Kompozyty ze spieków w glika wolframu umacniane cz stkami regularnego azotku boru (cbn/wc-co)

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012), Kompozyty ze spieków w glika wolframu umacniane cz stkami regularnego azotku boru (cbn/wc-co) MARCIN ROSI SKI*, AGATA CIEGIENKO, KRZYSZTOF KOZIO, ANDRZEJ MICHALSKI Politechnika Warszawska, Wydzia In ynierii Materia owej, ul. Wo oska 141, Warszawa * ninmar@inmat.pw.edu.pl Streszczenie Regularny azotek boru (cbn) i w glik wolframu s powszechnie wykorzystywane jako materia do produkcji narz dzi skrawaj cych ze wzgl du na wysok twardo i odporno na zu ycie przez tarcie. W pracy otrzymywano kompozyt z osnow WC-Co umacnian cz stkami cbn. Konwencjonalne metody konsolidacji WC-Co nie pozwalaj, ze wzgl du na wysok temperatur spiekania ( C), otrzyma kompozytu WC-Co bez przemiany fazy cbn w faz hbn o niskiej twardo ci. Stosuj c metod PPS (Pulse Plasma Sintering) otrzymano g ste spieki z o one z 30% obj. cz stek cbn o wielko ci m i 6-12 m w osnowie WC-6% wag. Co. Spieki konsolidowano w temperaturze 1100, 1150 i 1200 C pod ci nieniem 100 MPa w czasie 5 min. Obserwacje mikrostruktury prowadzone na skaningowym mikroskopie elektronowym i badania sk adu fazowego wykaza y, e podczas spiekania kompozytu nie nast puje przemiana fazowa metastabilnej fazy cbn w stabiln faz hbn. Zaobserwowano porowato mikrostruktury w postaci niespieczonych ziaren WC w przypadku spieków kompozytowych otrzymanych w temperaturze 1100 C. G sto tych spieków wynosi ok. 98% g sto ci teoretycznej. G sto kompozytów spiekanych w temperaturach 1150 i 1200 C jest zbli ona do g sto ci teoretycznej. S owa kluczowe: PPS, regularny azotek boru (cbn), kompozyt, w glik spiekany (WC-Co) SINTERED CARBIDE COMPOSITES ENRICHED WITCH CUBIC BORON NITRIDE PARTICLES (CBN/WC-CO) Cubic boron nitride (cbn) and cemented carbide (WC-Co) are commonly used as a cutting tools material for the sake of their high hardness and wear-resistance. In this work, a WC-Co composite consolidated with cbn particles was obtained. The cbn/wc-co composite cannot be produced by using conventional sintering, which is conducted at temperatures between 1350 ºC and 1500 ºC, since cbn undergoes the transformation into hbn within this temperature range. With the PPS (Pulse Plasma Sintering) method, dense sinters consisted of the WC-6 vol. % Co matrix and 30 vol. % cbn particles with the sizes of m and 6-12 m were obtained. The composites were sintered for 5 min at temperatures of 1100, 1150 and 1200 C under a pressure of 100 MPa. The scanning electron microscope observations of the composite microstructure and the X-ray analysis revealed no phase transformation from metastable cbn into stable hbn. Microstructural porosity was observed as non-sintered WC grains at the sintering temperature of 1100 C. Densities of the 1150 C and 1200 C sinters approached the theoretical density (TD) whereas the 1100 C sinters density reached about 98% of TD. Keywords: PPS, Cubic boron nitride (cbn), Composite, Cemented carbide (WC-Co) 1. Wprowadzenie Regularny azotek boru (cbn) jest drugim, po diamencie, najtwardszym znanym materia em. Cechuje go wy sza stabilno termiczna i oboj tno chemiczna w porównaniu do diamentu, st d znajduje du e zastosowanie jako materia na narz dzia skrawaj ce w postaci spieków z faz wi c trudnotopliwych metali [1]. Dla unikni cia przemiany fazowej regularnego azotku boru w odmian heksagonaln o ma ej twardo ci (hbn) spiekanie prowadzi si w warunkach trwa- o ci termodynamicznej cbn przy ci nieniu rz du 5 6 GPa. Nast pnym po cbn najtwardszym materia em jest w glik wolframu, powszechnie stosowany na narz dzia skrawaj ce w postaci spieków z wi c faz kobaltu. Wysoka twardo, odporno na zu ycie cierne oraz du a odporno na p kanie sprawiaj, e narz dzia ze spieków WC-Co stano- wi ponad 50% narz dzi skrawaj cych. Twardo spieków WC-Co mo na znacz co zwi kszy, zast puj c cz fazy w glikowej kilka razy twardszym regularnym azotkiem boru. Kompozytu cbn/wc-co nie mo na jednak wytworzy przez konwencjonalne spiekanie, które realizuje si w temperaturze z przedzia u C w obecno ci fazy ciek ej kobaltu [2]. W temperaturze tej cbn ulega przemianie w hbn, faz o niskiej twardo ci, a obecno bogatej w kobalt fazy ciek ej wp ywa na zwi kszenie szybko ci przemiany. Kompozyty z rozproszonymi cz stkami cbn w osnowie WC-Co nazywane CDCC (and. Cubic Boron Dispersed Cemented Carbides) otrzymywali Martinez i Eceberria [3] metod izostatycznego spiekania na gor co (HIP) w temperaturach od 1100 do 1200 C i przy ci nieniu 200 MPa, co dawa o g ste spieki bez przemiany fazowej cbn w hbn. Shi i in. [4] spiekali kompozyt CDCC z nanokrystalicznego prosz- 324

2 KOMPOZYTY ZE SPIEKÓW W GLIKA WOLFRAMU UMACNIANE CZ STKAMI REGULARNEGO AZOTKU BORU (CBN/WC-CO) ku w glika wolframu zawieraj cego 10 % wag. Co i proszku cbn o wielko ci cz stek od 150 m do 375 m pokrywanych warstw tytanu. Spiekanie kompozytu prowadzili w temperaturze 1240 C metod SPS (ang. Spark Plasma Sintering). Yaman i in. [5] spiekali kompozyt CDCC wykorzystuj c proszek WC-6% wag. Co i proszek cbn o redniej wielko ci cz stek 0,8 m i 5 m metod SPS w temperaturze 1300 C i przy ci nieniu 75 MPa. W niniejszej pracy spiekanie kompozytów CDCC prowadzono metod PPS, w której do nagrzewania spiekanego materia u wykorzystuje si periodycznie powtarzane silnopr dowe impulsy elektryczne, otrzymywane przez roz adowanie baterii kondensatorów [6-8]. Impulsowe dostarczanie w czasie kilkuset mikrosekund energii rz du kilku kj zmagazynowanej w kondensatorach stwarza specy czne warunki spiekania. W pracy badano wp yw temperatury procesu spiekania metod PPS na g sto i sk ad fazowy kompozytu cbn/wc-co. 2. Metodyka bada Spieki kompozytu otrzymano z mieszaniny nanokrystalicznego proszku WC z dodatkiem 0,5% wag. inhibitora VC, zawieraj cego 6% wag. Co (dostawca Baildonit Polska) oraz proszku cbn wyprodukowanego przez VAN MOPPES Szwajcaria. U yto dwóch wielko ci cz stek cbn: m oraz 6-12 m. Na Rys. 1 przedstawiono zdj cia SEM proszków cbn o wskazanych gradacjach. Dla proszków azotku boru wykonano rozk ad wielko ci ziarna metod dyfrakcji laserowej za pomoc urz dzenia Mastersizer rmy Malvern. W Tabeli 1 zestawiono wyniki tych pomiarów wraz z warto ciami wielko ci cz stek podanymi przez producenta. Tabela 1. Zakresy wielko ci czasek cbn podane przez producenta oraz rednie wielko ci cz stek cbn na podstawie dyfrakcji laserowej. Table 1. Gradation of cbn powders and average size of its particles. Gradacja proszku podana rednia wielko cz stek przez producenta proszku cbn 4, ,5 Dwuetapowe mieszanie proszków odbywa o si na sucho w m ynie turbularnym. W pierwszej fazie mieszano proszki WC i Co w czasie 10 h. Nast pnie przez 5 h prowadzono mieszanie proszków WC-Co z cbn. Zawarto proszku cbn w kompozycie wynosi a 30% obj. W obu procesach mieszania zastosowano kule w glikowe o rednicach 6 mm oraz 8 mm. Stosunek masowy proszku do kul wynosi 1:1. Spiekanie mieszaniny cbn/wc-co prowadzono w gra - towej matrycy wy o onej gra tow foli. Ca o zag szczano gra towymi stemplami wykorzystuj c ci nienie 50 MPa. Parametry procesu spiekania zestawiono w Tabeli 2. Po procesie spiekania otrzymywano próbki w kszta cie walca o rednicy 20 mm i wysoko ci 4,75 mm. Tabela 2. Parametry procesu spiekania kompozytu cbn/wc-co. Table 2. Sintering process parameters of cbn/wc-co composite. Parametry procesu I etap II etap Temperatura [ C] /1150/1200 Czas etapu [min] 4 5 Nacisk [MPa] Napi cie baterii kondensatorów [kv] 6 5,5-6 Cz stotliwo impulsów [Hz] 0,33 2 Podczas procesu spiekania mierzono temperatur na powierzchni gra towej matrycy pirometrem rmy RAYTEK. Obserwacje mikrostruktury przeprowadzono przy u yciu skaningowego mikroskopu elektronowego HITACHI S3500N. Sk ad fazowy kompozytu zbadano dyfraktometrem rentgenowskim PHILIPS PW 1140, wykorzystuj cym promieniowanie Cu K. G sto spieków mierzono metod Archimedesa przy u yciu wagi rmy Radwag wyposa onej w oprzyrz dowanie do pomiaru g sto ci cia sta ych. 3. Wyniki bada i dyskusja Rys. 1. Obrazy SEM proszków cbn: a) cz stki m, b) cz stki 6-12 m. Fig. 1. SEM images of cbn powders: a) particles m, b) particles 6-12 m. Na Rys. 2 przedstawiono zapisy dyfrakcyjne kompozytów cbn/wc-co spieczonych w temperaturze 1200 C, ró ni cych si wielko ciami cz stek cbn. Analiza sk adu fazowego wykaza a, e w spiekach zarówno z cz stkami cbn m, jak i 6-12 m nie nast puje przemiana fazowa cbn w stabiln odmian z sieci heksagonaln (hbn). Identy - kowanymi fazami w spieku s WC, cbn i wysokotemperaturowa odmiana kobaltu o sieci regularnej. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012) 325

3 M. ROSI SKI, A. CIEGIENKO, K. KOZIO, A. MICHALSKI Rys. 2. Dyfraktogramy rentgenowskie dla spieków kompozytowych z wielko ci cz stek cbn m (A) i 6-12 m (B). Temperatura spiekania 1200 C. Fig. 2. Diffraction patterns of cbn /WC-Co composites sintered at 1200 C, containing particles m (A) and 6-12 m (B). Rys. 3. G sto ci otrzymanych spieków kompozytowych. Fig. 3. Density of sintered composites. Wyst powanie wysokotemperaturowej odmiany kobaltu jest zwi zane ze specy cznymi warunkami spiekania wyst puj cymi w metodzie PPS, szybkim nagrzewaniem podczas przep ywu pr du impulsowego i ch odzeniem po jego zaniku. Podczas przep ywu pojedynczego impulsu chwilowa temperatura na powierzchni cz stek mo e by kilkukrotnie wy sza ni ustalona temperatura spiekania, co powoduje powstawanie fazy ciek ej na powierzchni cz stek kobaltu, a po ustaniu przep ywu pr du maleje do ustalonej temperatury spiekania [4], powoduj c zamro enie wysokotemperaturowej odmiany Co. Na Rys. 3 przedstawiono g sto ci spieków kompozytu cbn/wc-co otrzymanych w temperaturach 1100, 1150 i 1200 C, a w Tabeli 3 zestawiono g sto ci i porowato ci spieków. G sto kompozytów spiekanych w temperaturze 1100 C jest mniejsza od g sto ci teoretycznej i wynosi dla kompozytu zawieraj cego cbn ( m) 98,3% GT (g sto ci teoretycznej) i odpowiednio dla kompozytu cbn (6-12 m) 97,7% GT. Zwi kszenie temperatury spiekania do 1150 i 1200 C wp ywa na zwi kszenie g sto ci kompozytów do warto ci 99,9% GT dla cbn ( m) i 99,8% GT dla cbn (6-12 m). Na Rys. 4 pokazano powierzchnie prze omu dla otrzymywanych kompozytów cbn/wc-co. Wokó cz stek cbn brak widocznych porów i wydziele fazy hbn. Cz stki cbn s silnie zwi zane z osnow WC-Co. Na powierzchni prze omu tylko nieliczne cz stki cbn zosta y wyrwane z osnowy wi kszo przy wykonywaniu prze omu p ka transkrystalicznie i pozostaje w osnowie. Natomiast mikrostruktura osnowy WC-Co kompozytów spiekanych w temperaturze 1100 C zasadniczo ró ni si od osnowy kompozytów spiekanych w temperaturze 1150 i 1200 C. W osnowie kompozytu spiekanego temperaturze w temperaturze 1100 C (Rys. 4a i 4b) widoczne s pory pomi dzy ziarnami WC, wskazuj ce na nieca kowite spieczenie osnowy. W kompozytach spiekanych w temperaturze 1150 i 1200 C (Rys. 4c, 4d, 4e, 4f) nie obserwuje si porów wskazuj cych na niespieczone ziarna WC. Tabela 3. G sto i porowato spieków kompozytowych. Table 3. Density and porosity of cbn/wc-co composites. Wielko cz stek cbn Temperatura spiekania [ C] G sto wzgl dna Porowato otwarta Porowato zamkni ta 98,3 0 1, ,7 0,1 2,2 100,1 0 0, ,1 0,1 100,1 0 0, ,8 0 0,2 326 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012)

4 KOMPOZYTY ZE SPIEKÓW W GLIKA WOLFRAMU UMACNIANE CZ STKAMI REGULARNEGO AZOTKU BORU (CBN/WC-CO) Rys. 4. Powierzchnia prze omu kompozytu cbn/wc-co: a), c) i e) kompozyt zawieraj cy cz stki cbn m, b), d), f) kompozyt zawieraj cy cz stki cbn 6-12 m. Temperatury spiekania: a), b) 1100 C, c), d) 1150 C, d), e) 1200 C. Fig. 4. SEM images of fracture microstructure of cbn/wc-co composites: a), c) and e) the composite with m cbn particles, b), d) and f) the composite with 6-12 m cbn particles. Sintering temperatures: a), b) 1100 C, c), d) 1150 o C, d), e) 1200 C. Obserwacje mikrostruktury prze omów kompozytów wskazuj, e ni sza g sto kompozytów spiekanych w temperaturze 1100 C jest zwi zana z obecno ci porów w osnowie WC-Co. 4. Podsumowanie Kompozyty z rozproszon faz cbn w osnowie WC-Co konsolidowano metod PPS w warunkach nietrwa o ci termodynamicznej cbn. Kompozyty spiekane w temperaturze 1150 C i 1200 C przy ci nieniu 100 MPa przez 5 min maj g sto zbli on do teoretycznej. Obserwacje SEM mikrostruktury i dyfrakcyjna analiza fazowa nie wykaza y w kompozycie wyst powania fazy hbn. Specy czne warunki nagrzewania konsolidowanego materia u silnopr dowymi impulsami hamuj przemian fazow cbn w faz hbn i zapewniaj silne wi zanie cz stek cbn z osnow WC-Co. Podzi kowanie Badania nansowane w ramach projektu nr R /2009 pt. Kompozyty ze spieków w glika wolframu umocnionego cz stkami regularnego azotku boru (cbn/wc-co) na narz dzia dla obróbki skrawaniem materia ów trudnoobrabialnych. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012) 327

5 M. ROSI SKI, A. CIEGIENKO, K. KOZIO, A. MICHALSKI Literatura [1] Angseryd J., Elfwing M., Olsson E., Andrén H.: Detailed microstructure of a cbn based cutting tool material, Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 27, (2009), 249. [2] Upadhyaya G.S.: Cemented carbides production, properties and testing, Noyes Pablications, (1998). [3] Martinez V., Echeberria J.: Hot isostatic pressing of cubic boron nitride-tungsten carbide/cobalt (cbn-wc/co) composites: effect of cbn particle size and some processing parameters on their microstructure and properties, J. Am. Ceram. Soc., 90, (2007), 415. [4] Shi X.L., Shao G.Q., Duan X.L., Yuan R. Zh.: Spark plasma sintering of CBN-WC-10Co composites, (2007), Key Engineering Materials, , (2007), [5] Yaman B., Mandal H.: Spark plasma sintering of Co WC cubic boron nitride composites, Materials Letters, 63, (2009), [6] Michalski A., Rosi ski M.: Metoda Impulsowo Plazmowego Spiekania: Podstawy i zastosowanie, In ynieria Materia owa, 1, (2010), 7. [7] Rosi ski M., Michalski A., P oci ska M., Szaw owski J.: WC/ Ti composite material enriched with cbn particles produced by pulse plasma sintering (PPS), accepted for publication, Key Engineering Materials, February, (2010). [8] Michalski A., Rosi ski M.: Sintering Diamond/Cemented Carbides by the Pulse Plasma Sintering Method, J. Am. Ceram. Soc., 91, [11], (2008), Otrzymano 25 wrze nia 2011, zaakceptowano 10 stycznia MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012)