Закономірності формування структури та фізикомеханічних властивостей твердих сплавів WC-Co в умовах ізостатичного тиску

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorТроснікова, Ірина Юріївна
dc.contributor.advisorАкимов, Геннадій Якович
dc.contributor.authorШеремет, Віталій Ігорович
dc.date.accessioned2025-06-10T13:19:49Z
dc.date.available2025-06-10T13:19:49Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractШеремет В. І. Закономірності формування структури та фізикомеханічних властивостей твердих сплавів WC-Co в умовах ізостатичного тиску. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 13 Механічна інженерія за спеціальністю 132 Матеріалознавство. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена дослідженню закономірностей впливу холодного ізостатичного пресування (ХІП) неспечених компактів вольфрамокобальтових твердих сплавів на формування структури, кінетику фазоутворення, комплекс фізико-механічних властивостей та експлуатаційні характеристики спечених виробів з цих матеріалів. Особливу увагу приділено пошуку технологічних прийомів підвищення експлуатаційних властивостей спечених виробів застосуванням обробки високим гідростатичним тиском (ВГТ). У роботі наведено літературний огляд актуальних досліджень, сучасний стан розвитку технологій одержання та обробки твердих сплавів. Проаналізовано виробничі підходи, спрямовані на підвищення функціональних властивостей виробів з вольфрамокобальтових твердих сплавів. Показано, що найбільш поширені методи одержання цих матеріалів мають низку переваг порівняно з традиційною технологією одержання цих матеріалів (компактування в закритих прес-формах та подальше спікання у вакуумі) однак, в той же час, не позбавлені недоліків. Так, після додаткової обробки спечених виробів з твердого сплаву, ріст однієї з властивостей часто супроводжується падінням інших. Таким чином, встановлено, що актуальною задачею є створення наукових та практичних засад щодо розвитку технології одержання та обробки твердих сплавів, яка б забезпечувала підвищення рівня комплексу фізико-механічних властивостей та експлуатаційних характеристик і була б позбавлена недоліків, притаманних усталеним методам. Другий розділ дисертаційної роботи включає загальні характеристики вихідних матеріалів, опис методики одержання та обробки зразків з твердих сплавів. Приведено опис використаних в роботі методів дослідження мікроструктури, хімічного та фазового складу, фізико-механічних і експлуатаційних властивостей. У третьому розділі встановлено основні механізми ущільнення під час компактування ХІП тисками від 100 МПа до 400 МПа твердих сплавів WC-3Co, WC-8Co, WC-15Co. Виходячи з визначених закономірностей, обґрунтовано вибір оптимального тиску ХІП, який забезпечує найвищу щільність компакту, формування структури пресовок твердих сплавів з більш дрібними частинками WC та підвищення рівня залишкових напружень у WC. Досліджено взаємозв’язок між зміною напружено-деформованого стану компактів твердих сплавів WC-8Co і WC-15Co, одержаних ХІП, та кінетикою процесів фазоутворення під час їх спікання. Показано, що на відміну від спечених пресовок твердих сплавів WC-8Co і WC-15Co, одержаних одновісним пресуванням, в яких кобальт переважно знаходився в ГЦК поліморфній модифікації, кобальт в сплавах ідентичного хімічного складу, які піддавали ХІП перед спіканням, переважно знаходився в ГЩП поліморфній модифікації. Результати рентгеноструктурного аналізу свідчать про зміну співвідношення інтенсивностей дифракції площин гексагональної ґратки WC та сумарної інтенсивності дифракції площин ГЦК-Co в сплаві WC-8Co-0,3VC, одержаного ХІП, порівняно зі сплавом, одержаним одновісним пресуванням, що вказує на зменшення середнього розміру зерен WC та зміну розподілу кобальтової зв’язуючої в структурі композиту, одержаного із застосуванням ХІП. У четвертому розділі наведено результати дослідження механічних властивостей твердих сплавів WC-8Co, WC-8Co-0,3VC і WC-15Co. Розглянуто особливості структури спечених твердих сплавів, сформованих із застосуванням ХІП, що якісно відрізняє дані композити від ідентичних за хімічним складом,одержаних одновісним пресуванням. Показано принципову відмінність локальної взаємодії зерен WC та кобальтової матриці, їх деформації та руйнування під час механічних випробувань сплавів, одержаних ХІП, порівняно зі сплавами, одержаними одновісним пресуванням. Встановлено, що зміна поліморфної модифікації з ГЦК на ГЩП значного об’єму кобальту та зменшення середнього розміру зерен WC у твердому сплаві WC-8Co, одержаного із застосуванням ХІП, призвело до підвищення твердості та границі міцності композиту порівняно зі сплавом, одержаним одновісним пресуванням. Показано, що ХІП сплаву, легованого інгібітором росту зерен, сформувало умови, що забезпечили утворення бімодальної структури спеченого композиту з гомогенними областями зв’язуючої фази – осередками кобальту. Встановлено, що зі зменшенням середнього розміру зерен WC у сплаві, який піддавали ХІП, на ряду зі збереженням тенденції підвищення твердості нетипово, як для сплавів, легованих інгібіторами росту зерен, тріщиностійкість композиту зросла в 1,5 рази порівняно зі сплавом WC-8Co-0,3VC, одержаного одновісним пресуванням. Виявлено, що ініційована ХІП зміна типу кристалічної ґратки з ГЦК на ГЩП в об’ємі кобальту твердого сплаву WC-15Co відобразилася на зниженні здатності композиту до супротиву утворенню та поширенню тріщини, однак призвела до підвищення границі міцності та твердості композиту. У п’ятому розділі проведено оцінку зносостійкості інструментів з твердих сплавів WC-6Co, WC-8Co та WC-15Co, одержаних ХІП, під час їх випробування в найбільш типових умовах експлуатації для кожної з досліджуваних марок. Встановлено, що в порівнянні з інструментом з твердих сплавів WC-6Co, WC-8Co та WC-15Co, одержаним одновісним пресуванням, інструмент з твердих сплавів, одержаний ХІП, показав кращу стійкість до зношування під час його експлуатаційного випробування. Показано, що у сплавах, одержаних ХІП, завдяки зміні фазового складу, напружено-деформованого стану та структури, переважаючим був принципово відмінний механізм зношування порівняно зі сплавами, одержаними одновісним пресуванням. Пластична деформація поверхневих шарів бурового, ріжучого та деформуючого інструменту з подальшим відшаруванням деформованого об’єму матеріалу під час адгезійного типу зношування була притаманна сплавам, одержаним одновісним пресуванням, поступове абразивне зношування поверхневих шарів інструменту з подальшим викришуванням окремих зерен WC – для сплавів, одержаних ХІП. У шостому розділі запропоновано спосіб обробки твердих сплавів високим гідростатичним тиском (ВГТ). Показано, що обробка ВГТ твердого сплаву WC15Co ініціює мартенситне фазове перетворення в зв’язуючій складовій, що супроводжується збільшення кількості ГЩП поліморфної модифікації кобальту у композиті. Виявлено, що обробка ВГТ формує градієнтний розподіл властивостей по об’єму композиту, так, зміни, спричинені обробкою, найсильніше проявляються на поверхні сплаву та менш виражені в його об’ємі у міру віддалення від поверхні. Експериментально встановлено, що обробка ВГТ твердого сплаву WC-15Co підвищує його границю міцності, твердість та зносостійкість.
dc.description.abstractotherSheremet V. I. Regularities of the formation of the structure and physicomechanical properties of WC-Co cemented carbides under isostatic pressure. – Qualification scientific work as a manuscript. Thesis for the Doctor of Philosophy Degree in field of study 13 Mechanical Engineering in program subject area 132 Material Science. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. The PhD thesis is devoted to the study of the regularities of the influence of cold isostatic pressing (CIP) of unsintered compacts of WC-Co cemented carbides on the formation of structure, phase formation kinetics, a set of physical and mechanical properties, and performance characteristics of sintered products from these materials. Particular attention is paid to the search for technological methods to improve the performance properties of sintered products by applying high hydrostatic pressure (HHP) treatment. The paper provides a literature review of recent research, the current trends in development of technologies for the production and processing of cemented carbides. Production approaches aimed at improving the functional properties of products made of WC-Co cemented carbides are analyzed. It is shown that the most common methods of obtaining these materials have a number of advantages over the conventional technology (uniaxial compaction and subsequent sinter-HIP sintering), but at the same time, they are not without drawbacks. For example, after additional processing of sintered cemented carbide products, an increase in one of the properties is often accompanied by a decrease in the other. Thus, it has been established that an actual objective is to create scientific and practical principles for the development of the cemented carbides production and processing technology which would ensure an increase in the level of physical andmechanical properties and performance characteristics and would be devoid of the disadvantages inherent in conventional methods. Chapter two of the thesis includes general characteristics of the initial materials, a description of the methodology for obtaining and processing samples from cemented carbides. A description of the methods used in the study of microstructure, chemical and phase composition, physical, mechanical and operational properties is given. In the third chapter, the main mechanisms of densification during CIP compaction with pressures from 100 MPa to 400 MPa of WC-3Co, WC-8Co, and WC-15Co cemented carbides are established. Based on the established dependencies, the choice of the optimal CIP pressure is substantiated, which ensures the highest density of the compact, the formation of the cemented carbides structure with smaller WC particles, and an increase in the level of residual stresses in WC. The correlation between the change in the stress-strain state of WC-8Co and WC15Co cemented carbides compacts produced by CIP and the kinetics of phase formation processes during their sintering was investigated. It is shown that unlike the sintered cemented carbides compacts of WC-8Co and WC-15Co produced by uniaxial pressing, in which cobalt was mainly in the FCC polymorphic modification, cobalt in composites of identical chemical composition that were subjected to CIP before sintering was mainly in the HCP polymorphic modification. The XRD analysis results indicate a change in the ratio of diffraction intensities of the WC hexagonal lattice planes and the total diffraction intensity of the FCC-Co planes in the WC-8Co-0.3VC cemented carbide produced by CIP compared to the composite produced by uniaxial pressing, indicating a decrease in the average WC grain size and a change in the distribution of the cobalt binder in the structure of the composite produced by applying CIP. Chapter four provides the results of studying the mechanical properties of WC8Co, WC-8Co-0.3VC, and WC-15Co cemented carbides. The features of the structure of sintered cemented carbides formed using CIP are observed, which qualitatively distinguishes these composites from those of identical chemical composition obtained by uniaxial pressing. The principal difference between the local interaction of WC grains and the cobalt matrix, their deformation and fracture during mechanical tests of the composites produced by CIP compared to the composites produced by uniaxial pressing is shown. It was found that the change in polymorphic modification from FCC to HCP of a significant amount of cobalt and a decrease in the average grain size of WC in the WC-8Co cemented carbide produced by using CIP led to an increase in the hardness and strength of the composite compared to the alloy obtained by uniaxial pressing. It is shown that the CIP of the cemented carbide with the addition of VC grain growth inhibitor formed conditions that ensured the formation of a bimodal structure of the sintered composite with homogeneous areas of the binder phase - cobalt pools. It was found that with a decrease in WC average grain size in the composite that were subjected to CIP as well as the tendency to increase hardness atypically as for cemented carbides with grain growth inhibitors the crack resistance of the composite increased by 1,5 times compared to the WC-8Co-0.3VC cemented carbide produced by uniaxial pressing. It was found that the change in the type of crystal lattice from FCC to HCP of a significant amount of cobalt of WC-15Co cemented carbide initiated by CIP affected the decrease in the ability to resist crack formation and propagation but led to an increase in the strength and hardness of the composite. In chapter five the wear resistance of instruments made of WC-6Co, WC-8Co, and WC-15Co cemented carbides produced by CIP was evaluated during their testing under the most common operating conditions for each of the studied grades. It has been established that in comparison with the tools made of WC-6Co, WC-8Co, and WC-15Co cemented carbides produced by uniaxial pressing, the cold isostatically pressed tools made of identical chemical composition composites showed better wear resistance during its operational testing. It is shown that due to the changes in phase composition, stressstrain state, and structure of the cemented carbides produced by CIP a fundamentally different wear mechanism prevailed compared to the composites produced by uniaxial pressing. Plastic deformation of the surface layers of drilling, cutting, and deforming tools with subsequent delamination of the deformed material volume during adhesive wear was inherent in the composites produced by uniaxial pressing, and gradual abrasive wear of the tool surface layers with subsequent crumbling of individual WC grains was typical for the composites produced by CIP. In chapter six the method for cemented carbides processing by high hydrostatic pressure (HHP) is proposed. It is shown that the HHP treatment of WC-15Co cemented carbide initiates a martensitic phase transition in the binder component which is accompanied by an increase in the number of HCP polymorphic modification of cobalt in the composite. It was found that the HHP treatment forms a gradient distribution of properties over the volume of the composite, so the changes caused by the treatment are most pronounced on the surface of the composite and less pronounced in its volume as it moves away from the surface. It has been experimentally established that HHP treatment of WC-15Co cemented carbide increases its strength, hardness, and wear resistance of deforming tools made of this material.
dc.format.extent184 с.
dc.identifier.citationШеремет, В. І. Закономірності формування структури та фізикомеханічних властивостей твердих сплавів WC-Co в умовах ізостатичного тиску : дис. … д-ра філософії : 132 Матеріалознавство / Шеремет Віталій Ігорович – Київ, 2025. – 184 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74170
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectхолодне ізостатичне пресування
dc.subjectтверді сплави
dc.subjectкомпозиційні матеріали
dc.subjectпресування порошків
dc.subjectрентгеноструктурний аналіз
dc.subjectметалокерамічні матеріали
dc.subjectлегування добавками
dc.subjectнапружено-деформований стан
dc.subjectпластична деформація
dc.subjectзалишкові напруження
dc.subjectфазові перетворення
dc.subjectмеханічні властивості
dc.subjectтвердість
dc.subjectзносостійкість
dc.subjectрізання
dc.subjectcold isostatic pressing
dc.subjectcemented carbides
dc.subjectcomposite materials
dc.subjectpowder pressing
dc.subjectX-ray diffraction
dc.subjectcermet materials
dc.subjectadditive alloying
dc.subjectstress-strain state
dc.subjectplastic deformation
dc.subjectresidual stresses
dc.subjectphase transition
dc.subjectmechanical properties
dc.subjecthardness
dc.subjectwear resistance
dc.subjectcutting
dc.subject.udc621.762.4:539.4.015
dc.titleЗакономірності формування структури та фізикомеханічних властивостей твердих сплавів WC-Co в умовах ізостатичного тиску
dc.title.alternativeRegularities of the formation of the structure and physicomechanical properties of WC-Co cemented carbides under isostatic pressure
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
SheremetVI_dys.pdf
Розмір:
16.27 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ВТМПМ)
Дисертації (вільний доступ)