Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF TUNGSTEN HARD ALLOYS WITH ULTRA-DISPERSED MODIFIERS FOR THE WORKING ELEMENTS OF DRILLING EQUIPMENT

Vasileva M.I. 1 Sivtseva A.V. 1 Fedorov M.V. 1 Vinokurov G.G. 1 Sharin P.P. 1
1 The V.P.Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North,
1154 KB
The structure of hard-alloy materials with ultra-dispersed modifying additives for experienced drill-ing plates with the use of scanning electron microscopy and microprobe analysis is investigated. The compo-sitions of phases and the distribution of chemical elements have been established. The images of materials structure have been analyzed. It is revealed the original sample has a homogeneous distribution of tungsten carbide; the modified materials have some inclusions of Al, O, Si, and Mg depending on the content of ultra-dispersed additives. The result of modification is to get a fine-grained structure. This provides high wear re-sistance of materials of instrumental purpose.
micro X-ray spectrometry analysis.
silicon carbide
magnesium spinel
ultra-dispersed additives
solid carbide material
1. Gorelik S.S., Rastorguev L.N., Skakov YU.A. X-ray and electron-optical analysis. Application. M: metallurgy, 1970. 107.
2. Кrishtal M.M. Scanning electron microscopy and x-ray microanalysis in the examples of the practical application / M.M. Кrishtal, I.S. Yasnikov, V.I. Polunin. M.: Technosphere, 2009. 208 p.
3. Lebedev A.V., Vinokurov I.I., Кychkin A.K., Vasileva M.I., Makharova S.N., Sivtseva A.V., Fedorov M.V., Dovgal O.V. The influence of ultra-fine additives on the microstructure and properties of tungsten hard alloys working elements of drilling equipment / / Izvestiya Samara scientific center of the Russian Academy of Sciences. 2010. no. 1 (2), Volume 12. pp. 427-421.
4. Panov V.S., Chuvilin A.M. The technology and the properties of the sintered hard alloys and products from them. Textbook for higher educational institutions. M.: MISIS. 2001. 428 p.
5. Samoilov V.S., Eykhmans E.F., Falkovski. Metal-carbide-tipped tool: a Handbook. M. 1988. 368 p.
6. Fedorov M.V., Vinokurov I.I., Vasileva M.I., Dovgal O.V. Hardness and features of the wear of experienced drilling plates from tungsten hard alloy with ultra-dispersed additives / proceedings of XVI international scientific-technical conference «Problems of resource and safe use of materials and structures», 1-2 March, 2011. g. Saint-Petersburg, pp. 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.