تولید درجای کامپوزیت WC-Co در سیستم WO3- Co3O4- C به‌روش احیای کربوترمیک

نویسندگان

دانشکده مهندسی متالورژی، دانشگاه یزد

چکیده

هدف از این تحقیق به‌دست آوردن پودر کامپوزیت WC-Co از اکسیدهای فلزی WO3 و Co3O4 به‌روش درجا و احیای کربوترمیک است که از کربن فعال به‌عنوان عامل احیا کننده استفاده شده است. در این مطالعه پودر اکسیدهای فلزی کبالت و تنگستن به‌همراه 17 درصد کربن (30 درصد اضافه بر مقدار استوکیومتری) در یک آسیای گلوله‌ای ماهواره‌ای، با گاز محافظ آرگون به‌مدت 20 ساعت مورد مخلوط‌سازی قرار گرفتند. نتایج آزمون حرارتی افتراقی و آزمون توزین حرارتی برروی نمونه مخلوط پودری نشان می‌دهد که در دمای 1050 درجه سانتی‌گراد اکسیدها به‌طور کامل احیا شده و کاربید تنگستن و کبالت شکل می‌گیرند. نمونه‌های فشرده شده مورد عملیات احیای کربوترمیک در دمای 1050 درجه سانتی‌گراد و به‌مدت زمان مختلف 1، 2 و 4 ساعت تحت لایه پوششی محافظ از مخلوط پودر کربن + آلومینا با نسبت 1 به 1 قرارگرفتند. طبق نتایج مطالعات پراش پرتوی ایکس، بهترین زمان نگهداری در کوره 4 ساعت است که در این شرایط واکنش‌های احیا و کربنیزه شدن تنگستن کامل می‌شود. ارزیابی نمونه‌های احیا شده در سه شرایط لایه محافظ مخلوط پودری آلومینا + کربن، لایه محافظ فویل نسوز فولادی و اتمسفر آرگون، نشان‌دهنده وجود اکسیدهای احیا نشده و فازهای اضافی در اتمسفر آرگون و لایه محافظ فویل نسوز در مقایسه با لایه محافظ مخلوط آلومینا + کربن می‌باشد. نتایج اندازه‌گیری خواص فیزیکی و مکانیکی برروی نمونه کامپوزیت زینتر شده در شرایط حرارت‌دهی با سرعت 5 درجه سانتی‌گراد در ثانیه تا دمای 1500 درجه سانتی‌گراد و زمان نگهداری 2 ساعت تحت لایه محافظ آلومینا + کربن نشان‌دهنده کسب خواص بهینه بوده (چگالی نسبی 80 درصد، چقرمگی 1/8 مگاپاسکال، میکروسختی ویکرز معادل 67/15 گیگاپاسکال) که قابل مقایسه با روش‌های پیشرفته و در عین حال پرهزینه می‌باشد.
 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

In-situ Synthesis of WC-Co Composite in WO3- Co3O4- C System by Carbothermic Reduction Method

نویسندگان [English]

  • A. Amiri Moghaddam
  • M. kalantar
Department of Metallurgical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
چکیده [English]

The aim of this investigation is obtaining WC-Co composite powder from WO3 and Co3O4 by in-situ and carbothermic reduction method using activated carbon as a reducing agent. In this study, cobalt and tungsten oxide powders with 17% carbon (30% more than stoichiometric value) were mixed by ball-milling under atmosphere of argon for 20 hours. Differential Thermal Analysis (DTA) and Thermal Gravimetric Analysis (TGA) results on powder mixture show complete reducing of oxides at 1050°C and forming cobalt carbide and tungsten carbide. Compact samples underwent carbothermic reduction at 1050 °C for different times of 1, 2 and 4 hours with protective layer of alumina and carbon powder mixture with ratio of 1:1. Based on X-Ray Diffraction (XRD) analyses, the best holding time in furnace is 4 hours, in which tungsten reduction and carbonization is completed. XRD evaluation of reduced compacted samples in three conditions of atmosphere protective layer of alumina and carbon powder mixture with ratio of 1:1, protective foil of refractory steel and argon, shows that unreduced oxides and extra phases are present in argon atmosphere and protective foil of steel but not in alumina and carbon mixture layer. The measurement results of physical and mechanical properties on the sintered composite sample in heating rate of 5 °C /min to temperature 1500 °C and the holding time of 2 hours under a shielding layer of alumina and carbon shows obtaining the optimal properties (P < sub>r=80%, KIC=8.1 MPa , MHV=15.67GPa) comparable to that of advanced and costly methods.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • In-situ carbothermic reduction
  • WC-Co cermet
  • X-Ray diffraction
  • Differential Thermal Analysis
  • Thermal Gravimetric Analysis
  • phase analyze
  • Mechanical and physical properties

مراجع

1. Su, W., Sun, Y., Wang, H., Zhang, X., and Ruan, J., “Preparation and Sintering of WC-Co Composite Powders for Coarse Grained WC-8Co Hardmetals”, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 45, pp. 80-85, 2014.
2. Bock, A., Myllymaki, S., Schubert, W., and Kontturi, K., “WC/Co-Composite Powders via Hydrothermal Reduction of Co3O4-Suspensions”, Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 26, pp. 569-574, 2008.
3. Duan, X., Sun, P., Shi, X., Xiong, Z., and Guo, J., “Preparation of WC-Co Powder by Direct Reduction and Carbonization”, China Particuology, Vol. 3, pp. 286-288, 2005.
4. Zhang, J., Zhang, G., and Liu, X., “Preparation of Ultrafine WC-Co Composite Powder by in situ Reduction”, Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 27, pp. 115-120, 2009.
5. Lee, G., and Kang, S., “Sintering of Nano-Sized WC–Co Powders Produced by a Gas Reduction-Carburization Process”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 419, pp. 281-289, 2006.
6. Wang, H., Song, X., Liu, X., Gao, Y., Wei, C., and Wang, Y., “Effect of Carbon Content of WC-Co Composite Powder on Properties of Cermet Coating”, Powder Technology, Vol. 246, pp. 492-498, 2013.
7. Xiong, Z., Shao, G., Shi, X., Duan, X., and Yan, L., “Ultrafine Hardmetals Prepared by WC-10 wt.%Co Composite Powder”, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 26, pp. 242-250, 2008.
8. Kim, H. C., Shon, I. J., Jeong, I. K., Ko, I. Y., Yoon, J. K., and Doh, J. M., “Rapid Sintering of Ultrafine WC and WC-Co Hard Materials by High-Frequency Induction Heated Sintering and their Mechanical Properties”, Metals and Materials International, Vol. 13, No. 1, pp. 39-45, 2007.
9. Dvornik, M. I., “Nanostructured WC-Co Particles Produced by Carbonization of Spark Eroded Powder, Synthesis and Characterization”, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 28, pp. 523-528, 2010.
10. Wenbin, L., Xiaoyan, S., Jiuxing, Z., Guozhen, Z., and Xuemei, L., “Thermodynamic Analysis for in situ Synthesis of WC-Co Composite Powder from Metal Oxides”, Powder Technology, Vol. 246, pp. 677-681, 2007.
11. Ban, Z. G., and Shaw, L. L., “On the Reaction Sequence of WC-Co Formation using an Integrated Mechanical and Thermal Activation Process”, Acta Materialia, Vol. 49, pp. 2933-2939, 2001.
12. Schubert, W. D., Neumeister, H., Kinger, G., and Lux, B., “Hardness to Toughness Relationship of Fine-Grained WC-Co Hardmetals”, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,Vol. 16, pp. 133-142, 1988.
13. Wei, C., Song, X., Zhao, S., Zhang, L., and Liu, W., “In-situ Synthesis of WC-Co Composite Powder and Densification by Sinter-HIP”, Materials Chemistry and Physics, Vol. 119, pp. 428-431, 2010.
14. Hwang, H. J., Yasuoka, M., Sando, M., Toriyama, M., and Niihara, K., “Fabrication, Sinterability and Mechanical Properties of Lead Zirconate/Silver Composites”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 82, No. 9, pp. 2417-2422, 1999.
15. Kalantar, M., and Fantozzi, G., “Thermo-Mechanical Properties of Ceramics: Resistance to Initiation and Propagation of Crack in High Temperature”, Journal of Materials Science and Engineering A, Vol. 472, pp. 273-280, 2008.
مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 36، شماره 1
خرداد 1396
صفحه 121-130

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی