» » Механизм процесса спекания WC-Co
07.02.2017

Механизм процесса спекания сплавов WC-Co изучен в ряде исследовательских работ. Процесс, приводящий в результате спекания к формированию необходимой структуры сплава WC-Co, можно разъяснить на основе изучения диаграммы состояния псевдобинарной системы WC—Co (рис. 177).
На этой диаграмме нанесена также пунктирная горизонтальная линия при 1400°. соответствующая средней практически применяемой температуре спекания сплава WC-Co.
Рассмотрим условия спекания наиболее распространенного сплава типа WC-Co, содержащего 94% WC и 6% Co.
При температуре плавления эвтектики в твердом кобальте растворяется до 8% WC. Поэтому при спекании вначале происходит диффузия карбида вольфрама в кобальт через контактные поверхности. после чего образуется жидкая фаза, содержащая 20% карбида вольфрама и 80% Co (точка а). После перехода всего кобальта в жидкое состояние продолжается растворение карбида вольфрама в расплаве до тех пор, пока концентрация его в расплаве не достигнет 40% (точка b). Если взять 100 г исходной смеси, то к моменту образования насыщенного расплава при 1400° жидкая фаза будет включать весь кобальт, т. е. 6 г плюс 4 г WC. Остальные 90 г WC остаются в форме избыточных не растворившихся кристаллов.
Механизм процесса спекания WC-Co

Кристаллы карбида вольфрама разнообразны по величине, И так как мелкие кристаллы обладают большей растворимостью в расплавленном кобальте по сравнению с крупными, то образовавшийся расплав оказывается недосыщенным в отношении мелких кристаллов WC и пересыщенным в отношении крупных кристаллов. Поэтому происходит перекристаллизация зерен WC через расплав, в результате чего крупные кристаллы растут за счет растворяющихся мелких.
В процессе перекристаллизации зерна карбида вольфрама непрерывно изменяют свою форму и размеры, приобретая в некоторой степени подвижность относительно друг друга. Под влиянием капиллярного воздействия кобальтового расплава, смачивающего все зерна карбида, происходит стягивание зерен WC и усадка брикета
При охлаждении сплава после завершения усадки происходит выкристаллизовывание карбида вольфрама из кобальтового расплава, так как растворимость WC в кобальте с понижением температуры уменьшается.
Растворимость WC в твердом кобальте при комнатной температуре меньше 1%. Однако при быстром охлаждении сплава концентрация WC в цементирующих прослойках после остывания сплава может оказаться и несколько более высокой.
Несмотря на эвтектический характер системы WC—Co, на шлифах охлажденных сплавов не удается обнаружить эвтектических составляющих. Это объясняется тем, что затвердевание эвтектики происходит в узких каналах и зазорах между близко соприкасающимися избыточными зернами WC, служащими центрами кристаллизации для карбида вольфрама, выделяющегося из расплава. Поэтому после охлаждения сплава между зернами WC затвердевает однородный кобальтовый твердый раствор с небольшой концентрацией растворенного WC.
В результате рекристаллизации большая часть зерен WC приобретает правильно ограненные формы.
Для получения сплава повышенной износоустойчивости и твердости (но с несколько большей хрупкостью) необходимо создать мелкозернистую структуру, в которой значительная часть зерен WC останется не полностью рекристаллизованной. Для этого применяют весьма мелкозернистые исходные порошки вольфрама и, следовательно, карбида вольфрама и при спекании выдерживают сплав на максимальной температуре более короткое время.
Из описания механизма процесса спекания понятна необходимость некоторого варьирования температуры спекания в зависимости от содержания кобальта в сплаве. Для полной усадки необходим некоторый минимальный объем жидкой фазы, который в случае малого содержания кобальта в шихте можно несколько увеличить за счет повышения температуры спекания, так как растворимость WC в кобальте с повышением температуры увеличивается.
Приведенное выше обсуждение механизма процесса спекания относилось к псевдобинарной системы WC—Co. Однако в случае изменения состава исходной шихты или же сплава в процессе спекания по содержанию углерода необходимо учитывать наличие и других фаз, кроме WC и Co в тройной системе W—Ce—С.
Механизм процесса спекания WC-Co

На рис. 178 показано сечение указанной тройной системы для температуры 1350°. Отклонение от бинарного разреза WC—Co в сторону уменьшения содержания углерода вызывает образование так называемой η-фазы, имеющей значительную область гомогенности.
Исследования Такеда, M.М. Бабича, Е.Н. Кисляковой показали, что η-фаза представляет собой двойной карбид типа W3Cо3C. Этот тройкой карбид хрупок, и его образование, происходящее за счет уменьшения количества кобальтовой γ-фазы (твердого раствора на основе кобальта) приводи к повышению хрупкости всего сплава Поэтому как в процессе получения исходного карбида вольфрама, так и при спекании сплава необходимо, как указывалось выше, принимать меры против возможного разуглероживавия (см. структуру сплава WC—Co с выделениями η-фазы на рис. 179).
Отклонение состава шихты или изменение состава сплава при спекании в противоположную сторону от разреза WC—Co (в сторону обогащения углеродом) приводит к выделению графита, что уменьшает износоустойчивость сплава.
Однако для сплавов, предназначенных для работы с ударами (например для бурения), насыщение кобальтовой фазы углеродом даже вплоть до начала выделения небольших количеств графита оказывает благоприятное влияние в смысле некоторого увеличения прочности сплава, что, по-видимому, объясняется уменьшением растворимости WC в кобальте.
Механизм процесса спекания WC-Co

Появление фазы и включений графита в структуре сплава WC—Co может произойти не только вследствие отклонений от первоначального состава шихты в сторону разуглероживания сплава при спекании но и в результате быстрого охлаждения сплава.
Дело в том, что в системе W—Cо—С, помимо стабильных фаз, WC γ-фазы (твердого раствора на основе кобальта) и графита, образующих стабильные эвтектики — двойную (γ+WC) и тройную (γ+WC+C) (1270°). могут образовываться и метастабильные фазы (подобно системе Fe—С). В метастабильной системе существуют эвтектики γ+η и γ+η+С. Поэтому при быстром охлаждении сплава WC-Co (даже и с содержанием углерода, строго соответствующим WC) может произойти выделение η фазы и графита.
Применение кобальта в качестве наиболее подходящего цементирующего металла при изготовлении спеченных твердых сплавов на основе карбида вольфрама объясняется тем. что после остывания сплава цементирующие прослойки обладают высокой вязкостью и прочностью, так как растворимость карбида вольфрама в твердом кобальте весьма невелика, а сам кобальт не образует устойчивого карбида.
При применении никеля вместо кобальта процесс спекания и усадки сплава WC-Ni осуществляется аналогично процессу спекания и усадке сплава WC-Co.
Металлокерамические сплавы карбида вольфрама на никелевом цементе, как правило обладают несколько более высок и хрупкостью и меньшей твердостью и износоустойчивостью, чем сплавы с кобальтовым цементом (при равном содержании кобальта и никеля). Объясняется это тем, что карбид вольфрама в значительно большем количестве растворяется в твердом никеле, чем в кобальте, и поэтому никелевый цемент более хрупок, чем кобальтовый, хотя он одновременно и менее твердый. Кроме того, сплавы WC-Ni более склонны к выделению графита при спекании.
Улучшения свойств сплавов карбида вольфрама с никелем можно достигнуть небольшой добавкой к никеля вольфрама (или, что то же самое, применением карбида вольфрама с некоторым в достаточно углерода), а также кобальта или меди. Эти мероприятия приводят к понижению растворимости WC в никелевом цементе и, тем самым, к повышению прочности и износоустойчивости сплавов. Кроме того добавление вольфрама (или создание недостатка углерода) устраняет выделение графита. Ho с другой стороны, недостаток углерода создает условия для возможного появления хрупкой η-фазы, вызывающей хрупкость всего сплава.
Возможность производственного выпуска сплавов WC-Ni, затрудняется необходимостью сохранения в процессе спекания определенного недостатка углерода в сплаве с одновременным предохранением от появления значительного количества хрупкой η-фазы что трудно стандартизовать в производственных условиях.
Изменяя содержание кобальта в сплаве WC-Co в пределах от 15 до 3% (а в отдельных случаях и до 2%), можно соответственно изменять свойства сплавов, приспособляя их для тех или иных условий работы.
На рис. 180 показаны некоторые свойства твердых сплавов в зависимости от содержания WC и Co.
Кроме состава, на свойства металлокерамических твердых сплавов существенно влияет величина их остаточной пористости, а также их структура.
Механизм процесса спекания WC-Co

Как видно из рис. 180, допустимые в пределах технических условий на сплавы колебания в остаточной пористости сказываются в том, что плотность реальных производственных сплавов изменяется в определенных пределах для каждого из составов Однако, чем больше кобальта в сплаве, тем меньше эти колебания, поскольку увеличенный объем жидкой фазы при спекании обеспечивает интенсивную усадку и уплотнение. На твердость и прочность сплавов влияют не только колебания пористости (плотности), но и структура (зернистость карбидной составляющей). Поэтому, например, значения сопротивления изгибу колеблются в особенно широких пределах, так как на этом свойстве особенно заметно отражаются видоизменения в структуре сплава.
В табл. 76, показывающей различные области применения твердых сплавов в зависимости от их состава и свойств, приведены, например, две марки твердого сплава, одинаковые по составу: ВК6 и ВК6а (см. структуры этих сплавов на рис. 181 и рис. 182). За счет более мелкозернистой структуры сплава ВК6а его твердость и соответственно износоустойчивость повышены (за счет некоторого ослабления прочности при изгибе), что позволяет применять его для обработки особо твердых чугунов.
С другой стороны, путем создания более крупнозернистой структуры опытного сплава ВК8В его прочность и ударная вязкость повышены по сравнению с обычной маркой ВК8, что позволяет применять сплав ВК8В (несмотря на ограниченное содержание кобальта) для оснащения инструментов перфораторного бурения, работающих с ударной нагрузкой (см. структуры сплавов ВК8 и ВК8В на рис. 183 и рис 184).
Механизм процесса спекания WC-Co

Как видно из данных табл. 76, твердые сплавы WC-Co нашли себе широкое применение в самых разнообразных процессах обработки различных материалов, способствуя резкому повышению производительности труда. Однако практика показывает, что при обработке стальных изделий эффективность вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов значительно ниже, чем при обработке чугуна или цветных металлов, а в ряде случаев их применение для обработки сталей, особенно легированных, становится невыгодным. Объясняется это тем, что упругая сплошная стальная стружка, непрерывно соприкасаясь с верхней (передней) гранью пластинки сплава WC-Co, припаянной на державку резца, быстро истирает лунку на поверхности твердосплавной пластинки в области режущего лезвия. Образование такой лунки ослабляет лезвие, и оно быстро выкрошивается под давлением стружки. Это связано, невидимому, с «привариванием» (прилипанием) частиц карой та вольфрама и кобальта к поверхности стальной стружки, вследствие чего частицы карбида быстро истираются и даже вырываются с поверхности сплава Это активное взаимодействие свежезачищенных в процессе взаимного трения поверхностей карбида вольфрама и стали согласуется и с заметной величиной растворимости карбида вольфрама в железе.
Механизм процесса спекания WC-Co
Механизм процесса спекания WC-Co