Повышение эффективности модифицирования твердосплавных

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ
ТВЕРДОСПЛАВНЫХ КОМПОЗИТОВ НАНОЧАСТИЦАМИ КЕРАМИКИ.
Ю.И. Гордеев, к.т.н. доц., А.С. Бинчуров, аспирант,
А. К. Абкарян, к.т.н. доц., В.Б. Ясинский к.т.н. доц.
Сибирский Федеральный Университет. Политехнический институт,
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79,
тел.89135209800
E-mail: [email protected]
Накопленные данные многочисленных исследований о свойствах, способах,
технологиях изготовления и практическому применению наноструктурированных
твердосплавных композитов показывает, что задача повышения комплекса их физикомеханических и эксплуатационных характеристик может быть решена за счет
использования в качестве основной фазы наноразмерных порошков карбида вольфрама
[1]. Однако, сохранение наноразмерного карбидного зерна в структуре твердосплавного
композита требует применения специального оборудования и технологий (СВЧ
спекание, ГИП, плазменное спекание под давлением, спекание индукционным
нагревом, электроимпульсное плазменное спекание (ЭИПС –Spark Plasma Sintering –
SPS) и др.), что приводит к увеличению стоимости твердосплавных изделий. Другим
эффективным технологическим способом (приемом) повышения качества
твердосплавного материала является использование в исходной смеси субмикронных
порошков карбида вольфрама в сочетании с добавками наноразмерных частиц
карбидов, нитридов, оксидов, которые играют роль ингибиторов роста зерна основной
карбидной фазы WC при спекании [2-4]. На целесообразность использования такого
подхода с целью обеспечения функционального градиента свойств за счет микронной,
субмикронной карбидной фазы и добавок наночастиц различного состава и
дисперсности указывается также в работах [2,5].
Необходимо особо подчеркнуть, что влияние добавок наночастиц не
ограничивается только их ингибирующим воздействием. При условии их равномерного
распределения
по
объему
кобальтового
связующего
формируются
квазинанокристаллические фрагменты структуры (Co – включение наночастиц
оксидов) между зернами WC [5-7,9].
В процессе выполнения исследований разрабатывались новые способы
предварительной подготовки нанопорошков с целью повышения эффективности
модифицирования твердосплавных композитов, обеспечения статистической
однородности распределения, наноструктурированных фрагментов по объему
кобальтовой связки. Для достижения этой цели наноразмерные порошки оксидов
алюминия и циркония
подвергаются предварительному ультразвуковому
диспергированию в водном растворе поливинилового спирта до получения устойчивой
суспензии.
Затем суспензия смешивается с порошком карбида вольфрама и
производится совместный размол в шаровой мельнице в течение 20 часов до получения
однородного распределения компонентов. При этом за счет механической активации,
разницы в размерах порошков и пластифицирующих свойств поливинилового спирта
на поверхности карбидов формируется плакирующий слой из наночастиц. Полученную
смесь дошихтовывают кобальтом в нужной пропорции и дополнительно
перемешивают, затем подвергают сушке с последующей грануляцией [6].
Предложенное техническое решение позволяет упростить традиционную, наиболее
широко применяемую технологию производства твердых сплавов, исключить из
технологического цикла ряд промежуточных операций (поскольку размол совмещен со
смешиванием и пластифицированием).
В конечном итоге, усовершенствованная технология получения твёрдосплавного
композита обеспечивает равномерное распределение модифицирующих наночастиц
оксидов по структуре твердосплавного композита в виде однородного плакирующего
слоя из наночастиц оксидов на частицах карбида вольфрама (рис. 1а). При спекании
наночастицы оксида алюминия образует тонкую прослойку разделяющую зерна
карбида вольфрама в кобальтовой прослойке. (рис. 1б).
Количество химических элементов,вес. %
а
б
Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения наноструктурированных
твердых сплавов модифицированных наночастицами. (а - прессовка, б – образование
прослойкиСо+Аl2O3 после спекании)
Таблица 1.Элементный состав точечных и суммарного спектров сплава Т15К6-нано
Al2O3, х10000
Spectrum
Instats.
C
Al
Ti
Co
W
Total
Spectrum 1
Yes
11.72
26.28
5.92
34.18
21.90
100.00
Spectrum 2
Yes
15.15
46.27
7.52
4.24
26.82
100.00
Spectrum 3
Yes
5.83
10.16
2.54
81.47
100.00
Примечание: данные приведенные в таблице получены для рис. 1б.
Изучение микроструктурных параметров твердого сплава методами растровой
электронной микроскопии в сочетании с использованием поэлементного анализа
свидетельствует о достаточно высокой статистической равномерности взаимного
распределения компонентов композита (карбидов вольфрама, кобальта и
модифицирующих добавок наночастиц) по объему, что было подтверждено данными
последних исследований, которые подробнее представлены в работах [6,7,9]. (рис.2).
Линия сканирования состава, мкм
а
б
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение излома твердого сплава (а) и
концентрационные кривые распределения Al, Co, W, С, О (б)
Результаты совместных работ с Национально – исследовательским Томским
политехническим университетом (ТПУ) [6,9] свидетельствуют о положительном
влиянии добавок наночастиц на свойства стандартных твердых сплавов, что
объясняется, прежде всего, изменением их структурных параметров. Формирование
наноструктурных фрагментов в объеме металлической кобальтовой прослойки
обеспечивает снижение до субмикронных размеров ее толщины между карбидными
зернами, реализуется известный в материаловедении эффект дисперсного упрочнения
(рис. 3). Как результат обеспечивается качественно новый уровень свойств,
увеличивается способность сплава сопротивляться сдвиговым деформациям,
тормозятся процессы роста зерна карбидной фазы. Включения тугоплавких и твердых
наночастиц в прослойках связки позволяют повысить стойкость к износу при
повышенных температурах, например при высокоскоростном резании, и, кроме того,
являются барьерами на пути распространения микротрещин (рис. 4), повышается
прочность инструмента. Наночастицы керамики в количестве 0,05-0,2 % по массе, не
только дисперсно упрочняют кобальтовую прослойку но и композит в
целом(повышают трещиностойкость до 50%, прочность на изгиб до 25%), стойкость к
температурным воздействиям, снижают адгезионное схватывание с обрабатываемым
материалом, в 1,5 раза снижается абразивный износ. Чрезвычайно важным фактом,
который был обнаружен и повторялся при изучении микроструктуры твердосплавных
материалов, модифицированных наночастицами в условиях ЦЗЛ УНТЦ
Кировградского завода твердых сплавов и ТПУ, является стабильное снижение
среднего размера карбидных зерен основной фазы WC, TiC (рис.3), а также данные
приведены в работах [6,7,9].
Рис. 3. Изменение прочности на изгиб (σи) и
Рис. 4. Релаксация напряжений во
размера карбидного зерна (d) в зависимости
фронте распространения трещины (от
от концентрации нанодобавок (С): 1 – ВК6 угла отпечатка пирамидки Виккерса)
наноAI2O3; 2- ВК15 - наноAI2O3; 3изменение размера зерна WCв зависимости
от концентрации А120з - нано.
Для целенаправленного управления составом, структурой и свойствами
твердосплавных композитов определены эффективные пути повышения физикомеханических свойств (предела прочности на изгиб, трещиностойкости) за счет
прогнозирования их на стадии проектирования в зависимости от концентрации и
размеров карбидной фазы, наночастиц и объемных долей всех составляющих.
Разработан программный продукт [8] по расчету параметров структуры и
функционально связанных с ними прочности и трещиностойкости.
Разработанные применительно к известным стандартным твердым сплавам
математические модели, методики прогнозирования прочности, вязкости разрушения
модифицированных твердых сплавов в зависимости от концентрации и объемных
долей всех составляющих, были адаптированы для оценки эффективности «внедрения»
наночастиц в структуру кобальтовой связки вновь создаваемых и планируемых к
производству твердых сплавов с субмикронным зерном. Обнаруженный
дополнительный положительный эффект от внедрения наночастиц в прослойку
связующего, когда они играют роль барьеров роста карбидных субмикронных зерен,
становится принципиально важным и актуальным достоинством и аргументом в пользу
формирования наноструктурных фрагментов (Co – нановключения) между зернами
WC. Если не предотвратить рекристаллизацию карбидных зерен с размерами 0,5 – 0,9
мкм, то они могут вырасти до «обычных» микронных размеров (3-5 мкм), а твердый
сплав будет иметь такие же структурные параметры, а значит и уровень физикомеханических, прочностных и эксплуатационных свойств как и у известных
стандартных твердых сплавов.
Выводы
1. Использование нанопорошков для реализации градиента функциональных
свойств не имеет альтернативы при создании твердосплавных композитов, т.к. они
могут обеспечивать существенное повышение физико-механических свойств и
эксплуатационных характеристик при небольшом количестве добавок к матричному
материалу, без усложнения традиционной базовой (стандартной) технологии и без
существенных дополнительных затрат на оборудование и оснастку.
2. Результаты проведенных комплексных параметрических исследований
свидетельствуют, что у этих композитов реализуется известный в материаловедении
принцип «состав – структура - свойства». Применение разработанных составов твердых
сплавов, технологии их изготовления обеспечивает изменение структурных
параметров, толщины кобальтовой прослойки связующего, снижение среднего размера
карбидного зерна и, как результат, дисперсное упрочнение связующего и
твердосплавного композита в целом; увеличение (по сравнению со стандартными
материалами) прочности на изгиб на 25-30%; трещиностойкости на 50%;
износостойкости (стойкость к истиранию) в 2-2.5-раза.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 14-08-00508).
Список литературы:
1. Ремпель А.А., Курлов А.С., Цветков Ю.В. и др. // IV Всероссийская конференция
по наноматериалам. / Сборник материалов. – М: ИМЕТ РАН, 2011, с. 71.
2. Андриевский Р.А. Состояние разработок и перспективы в области порошковых
наноструктурных материалов/ Р.А. Андриевский// Материалы IIмежрегион. конф. с
междунар. участием. Красноярск: КГТУ, КНЦ СО РАН, 1999. С.190-196.
3. Николаенко С.В., Верхотуров А.Д. и др. Использование нанопорошкаAl2O3в
качестве ингибитора роста зерна в сплаве ВК8/ Вопросы материаловедения, № 2, 2004.
С.100-105.
4. Гордеев Ю.И., Абкарян А.К., Зеер Г.М. Перспективы использования
нанопорошков для повышения эксплуатационных характеристик твердосплавного
инструмента// Технология машиностроения, №9, 2008 г., с.31-35
5. Фальковский В.А., Клячко Л.И. Твердые сплавы // М.: Издательский дом "Руда и
металлы". -2005. -415 с.
6. Гордеев Ю. И., Абкарян А. К., Зеер Г. М., Лепешев А. А. Влияние добавок
легирующих керамических наночастиц на структурные параметры и свойства твердых
сплавов// Вестник СибГАУ №3 (49), 2013, с.174-181.
7. Ю. И. Гордеев, А. К. Абкарян, Г. М. Зеер. Конструирование и исследование
твердосплавных
и
керамических
композитов,
модифицированных
наночастицами//Перспективные материалы, №5, 2012, с. 76-88.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №
2013619250 РФ, Расчет структурных параметров композита WC-Co-Al2O3 –
нано/Абкарян А.К., Гордеев Ю.И., Лыткина С.И. Опубл. 20.12.2013г.
9. Гордеев Ю. И., Абкарян А. К., Бинчуров А.С., Ясинский В.Б., Карпов И.В.,
Лепешев А.А., Хасанов О. Л., Двилис Е.С. Разработка эффективных путей управления
структурой и свойствами твердосплавных композитов модифицированных
наночастицами//Журнал Сибирского Федерального Университета. Серия: техника и
технологии №1 (7), 2014.