Effect of mechanical activation of WC-based powder on the properties of sintered alloys

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. For the manufacture of wearproof tools and machine elements, the method of powder metallurgy is widely used. The preliminary high-intensity mechanical activation of the powder is used to improve the structure and properties of the alloy obtained by the method of powder metallurgy. The mechanical activation can result in formation of nanostructures with subsequent amorphization of the material, can bring phase transformations, it can certainly affect the properties of the material. However, mechanical treatment does not always lead to a positive result. Therefore, the study of the effect of mechanical activation of WC-based powder on the properties of sintered alloys is important. Purpose of the work: to study the effect of high-intensity mechanical activation of WC-based powder on the structure and properties of sintered samples. The work investigates alloys obtained by the method of powder metallurgy, using mechanically activated powders for 10 to 300 seconds in a planetary ball mill. Materials and methods. The alloys are obtained by cold one-sided pressing followed by sintering at a temperature of 1400 °C in a vacuum furnace. Particle morphology of powder and structure of alloys is analyzed by scanning electron microscopy method. The metallographic analysis of the alloys is carried out by optical microscopy. Phase analysis and the parameters of the crystal structure are performed by X-ray diffraction. The hardness of the sintered samples is measured by hardness tester. Results and its discussion. It is shown that after sintering of powders alloys with WC and Co phases are formed. The lattice parameter of the WC-phase correlates well with values in literature. A second carbide phase, Co3W3C, is formed in the samples upon mechanical activation for more than 100 sec. The minimum porosity of sintered sample is 7.8 ± 1 % that corresponds of sample with preliminary mechanical treatment for 30 seconds. It is shown that the hardness depends on grain size, porosity and second carbide content. Thus, mechanical activation can be effective for increasing the physical and mechanical properties and inhibiting grain growth, but in this case, it is necessary to carry out mechanical processing in the mechanical treatment time range 60-100 sec.

About the authors

E. V. Abdulmenova

Email: Ekaterina.V.Abdulmenova@yandex.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, Ekaterina.V.Abdulmenova@yandex.ru

S. N. Kulkov

Email: kulkov@ispms.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, National Research Tomsk State University, 36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, kulkov@ispms.ru

References

  1. Plasma synthesis of tungsten carbide and cobalt nanocomposite powder / T. Ryu, H.Y. Sohn, K.S. Hwang, Z.Z. Fang // Journal of Alloys and Compounds. – 2009. – Vol. 481 (1–2). – P. 274–277. – doi: 10.1016/j.jallcom.2009.03.134.
  2. Properties and rapid consolidation of ultra-hard tungsten carbide / I.-J. Shon, B.-R. Kim, J.-M. Doh, J.-K. Yoon, K.-D. Woo // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – Vol. 489 (1). – P. L4–L8. – doi: 10.1016/j.jallcom.2009.09.040.
  3. Lee G.-H., Kang S. Sintering of nano-sized WC-Co powders produced by a gas reduction-carburization process // Journal of Alloys and Compounds. – 2006. – Vol. 419 (1–2). – P. 281–289. – doi: 10.1016/j.jallcom.2005.09.060.
  4. Kim J.Y., Kang S.H. WC platelet formation via high-energy ball mill // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2014. – Vol. 47. – P. 108–112. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2014.06.024.
  5. Kim B.K., Ha G.H., Lee D.W. Sintering and microstructure of nanophase WC/Co hardmetals // Journal of Materials Processing Technology. – 1997. – Vol. 63. – P. 317–321. – doi: 10.1016/s0924-0136(96)02748-3.
  6. Achieving combination of high hardness and toughness for WC-8Co hardmetals by creating dual scale structured plate-like WC / W. Wang, Z. Lu, M. Zeng, M. Zhu // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44 (3). – P. 2668–2675. – doi: 10.1016/j.ceramint.2017.10.190.
  7. Stewart D.A., Shipway P.H., McCartney D.G. Microstructural evolution in thermally sprayed WC-Co coatings: comparison between nanocomposite and conventional starting powders // Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48 (7). – P. 1593–1604. – doi: 10.1016/s1359-6454(99)00440-1.
  8. Fabijanic T.A., Alar Z., Coric D. Influence of consolidation process and sintering temperature on microstructure and mechanical properties of near nano- and nanostructured WC-Co cemented carbides // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2016. – Vol. 54. – P. 82–89. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2015.07.017.
  9. Consolidation of ultrafine WC and WC-Co hard materials by pulsed current activated sintering and its mechanical properties / H.-C. Kim, I.-J. Shon, J.-K. Yoon, J.-M. Doh // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2007. – Vol. 25 (1). – P. 46–52. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2005.11.004.
  10. El-Eskandarany M.S. Structure and properties of nanocrystalline TiC full-density bulk alloy consolidated from mechanically reacted powders // Journal of Alloys and Compounds. – 2000. – Vol. 305. – P. 225–238. – doi: 10.1016/s0925-8388(00)00692-7.
  11. Raihanuzzaman R.M., Xie Z.H., Hong S.J. Powder refinement, consolidation and mechanical properties of cemented carbides – an overview // Powder Technology. – 2014. – Vol. 261. – P. 1–13. – doi: 10.1016/j.powtec.2014.04.024.
  12. Koch C.C. Synthesis of nanostructured materials by mechanical milling: problems and opportunities // Nanostructured Materials. – 1997. – Vol. 9. – P. 13–22. – doi: 10.1016/s0965-9773(97)00014-7.
  13. Mechanical activation of TiFe for hydrogen storage by cold rolling under inert atmosphere / L.E.R. Vega, D.R. Leiva, R.M. Leal Neto, W.B. Silva, R.A. Silva, T.T. Ishikawa, W.J. Botta // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – Vol. 43 (5). – P. 2913–2918. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.12.054.
  14. Amorphous and nanocrystalline Fe-Ti prepared by ball-milling / L. Zaluski, P. Tessier, D.H. Ryan, C.B. Doner, A. Zaluska, J.O. Ström-Olsen, M.L. Trudeau, R. Schulz // Journal of Materials Research. – 1993. – Vol. 8 (12). – P. 3059–3068. – doi: 10.1557/jmr.1993.3059.
  15. Mushnikov N.V., Ermakov A.E., Uimin M.A. Kinetics of interaction of Mg-based mechanically activated alloys with hydrogen // The Physics of Metals and Metallography. – 2006. – Vol. 102 (4). – P. 421–431. – doi: 10.1134/s0031918x06100097.
  16. Stepanov A., Ivanov E., Konstanchuk I. Hydriding properties of mechanical alloys Mg-Ni // Journal of the Less-Common Metals. – 1987. – Vol. 131. – P. 89–97. – doi: 10.1016/0022-5088(87)90504-2.
  17. Sun J.F., Zhang F.M., Shen J. Characterizations of ball-milled nanocrystalline WC-Co composite powders and subsequently rapid hot pressing sintered cermets // Materials Letters. – 2003. – Vol. 57. – P. 3140–3148. – doi: 10.1016/S0167-577X(03)00011-9.
  18. Effect of Co content on microstructure and mechanical properties of ultrafine grained WC-Co cemented carbide sintered by spark plasma sintering / K. Liu, Z.H. Wang, Z.B. Yin, L.Y. Cao, J.T. Yuan // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44. – P. 18711–18718. – doi: 10.1016/j.ceramint.2018.07.100.
  19. Zhao Z.W. Microwave-assisted synthesis of vanadium and chromium carbides nanocomposite and its effect on properties of WC-8Co cemented carbides // Scripta Materialia. – 2016. – Vol. 120. – P. 103–106. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2016.04.024.
  20. Microstructure and mechanical properties of new WC-Co base cemented carbide having highly oriented plate-like triangular prismatic WC grains / S. Kinoshita, T. Saito, M. Kobayashi, K. Hayashi // Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. – 2000. – Vol. 47 (5). – P. 526–533. – doi: 10.2497/jjspm.47.526.
  21. Nobuki T., Crivello J-C., Cuevas F. Fast synthesis of TiNi by mechanical alloying and its hydrogenation properties // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Vol. 44. – P. 10770–10776. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.02.203.
  22. He M., Wang J.Y., He R.G., Yang H.L. Effect of cobalt content on the microstructure and mechanical properties of coarse grained WC-Co cemented carbides fabricated from chemically coated composite powder // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 766. – P. 556–563. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.06.366.
  23. Scherrer P. Bestimmung der inneren Struktur und der Größe von Kolloidteilchen mittels Röntgenstrahlen // Kolloidchemie Ein Lehrbuch. – Berlin, Heidelberg: Springer, 1912. – P. 387–409. – doi: 10.1007/978-3-662-33915-2_7.
  24. Stokes A.R., Wilson A.J.C. The diffraction of X rays by distorted crystal aggregates // Proceedings of the Physical Society. – 1944. – Vol. 56. – P. 174–181. – doi: 10.1088/0959-5309/56/3/303.
  25. Phase transformations and change in TiNi intermetallic compound structure during destructive hydrogenation and recombination / T. Bratanich, O. Get’;man, V. Dobrovol’;skii, L. Kopylova, N. Krapivka, T. Permyakova, V. Skorokhod // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 2006. – Vol. 45. – P. 582–587. – doi: 10.1007/s11106-006-0122-x.
  26. Ban Z.G., Shaw L.L. Synthesis and processing of nanostructured WC-Co materials // Journal of Materials Science. – 2002. – Vol. 37. – P. 3397–3403.
  27. Berger S., Porat R., Rosen R. Nanocrystalline materials: a study of WC-based hard metals // Progress in Materials Science. – 1997. – Vol. 42 (1–4). – P. 311–320. – doi: 10.1016/s0079-6425(97)00021-2.
  28. Zhang F.L., Wang C.Y., Zhu M. Nanostructured WC/Co composite powder prepared by high energy ball milling // Scripta Materialia. – 2003. – Vol. 49. – P. 1123–1128. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2003.08.009.
  29. Effects of fine WC particle size on the microstructure and mechanical properties of WC-8Co cemented carbides with dual-scale and dualmorphology WC grains / Q. Ding, Y. Zhenga, Z. Ke, G. Zhang, H. Wu, X. Xu, X. Lu, X. Zhu // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2020. – Vol. 87. – P. 105166-1–105166-7. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105166.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».