Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

АНАЛИЗ МИКРОСТРУКТУРЫ ВОЛЬФРАМОКОБАЛЬТОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ С УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ ДЛЯ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ БУРОВОЙ ТЕХНИКИ

Васильева М.И. 1 Сивцева А.В. 1 Федоров М.В. 1 Винокуров Г.Г. 1 Шарин П.П. 1
1 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова
В работе проведены исследования структуры твердосплавных материалов с ультрадисперс-ными модифицирующими добавками для опытных буровых пластин с применением сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа. Установлены составы фаз и рас-пределения химических элементов, анализированы изображения структуры материалов. Выявлено, что в исходном образце наблюдается однородное распределение карбида вольфрама; в модифициро-ванных материалах в зависимости от содержания ультрадисперсных добавок присутствуют вкрап-ления Al, О, Si, Mg. Результатом модифицирования является получение мелкозернистой структуры, которая обеспечивает высокую износостойкость материалов инструментального назначения.
микрорентгеноспектральный анализ.
карбид кремния
шпинель магния
ультрадисперсные добавки
твердосплавный материал
1. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Приложения. - М: Металлургия, 1970. - 107 с.
2. Криштал М.М. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ в примерах практического применения / М.М. Криштал, И.С. Ясников, В.И. Полунин и др. - М.: Техносфера, 2009. - 208 с.
3. Влияние ультрадисперсных добавок на микроструктуру и свойства вольфрамокобальтовых сплавов рабочих элементов буровой техники / М.П. Лебедев, Г.Г. Винокуров, А.К. Кычкин, М.И. Васильева, С.Н. Махарова, А.В. Сивцева, М.В. Федоров, О.В. Довгаль // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2010. - №1(2), Т. 12. - С. 427-421.
4. Панов В.С., Чувилин А.М. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них: учебное пособие для вузов. - М.: МИСиС. 2001. - 428 с.
5. Самойлов В.С., Эйхманс Э.Ф., Фальковский В.А. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: справочник. - М.: Машинострение. 1988. - 368 с.
6. Твердость и особенности изнашивания опытных буровых пластин из вольфрамокобальтового сплава с ультрадисперсными добавками / М.В. Федоров, Г.Г. Винокуров, М.И. Васильева, О.В. Довгаль // Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов и конструкций: сборник трудов XVI международной научно-технической конференции, 1-2 марта 2011 г. - СПб., 2011. - С. 178-182.

Для получения износостойких материалов инструментального назначения в основном используются промышленные сплавы на никелевой или кобальтовой основе и их смеси с модификаторами из тугоплавких металлов, карбидов, нитридов, оксидов и др., которые обеспечивают образование упрочняющих фаз и улучшают структуру. Физико-механические свойства материалов определяются их микроструктурой, которая зависит от электронного строения, химического состава и технологии их получения. Авторами ранее были разработаны составы и получены опытные образцы буровых пластин из твердосплавных материалов с ультрадисперсными модифицирующими добавками [3].

Как известно, при образовании мелкозернистой структуры в процессе кристаллизации важное значение имеют температура переохлаждения и концентрация зародышей кристаллизации. Поэтому при использовании ультрадисперсных порошков на формирование мелкозернистой структуры существенно влияют физико-химические процессы, происходящие в частицах модификатора под влиянием различных примесей. Дело в том, что высокая дисперсность (порядка и менее ≈ 100 нм) модифицирующего порошка шпинели магния обуславливает проявление ряда так называемых размерных эффектов. Это связано с тем, что ультрадисперсные порошки обладают высокой поверхностной активностью, способны существенно улучшать микроструктуру сплава, увеличивать когезию частиц порошкового материала [4, 5].

Целью настоящей работы является проведение микрорентгеноспектрального анализа опытных образцов из вольфрамокобальтовых твердых сплавов с ультрадисперсными добавками для выявления состава фаз и распределения химических элементов.

Материалы и методика исследований

Как отмечено выше, в Институте физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН разработаны составы твердосплавных порошковых материалов с ультрадисперсными модифицирующими добавками и изготовлены опытные образцы буровых пластин (рис. 1). В ходе аналитических исследований и испытаний на износ опытных образцов были выявлены три перспективных состава с модифицирующими добавками [6], которые в данной работе являются объектами исследования: №1 - исходный образец без модификаторов; №2 - ВК + 0,1% MgAl2O4; №3 - ВК + 0,8% MgAl2O4; №4 - ВК + 0,1% SiС.

 

а                                                                                б

Рис. 1. Порошок ВК-8 (а) и общий вид опытных образцов буровых пластин из модифицированного твердосплавного материала (б)

В настоящее время для анализа структуры материалов все большее внимание уделяется методу сканирующей электронной микроскопии, которая дает высокую информативность об исследуемых материалах: разрешение использованного микроскопа JEOL JSM 6480L позволяет провести элементный анализ - от B до U [1, 2]. Комплексное материаловедческое исследование микроструктуры образцов часто сопровождается микрорентгеноспектральным анализом, характерной особенностью которого является локальность - максимальная область возбуждения составляет 1 мкм. Рентгеноструктурный анализ опытных буровых пластин проведен с помощью дифрактометра D8-Discover компании Bruker.

Результаты исследования и их обсуждение

В работах [3] и [6] выявлено, что значения микротвердости образца из состава №4 (≈ 12336 МПа) превышает среднее значение микротвердости контрольного твердосплавного материала без добавок - состава №1 (≈ 12089 МПа). При этом наблюдается практическое сохранение микроструктуры при повышении содержания ультрадисперсных добавок карбида кремния. С ростом количества ультрадисперсных добавок шпинели магния твердость по Роквеллу опытных образцов буровых пластин меняется немонотонно, наблюдается разброс твердости в интервале 85-89 HRC. При увеличении количества содержания карбида кремния происходит снижение твердости по Роквеллу.

При исследовании микроструктуры исследуемых образцов на электронном микроскопе JEOL JSM 6480L не выявлены диффузионные соединения дефектов в виде пор и трещин, что указывает на однородность поверхности материала; однако в образцах с ультрадисперсной добавкой шпинели магния наблюдаются незначительные бороздки и вкрапления (рис. 2). В исходном образце без добавок распределение элементов равномерно; материал практически состоит из карбида вольфрама, что подтверждает рентгеноструктурный анализ. Как и предполагалось, выявлено наличие двух фаз - карбида вольфрама (очень светлые зерна) и прослойки более темного цвета, состоящей из кобальта: карбидные зерна имеют огранку и расположение кобальтовой прослойки вокруг карбидных зерен (рис. 2, а).

Дифрактометром проведен количественный рентгеновский микроанализ и получены карты распределения элементов по площади и профили вдоль заданной линии (рис. 3). Распределения элементов (светлые вкрапления на темном фоне) показаны на картах распределения элементов. В образцах составов №2 и №3 с добавками шпинели магния на поверхности присутствуют светлые и темные бороздки и округлые вкрапления величиной до 100 мкм (рис. 2, б, в). В светлой части вкраплений присутствуют Al, О, местами Mg, вероятно, это исходная шпинель MgAl2O4. Темные пятна характеризуются присутствием только углерода С; там, где нет бороздок и вкраплений, на поверхности наблюдаются равномерные распределения элементов W, C, Co, а также Al и Mg (см. рис. 3). Дифрактограмма показывает наличие соединения Al0.5W0.5C. На поверхности образца состава №4 равномерно распределены Si, W, C, Co; при этом Si и W распределены рядом с зернами Со (рис. 2, г).

 

а                                                                              б

 

в                                                                                г

Рис. 2. Микроструктура образцов из вольфрамокобальтовых твердых сплавов в композиционном контрасте исходного образца №1 (а) и с ультрадисперсными добавками: №2 (б); №3 (в); №4 (г)

Результатом модифицирования является получение мелкозернистой структуры, которая обеспечивает высокую износостойкость материалов инструментального назначения. Экспериментально подтверждено, что добавление порошков шпинели и карбида кремния способствует уменьшению зернистости. Образцы с добавками шпинели магния характеризуются бóльшим разбросом зернистости (~0,1-6 мкм), чем с добавкой карбида кремния (~1-3 мкм). При этом на поверхности образцов с добавками шпинели больше бороздок и вкраплений, чем на образцах с добавкой карбида кремния; в бороздках и вкраплениях образцов составов №2 - 4 обнаружен оксид алюминия.

Светлые зерна WC имеют высокую твердость, в режущем инструменте они составляют элементарные режущие области, а менее твердый раствор WC в кобальте является более вязким и служит связкой, соединяющей между собой зерна WC. Чем мельче частички (зерна) WC и равномернее они распределены в микроструктуре, тем лучше режущие свойства и выше прочность порошкового вольфрамового твердого сплава. Фазы WC и Со не разделялись, несмотря на различие в удельных весах, по-видимому, из-за хорошей смачиваемости WC кобальтом и значительной взаимной растворимости. В дифрактограммах исследуемых образцов показано, что зерна карбида вольфрама полностью соответствуют образцу синтетического WC (рис. 4). Дифракционные пики узкие и высокие, что указывает на хорошо окристаллизованный и однородный по параметрам решетки материал.

Заключение

Проведен микрорентгеноспектральный анализ опытных образцов буровых пластин из вольфрамокобальтовых твердых сплавов с ультрадисперсными модифицирующими добавками и проведено картографирование распределения основных элементов по площади исследования.

При исследовании образцов материалов не обнаружены диффузионные соединения дефектов в виде пор и трещин. По всей поверхности образцов наблюдается равномерные распределения W, C, Co и, в зависимости от вида ультрадисперсных добавок, Al, Mg и Si.

 

а                                                                            б

 

в                                                                            г

 

д                                                                              е

Рис. 3. Карты распределения элементов по площади в исследуемых образцах: а - W; б - С; в - Со; г - Al, д - Mg, е - Si; составов №2, №3, №4

Подтверждено, что модифицирование ультрадисперсными добавками шпинелью магния и карбидом кремния способствует образованию мелкозернистой структуры материала (~0,1-6 мкм).

Рис. 4. Дифрактограмма образца с ультрадисперсной добавкой MgAl2O4; состав №3

Рецензенты:

  • Левин А.И., д.т.н., зав. сектором Отдела ритмологии и эргономики северной техники Президиума Якутского Научного Центра СО РАН, г. Якутск;
  • Старостин Е.Г., д.т.н., зам. директора по науке Института физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН (ИФТПС СО РАН), г. Якутск.

Работа поступила в редакцию 09.08.2012.


Библиографическая ссылка

Васильева М.И., Сивцева А.В., Федоров М.В., Винокуров Г.Г., Шарин П.П. АНАЛИЗ МИКРОСТРУКТУРЫ ВОЛЬФРАМОКОБАЛЬТОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ С УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ ДЛЯ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ БУРОВОЙ ТЕХНИКИ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9-3. – С. 651-655;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30327 (дата обращения: 17.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074