ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Изготовление пресс-форм из стали или твердого сплава – дорогостоящий этап, существенно влияющий на себестоимость продукции порошковой металлургии, особенно в опытном и мелкосерийном производстве. Перспективным направлением является использование аддитивных технологий для создания оснастки и применение альтернативных, менее дорогих связок для твердых сплавов. Цель работы: исследование возможности использования аддитивных технологий для формования заготовок пресс-форм из сплавов WC-15Co и WC-5Fe-5Ni-5Co и проведение сравнительного анализа фазового состава, микроструктуры, плотности, твердости, вязкости разрушения, прочности и износостойкости данных материалов. Методы. Детали пресс-форм (матрицы и пуансоны) из сплавов WC-15Co и WC-5Fe-5Ni-5Co изготавливали методом холодного прессования гранулированных порошков в пресс-формах, полученных фотополимерной 3D-печатью (Water-Wash Resin 2.0, высота слоя 20 мкм) с последующим вакуумным спеканием при 1400 °C. Проведен сравнительный анализ плотности, фазового состава, микроструктуры, твердости, прочности, вязкости разрушения и микроабразивной износостойкости полученных материалов. С помощью опытных твердосплавных пресс-форм методом холодного прессования и спекания при 1450 °C изготовлены режущие пластины SNUM-120408 из сплава ВК6, размеры которых сопоставлены с требованиями ГОСТ 19052–80 и 19042–80, а также с коммерческим аналогом. Результаты и обсуждение. Экспериментально подтверждена принципиальная возможность изготовления крупногабаритных (массой до 210 г) деталей твердосплавных пресс-форм с использованием фотополимерной оснастки. Относительная плотность деталей составила 99,1 % для WC-15Co и 98,3 % для WC-5Fe-5Ni-5Co, что незначительно ниже, чем у эталонных образцов, спрессованных при большем давлении в стальной пресс-форме. Показано, что замена кобальтовой связки на среднеэнтропийную Fe-Ni-Co приводит к подавлению роста зерен WC (средний размер 1,18 мкм против 1,40 мкм), что наряду с большей твердостью связки обеспечивает повышение твердости сплава (1070 HV против 1010 HV) и снижение скорости микроабразивного износа на 10 %. Изготовленные пресс-формы позволили получить режущие пластины, геометрические параметры (длина режущей кромки, толщина, радиус скругления) и физико-механические свойства которых соответствуют требованиям ГОСТ 19052–80 и 3882–74, а также находятся на уровне коммерческих аналогов. Заключение. Предложенный подход, сочетающий недорогую фотополимерную 3D-печать для создания оснастки и использование твердого сплава со среднеэнтропийной связкой Fe-Ni-Co, позволяет эффективно изготавливать работоспособные твердосплавные пресс-формы для мелкосерийного производства. Сплав WC-5Fe-5Ni-5Co, обладающий повышенной твердостью и износостойкостью, является перспективной заменой стандартному сплаву WC-15Co для данных условий эксплуатации.

1. Дворник М.И., Мокрицкий Б.Я., Зайцев А.В. Сравнительный анализ микроабразивной износостойкости традиционных твердых сплавов и субмикронного твердого сплава WC-8Co-1Cr₃C₂ // Вопросы материаловедения. – 2015. – № 1 (81). – С. 45–51.

2. Дворник М.И., Зайцев А.В. Сравнительный анализ износостойкости субмикронного твердого сплава WC-8Co-1Cr₃C₂ и традиционных твердых сплавов при сухом трении // Перспективные материалы. – 2015. – № 5. – С. 34–41.

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

4. Повышение стойкости зубьев буровых долот за счет изменения технологии их изготовления / Дж.Б. Тошов, Д.М. Фозилов, К.К. Елемесов, У.Н. Рузиев, Д.Н. Абдуллаев, Д.Д. Басканбаева, Л.Р. Бекирова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 4. – С. 112–124. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.4-112-124.

5. Белоусова В.П., Попова М.Н., Белоусов А.Л. Экономико-технологические аспекты организации производства изделий из порошковых материалов на машиностроительных предприятиях // Конструкции из композиционных материалов. – 2007. – № 4. – С. 122–126.

6. Gent W.E., Busse G.M., House K.Z. The predicted persistence of cobalt in lithium-ion batteries // Nature Energy. – 2022. – Vol. 7 (12). – P. 1132–1143. – DOI: 10.1038/s41560-022-01129-z.

7. Armstead A.L., Li B. Nanotoxicity: emerging concerns regarding nanomaterial safety and occupational hard metal (WC-Co) nanoparticle exposure // International Journal of Nanomedicine. – 2016. – Vol. 11. – P. 6421–6433. – DOI: 10.2147/IJN.S121444.

8. Armstead A.L., Li B. In vitro inflammatory effects of hard metal (WC-Co) nanoparticle exposure // International Journal of Nanomedicine. – 2016. – Vol. 11. – P. 6195–6206. – DOI: 10.2147/IJN.S121176.

9. Comparative study of WC-based hard alloys fabrication via spark plasma sintering using Co, Fe, Ni, Cr, and Ti binders / O.O. Shichalin, I.Yu. Buravlev, E.K. Papynov, A.V. Golub, A.A. Belov, A.A. Buravleva, V.N. Sakhnevich, M.I. Dvornik, N.M. Vlasova, A.V. Gerasimenko, V.P. Reva, A.A. Yudakov // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2022. – Vol. 102. – P. 105725. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105725.

10. Fracture behavior of cemented carbides with CoNiFe medium entropy alloy binder / C. Qian, K. Li, H. Cheng, W. Zhang, X. Jiang, Y. Liu // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2021. – Vol. 98. – P. 105547. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105547.

11. Mechanical properties and microstructure of WC-Fe-Ni-Co cemented carbides prepared by vacuum sintering / Y. Gao, B.-H. Luo, K. He, H. Jing, Z. Bai, W. Chen, W.-W. Zhang // Vacuum. – 2017. – Vol. 143. – P. 271–282. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2017.06.028.

12. Chang S.-H., Chang M.-H., Huang K.-T. Study on the sintered characteristics and properties of nanostructured WC-15 wt%(Fe-Ni-Co) and WC-15 wt% Co hard metal alloys // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – Vol. 649. – P. 89–95. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.07.119.

13. Comparative study of the microstructure and mechanical properties of WC/High-speed steel composite materials prepared with Co, Ni, and Fe binders / H. Li, H. Zhang, D. Chen, Z. Jiang // JOM. – 2024. – Vol. 76 (5). – P. 2120–2131. – DOI: 10.1007/s11837-024-06429-1.

14. Soria-Biurrun T., Sanchez-Moreno J.M., Frisk K. Experimental and theoretical study of WC-40Fe-20Co-40Ni // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2022. – Vol. 102. – P. 105719. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105719.

15. Experimental investigation and thermodynamic modelling of WC-Fe-Ni-Co-Cr cemented carbides / T. Soria-Biurrun, S. Sridar, K. Frisk, W. Xiong, J.M. Sánchez-Moreno // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2024. – Vol. 124. – P. 106824. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2024.106824.

16. Effect of Cr₃C₂ addition on microstructure and mechanical properties of WC-CoNiFe cemented carbides / J. Wu, D. Ren, B. Xie, R. He, Z. Geng, Z. Zhang, Y. Liu, D. Wang, Y. Zhu, W. Zhang // Metals. – 2024. – Vol. 14 (8). – P. 895. – DOI: 10.3390/met14080895.

17. Densification of WC-Fe-Ni-Co-Cr cemented carbides processed by HIP after sintering: effect of WC powder particle size / T. Soria-Biurrun, L. Lozada-Cabezas, J. Navarrete-Cuadrado, F. Ibarreta-Lopez, R. Martinez-Pampliega, J.M. Sánchez-Moreno // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2023. – Vol. 110. – P. 105994. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2022.105994.

18. Овчаренко А.Г., Козлюк А.Ю., Курепин М.О. Повышение износостойкости пластин из твердого сплава // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2010. – № 2 (47). – С. 13–15.

19. Structure and properties of WC-Fe-Ni-Co nanopowder composites for use in additive manufacturing technologies / M. Krinitcyn, N.V. Svarovskaya, N. Rodkevich, E. Ryumin, M. Lerner // Metals. – 2024. – Vol. 14 (2). – P. 167. – DOI: 10.3390/met14020167.

20. Microstructure analysis of high density WC-Co composite prepared by one step selective laser melting / J. Chen, M. Huang, Z.Z. Fang, M. Koopman, W. Liu, X. Deng, Z. Zhao, S. Chen, S. Wu, J. Liu, W. Qi, Z. Wang // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2019. – Vol. 84. – P. 104980. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.104980.

21. Li C.-W., Chang K.-C., Yeh A.-C. On the microstructure and properties of an advanced cemented carbide system processed by selective laser melting // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 782. – P. 440–450. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.12.187.

22. Gu D., Meiners W. Microstructure characteristics and formation mechanisms of in situ WC cemented carbide based hardmetals prepared by Selective Laser Melting // Materials Science and Engineering: A. – 2010. – Vol. 527 (29–30). – P. 7585–7592. – DOI: 10.1016/j.msea.2010.08.075.

23. Khmyrov R.S., Safronov V.A., Gusarov A.V. Synthesis of nanostructured WC-Co hardmetal by selective laser melting // Procedia IUTAM. – 2017. – Vol. 23. – P. 114–119. – DOI: 10.1016/j.piutam.2017.06.011.

24. Laser powder bed fusion of cemented carbides by developing a new type of Co coated WC composite powder / L. Zhang, C. Hu, Y. Yang, R.D.K. Misra, K. Kondoh, Y. Lu // Additive Manufacturing. – 2022. – Vol. 55. – P. 102820. – DOI: 10.1016/j.addma.2022.102820.

25. Effect of binder saturation and drying time on microstructure and resulting properties of sinter-HIP binder-jet 3D-printed WC-Co composites / A. Mostafaei, P.R. De Vecchis, K.A. Kimes, D. Elhassid, M. Chmielus // Additive Manufacturing. – 2021. – Vol. 46. – P. 102128. – DOI: 10.1016/j.addma.2021.102128.

26. Mechanical and microstructural characterization of WC-Co consolidated by binder jetting additive manufacturing / M. Mariani, I. Goncharov, D. Mariani, G.P. De Gaudenzi, A. Popovich, N. Lecis, M. Vedani // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2021. – Vol. 100. – P. 105639. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105639.

27. Material extrusion-based three-dimensional printing of WC–Co alloy with a paste prepared by powder coating / H. Kim, J.I. Kim, Y.D. Kim, H. Jeong, S.S. Ryu // Additive Manufacturing. – 2022. – Vol. 52. – P. 102679. – DOI: 10.1016/j.addma.2022.102679.

28. Effect of printing parameters on sintered WC-Co components by binder jetting / M. Mariani, D. Mariani, G.P. De Gaudenzi, N. Lecis // European Journal of Materials. – 2022. – Vol. 2 (1). – P. 365–380. – DOI: 10.1080/26889277.2022.2076617.

29. Fused filament fabrication of WC-10Co hardmetals: a study on binder formulations and printing variables / J.D. Rubiano Buitrago, A.F. Gil Plazas, L.A. Boyacá Mendivelso, L.K. Herrera Quintero // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2024. – Vol. 8 (3). – P. 118. – DOI: 10.3390/jmmp8030118.

30. Dependence of density, hardness, strength, and dimensions of WC–15 Co hard alloy samples on the plasticizer content in workpieces obtained using a plastic mold made by 3D printing / M.I. Dvornik, E.A. Mikhailenko, A.A. Burkov, D.A. Kolzun // Inorganic Materials: Applied Research. – 2024. – Vol. 15 (5). – P. 1457–1465. – DOI: 10.1134/S2075113324701132.

31. Возможность использования неразъемной испаряемой пластиковой формы, полученной методом 3D-печати, для формования твердосплавной фрезы / М.И. Дворник, Е.А. Михайленко, А.А. Бурков, Е.В. Черняков // Цветные металлы. – 2025. – № 8. – С. 36–42. – DOI: 10.17580/tsm.2025.08.04.

32. Исследование характеристик режущих пластин из твердого сплава WC-5TiC-10Co, полученных с применением пластиковой формы, изготовленной методом 3D-печати / М.И. Дворник, Е.А. Михайленко, А.А. Бурков, Е.В. Черняков // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2024. – Т. 18, № 5. – С. 55–65. – DOI: 10.17073/1997-308X-2024-5-55-65.

33. 3D printed plastic molds utilization for WC-15Co cemented carbide cold pressing / M.I. Dvornik, E.A. Mikhailenko, A.A. Burkov, D.A. Kolzun // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2023. – Vol. 115. – P. 106312. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2023.106312.

34. Cast WC-Co alloy-based tool manufacturing using a polymeric mold prepared via digital light processing 3D printing / H. Kim, J.I. Kim, Y.D. Kim, H. Jeong, S.S. Ryu // Materials Letters. – 2022. – Vol. 306. – P. 130979. – DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130979.

35. Dependence of wear rate of sintered WC and cemented carbides on hardness and cobalt content during free ball micro-abrasive wear test / M.I. Dvornik, O.O. Shichalin, E.A. Mikhailenko, N.M. Vlasova, E.V. Chernyakov // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2025. – Vol. 134. – P. 107495. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2025.107495.

36. Effect of Fe/Ni ratio on the microstructure and properties of WC-Fe-Ni-Co cemented carbides / Y. Gao, B.H. Luo, K.J. He, W.W. Zhang, Z.H. Bai // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44 (2). – P. 2030–2041. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.10.149.

37. First-principles calculation on the relationships of h-WC/γ-Fe interface / Z. Shi, S. Liu, Y. Gao, Y. Zhou, Y. Wang, Y. Liu // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2018. – Vol. 123. – P. 11–18. – DOI: 10.1016/j.jpcs.2018.07.006.

38. Effect of solute elements (Cr, Mo, Fe, Co) on the adhesion properties of WC/Ni-based binder interface: A first-principles study / K. Lu, Y. Liu, H. Zhang, Z. Wang, C. Liu, Y. Zhou // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2021. – Vol. 98. – P. 105563. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2021.105563.

39. Gnidenko A.A. First principle simulation of the Co layers behavior on a surface of hexagonal tungsten carbide // Physics Procedia. – 2012. – Vol. 23. – P. 132–135. – DOI: 10.1016/j.phpro.2012.01.033.

40. Li H., Zhang H., Jiang Z. Investigation of the effect of partial Co substitution by Ni and Fe on the interface bond strength of WC cemented carbide based on first-principles calculations // Materials Today Communications. – 2024. – Vol. 40. – P. 109470. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2024.109470.

41. Fabrication and characterization of WC-AlCoCrCuFeNi high-entropy alloy composites by spark plasma sintering / W. Luo, Y. Liu, Y. Luo, M. Wu // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 754. – P. 163–170. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.04.260.

42. A new hardness model for materials design in cemented carbides / M. Walbrühl, D. Linder, J. Agren, A. Borgenstam // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2018. – Vol. 75. – P. 94–100. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2018.04.004.

43. Effect of WC grain size on mechanical properties and microstructures of cemented carbide with medium entropy alloy Co-Ni-Fe binder / C. Qian, K. Li, X.Y. Guo, B. Liu, Z.Y. Long, Y. Liu // Journal of Central South University. – 2020. – Vol. 27 (4). – P. 1146–1157. – DOI: 10.1007/s11771-020-4355-5.