ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Изделия, содержащие вольфрамокобальтовые твердые сплавы, широко используются в различных отраслях промышленности. Зачастую они работают при повышенной температуре, при которой, как отмечается в литературных источниках, наблюдается подверженность твердых сплавов сильному окислению в воздушной среде. Однако нет достаточно точных значений температур окисления, а также не установлены зависимости этих температур и скорости окисления твердых сплавов от концентрации кобальта при широком ее варьировании. Предметом исследования является процесс окисления вольфрамокобальтовых твердых сплавов. Цель работы – получение значений температур окисления вольфрамокобальтовых твердых сплавов с различным содержанием кобальтовой фазы по массе в диапазоне 3–20 %. Методы. Исследование динамики роста оксидных образований проводилось в воздушной среде. Образцы одинаковой длины нагревались до температуры 850 °С и охлаждались с одинаковой скоростью в печи дилатометра Netzsch 402 PC с толкателем при одновременной регистрации их абсолютного удлинения. Скорость окисления образца определялась косвенно по разнице его длины до нагрева и после остывания. Значения температур окисления определялись путем математического анализа графиков зависимости абсолютного удлинения образцов от температуры. Результаты и обсуждение. Получены экспериментальные зависимости абсолютного удлинения образцов вольфрамокобальтовых твердых сплавов от температуры в диапазоне от 20 до 850 °С, а для сплава с 8 % кобальта – до 1150 °С. Установлено, что скорость окисления вольфрамокобальтовых твердых сплавов линейно возрастает с увеличением концентрации карбидов вольфрама (уменьшается с увеличением концентрации кобальта). При нагреве выявлены две характерные температуры: начала окисления (631 ± 4 °С) и перехода к активному окислению (804 ± 11 °С). Установленные температуры одинаковы для различных соотношений концентраций карбидов вольфрама и кобальта. Применение. Результаты могут быть использованы при выборе температурных режимов работы изделий, изготовленных из вольфрамокобальтовых твердых сплавов.

1. Basu S.N., Sarin V.K. Oxidation behavior of WC-Co // Materials Science and Engineering. ? 1996. ? Vol. 209 (1–2). ? P. 206–212. ? DOI: 10.1016/0921-5093(95)10145-4.

2. Hidnert P. Thermal expansion of cemented tungsten carbide // Journal of Research of the National Bureau of Standards. – 1936. ? Vol. 18. ? P. 47–52. – URL: https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/18/jresv18n1p47_A1b.pdf (accessed: 04.04.2024).

3. Температурное окисление вольфрамокобальтовых твердых сплавов / А.Д. Верхотуров, П.С. Гордиенко, Л.А. Коневцов, Е.С. Панин, Н.М. Потапова // Перспективные материалы. – 2008. – № 2. – С. 68–75.

4. The selective oxidation behaviour of WC-Co cemented carbides during the early oxidation stage / L. Chen, D. Yi, B. Wang, H. Liu, C. Wu, X. Huang, H. Li, Y. Gao // Corrosion Science. ? 2015. ? Vol. 94. ? P. 1–5. ? DOI: 10.1016/j.corsci.2015.02.033.

5. Non-isothermal oxidation kinetics of WC-6Co cemented carbides in air / L. Chen, B. Wang, D. Yi, H. Liu // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2013. ? Vol. 40. ? P. 19–23. ? DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2013.02.003.

6. Liu S. Oxidation behavior of WC-Co cemented carbide in elevated temperature // Materials Research Express. ? 2018. ? Vol. 5 (9). ? DOI: 10.1088/2053-1591/aad535.

7. Oxidation of ultrafine-cemented carbide prepared from nanocrystalline WC-10Co composite powder / X. Shi, H. Yang, G. Shao, X. Duan, S. Wang // Ceramics International. ? 2008. ? Vol. 34. ? P. 2043–2049. ? DOI: 10.1016/j.ceramint.2007.07.029.

8. Thermal oxidation behavior of WC-Co hard metal machining tool tip scraps / W.-H. Gu, Y.S. Jeong, K. Kim, J.-C. Kim, S.-H. Son, S. Kim // Journal of Materials Processing Technology. ? 2012. ? Vol. 212. ? P. 1250–1256. ? DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2012.01.009.

9. Lofaj F., Kaganovskii Y.S. Kinetics of WC-Co oxidation accompanied by swelling // Journal of Materials Science. ? 1995. ? Vol. 30. ? P. 1811–1817. ? DOI: 10.1007/BF00351615.

10. Bagnall C., Capo J., Moorhead W. Oxidation behavior of tungsten carbide-6% cobalt cemented carbide // Metallography, Microstructure, and Analysis. ? 2018. ? Vol. 7. ? P. 661–679. ? DOI: 10.1007/s13632-018-0493-7.

11. Oxidation behaviour of hard and binder phase modified WC-10Co cemented carbides / S.K. Bhaumik, R. Balasubramaniam, G.S. Upadhyaya, M.L. Vaidya // Journal of Materials Science Letters. ? 1992. ? Vol. 11. ? P. 1457–1459. ? DOI: 10.1007/BF00729663.

12. Oxidation-induced strength degradation of WC-Co hardmetals / B. Casas, X. Ramis, M. Anglada, J.M. Salla, L. Llanes // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. ? 2001. ? Vol. 19 (4–6). ? P. 303–309. ? DOI: 10.1016/S0263-4368(01)00033-6.

13. Study on the oxidation of WC-Co cemented carbide under different conditions / X. Wu, J. Shen, F. Jiang, H. Wu, L. Li // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. ? 2021. ? Vol. 94. ? DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2020.105381.

14. Kinetics of isothermal oxidation of WC–20Co hot-pressed compacts in air / S.T. Aly, S.K. Amin, S.A. El Sherbiny, M.F. Abadir // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. ? 2014. ? Vol. 118. ? P. 1543–1549. ? DOI: 10.1007/s10973-014-4044-4.

15. Kinetics inversion in isothermal oxidation of uncoated WC-based carbides between 450 and 800°C / L. del Campo, R.B. Pérez-Sáez, L. González-Fernández, M.J. Tello // Corrosion Science. ? 2009. ? Vol. 51. ? P. 707–712. ? DOI: 10.1016/j.corsci.2008.12.022.

16. Mechanism of the early stages of oxidation of WC-Co cemented carbides / L. Chen, D. Yi, B. Wang, H. Liu, C. Wu // Corrosion Science. ? 2016. ? Vol. 103. ? P. 75–87. ? DOI: 10.1016/j.corsci.2015.11.007.

17. Oxidation kinetics of tungsten carbide-20cobalt composite using non-isothermal thermal analysis / S.T. Aly, K.H. Hamad, N.F.A. Abdel Salam, S.M.S. Abdel-Hamid // International Journal of Engineering Research & Technology. ? 2018. ? Vol. 7 (11). ? P. 140–144. ? DOI: 10.17577/IJERTV7IS110065.

18. Comparison of the oxidation behaviour of WC-Co and WC-Ni-Co-Cr cemented carbides / M. Aristizabal, J.M. Sanchez, N. Rodriguez, F. Ibarreta, R. Martinez // Corrosion Science. ? 2011. ? Vol. 53. ? P. 2754–2760. ? DOI: 10.1016/J.CORSCI.2011.05.006.

19. Oxidation of WC-Co, WC-Ni and WC-Co-Ni hard metals in the temperature range 500–800 °C / V.B. Voitovich, V.V. Sverdel, R.F. Voitovich, E.I. Golovko // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. ? 1996. ? Vol. 14 (4). ? P. 289–295. ? DOI: 10.1016/0263-4368(96)00009-1.

20. Pelekh Т., Matsushita J.-I. Vickers hardness of WC-Co after high temperature oxidation // Journal of the Ceramic Society of Japan. ? 2002. ? Vol. 110. ? P. 228–231. ? DOI: 10.2109/jcersj.110.228.

21. Strength decrease of WC-Co alloy due to surface oxidation / N. Tsuchiya, M. Fukuda, T. Nakai, H. Suzuki // Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. ? 1991. ? Vol. 38. ? P. 505–509. ? DOI: 10.2497/jjspm.38.505.

22. Strength degradation of a tungsten carbide-cobalt composite at elevated temperatures / W. Acchar, U.U. Gomes, W.A. Kaysser, J. Goring // Materials Characterization. ? 1999. ? Vol. 43 (1). ? P. 27–32. ? DOI: 10.1016/S1044-5803(98)00056-4.

23. Thermal fatigue behaviour of WC-20Co and WC-30(CoNiCrFe) cemented carbide / L. Emanuelli, M. Pellizzari, A. Molinari, F. Castellani, E. Zinutti // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. ? 2016. ? Vol. 60. ? P. 118–124. ? DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2016.06.014.

24. Study on thermal behaviour of tungsten cemented carbide tip scraps / C. Ruskandi, D.F. Undayat, G.N. Hermana, M.R.G. Nadi, W. Purwadi // Proceedings of the 6th Mechanical Engineering, Science and Technology International conference (MEST 2022). ? Atlantis Press, 2023. ? P. 107–113. ? DOI: 10.2991/978-94-6463-134-0_11.

25. Oxidation behavior of WC-Co hard metal with designed multilayer coatings by CVD / X. Chen, H. Liu, Q. Guo, S. Sun // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. ? 2012. ? Vol. 31. ? P. 171–178. ? DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2011.10.012.

26. Патент № 2465984 Российская Федерация, МПК B23B1/00 (2006.01). Способ определения оптимальной скорости резания: № 2011106685/02: заявл. 22.02.2011: опубл. 10.11.2012, Бюл. № 51 / В.П. Нестеренко, Т.Ю. Малеткина, О.Б. Перевалова, В.И. Меркулов, И.А. Шулепов, К.П. Арефьев.

27. Laser-induced oxidation assisted micro milling of high aspect ratio microgroove on WC-Co cemented carbide / G. Zhao, H. Xia, Y. Zhang, L. Li, N. He, H.N. Hansen // Chinese Journal of Aeronautics. ? 2021. ? Vol. 34 (4). ? P. 465–475. ? DOI: 10.1016/j.cja.2020.08.011.

28. Влияние внешней среды на износ твердых сплавов / А.А. Рыжкин, А.И. Боков, В.В. Зотов, Д.П. Глоба // Вестник Донского государственного технического университета. – 2010. – Т. 10, № 1 (44). – С. 112–120.

29. Термохимическое окисление твердых сплавов / А.Д. Верхотуров, Л.А. Коневцов, П.С. Гордиенко, Е.С. Панин // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. – 2009. – № 2 (144). – С. 93–97.

30. Трухин В.В. Исследование износа режущего инструмента // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2007. – № 2 (60). – С. 103–105.

31. Жилин В.А. Субатомный механизм износа режущего инструмента. – Ростов н/Д.: Ростов. ун-т, 1973. – 166 с.

32. Казаков Н.Ф. Радиоактивные изотопы в исследовании износа режущего инструмента. – М.: Машгиз, 1960. – 328 с.

33. Аматуни А.Н. Методы и приборы для определения температурных коэффициентов линейного расширения материалов. – М.: Изд-во стандартов, 1972. – 140 с.

34. A review of measurement techniques for the thermal expansion coefficient of metals and alloys at elevated temperatures / J.D. James, J.A. Spittle, S.G.R. Brown, R.W. Evans // Measurement Science and Technology. – 2001. ? Vol. 12. – P. R1–R15. ? DOI: 10.1088/0957-0233/12/3/201.

35. Ефимович И.А., Золотухин И.С., Завьялов Е.С. Температурный коэффициент линейного расширения вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). ? 2019. ? Т. 21, № 3. ? С. 129?140. ? DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-129-140.

36. ГОСТ 3882–74. Сплавы твердые спеченные. Марки. – М.: Изд-во стандартов, 1998. ? 13 с.