Effect of mechanical activation of tungsten powder on the structure and propertiesof the sintered Sn-Cu-Co-W material

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. One of the methods for improving the properties of sintered materials is mechanical activation of powders. It ensures milling the powders, changing its energy state, intensifying the sintering of powder materials, and forming a fine-grained structure in it. When tungsten powders are mechanically activated in planetary centrifugal mills, nanoparticles can be formed, which have a high reactive power. The objective of the paper is to study the effect of mechanical activation of tungsten particles on the structure and properties of the sintered Sn-Cu-Co-W powder material. Research technique: Mechanical activation of W16,5 grade tungsten powder is carried out in a planetary centrifugal ball mill AGO-2U for 5…120 minutes with carrier speeds of 400…1,000 rpm. The mixture of tungsten, tin, copper, and cobalt powders are compacted by static pressing in molds and then sintered in vacuum at 820 °C. The morphology and size of powder particles, as well as the structure of the sintered samples, are studied by scanning electronic microscopy, X-ray microanalysis, and optical metallography. Porosity of the sintered samples is identified by the gravimetric method. Microhardness of the structural constituents and macrohardness of the sintered materials are measured, too. Results: in the modes under study, mechanical activation is accompanied by the formation of tungsten nanoparticles with the minimum size of 25 nm. Alongside this, the powder is exposed to cold working, which hinders further milling. Tungsten nanoparticles, characterized by high surface energy, have a significant effect on the dissolution-precipitation of cobalt during liquid-phase sintering of Sn-Cu-Co-W powder material. Addition of nanodispersed tungsten into the material slows down the growth of cobalt particles during sintering and contributes to the formation of a fine-grained structure. The sintered Sn-Cu-Co-W material, containing mechanically activated tungsten, features higher hardness of 105…107 HRB, which is explained by cold working of tungsten particles and dispersion hardening. The results can be applied for improving mechanical properties of Sn-Cu-Co-W alloys used as metallic binders in diamond abrasive tools.

About the authors

A. V. Ozolin

Email: ozolinml@yandex.ru
Kuban State Technological University, 2 Moskovskaya St., Krasnodar, 350072, Russian Federation; ozolinml@yandex.ru

E. G. Sokolov

Email: e_sokolov.07@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor; Kuban State Technological University, 2 Moskovskaya St., Krasnodar, 350072, Russian Federation; e_sokolov.07@mail.ru

References

  1. Konstanty J. Powder metallurgy diamond tools. – Oxford: Elsevier, 2005. – 152 p. – ISBN 978-1-85617-440-4. – doi: 10.1016/B978-1-85617-440-4.X5077-9.
  2. Composite materials of diamond−(Co–Cu–Sn) system with improved mechanical characteristics. Pt. 1. The influence of hot re-pressing on the structure and properties of diamond−(Co–Cu–Sn) composite / M.V. Novikov, V.A. Mechnyk, M.O. Bondarenko, B.A. Lyashenko, M.O. Kuzin // Journal of Superhard Materials. – 2015. – Vol. 37. – P. 402–416. – doi: 10.3103/S1063457615060052.
  3. Sokolov E.G. Structure formation during liquid-phase sintering of the diamond-containing composites with Sn-Cu-Co-W binders // Solid State Phenomena. – 2018. – Vol. 284. – P. 127–132. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/SSP.284.127' target='_blank'>www.scientific.net/SSP.284.127.
  4. Исследование структуры и механических свойств нано- и ультрадисперсных механоактивированных вольфрамовых псевдосплавов / В.Н. Чувильдеев, А.В. Нохрин, Г.В. Баранов, А.В. Москвичева, Ю.Г. Лопатин, Д.Н. Котков, Ю.В. Благовещенский, Н.А. Козлова, С.В. Шотин, Д.А. Конычев, А.В. Пискунов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. – 2010. – № 2 (1). – С. 47–59.
  5. Исследование процессов спекания нано- и ультрадисперсных механоактивированных порошков системы W-Ni-Fe и получение сверхпрочных тяжелых вольфрамовых сплавов / В.Н. Чувильдеев, А.В. Нохрин, Г.В. Баранов, М.С. Болдин, А.В. Москвичева, Н.В. Сахаров, Д.Н. Котков, Ю.Г. Лопатин, В.Ю. Белов, Ю.В. Благовещенский, Н.А. Козлова, Д.А. Конычев, Н.В. Исаева // Металлы. – 2014. – № 2. – С. 51–66.
  6. Fabrication of W-Cu functionally graded composites using high energy ball milling and spark plasma sintering for plasma facing components / L.K. Pillari, S.R. Bakshi, P. Chaudhuri, B.S. Murty // Advanced Powder Technology. – 2020 – Vol. 31 (8). – P. 3657–3666. – doi: 10.1016/j.apt.2020.07.015.
  7. Effects of sintering temperature on fine-grained tungsten heavy alloy produced by high-energy ball milling assisted spark plasma sintering / L. Ding, D.P. Xiang, Y.Y. Li, C. Li, J.B. Li // Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2012. – Vol. 33. – P. 65–69. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2012.02.017.
  8. Refinement process and mechanisms of tungsten powder by high energy ball milling / Y.X. Liang, Z.M. Wu, E.G. Fu, J.L. Du, P.P. Wang, Y.B. Zhao, Y.H. Qiu, Z.Y. Hu // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2017. – Vol. 67. – P. 1–8. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2017.04.006.
  9. Dispersed strengthening of a diamond composite electrochemical coating with nanoparticles / N.I. Polushin, A.V. Kudinov, V.V. Zhuravlev, N.N. Stepareva, A.L. Maslov // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2013. – Vol. 54. – P. 412–416. – doi: 10.3103/S1067821213050088.
  10. Variation in the structure and properties of sintered alloys under the effect of nanodimensional carbon additives / P.A. Vityaz’;, V.I. Zhornik, S.A. Kovaleva, V.A. Kukareko // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2016. – Vol. 57. – P. 135–140. – doi: 10.3103/S1067821216020115.
  11. Performance of diamond drill bits with hybrid nanoreinforced Fe-Ni-Mo binder / P.A. Loginov, D.A. Sidorenko, M.Y. Bychkova, A.A. Zaitsev, E.A. Levashov // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 102. – P. 2041–2047. – doi: 10.1007/s00170-018-03262-0.
  12. The effect of ZrO2 nanoparticles on the microstructure and properties of sintered WC–bronze-based diamond composites / Y. Sun, H. Wu, M. Li, Q. Meng, K. Gao, X. Lü, B. Liu // Materials. – 2016. – Vol. 9, N 343. – doi: 10.3390/ma9050343.
  13. Шарин П.П. Новый метод приготовления твердосплавной шихты с упрочняющими наночастицами для изготовления матриц алмазных инструментов // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. – 2016. – № 1 (51). – С. 78–87.
  14. Гегузин Я.Е. Физика спекания. – М.: Наука, 1967. – 360 с.
  15. Основы теории межфазного слоя / И.Ф. Образцов, С.А. Лурье, П.А. Белов, Д.Б. Волков-Богородский, Ю.Г. Яновский, Е.И. Кочемасова, А.А. Дудченко, Е.М. Потупчик, Н.П. Шумова // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2004. – Т. 10, № 4. – С. 596–612.
  16. Multiscale modelling of aluminium-based metal-matrix composites with oxide nanoinclusions / S. Lurie, D. Volkov-Bogorodskiy, Y. Solyaev, R. Rizahanov, L. Agureev // Computational Materials Science. – 2016. – Vol. 116. – P. 62–73. – doi: 10.1016/j.commatsci.2015.12.034.
  17. Kostikov V.I., Agureev L.E., Eremeeva Z.V. Development of nanoparticle-reinforced alumocomposites for rocket-space engineering // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2015. – Vol. 56 (3). – P. 325–328. – doi: 10.3103/S1067821215030104.
  18. Зеликман А.Н. Металлургия тугоплавких редких металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 440 с.
  19. Predescu C., Nicolicescu C., Nicoara V.H. Studies regarding the elaboration of tungsten nanopowders by mechanical milling process // Metalurgia International. – 2013. – Vol. 18, iss. 2. – P. 65–68.
  20. Озолин А.В., Соколов Е.Г., Гапоненко С.А. Получение нанодисперсных порошков вольфрама механическим измельчением // Материалы и технологии XXI века: XVI Международная научно-техническая конференция / под ред. О.Е. Чуфистова. – Пенза: Приволжский дом знаний, 2019. – С. 46–50.
  21. Соколов Е.Г., Артемьев В.П. Влияние вольфрама на свойства металлических связок алмазных инструментов, полученных композиционной пайкой // Технология металлов. – 2015. – № 2. – С. 19–22.
  22. Диаграммы двойных металлических систем: справочник. В 3 т. Т. 2 / под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1997. – 1024 c. – ISBN 5-217-01569-1.
  23. Ozolin A.V., Sokolov E.G., Golius D.A. Effect of tungsten nanoparticles on interaction of Sn-Cu-Co metallic matrices with diamond // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2021. – Vol. 1155. – P. 012016. – doi: 10.1088/1757-899X/1155/1/012016.
  24. Ивенсен В.А. Феноменология спекания и некоторые вопросы теории. – М.: Металлургия, 1985. – 247 с.
  25. German R.M. Sintering: From empirical observations to scientific principles. – Oxford: Butterworth-Heinemann, 2014. – 544 p. – ISBN 978-0-12-401682-8. – doi: 10.1016/C2012-0-00717-X.
  26. Шатинский В.Ф., Збожная О.М., Максимович Г.Г. Получение диффузионных покрытий в среде легкоплавких металлов. – Киев: Наукова думка, 1976. – 203 с.
  27. The surface energy of metals / L. Vitos, A.V. Ruban, H.L. Skriver, J. Kollár // Surface Science. – 1998. – Vol. 411. – P. 186–202. – doi: 10.1016/S0039-6028(98)00363-X.
  28. Есенберлин Р.Е. Пайка и термическая обработка деталей в газовой среде и вакууме. – Л.: Машиностроение, 1972. – 184 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).