PL248246B1

PL248246B1 - Sintered carbide based composite for cutting tools and method for manufacturing the sintered carbide based composite for cutting tools

Info

Publication number: PL248246B1
Application number: PL414332A
Authority: PL
Inventors: Magdalena Szutkowska; Lucyna Jaworska; Sławomir Cygan; Marcin Podsiadło
Original assignee: Instytut Zaawansowanych Tech Wytwarzania
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2015-10-12
Publication date: 2025-11-17
Also published as: PL414332A1

Abstract

Kompozyt zawiera fazę ceramiczną w postaci tlenku glinu w odmianie α-Al2O3 o wielkości ziarna od 0,3 - 0,6 μm w ilości od 5% masy do 15% masy, przy czym faza proszku węglika wolframu i kobaltu WC-Co o wielkości ziarna od 1,5 μm do 5,00 μm stanowi od 85% do 95% masy, przy zawartości kobaltu Co w ilości 10% masy. Sposób wytwarzania kompozytu polega na tym, że do mieszaniny wyjściowej zawierającej od 85% do 95% masy proszku węglika spiekanego typu WC-Co o zawartości kobaltu w ilości około 10% masy, dodaje się proszek tlenku glinu Al2O3 w ilości od 5% masy do 15% masy, przy czym średnia wielkość ziarna proszku WC-Co wynosi od 1,5 do 5,0 μm, a wielkość proszku α-Al2O3 mieści się w przedziale od 0,3 do 0,6 μm, po wstępnym sprasowaniu wypraski poddaje się procesowi spiekania przy temperaturze od 1250°C do 1450°C i ciśnieniu od 1 MPa do 100 MPa.The composite contains a ceramic phase in the form of alumina in the α-Al2O3 variety with a grain size of 0.3 - 0.6 μm in an amount of 5% to 15% by mass, wherein the tungsten carbide and cobalt powder phase WC-Co with a grain size of 1.5 μm to 5.00 μm constitutes 85% to 95% by mass, with the cobalt content Co in an amount of 10% by mass. The method of producing the composite consists in adding Al2O3 aluminum oxide powder in an amount of 5% to 15% by weight to the initial mixture containing from 85% to 95% by weight of WC-Co type sintered carbide powder with a cobalt content of about 10% by weight, wherein the average grain size of the WC-Co powder is from 1.5 to 5.0 μm, and the size of the α-Al2O3 powder is in the range of 0.3 to 0.6 μm, after pre-compressing the compact, it is subjected to a sintering process at a temperature of 1250°C to 1450°C and a pressure of 1 MPa to 100 MPa.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytu na osnowie węglika spiekanego dla narzędzi skrawających. Kompozyt należy do grupy materiałów narzędziowych zawierających węglik wolframu WC i kobalt Co.The invention relates to a method for manufacturing a cemented carbide-based composite for cutting tools. The composite belongs to a group of tool materials containing tungsten carbide (WC) and cobalt (CO).

Węglikami spiekanymi są materiały spiekane, które charakteryzują się wysoką odpornością na pękanie i odpornością na ścieranie, a w ich skład wchodzi jeden lub więcej węglików metali wysokotopliwych stanowiący składnik podstawowy razem z metaliczną fazą wiążącą.Cemented carbides are sintered materials characterized by high fracture toughness and abrasion resistance, and they consist of one or more high-melting metal carbides as the basic component together with a metallic binding phase.

Podstawowym składnikiem węglików spiekanych typu WC-Co jest węglik wolframu WC, który w zależności od producenta i grupy zastosowań materiałowych może stanowić od osiemdziesięciu procent do dziewięćdziesięciu kilku procent wagowej zawartości spieku.The basic component of WC-Co type cemented carbides is WC tungsten carbide, which, depending on the manufacturer and the group of material applications, may constitute from eighty to ninety percent of the sinter content by weight.

Resztę składu stanowi osnowa, którą jest zazwyczaj kobalt Co. Kobalt charakteryzuje się bardzo dobra zwilżalnością z większością materiałów będących składnikami spiekanych materiałów narzędziowych oraz dość wysoką temperaturą topnienia, która wynosi 1493°C.The rest of the composition is the matrix, which is usually cobalt Co. Cobalt is characterized by very good wettability with most materials that are components of sintered tool materials and a relatively high melting point, which is 1493°C.

Taka charakterystyczna dla węglików spiekanych budowa, która pozwala na występowanie obok siebie ciągliwej fazy wiążącej oraz twardej i kruchej fazy węglikowej umożliwia zespolenie w jednym materiale przeciwstawnych cech, wysokiej odporności na ścieranie i twardości - z wysoką wytrzymałością oraz w miarę dobrą ciągliwością.This structure, typical of sintered carbides, which allows the presence of a ductile binding phase and a hard and brittle carbide phase, enables the combination of opposing features in one material: high abrasion resistance and hardness - with high strength and relatively good ductility.

W opisie GB 2506287A przedstawiono kompozyt o osnowie WC z dodatkiem AI2O3 oraz Si3N4 w postaci whiskerów wraz z zanieczyszczeniami obecnymi w zastosowanych proszkach. Proporcje masowe prezentowanego kompozytu wynoszą 87%-99% WC, 0,5%-3% AI2O3 oraz 0,5%-10% Si3N4. Do wytworzenia tego kompozytu zastosowano proszki o wielkości cząstek od 0,5 do 10 μm. Mieszanie proszków przeprowadzono w niskoenergetycznym młynie kulowym przy zastosowaniu zawiesiny proszków z użyciem rozpuszczalnika nieorganicznego. Jako metody spiekania zastosowano SPS (Spark Plasma Sintering) lub HP (Hot Pressing).GB 2506287A describes a composite with a WC matrix and the addition of Al2O3 and Si3N4 in the form of whiskers, along with impurities present in the powders used. The mass proportions of the presented composite are 87%-99% WC, 0.5%-3% Al2O3, and 0.5%-10% Si3N4. Powders with particle sizes ranging from 0.5 to 10 μm were used to produce this composite. Powder mixing was performed in a low-energy ball mill using a powder suspension with an inorganic solvent. SPS (Spark Plasma Sintering) or HP (Hot Pressing) were used as sintering methods.

W opisie CN 104520252 A znajdują się informacje na temat kompozytu o składzie: WC w ilości od 20 do 50% objętościowych, ZrO2 w ilości od 0,1 do 18% objętościowych oraz AI2O3, który stanowi uzupełnienie składu.The description of CN 104520252 A contains information on a composite with the following composition: WC in the amount of 20 to 50% by volume, ZrO2 in the amount of 0.1 to 18% by volume and Al2O3, which is the complement of the composition.

Opis JPH 09316589 A dotyczy materiału bez określonego przeznaczenia, do wytworzenia którego zastosowano mieszaninę 10 do 87,5% AI2O3, 10 do 30% Co jako składnika wiążącego oraz WC w ilości od 2,5 do 80%.Description JPH 09316589 A concerns a material without a specific purpose, for the production of which a mixture of 10 to 87.5% Al2O3, 10 to 30% Co as a binding component and WC in an amount of 2.5 to 80% was used.

Znane są również z opisu SE 530515 C2 narzędzia skrawające, w których ostrze skrawające stanowi płytka wykonana z węglika wolframu WC z naniesioną metodą PVD warstwą. Zastosowano pojedynczą warstwę z tlenków metali, azotków, węglików jak i węglikoazotków o grubości od 0,2 do 5 μm.Also known from the SE 530515 C2 specification are cutting tools in which the cutting edge is a plate made of tungsten carbide (WC) with a PVD-deposited layer. A single layer of metal oxides, nitrides, carbides, and carbonitrides is used, with a thickness ranging from 0.2 to 5 μm.

Narzędzia skrawające są również przedstawione w opisie WO 2007029017 A1, zgodnie z którym głównym składnikiem materiałów narzędziowych przeznaczonych na ostrza narzędzi skrawających jest WC z dopuszczalną obecnością fazy wiążącej w postaci kobaltu chromu lub niklu. Jako drugą fazę proponuje się możliwość zastosowania węglików, borków lub tlenków metali przejściowych, metali ziem alkalicznych lub tlenku glinu w ilości od 0,0001% do 10% masy. Preferowaną metodą wytwarzania jest spiekanie izostatyczne w wysokiej temperaturze HIP (Hot Isostatic Pressing).Cutting tools are also described in WO 2007029017 A1, according to which the main component of tool materials intended for cutting tool blades is WC with the permissible presence of a binder phase in the form of cobalt, chromium, or nickel. As a second phase, it is proposed to use carbides, borides, or oxides of transition metals, alkaline earth metals, or aluminum oxide in amounts from 0.0001% to 10% by weight. The preferred manufacturing method is high-temperature isostatic sintering (HIP).

W publikacji autorstwa E.C.S. Tavares, et al. „Mechanical characterization ofalumina-doped tungsten carbide”, Materials Science Forum, 2003, 416-418(1):616-620, DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.416-418.616, przedstawiono pierwsze wyniki uzyskane przez dodanie tlenku glinu do matrycy z węglika wolframu. Materiał WC z 10% mas. kobaltu zmieszano z 5 i 10% mas. AI2O3 w planetarnym młynie kulowym. Następnie próbki o średnicy 10 mm poddano jednoosiowemu prasowaniu na gorąco. Materiał kompozytowy scharakteryzowano za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej, twardości i skaningowej mikroskopii elektronowej. Wyniki wykazały, że dodanie 10% wag. AI2O3 poprawiło wartość twardości matrycy z węglika wolframu.The publication by E.C.S. Tavares et al., "Mechanical characterization of aluminum-doped tungsten carbide," Materials Science Forum, 2003, 416-418(1):616-620, DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.416-418.616, presents the first results obtained by adding aluminum oxide to a tungsten carbide matrix. A 10 wt% cobalt-doped tungsten carbide matrix was mixed with 5 and 10 wt% Al2O3 in a planetary ball mill. Samples of 10 mm diameter were then uniaxially hot pressed. The composite material was characterized by X-ray diffraction, hardness, and scanning electron microscopy. The results showed that the addition of 10 wt% Al2O3 improved the hardness value of the tungsten carbide matrix.

W publikacji autorstwa Weon-Pil Tai, Tadahiko Watanabe, „Fabrication and Mechanical Properties of AI2O3-WC-Co Composites by Vacuum Hot Pressing”, J. Am. Ceram. Soc., 2005, 81 [6] 1673-76, kompozyty AI2O3-WC-Co zostały wytworzone przez próżniowe prasowanie na gorąco mieszanin proszków AI2O3, WC i kobaltu. Fazy utworzone z dodatkiem WC do 40% wag. to a-AbO3, WC, CO3W3C oraz niewielkie ilości f-Co (kobaltu w kształcie sześcianu ześrodkowanego na powierzchni) i węgla (grafitu); przy zawartości WC >40% wag. nie utworzyły się żadne fazy kobaltu ani węgla. Wraz ze wzrostem zawartości WC tworzyła się bardziej równomiernie rozłożona i połączona matryca WC. Kompozyt 10AI2O3-8OWC-10Co (w % mas.) wykazywał jednocześnie wysoką wytrzymałość na zginanie (1250In the publication by Weon-Pil Tai, Tadahiko Watanabe, "Fabrication and Mechanical Properties of Al2O3-WC-Co Composites by Vacuum Hot Pressing", J. Am. Ceram. Soc., 2005, 81 [6] 1673-76, Al2O3-WC-Co composites were prepared by vacuum hot pressing of mixtures of Al2O3, WC, and cobalt powders. The phases formed with the addition of WC up to 40 wt.% were a-AbO3, WC, CO3W3C, and small amounts of f-Co (face-centered cube cobalt) and carbon (graphite); at WC contents >40 wt.%, no cobalt or carbon phases were formed. With increasing WC content, a more uniformly distributed and interconnected WC matrix was formed. The 10Al2O3-8OWC-10Co composite (in mass %) also showed high bending strength (1250

MPa), odporność na pękanie (9 MPam^1/2) i twardość (20,6 ± 0,5 GPa). Wysoką wytrzymałość na zginanie przypisywano głównie mniejszej liczbie źródeł pęknięć ze względu na równomiernie rozłożoną i połączoną matrycę WC wraz z mniejszą porowatością. Zwiększona odporność na pękanie była spowodowana głównie ugięciem pęknięć i mostkowaniem pęknięć w jednolicie połączonej matrycy WC. Wysoka twardość wynikała z drobniejszych związków metalicznych WC i wytrącania C03W3C w prawie wszystkich zakresach.MPa), fracture toughness (9 MPam ^1/2 ), and hardness (20.6 ± 0.5 GPa). The high flexural strength was mainly attributed to fewer crack sources due to the uniformly distributed and interconnected WC matrix along with lower porosity. The increased fracture toughness was mainly due to crack deflection and crack bridging in the uniformly interconnected WC matrix. The high hardness was due to finer WC metallic compounds and C03W3C precipitation in almost all ranges.

Wszystkie przedstawione powyżej w znanych rozwiązaniach fazy ceramiczne nie spełniają roli substytutów węglika wolframu ani też dodatków podwyższających twardość, a jedynie są dodatkiem do spieków na osnowie WC z różnymi metalicznymi fazami wiążącymi.All the ceramic phases presented above in the known solutions do not act as substitutes for tungsten carbide or as additives increasing hardness, but are only an addition to WC-based sinters with various metallic binding phases.

Celem wynalazku jest opracowanie składu węglików spiekanych typu WC-Co z dodatkiem tlenkowej fazy ceramicznej, z utrzymaniem wysokich właściwości spiekanych materiałów, takich jak odporność na zużycie ścierne, wytrzymałość, twardość i odporność na pękanie, co pozwoli na wykorzystanie otrzymanego materiału do celów narzędziowych.The aim of the invention is to develop a composition of WC-Co type sintered carbides with the addition of an oxide ceramic phase, while maintaining high properties of sintered materials, such as abrasive wear resistance, strength, hardness and fracture resistance, which will allow the use of the obtained material for tool purposes.

Istota sposobu wytwarzania kompozytu według wynalazku polega na tym, że do mieszaniny wyjściowej zawierającej od 85% do 95% masy proszku węglika spiekanego typu WC-Co o zawartości kobaltu w ilości 10% masy, dodaje się proszek a-Al2O3 w ilości od 5% masy do 15% masy, przy czym średnia wielkość ziarna proszku WC-Co wynosi od 1,5 do 5,0 μm, a wielkość proszku a-AbO3 mieści się w przedziale od 0,3 do 0,6 μm, po wstępnym sprasowaniu wypraski poddaje się procesowi spiekania w temperaturze 1250°C pod ciśnieniem od 1 do 100 MPa.The essence of the method for producing a composite according to the invention consists in the fact that to the initial mixture containing from 85% to 95% by mass of WC-Co type sintered carbide powder with a cobalt content of 10% by mass, a-Al2O3 powder is added in an amount of from 5% by mass to 15% by mass, wherein the average grain size of the WC-Co powder is from 1.5 to 5.0 μm, and the size of the a-AbO3 powder is in the range of from 0.3 to 0.6 μm, after preliminary pressing the compact is subjected to a sintering process at a temperature of 1250°C under a pressure of from 1 to 100 MPa.

Po wytworzeniu kompozytu według wynalazku przeprowadzono badania jego właściwości. Na otrzymanych spiekach kompozytowych zmierzono wybrane właściwości fizyczne, mechaniczne oraz tribologiczne, pozwalające na określenie przydatności spieku do zastosowania go jako materiał narzędziowy. Dla wytworzonych kompozytów na osnowie węglika spiekanego typu WC-Co z dodatkiem tlenku glinu zmierzono: gęstość pozorną, twardość Vickersa HV30, moduł Younga, liczę Poissona, odporność na pękanie powierzchniowe Kic(hv) oraz współczynnik tarcia. Dla badanych próbek uzyskano zadawalające wyniki z pomiarów, które różnią się w zależności od ilości dodawanego a-Al2O3.After manufacturing the composite according to the invention, its properties were tested. Selected physical, mechanical, and tribological properties were measured on the resulting composite sinters, allowing for the determination of the sinter's suitability for use as a tool material. For the composites manufactured on a WC-Co sintered carbide matrix with alumina addition, the following were measured: apparent density, Vickers hardness HV30, Young's modulus, Poisson's ratio, surface crack resistance Kic(hv), and coefficient of friction. Satisfactory measurement results were obtained for the tested samples, which varied depending on the amount of a-Al2O3 added.

Twardość Vickersa mieści się w zakresie od 1478 HV do 1559, moduł Younga 474 GPa do 528 GPa, odporność na pękanie powierzchniowe od 10,0 MPam^1/2 do 12,5 MPam^1/2 oraz gęstość od 12,4 g/cm³ do 10,1 g/cm³. Należy przy tym podkreślić, że spiek z czystego tlenku glinu charakteryzuje się dużą kruchością i jego odporność na pękanie jest niska (około 3,0 MPam^1/2; zaś twardość Vickersa uzyskanego kompozytu znacznie przewyższa twardość badanych węglików spiekanych bez dodatku tlenku glinu. Współczynnik tarcia uzyskany dla węglików spiekanych dodatkiem AI2O3 nie różni się w znaczący sposób od wyników uzyskanych dla spieku WC-Co i niezależnie od ilości dodatku tlenku glinu utrzymuje się na poziomie ~0,3. Dodatek a-AbO3 w ilości 5% nie wpłynął na wskaźnik zużycia dysku w próbie tribologicznej, w przypadku 10% i 15% widoczny jest wzrost zużycia dysku, jest to jednak nadal wynik na dobrym poziomie. Odporność na pękanie powierzchniowe zmniejsza się ze wzrostem udziału tlenku glinu lecz otrzymane wartości utrzymują się na wysokim poziomie.The Vickers hardness ranges from 1478 HV to 1559, the Young's modulus from 474 GPa to 528 GPa, the surface crack resistance from 10.0 MPam ^1/2 to 12.5 MPam ^1/2 and the density from 12.4 g/cm ³ to 10.1 g/cm ³ . It should be emphasized that the pure alumina sinter is characterized by high brittleness and its fracture toughness is low (approximately 3.0 MPam ^1/2) ; while the Vickers hardness of the obtained composite significantly exceeds the hardness of the tested sintered carbides without the addition of alumina. The friction coefficient obtained for the sintered carbides with the addition of Al2O3 does not differ significantly from the results obtained for the WC-Co sinter and, regardless of the amount of alumina added, remains at the level of ~0.3. The addition of a-AbO3 in the amount of 5% did not affect the disc wear rate in the tribological test, in the case of 10% and 15%, an increase in disc wear is visible, however, this is still a good result. The resistance to surface cracking decreases with the increase in the share of alumina, but the obtained values remain at a high level.

Wprowadzenie fazy ceramicznej w postaci odmiany tlenku glinu pozwala nie tylko na zwiększenie twardości kompozytu ale również prowadzi do zmniejszenia udziału węglika wolframu WC przy zachowaniu takiej zwiększonej twardości kompozytu. Zatem częściowe zastąpienie WC przez (a-AbO3 jest korzystne również ze względów ekonomicznych.The introduction of a ceramic phase in the form of a variety of alumina not only increases the hardness of the composite but also leads to a reduction in the proportion of tungsten carbide (WC) while maintaining this increased hardness of the composite. Therefore, partial replacement of WC with (a-AbO3 is also beneficial for economic reasons.

Uzyskany kompozyt będzie miał zastosowanie jako materiał narzędziowy z przeznaczeniem na ostrza narzędzi skrawających.The obtained composite will be used as a tool material for cutting tool blades.

PrzykładExample

Przygotowano mieszaninę 90% masy proszku węglika spiekanego typu WC-Co o zawartości kobaltu w ilości 10% masy z dodatkiem 10% proszku a-Al2O3. Średnia wielkość ziarna (mediana) proszku WC-Co wynosiła 2,44 μm, a rozwinięcie powierzchni 1,113 m²/g zaś proszku (a-AbO3 mieściła się w przedziale od 0,3 do 0,6 μm. Po wstępnym sprasowaniu wypraski poddawano procesowi spiekania przy temperaturze 1250°C i ciśnieniu 35 MPa. Otrzymano kompozyt o twardości Vickersa 1508 HV30, gęstości pozornej 11,46 g/cm³, module Younga 506 GPa, liczbie Poissona 0,23 i odporności na pękanie powierzchniowe Kic(hv) wynoszącą 11,3 MPam^1/2. Współczynnik tarcia uzyskany dla pary kompozyt WC-Co z dodatkiem 10% masy a-AbO3 kulka z WC nie różni się w znaczący sposób od wyników uzyskanych dla spieku WC-Co i wynosi ~0,3.A mixture of 90% by mass of WC-Co type sintered carbide powder with a cobalt content of 10% by mass and the addition of 10% a-Al2O3 powder was prepared. The average grain size (median) of the WC-Co powder was 2.44 μm, and the surface development was 1.113 ^m2 /g, while that of the a-AbO3 powder was in the range of 0.3 to 0.6 μm. After initial pressing, the compacts were subjected to a sintering process at a temperature of 1250°C and a pressure of 35 MPa. A composite was obtained with a Vickers hardness of 1508 HV30, an apparent density of 11.46 g/ ^cm3 , a Young's modulus of 506 GPa, a Poisson's ratio of 0.23 and a surface crack resistance Kic(hv) of 11.3 MPam ^1/2 . The friction coefficient obtained for the pair of the WC-Co composite with the addition of 10% of a-AbO3 mass and the WC ball does not differ significantly from the results obtained for the WC-Co sinter and is ~0.3.

Claims

1. A method for manufacturing a composite based on cemented carbide, constituting a tool material, especially for manufacturing cutting tools, containing sintered tungsten carbide WC and a metallic binding phase in the form of cobalt Co, characterized in that to the initial mixture containing from 85 to 95% by mass of WC-Co type sintered carbide powder with a cobalt content of 10% by mass, a-Al2O3 powder is added in an amount of 5 to 15% by mass, wherein the average grain size of the WC-Co powder is from 1.5 to 5.0 μm and the size of the a-Al2O3 powder is in the range of 0.3 to 0.6 μm, after preliminary compaction the compact is subjected to a sintering process at a temperature of 1250°C under a pressure of 1 to 100 MPa.