Карбидовольфрамовые твердые сплавы с кобальтовой связкой ВК8 и ВК15

164

«Вісник СумДУ», №11(83)' 2005

КАРБИДОВОЛЬФРАМОВЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ С КОБАЛЬТОВОЙ СВЯЗКОЙ ВК8 И ВК15:

Юрчук Н. А., канд. техн. наук

Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины

В работе представлены обобщенные данные количественных изменений структурных характеристик карбидовольфрамовых твердых сплавов с кобальтовой связкой ВК8 и ВК15, полученных спеканием в водороде в контролируемой газовой среде (промышленный метод), в вакууме и динамическим горячим прессованием в вакууме, и их влияние на некоторые физико-механические свойства.

Изучение влияния методов получения твердых сплавов на структурное состояние и уровень физико-механических свойств является актуальными как в прикладном, так и в научном направлениях.

В работе представлены обобщенные данные количественных изменений структурных характеристик карбидовольфрамовых твердых сплавов с кобальтовой связкой ВК8 и ВК15, полученных спеканием в водороде в контролируемой газовой среде (промышленный метод), в вакууме и динамическим горячим прессованием в вакууме, и их влияние на некоторые физико-механические свойства. В качестве исходного сырья использовалась серийного производства порошковая смесь WC - Со, ГОСТ 3882-74, с массовым содержанием кобальта 8%, в объемных долях кобальт составлял 13% (ВК8). Для получения смеси с массовым (объемным) содержанием кобальта 15% (24%) применялась дошихтовка смеси WC - 8% Со с необходимым количеством кобальта электролитической марки ПК - 1, ГОСТ 97 - 97. Дошихтовку кобальта проводили путем перемешивания в стальном барабане в спирте этиловом С₂Н₅ОН, ГОСТ 5962-67 (96% раствор), в течение 24 часов. Количество спирта составляло 200 мл на 1 кг смеси. Барабан для перемешивания смеси футерован с внутренней стороны твердым сплавом ВК2, тела для перемешивания (шары) также твердосплавные из сплава ВК6. Объемное соотношение шаров, смеси и спирта в барабане составляло соответственно 0,43, 0,1 и 0,42.

Паспортные данные анализа кобальта. Электролитический кобальтовый порошок ГОСТ 97 - 97 марки ПК - 1.

Химический состав в процентах по массе: кобальт - 99,2; никель - 0,04; углерод - 0,01; кислород - 0,08; железо - 0,2; медь - 0,04; кремний - 0,01.

Плотность - 8,91 г/см³.

Гранулометрический состав, %:

+0071 - 0,5;

+0045 - 30,7;

-0045 - 68,8.

Химический состав смесей приведен в табл. 1.

Таблица 1 _ Химический состав смесей ВК8 ВК15 в процентах по массе

Усредненный размер зерна карбида вольфрама определяли по формуле

= 6 / г Sуд,

где г - аддитивная плотность;

Sуд - удельная поверхность смеси, определенная методом тепловой десорбции азота, ГОСТ 23401 - 78,

и уточненный по морфологии исходной порошковой смеси, рис.1, 2.

Средний размер зерна карбида вольфрама в смеси WC - 8% Со составил 1,71 мкм и в смеси WC - 15% Со, 1, 16 мкм.

Рисунок 1 - Морфология исходной порошковой смеси и WC - 8% Со, а -х5000, б -х10000

Рисунок 2 - Морфология исходной порошковой смеси и WC - 15% Со,

а -х5000, б -х10000

Полученные смеси замешали 5% раствором синтетического каучука (каучук синтетический _ натрий бутадиеновый СКБ - 50р, СКБ - 60р ОСТ 38003.79 - 74 в бензине Б - 70, ГОСТ 1012 - 72, из расчета 150 см³ раствора на 1 кг смеси. Раствор каучука приготовлен по технологической инструкции 25000. 20063 ИСМ [1]. Просушенные смеси измельчили в вибробарабане с фарфоровыми шарами ? Ш15 мм в течение 3 часов и просеяли через сито с размером ячейки 0,4 мм согласно технологической инструкции 25000. 20072 ИСМ [2].

Прессование штабиков размерами 7745 мм из подготовленных к прессованию смесей производили на гидравлическом прессе в стальной пресс-форме, величина навески на один штабик была подсчитана по общепринятой методике, обеспечив пористость сырой прессовки ? 50%.

Спрессованные штабики в количестве 72 штук каждой марки сплава просушили в сушильном шкафу при Т?150⁰С в течение 24 часов, затем провели нормализующее спекание при Т=900⁰С в проходной печи в среде водорода.

Окончательное спекание 24 образцов каждой марки сплава по оптимальным температурам в водороде производилось в экспериментальной двухзонной муфельной печи с графитовым нагревателем в контролируемой газовой среде. Отличительной чертой такого способа спекания явилось то, что путем регулирования углеродного потенциала газовой среды в процессе спекания удавалось довести количество общего углерода в сплаве до стехиометрического состава и сохранить его до окончания спекания [3].

Окончательное спекание в вакууме по оптимальным температурам следующих 24 образцов каждой марки сплава производили в лабораторно- промышленной печи модели СШВ -1,25/25-И1-I РОО. Горячее прессование последних 24 образцов каждой марки сплава производили на лабораторной установке горячего прессования в вакууме [4].

Исследования стереологических параметров структуры проводили на шлифах по трем снимкам с каждого образца. Шлифы образцов предварительно были травлены насыщенным солянокислым раствором хлорного железа. Снимки структур сплавов получены на электронных микроскопах “Super-Probe 733” и Т-20, рис.3, 4. Общая площадь исследуемого сплава составила 1300 мкм². Таким образом, было обследовано не менее 400 зерен карбида вольфрама на шлифу образца каждого сплава. Для определения достоверности расчетов стереологических параметров структуры было проведено дополнительное исследование, в результате которого установлено, что минимальное количество обследованных зерен должно быть в пределах 300 - 400. Методом секущих линий [5] определены количественные характеристики структур. Обработка фотографий структур по 35 секущим линиям обеспечила точность определения объемной доли твердой фазы в пределах 2,5%, межфазной поверхности - 3,5%, межконтактной поверхности - 4-5%, условного размера частиц карбида вольфрама - 2%.

Определение физико-механических свойств производились по общепринятым методикам.

Плотность с (г/см³), исследуемых образцов определяли методом гидростатического взвешивания на весах лабораторных 2-го кл. ВЛР-200г по ГОСТу 20018-74.

Твердость (HV) сплавов определяли по длине диагонали отпечатка при вдавливании алмазной пирамиды с углом при вершине 136^о на приборе ТК.

Удельное электросопротивление сплавов определяли потенциометрическим методом с помощью автоматического потенциометра В7-16.

Определение модуля упругости (модуля Юнга) производили путем нахождения резонанса между собственными колебаниями образца и возбуждениями от генератора.

Определение предела прочности при изгибе сплавов Rbm (МПа) проводили по методике испытаний твердых сплавов ГОСТ 20019-74. При этом использовались образцы размерами 5535 мм, предварительно шлифованные до заданной ГОСТом 2789-73 шероховатости поверхности. Испытывали по двенадцать образцов для получения достоверных значений в одной точке. Испытания проводили на универсальной испытательной машине FP-10 (максимальная нагрузка составляла 9,8 кН) в соответствии с требованиями ГОСТа 28840-90 при трехточечном нагружении с расстоянием между опорами 30 ± 0,5 мм. Нагружающие опоры снабжены вкладышами из твердого сплава ВК3, исключающими смятие в местах контакта опор с испытуемым образцом при нагружении. При испытании фиксировали разрушающую нагрузку, производили запись диаграммы “нагрузка (Р)- перемещение по линии действия силы (F)”. Скорость перемещения подвижной траверсы при испытаниях выдерживали 2 мм/мин.

Определение прочности при сжатии R_cm (МПа) проводили на универсально-тестовой машине UTS-100 по ГОСТу 27034-86. При этом использовали образцы размерами 4,54,5 мм и высотой 12±0,2 мм. Торцевые стороны после изготовления подвергали алмазной шлифовке для получения отклонения от перпендикулярности и параллельности не более 0,01 мм. Для исключения влияния трения на результаты испытаний между опорами и образцом вставляли прокладки из алюминиевой фольги толщиной 0,05 мм. Скорость перемещения активной траверсы при испытаниях выдерживалась в интервале 1,5-2,0 мм/мин. В процессе испытания записывали диаграмму “усилие - перемещение в направлении действия сил”. Разрушающая нагрузка фиксировалась автоматически.

Ударную вязкость (КС) определяли по энергии излома образцов на копре модели КМ 04.

Определение сопротивления разрушению сплавов осуществляли с использованием силового критерия механики разрушения - коэффициента интенсивности напряжений K_Іс (МПа·м^1/2). Согласно стандарту по определению характеристик трещиностойкости при статическом нагружении для испытаний материалов использовали образцы с концентратором напряжений в виде надреза с нанесенной в его вершине трещиной. Учитывая высокую хрупкость материала, нанесение “естественной” трещины является задачей повышенной методической сложности. В связи с этим для исследования трещиностойкости материалов выполняли надрез на электроискровом координатном станке А.207.20 вольфрамовой проволокой Ш0,08 мм. Глубина выполненного надреза составляла 1-1,5 мм. Последняя методика испытаний в настоящее время общепринята при исследовании трещиностойкости хрупких материалов, в частности, твердых сплавов. Это связано с тем, что на особо хрупких сплавах, обладающих относительно низкой трещиностойкостью, выращивание усталостной трещины из надреза является сложной методической задачей - трудоемкой и нестабильной в плане надежности. Испытания по определению трещиностойкости K_Іс осуществляли при реализации схемы нагружения образца “трехточечный изгиб”. Расчеты коэффициента интенсивности напряжений (K_Iс) для образцов типа штабиков при испытании на трехточечный изгиб проводили по ГОСТу 25.506-85.

Число наблюдений при исследованиях колебалось от десяти до двенадцати в случае определения таких свойств, как пределы прочности при изгибе, при сжатии, ударная вязкость, вязкость разрушения, и от десяти до шестнадцати при определении плотности, твердости, электросопротивления, модуля упругости.

Результаты стереологических исследований структуры сплавов и определения их физико-механических свойств приведены в таблице 2.

Рисунок 3 - Структура твердого сплава ВК8, полученная методом горячего прессования в вакууме, а -х5000; спеканием при оптимальной температуре в вакууме,
б - х5000; спеканием при оптимальной температуре в водороде в контролируемой газовой среде, в - х5000

Рисунок 4 - Структура твердого сплава ВК15, полученная методом горячего прессования в вакууме, а -х5000; спеканием при оптимальной температуре в вакууме,
б - х5000; спеканием при оптимальной температуре в водороде в контролируемой газовой среде, в - х5000

Таблица 2 _ Стереологические характеристики структуры карбидовольфрамовых твердых сплавов с кобальтовой связкой ВК8 (в числителе) и ВК15 (в знаменателе), полученных различными методами и их некоторые физико-механические свойства

• Структурные исследования показали, что межконтактная поверхность ?S_WC-WC в сплавах, полученных горячим прессованием в вакууме, уменьшается в среднем на 29% по сравнению с межконтактной поверхностью сплавов, полученных спеканием в вакууме и на 31% уменьшается по сравнению с межконтактной поверхностью сплавов, полученных спеканием в водороде. Аналогично уменьшается в прессованных сплавах средняя условная толщина прослойки кобальта _Со соответственно на 17% и 35%, степень контакта зерен карбида вольфрама С_WC-WC - на 34% и 45% и число контактов на одно зерно карбида вольфрама Nk - на 29% и 45%.
• Прилагаемое давление в пределах 1200 - 1300 МПа при прессовании сплавов обеспечивает уменьшение значений вышеупомянутых параметров структуры и увеличение значений удельной межфазной поверхности ?S_WC-Со на 10% по сравнению со значениями удельной межфазной поверхности спеченных сплавов в вакууме и на 17% при спекании сплавов в водороде.
• Уменьшение температуры нагрева в среднем на 100⁰С при горячем прессовании сплавов по сравнению с температурой нагрева при спекании их в водороде способствует также незначительному росту зерен карбида вольфрама. При исходном среднем размере зерна карбида вольфрама в смеси ВК8, равном 1.71 мкм, рост зерна в сплаве при горячем прессовании сплава составил 11% (с 1,71 мкм до 1,9 мкм). Рост зерна при спекании сплава ВК8 в вакууме составил 28% (с 1,71 мкм до 2,2 мкм) и при спекании сплава в водороде рост среднего размера зерна карбида вольфрама составил 39% (с 1,71 мкм до 2,39 мкм). В смеси ВК15 при исходном среднем размере зерна карбида вольфрама, равном 1,16 мкм, рост зерна при горячем прессовании в сплаве составил 12%
  (с 1,16 мкм до 1,3 мкм). При спекании в вакууме сплава ВК15 рост зерна в сплаве составил 89% (с 1,16 мкм до 2,2 мкм) и при спекании в водороде сплава рост зерна карбида вольфрама составил 122%
  (с 1,16 мкм до 2,58 мкм).
• Таким образом, можно утверждать, что существенное повышение уровня некоторых физико-механических свойств сплавов обеспечивается улучшенным состоянием их структур, которые формируются в процессе горячего прессования сплавов в вакууме.

Summary

The results of our studies have shown that the improvement of the structural state of tungsten carbide hard alloys with cobalt binder (WC - 8% Co and WC - 15% Co) produced by vacuum hot pressing considerably increases the level of some physico-mechanical properties of these alloys.

1. АН УССР, Институт сверхтвердых материалов, опытный завод. Технологическая инструкция. Приготовление раствора синтетического каучука в бензине. 25000. 20063. - 1979. _ 11 с.

2. АН УССР, Институт сверхтвердых материалов, опытный завод. Технологическая инструкция. Замешивание твердосплавных смесей. 25000. 20072. - 1980. _ 10 с.

3. Бондаренко В.П., Павлоцкая Э.Г. Спекание вольфрамовых твердых сплавов в прецизионно контролируемой газовой среде. _ Киев: Наукова думка, 1995. - 203 с.

4. Лаптев А.В. Разработка экспериментальной установки для импульсного горячего прессования порошков на основе тугоплавких соединений в вакууме // Разработка и исследование новых материалов и композиций на их основе. - Киев: Изд - во ИПМ АН УССР. 1980. - С. 143-152.

5. Чернявский К.С. Стереология в металловедении. - М.: Металлургия, 1977. - 280 с.