. Градация частиц карбида WC по размерам. При уменьшении макрочастицы, т. е. при движении по размерной оси r (см. рис. 1) справа налево достигаем критического размера rкр, за которым наступают изменения свойств частицы. Это связано с влиянием малого раз- мера частицы на ее структуру и энергетические уровни атомов. При дости- жении размера частицы, соизмеримого с длиной свободного пробега элек- трона, электрические свойства частицы будут зависеть от ее размера. Значе- ние rкр определяет начало изменения физических, механических, химических, термодинамических и других свойств частицы. Отметим, что в зависимости от измеряемых свойств значение rкр может быть разным для одного и того же физического тела. Очевидно, что длина свободного пробега электрона и раз- мер дислокации также будут неодинаковыми для одного и того же тела. Нижний размер существования наночастиц определяется размером крити- ческого зародыша rз. Все частицы, размер которых больше rз, устойчивы в материнской среде, из которой они образовались, и способны к дальнейшему росту. Такие частицы имеют ядро α, структура которого идентична или близ- ка к структуре макрофазы, и поверхностный слой β (рис. 2). В физической химии поверхностных явлений слой β рассматривают как особую фазу, имеющую определенный объем, давление, структуру, отличную от структу- ры ядра α, избыточную энергию, энтропию и особые физико-механические свойства. Второй отличительной особенностью наночастиц от макрочастиц является соизмеримость объемов ядра и поверхностного слоя. Согласно имеющимся экспериментальным данным, в наночастицах туго- плавких соединений (боридов, карбидов, нитридов, оксидов) толщина по- верхностного слоя составляет один-два периода решетки. Поэтому приняли, что в наночастице WC, образовавшейся из расплава кобальта, толщина по- верхностного слоя равна ∼ 0,6 нм. Согласно исследованиям [4], поверхност- ный слой в частице WC состоит из атомов вольфрама и углерода, которые не ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2010, № 6 33 образуют кристаллическую структуру. Кроме того, в сплаве WC—Co в кон- тактной зоне частиц WC имеются атомы кобальта, которые также оказывают влияние на структуру поверхностного слоя. Вышеизложенное позволяет рас- сматривать поверхностный слой как самостоятельную фазу, именуемую в дальнейшем фазой β. Расчет показал, что в наночастице WC радиусом 10 нм объем поверхностного слоя составляет ∼ 17 % (по объему). α β r Рис. 2. Модель структуры наночастицы: α — ядро; β — поверхностный слой. Ядро α имеет структуру макрофазы, если его размер составляет не меньше трех координационных сфер [5]. С учетом этого положения и предполагае- мой толщины слоя β нижний размер наночастиц карбида вольфрама состав- ляет ∼ 5 нм. В связи с тем, что особое внимание уделяется физико- механическим свойствам наноструктурированных сплавов WC—Co, для оп- ределения верхнего размера наночастиц WC использованы теоретические работы по устойчивости дислокаций в наночастицах [6, 7], где был обоснован характерный размер L* наночастицы, ниже которого существование подвиж- ных дислокаций маловероятно: , 2 * PN kGbL τ = где k — коэффициент, зависящий от геометрии дислокации, изменяющийся в пределах 0,1—1,0; G — модуль сдвига; b — вектор Бюргерса; PNτ — напря- жение Пайерлса-Набарро. Авторы [7] приводят расчетные данные для призматических дислокаци- онных петель и линейных краевых дислокаций, которые для наночастиц на- ходятся в диапазоне 2—40 нм. Исходя из результатов исследований [6, 7], для наночастиц WC верхний размер приняли равным 40 нм. Спеченные твердые сплавы WC—Co, у которых размеры частиц WC на- ходятся в диапазоне 5—40 нм, имеют особые наносвойства. Эти сплавы сле- дует выделить в отдельный класс. Наноструктурированный твердый сплав WC—Co состоит из ядер α, имеющих структуру макрочастиц WC, фазы β с www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 34 особой структурой и свойствами, и связки γ — твердого раствора W и С в кобальте. Автор выполнил расчет, который показал, что в сплаве WC—6Co (6 % (по массе) Со) с радиусом частиц WC равным 10 нм, объем фазы α со- ставляет 75 %, фазы β — 15 % и фазы γ — 10 %. Таким образом, нанострук- турированный твердый сплав WC—6Co следует рассматривать как трехфаз- ный, состоящий из фаз α, β и γ. Учитывая полученные расчетные данные, следует отметить, что поверхностный слой (фаза β) будет оказывать влияние на свойства наноструктурированного твердого сплава WC—Co. В целом свойства такого сплава определяются свойствами фаз α, β, γ и межфазной поверхностью β—γ. Сплавы WC—Co, у которых объемная доля фазы β су- щественно меньше объемной доли фазы α, следует отнести к ультрадисперс- ным, субмикронным и другим твердым сплавам. Расчет показал, что в сплаве WC—6Co с радиусом частиц WC равным 100 нм объемная доля фазы β со- ставляет ∼ 1,8 % (по объему). Этот сплав не является наноструктурирован- ным. По мнению автора, исходя из физической трактовки термина наноча- стица, сплав WC—Co с радиусом частиц WC 100 нм следует отнести к классу ультрадисперсных и во избежание путаницы исключить из употребления термин наноразмерный. С учетом изложенного выше для сплавов WC—Co целесообразно ввести следующую классификацию: наноструктурированные — с размером частиц WC 5—40 нм, ультрадисперсные — с размером частиц WC 40—500 нм, далее — согласно принятой классификации [1]. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ WC—Co Термодинамическими исследованиями [8] установлено, что нанодисперс- ная система является неустойчивой. Реальные системы всегда полидисперс- ны. Согласно известному уравнению Гиббса-Томсона, концентрация компо- нента в окрестности крупной частицы меньше, чем в окрестности более мел- кой, в результате чего имеет место градиент химического потенциала компо- нента и, как следствие, диффузионный массоперенос вещества от мелкой частицы к крупной. Таким образом, размер крупной частицы увеличивается, а мелкой уменьшается, что вызывает последующее увеличение градиента химического потенциала и возникновение еще более мощных диффузионных потоков вещества. Этот процесс для нанодисперсной системы развивается по сценарию катастрофы. Исследования [8] показали, что наночастица может сохраняться сколь угодно долго в условиях постоянных объема, температуры и количества компонентов. Эти условия можно выполнить, если наночастицу поместить в оболочку, препятствующую массообмену частицы с окружаю- щей средой. Для сплавов WC—Co последнее требование полностью выпол- нить трудно, потому что консолидация частиц WC протекает в условиях мас- сообмена с окружающим их расплавом кобальта. Второй проблемой в фор- мировании наноструктурированных сплавов WC—Co является пористость. Спеченные твердые сплавы WC—Co относятся к композиционным материа- лам І класса [9]. В этих материалах существует явление ПМР — поглощение металлических расплавов беспористыми спеченными композиционными телами [10]. В спеченных твердых сплавах WC—Co выше температуры плав- ления связующего металла существует давление миграции П, которое имеет физический смысл давления всасывания [11]. В результате действия этого давления в сплавах WC—Co образуются устойчивые поры [12]. Если давле- ние миграции П больше капиллярного давления Рк, образующегося в поре, то жидкость не поступает в пору и такая пора является устойчивой. Если Рк > П, ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2010, № 6 35 то пора заполняется жидкостью. Из равенства Рк = П находят критический размер поры Rкр. Все поры, у которых R > Rкр, устойчивы. Поры, у которых R < Rкр, заполняются жидкостью. Применительно к нанодисперсным компози- циям выражение для определения Rкр имеет следующий вид [13]: θγ cos кр г-т R k = ∑ = Ωγ−γ Δ +γ−γ Δ Δ k i i т im Vr g V S 1 ж-тт-тж-тт-т т-т )(1 3 2)2( 3 1 , (1) где θ — краевой угол смачивания; k — коэффициент, учитывающий геомет- рическую форму поры (для сферической поры k = 2); γт–г, γт–т, γт–ж — поверх- ностные натяжения на границах твердое тело—газ, твердое тело—твердое тело, твердое тело—жидкость соответственно; т-тSΔ — изменение площади контактной поверхности; VΔ — изменение объема композиции; r — радиус частиц; m — количество компонента i; Ω — объем одной молекулы или ато- ма. В настоящее время отсутствуют надежные методики определения поверх- ностного натяжения на контактных поверхностях твердое тело—твердое тело и межфазных твердое тело—жидкость. В связи с этим непосредственный расчет значений Rкр из выражения (1) связан с определенными трудностями. Тем не менее, автор провел оценочный расчет значения Rкр для спеченого твердого сплава WC—6Co. С целью упрощения расчета в выражении (1) пре- небрегли последним слагаемым, а давление миграции П определили по мето- дике, изложенной в [11], капиллярное давление в сферической поре вычисли- ли по формуле θγ= − cosгж R kРк . Расчет критического радиуса поры проведен для твердого сплава WC— 6Co (94 % (по массе) WC, 6 % (по массе) Со), который имел частицы WC радиусом 50 нм и был нагрет до температуры 1400 °С. При этой температуре сплав состоит из частиц карбида WC и расплава кобальта, насыщенного вольфрамом и углеродом. Поверхностное натяжение расплава кобальта при- нято равным 1,55 Н/м [14]. В системе WC—Co краевой угол смачивания час- тиц WC расплавом кобальта равен нулю [15]. Согласно расчетам, в рассмот- ренном сплаве величина радиуса Rкр ≈ 150 нм. Это значение завышено, пото- му что при расчетах пренебрегли последним членом в выражении (1). Таким образом, даже при абсолютной чистоте твердосплавной смеси WC—6Co в спеченном изделии устойчивыми будут поры в широком диапазоне размеров, вплоть до величины ∼ 100—150 нм. Из этих данных следует, что известная технология получения спеченных твердых сплавов методом порошковой металлургии малопригодна для фор- мирования нанодисперсионных твердых сплавов. Размер частиц кобальта, полученного низкотемпературным восстановлением, составляет 400— 1000 нм. Такие частицы кобальта являются источником пор в нанодисперси- онных спеченных сплавах. Возникают также трудности по равномерному распределению частиц в твердосплавных смесях. Получение наноразмерных порошков WC размолом малопригодно для по- следующего формирования наноструктурированных твердых сплавов. Чтобы получить размеры порошков WC на субмикро- и наноуровне, необходимо применять размольные устройства с высокой энергией. Размол в течение 100 ч в аттриторе или планетарной мельнице позволяет получить частицы www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 36 WC размерами 10—20 нм [3]. Этот метод имеет ряд недостатков — он мало- производительный, энергоемкий, вносит загрязнения в результате намола материала футеровки мельницы и размольных тел. Порошки WC после ин- тенсивного размола имеют дефектную структуру, широкий диапазон по раз- мерам и содержат повышенную поглощенную энергию. Все эти факторы активизируют рост частиц в период спекания твердых сплавов. В свете вышеизложенного требуется новая технология, в которой распре- деление компонентов осуществляется на атомном уровне, т. е. с использова- нием растворов, например, хлорида или ацетата кобальта с метавольфрама- том аммония и т. п. Такая технология реализована в технологическом про- цессе Spray Conversion Process [16]. Она позволяет получать твердосплавные смеси WC—Co на наноуровне с равномерным распределением кобальта. Положительные результаты получены при использовании газофазных хими- ческих реакций синтеза карбида вольфрама (Chemical vapor phase reaction synthesis [17]). Этот метод предусматривает восстановление соединений вольфрама водородом и карбидизацию углеводородным газом. Если хлорид вольфрама используют как прекурсор и метановодородную смесь как восста- новитель и карбюризатор, то карбид вольфрама получают по реакции WCl6 + H2 + CH4 = WC + 6HCl. В качестве прекурсоров применяют также гексафторид или гексакарбонил вольфрама и водородно-углеродные агенты — пропан, ацетилен, метан. По- рошки WC и твердосплавные смеси WC—Co, полученные по технологиям Spray Conversion Process и Chemical vapor phase reaction syntesis, по сравне- нию с технологией механического размола имеют узкий размерный диапазон, меньшую избыточную энергию и соответственно меньшую склонность к росту в период консолидации. Согласно термодинамическим исследованиям и проведенному выше ана- лизу, возможность для роста наночастиц в период спекания твердых сплавов реально существует и этот процесс активно протекает. Задача состоит в том, чтобы не допустить его развития до уровня потери наноструктурных свойств твердых сплавов. В настоящее время предприняты попытки разработать тех- нологии спекания наноструктурированных твердых сплавов — традиционно- го жидкофазного спекания (LPS) [18—20], горячего прессования (HP) [21], горячего изостатического прессования (HIP) [22], электроискрового спекания (spark plasma sintering (SPS) [23]), спекания высокочастотным индукционным нагревом (high frequency induction heated sintering (HFIHS) [24]), быстрого компактирования (rapid omni compaction (ROC) [25]), спекания в пульсирую- щей плазме (pulse plasma sintering (PPS) [26]), сверхвысокого скоростного горячего прессования (ultrahigh pressure rapid hot consolidation (UPRC) [27]). Результаты спекания твердосплавных смесей по различным технологиям представлены в таблице. Из данных таблицы следует, что применение давле- ния в сочетании с высокой скоростью нагрева позволяет достичь консолида- ции твердосплавных смесей и получить размер частиц WC в диапазоне 780— 100 нм. Полученные твердые сплавы относятся к классу ультрадисперсных. Принимая во внимание, что массоперенос диффузией в твердых телах на несколько порядков меньше чем в жидкости, исследователи предпочитали вести консолидацию порошков по технологии твердофазного спекания, одна- ко этот процесс не позволил получить беспористые твердые сплавы. Беспористые твердые сплавы могут быть получены при жидкофазном спекании с применением давления. Консолидация нанопорошков WC—Co в ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2010, № 6 37 присутствии жидкой фазы сопровождается быстрым ростом частиц WC и потерей наноразмерности. Автор [28] установил, что после 30 с спекания при температуре 1400 °С в сплаве WC—10Co частицы WC с начальным размером 200 нм выросли до 2000 нм. Введение ингибиторов роста (карбидов ванадия, хрома, тантала) оказалось малоэффективным. Таким образом, возникает трудноразрешимое противоречие между сохранением частиц WC в нанораз- мерном диапазоне и получением беспористых твердых сплавов. В настоящее время разработанные оригинальные технологии (см. таблицу) не позволяют получать беспористые наноструктурированные спеченные твердые сплавы. Особого внимания заслуживает технология PPS. По этой технологии из ис- ходных порошков размером 60 нм получили спеченные твердые сплавы WC—12Co с размером частиц карбида вольфрама 50 нм. Однако этот фено- мен требует дополнительных исследований. Спекание смесей WC—Co по различным технологиям [3] Техно- логия спекания Темпе- ратура спека- ния, °С Выдерж- ка, с Ско- рость нагрева, град/мин Давле- ние, МПа Состав исходных порошков, % (по мас- се) Размер исход- ных частиц WC, нм Относи- тельная плот- ность, % Размер частиц WC после спека- ния, нм HP 1300 5400 — 25 WC—11Co 80 100 780 HIP 1000 3600 — 150 WC—10Co — 100 ~ 400 SPS 1100 600 150 60 WC— 12Co—1VC 40—250 95,94 470 HFIHS 1200 55 1400 60 WC—10Co 100 99,4 323 ROC 1000 10 — 830 WC—8Co ~ 100 — 150 UPRC 1200 900 200 1000 WC—10Co 50 99,4 ~100 Термодинамическими исследованиями [8] установлено, что для предот- вращения роста наночастицы необходимо устранить ее масообмен с окру- жающей средой. Эта цель может быть достигнута, если наночастицу заклю- чить в оболочку, непроницаемую для компонентов частицы. На рис. 3 пред- ставлена модель такой композиции. В данной модели наночастицы WC (1) размерами 5—40 нм могут достаточно долго находиться в расплаве кобальта (2). Для формирования оболочек на частицах WC могут быть использованы нитриды переходных металлов IV—VI групп Периодической системы хими- ческих элементов. Положительные результаты в этом направлении исследо- ваний получены авторами [29], которые покрыли частицы WC нитридом титана. Согласно этой модели, формирование наноструктуры в сплавах WC—Co можно проводить при жидкофазном спекании, что гарантирует получение беспористых материалов. По мнению автора, для создания наноструктуриро- ванных твердых сплавов по модели, представленной на рис. 3, перспективной является технология интенсивного электроспекания [30], которая позволяет на начальном этапе нагревать изделия со скоростью до 1000 град/с под дав- лением 360 МПа. Опишем структуру композиции, представленной на рис. 3. В качестве объекта изучения возьмем сплав WC—6Co с размером частиц WC равным 20 нм. Расчет показал, что удельная поверхность частиц WC в таком сплаве www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 38 8WC 107,2 ⋅=VS м2/м3. Принимаем, что все частицы WC покрыты оболочкой (см. рис. 3) толщиной 0,5 нм. Фазовый состав такой композиции выглядит следующим образом: кобальтовая связка (фаза γ) — 10 % (по объему), мате- риал оболочки (фаза ε) — 13 % (по объему), объем поверхностного слоя час- тиц WC (фаза β) — 13 % (по объему), карбид вольфрама, обладающий струк- турой макрофазы (фаза α) — 64 % (по объему). Из этих данных следует, что все четыре фазы α, β, ε, γ вносят заметный вклад в свойства нанокомпозиции WC—6Co. Согласно данным [31], для среднезернистых сплавов смежность СWC = 0,6±0,1. Приняв значение СWC = 0,6 по всему объему образца, рассчи- тали среднюю толщину прослоек кобальта в рассматриваемом сплаве WC— 6Co, которая составила 0,9±0,1 нм. Следует отметить, что свойства прослоек кобальтовой фазы толщиной 0,9 нм не равны свойствам макрофазы кобальта. Нанопрослойки кобальта имеют неизвестные наносвойства и их пригодность выполнять роль связки требует специального изучения. Поэтому выбор связ- ки для наноструктурированных материалов представляет самостоятельный объект для исследования. Высокая удельная площадь межфазных поверхно- стей в наноструктурированных твердых сплавах будет оказывать существен- ное влияние на их свойства, которые, очевидно (см. рис. 3), существенно зависят от структуры и свойств межфазных поверхностей β—ε и ε—γ. 1 2 3 Рис. 3. Модель композиции с наночастицами (1), заключенными в оболочку (3); 2 — свя- зующая фаза. Одним из направлений создания наноструктурированных твердых сплавов следует признать их сборку на атомном уровне. Для этой цели могут быть задействованы методы создания материалов с использованием мегатронных плазмотронов. Эти технологии широко применяют для создания нанострук- турных покрытий [32] и последующий этап развития технологии для созда- ния объемных тел не представляется сложным. ВЫВОДЫ Исходя из теоретических разработок по устойчивости дислокаций в нано- частицах определен размерный диапазон существования наночастиц WC и наноструктурированных твердых сплавов WC—Со, который составляет 5— 40 нм. ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2010, № 6 39 Существующие технологии — твердо- и жидкофазное спекание, интен- сивный нагрев и применение высоких давлений — не позволили получить беспористые наноструктурированные твердые сплавы WC—Со с размером частиц 5—40 нм. На основании термодинамических исследований доказано, что для пре- дотвращения роста наночастиц WC их необходимо заключать в оболочку, непроницаемую для вольфрама и углерода. Одной из возможных технологий получения наноструктурированных твердых сплавов представляется технология атомной сборки материала с помощью мегатронных плазмотронов. Обґрунтовано розмірну область існування наночасточок WC та нано- структурованих твердих сплавів WC—Со. Показано, що існуючі технології спікання не дозволяють отримувати безпористі тверді сплави WC—Со з розміром карбідних часто- чок 5—40 нм. Запропоновано метод формування наноструктурованих твердих сплавів. Ключові слова: спечені тверді сплави, наноструктура, технологія. The dimensional area of existence of WC nanoparticles and nanostructure cemented carbide WC—Co is proved. It is shown, that existing technologies of sintering do not allow to receive free-pore cemented carbide WC—Co with a size carbide particles 5—40 nano- meters. The method of formation of nanostructure cemented carbides is offered. Key words: cemented carbide, nanostructure, technology. 1. Фальковский В. А.. Клячко Л. И., Смирнов В. А. Нанокристаллические и ультрадисперс- ные порошки вольфрама, карбида вольфрама и вольфрамокобальтовые твердые сплавы на их основе. — М.: Изд-во ФГУП ВНИИТС, 2004. — 105 с. 2. Панов В. С. Нанотехнологии в производстве твердых сплавов // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. — 2007. — № 2. — С. 63—68. 3. Zak Fang, Xu Wang, Taegong Ryu et al. Synthesis, sintering and mechanical properties of nanocrystallaine cemented tungsten carbide. A review // Int. J. Refract. Metals Hard Mater. — 2009. — 27. — P. 288—299. 4. Henjered A., Hellsing M., Andres H. O., Norden H. The presence of cobalt at WC/WC inter- faces. // Sci. Hard Mater. Proc. Int. Conf., Rhodes, 23—28 Sept., 1984. — Boston: Bristol, 1986. — Р. 303—309. 5. Глезер А. М. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаим- ные переходы // Рос. хим. журн. — 2002. — 46, № 5. — С. 50—56. 6. Грязнов В. Г., Карпелов А. Е., Романов А. Е. О кристаллической устойчивости дислокаций в микрокристаллах // Письма ЖТФ. — 1989. — 15, № 2. — С. 39—44. 7. Gryaznov V. G., Polonsky I. A., Romanov A. E., Trusov L. I. Size effect of dislocation stability in nanocrystals // Phys. Rev. B. — 1991. — 44. — P. 42—46. 8. Лисовский А. Ф. Термодинамика воздействия ансамбля наночастиц с макрофазой // Сверхтв. материалы. — 2008. — № 6. — С. 23—28. 9. Lisovsky A. F. Formation of nonequilibrium dihedral angles in composite materials // Int. J. Powder Metall. — 1990. — 26, N 1. — P. 45—49. 10. Лисовский А. Ф. Явление ПМР: научное обоснование и практическое применение // Сверхтв. материалы. — 2001. — № 1. — С. 3—9. 11. Лисовский А. Ф. Формирование структуры композиционных материалов при обработке металлическими расплавами. — Киев: Наук. думка, 2008. — 198 с. 12. Lisovsky A. F. Thermodynamics of isolated pores filling with liquid in sintered composite materials // Metall. Mater. Trans. A. — 1993. — 25. — P. 733—740. 13. Лисовский А. Ф. О заполнении поры в нанодисперсной системе твердое тело— жидкость // Сверхтв. материалы. — 2008. — № 5. — С. 51—58. 14. 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 топливо. — 1962. — № 6. — С. 43—48. 15. Чапорова И. Н., Чернявский К. С. Структура спеченных твердых сплавов. — М.: Металлургия, 1975. — 246 с. www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 40 16. Spriggs G. E. History of fine grained hardmetal // Int. J. Refract. Metals Hard Mater. — 1995. — 13, N 5. — P. 241—251. 17. Hojo J., Oku T., Kato A. Tungsten carbide powders produced by the vapor phase reaction of the WCl6—CH4—H2 system // J. Less-Common Metal. — 1978. — 59, N 1. — P. 85—95. 18. Bartha L., Atato P., Toth A. L. et al. Investigation of hip-sintering of nanocrystalline WC/Co powder // J. Adv. Mater. — 2000. — 32, N 3. — P. 23—26. 19. Carroll D. F. Sintering and microstructural development in WC/Co-based alloys made with superfine WC powder // Int. J. Refract. Metals Hard Mater. — 1999. — 17, N 1—3. — P. 123—132. 20. Fang Z. Z, Eason J. W. Study of nanostructured WC—Co composites // Ibid. — 1995. — 13, N 5. — P. 297—303. 21. Lin C. G., Kny E., Yuan G. S., Djuricic B. Microstructure and properties of ultrafine WC— 0.6VC—10Co hardmetals densified by pressure-assisted critical liquid phase sintering // J. Alloys Compd. — 2004. — 383, N 1—2. — P. 98—102. 22. Azcona I., Ordonez A., Sanchez J. M., Castro F. Hot isostatic pressing of ultrafine tungsten carbide-cobalt hardmetals // J. Mater. Sci. — 2002. — 37, N 19. — P. 4189—4195. 23. Sivaprahasam D., Chandrasekar S. B., Sundaresan R. Microstructure and mechanical prop- erties of nanocrystalline WC—12Co consolidated by spark plasma sintering // Int. J. Refract. Metals Hard Mater. — 2007. — 25, N 2. — P. 144—152. 24. Kim H. C., Shon I. J., Jeong I. K. et al. Rapid sintering of ultra fine WC and WC—Co hard materials by high-frequency induction heated sintering and their mechanical properties // Metal Mater. Int. — 2007. — 13, N 1. — P. 39—45. 25. Pat. 5773735 US. Dense fine grained monotungsten carbide transition metal cemented car- bide body and preparation thereof / E. M. Dubensky, R. T. Nilsson. — Publ. 30.06.98. 26. Michalski A., Siemiaszko D. Nanocrystalline cemented carbides sintered by the pulse plasma method // Int. J. Refract. Metal and Hard Mater. — 2007. — 25, N 2. — P. 153—158. 27. Wang X., Fang Z., Sohn H. Y. Nanocrystalline cemented tungsten carbide sintered by an ultra-high-pressure rapid hot consolidation process // Proc. Int. Conf. on Powder Metallurgy & Particulate Materials / Ed. J. Engquist. — Denver, US, 2007. — P. 8—10. 28. McCandlish L. E., Kear B. H., Kim B. K. Processing and properties of nanostructured WC— Co // Nanostruct. Mater. — 1992. — 1, N 2. — P. 119—125. 29. Toth R. E., Smid I., Sherman A. et al.Tough-coated hard powders for hardmetals of novel properties // Proc. 15th Int. Plansee Seminar / Eds. G. Kneringer, P. Rödhammer, H. Wildner. — Reutte: Plansee Holding AG, 2001. — Vol. 2. — P. 306—325. 30. Майстренко А. Л., Иванов С. А., Переяслов В. П., Волошин М. Н. Интенсивное электро- спекание композиционных материалов // Сверхтв. материалы. — 2000. — № 5. — С. 39—45. 31. Roebuck B., Almond E. A. Deformation and fracture processes and physical metallurgy of WC—Co hard metals // Int. Mater. Rev. — 1988. — 33, N 2. — P. 90—110. 32. Munz W.-D. Large-scale manufacturing of nanoscale multilayered hard coating deposited by cathodic arc/unbalanced magnetron sputtering // MRS Bulletin. — 2003. — 28, N 3. — P. 173—179. Ин-т сверхтвердых материалов Поступила 11.02.10 им. В. Н. Бакуля НАН Украины
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63496
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0203-3119
language	Russian
last_indexed	2025-11-27T22:15:31Z
publishDate	2010
publisher	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
record_format	dspace
spelling	Лисовский, А.Ф. 2014-06-02T17:16:47Z 2014-06-02T17:16:47Z 2010 О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co / А.Ф. Лисовский // Сверхтвердые материалы. — 2010. — № 6. — С. 31-40. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63496 669.018.25 Обоснована размерная область существования наночастиц WC и наноструктурированных твердых сплавов WC—Со. Показано, что существующие технологии спекания не позволяют получать беспористые твердые сплавы WC—Со с размером карбидных частиц 5—40 нм. Предложен метод формирования наноструктурированных твердых сплавов. Обґрунтовано розмірну область існування наночасточок WC та наноструктурованих твердих сплавів WC—Со. Показано, що існуючі технології спікання не дозволяють отримувати безпористі тверді сплави WC—Со з розміром карбідних часточок 5—40 нм. Запропоновано метод формування наноструктурованих твердих сплавів. The dimensional area of existence of WC nanoparticles and nanostructure cemented carbide WC—Co is proved. It is shown, that existing technologies of sintering do not allow to receive free-pore cemented carbide WC—Co with a size carbide particles 5—40 nanometers. The method of formation of nanostructure cemented carbides is offered. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co Article published earlier
spellingShingle	О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co Лисовский, А.Ф. Получение, структура, свойства
title	О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co
title_full	О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co
title_fullStr	О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co
title_full_unstemmed	О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co
title_short	О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co
title_sort	о создании наноструктурированных твердых сплавов wc—co
topic	Получение, структура, свойства
topic_facet	Получение, структура, свойства
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63496
work_keys_str_mv	AT lisovskiiaf osozdaniinanostrukturirovannyhtverdyhsplavovwcco

О создании наноструктурированных твердых сплавов WC—Co

Репозитарії

Схожі ресурси