WC-(Cu, Fe, Cr, Ni) composites attained by mechanosynthesis

Abstract

This work aims to study the feasibility of replacing cobalt by copper and stainless steel in tungsten carbide composite. The composites were prepared with a binder content of 12 wt% using the powder metallurgy method in which the conventional milling was replaced by high energy ball milling. To obtain a composite with high density, good microstructure uniformity and controlled phase composition, suitable for a good mechanical performance, the processing conditions of the high energy ball milling (HEBM) and sintering methods were enhanced. Within the studied parameters, the prime milling conditions were found at the rotation speed of 350 rpm and ball-to-powder weight ratio of 20:1, varying the milling times between 8-10 hours for the studied compositions. The HEBM process was able to reduce the particle size of the composite powders down to the nanoscale and a good binder homogenization was reached. After compacting, the powders were submitted to vacuum sintering, in a temperature range of 1300 – 1500ºC followed by HIP (hot isotactic pressing). This procedure allowed attaining dense compacts and introduce efficiently copper in the stainless steel binder up to 30%, without substantial decrease of the sintered relative density. The WC-SS composite powders show a significant amount of M6C phase formed during sintering, endorsed by the high reactivity of the small powder particles and the appearing of the M6C phase. Adding copper to the WC-SS composite allowed the decrease of the M6C phase formation. The WC-Cu sintered samples revealed two distinct major phases, W2C and Cu0.4W0.6 and their appearance depends on the applied sintering technique, in the case of being conventional or two stages sintering, respectively. The mechanical characterization revealed that the hardness of the WC-SS compacts is equivalent to the reported values in the literature for WC-Co. On the other hand, the fracture toughness remains below the reference values. Nevertheless, it was possible to attain a good balance between hardness and fracture toughness in the WC-(SSCu) composites, which make them promising candidates for substituting the traditional WC-Co composite.

Este trabalho tem como objetivo estudar a viabilidade da substituição do ligante cobalto por cobre e aço inoxidável em compósitos de carboneto de tungsténio. Estes compósitos foram preparados com um teor de ligante de 12% pp, utilizando o método de pulverometalurgia no qual a moagem convencional foi substituída pela moagem de alta energia (MAE). Por forma a obter compósitos de elevada densidade, boa uniformidade microestrutural, e composição de fases adequada a um bom desempenho mecânico, foram otimizadas as condições de processamento das etapas de moagem de alta energia e da sinterização. As melhores condições de moagem foram verificadas com uma velocidade de rotação de 350 rpm, um rácio de peso bolas:material de 20:1 e, dependendo da composição estudada, um tempo de moagem variável entre 8 – 10 horas. Utilizando o processo de MAE foi possível reduzir o tamanho de partícula dos pós compósitos até à nanoescala e ainda obter uma boa uniformidade da distribuição da fase ligante. Após compactação, os pós foram submetidos a uma etapa de sinterização em vácuo num intervalo de temperaturas entre 1300 - 1500 °C, seguindo-se uma etapa de prensagem isostática a quente. Este método permitiu obter compactos de densidade elevada e introduzir de forma eficiente até 30% de cobre na fase ligante de aço inoxidável sem se verificarem reduções substanciais da densidade dos compactos sinterizados. Os compósitos de WC-SS apresentam uma composição de fases com uma quantidade elevada de fase M6C, formada durante a sinterização e que é favorecida nestes materiais, devido à elevada reatividade dos pós nanométricos. Contudo, a adição de cobre ao compósito WC-SS permitiu a diminuição da formação de fase M6C. As amostras sinterizadas de WC-Cu apresentam maioritariamente duas fases distintas, W2C e Cu0.4W0.6 e o aparecimento desta última fase depende da técnica de sinterização utilizada, convencional e sinterização em duas etapas respetivamente. A caracterização mecânica revelou que a dureza dos compósitos de WC-SS é equivalente aos valores indicados na literatura para os compósitos de WC-Co, enquanto a tenacidade permanece abaixo dos valores de referência. No entanto, foi possível alcançar um bom equilíbrio entre a dureza e tenacidade nos compósitos de WC-(SSCu), o que poderá permitir a sua utilização em algumas aplicações dos tradicionais carbonetos cementados de WC-Co.