Ảnh hưởng của quá trình nghiền bi kết hợp phân tán bằng siêu âm đến cấu trúc và tính chất của hợp kim cứng WC-14Co

Trong nghiên cứu này, siêu âm được sử dụng kết hợp với nghiền bi để phân tán WC và Co₃O₄ trong quy trình chế tạo hợp kim cứng WC-14Co…

Effect of ball milling and ultrasonic assisted dispersion on the microstructure and mechanical properties of WC-14Co hardmetal

TRẦN BẢO TRUNG¹,^*, ĐOÀN ĐÌNH PHƯƠNG¹, ĐỖ THỊ NHUNG¹, NGUYỄN QUANG HUÂN¹, RUBANIK VASILI VASILIEVICH², RUBANIK VASILI VASILIEVICH, JR.², SHYLIN ALIAKSANDR DMITRIEVICH2
¹ Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, Số 18, Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội
² Institute of Technical Acoustics, National Academy of Sciences of Belarus, 210023 Luidnikova  ave.13, Vitebsk, Belarus
*e-mail:trungtb@ims.vast.ac.vn

Ngày nhận bài: 14/3/2017, Ngày duyệt đăng: 21/5/2017

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, siêu âm được sử dụng kết hợp với nghiền bi để phân tán WC và Co₃O₄ trong quy trình chế tạo hợp kim cứng WC-14Co. Bột WC và Co₃O₄ sau khi nghiền bi với các khoảng thời gian nghiền khác nhau sẽ được phân tán thêm bằng siêu âm ở tần số 22 kHz với thời gian 30 phút trong dung môi cồn tuyệt đối. Hỗn hợp bột sau khi nghiền và siêu âm sẽ được hoàn nguyên trong môi trường hydro, ép sơ bộ và thiêu kết ép nóng đẳng tĩnh (HIP) ở nhiệt độ 1400 ^oC với áp suất khí Ar là 500 atm. Kết quả cho thấy, với các mẫu không có sự tác động phân tán thêm bằng siêu âm thì thời gian nghiền bi phải kéo dài 72 h mới đạt được sự phân tán đồng đều của WC và Co₃O₄. Tuy nhiên, khi nghiền 48 h sau đó kết hợp với siêu âm 30 phút đã tạo được sự phân tán đồng đều của các WC và Co₃O₄.  Tính chất cơ học của mẫu nghiền 48 h kết hợp siêu âm 30 phút cũng đạt giá trị tương đương mẫu hợp kim được nghiền 72 h mà không có sự tác động của siêu âm. Độ cứng Vickers và độ dai phá hủy đạt giá trị tương ứng 1560 HV và 14,4 MPa.m^1/2. Tỷ trọng tương đối của mẫu khối hợp kim cứng sau khi thiêu kết đạt xấp xỉ 99,8 %.
Từ khóa: Hợp kim cứng, ép nóng đẳng tĩnh, xử lý siêu âm, phân tán

ABSTRACT

In this research, ultrasonic treatment was used to assist the dispersion of WC and Co₃O₄ mixture powder after ball-milling in the process of WC-14Co fabrication. Mixture powders of WC and Co₃O₄ at different ball milling time were ultrasonic treated at the frequency of 22 kHz for 30 minutes in absoluted ethanol. The mixtures were then hydrothermal reducted, compacted and sintered by hot isostatic pressing at 1400 ^oC and 500 atm in Ar gas. The results show that without ultrasonic assistance, the homogeneous mixture of dispersed WC and Co₃O₄ powder was obtained only for a ball milling time increased to 72 h. However, the same homogeneity dispersion was obtained after 48 h milling if the ultrasonic treatmeant was used and therefore, resulted in the good distribution of WC and Co with similar properties of the sintered samples. The Vickers hardness and fracture toughness of sintered sample after 48 h ball milling and 30 min ultrasonic treating were obtained the similar values to that of the sintered sample after 72 h ball milling without ultrasonic assistance, such as 1560 HV and 14,4 MPa.m^1/2, respectively and the relative density achieved nearly 99.8 %.
Key words: hardmetal, hot isostatic pressing, ultrasonic treatment, dispersion

GIỚI THIỆU

Hợp kim cứng (HKC) WC-Co được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như gia công kim loại, khai thác khoáng sản, giao thông vận tải… do các hợp kim này có các tính chất như độ cứng, độ dai cao và có khả năng chịu mài mòn tốt [1-3]. Trong những năm gần đây nhiều nghiên cứu được tiến hành nhằm nâng cao cơ tính của hợp kim cứng. Bên cạnh hướng chế tạo hợp kim cứng từ nguyên liệu ban đầu là bột WC và bột Co kim loại  còn có các nghiên cứu chế tạo hợp kim cứng WC/Co từ các hợp chất của W hay Co. El- Eskandarany và các đồng nghiệp [4] đã sử dụng bột W và C chế tạo thành công bột WC kích thước nanomet bằng phương pháp nghiền hành tinh năng lượng cao và kết hợp với bột Co kim loại nhằm chế tạo ra hợp kim cứng WC/Co với kích thước hạt WC sau khi thiêu kết khoảng 100 nm. Lee, Wei và các cộng sự [5,6] cũng chế tạo thành công bột WC-Co với kích thước xấp xỉ 100 nm bằng phương pháp nghiền hành tinh hỗn hợp bột WO3 với oxit Co₃O₄ và một số phụ gia khác sau đó hoàn nguyên bằng các bon hoạt tính hoặc trong hỗn hợp khí hoàn nguyên hydro và metan. Vẫn đề quan trọng trong quy trình chế tạo hợp kim cứng là tạo ra sự phân tán đồng đều của WC và Co hoặc của các hợp chất của chúng. Phương pháp nghiền bi thường được sử dụng để tạo ra sự phân tán đồng đều của các cấu tử. Tuy nhiên khi các hạt nguyên liệu có cấu trúc siêu mịn hoặc nm thì thời gian nghiền trộn cũng cần kéo dài hơn để tạo ra được sự phân tán đồng đều.

Những năm gần đây, phương pháp siêu âm đã được ứng dụng để phân tán các loại vật chất khác pha [7-9]. Trong nghiên cứu của Quin và các đồng nghiệp [10] cho thấy tốc độ hình thành của pha Al₃Ti với kích thước hạt nhỏ mịn được nâng cao khi sử dụng siêu âm để tăng khả năng phân tán của bột Ti trong Al lỏng. Sự phân tán đồng đều của các hạt nano TiO₂ trong polyme natri poliacrylat (C₃H₃NaO₂)n cũng đạt được khi tác động siêu âm trong quá trình phân tán [11]. Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của siêu âm kết hợp với nghiền bi đến cấu trúc và tính chất của hợp kim WC-14Co chế tạo từ bột WC và bột oxit Co₃O₄ có kích thước hạt siêu mịn.

THỰC NGHIỆM

Bột WC nguyên liệu được nhập khẩu từ Hàn Quốc, có kích thước < 500 nm và độ sạch > 99,5%. Bột oxit Co₃O₄ có cấu trúc xốp và kích thước hạt xấp xỉ 200 nm, được nhóm nghiên cứu chúng tôi tự chế tạo. Bột WC sẽ được phối liệu với bột Co₃O₄ theo thành phần tính toán là WC-14Co và nghiền với các thời gian khác nhau là 24, 48 và 72 h trong môi trường n-hexan (40 % khối lượng) với tỷ lệ bi: bột là 6:1. Sau khi nghiền ở các thời gian khác nhau, hỗn hợp bột được hỗ trợ phân tán bằng siêu âm với thời gian 30 phút ở tần số 22 

kHz và công suất 1 KW. Sơ đồ quá trình hỗ trợ phân tán bằng siêu âm như hình 1a. Hỗn hợp bột sau khi nghiền sẽ đưa vào cốc thép không gỉ, 30 % khối lượng cồn được đưa vào cùng với bột nhằm tạo hỗn hợp bột nhão. Sau đó đầu phát siêu âm được đưa vào trong hỗn hợp bột nhão và kích hoạt với thời gian 30 phút. Sau khi nghiền và siêu âm, hỗn hợp bột được hoàn nguyên 2 h ở 600 ^oC trong môi trường khí hydro và ép sơ bộ tạo phôi hình trụ kích thước 13 mm ở lực ép 100 MPa với thời gian duy trì lực ép 30 s. Phôi ép được thiêu kết sơ bộ 1 h ở 850 ^oC trong môi trường khí Ar với thời gian 1h nhằm loại bỏ các chất hữu cơ chứa trong mẫu và tạo độ bền sơ bộ. Quá trình thiêu kết được thực hiện nhờ kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh (HIP), với sơ đồ thiêu kết như hình 1b. Mẫu được nung lên trong môi trường chân không với tốc độ gia nhiệt là 15 độ/phút, sau khi giữ ở 1400 ^oC trong 1 h, khí Ar được bơm vào đến áp suất 500 atm. Thời gian giữ ở nhiệt độ 1400 ^oC và áp suất 500 atm là 30 phút.

Cấu trúc tế vi, hình thái học của hỗn hợp bột và hợp kim cứng sau khi chế tạo được kiểm tra trên kính hiển vi điện tử quét FESEM (Hitachi S4800). Thành phần pha của bột nguyên liệu và hợp kim sau thiêu kết được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (Brucker D5005). Khối lượng riêng của hợp kim được đo bằng phương pháp lực nổi Archimedes (AND GR-202). Tỷ trọng tương đối của hợp kim được tính toán dựa trên tỷ lệ giữa khối lượng riêng đo được và khối lượng riêng theo tính toán lý thuyết. Độ cứng Vickers của hợp kim cứng WC-14Co thiêu kết được kiểm tra trên thiết bị đo độ cứng Vickers (AKV CO, Mitutoyo) và tính toán độ dai phá hủy KIC (MPa.m1/2) dựa trên phương pháp Palmqvist sử dụng công thức (1) [12].

K_IC = 0.089(HV.P/l)^1/2          (1)

Trong đó, HV (kg/mm²) là độ cứng Vickers đo được, P là tải trọng đo (30 kg), l là tổng chiều dài các vết nứt tại góc của vết đâm độ cứng.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 2 là ảnh FESEM của mẫu bột WC và Co₃O₄ nguyên liệu được sử dụng trong nghiên cứu. Các hạt WC với kích thước vài trăm nanomet, còn các hạt Co₃O₄ có cấu trúc rỗ xốp gồm nhiều tấm, phiến kích thước vài chục nanomet xen kẽ lên nhau thành các đám hạt Co₃O₄.

Hình 3 trình bày ảnh FESEM của hỗn hợp bột sau khi nghiền trộn và tác động sóng siêu âm. Với các mẫu không được tác động bằng sóng siêu âm có thể thấy rõ rằng với thời gian nghiền 24 h, các hạt Co₃O₄ đã được nghiền nhỏ mịn nhưng chưa phân tán đều bao bọc lên hạt WC. Tăng thời gian nghiền lên 48 và 72 h thì chúng phân tán tốt hơn và ở 72 h thì khả năng phân tán là tốt nhất, các hạt Co₃O₄ đã phân tán đều với các hạt WC. Tuy nhiên, khi có tác động của sóng siêu âm với thời gian 30 phút ta thấy sự phân tán của WC và Co₃O₄ đồng đều hơn kể cả đối với mẫu sau 48 h nghiền.

Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột sau khi nghiền và siêu âm như thấy trên hình 4. Có thể thấy rõ các đỉnh nhiễu xạ của WC với cường độ nhiễu xạ mạnh và các đỉnh nhiễu xạ của Co₃O₄ với cường độ nhiễu xạ yếu hơn do hàm lượng của Co₃O₄ thấp hơn và có kích thước hạt nhỏ hơn.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của hỗn bột hoàn nguyên sau khi nghiền kết hợp với siêu âm như thấy trên hình 5. Có thể quan sát thấy trên giản đồ nhiễu xạ tia X chỉ có các đỉnh nhiễu xạ của WC và Co kim loại. Điều đó cho thấy quá trình hoàn nguyên đã xảy ra gần như hoàn toàn, nghĩa là Co₃O₄ đã chuyển hóa thành Co kim loại thông qua các phương trình phản ứng (2) và (3) [13].

Co₃O₄ + H₂ → 3CoO + H₂O                         (2)
CoO + H₂ → Co + H₂O                                  (3)

Cấu trúc tế vi của bột hợp kim cứng WC-14Co sau khi hoàn nguyên được thể hiện trên hình 6. Có thể nhận thấy sau khi hoàn nguyên thì không nhìn rõ các hạt Co riêng lẻ bao quanh các hạt WC như Co₃O₄ sau khi nghiền và siêu âm nữa. Điều này là do sau khi hoàn nguyên từ oxit Co₃O₄ thành Co kim loại, các hạt Co kim loại có hoạt tính mạnh liên kết với nhau thành màng kim loại bao quanh hạt các bít WC.

Sau khi thiêu kết HIP ở nhiệt độ 1400 ^oC và 500 atm, mẫu hợp kim được mài, đánh bóng để kiểm tra tổ chức tế vi, tỷ trọng và cơ tính của hợp kim. Thành phần pha của hợp kim cứng như thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ tia X, hình 7.

Kết quả phân tích cho thấy sau khi thiêu kết hợp kim gồm 2 pha chính là WC và Co kim loại. Ngoài ra cũng thấy sự xuất hiện các đỉnh của pha  (Co₃W₃C) với cường độ khá thấp. Pha xuất hiện được cho là do quá trình thoát các bon trong khi thiêu kết. Sommer và các cộng sự cho thấy khi xảy ra quá trình thoát các bon sẽ tạo ra các vùng nghèo các bon trên bề mặt các hạt WC và khi các vùng này tiếp xúc với Co sẽ hình thành pha Co3W3C [14].

Cấu trúc tế vi của hợp kim cứng WC-14Co được thể hiện trên ảnh FESEM sử dụng điện tử tán xạ ngược (hình 8) các hạt màu sáng là WC, các hạt màu tối là Co. Đối với mẫu bột không được siêu âm, có thể dễ dàng quan sát được sự phân tán không đều của các hạt Co và WC, thậm chí nhiều hạt Co xuất hiện với kích thước khá lớn trong tổ chức tế vi với thời gian nghiền thấp, 24 và 48 h. Chỉ khi thời gian nghiền kéo dài 72 h thì mới tạo được sự phân tán đồng đều của WC và Co sau khi thiêu kết. Tuy nhiên, đối với các mẫu được hỗ trợ phân tán thêm bằng sóng siêu âm thì ngay với 24 h nghiền đã tạo được sự phân tán khá đồng đều của WC và Co. Cấu trúc của cả ba mẫu hợp kim 24, 48 và 72 h kết hợp phân tán bằng sóng siêu âm đều đạt được sự phân tán tốt của WC và Co. Kết quả tính toán tỷ trọng tương đối của hợp kim cứng sau khi thiêu kết ép nóng đẳng tĩnh được thể hiện trên đồ thị hình 9.

Đối với mẫu không có sóng siêu âm tác động, khi ở thời gian nghiền ngắn, 24 và 48h, do sự phân tán không đồng đều của WC và Co tạo ra các vùng tích tụ của WC và Co sau khi hoàn nguyên. Sự tích tụ cục bộ này hạn chế quá trình kết khối của hợp kim và do đó làm cho tỷ trọng tương đối của hợp kim thấp, khi tăng thời gian nghiền dẫn đến sự phân tán tốt hơn nên tỷ trọng tương đối của hợp kim cũng tăng lên, đạt gần 99,8 %. Trong khi đó, với tác động của sóng siêu âm, tỷ trọng tương đối của hợp kim cũng tăng lên khi tăng thời gian nghiền nhưng tăng chậm và gần như ổn định. Các giá trị tính toán đều cho thấy tỷ trọng tương đối của hợp kim cứng cao hơn so với khi không được hỗ trợ phân tán bằng siêu âm.

Độ cứng Vickers và độ dai phá hủy của hợp kim cứng sau khi thiêu kết được thể hiện trên các đồ thị hình 10. Kết quả cho thấy, độ cứng Vickers của hợp kim tăng lên khi tăng thời gian nghiền đối với hợp kim có và không có sự hỗ trợ phân tán của sóng siêu âm. Ở thời gian nghiền 24 và 48 h, độ cứng của hợp kim có tác động của sóng siêu âm đều cao hơn nhưng đến 72 h nghiền thì độ cứng của hai mẫu hợp kim là tương đương nhau. Ở thời gian nghiền thấp, rõ ràng sự xuất hiện của nhiều vùng thiên tích Co (mẫu không có tác động siêu âm) làm cho độ cứng của hợp kim giảm xuống, khi thời gian nghiền đủ lớn để tạo sự phân tán đồng đều của hợp kim thì tính chất tương đương. Giá trị độ cứng đạt được cao nhất là 1565 HV. Tuy nhiên, độ dai phá hủy của hợp kim lại có xu hướng giảm dần khi tăng thời gian nghiền. Đối với thời gian nghiền thấp khi sự tích tụ của Co cao tạo ra các vùng giàu Co nên độ giai phá hủy cao hơn. Ngược lại với độ cứng, độ dai của hợp kim không có tác động của siêu âm lại cao hơn so với các mẫu còn lại. Điều này là do khi hợp kim có độ cứng cao sẽ dẫn đến độ giai phá hủy có xu hướng giảm xuống. Tuy nhiên, cũng có thể thấy sự giảm độ dai của các mẫu có tác động của siêu âm chậm và ổn định ở vùng giá trị từ 14,3-14,6 MPa.m^1/2.

KẾT LUẬN

Các kết quả phân tích hình thái, cấu trúc và các kết quả đo tỷ trọng, cơ tính của mẫu khối hợp kim cứng sau khi ép nóng cho thấy việc sử dụng siêu âm kết hợp với quá trình nghiền bi là rất hữu hiệu để  tạo  ra  sự  phân  tán  đồng  đều  của  WC  và Co₃O₄.

Với phương pháp nghiền bi thông thường thì thời gian nghiền kéo dài đến 72 h mới tạo ra sự phân tán đồng đều của WC và Co₃O₄. Tuy nhiên, khi có sự tác động phân tán thêm bằng siêu âm với thời gian 30 phút trong môi trường cồn của hỗn hợp bột nghiền bi 48 h đã đạt được sự phân tán đồng đều của các cấu tử như khi nghiền bi 72 h (không có sự tác động của siêu âm). Sau khi ép nóng đẳng tĩnh, tỷ trọng tương đối và độ cứng của hợp kim tăng lên khi tăng thời gian nghiền và hỗ trợ phân tán bằng sóng siêu âm. Tuy nhiên, độ dai phá hủy của hợp kim lại có xu hướng giảm xuống khi tăng thời gian nghiền hoặc kết hợp phân tán bằng siêu âm. Với thời gian nghiền 48 h kết hợp siêu âm 30 phút, thì độ cứng tỷ trong tương đối cũng như độ dai phá hủy của hợp kim WC-14Co đạt được các giá trị ổn định.

LỜI CẢM ƠN!

Các tác giả xin gửi lời cảm ơn Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam đã cấp kinh phí để thực hiện nghiên cứu này trong đề tài hợp tác quốc tế, mã số: VAST.HTQT.BELARUS.01/15-16.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. Upadhyaya, G. S., Materials science of cemented carbides – an overview, Materials & amp, Design, Vol. 22, 2001, pp.483-489
2. Uhrenius, B., Pastor, H. and Pauty E.; On the composition of Fe-Ni-Co-WC-based cemented carbides, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 15, 1997, pp.139-149
3. Osung S., S. K., and Enrique J. L.; Growth Inhibition of Nano WC particles in WC-Co Alloys during Liquid- Phase Sintering, Materials Transactions, 2003, pp. 44
4. El-Eskandarany M. S., Mahday A. A., Ahmed H. A. and Amer A. H.; Synthesis and characterizations of ball- milled nanocrystalline WC and nanocomposite WC-Co powders and subsequent consolidations, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 312, 2000, pp. 315-325
5. Lee G-H. and Kang S.; Sintering of nano-sized WC-Co powders produced by a gas reduction-carburization pr^oCess, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 419, 2006, pp. 281-289
6. Wei C. B., Song X. Y., Zhao S. X, Zhang L. and Liu W. B.; In-situ synthesis of WC-Co composite powder and densification by sinter-HIP, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 28, 2010, pp. 567-71
7. Chen C., et al.; Ultrasonic nanowelding of carbon nanotubes to metal electrodes, Nanotechnology, Vol.17, 2006, pp. 2192
8. Niyogi S., et  al.;  Ultrasonic  dispersions  of  single-walled  carbon  nanotubes,  Physical  Chemistry. B,2003,107(34), pp 8799-8804
9. Khasanov O. L. and Dvilis E. S.; Net shaping nanopowders with powerful ultrasonic action and methods of density distribution control, Advances in Applied Ceramics, Vol. 107, 2008, No. 3, p. 135-141
10. 10. Qin ,Chen G., Wang B.,Hu N., Han F. and Du Z.; Formation of in-situ Al3Ti particles from globular Ti pow- ders and Al alloy melt under ultrasonic vibration, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 653, 2015, pp. 32-38
11. Sato K., J.-G. Li, H. Kamiya, and T. Ishigaki; Ultrasonic dispersion of TiO2 nanoparticles in aqueous sus- pension, Journal of American Ceramic Society, Vol. 9, No. 8, 2008, pp. 2481-2487
12. Shetty D. K., Wright I. G., Mincer P. N. and Clauer A. H.; Indentation fracture of WC-Co cermets. Journal of Materials Science, Vol. 20, 1985, p.1873-1882
13. Lin H.-Y. and Chen Y-W.; The mechanism of reduction of cobalt by hydrogen, Materials Chemistry Physic, Vol. 85, 2004, pp. 171-175
14. Sommer M., Schubert W.-D., Zobetz W, E. and Warbichler P.; On the formation of very large WC crystals during sintering of ultrafine WC-Co alloys, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 20, 2002, pp.41-50.