Production of WC-15Co ultrafine-grained hard alloy from powder obtained by VK15 alloy waste spark erosion in water
https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-3-4-16
Abstract
The study covers the possibility of WC-15Co ultrafine cemented carbide production from powder obtained by spark erosion (SE) of VK15 cemented carbide waste in water. As a result of SE in an oxygen-containing liquid (H2O), the carbon content in the resulting powder decreases from 5.3 to 2.3 %. When the powder is heated to 900 °C in vacuum, the carbon content decreases to 0.2 % due to the presence of oxygen. The powder obtained consists of WC, W2C and Co phases. Particles have a dendritic structure consisting of newly formed tungsten-containing grains and cobalt interlayers. The controlled removal of oxygen and carbon replenishment in the resulting powder were carried out by heating in the CO atmosphere to t = = 900 °C. The processed powder has a required phase composition (WC + Co) and carbon content (5.3 %). Particles retain their spherical shape after carbon replenishment. WC grains in particles become plate-shaped with the space between them filled with cobalt. The average grain diameter is smaller than in the initial alloy. The vacuum sintering of the resulting powder at 1390 °C made it possible to obtain WC–15Co ultrafine-grained cemented carbide with an average WC grain diameter of 0.44 μm. It is several times smaller than the average grain diameter in the initial alloy (1.8 μm). Most grains retain their plate shape. The resulting alloy combines high hardness (1620 HV), increased fracture toughness (13.2 MPa·m1/2) and strength (1920 MPa) due to its fine-grain structure and 15 % cobalt content. In terms of the set of its properties, this alloy is not inferior to analogues obtained by other methods.
About the Authors
M. I. Dvornik
Institute of Materials Science of Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences (IM FEB RAS)
Russian Federation
Russian Federation
Dvornik M.I. - Cand. Sci. (Eng.), Senior research scientist, Powder metallurgy laboratory
680042, Russia, Khabarovsk, Tikhookeanskaya str., 153
E. A. Mikhailenko
Institute of Materials Science of Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences (IM FEB RAS)
Russian Federation
Russian Federation
Mikhailenko Е.А. - Cand. Sci. (Phys.-Math), Scientific secretary
680042, Russia, Khabarovsk, Tikhookeanskaya str., 153
References
1. Панов В.С., Чувилин А.М. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС, 2001.
2. Панов В.С., Зайцев А.А. Тенденции развития технологии ультрадисперсных и наноразмерных твердых сплавов WC—Co. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. No. 3. C. 38—48. DOI: 10.17073/1997-308X-2014-3-38-48.
3. Geoffrey E. Spriggs. A history of fine grained hardmetal. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1995. No. 13. P. 241—255.
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. Jia K., Fischer T.E., Gallois B. Microstructure, hardness and toughness of nanostructured and conventional WC–Co composites. Nanostruct. Mater. 1998. Vol. 10. No. 5. P. 875—891.
6. Allen C., Sheen M., Williams J., Pugsley V.A. The wear of ultrafine WC—Co hard metals. Wear. 2001. Vol. 250. P. 604—610.
7. Hwan-Cheol Kim, Dong-Young Oh and In-Jin Shon. Sintering of nanophase WC—15 vol. %Co hard metals by rapid sintering process. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2004. Vol. 22. No. 4-5. P. 197—203.
8. Huang S.G., Li L., Vanmeensel K., Van der Biest O., Vleugels J. VC, Cr3C2 and NbC doped WC—Co cemented carbides prepared by pulsed electric current sintering. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2007. Vol. 25. P. 417—422. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2006.11.003.
9. Дворник М.И., Михайленко Е.А. Получение ультрамелкозернистого твердого сплава WC—8CO—0,4VC—0,4CR3C2 жидкофазным спеканием и сравнительный анализ его характеристик. Материаловедение. 2017. No. 9. С. 7—12.
10. Kim B.K., Ha G.H., Lee D.W., Lee G.G. Chemical processing of nanostructured cemented carbide. Adv. Perf. Mater. 1998. No. 5. P. 341—352.
11. Andreas Bock, Burghard Zeiler. Production and characterization of ultrafine WC powders. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2002. Vol. 20. P. 23—30. DOI: 10.1016/S0263-4368(01)00067-1.
12. Egashira Y.K., Hosono S., Takemoto S. Fabrication and cutting performance of cemented tungsten carbide microcutting tools. Precision Eng. 2011. Vol. 35. P. 547—553. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2011.06.002.
13. Roebuck B. Extrapolating hardness-structure property maps in WC/Co hardmetals. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2006. No. 24. P. 101—108.
14. 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. DOI: 10.1016/ j.wear.2005.09.034.
15. Jia K., Fischer T.E. Sliding wear of conventional and nanostructured cemented carbides. Wear. 1997. Vol. 203-204. P. 310—318.
16. Bonny K., Baets P.D., Vleugels J., Huang S., Wan der Biest O., Lauwers B. Impact of Cr3C2 VC additions on dry sliding friction and wear response of WC—Co cemented carbides. Wear. 2009. Vol. 267. No. 9-10. P. 1642—1652.
17. Gee M.G., Gant A., Roebuck B. Wear mechanisms in abrasion and erosion of WC/Co and related hardmetals. Wear. 2007. Vol. 263. P. 137—148. DOI: 10.1016/j. wear.2006.12.046.
18. Krakhmalev P.V., Adeva Rodil T., Bergstrom J. Influence of microstructure on the abrasive edge wears of WC— Co hardmetals. Wear. 2007. Vol. 263. P. 240—245. DOI: 10.1016/j.wear.2006.10.019.
19. Allen C., Sheen M., Williams J., Pugsley V.A. The wear of ultrafine WC—Co hard metals. Wear. 2001. Vol. 250. 604—610. DOI: 10.1016/S0043-1648(01)00667-6.
20. Gusev A.I., Kurlov A.S. Production of nanocrystalline powders by high-energy ball milling: Model and experiment. Nanotechnology. 2008. Vol. 19. No. 265302.
21. Lin J-C., Lin J-Y., Jou S-P. Selective dissolution of the cobalt binder from scraps of cemented tungsten carbide in acids containing additives. Hydrometallurgy. 1996. Vol. 43. No. 1-3. P. 47—61.
22. Carrey J., Radousky H.B., Berkowitz A.E. Spark-eroded particles: Influence of processing parameters. J. Appl. Phys. 2004. Vol. 95. No. 3. P. 823—840.
23. Дворник М.И., Верхотуров А.Д., Ершова Т.Б., Палажченко В.И. Влияние энергии и длительности искрового разряда на состав порошка, полученного электроэрозионным диспергированием твердого сплава ВК8 в воде. Электронная обработка материалов. 2005. No. 2. C. 15—19.
24. Агеев Е.В., Семенихин Б.А., Агеева Е.В., Латыпов Р.А. Исследование химического состава порошков, полученных электроэрозионным диспергированием твердого сплава. Изв. Юго-Западного гос. ун-та. 2011. No. 5-1. С. 138—144.
25. Дворник М.И., Верхотуров А.Д. Переработка вольфрамокобальтового твердого сплава электроэрозионным диспергированием в воде с последующей карбидизацией. Порошковая металлургия. 2008. No. 7-8. С. 137—145.
26. Dvornik M.I. Nanostructured WC—Co particles produced by carbonization of spark eroded powder: Synthesis and characterization. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2010. Vol. 28. P. 523—528. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2010.02.011.
27. Путинцева М.Н. Химический и фазовый состав порошков, полученных электроэрозионным диспергированием из WC—Co-сплавов. МиТОМ. 2004. No. 4. C. 20—24.
28. Путинцева М.Н. Иевлев В.П. Влияние условий диспергирования сплавов WC—Co на гранулометрический состав порошка и морфологию его поверхности. СТИН. 2004. No. 3. C. 17—19.
29. Путинцева М.Н. Среды для диспергирования твердых сплавов. Физика и химия обработки материалов. 2006. No. 2. С. 78—83.
30. Дворник М.И., Верхотуров А.Д., Ершова Т.Б., Метлицкая Л.П., Бруй В.Н. Получение наноструктурного вольфрамокобальтового порошка при электроэрозионном диспергировании твердого сплава ВК8. Перспективные материалы. 2006. No. 3. С. 25—34.
31. Намитоков К.К. Об агрегатном составе и строении продуктов электрической эрозии металлов. В кн.: Физические основы электроискровой обра ботки материалов. Под ред. Б.А. Красюка. М.: Наука, 1966.
32. Золотых Б.Н., Мельдер Р.Р. Физические основы электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1977.
33. Золотых Б.Н., Коробова И.П., Стрыгин Э.М. О роли механических факторов в процессе эрозии в импульсном разряде. В кн.: Физические основы электроискровой обработки материалов. Под ред. Б. А. Красюка. М.: Наука, 1966.
34. Fu L., Cao L.H., Fan Y.S. Two-step synthesis of nanostructured tungsten carbide-cobalt powders. Scripta materialia. 2001. Vol. 44. P. 1061—1068. DOI: 10.1016/S1359-6462(01)00668-6.
35. Исхакова Г.А., Марусина В.И., Рахимянов Х.М. Определение микротвердости частиц карбида вольфрама, полученных в искровом разряде. Порошковая металлургия. 1987. No. 10. C. 87—89. DOI: 10.1007/BF00794373.
36. Агеев Е.В., Латыпов P.A. Восстановление и упрочнение деталей автотракторной техники порошками, полученными электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов. Междунар. науч. журн. 2011. No. 5. С. 103—106.
37. Фоминский Л.П., Мюллер А.С., Левчук М.В., Тарабрина В.П. Переработка вольфрамового лома в порошки электроэрозионным диспергированием. Порошковая металлургия. 1985. No. 11. C. 17—22.
38. Фоминский Л.П., Левчук М.В., Мюллер А.С., Попов А.В., Чеботников В.Н. Структура порошка, полученного электроэрозионным диспергированном вольфрама в углеводородных жидкостях. Электрон. обраб. матер. 1985. No. 3. C. 22—24.
39. Марусина В.И., Исхакова Г.А., Филимоненко В.Н., Синдеев В.И. Структура и фазовый состав диспергированного электроискровым методом сплава WC—Co. Порошковая металлургия. 1991. No. 5. C. 75—79.
40. Филимоненко В.Н., Марусина В.И. Получение карбидов вольфрама в искровом разряде. Электрон. обраб. матер. 1980. No. 4. C. 47—49.
41. Dvornik M.I., Mikhaylenko E.A. Control of carbon content in ultrafine cemented carbide by heat treatment in reducing atmospheres containing carbon oxides. J. Mater. Eng. Performance. 2018. Vol. 27. No. 7. P. 3610—3618. DOI: 10.1007/s11665-018-3460-1.
42. Верхотуров А.Д., Дворник М.И., Ершова Т.Б., Зайцев А.В. Получение вольфрамокобальтовых дисперсных порошков электроэрозионным диспергированием компактных образцов твердых сплавов, в том числе отходов. Электрон. обраб. матер. 2015. No. 51(3). P. 6—10.
43. Cheng Chen, Zhixing Guo, Shenhou Li, Ya Xiao, Binbin Chai, Junbo Liu. Microstructure and properties of WC— 17Co cermets prepared using different processing routes. Ceram. Int. Pt. A. 2019. Vol. 45. Iss. 7. P. 9203—9210.
44. Zhenhua Wang, Jiheng Jia, Boxiang Wang, Yulin Wang. Two-step spark plasma sintering process of ultrafine grained WC—12Co—0.2VC cemented carbide. Materials. 2019. Vol. 12. Iss. 15. No. 2443. P. 1—11.
45. Болдин М.С., Сахаров Н.В., Чувильдеев В.Н., Благовещенский Ю.В., Исаева Н.В., Нохрин А.В., Шотин С.В, Лопатин Ю.Г., Семенычева А.В., Попов А.А., Грязнов М.Ю., Жарков Е.А. Разработка и исследование ультрамелкозернистых твердых сплавов на основе карбида вольфрама с высокой твердостью и трещиностойкостью Фазовые превращения и прочность кристаллов: Сб. тез. VIII Междунар. конф. Черноголовка: Институт физики твердого тела РАН, 2014. С. 69.
46. Boxiang Wang, Zhenhua Wang, Zengbin Yin, Kui Liu, Juntang Yuan. Effects of powder preparation and sintering temperature on consolidation of ultrafine WC—8Co tool material produced by spark plasma sintering. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. Iss. 16. P. 19737—19746.
47. Дворник М.И., Зайцев А.В. Изменение прочности, твердости и трещиностойкости при переходе от среднезернистого к ультрамелкозернистому твердому сплав. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017. No. 2. С. 39—46.
48. Yan Wen, Jiaxi Liao, Qiumin Yang, Shusheng Yu, Jinzhong Li, Liyong Chen, Shengda Guo, Hao Chen. Effect of particle size and high-energy ball milling time on microstructure and mechanical properties of WC—10Co cemented carbides with plate-like WC grains. Mater. Res. Express. 2019. Vol. 6. Iss. 10. P. 106570.
49. Qiumin Yang, Dengfei Deng, Jinzhong Li, Liyong Chen, Shengd Guo, Jue Liu, Hao Chen. Fabrication and mechanical properties of WC—10Co cemented carbides with plate-like WC grains. J. Alloys Compd. 2019. No. 803. P. 860—865.
Review
For citations:
Dvornik M.I., Mikhailenko E.A. Production of WC-15Co ultrafine-grained hard alloy from powder obtained by VK15 alloy waste spark erosion in water. . 2020;(3):4-16. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-3-4-16
