КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛОКЕРАМИКИ WC-Co, ПОЛУЧЕННОЙ МЕТОДОМ СПЕКАНИЯ В АТМОСФЕРЕ ВОДОРОДА
Аннотация
В работе исследованы структурные и физико-химические свойства металлокерамики на основе карбида вольфрама с содержанием α-Co 6% (WC&6% α-Co) с целью контроля качества материала. Рентгенограмма образца показала, что, наряду с характерными пиками WC, имеется пик (111) α-Co фазы. Фазовый состав спеченного материала не претерпел изменений. Плотность контрольного образца измеряли пикнометрическим методом. Для диагностики качества проводили исследование упругих свойств металлокерамики WC&6% α-Co путем измерения фазовых скоростей продольной и сдвиговой объемных акустических волн (ОАВ). Измерения были выполнены методом длинного импульса в диапазоне 10 – 70 МГц для продольных и в окрестности 10 МГц для сдвиговых волн. На основе полученных данных в изотропном приближении для металлокерамики WC&6% α-Co были рассчитаны упругие модули C11, C12, C44, а также модуль Юнга, модуль сдвига, объемный модуль упругости и коэффициент Пуассона. Полученные результаты сопоставлены с данными, приведенными в литературе. Продемонстрировано, что значения упругих констант металлокерамики WC&6% α-Co могут иметь отличия до 20% в различных исследованиях. Причины подобных расхождений связаны, в первую очередь, с различиями в особенностях технологического процесса изготовления керамики. Применение металлокерамики данного состава перспективно при создании деталей камер высокого давления для исследовательских целей, для оснастки технологического оборудования, в частности, для метода горячего прессования твердых и сверхтвердых материалов, а также в качестве подложек в двуслойных пластинах "алмаз - WC". Показано, что высокочастотный акустический метод исследования упругих свойств карбида вольфрама можно успешно применять для диагностики качества таких материалов и установления влияния параметров технологического процесса на их физико-механические свойства. Указаны пути совершенствования технологического процесса производства металлокерамики на основе карбида вольфрама.
Для цитирования:
Сорокин Б.П., Яшин Д.В., Прохоров В.М., Аксененков В.В. Контроль качества структуры и свойств металлокерамики WC-Co, полученной методом спекания в атмосфере водорода. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 10. С. 29-37. DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.8y.
Литература
Sun J., Zhao J., Huang Z., Yan K., Shen X., Xing J., Gao Y., Jian Y., Yang H., Li B. A review on binderless tungsten carbide: development and application. Nano-Micro Lett. 2020. V. 12. P. 12 - 37. DOI: 10.1007/s40820-019-0346-1.
Amulele G.M., Manghnani M.H., Marriappan S., Hong X., Li F., Qin X., Liermann H.P. Compression behavior of WC and WC-6%Co up to 50 GPa determined by synchrotron x-ray diffraction and ultrasonic techniques. J. Appl. Phys. 2008. V. 103. P. 113522. DOI: 10.1063/1.2938024.
Savinykh A.S., Mandel K., Razorenov S.V., Krüger L. The influence of the cobalt content on the strength properties of tungsten carbide ceramics under dynamic loads. Tech. Phys. 2018. V. 63. N 3. P. 357–362. DOI: 10.1134/S1063784218030210.
Teppernegg T., Klünsner T., Kremsner C., Tritremmel C., Czettl C., Puchegger S., Marsoner S., Pippan R., Eb-ner R. High temperature mechanical properties of WC–Co hard metals. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2016. V. 56. P. 139-144. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2016.01.002.
Botaki A.A., Pozdeeva E.V. Elasticity modules and acoustic properties of metal ceramics on the basis of tungsten mono-carbide. Bull. Tomsk Pоlytеch. Univ. 2007. V. 311. N 2. P. 98-102.
Doi H., Fujiwara Y., Miyake K., Oosawa Y. A systematic investigation of elastic moduli of WC-Co alloys. Metall. Ma-ter. Trans. 1970. V. 1. P. 1417-1425. DOI: 10.1007/BF02900264.
Fabijani´c T.A., Cori´c D., Musa Š. M., Sakoman M. Vickers indentation fracture toughness of near-nano and nanostructured WC-Co cemented carbides. Metals. 2017. V. 7. N 143. P. 2-16. DOI: 10.3390/met7040143.
Roaa J.J., Sudharshan Phanic P., Oliverd W.C., Llanesa L. Mapping of mechanical properties at microstructural length scale in WC-Co cemented carbides: Assessment of hardness and elastic modulus by means of high speed mas-sive nanoindentation and statistical analysis. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2018. V. 75. P. 211-217. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2018.04.019.
Kim J., Suh Y.J., Kang I. First-principles calculations of the phase stability and the elastic and mechanical properties of η-phases in the WC–Co system. J. Alloys Compd. 2016. V. 656. P. 213-217. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.09.214.
Liu R., Zhang D., Tang Y., Tang X., Humphries E., Li D. (W1-x,Mx)C carbides with desired combinations of com-patible density and properties – A first-principles study. J. Am. Ceram. Soc. 2021. V. 104. N 8. P. 4239-4256. DOI: 10.1111/jace.17828.
Suetin D.V., Medvedeva N.I. Structural, electronic and magnetic properties of h-carbides M3W3C (M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni). J. Alloys Compd. 2016. V. 681. P. 508-515. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.04.279.
Lu H., Zhao C., Wang H., Liu X., Yu R., Song X. Hardening tungsten carbide by alloying elements with high work function. Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci. 2019. V. 75. N 6. P. 994–1002. DOI: 10.1107/S2052520619012277.
Sun C., Zheng Y., Chen L., Fang F., Zhou X., Jiang J. Thermodynamic stability and mechanical properties of (V, M)C (M = W, Mo and Cr) multicomponent carbides: A combined theoretical and experimental study. J. Alloys Compd. 2022. V. 895. P. 162649. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162649.
Genga R.M., Cornish L.A., Akdogan G. Effect of Mo2C additions on the properties of SPS manufactured WC–TiC–Ni cemented carbides. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. V. 41. P. 12-21. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2013.01.008.
Kornaus K., Gubernat A., Zientara D., Rutkowski P., Stobierski L. Mechanical and thermal properties of tungsten carbide – graphite nanoparticles nanocomposites. Pol. J. Chem. Technol. 2016. V. 18. N 2. P. 84-88. DOI: 10.1515/pjct-2016-0033.
Lomakin R.L., Perfilov S.A., Shalimov M.D., Aksenen-kov V.V., Solovyova L.F., Blank V.D. Sintering of tung-sten carbide with fullerene C60. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2011. V. 54. N 7. P. 70-73 (in Russian).
Konyashin I., Farag S., Ries B., Roebuck B. WC-Co-Re cemented carbides: structure, properties and potential applications. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2019. V. 78. P. 247-253. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2018.10.001.
Van der Merwe R., Sacks N. Effect of TaC and TiC on the friction and dry sliding wear of WC–6 wt.% Co cemented carbides against steel counter faces. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. V. 41. P. 49-102. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2013.02.009.
Bilici V.Ö., Sarpün İ.H., Kilickaya M.S. The relationship of thermal and elastic properties with ultrasonic wave velocity of WC/Co-Ti composites. Afyon Kocatepe Uni. Int. J. Eng. Tecnol. Appl. Sci. 2019. V. 2. N 1. P. 20-28.
Bilici V.Ö., Sarpün İ.H., Kilickaya M.S. Evaluation of the elastic and thermal properties of WC/Fe-Ti ceramic-metal composites fabricated by powder metallurgy. IJSER. 2018. V. 9. N 8.
Bilici V.Ö. Effect of WC content on ultrasonic properties, thermal and electrical conductivity of WC–Co–Ni–Cr composites. Open Chem. 2022. V. 20. N 1. P. 939-948. DOI: 10.1515/chem-2022-0209.
Nino A., Nakaibayashi Y., Sugiyama S., Taimatsu H. Effect of Mo2C addition on the microstructures and mechanical properties of WC–SiC ceramics. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2017. V. 64. P. 35-39. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2016.12.018.
Mazo I., Monclus M.A., Molina-Aldareguia J.M., Sglavo V.M. Fracture resistance of binder-less tungsten carbide consolidated by spark plasma sintering and flash sintering. Open Ceram. 2024. V. 17. P. 100533. DOI: 10.1016/j.oceram.2023.100533.
Erol A., Bilici V.Ö., Yönetken A. Characterization of the elastic modulus of ceramic–metal composites with physical and mechanical properties by ultrasonic technique. Open Chem. 2022. V. 20. P. 593-601. DOI: 10.1515/chem-2022-0180.
Nino A., Nakaibayashi Y., Sugiyama S., Taimatsu H. Microstructure and mechanical properties of WC-SiC com-posites. Mater. Trans. 2011. V. 52. N 8. P. 1641-1645. DOI: 10.2320/matertrans.M2011045.
Sorokin B.P., Asafiev N.O., Ovsyannikov D.A., Kvashnin G.M., Popov M.Yu., Luparev N.V., Golovanov A.V., Aksenenkov V.V., Blank V.D. Method of microwave acoustic research of materials under the high pressure. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 11. P. 49-58 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.4y.
Trofimenko N.N., Efimochkin I.Yu., Dvoretskov R.M., Batienkov R.V. Production of fine-grained hard alloys of the WC-Co system (Overview). Tr. VIAM. 2020. N 1. (in Russian). DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-1-92-100.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Telichko A.V., Kuznetsov M.S., Gordeev G.I. Elastic properties of synthetic single-crystal diamond. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2013. V. 56. N 7. P. 50-52 (in Russian).
Kvashnin G.M., Ovsyannikov D.A., Sorokin B.P., Popov M.Yu. Investigation of elastic properties and hardness of nanostructured carbon materials. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 12. P. 66-70 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216412.8y.
Mandel K., Krüger L., Krause R., Radajewski M. The influence of stress state on the compressive strength of WC–Co with different Co contents. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2014. V. 47. P. 124-130. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2014.07.011.
