Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения РАН, Хабаровск, Россия:

М. И. Дворник, старший научный сотрудник, эл. почта: Maxxxx80@mail.ru
Е. А. Михайленко, научный сотрудник

Выполнены исследования с целью создания градиентного твердого сплава с заданным распределением трещиностойкости (13,1–18,9 МПа√м) и повышенной твердостью поверхности (1680 HV) за счет спекания при 1390 оC образца, состоящего из среднезернистого слоя WC – 15 Co и ультрамелкозернистого слоя WC – 8 Co – 0,4 VC – 0,4 Cr₃C₂. Перераспределение трещиностойкости происходит в результате миграции расплавленной кобальтовой фазы из среднезернистого слоя в ультрамелкозернистый. Увеличение концентрации кобальта в ультрамелкозернистом слое с 8 до 14–18 % приводит к росту его трещиностойкости до 13,1–18,7 МПа√м, а ее уменьшение в среднезернистом слое с 15 до 7 % снижает трещиностойкость слоя до 16,1–18,9 МПа√м. Ингибиторы, мигрирующие вместе с кобальтом к поверхности ультрамелкозернистого слоя, ограничивают рост зерен карбида вольфрама. Это увеличивает твердость поверхности ультрамелкозернистого слоя до 1680 HV. Возле границы раздела слоев происходит снижение концентрации ингибиторов роста зерен в ультрамелкозернистом слое и сохраняется относительно высокая концентрация кобальта (11 %) в среднезернистом слое, что приводит к повышению трещиностойкости данной области до максимальных значений (18,7–18,9 МПа√м). Предложенная в работе методика позволяет уменьшить расход дорогостоящих ультрамелкозернистых порошков карбида вольфрама и улучшить эксплуатационные характеристики получаемого твердого сплава. Сравнение полученных результатов с теоретической моделью показало, что количество кобальта, мигрирующего из среднезернистого слоя в ультрамелкозернистый, меньше предсказанного моделью.

Авторы выражают благодарность Хабаровскому инновационно-аналитическому центру и Дальневосточному центру электронной микроскопии на базе ИБМ ДВО РАН за проведение исследований.

1. Панов В. С., Чувилин А. М. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. — М. : МИСИС, 2001. — 428 с.
2. Третьяков В. И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. — М. : Металлургия, 1976. — 528 с.
3. Григорьев С. Н., Табаков В. П., Волосова М. А. Технологические методы повышения износостойкости контактных площадок режущего инструмента. — Старый Оскол : ТНТ, 2011. — 380 с.
4. Spriggs G. E. A History of Fine Grained Hardmetal // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 1995. Vol. 13, No. 5. P. 241–255.
5. Fang Z. Z., Wang X., Ryu T., Hwang K. S., Sohn H. Y. Synthesis, sintering, and mechanical properties of nanocrystalline cemented tungsten carbide — A review // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2009. Vol. 27, No. 2. P. 288–299.
6. Shatov A. V., Ponomarev S. S., Firstov S. A. Fracture and Strength of Hardmetals at Room Temperature // Comprehensive Hard Materials. 2004. Vol. 1. P. 30–35.
7. Mukhopadhyay A., Basu B. Consolidation – microstructure – property relationships in bulk nanoceramics and ceramic nanocomposites: a review // International Materials Reviews. 2007. Vol. 52, No. 4. P. 257–288.
8. Панов В. С., Зайцев А. А. Тенденции развития технологии ультрадисперсных и наноразмерных твердых сплавов WC–Co // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 3. C. 38–48.
9. Фальковский В. А., Боровский Г. В., Клячко Л. И., Молодык С. У., Беляев С. К. Обзор: твердые сплавы с градиентной структурой. Теория и практика // Цветные металлы. 2012. № 8. C. 96–102.
10. Gille G., Szesny B., Dreyer K., van den Berg H., Schmidt J., Gestrich T., Leitner G. Submicron and ultrafine grained hardmetals for microdrills and metal cutting inserts // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2002. Vol. 20, No. 1. P. 3–22.
11. 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.
12. Jia K., Fischer T. E. Sliding wear of conventional and nanostructured cemented carbides // Wear. Vol. 203/204. P. 310–318.
13. 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.
14. Allen C., Sheen M., Williams J., Pugsley V. A. The wear of ultrafine WC–Co hard metals // Wear. 2001. Vol. 250. P. 604–610.
15. Дворник М. И., Зайцев А. В. Сравнительный анализ износостойкости субмикронного твердого сплава WC – 8 Co – 1 Cr₃C₂ и традиционных твердых сплавов при сухом трении // Перспективные материалы. 2015. № 5. C. 34–41.
16. Bock A., Zeiler B. Production and characterization of ultrafine WC powders // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2002. Vol. 20. P. 23–30.
17. 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. C. 39–46.
18. Дворник М. И., Михайленко Е. А. Получение ультрамелкозернистого твердого сплава WC – 8 Co – 0,4 VC – 0,4 Cr₃C₂ жидкофазным спеканием и сравнительный анализ его характеристик // Материаловедение. 2017. № 9. C. 7–12.
19. Eso O., Fang Z., Griffo A. Liquid phase sintering of functionally graded WC–Co composites // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2005. Vol. 23, No. 4–6. P. 233–241.
20. Лисовский А. Ф. Формирование градиентной структуры в спеченных твердых сплавах (Обзор) // Сверхтвердые материалы. 2010. № 4. C. 36–53.
21. Fan P., Fang Z. Z., Guo J. A review of liquid phase migration and methods for fabrication of functionally graded cemented tungsten carbide // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2013. Vol. 36. P. 2–9.
22. Hidetoshi Mori, Yukio Sakurai, Masaaki Nakamura, Shigeki Toyama. Formation of gradient composites using the infiltration mechanism of chloride reduced particles // Advanced Powder Technology. 1995. No. 3. P. 233–243.
23. Гасик М. М. Основы технологии анизотропных систем и функциональных градиентных материалов, получаемых методами порошковой металлургии : автореф. дис. ... докт. техн. наук. — М. : Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, 2000. — 32 с.
24. Eso O. O., Fan P., Fang Z. Z. A kinetic model for cobalt gradient formation during liquid phase sintering of functionally graded WC – Co // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2008. Vol. 26, No. 2. P. 91–97.
25. Konyashin I., Ries B., Lachmann F., Fry A. T. A novel sintering technique for fabrication of functionally gradient WC–Co cemented carbides // Journal of Materials Science. 2012. Vol. 47, No. 20. P. 7072–7084.
26. ISO 28079:2009. Сплавы твердые. Испытание на ударную вязкость Пламквиста. — Введ. 2009–07–14.
27. Shetty D. K., Wright I. G., Mincer P. N., Clauer A. H. Indentation fracture of WC – Co cermets // Journal of Materials Science. 1985. Vol. 20, No. 5. P. 1873–1882.