Improved Mechanical and Tribological Properties of Metal-Matrix Composites Dispersion-Strengthened by Nanoparticles

Abstract

Co- and Fe-based alloys produced by powder technology are being widely used as a matrix for diamond-containing composites in cutting, drilling, grinding pplications, etc. The severe service conditions demand that the mechanical and tribological properties of these alloys be improved. Development of metal-matrix composites (MMCs) and alloys reinforced with nanoparticles is a promising way to resolve this problem. In this work, we have investigated the effect of nano-sized WC, ZrO2, Al2O3, and Si3N4 additives on the properties of sintered dispersion-strengthened Co- and Fe-based MMCs. The results show an increase in the hardness (up to 10 HRB), bending strength (up to 50%), wear resistance (by a factor of 2–10) and a decrease in the friction coefficient (up to 4-fold) of the dispersion-strengthened materials. The use of designed alloys as a binder of cutting diamond tools gave a 4-fold increment in the service life, without reduction in their cutting speed.

Self-assembling WC interfacial layer on diamond grains via gas-phase transport mechanism during sintering of metal matrix composite

“…c o m / l o c a t e / m a t d e s metal binder is solved by an additional coating step, which complicates the manufacturing process and increases costs. Another efficient method to enhance the mechanical properties of various binders is to add a controlled amount of nano additives (e.g., WC, ZrO 2 , Al 2 O 3 , and carbon nanotubes), which allows improving performance of diamond tools considerably [23][24][25][26][27][28][29]. A significant increase in performance of tools with tungsten carbide alloyed binder was reported [27,28].…”

Features of the effect of nano-modification and macro-structurization on Fe–Mo binder properties for diamond tool

“…Как показано ранее в работах [1][2][3][4][5][6][7], наномоди-фицирование карбидом вольфрама в оптималь-ной концентрации металлических связок, вклю-чающих Co, Ni, Cu, Fe, приводит к увеличению их твердости и прочности, а соответственно, способ-ствует росту ресурса и производительности ал-мазного инструмента.…”

“…В режущих элемен-тах алмазного инструмента, как правило, относи-тельная концентрация алмазов составляет около 25 % и они занимают 6,25 % объема всего сегмен-та. Допуская, что вокруг алмаза образуется сфера (капсула) из связки с диаметром в 2 раза больше, чем у алмаза, получаем, что капсулы будут зани-мать объем 2 3 , т. е. в 8 раз больше, чем объем соб-ственно алмазов, что соответствует 50 % объема всей связки. Принимая во внимание, что плот-ность алмазов составляет 3,55 г/см 3 , а насыпная плотность связки -3,2÷4,2 г/см 3 , получаем, что гранулы, состоящие только из порошков связки, имеют примерно ту же среднюю плотность, что и капсулы, содержащие алмаз.…”

“…С этой точки зрения перспективным способом повышения конкурентоспособности инструмен-та является создание низколегированных сплавов на основе железа, где компенсация относительно низкой стойкости связки обеспечивается ее дис-персным упрочнением путем введения малого ко-личества нанодисперсных порошков [1][2][3][4][5][6][7].…”

The Effect of ZrO2 Nanoparticles on the Microstructure and Properties of Sintered WC–Bronze-Based Diamond Composites

“…It is noted that the performances of diamond composites depend on not only the properties of the matrix and diamond materials, but also the diamond-holding ability of the matrix [4,5,6,7]. Severe service conditions (impact stresses, hydro-abrasive wear, and elevated temperature) and cost reduction demand that the mechanical properties and wear resistance be improved [8]. Several kinds of new metal matrixes have been introduced into impregnated diamond tool fabrication in recent years [9,10,11].…”