Thermal Coefficient of Linear Expansion of Tungsten-Cobalt Cemented Carbide

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Products containing cemented carbides (WC-Co), operating at high temperatures, experience large temperature deformations. The calculation accuracy of these deformations depends on the accuracy of the thermal coefficient of linear expansion (TCLE). In the literature, the data on the TCLE values for tungsten-cobalt cemented carbides vary significantly; TCLE type, experimental conditions are often not specified, and the correlation of TCLE and temperature is often neglected. The purpose of the work. The focus of this research is TCLE of tungsten-cobalt cemented carbide with different cobalt content in the range of 3-20 wt. %. The objective of the research is obtaining correlation between the linear thermal deformation and the temperature for tungsten-cobalt cemented carbide with different cobalt content and updating the TCLE values in view of its change as related to the temperature. The methods of investigation. The study used push-rod dilatometer Netzsch 402 PC to obtain experimental data in air. To eliminate low temperature distortions of the push-rod dilatometer due to the design features of this device a special method of experimental data processing is applied. This method includes calculation of true TCLE based on the deformations of the samples obtained from dilatometer; approximation the estimated TCLE by a linear function with its further integration by temperature for obtaining the correlation between the relative thermal deformation and temperature. Results and Discussion. The study obtained experimental values of linear thermal expansion in the range from 20 to 650°С and calculated true TCLE. It is found that a relationship of the true TCLE on the temperature is linear and calculated the coefficients of the corresponding approximating functions for different cobalt content. Also the study derived dependences of the relative thermal deformations of tungsten-cobalt cemented carbide for different cobalt content from the temperature, and provided the corresponding polynomial approximant coefficients. Moreover it is found, that with increasing the cobalt content, the value of TCLE and the rate of its change with temperature enlarge linearly. As the result study provides generalized formulas enabling to calculate for cemented tungsten carbide the relative thermal deformation, the true and mean TCLE based on the known temperature and cobalt content by weight. The results may help to calculate thermal deformation and stresses in a consisted cemented tungsten carbide products.

About the authors

I. A. Efimovich

Email: egor_kosin@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Tyumen Industrial University, 38 Volodarskogo, Tyumen, 625000, Russian Federation, egor_kosin@mail.ru

I. S. Zolotukhin

Email: ivan.zolotukhin@mail.ru
Tyumen Industrial University, 38 Volodarskogo, Tyumen, 625000, Russian Federation, ivan.zolotukhin@mail.ru

E. S. Zav'yalov

Email: batonbz@gmail.com
Tyumen Industrial University, 38 Volodarskogo, Tyumen, 625000, Russian Federation, batonbz@gmail.com

References

  1. Hou W.-M., Thalmann R. Thermal expansion measurement of gauge blocks // Proceedings SPIE. – 1998. – Vol. 3477: Recent developments in optical gauge block metrology. – P. 272–278. – doi: 10.1117/12.323116.
  2. FEM analysis on the effect of cobalt content on thermal residual stress in polycrystalline diamond compact (PDC) / Z. Li, H. Jia, H. Ma, W. Guo, X. Liu, G. Huang, R. Li, X. Jia // Science China Physics, Mechanics and Astronomy. – 2012. – Vol. 55. – P. 639–643. – doi: 10.1007/s11433-012-4654-4.
  3. Patent US 8323372, IPC C 22 C 29/00 (2006.01). Low coefficient of thermal expansion cermet compositions / Z. Fang, A. Griffo, G.T. Lockwood, D.-B. Liang. – Appl. N 09/494,877; filed 31.01.2000; publ. 04.12.2012.
  4. Thermophysical and microstructural studies on thermally sprayed tungsten carbide-cobalt coatings / S. Thiele, K. Sempf, K. Jaenicke-Roessler, L.-M. Berger, J. Spatzier // Journal of Thermal Spray Technology. – 2011. – Vol. 20, iss. 1–2. – P. 358–365. – doi: 10.1007/s11666-010-9558-0.
  5. Diamond film deposition on WC–Co and steel substrates with a CrN interlayer for tribological applications / M. Chandran, A. Hoffman // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2016. – Vol. 49, N 21. – doi: 10.1088/0022-3727/49/21/213002.
  6. Alt?parmak S. Analysis of thermal expansion and micro-delamination phenomenon of cutting tool thin surface coatings in high-speed dry machining [Electronic resource] // Kirklareli University Journal of Engineering and Science. – 2018. – Vol. 4, iss. 2. – P. 189–211. – URL: https://dergipark.org.tr/download/article-file/618756 (accessed 16.08.2019).
  7. Магунов А.Н. Лазерная термометрия твердых тел. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с. – ISBN 5-9221-0222-2.
  8. Патент 2442967 Российская Федерация, МПК G 01 K 5/48, B 23 Q 11/00 (2006.01). Способ определения температурных полей в режущей части инструмента в процессе резания / И.А. Ефимович, И.С. Золотухин, Е.И. Швецова. – № 2010134543/28; заявл. 18.08.10; опубл. 20.02.12, Бюл. № 5.
  9. Hidnert P. Thermal expansion of cemented tungsten carbide [Electronic resource] // Journal of Research of the National Bureau of Standards. – 1936. – Vol. 18. – P. 47–52. – URL: https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/18/jresv18n1p47_A1b.pdf (accessed 16.08.2019).
  10. Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые сплавы. – М.: Металлургия, 1971. – 392 с.
  11. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1976. – 528 c.
  12. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: справочник / В.С. Самойлов, Э.Ф. Эйхманс, В.А. Фальковский и др. – М.: Машиностроение, 1988. – 368 c. – ISBN 5-217-00263-8.
  13. ASM handbook. Vol. 2. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. – S. l.: ASM International, 1991. – 1328 p. – ISBN 978-0-87170-378-1.
  14. ASM ready reference: thermal properties of metals. – S. l.: ASM International, 2002. – 560 p. – ISBN 978-0-87170-768-0.
  15. Shinohara K., Ueda F., Tanase T. Thermal expansion coefficient and thermal conductivity of WC based cemented carbides // Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. – 1993. – Vol. 40, iss. 1. – P. 29–32. – doi: 10.2497/jjspm.40.29.
  16. Roebuck B., Gee M.G. Miniaturised thermomechanical tests on hardmetals and cermets // Materials Science and Engineering. – 1996. – Vol. 209, iss. 1–2. – P. 358–365. – doi: 10.1016/0921-5093(95)10134-9.
  17. Upadhyaya G.S. Materials science of cemented carbides – an overview // Materials and Design. – 2001. – Vol. 22, iss. 6. – P. 483–489. – doi: 10.1016/S0261-3069(01)00007-3.
  18. Wang H., Webb T., Bitler J.W. Study of thermal expansion and thermal conductivity of cemented WC–Co composite // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2015. – Vol. 49. – P. 170–177. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2014.06.009.
  19. Modes of failure of cemented tungsten carbide tool bits (WC/Co): a study of wear parts / P. Katiyar, P. Singh, R. Singh, A. Lava Kumar // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2016. – Vol. 54. – P. 27–38. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2015.06.018.
  20. Ezquerra B.L., Rodriguez N., Sánchez J.M. Comparison of the damage induced by thermal shock in hardmetals and cermets // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2016. – Vol. 61. – P. 147–150. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2016.09.008.
  21. A micromechanical constitutive modeling of WC hardmetals using finite-element and uniform field models / D. Tkalich, G. Cailletaud, V.A. Yastrebov, A. Kane // Mechanics of Materials. – 2016. – Vol. 105. – doi: 10.1016/j.mechmat.2016.11.007.
  22. Álvarez E.A., Garcia J.L., González Oliver C.J.R. Thermal cycling behavior of thin WC-Co sintered pellets // Advanced Engineering Materials. – 2017. – Vol. 19, iss. 3. – doi: 10.1002/adem.201600544.
  23. Аматуни А.Н. Методы и приборы для определения температурных коэффициентов линейного расширения материалов. – М.: Изд-во стандартов, 1972. – 140 с.
  24. A review of measurement techniques for the thermal expansion coefficient of metals and alloys at elevated temperatures / J.D. James, J.A. Spittle, S.G.R. Brown, R.W. Evans // Measurement Science and Technology. – 2001. – Vol. 12. – R1–R15. – doi: 10.1088/0957-0233/12/3/201.
  25. ГОСТ 3882–74. Сплавы твердые спеченные. Марки. – М.: Изд-во стандартов, 1998. – 13 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».