Исследование влияния крупных частиц графита на зеренную структуру керамики на основе карбида вольфрама

Керамики и твердые сплавы на основе карбида вольфрама широко применяют в качестве основы для металлорежущих и металлообрабатывающих инструментов. Цель работы — металлографическое исследование влияния крупных частиц графита в исходном порошке на зеренную структуру керамики на основе карбида вольфрама, изготовленной методом электроимпульсного плазменного спекания. Исследовали образцы керамики, перед спеканием которых в исходный порошок были введены крупные частицы графита размером 50 – 500 мкм. Использовали цифровую обработку изображений и методы статистического анализа. Установлено, что вокруг частиц графита, выявленных на металлографических шлифах образцов, формируется область крупных зерен размером ~10 мкм (при субмикронном размере зерен в основном объеме материала). Формирование такой области при контакте спекаемой заготовки с графитовой оснасткой — следствие диффузии углерода в карбиде вольфрама. Толщина области не зависит (в пределах погрешности) от размера частиц графита и составляет 44 ± 9 мкм. Показано, что распределение размеров крупнозернистых областей можно аппроксимировать логнормальным и экспоненциально-модифицированным гауссовым распределениями (моды распределений — 47 ± 4 и 53 ± 7 мкм соответственно). Полученные результаты и предложенный подход могут быть использованы для совершенствования методики обработки цифровых изображений при металлографическом анализе микроструктуры материалов.

1. Panov V. S., Chuvilin A. M. Technology and properties of sintered carbide alloys and products from them. — Moscow: MISIS, 2001. — 428 p. [in Russian].

2. Sun J., Zhao J., Huang Z., et al. A review on binderless tungsten carbide: development and application / Nano-Micro Lett. 2020. Vol. 12. No. 13. DOI: 10.1007/s40820-019-0346-1

3. Samsonov G. V., Vitryanyk V. K., Chapligin F. I. Tungsten Carbides. — Kiev: Naukova dumka, 1974. — 176 p. [in Russian].

4. Fang Z., Koopman M., Wang H. Cemented tungsten carbide hardmetal. — Oxford: Elsevier, 2014. DOI: 10.1016/b978-0-08-096527-7.00004-0

5. Tokita M. Spark plasma sintering (SPS) method, systems, and applications. — Cambridge: Acad. Press, 2013. DOI: 10.1016/b978-0-12-385469-8.00060-5

6. Olevsky E. A., Dudina D. V. Field-Assisted Sintering: Science and Applications. — Springer Cham, 2018. — 425 p. DOI: 10.1007/978-3-319-76032-2

7. Cha S. I., Hong S. H. Microstructures of binderless tungsten carbides sintered by spark plasma sintering process / Mater. Sci. Eng. A. 2003. Vol. 356. Nos. 1 – 2. P. 381 – 389. DOI: 10.1016/s0921-5093(03)00151-5

8. Chuvildeev V. N., Panov D. V., Boldin M. S., et al. Structure and properties of advanced materials obtained by spark plasma sintering / Acta Astronautica. 2015. Vol. 109. P. 172 – 176. DOI: 10.1016/j.actaastro.2014.11.008

9. Kurlov A. S., Gusev A. I. Tungsten carbides: structure, properties and application in hardmetals. — Springer Cham, 2013. — 242 p. DOI: 10.1007/978-3-319-00524-9

10. Suetin D. V., Shein I. R., Ivanovskii A. L. Structural, electronic and magnetic properties of η carbides (Fe3W3C, Fe6W6C, Co3W3C and Co6W6C) from first principles calculations / Phys. B. Condensed Matter. 2009. Vol. 404. No. 20. P. 3544 – 3549. DOI: 10.1016/j.physb.2009.05.051

11. Smetanina K. E., Andreev P. V., Lantsev E. A., et al. X-ray diffraction layer-by-layer analysis of tungsten carbide-based hard alloys / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2020. Vol. 86. No. 8. P. 38 – 42 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-8-38-42

12. Andreev P. V., Smetanina K. E., Lantsev E. A. Study of the phase composition of fine-grained tungsten carbide based ceramic materials by X-ray phase analysis / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. No. 8. P. 37 – 42 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-8-37-42

13. Kurlov A. S., Gusev A. I. Vacuum annealing of nanocrystalline WC powders / Inorg. Mater. 2012. Vol. 48. No. 7. P. 680 – 690. DOI: 10.1134/s0020168512060088

14. Smetanina K. E., Andreev P. V., Lantsev E. A., et al. Nonuniform distribution of crystalline phases and grain sizes in the surface layers of WC ceramics produced by spark plasma sintering / Coatings. 2023. Vol. 13. No. 6. P. 1051. DOI: 10.3390/coatings13061051

15. Hu Z.-Y., Zhang Z.-H., Cheng X.-W., et al. A review of multi-physical fields induced phenomena and effects in spark plasma sintering: fundamentals and applications / Mater. Design. 2020. Vol. 191. P. 108662. DOI: 10.1016/j.matdes.2020.108662

16. Anselmi-Tamburini U., Gennari S., Garay J., et al. Fundamental investigations on the spark plasma sintering/synthesis process. II. Modeling of current and temperature distributions / Mater. Sci. Eng. A. 2005. Vol. 394. No. 1 – 2. P. 139 – 148. DOI: 10.1016/j.msea.2004.11.019

17. Bokhonov B. B., Ukhina A. V., Dudina D. V., et al. Carbon uptake during spark plasma sintering: investigation through the analysis of the carbide «footprint» in a Ni – W alloy / RSC Advances. 2015. Vol. 5. P. 80228 – 80237. DOI: 10.1039/c5ra15439a

18. Ardigo-Besnard M.-R., Besnard A., Moser M., et al. Development of Ti PVD films to limit the carburization of metal powders during SPS process / Solids. 2021. Vol. 2. No. 4. P. 395 – 406. DOI: 10.3390/solids2040025

19. Anisovich A., Markevich M., Jigmeddorj V. Automatic measurement in metallography / Devices Meth. Measurements. 2023. Vol. 14. No. 3. P. 214 – 222 [in Russian]. DOI: 10.21122/2220-9506-2023-14-3-214-222

20. Mosorov V. I., Khaptakhaeva N. B., Korobkov K. S. Application of neural networks in metallography / Polzunov. Vestn. 2024. Vol. 2. P. 182 – 185 [in Russian]. DOI: 10.25712/astu.2072-8921.2024.02.023

21. Ruelas-Santoyo E. A., Ríos-Lira A. J., Pantoja-Pacheco Y. V., et al. Recognition of intergranular corrosion in AISI 304 stainless steel by integrating a multilayer perceptron artificial neural network and metallographic image processing / Appl. Sci. 2024. Vol. 14. P. 5077. DOI: 10.3390/app14125077

22. Germain L., Sertucha J., Hazotte A., et al. Classification of graphite particles in metallographic images of cast irons — quantitative image analysis versus deep learning / Mater. Charact. 2024. Vol. 217. P. 114333. DOI: 10.1016/j.matchar.2024.114333

23. Isaeva N. V., Blagoveshcensky Yu. V., Blagoveshchenskaya N. V., et al. Production of carbide and hard-alloy mixture nanopowders with low-temperature plasma / Izv. Vuzov. 2013. Vol. 3. P. 7 – 14 [in Russian]. DOI: 10.17073/1997-308x-2013-3-7-14

24. Smetanina K. E., Andreev P. V., Nokhrin A. V., et al. Carbon contamination during spark plasma sintering of powder materials: a brief overview / J. Alloys Compounds. 2024. Vol. 973. P. 172823. DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.172823