Ảnh hưởng của quá trình nghiền bi kết hợp phân tán bằng siêu âm đến cấu trúc và tính chất của hợp kim cứng WC-14Co
06/12/2017
Trong nghiên cứu này, siêu âm được sử dụng kết hợp với nghiền bi để phân tán WC và Co3O4 trong quy trình chế tạo hợp kim cứng WC-14Co...
Effect of ball milling and ultrasonic assisted dispersion on the microstructure and mechanical properties of WC-14Co hardmetal
TRẦN BẢO TRUNG1,*, ĐOÀN ĐÌNH PHƯƠNG1, ĐỖ THỊ NHUNG1, NGUYỄN QUANG HUÂN1, RUBANIK VASILI VASILIEVICH2, RUBANIK VASILI VASILIEVICH, JR.2, SHYLIN ALIAKSANDR DMITRIEVICH2 1 Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, Số 18, Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội 2 Institute of Technical Acoustics, National Academy of Sciences of Belarus, 210023 Luidnikova ave.13, Vitebsk, Belarus *e-mail:trungtb@ims.vast.ac.vn
Ngày nhận bài: 14/3/2017, Ngày duyệt đăng: 21/5/2017
TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, siêu âm được sử dụng kết hợp với nghiền bi để phân tán WC và Co3O4 trong quy trình chế tạo hợp kim cứng WC-14Co. Bột WC và Co3O4 sau khi nghiền bi với các khoảng thời gian nghiền khác nhau sẽ được phân tán thêm bằng siêu âm ở tần số 22 kHz với thời gian 30 phút trong dung môi cồn tuyệt đối. Hỗn hợp bột sau khi nghiền và siêu âm sẽ được hoàn nguyên trong môi trường hydro, ép sơ bộ và thiêu kết ép nóng đẳng tĩnh (HIP) ở nhiệt độ 1400 oC với áp suất khí Ar là 500 atm. Kết quả cho thấy, với các mẫu không có sự tác động phân tán thêm bằng siêu âm thì thời gian nghiền bi phải kéo dài 72 h mới đạt được sự phân tán đồng đều của WC và Co3O4. Tuy nhiên, khi nghiền 48 h sau đó kết hợp với siêu âm 30 phút đã tạo được sự phân tán đồng đều của các WC và Co3O4. Tính chất cơ học của mẫu nghiền 48 h kết hợp siêu âm 30 phút cũng đạt giá trị tương đương mẫu hợp kim được nghiền 72 h mà không có sự tác động của siêu âm. Độ cứng Vickers và độ dai phá hủy đạt giá trị tương ứng 1560 HV và 14,4 MPa.m1/2. Tỷ trọng tương đối của mẫu khối hợp kim cứng sau khi thiêu kết đạt xấp xỉ 99,8 %. Từ khóa: Hợp kim cứng, ép nóng đẳng tĩnh, xử lý siêu âm, phân tánABSTRACT
In this research, ultrasonic treatment was used to assist the dispersion of WC and Co3O4 mixture powder after ball-milling in the process of WC-14Co fabrication. Mixture powders of WC and Co3O4 at different ball milling time were ultrasonic treated at the frequency of 22 kHz for 30 minutes in absoluted ethanol. The mixtures were then hydrothermal reducted, compacted and sintered by hot isostatic pressing at 1400 oC and 500 atm in Ar gas. The results show that without ultrasonic assistance, the homogeneous mixture of dispersed WC and Co3O4 powder was obtained only for a ball milling time increased to 72 h. However, the same homogeneity dispersion was obtained after 48 h milling if the ultrasonic treatmeant was used and therefore, resulted in the good distribution of WC and Co with similar properties of the sintered samples. The Vickers hardness and fracture toughness of sintered sample after 48 h ball milling and 30 min ultrasonic treating were obtained the similar values to that of the sintered sample after 72 h ball milling without ultrasonic assistance, such as 1560 HV and 14,4 MPa.m1/2, respectively and the relative density achieved nearly 99.8 %. Key words: hardmetal, hot isostatic pressing, ultrasonic treatment, dispersion GIỚI THIỆU Hợp kim cứng (HKC) WC-Co được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như gia công kim loại, khai thác khoáng sản, giao thông vận tải... do các hợp kim này có các tính chất như độ cứng, độ dai cao và có khả năng chịu mài mòn tốt [1-3]. Trong những năm gần đây nhiều nghiên cứu được tiến hành nhằm nâng cao cơ tính của hợp kim cứng. Bên cạnh hướng chế tạo hợp kim cứng từ nguyên liệu ban đầu là bột WC và bột Co kim loại còn có các nghiên cứu chế tạo hợp kim cứng WC/Co từ các hợp chất của W hay Co. El- Eskandarany và các đồng nghiệp [4] đã sử dụng bột W và C chế tạo thành công bột WC kích thước nanomet bằng phương pháp nghiền hành tinh năng lượng cao và kết hợp với bột Co kim loại nhằm chế tạo ra hợp kim cứng WC/Co với kích thước hạt WC sau khi thiêu kết khoảng 100 nm. Lee, Wei và các cộng sự [5,6] cũng chế tạo thành công bột WC-Co với kích thước xấp xỉ 100 nm bằng phương pháp nghiền hành tinh hỗn hợp bột WO3 với oxit Co3O4 và một số phụ gia khác sau đó hoàn nguyên bằng các bon hoạt tính hoặc trong hỗn hợp khí hoàn nguyên hydro và metan. Vẫn đề quan trọng trong quy trình chế tạo hợp kim cứng là tạo ra sự phân tán đồng đều của WC và Co hoặc của các hợp chất của chúng. Phương pháp nghiền bi thường được sử dụng để tạo ra sự phân tán đồng đều của các cấu tử. Tuy nhiên khi các hạt nguyên liệu có cấu trúc siêu mịn hoặc nm thì thời gian nghiền trộn cũng cần kéo dài hơn để tạo ra được sự phân tán đồng đều. Những năm gần đây, phương pháp siêu âm đã được ứng dụng để phân tán các loại vật chất khác pha [7-9]. Trong nghiên cứu của Quin và các đồng nghiệp [10] cho thấy tốc độ hình thành của pha Al3Ti với kích thước hạt nhỏ mịn được nâng cao khi sử dụng siêu âm để tăng khả năng phân tán của bột Ti trong Al lỏng. Sự phân tán đồng đều của các hạt nano TiO2 trong polyme natri poliacrylat (C3H3NaO2)n cũng đạt được khi tác động siêu âm trong quá trình phân tán [11]. Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của siêu âm kết hợp với nghiền bi đến cấu trúc và tính chất của hợp kim WC-14Co chế tạo từ bột WC và bột oxit Co3O4 có kích thước hạt siêu mịn. THỰC NGHIỆM Bột WC nguyên liệu được nhập khẩu từ Hàn Quốc, có kích thước < 500 nm và độ sạch > 99,5%. Bột oxit Co3O4 có cấu trúc xốp và kích thước hạt xấp xỉ 200 nm, được nhóm nghiên cứu chúng tôi tự chế tạo. Bột WC sẽ được phối liệu với bột Co3O4 theo thành phần tính toán là WC-14Co và nghiền với các thời gian khác nhau là 24, 48 và 72 h trong môi trường n-hexan (40 % khối lượng) với tỷ lệ bi: bột là 6:1. Sau khi nghiền ở các thời gian khác nhau, hỗn hợp bột được hỗ trợ phân tán bằng siêu âm với thời gian 30 phút ở tần số 22 kHz và công suất 1 KW. Sơ đồ quá trình hỗ trợ phân tán bằng siêu âm như hình 1a. Hỗn hợp bột sau khi nghiền sẽ đưa vào cốc thép không gỉ, 30 % khối lượng cồn được đưa vào cùng với bột nhằm tạo hỗn hợp bột nhão. Sau đó đầu phát siêu âm được đưa vào trong hỗn hợp bột nhão và kích hoạt với thời gian 30 phút. Sau khi nghiền và siêu âm, hỗn hợp bột được hoàn nguyên 2 h ở 600 oC trong môi trường khí hydro và ép sơ bộ tạo phôi hình trụ kích thước 13 mm ở lực ép 100 MPa với thời gian duy trì lực ép 30 s. Phôi ép được thiêu kết sơ bộ 1 h ở 850 oC trong môi trường khí Ar với thời gian 1h nhằm loại bỏ các chất hữu cơ chứa trong mẫu và tạo độ bền sơ bộ. Quá trình thiêu kết được thực hiện nhờ kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh (HIP), với sơ đồ thiêu kết như hình 1b. Mẫu được nung lên trong môi trường chân không với tốc độ gia nhiệt là 15 độ/phút, sau khi giữ ở 1400 oC trong 1 h, khí Ar được bơm vào đến áp suất 500 atm. Thời gian giữ ở nhiệt độ 1400 oC và áp suất 500 atm là 30 phút. [caption id="attachment_1590" align="aligncenter" width="300"]
KIC = 0.089(HV.P/l)1/2 (1)
Trong đó, HV (kg/mm2) là độ cứng Vickers đo được, P là tải trọng đo (30 kg), l là tổng chiều dài các vết nứt tại góc của vết đâm độ cứng. [caption id="attachment_1584" align="aligncenter" width="206"]



Co3O4 + H2 → 3CoO + H2O (2) CoO + H2 → Co + H2O (3)
Cấu trúc tế vi của bột hợp kim cứng WC-14Co sau khi hoàn nguyên được thể hiện trên hình 6. Có thể nhận thấy sau khi hoàn nguyên thì không nhìn rõ các hạt Co riêng lẻ bao quanh các hạt WC như Co3O4 sau khi nghiền và siêu âm nữa. Điều này là do sau khi hoàn nguyên từ oxit Co3O4 thành Co kim loại, các hạt Co kim loại có hoạt tính mạnh liên kết với nhau thành màng kim loại bao quanh hạt các bít WC. [caption id="attachment_1582" align="aligncenter" width="273"]




- Upadhyaya, G. S., Materials science of cemented carbides - an overview, Materials & amp, Design, Vol. 22, 2001, pp.483-489
- Uhrenius, B., Pastor, H. and Pauty E.; On the composition of Fe-Ni-Co-WC-based cemented carbides, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 15, 1997, pp.139-149
- Osung S., S. K., and Enrique J. L.; Growth Inhibition of Nano WC particles in WC-Co Alloys during Liquid- Phase Sintering, Materials Transactions, 2003, pp. 44
- El-Eskandarany M. S., Mahday A. A., Ahmed H. A. and Amer A. H.; Synthesis and characterizations of ball- milled nanocrystalline WC and nanocomposite WC-Co powders and subsequent consolidations, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 312, 2000, pp. 315-325
- Lee G-H. and Kang S.; Sintering of nano-sized WC-Co powders produced by a gas reduction-carburization proCess, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 419, 2006, pp. 281-289
- Wei C. B., Song X. Y., Zhao S. X, Zhang L. and Liu W. B.; In-situ synthesis of WC-Co composite powder and densification by sinter-HIP, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 28, 2010, pp. 567-71
- Chen C., et al.; Ultrasonic nanowelding of carbon nanotubes to metal electrodes, Nanotechnology, Vol.17, 2006, pp. 2192
- Niyogi S., et al.; Ultrasonic dispersions of single-walled carbon nanotubes, Physical Chemistry. B,2003,107(34), pp 8799-8804
- Khasanov O. L. and Dvilis E. S.; Net shaping nanopowders with powerful ultrasonic action and methods of density distribution control, Advances in Applied Ceramics, Vol. 107, 2008, No. 3, p. 135-141
- 10. Qin ,Chen G., Wang B.,Hu N., Han F. and Du Z.; Formation of in-situ Al3Ti particles from globular Ti pow- ders and Al alloy melt under ultrasonic vibration, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 653, 2015, pp. 32-38
- Sato K., J.-G. Li, H. Kamiya, and T. Ishigaki; Ultrasonic dispersion of TiO2 nanoparticles in aqueous sus- pension, Journal of American Ceramic Society, Vol. 9, No. 8, 2008, pp. 2481-2487
- Shetty D. K., Wright I. G., Mincer P. N. and Clauer A. H.; Indentation fracture of WC-Co cermets. Journal of Materials Science, Vol. 20, 1985, p.1873-1882
- Lin H.-Y. and Chen Y-W.; The mechanism of reduction of cobalt by hydrogen, Materials Chemistry Physic, Vol. 85, 2004, pp. 171-175
- Sommer M., Schubert W.-D., Zobetz W, E. and Warbichler P.; On the formation of very large WC crystals during sintering of ultrafine WC-Co alloys, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 20, 2002, pp.41-50.