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: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30327 (дата обращения: 18.04.2024).