ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЧНОСТИ, ТВЕРДОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОТ СРЕДНЕЗЕРНИСТОГО К УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОМУ ТВЕРДОМУ СПЛАВУ
Аннотация
Проведены исследования микроструктуры и механических характеристик образцов среднезернистого (WC–8Co), субмикронного (WC–8Co–1Cr3C2) и ультрамелкозернистого (WC–8Co–0,4VC–0,4Cr3C2) твердых сплавов, полученных жидкофазным спеканием порошков соответствующей дисперсности. Показано, что при уменьшении среднего диаметра зерен с 1,65 до 0,37 мкм твердость полученных сплавов возрастает с 1356 до 1941 HV. При этом снижаются трещиностойкость с 19,0 до 8,5 МПа·√ —м и прочность с 2080 МПа до 1210 МПа. Сравнение с литературными данными показало, что рассмотренные в данной работе сплавы не уступают по твердости и трещиностойкости аналогам, полученным спеканием под давлением, горячим прессованием, электроискровым и индукционным спеканием. При этом прочность на изгиб сплавов, приготовленных жидкофазным спеканием, оказалась в 1,5–2,5 раза ниже, чем у сплавов, полученных спеканием под давлением или прессованием, из-за наличия пор, максимальный диаметр которых оценивается в 40 мкм. Проведен анализ полученных результатов и литературных данных на соответствие теоретическим закономерностям. Показано, что зависимости твердости, трещиностойкости и прочности от среднего диаметра зерен полученных сплавов и их аналогов в целом соответствуют традиционным закономерностям, основанным на законах Холла–Петча и Орована–Гриффитса, несмотря на наличие теоретических предпосылок отклонения от них.
Об авторах
М. И. Дворник
Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН
Россия
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории композиционных материалов
Россия
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории композиционных материалов
А. В. Зайцев
Институт материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН
Россия
Кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории композиционных материалов
Россия
Кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории композиционных материалов
Список литературы
1. Григорьев С.Н., Табаков В.П., Волосова М.А. Технологические методы повышения износостойкости контактных площадок режущего инструмента. Старый Оскол: «ТНТ», 2011; Grigor’ev S.N., Tabakov V.P., Volosova M.A. Tekhnologicheskie metody povysheniya iznosostoikosti kontaktnykh ploshchadok rezhushchego instrumenta [Technological methods to improve the wear resistance of the contact pads of the cutting tool]. Staryi Oskol: «TNT», 2011.
2. Geoffrey E., Spriggs. A. History of fine grained hardmetal. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1995. Vol. 13. P. 241—255.
3. Панов В.С., Зайцев А.А. Тенденции развития технологии ультрадисперсных и наноразмерных твердых сплавов WC—Co // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2014. No. 3. C. 38—48; Panov V.S., Zaitsev A.A. Tendentsii razvitiya tekhnologii ul’tradispersnykh i nanorazmernykh tverdykh splavov WC—Co [Tendencies of development of the technology of ultrafine and nanosized hard alloys WC—Co]. Izv. vuzov. Poroshk. metallurgiya i funkts. pokrytiya. 2014. No. 3. C. 38—48.
4. Zak Fang Z., Xu Wang, Taegong Ryu, Kyu Sup Hwang, Sohn H.Y. Synthesis, sintering, and mechanical properties of nanocrystalline cemented tungsten carbide: A review. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2009. Vol. 27. P. 288—299.
5. Shatov A.V., Ponomarev S.S., Firstov S.A. Fracture and strength of hardmetals at room temperature. Compr. Hard Mater. 2007. Vol. 1. P. 38—43.
6. Mukhopadhyay A., Basu B. Consolidation—microstructure—property relationships in bulk nanoceramics and ceramic nanocomposites: A review. Int. Mater. Rev. 2007. Vol. 52. No. 5. P. 257—288.
7. Gille G., Szesny B., Dreyer K., Berg H., Schmidt J., Gestrich T., Leitner G. Submicron and ultrafine grained hardmetals for microdrills and metal cutting inserts. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2002. Vol. 20. P. 3—22.
8. Hiroyuki Saito, Akira Iwabuchi, Tomoharu Shimizu. Effects of Co content and WC grain size on wear of WC cemented carbide. Wear. 2006. Vol. 261. P. 126—132.
9. Jia K., Fischer T.E. Sliding wear of conventional and nanostructured cemented carbides. Wear. 2001. Vol. 203— 204. P. 310—318.
10. Krakhmalev P.V., Adeva Rodil T., Bergstrom J. Influence of microstructure on the abrasive edge wear of WC—Co hardmetals. Wear. 2007. Vol. 263. P. 240—245.
11. Allen C., Sheen M., Williams J., Pugsley V.A. The wear of ultrafine WC—Co hard metals. Wear. 2001. Vol. 250. P. 604—610.
12. Дворник М.И., Зайцев А.В. Сравнительный анализ износостойкости субмикронного твердого сплава WC—8Co—1Cr3C2 и традиционных твердых сплавов при сухом трении // Перспективные материалы. 2015. No. 5. C. 34—41; Dvornik M. I., Zaitsev A.V. Sravnitel’nyi analiz iznosostoikosti submikronnogo tverdogo splava WC—8Co—1Cr3C2 i traditsionnykh tverdykh splavov pri sukhom trenii. [Comparative analysis of the wear resistance of WC—8Co—1Cr3C2 and traditional hard alloys under dry friction]. Perspektivnye materialy. 2015. No. 5. Р. 34—41.
13. Дворник М.И., Мокрицкий Б.Я., Зайцев А.В. Сравнительный анализ микроабразивной износостойкости традиционных твердых сплавов и субмикронного твердого сплава WC—8Co—1Cr3C2 // Вопросы материаловедения. 2015. No. 1(81). C. 45—51; Dvornik M.I., Mokritskii B.Ya., Zaitsev A.V. Sravnitel’nyi analiz mikroabrazivnoi iznosostoikosti traditsionnykh tverdykh splavov i submikronnogo tverdogo splava WC—8Co— 1Cr3C2 [Comparative analysis microabrasive durability of traditional carbide and carbide submicron WC— 8Co—1Cr3C2]. Voprosy materialovedeniya. 2015. No. 1(81). Р. 45—51.
14. Ken Brookes. What’s in a name? Nano experts seek definitions. 2006. Vol. 6. P.24—26.
15. Zhi-Hui Xu, John Agren. A modified hardness model for WC—Co cemented carbides. Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 386. P. 262—268.
16. Engqvist H., Jacobson S., Axen N. A model for the hardness of cemented carbides. Wear. 2002. Vol. 252. P. 384—393.
17. Makhele-Lecala L., Luiyckx S., Nabarro F.R.N. Semiempirical relationship between hardness, grain size and mean free path of WC—Co. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2001. Vol. 19. P. 245—249.
18. Seung I. Cha, Kyong H. Lee, HoJ.Ryu, Soon H. Hong. Analytical modeling to calculate the hardness of ultrafine WC—Co cemented carbides. Mater. Sci. Eng. A. 2008. Vol. 489. P. 234—244.
19. Jia K., Fischer T. E., Gallois B. Microstructure, hardness and toughness of nanostructured and conventional WC— Co composites. Nanostruct. mater. 1998. Vol. 10. Iss. 5. P. 875—891.
20. Binghai Liu, Yue Zhang, Shixi Ouyang. Study on the relation between structural parameters and fracture strength of WC—Co cemented carbides. Mater. Chem. Phys. 2000. Vol. 62. Iss. 1. P. 35—43.
21. Chongbin Wei, Xiaoyan Song, Jun Fu, Xuemei Liu, Haibin Wang, Yang Gao, Yao Wang. Simultaneously high fracture toughness and transverse rupture strength in ultrafine cemented carbide. Cryst. Eng. Comm. 2013. Vol. 15. P. 3305—3307.
22. Leon L. Shawa, Hong Luob, Yang Zhong. WC—18wt.%Co with simultaneous improvements in hardness and toughness derived from nanocrystalline powder. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 537. P. 39—48.
23. Wu Chonghu, Zhang Taiquan. Formation mechanisms of microstructure imperfections and their effects on strength in submicron cemented carbide. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. Vol. 40. P. 8—13.
24. Курлов А.С., Ремпель А.А., Leenaers A., Van Der Bergh S. Прочность на изгиб и микротвердость твердых сплавов WC—8%Co на основе порошков разной дисперсности // Материаловедение. 2009. No. 4. C. 18—21; Kurlov A.S., Rempel’ A.A., Leenaers A., Van Der Bergh S. Prochnost’ na izgib i mikrotverdost’ tverdykh splavov WC—8%Co na osnove poroshkov raznoi dispersnosti [Flexural strength and microhardness carbide WC— 8%Co powder based on a different dispersity]. Materialovedenie. 2009. No. 4. Р. 18—21.
25. Zhigang Zak Fang. Correlation of transverse rupture strength of WC—Co with hardness. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2005. Vol. 23. Iss. 2. P. 119—127.
26. Sherif El-Eskandarany M., Amir A. Mahday, Ahmed H.A., Amer A.H. Synthesis and characterizations of ball-milled nanocrystalline WC and nanocomposite WC—Co powders and subsequent consolidations. J. Alloys and Compounds. 2000. Vol. 312. P. 315—325.
27. Hwan-Cheol Kim, In-Jin Shon, Jin-Kook Yoon, Jung-Mann Doh. Consolidation of ultra fine WC and WC—Co hard materials by pulsed current activated sintering and its mechanical properties. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2007. Vol. 25. Iss. 1. P. 46—52.
28. Hwan Cheol Kim, In Kyoon Jeong, In Jin Shon, In Yong Ko, Jung Mann Doh. Fabrication of WC—8 wt.%Co hard materials by two rapid sintering processes. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2007. Vol. 25. Iss. 4. P. 336—340.
29. Friederichs J.W. Articles of ultrafine grained cemented carbide: Pat. 5368628 (USA). 2000.
30. Панов В.С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС, 2001; Panov V.S. Tekhnologiya i svoistva spechennykh tverdykh splavov i izdelii iz nikh [Technology and properties of sintered hard alloys and products from them]. Mоscоw: MISIS, 2001.
31. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Ме-таллургия. 1976; Tret’yakov V.I. Osnovy metallovedeniya i tekhnologii proizvodstva spechennykh tverdykh splavov [Fundamentals of metallurgy and technology of sintered carbide]. Mоscоw: Metallurgiya, 1976.
32. Дворник М.И., Зайцев А.В., Ершова Т.Б. Повышение прочности и твердости субмикронного твердого сплава WC—8%Co—1%Cr3C2 за счет докарбидизации в процессе спекания // Вопросы материаловедения. 2011. No. 4(68). C. 81—88; Dvornik M.I., Zaitsev A.V., Ershova T.B. Povyshenie prochnosti i tverdosti submikronnogo tverdogo splava WC—8%Co—1%Cr3C2 za schet dokarbidizatsii v protsesse spekaniya [Increased strength and hardness of submicron cemented carbide WC—8%Co—1%Cr3C2 by dokarbidizatsii during sintering]. Voprosy materialovedeniya. 2011. No. 4(68). Р. 81—88.
33. Shetty D.K., Wright I.G., Mincer P.N. and Clauer A.H. Indentation fracture of WC—Co cermets. J. Mater. Sci. 1985. Vol. 20. P. 1873—1882.
34. Yamamoto T., Ikuhara Y., Watanabe T., Sakuma T., Taniuchi Y., Okada K., Tanase T. High resolution microscopy study in Cr3C2-doped WC—Co. J. Mater. Sci. 2001. Vol. 36. P. 3885—3890.
35. Yamamoto T., Ikuhara Y., Sakuma T. High resolution transmission electron microscopy study in VC-doped WC—Co compound. Sci. Technol. Adv. Mater. 2000. Vol. 1. P. 97—104.
36. Yigao Yuan, Xiaoxiao Zhang, Jianjun Ding, Jun Ruan. Measurement of WC grain size in ultrafine grained WC— Co cemented carbides. Appl. Mech. Mater. 2013. Vol. 278— 280. P. 460—463.
37. Чернявский К.С., Травушкин Г.Г. Современные представления о связи структуры и прочности твердых сплавов WC—Co (Обзор) // Проблемы прочности. 1980. No. 4. C. 11—19; Chernyavskii K.S., Travushkin G.G. Sovremennye predstavleniya o svyazi struktury i prochnosti tverdykh splavov WC—Co (obzor) [Modern views on the communication structure and the strength of hard alloys WC—Co (Review)]. Problemy prochnosti. 1980. No. 4. Р. 11—19.
38. Чапорова И.Н., Чернявский К.С. Структура спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия. 1975; Chaporova I.N., Chernyavskii K.S. Struktura spechennykh tverdykh splavov [The structure of sintered carbide]. Moscow: Metallurgiya, 1975.
39. Exner H.E., Fischmeister H.F. Structure of sintered tungsten carbide-cobalt alloys. Arch. Eisenhuttenwesen. 1966. Bd. 37. S. 417—426.
40. Lee H.C., Gurland J. Hardness and deformation of cemented tungsten carbide. Mater. Sci. Eng. 1978. Vol. 33. Iss. 1. P. 125—133.
41. Sigl L.S., Fischmeister H.F. On the fracture toughness of cemented carbides. Acta Metal. 1988. Vol. 36. No. 4. P. 887—891.
42. Luyckx S., Love A. The dependence of the contiguity of WC on Co content and its independence from WC grain size in WC—Co alloys. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2006. Vol. 24. P.75—79.
43. Felten F., Schneider A., Sadowski T. Estimation of R-curve in WC/Co cermet by CT test. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2008. Vol. 26. P. 55—60.
44. Cahal McVeigh, Wing Kam Liu. Multiresolution modeling of ductile reinforced brittle composites. J. Mech. Phys. Sol. 2009. Vol. 57. P. 244—267.
45. Дворник М.И., Михайленко Е.А. Моделирование процесса распространения трещины в субмикронных и наноструктурных твердых сплавах // Механика композиционных материалов и покрытий. 2014.
46. Т. 20. No. 1. C. 197—210; Dvornik M.I., Mikhailenko E.A. Modelirovanie protsessa rasprostraneniya treshchiny v submikronnykh i nanostrukturnykh tverdykh splavakh [Modelling of the spread of cracks in the submicron and nanostructured solid alloys. Mechanics of Composite Materials and Coatings]. Mekhanika kompozitsionnykh materialov i pokrytii. 2014. Vol. 20. No. 1. P. 197—210.
47. Mandel K., Kruger L., Schimpf C. Study on parameter optimisation for fieldassisted sintering of fullydense, nearnano WC—12Co. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2014. Vol. 45. P. 153—159.
48. Godse R., Gurland J. Applicability of the critical strain fracture criterion to WC—Co hard metals. Mater. Sci. Eng. A. 1988. Vol. 105-106. Pt. 2. P. 331—336.
49. Osterstock F., Chermant J.-L. Some aspects of the fracture of WC—Co composites. Sci. Hard Mater. 1983. P. 615—629.
Для цитирования:
Дворник М.И., Зайцев А.В. ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЧНОСТИ, ТВЕРДОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОТ СРЕДНЕЗЕРНИСТОГО К УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОМУ ТВЕРДОМУ СПЛАВУ. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017;(2):39-46. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2017-2-39-46
For citation:
Dvornik M.I., Zaitsev A.V. CHANGE IN STRENGTH, HARDNESS AND CRACKING RESISTANCE IN TRANSITION FROM MEDIUM-GRAINED TO ULTRAFINE HARD ALLOY. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya. 2017;(2):39-46. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2017-2-39-46
Просмотров: 422
Послать статью по эл. почте 