Đề tài đã tiến hành cắt các mẫu nhỏ có kích thƣớc 1,5x1,5 tại các vùng tâm và cạnh của mẫu HKC sau thiêu kết. Kết quả đo độ bão hòa từ của các mẫu đƣợc biểu diễn dƣới dạng đồ thị Mô men từ M – Cƣờng độ từ trƣờng H (Hình 4.14)
50 Hình 4.14. Đồ thị Mômen từ M – Cường độ từ trường H của các mẫu nghiên cứu
Nhận xét:
- Xét mẫu HKC CK91 đƣợc thiêu kết trong chân không, có thể thấy độ bão hòa từ của phần mẫu ở tâm và phần mẫu ở cạnh không chênh nhau nhiều
66
(0,13 emu/g, tƣơng đƣơng với 1%). Điều này chứng tỏ phân bố Co ở tâm và cạnh mẫu tƣơng đối đều.
- Khi tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh, chênh lệch về độ bão hòa từ M của phần mẫu ở tâm và phần mẫu ở cạnh tăng lên, với mức độ ngày càng cao. Đồ thị M - áp lực ép P (Hình 4.15) cho thấy khi tăng áp lực ép đẳng tĩnh từ 0 – 10 atm, độ chênh lệch M không nhiều. Tuy nhiên, khi tăng áp lực ép từ 10 – 50 atm, độ chênh lệch M tăng lên cao hơn hẳn và tăng rất mạnh khi tăng áp lực ép từ 50 – 500 atm. Rõ ràng, việc nâng cao áp lực ép nóng đẳng tĩnh đã làm cho phân bố Co giữa vùng tâm và vùng cạnh mẫu thay đổi mạnh, mật độ Co tại tâm mẫu cao hơn hẳn so với mật độ Co ở cạnh mẫu.
51 Hình 4.15. Đồ thị M – Áp lực ép của các mẫu HKC
- Sự thay đổi về phân bố Co trong mẫu ảnh hƣởng đến cơ tính của vật liệu. Trong khoảng áp lực ép từ 0 – 50 atm, Co lỏng chủ yếu điền đầy các rỗ xốp có trong mẫu, vì vậy giai đoạn này mật độ, độ cứng và độ dai của mẫu đều tăng tƣơng đối nhanh (kết luận 4.3). Khi tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh từ 50 – 500 atm, rỗ xốp tế vi trong mẫu còn lại rất ít, thể hiện ở mức độ tăng không đáng kể về mật độ và độ cứng của mẫu. Lúc này dƣới tác dụng của áp lực ép đẳng tĩnh, Co bị dồn nén tại tâm của mẫu, mật độ Co tại tâm cao hơn hẳn so
67
với các mẫu khác, vì vậy độ dai của mẫu tiếp tục tăng hơn 3% (bảng 4.2). Có thể thấy rõ điều này khi quan sát vết đâm tại vùng tâm (hình 4.16a) và vùng cạnh (hình 4.16b) mẫu P4 thu đƣợc trong quá trình đo độ cứng HV. Các vết nứt xuất phát từ 4 góc của vết đâm tại vùng tâm mẫu (có tổng chiều dài 57 m) ngắn hơn nhiều so với các vết nứt xuất phát từ 4 góc của vết đâm tại vùng cạnh mẫu (có tổng chiều dài 115 m), chứng tỏ vùng tâm mẫu có độ dai cao hơn vùng cạnh mẫu.
52 Hình 4.16. Ảnh hiển vi quang học vết đâm tại tâm (a) và cạnh (b) mẫu P4
khi đo độ cứng HV
Kết luận 4.4
Dƣới tác dụng của ép nóng đẳng tĩnh, Co lỏng bị dồn nén về phía tâm mẫu, tạo nên sự chênh lệch về mật độ Co ở tâm và cạnh của mẫu. Chênh lệch không nhiều khi áp lực ép tăng từ 0 – 50atm và chênh lệch nhiều nhất khi áp lực ép tăng từ 50 – 500 atm.
Chênh lệch về mật độ Co làm cho vùng cạnh mẫu trở lên cứng hơn (do mật độ Co giảm) và vùng tâm mẫu trở lên dai hơn (do mật độ Co tăng) khi so sánh với mẫu đƣợc thiêu kết trong chân không và do đó làm tăng cơ tính của vật liệu.
68
KẾT LUẬN
Trên cơ sở các kết quả thu đƣợc trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo hợp kim cứng hệ WC – Co cơ tính cao bằng kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh bổ sung”, có thể rút ra một số kết luận sau:
1. Để có thể chế tạo hợp kim cứng có cơ tính cao, ngoài việc giảm kích thƣớc hạt WC, kỹ thuật thiêu kết+ép nóng đẳng tĩnh cũng có thể đƣợc sử dụng. Dƣới tác dụng của ép nóng đẳng tĩnh, Co lỏng bị dồn nén và điền đầy vào các rỗ xốp có trong mẫu, làm tăng mật độ và cơ tính của hợp kim cứng. 2. Đề tài đã xây dựng đƣợc công nghệ thiêu kết HKC hệ WC – 8%Co trong
chân không từ bột WC có kích thƣớc hạt 3m. Mẫu tƣơi sau khi đƣợc ép ở áp lực 1,5 tấn/cm2 đƣợc thiêu kết trong chân không ở 1400oC, với thời gian giữ nhiệt 60 phút. Mẫu nhận đƣợc sau thiêu kết có các thông số cơ lý tính nhƣ sau:
- Mật độ: 14, 68 (g/cm3) - Độ cứng: 1295 (HV30) - Độ bền uốn: 1867 (MPa) - Độ dai: 14,9 (MPa.m1/2)
3. Đã xác định đƣợc ảnh hƣởng của áp lực ép nóng đẳng tĩnh bổ sung đối với cơ tính của HKC. Với thời gian giữ áp là 30 phút tại nhiệt độ 1400oC, cơ lý tính của mẫu thay đổi nhiều khi tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh từ 0 – 50 atm và ít thay đổi khi tăng áp lực ép nóng đẳng tĩnh từ 50 – 500 atm.
4. Đã xác định ảnh hƣởng của áp lực ép nóng đẳng tĩnh đến phân bố Co trong mẫu, theo đó tâm mẫu có hàm lƣợng Co cao hơn so với vùng cạnh mẫu, làm tăng độ dai của HKC đƣợc ép nóng đẳng tĩnh so với HKC đƣợc thiêu kết trong chân không.
5. Đề tài đã xây dựng đƣợc công nghệ thiêu kết có ép nóng đẳng tĩnh bổ sung HKC hệ WC – 8%Co từ bột WC có kích thƣớc hạt 3m. Mẫu tƣơi sau khi đƣợc ép ở áp lực 1,5 tấn/cm2
69
1400oC trong thời gian 60 phút và tiếp tục đƣợc ép nóng đẳng tĩnh ở áp lực 50 atm trong thời gian 30 phút (ở cùng một nhiệt độ). Mẫu HKC nhận đƣợc có các thông số cơ lý tính sau:
- Mật độ: 14, 829 (g/cm3) - Độ cứng: 1378 (HV30) - Độ bền uốn: 2136 (MPa) - Độ dai: 18,2 (MPa.m1/2)
So với mẫu HKC đƣợc thiêu kết trong chân không, mẫu HKC đƣợc thiêu kết+ép nóng có độ cứng tăng 6% và độ dai tăng 22%, nâng cao khả năng làm việc của HKC trong môi trƣờng chịu tải và đập lớn (mũi khoan đá, công trình ngầm…). Ngoài ra, các thông số cơ lý tính trên cũng tƣơng đƣơng với mẫu HKC của hãng General carbide hiện đang bán trên thị trƣờng. Vì vậy, công nghệ thiêu kết do đề tài xây dựng hoàn toàn có thể đƣợc ứng dụng vào trong sản xuất công nghiệp.
70
NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1. Nghiên cứu sử dụng chất ức chế phát triển hạt (loại chất ức chế, hàm lƣợng...) vào trong quá trình thiêu kết+ép nóng đẳng tĩnh HKC
2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian giữ áp lực ép nóng đẳng tĩnh đến cơ lý tính của HKC.
3. Nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ thiêu kết và áp lực ép nóng đẳng tĩnh trong công nghệ thiêu kết+ép nóng đẳng tĩnh
71
CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
Lê Danh Chung, Đoàn Đình Phƣơng, Nguyễn Văn Luân, Trần Bá Hùng, “Nâng
cao cơ tính của hợp kim cứng hệ WC-Co bằng phƣơng pháp ép nóng đẳng tĩnh bổ sung”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Kim loại, 39 (2011), tr.41- 45.
72
TÀI LIỆU THAM KHẢO
* Tài liệu tiếng Anh
[1] Adorjan A, Schubert WD, Schon A, Bock A, Zeiler B. (2006), “WC grain growth during the early stages of sintering”. Int J Refract Metal Hard Mater, 24(5), pp.365–373.
[2] Agrawal D, Cheng J, Seegopaul P, Gao L(2000), “Grain growth control in microwave sintering of ultrafine WC–Co composite powder compacts”
Powder Metall, 43(1), pp.15–16.
[3] Atkinson H.V. and Davies (200), “Fundamental aspects of hot isostatic pressing: an overview”, Metall. Mater. Trans, 31A (12), pp. 2981–3000.
[4] Azcona I, Ordonez A, Sanchez JM, Castro F (2002), “Hot isostatic pressing of ultrafine tungsten carbide–cobalt hardmetals”, J Mater Sci, 37(19), pp.4189– 4195.
[5] Bauer I.R., Horizon in Powder Metallurgy, Verlag-Schmid, Fraiburg, Vol.2, p.1271 (1986)
[6] Bock A, Schubert WD, Lux B (1992), “Inhibition of grain growth on submicron cemented carbides”, Powder Metall Int, 24(1), pp.20–26.
[7] www.bodycote.com, The range of applications for Hot Isostatic Pressing (HIP) is growing fast.
[8] Cha SI, Hong SH, Kim BK (2003), “Spark plasma sintering behavior of nanocrystalline WC–10Co cemented carbide powders”, Mater Sci A;351(1–2), pp.31–38.
[9] Cha SI, Hong SH (2005), “ Hardness and fracture toughness of ultra-rine WC– 10Co–X cemented carbides prepared from nanocrystalline powders”, Z Metallkd, 96(2), pp.172–176.
[10] Dubensky EM, Nilsson RT (1996), Dense fine grained monotungsten carbide- transition metal cemented carbide body and preparation thereof, US patent 5773735.
73
[11] Fang ZZ, Eason JW (1995), “Study of nanostructured WC–Co composites”,
Int J Refract Metal Hard Mater, 13(5), pp.297–303.
[12] Gille G, Szesny B, Dreyer K, Van den Berg H, Schmidt J, Gestrich T, et al (2002), “Submicron and ultrafine grained hardmetals for microdrills and metal cutting inserts”, Int J Refract Metal Hard Mater , 20(1), pp.3–22.
[13] Gille G, Bredthauer J, Gries B, Mende B, Heinrich W (2000), “Advanced and new grades of WC and binder powder - their properties and application”, Int J Ref Met Hard Mater,18 (2), pp. 87-102
[14] Goren-Muginstein GR, Berger S, Rosen A (1998), “Sintering study of nanocrystalline tungsten carbide powders”, Nanostruct Mater, 10(5), pp.795– 804.
[15] Hofmann G., Hack R., Ermer D. and Polhede W (1987), Powd. Met.Int., Vol.19, No.7, p.35
[16] Huang SG, Li L, Vanmeensel K, Van der Biest O, Vleuges J (2007), “VC, Cr3C2 and NbC doped WC–Co cemented carbides prepared by pulsed electric current sintering”, Int J Refract Metal Hard Mater, 25(5–6), pp.417–422. [17] http://www.hydrocarbide.com
[18] Hwan CK, In JS, Jin KY, Jung MD (2007), “Consolidation of ultra fine WC and WC–Co hard materials by pulsed current activated sintering and its mechanical properties”, Int J Ref Metals & Hard Materials, 25, pp.46–52 [19] Jia CC, Tang H, Mei XZ, Yin FZ, Qu XH (2005), “Spark plasma sintering on (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nanometer scale WC–Co powder”, Mater Lett; 59(19–20):2566–9.
[20] J.E. Smugeresky, personal communication with R.M. German, Sandia National Laboratory, CA.
[21] Johansson SAE, Wahnström G (2008), “The structure and formation of thin films at WC/Co interfaces”, In: 9th International conference on science of hard materials, Jamaica; 2008.
[22] Jose´ Lemus-RuizÆ, Leonel Ceja-Ca´rdenas (2008), “Joining of tungsten carbide to nickel by direct diffusion bonding and using a Cu–Zn alloy”, J Mater Sci, 43:6296–6300
74
[23] K.G. Ewsuk and G.L.Messing (1984), “Microstructural changes during hot isostatic pressing of sintered lead zirconate titanate”, Emergent Process Methods for High-Technology Ceramics Materials Science Research, Vol 17, pp 609-619
[24] Kim HC, Shon IJ, Jeong IK, Ko IY, Yoon JK, Doh JM (2007), “Rapid sintering of ultra fine WC and WC–Co hard materials by high-frequency induction heated sintering and their mechanical properties”, Metal Mater Int,13(1), pp.39–45.
[25] Kim HC, Jeong IK, Shon IJ, Ko IY, Doh JM (2007), “Fabrication of WC–8 wt.%Co hard materials by two rapid sintering processes”, Int J Refract Metal Hard Mater, 25(4), pp.336–340.
[26] Kim HC, Oh DY, Shon IJ (2004), “Sintering of nanophase WC–15 vol.%Co hard metals by rapid sintering process”, Int J Refract Metal Hard Mater, 22(4– 5), pp.197–203.
[27] Kim BK, Ha GH, Lee GG, Lee DW (1997), “Structure and properties of nanophase WC/Co/VC/TaC hardmetal”, Nanostruct Mater, 9(1–8), pp.233– 236.
[28] Kolaska.H, Dreyer.K and Schaaf.G (1989), “Use of the combined sintering HIP process in the production of hardmetals and ceramics”, Powder Metall. Int., 21, pp.22–28.
[29] K.Schröter, German Patent No. 420,689 (Gesinterte harte Metalllegierung und Verfahren zu ihrer Herstellung) – submitted on March 30, 1923
[30] Lay S, Thibault J, Hamar-Thibault S (2003), “Structure and role of the interfacial layers in VC-rich WC–Co cermets”, Philos Mag, 83(10), pp.1175– 1190.
[31] Lee HR, Kim DJ, Hwang NM, Kim DY (2003), “Role of vanadium carbide additive during sintering of WC–Co: mechanism of grain growth inhibition”, J Am Ceram Soc, 86(1), pp.152–154.
75
[32] Li N, Qiu YX, Zhang W, Wen YH, Zhang Y, Zhou YG (2007), “Influence and function of inhibitor VC/Cr3C2 on the grain growth in super fine WC–Co cermets”, Rare Metal Mater Eng, 36(10), pp.1763–1766.
[33] Lin CG, Kny E, Yuan GS, Djuricic B (2004), “Microstructure and properties of ultrafine WC–0.6VC–10Co hardmetals densified by pressure-assisted critical liquid phase sintering”, J Alloys Compd, 383(1–2), pp.98–102
[34] Liu XQ, Lin T, Guo ZM, Cui FE, Luo J (2007), “Consolidation of ultrarine binderless cemented carbide by spark plasma sintering”, J Iron Steel Res Int, pp.1482–1484.
[35] Maizza G, Grasso S, Sakka Y, Noda T, Ohashi O (2007), “Relation between microstructure, properties and spark plasma sintering (SPS) parameters of pure ultrafine WC powder”, Sci Technol Adv Mater, 8(7–8), pp. 644–654.
[36] McCandlish LE, Kear BH, Kim BK (1992), “Processing and properties of nanostructured WC – Co”, Nanostruct Mater, 1(2), pp. 119.
[37] Michalski A, Siemiaszko D (2007), “Nanocrystalline cemented carbides sintered by the pulse plasma method”, Int J Refract Metal Hard Mater, 25(2), pp.153–158.
[38] Misubishi materials, casing advance system overburden drilling, GK18B [39] O.H.Kwon and G.L.Messing (1991), “Isostatic pressing theory and
application”, ASM, Metals Park, OH, pp. 165-170
[40] Porat R, Berger S, Rosen A (1996), “Dilatometric study of the sintering mechanism of nanocrystalline cemented carbides”, Nanostruct Mater, 7(4), pp.429–436.
[41] P.Schwarzkopf, Deutsche Edelstahlwerke, AG German Patent 720,502
(patented 1929, issued 1942)
[42] R.M. German (1996), Sintering theory and practice, Wiley, Newyork, NY [43] Roland Spiegler, Siegfried Schmauder, Lorenz S.Sigl (1990), "Fracture
toughness evaluation of WC-Co alloys by indentation testing", Journal of hard materials, 1 (3), pp.147-158
76
[44] Rudiger, O., Exner, H.E (1976), “Application of basic research to the development of hard metals, Powder Metall. Int., vol. 8, pp.7 - 13 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[45] Sadangi RK, McCandlish LE, Kear BH, Seegopaul P (1999), “Grain growth inhibition in liquid phase sintered nanophase WC/Co alloys”, Int J Powder Metall, 35(1):27–33.
[46] Schubert WD (2000). In: 2000 International conference on tungsten hard metals and refractory alloys, Annapolis, MD, USA
[47] S.H. Lee, J.K.Yang and D.Y.Kim (1993), “Elimination of large artificial pores during the hot isostatic pressing of presintered alumina”, Journal of the American Ceramic Society, vol 76, pp. 880–884.
[48] Sivaprahasam D, Chandrasekar SB, Sundaresan R (2007), “Microstructure and mechanical properties of nanocrystalline WC–12Co consolidated by spark plasma sintering”, Int J Refract Metal Hard Mater , 25(2):144–52.
[49] Sun L, Jia CC, Lin CG, Cao RJ (2007), “VC addition prepared ultrarine WC– 11Co composites by spark plasma sintering”, J Iron Steel Res Int, pp.1485– 1489.
[50] The American Society of Mechanical Engineers (1985), The Evolution of HIP- Commemorating the First Hot and Cold Isostatic Processing Vessels, International Historic Mechanical Engineering Landmark.
[51] Tsuchuya N.J (1985), Int. Journal of Refractory and Hard Metals, Vol. 4, p.82 [52] Upadhyaya G.S (1998), Cemented Tungsten Carbides: Production,
Properties, and Testing, Noyes Publications, Westwood, New Jersey, USA. [53] Wang X, Fang Z, Sohn HY (2007), “Nanocrystalline cemented tungsten
carbide sintered by an ultra-high-pressure rapid hot consolidation process”, In: Engquist J, editor. Proceedings of the 2007 international conference on powder metallurgy & particulate materials, Denver, US; p. 08-10.
[54] Wang XQ, Xie YG, Guo HL, Van der Biest O, Vleuge J (2006), “Sintering of WC–Co powder with nanocrystalline WC by spark plasma sintering”, Rare Metal; 25(3): 246–52.
77 [55] www.hardmaterials.sandvik.com
[56] Wang X, Fang ZZ, Sohn HY (2008), “Grain growth during the early stage of sintering of nanosized WC–Co powder”, Int J Refract Metal Hard Mater, 26(3), pp.232–241.
[57] Wu L et al (1993), “Grain growth inhibition in sintering of nanostructured WC–Co alloys”, In: Proceedings of the 13th international Plansee seminar, Reutte, vol.3; p. 667–669.
[58] www.generalcarbide.com
[59] Xie YF, Wang YQ, Chen LD, Li YD, Guo HL (2006), “Preparation of superfine-cemented carbide by spark plasma sintering”, J Wuhan Univ Technol, 21(1), pp.42–45.
[60] Zhang F, Shen J, Sun J (2004), “The effect of phosphorus additions on densification, grain growth and properties of nanocrystalline WC–Co composites”, J Alloys Compd; 385(1–2), pp.96–103.
[61] Zhang ZY, Wahlberg S, Wang MS, Muhammed M (1999), “Processing of nanostructured WC–Co powder from precursor obtained by co-precipitation”,
Nanostruct Mater,12(1–4):163–6.
[62] Zhao SX, Song XY, Zhang JX, Liu XM (2008), “Effects of scale combination and contact condition of raw powders on SPS sintered near-nanocrystalline WC–Co alloy”, Mater Sci A, 473(1–2):323–9.
[63] Zhao HF, Zhu LH, Huang QW (2005), “Nanocrystalline WC – 10%Co – 0.8%VC cemented carbides prepared by spark plasma sintering”, Rare Metal Mater Eng, 34(1):82–5.
[64] Zhou F, Lee J, Lavernia EJ (2001), “Grain growth kinetics of a mechanically milled nanocrystalline Al”, Scripta Mater, 44(8–9):2013–7.
[65] Zhao HF, Zhu LH, Huang QW (2005), “Nanocrystalline WC–10%Co– 0.8%VC cemented carbides prepared by spark plasma sintering”, Rare Metal Mater Eng, 34(1):82–5.
78
[66] Zhuhui Qiao, Xianfeng Ma, Wei Zhao, Huaguo Tang, Shuguang Cai, Bo Zhao (2008), “A novel (W–Al)–C–Co composite cemented carbide prepared by mechanical alloying and hot-pressing sintering”, Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials, vol 26, pp.251–255.
* Tài liệu tiếng Việt
[67] Đoàn Đình Phƣơng (2013), “Ứng dụng kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh chế tạo vật liệu kim loại tiên tiến”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 51(2A), tr. 198-210 [68] Nguyễn Tài Minh (2003), “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim cứng hạt
mịn hệ WC – Co”, Luận án TS Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà nội.
[69] Phạm Thảo, Vũ Chất Phác (1996), Luyện kim bột, Đại học Bách Khoa Hà nội. [70] Trần Bá Hùng (2012), “Các giải pháp công nghệ nâng cao chất lượng hợp
kim cứng BK8 từ quặng vonframit vào làm mũi khoan đá chất lượng cao”, Báo cáo tổng kết Đề tài cấp Sở KHCN Hà Nội.
79 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
PHỤ LỤC