Анализ свойств твердых сплавов в ANSYS GRANTA

Анализ свойств твердых сплавов в ANSYS GRANTA

Порошковые композиты с металлической матрицей (metal matrix composite, MMC) получили широкое распространение в промышленности. Так твердые сплавы на основе карбида вольфрама, цементированные связкой кобальта используются для изготовления режущего и бурильного инструмента, в качестве износостойких частей волочильных и штамповочных инструментов и т.д.

Основными проблемами при разработке твердых сплавов является обезуглероживание из-за наличия адсорбированного кислорода на поверхности частиц и аномальный рост зерен во время спекания. Для снижения аномального роста зерен и обеспечения баланса по углероду используются различные углеродосодержащие добавки, например, карбиды хрома (Cr₃C₂) и тантала (TaC). Перед изготовлением и исследованием сплава целесообразно проводить оценку, прогнозировать в будущем полученные свойства. Кроме того, свойства необходимы для анализа работоспособности изделий, изготовленных из данных материалов.

 В данной статье представлены сравнения свойств твердых сплавов WC-Co с добавками TaC, полученных с помощью синтезатора материалов в ANSYS GRANTA со свойствами сплавов, представленных в работе [1].

ANSYS GRANTA огромная база, в которой содержится большое количество свойств различных материалов, в том числе сталей, цветных металлов, пластиков, керамик и т.д. Также данное ПО имеет встроенный синтезатор для получения свойств различных композитов. На рисунке 1 представлено окно для определения исходных материалов, из которых будет изготовлен сплав (для типа MMC).

Рисунок 1 – Окно синтезатора ANSYS GRANTA

Если необходимо создать сплав, состоящий из нескольких компонентов (в нашем случае это WC, Co, TaC), то сначала нужно создать сплав из двух компонентов, а затем использовать его как исходный.

Создадим твердый сплав на основе WC-Co (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Настройки для создания сплава WC-Co

Полученный сплав (WC-5 об.% Co), затем используем для создания сплава  WC-5 об.% Co-2 об.% TaC (см. рисунок 3).

Рисунок 3 - Настройки для создания сплава WC-Co-TaC

Свойства сплавов, рассчитанных в ANSYS GRANTA и полученных в работе [1], представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Свойства твердых сплавов

По результатам, представленным в таблице 1 видно, что расчеты свойств в ANSYS GRANTA могут быть использованы для оценки свойств материалов перед началом производства. Однако, стоит отметить, что синтезатор GRANTA не учитывает такие особенности как пористость, размер и форма зерен, образование твердых растворов и нежелательных фаз (например, для твердых сплавов такой фазой является хрупкая фаза низшего карбида вольфрама W₂C).

В заключении отметим некоторые основные положения по применению ANSYS GRANTA для получения свойств композитов:

• ANSYS GRANTA поможет спрогнозировать свойства композита, подобрать исходные компоненты и оценить стоимость.
• Полученные свойства могут быть использованы в проектных, предварительных расчетах изделий.
• После изготовления материала необходимо исследовать его свойства и структуру и провести проверочный анализ изделия.

Список используемых источников.

1. P. Siwak, D. Garbiec. Microstructure and mechanical properties of WC−Co, WC−Co−Cr₃C₂ and WC−Co−TaC cermets fabricated by spark plasma sintering. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016. V.26. P. 2641−2646. DOI: 10.1016/S1003-6326(16)64390-X.