Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co

Исследовано влияние температуры и давления прессования на плотность, структуру и механические свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co. Порошковые заготовки уплотняли методом ударного горячего прессования в вакууме при температурах 1190−1370°С при разном давлении от 320 до 1280 MPa. Установлено. чт...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Физика и техника высоких давлений
Дата:	2013
Автори:	Лаптев, А.В., Толочин, А.И., Окунь, И.Ю.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2013
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69608
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:	Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co / А.В. Лаптев, А.И. Толочин, И.Ю. Окунь // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 1. — С. 68-81. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859902327558766592
author	Лаптев, А.В. Толочин, А.И. Окунь, И.Ю.
author_facet	Лаптев, А.В. Толочин, А.И. Окунь, И.Ю.
citation_txt	Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co / А.В. Лаптев, А.И. Толочин, И.Ю. Окунь // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 1. — С. 68-81. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Физика и техника высоких давлений
description	Исследовано влияние температуры и давления прессования на плотность, структуру и механические свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co. Порошковые заготовки уплотняли методом ударного горячего прессования в вакууме при температурах 1190−1370°С при разном давлении от 320 до 1280 MPa. Установлено. что в области твердофазного спекания возможно получение практически беспористых образцов сплава WC−25 mass% Co. Обнаружено наличие оптимального давления прессования (640 MPa), при котором образцы обладали максимальным уровнем механических свойств. Досліджено вплив температури й тиску пресування на густину, структуру й механічні властивості твердого сплаву WC з 25 mass% Co. Порошкові заготівки ущільнювали методом ударного гарячого пресування у вакуумі при температурах 1190−1370°С при різному тиску від 320 до 1280 MPa. Встановлено, що в області твердофазного спікання можливе отримання практично безпористих зразків сплаву WC–25 mass% Co. Виявлено наявність оптимального тиску пресування (640 МРа), при якому зразки мають максимальний рівень механічних властивостей. The effect of temperature and compacting pressure upon density, structure and mechanical properties of a hard alloy of WC−25 mass% Co is investigated.
first_indexed	2025-12-07T15:57:50Z
format	Article
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 © А.В. Лаптев, А.И. Толочин, И.Ю. Окунь, 2013 PACS: 81.20.Ev, 81.40.Vw, 81.70.−q А.В. Лаптев, А.И. Толочин, И.Ю. Окунь ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ ПРЕССОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ТВЕРДОГО СПЛАВА WC c 25 mass% Co Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины ул. Кржижановского, 3, г. Киев, 03680, Украина Статья поступила в редакцию 22 мая 2012 года Исследовано влияние температуры и давления прессования на плотность, струк- туру и механические свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co. Порошковые заготовки уплотняли методом ударного горячего прессования в вакууме при тем- пературах 1190−1370°С при разном давлении от 320 до 1280 MPa. Установлено. что в области твердофазного спекания возможно получение практически беспо- ристых образцов сплава WC−25 mass% Co. Обнаружено наличие оптимального давления прессования (640 MPa), при котором образцы обладали максимальным уровнем механических свойств. Ключевые слова: ударное прессование, твердый сплав, механические свойства Досліджено вплив температури й тиску пресування на густину, структуру й механічні властивості твердого сплаву WC з 25 mass% Co. Порошкові заготівки ущільнювали методом ударного гарячого пресування у вакуумі при температу- рах 1190−1370°С при різному тиску від 320 до 1280 MPa. Встановлено, що в об- ласті твердофазного спікання можливе отримання практично безпористих зразків сплаву WC–25 mass% Co. Виявлено наявність оптимального тиску пре- сування (640 МРа), при якому зразки мають максимальний рівень механічних властивостей. Ключові слова: ударне пресування, твердий сплав, механічні властивості Введение Высококобальтовые твердые сплавы WC–Co используются в качестве ин- струментальных материалов в наиболее тяжелых условиях эксплуатации, а именно при горячей штамповке труднодеформируемых тугоплавких метал- лов и жаропрочных сплавов, при холодной объемной штамповке изделий из шарикоподшипниковых сталей, при высадке метизов [1–3]. В связи с дефи- цитностью и дороговизной исходных компонентов таких сплавов и отсутст- вием достойной замены их другими материалами актуальны исследования Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 69 по изучению путей повышения качества данных сплавов. Одним из таких направлений является создание сплавов с определенной или заданной гео- метрической структурой. В частности, для повышения прочности и твердо- сти при сохранении относительно высокой трещиностойкости требуется по- лучение сплавов с более мелкими, равномерно распределенными и не кон- тактирующими между собой карбидными частицами [4,5]. Такие требования могут быть в определенной степени выполнены при использовании метода ударного горячего прессования с высоким уровнем энергии, который позво- ляет получать практически плотные образцы при пониженных температурах [6,7]. Цель данной работы заключалась в исследовании возможности улучшения качества высококобальтового ударопрочного твердого сплава WC–25 mass% Co за счет сохранения мелкозернистой структуры при снижении температуры уплотнения порошковых заготовок. Методика эксперимента Для исследования была использована стандартная мелкозернистая твердосплавная смесь порошков карбида вольфрама и кобальта с содер- жанием последнего в количестве 25 mass% (37 vol.%). Размер частиц карбида вольфрама в исходной смеси составлял 0.7–1.0 μm. Из этой сме- си при комнатной температуре прессовали брикеты в виде цилиндриче- ских дисков, которые затем нагревали и уплотняли в вакууме не ниже 0.013 Pa. При уплотнении брикетов варьировали температуру уплотне- ния и энергию или максимальное давление прессования. Для температу- ры были выбраны уровни 1190, 1240, 1290, 1330 и 1370°С, для давления – 320, 640, 960 и 1280 MPa при длительности изотермической выдержки 10 min перед уплотнением. Консолидацию брикета проводили на уста- новке ударного прессования, где время процесса уплотнения составляло (1.75–2)·10−3 s (рис. 1). Для сравнения проводили также свободное спека- ние брикетов при таких же температурах, но с длительностью изотермиче- ской выдержки 20 min. Спрессованные и спеченные заготовки разрезали на прямоугольные шта- бики и определяли физико-механические свойства: плотность − гидростати- ческим методом; удельное электросопротивление − методом падения на- пряжения на образце и эталонном сопротивлении; предел прочности при из- гибе и ударную вязкость − на образцах с размерами 5 × 5 × 35 mm с шири- ной между опорами 30 mm; трещиностойкость − на образцах с размерами 2.5 × 5 × 25 mm с расстоянием между опорами 20 mm, где трещину вводили электроискровым способом латунной проволокой диаметром 0.1 mm; твер- дость − пирамидой Виккерса при нагрузке 300 N. Микроструктуру и по- верхность разрушения образцов изучали на сканирующем электронном мик- роскопе Superprob 733. Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 70 а б в г Рис. 1. Зависимость усилия от времени при ударном уплотнении c разной энергией порошковых брикетов твердого сплава WC–25 mass% Co: a – максимальное усилие 400 kN, б – 800 kN, в – 1200 kN, г – 1600 kN. Одно деление по оси ординат 200 kN, по оси абсцисс − 2.5⋅10−4 s Результаты исследований и их обсуждение Одним из наиболее важных показателей качества материалов, полученных методами порошковой металлургии, является уровень остаточной пористости, поскольку эта характеристика оказывает отрицательное влияние практически на все свойства материала. Особенно «чувствительны» к пористости хрупкие материалы, к которым можно отнести даже твердые сплавы с высоким со- держанием кобальта, такие как WC–25 mass% Co (ВК25). Исследование уп- лотнения данного сплава нестандартным методом в широком интервале тем- ператур показало, что беспористые образцы можно получить либо при сво- бодном спекании их при температуре 1370°С, т.е. в присутствии жидкой фа- зы, либо при уплотнении в твердой фазе, но с приложением высокого давле- ния (рис. 2,а). Если рассматривать результаты уплотнения более детально, то из рис. 2,а следует, что в области температуры появления жидкой фазы (1290°С) и при короткой изотермической выдержке ударное прессование с давлением выше 960 MPa позволяет получить беспористый материал. При прессовании с давлением 640 и 320 MPa образцы имеют остаточную порис- тость соответственно 1 и 3%. Свободноспеченные образцы исследуемого твер- дого сплава при температуре 1290°C показали пористость на уровне 7.5%. Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 71 1200 1300 1400 9 10 11 12 13 T, °C γ, g/ cm 3 30 25 20 15 10 5 0 Θ , % 1200 1300 1400 20 24 28 32 36 40 44 T, °C ρ, μ Ω ·c m а б Рис. 2. Зависимость плотности (a) и удельного электросопротивления (б) твердого сплава WC–25 mass% Co от температуры, метода и давления уплотнения, MPa: ■ – 320, ● – 640, ▲ – 960, ▼ – 1290, ⋄ – свободное спекание При дальнейшем снижении температуры уплотнения происходит увели- чение пористости композита WC–25 mass% Co. При этом образцы, подверг- нутые прессованию давлением выше 640 MPa, имеют пористость около 2.5% при температуре уплотнения 1240°С и около 7% при температуре 1190°С, у спеченного же твердого сплава при этих температурах пористость на уровне 20 и 30% соответственно (рис. 2,а). Увеличение давления прессо- вания твердого сплава позволяет снизить температуру уплотнения для полу- чения практически беспористых образцов. Из представленных на рис. 2,а зависимостей видно, что для обеспечения высокой плотности материала при консолидации его в твердой фазе необхо- димо прилагать к образцу давление не ниже 640 MPa. Кроме определения плотности после уплотнения гетерофазных материа- лов в твердой фазе интерес вызывает также оценка качества межфазных и однофазных (карбидных) границ или же качество межчастичного взаимо- действия. О качестве границ в первом приближении можно судить по вели- чине удельного электросопротивления образцов. Уменьшение температуры уплотнения сплава WC–25 mass% Co с 1370 до 1190°С приводит к увеличе- нию удельного электросопротивления с 21 до 27 μΩ⋅сm (рис. 2,б). Это сви- детельствует, вероятно, о некотором ухудшении качества межчастичных границ в образцах. Необходимо заметить, что повышение давления прессо- вания на всем диапазоне температур практически не повлияло на величину удельного электросопротивления. В отличие от электросопротивления горячепрессованных образцов, элек- тросопротивление спеченных образцов резко возрастает с переходом в твер- дофазную область уплотнения, что объясняется увеличением пористости сплава и ухудшением качества границ. Обращает на себя внимание электро- сопротивление спеченных при 1290°С образцов, которые имеют пористость 7.5% и электросопротивление на уровне спрессованных беспористых образ- цов – 22 μΩ⋅сm. Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 72 Данное явление, вероятно, можно объяснить тем, что спекание при ука- занной температуре обеспечивает образование достаточно качественных межфазных границ в материале, а также формирование более развитого кар- каса из карбида вольфрама, обладающего большей электропроводностью, чем связка. Действительно, из анализа геометрических параметров структу- ры и, в частности, степени контакта карбидных частиц (смежности СWC/WC) спеченных образцов следует, что при спекании в области температур 1290°С образцы обладают повышенной смежностью, т.е. более разветвленным или более жестким карбидным каркасом (табл. 1). Применение же давления при уплотнении образцов твердого сплава позволяет получать материал с более низкой смежностью карбидных частиц. Таблица 1 Стереологические характеристики твердого сплава WC–25 mass% Co после уплотнения свободным спеканием и ударным прессованием с давлением 640 MPa при разных температурах Температура и способ уплотнения 1190°С 1240°С 1290°С 1330°С 1370°С П ар ам ет р прессо- вание прессо- вание спека- ние прессо- вание спека- ние прессо- вание спека- ние прессо- вание спека- ние VV WC 0.603 0.610 0.616 0.619 0.627 0.632 0.626 0.646 0.631 LWC, μm 0.891 0.936 0.913 0.961 1.060 1.086 1.247 1.649 1.575 LCo, μm 0.639 0.650 0.627 0.642 0.704 0.688 0.836 0.986 1.035 CWC/WC 0.166 0.161 0.190 0.160 0.211 0.163 0.215 0.171 0.217 Примечание. VV WC – объемная доля карбидной фазы, LWC – длина средней хор- ды частиц карбида вольфрама, LCo – средняя толщина кобальтовой прослойки, CWC/WC – степень контакта (смежность) карбидной фазы. Исследование микроструктуры образцов сплава WC–25 mass% Co пока- зало, что с ростом температуры их уплотнения (как при спекании, так и при ударном прессовании) происходит укрупнение карбидных частиц (табл. 1, рис. 3 и 4). Обращает на себя внимание тот факт, что укрупнение карбидных час- тиц в присутствии жидкой фазы более значительное (практически в два раза), чем в твердофазной области спекания. Структура исследуемого композита, полученного в твердой фазе, характеризуется неравномерностью распреде- ления фаз, т.е. наличием скоплений карбидных частиц и связки (рис. 4,a,б). При наличии жидкой фазы во время спекания (1370°С) наблюдается ее пере- распределение и образование структуры с относительно равномерным распре- делением карбидных частиц и кобальтовой связки (рис. 4,в). При анализе влияния давления прессования на структуру образцов важно отметить, что неравномерное распределение компонентов в исходной по- рошковой смеси не удается исправить в случае твердофазного уплотнения даже при давлении 1280 MPa. Кроме того, изменение давления прессования Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 73 а б Рис. 3. Структура образцов сплава WC–25 mass% Co, уплотненного свободным спеканием при разных температурах Т, °С: a – 1240, б – 1330 а б в г Рис. 4. Структура образцов сплава WC–25 mass% Co, уплотненного ударным прес- сованием с максимальным давлением 640 MPa при температурах Т, °С: a – 1240, б – 1290, в – 1330, г – 1370 практически не оказывает влияния на размер карбидных частиц, т.е. не при- водит к измельчению структуры (табл. 2, рис. 5). В то же время высокий уровень давления прессования твердосплавных образцов позволяет снизить Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 74 степень контакта карбидных частиц или смежность в композите. Необходи- мо также отметить, что заметное уменьшение смежности наблюдается при давлении прессования 640 MPa, а дальнейшее повышение давления уплот- нения до 960 и 1280 MPa не оказывает влияния на изменение смежности в структуре материала. Таблица 2 Стереологические характеристики твердого сплава WC–25 mass% Co, полученного при температуре 1290°С ударным прессованием с разным уровнем давления Давление прессования, MPaПараметр 320 640 960 1280 VV WC 0.602 0.611 0.639 0.647 LWC, μm 0.972 0.961 0.986 0.950 LCo, μm 0.705 0.664 0.602 0.651 CWC/WC 0.183 0.161 0.154 0.153 Примечание. Обозначения как в табл. 1. а б Рис. 5. Структура образцов сплава WC–25 mass% Co, уплотненного ударным прес- сованием с приложением давления 320 MPa (a) и 960 MPa (б) при температуре 1290°С Изменения в структуре материала приводят и к изменению его механиче- ских свойств. Для материалов, работающих в условиях ударно-циклического нагружения, одним из основных критериев качества сплава является предел прочности при изгибе. Увеличение температуры уплотнения, которое со- провождается уменьшением пористости в образцах, приводит к росту проч- ности при изгибе независимо от способа уплотнения (рис. 6,a). Заметный вклад в повышение прочности образцов при изгибе, полученных прессова- нием в твердой фазе, оказывает уровень давления прессования. Увеличение максимального давления прессования приводит, как правило, к повышению прочности при изгибе (рис. 6,a). Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 75 1200 1300 1400 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 R bm , G Pa T, °C 1200 1300 1400 14 16 18 20 22 24 26 T, °C K Ic , M Pa ·m 1/ 2 а б Рис. 6. Зависимость предела прочности при изгибе (a) и трещиностойкости (б) твердого сплава WC–25 mass% Co от температуры, способа уплотнения и давления Р, MPa: ■ – 320, ● – 640, ▲ – 960, ▼ – 1280, ⋄ – свободное спекание На образцах, полученных свободным спеканием, максимальное значение прочности при изгибе на уровне 3000 MPa достигается в случае спекания при температуре 1370°С. При этом структура образцов наиболее равномерна и, по-видимому, без крупных дефектов. Снижение температуры спекания до 1330°С привело и к уменьшению изгибной прочности образцов до уровня 2000 MPa, что, возможно, связано с повышенным уровнем пористости. Применение же давления при уплотнении позволяет получать образцы твер- дого сплава WC–25 mass% Co с высокой плотностью при пониженных тем- пературах и, следовательно, с высокой прочностью (рис. 6,a). Изменение уровня давления прессования также оказывает влияние на прочность при изгибе. Наиболее оптимальным оказалось давление прессова- ния 640 MPa, при котором были получены образцы с прочностью 3250 MPa при температуре уплотнения 1290°С и прочностью 2900 MPa при темпера- туре 1240°С. Увеличение давления прессования при аналогичных температурах приво- дит к понижению прочности при изгибе. Учитывая, что смежность образцов, спрессованных при давлениях 960 и 1280 MPa, уменьшается незначительно по сравнению со смежностью образцов, спрессованных при давлении 640 MPa, можно предположить, что высокие давления (960 MPa и выше) способны наряду с их уплотнением вызывать появление дефектов в их структуре. В частности, в карбидном каркасе могут появляться микротрещины, которые приводят к падению прочности образцов (рис. 7). Однако при температуре 1330°С, когда уже присутствует жидкая фаза, образцы, спрессованные при разном давлении (3100–3300 MPa), показывают близкие значения прочности при изгибе, кроме образцов, спрессованных при максимальном давлении 1280 MPa. Дальнейшее повышение температуры горячего прессования при- водит к получению образцов с более низкой прочностью при изгибе, что может быть связано с вытеснением некоторого количества связки, т.е. с рос- том объемной доли карбидной фазы (см. табл. 1), и увеличением степени контакта (смежности) карбидной фазы. Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 76 а б Рис. 7. Поверхность разрушения образцов сплава WC–25 mass% Co, уплотненного ударным прессованием с приложением давления 640 MPa при температурах T, °C: a – 1190, б – 1290 Другой важной механической характеристикой, особенно для хрупких материалов, является трещиностойкость. Как и в предыдущем случае, при повышении температуры ударного прессования происходит практически монотонный рост трещиностойкости, что связано с увеличением толщины кобальтовой прослойки вследствие роста карбидных частиц (см. рис. 6,б). С повышением давления уплотнения твердого сплава трещиностойкость об- разцов увеличивается независимо от температуры прессования. Но образцы, полученные при давлении прессования 640 MPa, имеют более высокие зна- чения трещиностойкости по сравнению с образцами, спрессованными при других давлениях. Наибольший уровень трещиностойкости достигнут при уплотнении образцов в области температур 1290–1330°С независимо от спо- соба уплотнения. Несмотря на то, что при свободном спекании с повышением температуры уплотнения происходит увеличение толщины кобальтовой прослойки, тре- щиностойкость сплава снижается с появлением жидкой фазы. Этот факт по- ка трудно объяснить, но, возможно, он связан с тем, что с появлением жид- кой фазы происходит образование в структуре разветвленного и более хруп- кого карбидного каркаса. Кроме того, увеличение размера карбидных частиц приводит к росту вероятности их разрушения. По данным работы [8], кар- бидные частицы размером 1.5–2 μm способны транскристаллитно разру- шаться из-за относительно низкой собственной трещиностойкости. (Сред- ний размер карбидных частиц dWC больше длины средней хорды LWC, опре- деляемой на плоском сечении образцов. Можно принять, что dWC = 1.68LWC [9].) Падение трещиностойкости образцов, спрессованных при температуре 1370°С, может быть также вызвано вытеснением кобальта из образца при уплотнении под высоким давлением и образованием при этом микротрещин внутри образца (рис. 7). Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 77 Перегиб на кривой зависимости трещиностойкости от температуры уп- лотнения может свидетельствовать о проявлении другого механизма разру- шения материала или же об изменении размера критического дефекта струк- туры, инициирующего разрушение. Наличие данных по трещиностойкости образцов и их прочности при изгибе позволяет оценить размер ac условного критического дефекта структуры. Для расчета использовали формулу, пред- ложенную в работе [10]: ac = 2 Ic bm 1 1.21π K R ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ . Результаты расчета этой величины показаны на рис. 8, где видно, что спрессованные при пониженных температурах образцы имеют меньшие по размеру дефекты, чем размеры дефектов образцов, спеченных при таких же температурах: 12–18 μm против 30–36 μm. При этом можно отметить, что при прессовании давлением 640 MPa и выше в интервале температур 1240–1330°С структура образцов характеризуется практически неизменным размером критического дефекта структуры, в то время как свободноспеченные образ- цы и спрессованные при давлении 320 MPa имеют большие по размеру де- фекты. Это, по-видимому, связано с тем, что для спеченных и спрессован- ных при давлении 320 MPa образцов при температурах твердофазного спе- кания характерно наличие остаточной пористости. Понижение пористости образцов при повышении температуры спекания закономерно приводит к уменьшению размера критического дефекта структуры. Например, на образ- цах, свободноспеченных в присутствии жидкой фазы при температуре 1370°С, размер критического дефекта структуры составляет 10.5 μm (рис. 8). Отдельно необходимо остановиться на температуре уплотнения 1370°С, когда наблюдаются резкий рост размера критического дефекта структуры для спрессованных образцов и резкое уменьшение этого параметра для сво- бодноспеченных образцов сплава WC–25 mass% Co. Последнее может быть связано с формированием наиболее равномерной структуры, в которой от- сутствуют скопления карбидных частиц и кобальтовой фазы в виде «озер», инициирующие разрушение. Увеличение же размера критического дефекта на спрессованных образцах, вероятно, связано с некоторым вытеснением 1200 1300 1400 10 20 30 40 a c, μ m T, °C Рис. 8. Зависимость размера условного критического дефекта структуры ас об- разцов сплава WC–25 mass% Co от тем- пературы, способа уплотнения и давления P, MPa: ■ – 320, ● – 640, ▲ – 960, ▼ – 1280, ⋄ – свободное спекание Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 78 расплавленного кобальта из образца и появлением микроразрушений в кар- бидном каркасе. Температура 1330°С также относится к области жидкофаз- ного спекания, но при изотермической выдержке 10 min перед прессованием образцов, очевидно, не происходят полное расплавление связки и вытесне- ние кобальта из образца. Практический интерес вызывают результаты измерения твердости раз- личных образцов исследуемого сплава (рис. 9,a). Как видно из рисунка, за- висимости твердости сплава WC–25 mass% Co от температуры уплотнения характеризуются слабовыраженным максимумом. Наибольшую твердость показали образцы, спрессованные при температурах 1290 и 1330°С. Она со- ответствует достаточно высокому уровню для аналогичных сплавов и со- ставляет 10.5 GPa. Снижение твердости на образцах, полученных при более высоких температурах, связано, скорее всего, с укрупнением структуры композита, а на образцах, спрессованных при низких температурах, − с на- личием пористости и некоторым ухудшением качества границ в материале. Повышение давления уплотнения твердого сплава в области низких темпе- ратур приводит к увеличению твердости образцов. При росте температуры ударного прессования и появлении жидкой фазы наблюдается некоторое уменьшение твердости образцов, спрессованных при более высоких давлениях, 1200 1300 1400 4 5 6 7 8 9 10 11 T, °C H V 30 , G Pa 1200 1300 1400 2 4 6 8 10 12 T, °C K C , J /c m 2 а б Рис. 9. Зависимость твердости (a) и ударной вязкости (б) твердого сплава WC– 25 mass% Co от температуры, способа уплотнения и давления P, MPa: ■ – 320, ● – 640, ▲ – 960, ▼ – 1280, ⋄ – свободное спекание что может быть связано с образованием микроразрушений в их структуре. Максимальная твердость на свободноспеченных образцах достигается в случае их спекания при температуре 1370°С и составляет 9.5 GPa. Образцы, спеченные при более низких температурах, обладают и более низкой твер- достью. Резкое падение твердости наблюдается на образцах, спеченных в твердой фазе (< 1300°C) и имеющих повышенную пористость. Еще одной важной характеристикой для инструментальных материалов, работающих в условиях ударно-циклического нагружения, является ударная вязкость. Анализ зависимости ударной вязкости от температуры уплотнения Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 79 показал, что с ростом температуры ударного прессования происходит уве- личение значений данной характеристики (рис. 9,б). Причем давление уп- лотнения 640 MPa также является оптимальным, так как образцы, уплотнен- ные при температуре 1290°С с указанным давлением, показали максималь- ный уровень ударной вязкости, который соответствует 12 J/сm2. Следует об- ратить внимание и на резкое увеличение ударной вязкости при консолида- ции твердого сплава в жидкой фазе (1330°С), что особенно заметно для сво- бодноспеченных образцов. Спекание твердосплавных образцов при темпе- ратуре 1370°С позволяет достичь уровня ударной вязкости 11 J/сm2, что со- ответствует значению ударной вязкости образцов, спрессованных при более низкой (1330°С) температуре. Прессование исследуемого сплава при темпе- ратуре 1370°С приводит к резкому падению ударной вязкости, что может быть вызвано теми же причинами, о которых говорилось при анализе изгиб- ной прочности образцов, т.е. возможным вытеснением кобальта и образова- нием микротрещин в образце. Таким образом, проведенные исследования влияния режимов (температу- ры и давления) ударного прессования на механические свойства твердого сплава с содержанием связки 25 mass% показали эффективность метода, за- ключающегося в возможности получения высокопрочных образцов при по- ниженных температурах, включая и твердофазную область. Выводы 1. На сплавах c высоким (25 mass% или 37 vol.%) содержанием кобальта практически плотное состояние может быть достигнуто прессованием в твер- дой фазе. Однако высокая плотность и высокое качество границ в образцах не являются достаточным условием обеспечения высокого уровня механических свойств. Для реализации, например, высокой прочности при изгибе оптималь- ной должна быть геометрическая структура сплава. В частности, необходимо обеспечивать более равномерное распределение кобальтовой фазы. 2. Наиболее высокие механические свойства сплава достигаются при раз- ных температурах в зависимости от технологии уплотнения. Ударное прес- сование позволяет снизить температуру уплотнения почти на 100°С при обеспечении высокого качества сплава. В некоторых случаях применение очень высоких давлений прессования не является целесообразным. 3. Стандартные порошковые смеси с высоким содержанием кобальта харак- теризуются наличием больших скоплений кобальтовой фазы, которые невоз- можно перераспределить между карбидными частицами даже при уплотнении под высоким давлением. Поэтому активация спекания давлением является ус- ловием необходимым, но не достаточным для обеспечения высокого уровня механических свойств образцов. Эффективность метода ударного прессования может быть существенно повышена при условии подготовки порошковых сме- сей с наиболее равномерным распределением твердой и пластичной фаз. Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 80 1. В.С. Рыжеванов, А.Н. Блинков, А.Н. Семенов, К.А. Шиканов, Производство твердых сплавов. Сб. науч. трудов, Металлургия, Москва (1982), с. 89. 2. А.В. Абрамов, Т.А. Лившиц, А.Н. Блинков, А.Д. Канаев, Исследование свойств твердых сплавов и вопросы их применения. Сб. науч. трудов, Металлургия, Москва (1989), с. 79. 3. В.Д. Середин, Т.А. Лившиц, Исследование свойств твердых сплавов и вопросы их применения. Сб. науч. трудов, Металлургия, Москва (1989), с. 83. 4. K. Jia, T.E. Fisher, B. Gallois, Nanostructured Materials 10, 875 (1998). 5. G. Gille, B. Szesny, K. Dreyer, H. Van Den Berg et al., Proc. of 15th International Plansee Seminar 2, 782 (2001). 6. A.I. Tolochin, A.V. Laptev, V.V. Kovyliaev, Proc. of 16th International Plansee Semi- nar. Powder Metallurgical High Performance Materials, 607 (2005). 7. A.V. Laptev, S.S. Ponomarev, L.F. Ochkas, J. Adv. Mater. 33, № 3, 42 (2001). 8. Г.С. Креймер, Прочность твердых сплавов, Металлургия, Москва (1971). 9. К.С. Чернявский, Стереология в металловедении, Металлургия, Москва (1977). 10. J.L. Chermant, F. Osterstok, J. Mater. Sci. 11, 1939 (1976). A.V. Laptev, A.I. Tolochin, I Yu. Ocun THE EFFECT OF THE TEMPERATURE AND COMPACTING PRESSURE ON THE PROPERTIES OF WC–25 MАSS% CO HARD ALLOY The effect of temperature and compacting pressure upon density, structure and me- chanical properties of a hard alloy of WC−25 mass% Co is investigated. A standard pow- der mix with a size of carbide particles of 0.7−1.0 microns was tested, previously con- densed without plasticizer at the room temperature and pressure of 100 MPa. The ob- tained powder billets were compacted by the method of impact hot pressing in vacuum at temperatures of 1190, 1240, 1290, 1330 and 1370°C. The isothermal holding before con- solidation at specified temperatures was 10 min. Consolidation at each temperature was carried out with different energy. Thus the maximum compacting pressure corresponded to the values of 640, 960 and 1280 MPa, but for temperatures 1290, 1330 and 1370°C the pressure of 320 MPa was applied. For comparison, the samples were sintered at specified temperatures and with isothermal holding of 20 min. The samples obtained at different temperatures and pressure, were tested with respect to the density, specific electrical re- sistivity, quantitative characteristics of structure, and also transverse rupture strength (TRS), fracture toughness, Vickers hardness, impact strength. It was established that the method of impact hot pressing in vacuum allows obtaining almost pore-free samples of an alloy of WC−25% Co at rather low temperatures, i.e. in solid-phase area of sintering where traditional hard alloys possess high porosity. Thus specific resistivity of the sam- ples condensed in a solid phase, was the same in size, as resistance of samples after liq- uid-phase sintering. The change of the densification temperature of samples at impact pressing provides extreme character of the change of mechanical properties. The maxi- mum values of various properties are reached at consolidation the region of temperature of 1290°C. At the lower consolidation temperatures, the samples have non-uniform structure and lowered properties even in the case of high density and low specific resis- tivity. At higher consolidation temperatures, the lowered characteristics of strength and fracture toughness are caused probably by some replacement of the melted cobalt from a sample and formation of microdestructions in a carbide skeleton. When using high level Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 1 81 of compacting pressure at the impact consolidation, there is a decrease in mechanical properties of the samples, probably, because of the increased defectiveness of a carbide skeleton. Therefore there are optimum parameters of impact consolidation at which the samples have the best complex of properties. In particular, at the temperature of 1290°C and the maximum pressing pressure of 640 MPa, the samples have transverse rupture strength 3000−3400 MPa, Vickers hardness − 10−10.5 GPa, fracture toughness − 20−24 MPa·m1/2 and the impact strength − 6−11 J/cm2. Keywords: impact pressing, hard alloy, mechanical properties Fig. 1. Impact time dependence of the pressing effort at impact consolidation with differ- ent energy of powder briquettes of the WC–25 mass% Co hard alloy: a – maximum effort is 400 kN, б – 800 kN, в – 1200 kN, г – 1600 kN. One cell on an axis of ordinate is 200 kN, on an axis of abscissae – 2.5⋅10−4 s Fig. 2. Dependence of the density (а) and electrical resistivity (б) of the WC–25 mass% Co hard alloy on the temperature, the method and pressure of consolidation P, MPa: ■ – 320, ● – 640, ▲ – 960, ▼ – 1280, ⋄ – conventional sintering Fig. 3. The structure of the WC–25 mass% Co samples obtained by conventional sinter- ing at different temperatures Т, °С: a – 1240, б – 1330 Fig. 4. The structure of the WC–25 mass% Co samples obtained by impact hot pressing with the maximum pressure of 640 MPa at the temperatures Т, °С: a – 1240, б – 1290, в – 1330, г – 1370 Fig. 5. The structure of the WC–25 mass% Co samples obtained by impact hot pressing at the temperature of 1290°C and the pressures 320 MPa (a) and 960 MPa (б) Fig. 6. Dependence of the transverse rupture strength (а) and fracture toughness (б) of the WC–25 mass% Co samples on the temperature, method and pressure of consolidation P, MPa: ■ – 320, ● – 640, ▲ – 960, ▼ – 1280, ⋄ – conventional sintering Fig. 7. The fracture surface of the WC–25 mass% Co samples obtained by impact press- ing with the pressure of 640 MPa at temperatures Т, °С: a – 1190, б – 1290 Fig. 8. Dependence of the dimension of conditional critical defect of the structure ac of the WC–25 mass% Co samples on the temperature, method and pressure of consolidation P, MPa: ■ – 320, ● – 640, ▲ – 960, ▼ – 1280, ⋄ – conventional sintering Fig. 9. Dependence of the hardness (а) and impact strength (б) of the WC–25 mass% Co samples on the temperature, method and pressure of consolidation P, MPa: ■ – 320, ● – 640, ▲ – 960, ▼ – 1280, ⋄ – conventional sintering
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69608
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0868-5924
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T15:57:50Z
publishDate	2013
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
record_format	dspace
spelling	Лаптев, А.В. Толочин, А.И. Окунь, И.Ю. 2014-10-17T07:03:38Z 2014-10-17T07:03:38Z 2013 Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co / А.В. Лаптев, А.И. Толочин, И.Ю. Окунь // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 1. — С. 68-81. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.20.Ev, 81.40.Vw, 81.70.−q https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69608 Исследовано влияние температуры и давления прессования на плотность, структуру и механические свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co. Порошковые заготовки уплотняли методом ударного горячего прессования в вакууме при температурах 1190−1370°С при разном давлении от 320 до 1280 MPa. Установлено. что в области твердофазного спекания возможно получение практически беспористых образцов сплава WC−25 mass% Co. Обнаружено наличие оптимального давления прессования (640 MPa), при котором образцы обладали максимальным уровнем механических свойств. Досліджено вплив температури й тиску пресування на густину, структуру й механічні властивості твердого сплаву WC з 25 mass% Co. Порошкові заготівки ущільнювали методом ударного гарячого пресування у вакуумі при температурах 1190−1370°С при різному тиску від 320 до 1280 MPa. Встановлено, що в області твердофазного спікання можливе отримання практично безпористих зразків сплаву WC–25 mass% Co. Виявлено наявність оптимального тиску пресування (640 МРа), при якому зразки мають максимальний рівень механічних властивостей. The effect of temperature and compacting pressure upon density, structure and mechanical properties of a hard alloy of WC−25 mass% Co is investigated. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co The effect of the temperature and compacting pressure on the properties of WC–25 mаss% Co hard alloy Article published earlier
spellingShingle	Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co Лаптев, А.В. Толочин, А.И. Окунь, И.Ю.
title	Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co
title_alt	The effect of the temperature and compacting pressure on the properties of WC–25 mаss% Co hard alloy
title_full	Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co
title_fullStr	Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co
title_full_unstemmed	Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co
title_short	Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co
title_sort	влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава wc c 25 mass% co
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69608
work_keys_str_mv	AT laptevav vliânietemperaturyidavleniâpressovaniânasvoistvatverdogosplavawcc25massco AT toločinai vliânietemperaturyidavleniâpressovaniânasvoistvatverdogosplavawcc25massco AT okunʹiû vliânietemperaturyidavleniâpressovaniânasvoistvatverdogosplavawcc25massco AT laptevav theeffectofthetemperatureandcompactingpressureonthepropertiesofwc25masscohardalloy AT toločinai theeffectofthetemperatureandcompactingpressureonthepropertiesofwc25masscohardalloy AT okunʹiû theeffectofthetemperatureandcompactingpressureonthepropertiesofwc25masscohardalloy

Влияние температуры и давления прессования на свойства твердого сплава WC c 25 mass% Co

Репозитарії

Схожі ресурси