Исследование H_C – HV-свойств сплавов WC-Co с различной микроструктурой

При производстве инструментальных твердых сплавов WC-Co экспресс-контроль качества изделий осуществляют с помощью измерения магнитных характеристик материала. При этом величину коэрцитивной силы (H_C) часто используют для оценки размера зерна WC и твердости сплава (HV), однако не учитывается характер распределения зерен WC по размерам. В работе представлены результаты исследования H_C – HV-свойств сплавов WC-Co c различной микроструктурой. Анализировали образцы серийных сплавов WC — 10 % масс. Co. Показано, что коэрцитивная сила не зависит от ширины распределения зерен WC и определяется величиной среднего размера d_1,0. Твердость HV30, зависящая от ширины распределения зерен WC, определяется величиной d_3,2. На основании полученных зависимостей построена карта свойств H_C – HV с учетом ширины распределения зерен WC по размерам. Установлено, что данные только по коэрцитивной силе не позволяют получить надежную оценку твердости (отклонение может составлять 100 – 120 HV). Вместе с тем совместное определение коэрцитивной силы и твердости дает возможность оценить ширину распределения зерен WC в сплаве. Анализ опытных, спеченных при относительно низкой температуре образцов сплавов с содержанием углерода вблизи нижней границы углеродного окна выявил формирование структуры с равномерно распределенными крупными включениями Co. В такой структуре распределение включений Co по размерам носит бимодальный характер, средний размер включений не пропорционален среднему размеру зерен WC. Кроме того, образование подобной структуры не влияет на твердость сплава, но приводит к значительному уменьшению коэрцитивной силы. Полученные результаты могут быть использованы при контроле свойств твердых сплавов WC-Co и интерпретации экспериментальных данных.

1. Brueckl H., Breth L., Fischbacher J., et al. Machine learning based prediction of mechanical properties of WC-Co cemented carbides from magnetic data only / J. Refract. Met. Hard Mater. 2024. Vol. 121. P. 106665. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.09.030

2. García J., Collado Ciprés V., Blomqvist A., Kaplan B. Cemented carbide microstructures: a review / J. Refract. Met. Hard Mater. 2019. Vol. 80. P. 40 – 68. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2018.12.004

3. Lamelas V., Rolland M., Walbrühl M., et al. Modelling the formation of detrimental phases in cemented carbides / Materials & Design. 2023. Vol. 228. N 1 – 3. P. 111823. DOI: 10.1016/j.matdes.2023.111823

4. Roebuck B., Bennett E. Phase size distribution in WC/Co hardmetal / Metallography. 1986. Vol. 19. N 1. P. 27 – 47. DOI: 10.1016/0026-0800(86)90005-4

5. Roebuck B., Mingard K., Jones H., et al. Aspects of the metrology of contiguity measurements in WC based hard materials / J. Refract. Met. Hard Mater. 2017. Vol. 62. P. 161 – 169. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2016.05.011

6. Aguirre M., Urreta S., Bercoff P. Microstructure dependence of magnetization mechanisms in Co-Fe thick films / J. Mater. Sci. 2022. Vol. 57. N 3. P. 1890 – 1901. DOI: 10.1007/s10853-021-06746-9

7. Herzer G. Soft magnetic nanocrystalline materials / Scr. Metall. Mater. 1995. Vol. 33. P. 1741 – 1756. DOI: 10.1016/0956-716X(95)00397-E

8. Xue D., Chai G., Li X., et al. Effects of grain size distribution on coercivity and permeability of ferromagnets / J. Magn. Magn. Mater. 2008. Vol. 320. P. 1541 – 1543. DOI: 10.1016/j.jmmm.2008.01.004

9. Roebuck B. Hardmetals hardness and coercivity property maps / NPL Report. MATC(MN). 2002. Vol. 14. P. 1 – 9.

10. Roebuck B. Extrapolating hardness-structure property maps in WC/Co hardmetals / J. Refract. Met. Hard Mater. 2006. Vol. 24. N 1 – 2. P. 101 – 108. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2005.04.021

11. Pesin V. A., Osmakov A. S., Boykov S. Yu. Properties of WC-Co hardmetals as a function of their composition and microstructural parameters / Powd. Metall. Func. Coat. 2022. Vol. 16. N 3. P. 37 – 44. DOI: 10.17073/1997-308X-2022-3-37-44

12. Mueller D., Konyashin I., Farag S., et al. A novel express method for determining WC grain sizes and its use for updating dependencies of coercivity and hardness on WC mean grain size in hardmetals / J. Refract. Met. Hard Mater. 2023. Vol. 117. P. 106416. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2023.106416

13. Engqvist H., Uhrenius B. Determination of the average grain size of cemented carbides / J. Refract. Met. Hard Mater. 2003. Vol. 21. N 1 – 2. P. 31 – 35. DOI: 10.1016/S0263-4368(03)00005-2

14. Vasilyeva M. V., Pesin V. A., Osmakov A. S., et al. Research of the depending of the hardness of WC-Co hardmetals on the nature of the distribution of WC grains by size / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 2(I). P. 45 – 49 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-2-I-45-49

15. Tarrago J., Coureaux D., Torres Y., et al. Implementation of an effective time-saving two-stage methodology for microstructural characterization of cemented carbides / J. Refract. Met. Hard Mater. 2016. Vol. 55. P. 80 – 86. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2015.10.006

16. Podor R., Le Goff X., Lautru J., et al. SEraMic: a semi-automatic method for the segmentation of grain boundaries / J. Eur. Ceram. Soc. 2021. Vol. 41. N 10. P. 5349 – 5358. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.062

17. Bashkov O. V., Kim V. A., Popkova A. A. Technique for digital image processing of the microstructure of aluminum alloys in the MATLAB / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2013. Vol. 79. N 10. P. 34 – 39 [in Russian].

18. Kim V. A., Belova N. V., Zolotareva S. V. Quantitative indicators of the structural organization of polycrystalline materials / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2014. Vol. 80. N 4. P. 43 – 46 [in Russian].

19. Betteridge W. The properties of metallic cobalt / Prog. Mater. Sci. 1979. Vol. 24. P. 51 – 142. DOI: 10.1016/0079-6425(79)90004-5

20. Bertalan C., Moseley S., Pereira L., et al. Influence of sintering parameters on the microstructure and mechanical properties of WC-Co hardmetals / J. Refract. Met. Hard Mater. 2024. Vol. 118. P. 106439. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2023.106439