Stan zwartej formacji węglików

Po utworzeniu wypraski węglikowej występuje ona w stanie porowatym. Podczas procesu mielenia na mokro kształt WC poddawany jest silnym uderzeniom, co skutkuje zwiększoną energią powierzchniową i zwiększoną reaktywnością. Im dłuższy czas kontaktu wypraski z powietrzem, tym większy stopień utlenienia, co wymaga większej ilości węgla do redukcji. Przy teoretycznej zawartości węgla w węgliku wynoszącej 6,128%, stosunek atomów tlenu do atomów węgla wynosi 12/16. Dlatego na każdą dodatkową jednostkę tlenu zużyje 3/4 zawartości węgla. Prowadzi to do łatwiejszego tworzenia się fazy η po spiekaniu stopu.

Istnienie tlenu w mieszaninach węglików

Można uznać, że zawartość tlenu w mieszaninie węglików występuje w trzech postaciach: tlen okludowany, tlen powierzchniowy kobaltu i tlen w WO2 lub WO3. Ponieważ zawartość tlenu mierzona metodą chemicznego oznaczania tlenu obejmuje łącznie te trzy rodzaje tlenu, trudno jest określić ich odpowiednie proporcje podczas produkcji. Stanowi to zatem wyzwanie dla produkcji. Ponadto wzbogacanie środowiska w tlen jest wszechobecne, dlatego istotne jest rozsądne zarządzanie każdym procesem w rzeczywistej produkcji.

Okludowany tlen

Występuje w szczelinach wypraski oraz na powierzchni wypraski i mieszaniny; zazwyczaj usuwany przez odsysanie próżniowe na początku spiekania, więc nie wpływa na spiekanie stopu.

Tlen powierzchniowy kobaltu

Ze względu na dużą podatność kobaltu na utlenianie w temperaturze pokojowej, utlenianie nasila się wraz ze wzrostem temperatury. Po zmieleniu na mokro i późniejszym suszeniu na powierzchni kobaltu tworzy się warstwa filmu tlenkowego; im dłużej materiał lub wypraska jest przechowywany przed spiekaniem, tym wyższy jest stopień utlenienia kobaltu. Ta część tlenku wymaga węgla do redukcji; zanim temperatura podczas spiekania osiągnie 600°C, redukcja opiera się głównie na wolnym węglu, a pozostałe niezredukowane tlenki należy zredukować za pomocą węgla połączonego. Ta część tlenu ma kluczowe znaczenie dla równowagi węgiel-tlen podczas spiekania stopu i jest trudna do kontrolowania.

Tlen WO2 lub WO3

Znany również jako tlen złożony; przed karbonizacją WC, WO3 stopniowo przekształca się w WO2, a następnie w proszek wolframu (W), po którym następuje karbonizacja. Niektóre tlenki mogą pozostać niecałkowicie zredukowane lub częściowo utlenione ze względu na czas przechowywania, od W → W2C → WC, i mogą utrzymywać się nawet po zakończeniu. Alternatywnie, niewystarczająca ochrona podczas przechowywania może prowadzić do utleniania. Te reszty tlenkowe nazywane są tlenem złożonym; temperatura redukcji zwykle występuje przed 1000°C, ale silne utlenianie może opóźnić redukcję aż do 1200°C. Ta pozostałość tlenkowa znacznie zużywa węgiel, zawężając margines poziomów węgla i utrudniając kontrolę zawartości węgla podczas spiekania, komplikując w ten sposób osiągnięcie wystarczającego tworzenia fazy ciekłej.

Forma węgla w węgliku

Zawartość węgla w węgliku zależy głównie od trzech czynników: stechiometrii WC, przyrostu węgla z rozkładu spoiwa i infiltracji węgla z gazów piecowych.

Ogólnie rzecz biorąc, WC jest dostosowywane zgodnie z teoretyczną zawartością węgla w węgliku; rozsądną korektę węgla przeprowadza się na podstawie małych próbek przed mieleniem na mokro; w procesie woskowym zawartość węgla reguluje się odejmując ilość węgla przenikniętego z gazów piecowych i dodając ilość węgla zużytego przez tlenki. W procesie gumowym należy odjąć jedną trzecią masy gumy.

Przyrost węgla z rozkładu spoiwa

Podczas usuwania spoiw i spiekania, niezależnie od tego, czy stosuje się wosk, PEG, czy gumę, następuje większy lub mniejszy rozkład; w ten sposób węglik może zyskać węgiel, chociaż ilość przyrostu węgla jest różna w zależności od różnych spoiw. Ponieważ wosk opiera się głównie na parowaniu, ogólnie uważa się, że nie zwiększa zawartości węgla. Z drugiej strony guma i PEG podlegają rozkładowi, przy czym rozkład gumy zachodzi w wyższych temperaturach, co skutkuje większym wzrostem węgla.

Infiltracja węgla z gazów piecowych

Ponieważ większość elementów grzejnych, warstw izolacyjnych, płyt do spiekania lub łódek w piecach do spiekania węglików spiekanych jest wykonana z produktów grafitowych, ich działanie staje się widoczne już w temperaturze 600°C; gdy temperatura spiekania wzrasta powyżej 1200°C, duża ilość węgla i CO uwalniana z grafitu zaostrza infiltrację węgla do węglika.

Wpływ kobaltu na właściwości węglika

Kobalt ma sześciokątną, zwartą strukturę krystaliczną, dzięki czemu jest wysoce reaktywny i podatny na utlenianie. W stopach WC-Co kobalt pełni rolę spoiwa. Gdy faza kobaltu ma strukturę krystaliczną ε-Co z mniejszą liczbą płaszczyzn poślizgu (teoretycznie nie więcej niż 3), udarność stopu jest niska. Jednakże, gdy faza kobaltu wykazuje strukturę krystaliczną α-Co, maksymalna liczba teoretycznych płaszczyzn poślizgu może wzrosnąć do 12, co skutkuje większą odpornością na pękanie. Wraz ze wzrostem temperatury spiekania struktura kryształu kobaltu zmienia się z sześciokątnej, gęsto upakowanej, do sześciennej skupionej na powierzchni; podczas chłodzenia następuje odwrotna sytuacja. Ponieważ wolfram rozpuszcza się bardziej w kobalcie, pełniąc rolę „przybijania”, transformacja struktury krystalicznej podczas chłodzenia zmienia się w zależności od ilości rozpuszczonego wolframu.

Do 1% kobaltu może rozpuścić się w toalecie w temperaturze pokojowej; gdy temperatura spiekania osiąga wartość pomiędzy 400°C a 800°C, następuje energiczna dyfuzja i przegrupowanie kobaltu. W tym okresie mniejsza ilość wolnego węgla bardziej sprzyja zwiększonym płaszczyznom poślizgu; jest to korzystne w procesach woskowych. Jednakże procesy gumowe wymagają zakończenia rozkładu w temperaturze około 600°C, co wpływa na efektywne występowanie płaszczyzn poślizgu fazy kobaltu.

W temperaturze 1000°C podczas spiekania tlenek prawie zakończył proces redukcji, dlatego ten etap nazywany jest spiekaniem beztlenowym. Na tym etapie zazwyczaj bada się zawartość węgla w węgliku; jednakże tak zwany węgiel beztlenowy zawiera tylko minimalną ilość tlenu. Niemniej jednak tlenek na powierzchni kobaltu został w tym momencie całkowicie zredukowany, a krawędzie fazy kobaltu wytworzyły mniej faz ciekłych. Na tym etapie wypraska uzyskuje pewną twardość, co nazywa się etapem wstępnego spiekania. Wyroby na tym etapie w razie potrzeby można poddać obróbce plastycznej.

Faza ciekła w węgliku

Teoretycznie faza ciekła w stopach WC-Co pojawia się w temperaturze 1340°C. Temperatura, w której pojawia się wystarczająca faza ciekła, zmienia się w zależności od zawartości węgla. Wraz ze wzrostem temperatury spiekania wzrasta ilość fazy ciekłej; drobne cząstki WC stopniowo tworzą fazę ciekłą. W produkcie następuje intensywny skurcz, zmniejszający odległość pomiędzy cząsteczkami WC. Drobne cząstki WC są stopniowo topione przez większe cząstki, w wyniku czego powstają grubsze cząstki WC. Zjawisko to znane jest jako wzrost ziarna. Wzrost ziaren podczas spiekania jest nieunikniony, szczególnie w ultradrobnych lub submikronowych WC, gdzie wzrost ziaren jest bardziej wyraźny. Aby skutecznie zahamować nadmierny wzrost ziaren, można dodać inhibitory, takie jak VC, TaC i Cr3C2.

Po spiekaniu nierozpuszczony WC i W2C szybko wytrącają się, po czym następuje utworzenie trójskładnikowej eutektyki, kładąc podwaliny pod stop. Im dłuższy czas chłodzenia powyżej 1200°C, tym pełniejsze opady, ale tym większa szansa na wzrost ziarna.

Wniosek

Poszukiwanie trójskładnikowych struktur eutektycznych jest najważniejszym aspektem spiekania węglika WC-Co. Trójskładnikowe struktury eutektyczne tworzą podstawową strukturę węglika. W trójskładnikowym systemie WC-Co, celem producentów stopów jest zawsze efektywne zarządzanie wzrostem ziaren WC, umożliwiające rozpuszczenie większej ilości wolframu w kobalcie bez odwęglenia, a tym samym poprawa trwałości i wytrzymałości węglika. Niemiecki ekspert techniczny powiedział kiedyś: „Istota spiekania polega na„ wysokiej temperaturze i niskiej zawartości węgla ”.