Sputtering on the production of tungsten carbide based composites

Abstract

O principal objectivo deste trabalho é estudar a viabilidade do revestimento de partículas de carboneto de tungsténio (WC), como etapa alternativa à mistura convencional de componentes. Para tal, revestiram-se pós de WC com aço inoxidável 304 (AISI), por uma técnica de deposição física em fase de vapor, denominada pulverização catódica. O outro objectivo deste trabalho incide na investigação das potencialidades das ligas de Fe/Cr/Ni como ligantes nos compósitos à base de WC. Para estudar a viabilidade da técnica de deposição como alternativa à mistura de componentes, depositaram-se quantidades variáveis de aço inoxidável (entre 1 e 10%) nas partículas de pó de WC. Alternativamente, e para efeitos de comparação, prepararam-se composições similares por mistura convencional. Os resultados da caracterização de pós revestidos foram motivadores, uma vez que indicaram que as partículas de WC possuíam revestimentos nanocristalinos bastante uniformes e que todos os elementos constituintes do aço foram depositados nas proporções existentes no alvo. Estes pós apresentam ainda boa escoabilidade e prensabilidade, uma resistência à oxidação acrescida e elevada estabilidade em soluções aquosas a pH ácido e neutro. A investigação do aço inoxidável como ligante de sinterização mostrou que os elementos constituintes do aço são eficazes na promoção da densificação dos compactos à base de WC. Os pós revestidos apresentaram uma sinterabilidade e reactividade superiores às das misturas convencionais. Atingiram-se valores superiores de densificação nos pós revestidos, sobretudo com as perdas de peso controladas através do ciclo térmico ou atmosfera de sinterização. A cinética de formação de fases, designadamente de M6C, é mais rápida nestes pós, mas a quantidade formada pode ser reduzida ou mesmo eliminada, aumentando o teor de níquel no ligante e com pequenas adições de carbono. Os resultados da caracterização mecânica de compósitos preparados com os pós revestidos evidenciaram um bom compromisso entre a tenacidade e dureza, superior ao observado em amostras preparadas convencionalmente. Por outro lado, os ligantes à base de aço inoxidável mostraram uma relação de tenacidade versus dureza superior à existente em dados publicados para compósitos de Co. A presença de M6C aumentou a dureza dos compósitos, sem degradar a sua tenacidade, enquanto que o aumento do teor de níquel reduziu substancialmente a dureza do material.

The main objective of this work is to study the feasibility of the tungsten carbide (WC) particle covering as an alternative to the conventional mixture of components. For such purpose, WC powders were coated with stainless steel 304 (AISI) by a physical vapour deposition technique, called sputtering. The other objective of this work is to study the potentiality of Fe/Cr/Ni alloys as binders in WC based composites. To study the viability of the deposition technique as an alternative to the mixture process, different amounts of stainless steel (between 1 and 10 wt.%) were deposited on WC powder particles. Alternatively, similar compositions have been prepared by conventional mixture, for comparison. The results of the characterization of coated powders are very promising, since they indicated that the WC particles have very uniform nanocrystalline coatings and that all the elements were deposited in the same proportions of the target. These powders present good flowability and prensability, an increased oxidation resistance and high stability in aqueous solutions, at acid and neutral pH values. The study of the stainless steel as a sintering binder demonstrated that the steel constituent elements are efficient in the promotion of densification of the WC based composites. Coated powders present higher reactivity and sinterability than conventional mixtures, especially when weight losses are controlled through the thermal cycle or sintering atmosphere. The kinetic of phase formation, namely M6C, is faster in these powders, but the amount formed can be reduced, or eliminated, by increasing the Ni amount in the binder and by small carbon additions. The results of the mechanical characterization of composites prepared with coated powders evidenced a good compromise between hardness and toughness, higher than the one observed in conventionally prepared composites. On the other hand, the composites with stainless steel based binders show superior values of toughness versus hardness than the ones reported in literature for composites with cobalt. The presence of M6C increases the composites hardness, without degrading its toughness, while the increase of Ni substantially reduces the hardness of the material.