ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», Москва

В. А. Фальковский, гл. науч. сотр., e-mail: vafalk@rumbler.ru

Г. В. Боровский, ген. директор

С. У. Молодык, нач. отд.

С. К. Беляев, зав. лаб.

ОАО «КЗТС», г. Кировград

Л. И. Клячко, научный консультант

Научный обзор посвящен мировым достижениям в области разработки WC – Co твердых сплавов с градиентной структурой. Кратко изложена история этого вопроса. Рассмотрены градиентные структуры различных видов: отличающиеся переменным составом по объему или по высоте изделия, и/или изменением микроструктуры сплава (зернистости и/или состава фаз) в объеме или по толщине изделия, и/или наличием определенных по толщине слоев фаз сплава. В зависимости от назначения слои могут быть толстыми, размером ≥10 мкм, тонкими — <5 мкм, они представляют собой пленки кобальта или карбидных фаз. Обсуждены результаты экспериментальных исследований с целью создания функционального градиента за счет карбидной фазы различного состава, а также градиентной структуры, созданной этой фазой различной дисперсности. Обсужден механизм образования градиента, в частности миграция кобальта в объеме спекаемого изделия. Основное внимание уделено твердым сплавам, предназначенным для оснащения режущего и горно-бурового инструмента. Мировой объем применения WC – Co-сплавов для этого инструмента составляет ~85–90 % от общего объема использования твердых сплавов. Твердые сплавы с градиентной структурой при резании и бурении обеспечивают повышение долговечности инструмента в 2–4 раза.

1. Pat. 2285900 US. The new technique uses cemented carbide powder with different grain sizes / Dawihi A. et al. ; publ. 5.06.1942.
2. Pat. 5856626 US. Cemented carbide body with increased wear resistance / Fischer U., Waldenstrom M., Hartzell T. ; publ. 21.01.1999.
3. Пивоваров Л. Х., Третьяков В. И., Новикова М. Б. и др. Изучение условий образования и структуры слоев, возникающих на поверхности изделий из твердых сплавов при спекании // Твердые сплавы : научные труды ВНИИТС. — М. : Металлургия, 1968. № 9. С. 132–141.
4. Lisovsky A. F. Migration of metal melts in sintered composite bodies. — Kiev : Naukova Dumka, 1984.
5. Eso O. Liquid phase sintering of functionally graded WC–Co composites : thesis … dr. — Salt Lake City : University of Utah, 2007. — 212 p.
6. Mahale A. E. Phase diagrams for ceramists // Am. Ceram. Soc. 1994.
7. Jun Guo, Zhigang Zak Fang, Peng Fan, Xu Wang. Kinetics of the formation of metal binder gradient in WC–Co by carbon diffusion induced liquid migration // Acta Mater. 2011. Vol. 49. P. 4719–4731.
8. Jun Guo, Peng Fan, Xu Wang, Zhigang Zak Fang. A novel approach for manufacturing functionally graded cemented tungsten carbide // Int. J. Powder Metall. 2011. Vol. 47, № 3. P. 55–62.
9. Jun Guo, Peng Fan, Xu Wang, Zhigang Zak Fang. Formation of Co-capping during Sintering of Straight WC–Co // Int. J. Refract. Metals Hard Materials. 2010. Vol. 28. P. 318–323.
10. Peng Fan, Jun Guo, Zhigang Zak Fang, Paul Prichard. Effects of Liquid-Phase Composition on its Migration during Liquid-Phase Sintering of Cemented Carbide // Metall. Mater. Trans A. 2009. Vol. 40, № 8. P. 1995–2006.
11. Peng Fan, Jun Guo, Zhigang Zak Fang, P. Prichard. Design of Cobalt Gradient via Controlling Carbon Content and WC Grain Size in Liquid-Phase-Sintered WC–Co Composite // Int. J. Refract. Metals Hard Materials. 2009. Vol. 27, N 2. P. 256–260.
12. Peng Fan, Zhigang Zak Fang. Numerical Simulation of Kinetics of Cobalt Gradient Change in WC-Co during Liquid Phase Sintering // Ibid. 2009. Vol. 27, № 1. P. 37–42.
13. Oladapo Eso, Peng Fan, Zhigang Zak Fang. A Kinetic Model for Cobalt Gradient Formation During Liquid Phase Sintering of Functionally Graded WC–Co // Ibid. 2008. Vol. 26, № 2. P. 91–97.
14. Peng Fan, Oladapo Eso, Zhigang Zak Fang, Hong Yong Sohn. Effect of WC Particle Size on Co Distribution in Liquid-Phase-Sintered Functionally Graded WC–Co Composite // Ibid. 2008. Vol. 26, № 2. P. 98–105.
15. Peng Fan, Zhigang Zak Fang, H. Y. Sohn. Mathematical Modeling of Liquid Phase Migration in Solid-Liquid Mixtures: Application to the Sintering of Functionally Graded WC–Co Composites // Acta Mater. 2007. Vol. 55, № 9. P. 3111–3119.
16. Oladapo Eso, Zhigang Zak Fang, Anthony Griffo. Kinetics of cobalt gradient formation during the liquid phase sintering of functionally graded WC–Co // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2007. Vol. 25, № 4. P. 286–292.
17. O. Eso, Zhigang Zak Fang, A. Griffo. Liquid Phase Sintering of Functionally Graded WC–Co Composites // Ibid. 2005. Vol. 23, № 4–6. P. 233–241.
18. Christoffel K. От сырья до высокоэффективных режущих инструментов // 17 Plansee Seminar, PL07. Vol. 3. — Reutte (Austria), 2009.
19. www.coromant.sandvik.com
20. Brookes A. K. J. World Directory and Handbook of Hardmetals and Hard Materials // Inter. Carbid Date. — London, 2003.
21. Colin C., Durant L., Favrot N. et al. Processing of functional-gradient WC–Co cermets by powder metallurgy // Int. J. Refractory Met. Hard Mat. 1993–1994. Vol. 12. P. 145–152.
22. Pat. 5856626 US. Cemented carbide body within creased wear resistance / Fischer U., Waldenstrom M., Hartzell T. ; publ. 01.05.1999.
23. Pat. 4743515 US. Cemented carbide body used preferably for rock drilling and mineral cutting / Fischer U., Hartzell E., Akerman J. ; publ. 10.02.1988.
24. Konyashin I., Ries B., Lachmann L. Engineered Surfaces on WC–Co Hardmetals Obtained by Tailored Sintering Techniques // EUROPEN Congress PM. Барселона, 2011.
25. Konyashin I., Ries B., Lachmann L., Fry A. Gradient WC–Co hardmetals: Theory and practice // Int. J. Refractory Metals & Hard Metals. 2012. Vol. 30.
26. Pat. 097784 WO. A hard-Metal Body / Konyashin I. et al ; publ. 2.09.2010.
27. Roebuck B., Gee M. G., Morrell R. Hardmetals – microstructural design, testing and property maps // Proc. of the 15-th Intern. Plansee Seminar. Vol. 4. — Reutte (Austria), 2001. P. 245–266.