A radically new approach to the in situ synthesis of the consituent phases of a composite structure has enabled the production of a new WC/Co materials with an ultrafine microstructure. The process for synthesizing nanophase WC/Co powders consists of spray drying from solution to form a homogeneous precursor powder, and thermochemical conversion of the precursor powder to the nanophase WC/Co powder. Near theoretical density of pure nanophase WC-10 wt%Co has been obtained in only 30 sec at 140$0^{\circ}C$. But WC particles were grown up very rapidly with longer sintering time to get full density. To overcome coarsening of WC particle during sintering, VC, TaC and VC/TaC were used as the grain growth inhibitor with different amount respectively. VC/TaC doped WC-10 wt%Co was shown superior hardness and TRS and microstructure was maintained ultrafine scale (average WC size is less than 0.1 ${\mu}{\textrm}{m}$).
The grain size of the final products of WC-Co and WC-Ni composite powders is dependent on the size of the starting material and the conditions employed for the reduction and carburization. APT-Co and -Ni com-plex salts were prepared by the substitution reaction between ammonium ions in APT and the metal ions in Co(NO3)2 and Ni(NO3)2 solutions of different concentrations(0.1 to 0.7M) at $50^{\circ}C$ and the grain sizes of the com-plex salts was $0.54~0.76\mu\textrm{m}$. The complex which calcined the complex salts at $700^{\circ}$~80$0^{\circ}C$ for 60min. were 0.2~0.5$\mu\textrm{m}$. W-Co($5.92^{\circ}C$) and -Ni(6.95%) powders which reduced the complex oxides with H2d atmo-sphere(flow rate;600cc/min.) at $700^{\circ}$~$800^{\circ}C$ for 60min. were $0.5~0.6\mu\textrm{m}$. The mean grain sizes of WC-Co and WC-Ni composite powders which carburized both complex metals of W-Co and W-Ni at $800^{\circ}C$ for 60min. were $0.5~0.6\mu\textrm{m}$, and take place the coarsening of the grain above $800^{\circ}C$ and the optmium ratio of C3H8 and H2 was 0.2 for the control of the free carbon. The effect of Co contents on the particle sizes decreased from 0.4 to $0.25\mu\textrm{m}$ with increasing the content from 2.0 to 7.6w%. The activation energies on the reductions of oxides and the formations of carbides were as follows ; W-Co : Q = 8.7 kcal/mole, W-Ni : Q = 8.1 kcal/mole, WC-Co pow-der : Q = 17.8 kcal/mole, WC-Ni powder : Q = 16.6 kcal/mole.
평균입자크기가 서로 다른 WC-Co계 모재위에 고온 열처리법과 화학적 에칭방법을 이용하여 다이아몬드 막을 코팅하고 압흔법을 통해 그 접착력(adhesion strength)을 평가하였다. $1450^{\circ}C$의 고온 열처리 방법에 의해 준비된 WC-Co 시편표면에서는 WC 입자가 성장하였으며, 그 결과 20$\mu$m 이상의 다이아몬드 막이 증착된 경우에도 100kg의 하중에서도 우수한 접착력이 얻어졌다. 그러나, 모재 표면입자의 과도한 입성장으로 시편 인선부에는 변형이 발생하였으며, 증착된 다이아몬드 막은 거친 표면조도를 보였다. 이와 비교하여, 화학적 부식의 경우에는 submicron 크기의 WC 입자를 제외하고, 2$\mu$m 이상의 WC 입자를 가지는 모재를 이용하여 10$\mu$m의 다이아몬드 코팅막을 증착시킨 경우에는, 60kg의 하중에서도 양호한 접착력이 유지되었다 특히, WC 입자가 클수록 접착력의 신뢰성이 대폭 향상되었다. 이는 수 $\mu$m 이내의 비교적 얇은 두께의 다이아몬드 막을 증착하는 경우 화학적 에칭방법이 시편 형상의 변형을 방지하고, 양호한 표면조도를 얻을 수 있어 고온 열처리 방식에 비해 효과적임을 의미한다.
한국분말야금학회 2006년도 Extended Abstracts of 2006 POWDER METALLURGY World Congress Part2
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pp.891-892
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2006
To test the correlation between grain shape and growth behavior we prepared WC-TiC-Co samples with rounded (Ti, W)C grains and faceted WC grains. The growth of rounded (Ti, W)C grains was normal. In contrast, the growth of faceted WC grains was abnormal or suppressed depending on the initial size of WC particles. These observations were explained using growth theories of crystals in a liquid and were also confirmed by a simulation using their growth equations. The present results thus demonstrate that the growth behavior of carbide grains in a liquid is governed only by their shape, irrespective of the presence of another phase.
Park, Seong-Jin;Johnson, John L.;German, Randall M.
한국분말야금학회:학술대회논문집
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한국분말야금학회 2006년도 Extended Abstracts of 2006 POWDER METALLURGY World Congress Part 1
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pp.362-363
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2006
Nano-structured tungsten carbide compacts with cobalt matrices (WC-Co) offer new opportunities for achieving superior hardness and toughness combinations. A unified modeling and simulation tool has been developed to produce maps of sintering pathways from nanocrystalline WC powder to sintered nano-structured WC-Co compacts. This tool includes (1) die compaction, (2) grain growth, (3) densification, (4) sensitivity analysis, and (5) optimization. All material parameters were obtained by curve fitting based on results with two WC-Co powders. Critical processing parameters are determined based on sensitivity analysis and are optimized to minimize grain size with high density.
The Ag/WC electrical contacts were prepared via powder metallurgy using 60 wt% Ag, 40 wt% WC, and small amounts of Co3O4 with varying WC particle sizes. After the fabrication of the contact materials, microstructure observations confirmed that WC-1 had an average grain size (AGS) of 0.27 ㎛, and WC-2 had an AGS of 0.35 ㎛. The Ag matrix in WC-1 formed fine grains, whereas a significantly larger and continuous growth of the Ag matrix was observed in WC-2. This indicates the different flow behaviors of liquid Ag during the sintering process owing to the different WC sizes. The electrical conductivities of WC-1 and WC-2 were 47.8% and 60.4%, respectively, and had a significant influence on the Ag matrix. In particular, WC-2 exhibited extremely high electrical conductivity owing to its large and continuous Ag-grain matrix. The yield strengths of WC-1 and WC-2 after compression tests were 349.9 MPa and 280.7 MPa, respectively. The high yield strength of WC-1 can be attributed to the Hall-Petch effect, whereas the low yield strength of WC-2 can be explained by the high fraction of high-angle boundaries (HAB) between the WC grains. Furthermore, the relationships between the microstructure, electrical/mechanical properties, and deformation mechanisms were evaluated.
Tungsten carbide (WC) hard materials are used in various industries and possess a superior hardness compared to other hard materials. They have particularly high melting points, high strength, and abrasion resistance. Accordingly, tungsten carbide hard materials are used for wear-resistant tools, cutting tools, machining tools, and other tooling materials. In this study, the WC-5wt.%Co, Fe, Ni hard materials are densified using the horizontal ball milled WC-Co, WC-Fe, and WC-Ni powders by a spark plasma sintering process. The WC-5Co, WC-5Fe, and WC-5Ni hard materials are almost completely densified with a relative density of up to 99.6% after simultaneous application of a pressure of 60 MPa and an electric current for about 15 min without any significant change in the grain size. The average grain size of WC-5Co, WC-5Fe, and WC-5Ni that was produced through SPS was about 0.421, 0.779, and $0.429{\mu}m$, respectively. The hardness and fracture toughness of the dense WC-5Co, WC-5Fe, WC-5Ni hard materials were also investigated.
The effects of Ni on the mechanical properties of WC-Xwt.%Ni-1.5wt.%Si-1.1wt.%$B_4C$ composite (X = 21.6, 23.6, 25.6 and 27.6 wt.%) were investigated in order to replace Co with Ni as the binder metal for hard materials based on WC-Co system. Using X-ray diffraction, optical microscopy, field-emission scanning electron microscopy results, the microstructure, pore distribution and grain size of the composites sintered at $1,150^{\circ}C$ were examined with different fraction (X = 21.6, 23.6, 25.6 and 27.6 wt.%) of binder metal Ni. The average WC grain size of the $WC-Ni-Si-B_4C$ composites was about $1{\mu}m$. The Rockwell hardness : A (HRA) and transverse rupture strength were about 88HRA and $110kgf/mm^2$, respectively. The obtained sample was bonded with SM45C at a temperature of $1,050^{\circ}C$. The thickness and mechanical properties of the bonded area were investigated with different dwell time at a bonding temperature of $1,050^{\circ}C$.
Using the spark plasma sintering process (SPS process), the WC-6wt.%Co hard materials were densified using an ultra fine WC-Co powder. The WC-Co was almost completely dense with a relative density of up to 100% after the simultaneous application of a pressure of 60 MPa and the DC pulse current for 3 min without any significant change in the grain size. The average grain size of WC that was produced through this experiment was about $0.2{\sim}0.8{\mu}m$. The hardness and fracture toughness were about $1816kg/mm^2$ and $15.1MPa{\cdot}m^{1/2}$, respectively, for 60 MPa at $1200^{\circ}C$.
본 연구에서는 텅스텐산암모늄(APT, Ammonium Paratungstate, (NH4)10[W12O46H10])이 사용되지 않는 친환경 초경합금 슬러지 재활용 공정을 통해 초경합금 주원료인 텅스텐 탄화물 분말을 합성하고자 하였다. 초경합금 슬러지에 대한 산 처리를 통해 텅스텐산(H2WO4) 추출 및 결정화를 수행하고 결정화된 텅스텐산을 텅스텐 탄화물의 원료로 사용하였다. H2WO4에 대한 탄화환원을 통해 텅스텐탄화물 (WC) 분말이 합성되었고 합성된 WC 분말은 200~700nm 수준의 결정립으로 구성되어 있음이 확인되었다. 이는 현재 절삭공구로 가장 널리 사용되는 1~3㎛ 입도의 상용 WC 분말에 비해 미세한 것으로 텅스텐 금속 분말에 대한 고온(1,700℃ 이상) 고상 탄화법을 통해 제조되는 상용 WC 분말과 달리 H2WO4 나노 결정립에 대한 탄화환원을 통해 WC 분말이 합성되었기 때문으로 사료된다. H2WO4로 부터 합성된 WC 분말의 경우 탄화환원에 의해 탄소의 제거가 수월하여 상용 WC 분말에 비해 잔류 탄소가 적은 것으로 확인되었으며 작은 결정립 크기로 인해 초경합금 원료로 사용되었을 때 WC-Co 복합체 내 WC 입자의 성장이 활발하게 일어나 H2WO4로부터 합성된 WC 분말이 적용된 WC-Co 복합체의 경우 WC 입자가 조대하고 파괴인성이 우수한 것으로 확인되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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