6
Mechanical properties of a hybrid cemented carbide composite Xin Deng a , B.R. Patterson a, * , K.K. Chawla a , M.C. Koopman a , Z. Fang b , G. Lockwood b , A. Grio b a Department of Materials and Mechanical Engineering, University of Alabama at Birmingham, BEC 254, 1530 3rd Avenue South, Birmingham, AL 35294-4461, USA b Smith International, Inc., 16740 Hardy Street, P.O. Box 60068, Houston, TX 77205-0068, USA Received 7 March 2001; accepted 21 September 2001 Abstract Microstructural eects on the mechanical properties of a hybrid metal matrix composite, double cemented DC) carbide, have been investigated. DC carbide contains granules of WC/Co cemented carbide in a matrix of cobalt. Overall composite hardness increases with decreased granule cobalt content as well as with decreased intergranular matrix fraction of cobalt. High-stress abrasive wear resistance also increases with decreased granule cobalt content and matrix fraction. Fracture toughness of the composite increases with increased cobalt matrix fraction and to a lesser extent with increased granule cobalt content. Increased granule size increases both fracture toughness and wear resistance. DC carbide exhibits a superior combination of fracture toughness and high-stress wear resistance than conventional cemented carbide. The combination of toughness and wear resistance in the composite improves with increased granule hardness. Ó 2001 Published by Elsevier Science Ltd. Keywords: Cemented carbide; Hybrid composite; Wear resistance; Toughness; Hardness 1. Introduction Double cemented DC) carbide is a novel hybrid composite composed of granules of cemented carbide embedded in a metal matrix, such as cobalt [1±3]. This material can be described as a ``composite within a composite'' since the granules, containing WC particles within a cobalt binder, are bonded within a metal matrix Fig. 1). DC carbide was developed to achieve greater toughness than conventional cemented carbide while maintaining adequate wear resistance. The initial ap- plication has been oil well drill bit inserts where failure by sudden fracture, rather than wear, can cause expen- sive downtime. It was expected that the large mean free path through the metal matrix between the granules would provide this toughness increase [2]. DC carbide has more degrees of freedom for micro- structural design than most two-phase composites, in- cluding granule size, hardness/toughness and volume fraction as well as matrix strength and toughness ± all these variables enable wide variations in mechanical properties. Granule properties are controlled by the grade of cemented carbide granules used and matrix properties are varied by alloying or heat treating, the latter when using a steel matrix. In particular, these in- dependent means for controlling microstructure and properties can enable excellent combinations of proper- ties. For example, it has been found that large, hard low cobalt) granules contained in a relatively large amount of matrix give a better combination of fracture tough- ness and high-stress abrasive wear resistance than con- ventional cemented carbide. The primary goal of this study has been to determine the eects of these microstructural variations on several dierent mechanical properties of DC carbide. Proper- ties investigated here include hardness, high-stress abrasive wear resistance and fracture toughness. The observed property trends are explained in terms of mi- crostructure. 2. Experimental procedures The DC carbide materials in this study were pro- duced from conventional spray dried cemented carbide International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 19 2001) 547±552 www.elsevier.com/locate/ijrmhm * Corresponding author. E-mail address: [email protected] B.R. Patterson). 0263-4368/01/$ - see front matter Ó 2001 Published by Elsevier Science Ltd. PII:S0263-436801)00060-9

Mechanical properties of a hybrid cemented carbide composite

Embed Size (px)

Citation preview

���������� ����� �� � ����� �������� ������ ���� ���

��� ���� �� ���� ����� �� ���� ���� ������ �� ���� ������ ���� ��� �� !� "��#���� �� $� !�%� �

� ���������� ������� � ��� ��������� ������������ ���������� � ����� �� ����������� ��� ����

�� ! �� ����"� #"��� ����������� �$ ��%�&��'�� �#�� #���� (���������� � (��)� �'*�! +���� #������ ,)-) �. '!!'/� +"���� 01 **�!�&!!'/� �#�

�����&�� ' ���� ())*+ ������� (* ,������ ())*

��������

���� �-��-�� �%��� �� ��� ���������� ����� �� � ����� ����� ����. ���� ���� ��-��� �������� /��0 ������� ��&�

���� ��&� �������� �� ������ ������� ���-�� �� 1�2�� �������� ������ �� � ����. �� ������� 3&���� ���� ��� �����

����� � ���� ����� �� ���-�� ������ ������� � ���� � ���� ����� �� �������-�� ����. ������� �� ������� 4���5 ��

��� �&� ��� � � ����� �� � ����� � ���� ����� �� ���-�� ������ ������� ��� ����. �������� ���-� ��-���� �� ���

���� ��� ����� � ���� ����� �� ������ ����. ������� ��� �� � �� � �.���� ���� ����� �� ���-�� ������ �������� 6���� ��

���-�� �7� ����� � ���� ����-� ��-���� ��� ��� � � ������ �� ������ �.����� � -��� ����������� �� ����-�

��-���� ��� ����5 �� ��� � � ����� ���� ���&�������� �������� ������� 8�� ����������� �� ��-���� ��� ��� � � ����� ��

��� ���� ��� ���&� ���� ����� �� ���-�� ����� � � ())* �-��� ��� �� 9� �&�� ,������ "���

2��3���4 �������� ������+ 4���� ���� ���+ 1�� � � �����+ 8�-���� + 4����

� ���� ������

��-��� �������� /��0 ������ � � ��&�� ��������� ��� ���� �� �� ���-�� �� �������� �������������� �� � ����� ����.� -�� � ������ :*;<=� 8�� ������� ��� �� �� ����� � � >>���� ��� ������ ����� ���?? ���� ��� ���-�� � ���������� 1� ������ ������ � ������ ������ �� ������ ������ � ����� ����./ ��� *0� �� ������ �� ��&����� �� �����&� �������-���� ���� ���&�������� �������� ������ ���������������� ���@-��� ��� � � ������ 8�� ������� �5�������� �� ���� ��� ���� ���� ��� �� �� ���� ����-��� -���� ����-�� ���� ���� ���� ��� ��- � �.��5 �&� ��������� 6� �� �.����� ���� ��� ���� ���� ������ ���-�� ��� ����� ����. ������� ��� ���-�� ��-�� �&��� ��� ��-���� ����� � :(=��� ������ �� ��� ����� �� ������ �� ����5

�-��-�� �� ��� ���� �� � ���5�� � ���� ��� � ��5��-���� ���-�� �7�� ����� 2��-���� ��� &��-��������� � ���� � ����. ������ ��� ��-���� ; ������ � &������ ������ ���� &������� �� ����������

����� � !��-�� ����� �� ��������� �� ������� �� �������� ������ ���-�� - �� ��� ����.����� �� &���� �� �������� � ���� �������� �������� ���� - ��� � ���� ����.� 6� ����-��� ��� � ��5�������� ���� �� ���������� ���� �-��-� �������� ��� ������ �.������� ���������� �� ��5��� � � �.����� �� �� ���� ��-�� ���� ����� ��� /���������0 ���-�� ��������� �� � �����&��� ���� ���-���� ����. ��&� � ����� ����������� �� ����-� ��-��5�� ��� ����5 �� ��� �&� ��� � � ����� ���� ���5&�������� �������� �������8�� ���� ���� �� ��� �-�� �� ���� �� ��������

��� �%��� �� ��� � ���� �-��-�� &������� �� �&�����%���� ���������� ����� �� �� ������� ���5��� ��&� ������� ��� ����-�� ����� � ����5 �� ��� �&� ��� � � ����� ��� ����-� ��-���� � 8���� �&�� ���� ���� �� �.������ �� ��� �� ��5�� �-��-��

� ������������ ����� ����

8�� �� ������ ������� �� ��� �-�� ��� �5�-��� ��� ���&�������� �� ���� �������� ������

6����������� A�-��� �� �������� ����� B 4�� ������� *C /())*0 DE';DD(

������ �&������2������2�F���

���� ������ �-����

�&��� �������4 ���� G-�����- /���� ����� ��0�

)(H<5E<HI2)*2J 5 �� ���� ����� � ())* �-��� ��� �� 9� �&�� ,������ "���

�66K ,)(H<5E<HI /)* 0)))H)5C

���-�� ���� ��� ���� 1� ������ ������ �7�� < ����-� ���������� ��%���� �������� �� ������ ������*);(D &��L /H;*H ��L0� 8���� * �� � ��� ���-�� ���5� ����� ��� ����� � ����� ��� ������� ����������� � ���-�� � ���� �� ����.� �������- �� ���&��5������ �������� ������� $ ���� �������� ����������� ������ ��&�� ��-�� ����� ����� ����� �������� ������ ��&�� ��&� ����� ��-���� � 8�� �%��� ������. &��-�� ������� �� �-���� �� &����� ��� ��5��. ������ ��&�� ��� ) �� <) &��L� 8�� ���-�� ����������� �� ��� -�� ���������������� �� ��**) ��� � �-����� ��� �%��� �� ���-�� �7� ������� � ���-�� ���� *I &��L /** ��L0 ������ ��� ��&�� ���� D �7� ��� � ���� ���� ���-�� ������� ������ ��� H) �� *<) �� / �� 8���� ( ��� <0�!��-�� ��� ����.�� �� D)) �� ��� � ������ ��

*()) �� �� ������� �� �� ��� ��.��� ���� ���������� �� ������ ��� &��--� ������ 8�� ���&�� ������� �������� �� � ���������� ��� ���-�� ���&��� �� ���������� �-��� ��.���� ����� �� �������� ��� ���5� �� ��� ��� ���-��2����� ��.5�-� �� *(D) �� -��� <D ��� � -� �� ( �� ��� ( ��� ��� ���� �-��-� �� ��� ������

���� ��� ���� ���-�� �7� ���������� *)� ()� ��� <)&��L ������ ����.� 8�� �������-�� ���� ��� �������� � ���� ����� ��� ����. &��-�� �������� ��� < ��� ��� ���� �-��-� �� ������ ���������� <)&��L ������ ����. �-� ���� *<)� C) ��� H) �� ����������� ���-�� �7� � 6� ��� �� ��� ���� ��� ���� ���

��� �� � ����� � ���� ���-�� �7� �� ��� ���� ����.&��-�� ��������8� � ������ � ����-���� ��� ��-�� ��� ���&��5

������� ����-� ��-���� �� � ��� ������5�� ������������� ��� ��� ���5� �� ���� � 8�� ���&������� �� ������� -�� ���� ���# ����� �� �� ������ � ��� ��������� ����� ������-�� �� ��� ���� ��M�������� �� ��� ���-�� � 4���5 �� ��� �� � ����������� ������ �� ��� ���# ��� ���� �� ��� �����-�� ��� ��� ����-� ��-���� �� � ��� ������

8���� *

���������� ����� �� ���-��

!��-�� �� ������� 4����

/4N*))0

�6������*�(�

1�� �-���

/#�&���<0

��L &��L

H *) *HH) *)�C *D

** *I *<E) *<�E E�H

*H (D **E) *H�' (�D

8���� (

���������� ����� �� �� ������

!��-��

�� /&��L0

����.

/&��L0

�6������*�(�

4N*)) 1�� �-���

�#�&���<�

*) ) *)�C *H() *E�I

*) *) *'�H *(D) '�<

*) () (<�D *)D) E�'

*) <) <E�D IDH E�<

*I ) *<�E *<D) E�H

*I *) *C�C *)I) <�D

*I () ('�' ICC (�'

*I <) <D�' '<( (�)

(D ) *H�' **)) (�D

(D *) ((�' C<) *�I

(D () <*�D I)E *�D

(D <) <'�C HH' *�E

8���� <

���������� ����� �� �� ������ ���� ��%���� ���-�� �7� /$��

������� *I &��L ������ ���-�� �� <) &��L ������ ����.�0

!��-��

�7� �������� ���

��� �����6�

�����*�(�4N*)) 1�� �-���

�#�&���<�

DD *( (C�E 'E< *�D

'* *' <(�* 'DE *�'

C* (* <(�C '<H *�C

*)H (H <E�H '(D (�)

*<< <( <I�( '(I (�<

��� *� ���� �-��-� �� /�0 �� ������� ��� /�0 ���&�������� �������� ������ ���� ��� ��� �� ������ ���-�� �

DEI 1) ���� �� � ) 5 (���������� 6"��� 7������� ���� � 8 +��� ������� � �% 9�!!�: ��*;���

�� �� �� O&� �� ��� ��� ��� ����� 8�� � -�� ����� &���- �� � �� ��&�� ������

� ������� �� ���������

��� E ��� ��� N��#� ����� /*)) #��0 �� �����%���� �� ������ ���� ����� � � �-������ ��&��-�� ������� �� �������-�� ������ ����.� 6� � ����� ���� ��� ����� �� ��� �&���� ���� �������� � � ��� ������� �� ���� ����. ������� ��5

��� � � �� ���� ��%���� ���-�� ���� 8�� ����� &��-� �� 7�� ����. �� ��� ���5� �� ���-�� ������ ���� �� ����. �������� /����� ����� �� 8����*0� 8�� �-&� �� ��� ��%���� ���-�� ��� ��� ������� ���-�� ����� �� � ����O���� �%��� �� ����&���� ���� ��� ����� � ���� � ����� �%��� �� ��������. �������� � $ ��� ����. &��-�� ������� ��5��� � � ��� ��%����� ������� ��� �� ������ ����5 ����� ���� ��%���� ���-�� ����� ����� � � ��� D ���- ���� ��� �%��� �� ����. ������� �� ����5

�� ��� � � ������ �.� �� � ��� �-���� ��5������� �� $,8� �H** :E=� 8�� ����� � �����

��� (� ���� �-��-� �� �� ������ ���� /�0 *)� /�0 ()� ��� /�0 <)

&��L ����� ����.� 6������-�� ���� ��� ��� ����� � ���� ��5

��� ��� ����. &��-�� ��������

��� <� ���� �-��-� �� �� ������ ���� <) &��L ����� ����.� �-�

��%���� �&���� ���-�� �7�K /�0 *<)� /�0 C)� ��� /�0 H) ��� 6���5���-�� ���� ��� ��� ����� � ���� ���-�� �7� �� ��� ���� ����.

&��-�� ��������

1) ���� �� � ) 5 (���������� 6"��� 7������� ���� � 8 +��� ������� � �% 9�!!�: ��*;��� DEC

���-�� � ����� ���� ��� ��� � ������� ��� ��� ����� ���� � � ����� �� ��� ����. ��&�� � ���� ��� ��� � � 5����� ����� ��� ���� ����� �� ����. ��&��� $����� ���&������� �� ��� � � ����� ���� ���-�� ��� ����� � ���� ����� ��� ����.� ��� H ���- ���� ��� �%��� �� ���-�� ��� ��� ����.

������� �� ��� ����-� ��-���� �� �� ������� 8����-���� ��� � ���� ����� � ���� ����� ��� ��5��. ������� �� ���� ���-�� ���� �-� �� ��� ����� ������ ��� ��� ���-�� ��� �������-�� ������ ����.�!��-�� ��� �� � �� � ����O���� �%��� �� ��� �&������-���� � ���� ��� ����� ������ ���-�� ������������� ��-���� ���� ��� �8�� �%��� �� ���-�� �7� �� ����-� ��-���� ���

��� � � ����� � ���- ����� �� ��� '� 4��� �� � �5���� ���� ����� �� ���-�� �7� �� � ��#�� ����5O���� �%��� �� ���� �� ��� � ����� � 8�����&����� �� ��-���� ���� ����� �� ���-�� �7� � �� � ��#��� �-� �� ��� � -����� ����� � �� ���� ������ ���-�� ��� ����.� ����� �� ��� �%��� �� ��5

��� �� ����. �������� 8�� ����� � �� ����5 �� ���� � ����� � -�� ��� ��� ����� ��- ��� �� ������� ��� ���-�� ��� ��� ����. ���� ����� �����-�� �7�� ��� I ��� ����� ��� ��� � � ����� ���� ����� �

�� ����� �� ��� ��%���� ���� �� �� ������� 8���-&� �� ���� ���-�� ��� ����� � ���� ����� �������. ������ ��&��� ��� <) �� ) &��L� 8�� �-&� �5� ������ ���&�������� �������� ������ � �������� ��O����� ��� ���� ��� ������ ���������� ���� ���5� �� ���-�� � ��.�-� �� 1� ��� ������ ���� ����� � ���� ���� �� ������ �������� 8�� �� ������� ��� ��� -��� ��� � � ����� �� �������� ���5�� �� ��� ���&�������� �-��-�� �������� 8�� ��������� ���� ��� ���� � ���-�� � ����� ��� � ������� ��� ��� ����� � ��� � � ������8�� ����� � �� ����-� ��-���� ���� ����� ���

����� �� ��� ���&� �� ��� ���&�������� ������ �-��-� � ���- ����� �� ��� C� 8�� �-&� �� �������-�� ��� ��� ����� � �� ��-���� ���� ����� �������. ������� ��� <) �� ) &��L� $����� ��� ���&��5������ ������ ���� � O���� ���-�� ��� ���� �� ��� 7������. ��� ���� ���5� �� ����-���� �-��-�� ������ � $� �������� ����� ��� �� ������� ��&� ����� ��-���� � ���� ��� ���� � ���-�� ������� ������ ��� ����� � ��-���� &��-� �-� �� ��&��� �������� � ����. &��-�� ������� ��� ��� ����� � ����.���� ��� ��� ����� ��� �� � &��-���� � ��� �� ��� �� ������

������� � ��� -��� ����������� �� ����� ������ �����&���� ������ �� ���&�������� ��������������� ��� *) ���- ���� ���� �� ��� � � ����� &��-� ����� �� ��� ����-�� ���&�������� �������� ���������� �������� �� ��� ������ ����. ������� ��� ���-�� ���� ������ ����� ����� ��-���� � $� �� �� ��-��5�� &��-� ����� �� ��� ���&�������� ������� ��� �������� ��� ����� ��� � � ������

��� H� 9%��� �� ���-�� ��� ��� ����� ����. ������� �� ���

��-���� �� �� ������� ���-� ��-���� ����� � ��#���� ����

����. &��-�� ������� ��� �� � ���� ���-�� ������ ��������

��� D� 9%��� �� ���-�� ��� ��� ����� ����. ������� �� ��� ���

� � ����� �� �� ������� 1�� � � ����� � ����� � �� ��� ����.

&��-�� ������� ��� ���� ��� ���-�� � 8�� �%��� �� ���-�� �����

� ����� � �� ��� ����. ��&���

��� E� 9%��� �� ���-�� ��� ��� ����� ����. ������� �� ��� �����

�� �� ������� 3&���� ����� ����� � ���� ����� �� ����. &��5

-�� ������� ��� ����� �� ���-�� ������ �������� 8�� �%��� ��

���-�� ��� � ����� � �� ��� ����. ��&���

DD) 1) ���� �� � ) 5 (���������� 6"��� 7������� ���� � 8 +��� ������� � �% 9�!!�: ��*;���

6���� ������� ��� ��� ��� ���� ��� �� � �������5���� �� ��-���� ��� ��� � � ����� � �����&�� ������� ���-�� ��&��� ��� 3��� ������ �������� 8�� � -��

��� �� �.������ �� ��� ���� ���� ��� ����. ������� �� ��� ����� �%��� �� ����-� ��-���� ����� ���-����� �������� �� ��� ����� �%��� �� ��� � � ������ � ��� �� �� � D ��� H� 8�� � �� �&����� ���� �� ����������� � -��� ��� *)� ���� �� ������ ���� ����/���� ������ �������0 ���-�� ���� �� ���� ����-���-���� �� ��� ����. �������� �-� �� ����� ���� � ����� ���� ��� ���� ���-�� �������� 8�- � ���� �� �� ������ ��� �� ��-��� ���� -��� �����5������ �� ����� ���� ��&� ����� ��M-���� �� �5������� �� ���� ��������� �

� ������� �� �����������

8�� ���&� �-�� �� ���� ��� ��������� ����5 �-��-�2���� ������� �� �� �� �������

��� '� 9%��� �� ���-�� �7� ��� ���� ��� ��� �� ����� ����. �� /�0 ��-���� � ��� /�0 ��� � � ����� �� �� ������� ���-� ��-���� �

������ ����� �� � ������ �� ����� �� ����. ���� ��� ��� ����� ��� � � ����� � ����� �� �� ��� �� ���-�� ��- ���� �-� �� �7��

��� *)� �������� �� ������� ����-� ��-���� ��� ��� � � �����

�� �� ������� �� ������ ���� ��� ���� � ���-�� ��&� ��� �� �

����������� �� ��-���� ��� ��� � � ������

��� C� �������� �� ������� ����-� ��-���� ��� ����� �� ��

������� ���-� ��-���� ����� � ���� ����� �� ����� ���

����� �� ����. �������� $� �������� �&���� ����� � �� ��5

���� ���� ���� ���-�� ��&� ����� ����-� ��-���� � ���� ��� �

������� ��&� ����� ����. &��-�� ������� ��� ����� ���� ���

��� �

��� I� �������� �� ������� ��� � � ����� ��� ����� �� ��

������� $� �������� �&���� ����� � �� ������ ���� ����

���-�� ��&� ����� ��� � � ������

1) ���� �� � ) 5 (���������� 6"��� 7������� ���� � 8 +��� ������� � �% 9�!!�: ��*;��� DD*

*� 8�� ����� ��� ����5 �� ��� � � ����� �� �������� ����� � ���� ����� ��� ���-�� ������ ���5���� ��� �������-�� ����. �������� 8�� �%��� ������. ������� � ����� � �� ��� ���-�� ������� ������ �������� 8�� �%��� �� ���-�� ������ ���5���� �� �&���� ����� � ����� � �� ��� ����. ���5���� �

(� 8�� ����-� ��-���� �� �� ������ ����� � ������ ���� �������-�� ����. �������� �-� ����� ����� �� ���� ��� ��� ���-�� ����. ������8�-���� ����� � �� � �� � �.���� ���� ����� �����-�� ������ ��������

<� "��� �������� ������ ���-�� ���� �������-���� ��� ����5 �� ��� � � ����� �� ��� �������-�� ������ ������� ��� ����. �������� 8�� ��5��� � �� ��-���� ���� ���-�� �7� � �-� �� ��� ��5��� �� ����. ���� ��� ���� 6��&�� ���� � ����� � ������ �-� �� ����� ��- ��� ������ ��� ���-�� ��� ��� ��� -�����

E� 8�� ���� ����� � �� ��-���� �� �� ������ ��������. �������� ���� �� � ����� � �� ��� � � 5������ ����� � -��� ����������� �� ��-���� ��� ��� � � ����� �� �� ������ ���� �� ���&��5������ �������� �������

D� �� ������ ��� ���� ����� ��� � � ����� �������-� ��-���� ���� ���&�������� �������� ��5���� ���� �������� ����� �

�������� �������

8�� �-��� �����-��� ��#�������� O������� -����� P������� ,������ �-������� ���� ��� ���5CC)E<D(� ����� ������ �� ��$� ��������� ����� ��"� �-��� �������� ��� �������&� � ���� -�� ��� ,���� 6������������ 6���� � �� � ��5#���������� 8��� �� �� � �����-� �� �� A�� ����� ������������� 6��� ��� �� ��&� 4�-�# �� 3 �� ,��5&���� �� -����� ��� ������ ���� ��� �������������� ���-�� � � ����&���� N��-���� ��������� -5�� ��� � � ���� �� ��� �� ����� !�Q� � �� ����������

����������

:*= ��� �� ,-� A$� ��-��� �������� ������ ���� ��� � R, ������

P�� D II) <I(�

:(= ��� �� "��#���� !� !�%� $� $ �-�� ���� ��� �� 1�;���

������ ���� 8�� $ *CCC+<)K<(<*;I�

:<= ���� �� ����� �� ��� ������ ��� ��� �� ��-��� ��������

������ ���� ��� 5 �-��-� ���� ������� �� � 6�K ��@-�

�,� ������ ����� ������� K �-��� � ���� ��� ���- ����

������ � 8�,� 1�������� �$� *CCC� � <)';*E�

:E= $,8� ,������ �H** ,������ �� � ������ �� ��� �&� ���

� � ����� �� �������� ������� 6�K $���� � � ������ $��-��

���# �� $,8� ������ � )(�)D� �����������K $,8�+ *CCC�

� <(I;C�

DD( 1) ���� �� � ) 5 (���������� 6"��� 7������� ���� � 8 +��� ������� � �% 9�!!�: ��*;���