Сравнительные испытания изделий из твердого сплава ВК-6, легированного ванадием и рением

Введение

Один из товарных продуктов НПО АО «Алмалыкский ГМК» - твердый сплав (ТС) ВК-6 [1-2], в изделиях, в т.ч. в инструментах, применяемых в практике буровых и землепроходческих работ АО «Навоийский ГМК», обнаруживает, в сравнении с импортными аналогами, пониженные износостойкие свойства [3]. Однако, ранее показано, что модифицированием системы WC-Co карбидом ванадия способно улучшить физико-механические характеристики ВК-6. В этой связи, создание технологии производства твердого сплава на основе сплава ВК-6, легированного ванадием, актуально и способствует созданию твердых сплавов нового поколения.

Модифицирование твердых сплавов системы WC-Co возможно за счет легирования «ингибиторами роста зерен», к которым относят карбид ванадия [4-5]. Улучшение физико-механических свойств сплава достигается его нано-структурированием [6-9], повышением чистоты сырьевого вольфрама.

Цель исследования: сравнительное испытание на твердость по Роквеллу, износостойкость, структурное исследование образцов твердого сплава ВК-6, легированных ванадием, рением, изготовленных из W-сырья разной степени очистки. Регламент испытания предусматривал выполнение 3-х заданий: 1 – легирование ванадием; 2 – легирование рением; 3 – использование вольфрамового сырья повышенной степени очистки. Физико-механические испытания образцов выполнены относительно сплава ВК-6.

Сплавы типа ВК-6 состоят из фаз WC в Co-матрице, их твердость зависит от состава и структуры [10]. С учетом ингибирования роста зерен ванадием и, предположительно, рением, представляло интерес изготовить, сравнить твердость и износостойкость обычных дисперсных WC-Co образцов с образцами ультрадисперсных [11-14] сплавов WC-V(Re)C-Co, а также выявить зависимость этих параметров от концентрации лигатуры и чистоты W-сырья.

Объекты и методы исследования. Объект исследования – сплавы системы WC-Co, компоненты и сырье их производства, а также ванадиевая и рениевая лигатура. Поскольку в промышленной практике продуктом переработки W-сырья является паравольфрамат аммония, при термическом разложении которого получают триоксид вольфрама, представляло интерес получить это сырье различной степени очистки для синтеза и сравнительного испытания образцов ВК-6, легированных и нелегированных ванадием. При изготовлении образцов ВК-6 использовал схему: 1) получение порошков карбидов и Со методом восстановления из оксидов; 2) измельчение порошков карбидов и кобальта (производится на шаровых мельницах в течение 2-х суток) до 1-2 микрон; 3) просеивание и повторное измельчение при необходимости; 4) приготовление смеси (порошки смешивают в пропорции, обеспечивающей состав); 5) холодное прессование; 6) спекание под нагрузкой при 1400 °C. Карбиды W, V, Re получены в одинаковых условиях по общей технологии.

Для перекристаллизации ПВА использована установка для фильтрования под вакуумом. Оценивалась твердость (Роквелл HRС, индентор - стальной шарик диаметром 1,588 мм (1/16); он вдавливался в испытуемый материал под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р₀, равной 10 кгс и основной Р₁) и износостойкость WC-Co и WC-VC-Co материалов при контакте образцов под нагрузкой с абразивом. Рентгенофазовый контроль - на EMPYREAN XDR с проведением измерений «на просвет» и с зондом элементного анализа. Использовали сканирующий электронный микроскоп SEM-EDS EVO-MA Carl Zeiss, Oxford Instrum.

Результаты и их обсуждение

По заданию 1 изготовлены и испытаны на твердость и износ WC-VC-Co образцы (рис. 1). По заданию 2 изготовлены и испытаны на твердость и износ WC-ReC-Co образцы (табл. 1). По заданию 3 изготовлены и испытаны на твердость и износ образцы «ВК-6-модифицированный 5% рения с дополнительной очисткой» (табл. 1 и 2).

Исходным сырьем их производства служили образцы: WО₃ -О, WO₃ -1, WО₃ -2, WО₃ -3, полученные прокалкой при температуре 650-700° С исходных порошков, соответственно: ПВА-0, ПВА-1, ПВА-2, ПВА-3. В токе водорода образцы WО₃ -0, WО₃ -1, WО₃ -2, WО₃ -3 восстановлены до порошков вольфрама металлического: W-0, W-l, W-2, W-3. Полуфабрикаты WO₃ - 0, WO₃ - 1, WO₃ - 2, WO₃ -3; W-0, W-l, W-2, W-3 проанализированы (табл. 2).

Рисунок 1. Твердость по Роквеллу (HRC) и относительная износостойкость (∆) образцов задания №1.

Обозначение: 1 – твердость модифицированного ТС ВК-6 в диапазоне концентраций 1,0-16,0% VC; 2 – твердость немодифицированного ВК-6; 3 - ∆ модифицированного ТС ВК-6 в диапазоне концентраций 1,0-16,0%; 4 - ∆ немодифицированного ТС ВК-6

Как следует из рис. 1, независимо о содержания ванадия в образцах, твердость их практически не меняется, превышая. В диапазоне концентраций 1-16% VC, твердость твердого сплава ВК-6 на 3%. В то же время, по мере роста содержания этой лигатуры: от 0 до 16%, износостойкость сплава монотонно растет, превышаю базовую (0% в сплаве ВК-6), вплоть до 90% прироста в случае содержания лигатуры VC 16%.

В таблице 1 приведен состав и свойства образцов из модифицированного твердого сплава ВК-6; в табл. 2 – характеристика чистоты W-полуфабрикатов.

Образцы на основе сырья повышенной степени очистки изготовлены следующим образом. Взяты 4 пробы порошка вольфрама металлического из паравольфрамата аммония – продукта гидрометаллургического цеха полуфабрикатов вольфрама НПО ПРМиТС), по схеме переочистки:

1) ПВА-0: растворение ПВА-0 в HNO₃ до получения вольфрамовой кислоты; фильтрация; промывка вольфрамовой кислоты до нейтрального значения рН; фильтрация; растворение вольфрамовой кислоты в аммиачной воде; упарка раствора вольфрамата аммония; выделение кристаллов ПВА;

2) ПВА-1 - аналогично; сырьем служил ПВА-0;

3) ПВА-2 - аналогично; сырьем служил ПВА-1;

4) ПВА-3 - аналогично; сырьем служил ПВА-2.

Характеристика образцов из модифицированного твердого сплава ВК-6

Таблица 2.

Результаты контроля чистоты проб полуфабрикатов в задании №3

Из табл. 1 следует. что очистка W-сырья твердого сплава WC-ReC-Co (при фиксированной концентрации карбида рения 5% масс.), по сравнению со сплавами: «ВК-6» и «ВК-6 модифицированный 5% рения без дополнительной очистки», привела к росту износостойкости: с 38,5% (сплав «ВК-6 модифицированный 5% рения»), до 57,0% (однократная) и 65,3% (трехкратная очистка) сплава «ВК-6 модифицированный 5% рения с дополнительной очисткой», относительно немодифицированного ТС ВК-6. Из табл. 2 видно: чем больше число перечисток ПВА, тем чище он по вредным примесям.

Выводы: Модифицированные ванадием твердые сплавы WC-VC-Co (в диапазоне концентрации карбида ванадия: от 1,0 до 16,0% масс.), на примере сплава ВК-6, оказались, соответственно с ростом доли лигатуры, на ≈ 3% более твердыми и до 90% более стойкими к износу, по сравнению со сплавом ВК-6 системы WC-Co, с равным содержанием кобальта. Модифицированные рением твердые сплавы WC-ReC-Co (в диапазоне концентрации карбида рения: от 1 до 5% масс.), на примере сплава ВК-6, оказались, соответственно с ростом доли лигатуры, на ≈ 3% более твердыми и на 35% более стойкими к износу, по сравнению со сплавом ВК-6 системы WC-Co, с равным содержанием кобальта. Дополнительная очистка (перекристаллизацией) W-сырья твердого сплава WC-ReC-Co (при фиксированной концентрации карбида рения 5% масс.), по сравнению со сплавами: «ВК-6» и «ВК-6 модифицированный 5% рения без дополнительной очистки», привела к росту сопротивления износу: с 38,5% (сплав «ВК-6 модифицированный 5% рения»), до 57,0% (однократная) и 65,3% (трехкратная очистка) сплава «ВК-6 модифицированный 5% рения с дополнительной очисткой», относительно немодифицированного ТС ВК-6.