Investigation of the microstructural, chemical and mechanical properties of cemented tungsten carbides treated by low-energy high-current pulsed electron beam

Three types of cemented tungsten carbides have been irradiated by a series of low-energy (15 ÷ 30 kV), high-current (25 kA) pulsed electron beams. The electron source technology was developed by the Institute of High Current Electronics of the Siberian branch of the Russian Academy of Science, based in Tomsk. The hard metal samples, provided by Ceratizit Como S.p.a., are different from each other in granulometry (fine, submicron and medium grain size) and metal matrix content (5, 10 and 20 wt.%, respectively). The process variables on which the study was based were the energy densities of the electron beam and the number of pulses. The aim of the work is to find the right combination of parameters of the electron beam process which leads to an improvement of the surface properties of the hard metal such as hardness and wear resistance, thus increasing the working life; for this purpose, chemical, microstructural and mechanical analyzes were performed. In particular, the surface morphology of the treated samples were observed by optical microscopy, as well as the size of the region affected by the treatment by SEM analysis of the sections. Furthermore, the elemental and phase chemical composition was evaluated by XRD and XRF analysis. Finally, the mechanical properties at the microscale were measured by instrumented indentation in addition to the assess of the macro-hardness. The discussion phase of the results is structured so as to have an easy comparison of the effects obtained on the different cemented carbides under the same treatment conditions.

Il lavoro di questa tesi consiste in un ampio studio degli effetti ottenuti su tre tipologie di carburo di tungsteno cementato a seguito di un trattamento basato sull’irraggiamento con fasci elettronici pulsati. La tecnologia in grado di generare fasci elettronici caratterizzati da elevate correnti (fino a 25 kA) per mezzo di un potenziale relativamente basso (dai 15 ai 30 kV), è stata sviluppata dall’Istituto delle Alte Correnti Elettroniche di Tomsk (Russia), ramo siberiano dell’Accademia delle Scienze Russa. I campioni in carburo di tungsteno cementato sono stati preparati e forniti dalla Ceratizit Como S.p.a. L’obiettivo del presente lavoro è quello di ricercare attraverso le analisi delle caratteristiche chimiche, fisiche e meccaniche acquisite dai diversi campioni dopo essere stati trattati, il giusto set di parametri in grado di aumentare l’efficienza o la durata del ciclo di vita del prodotto in metallo duro. Per una comprensione ottimale dei risultati ottenuti da questo lavoro, l’elaborato viene strutturato come segue. Il Capitolo I comprende una breve descrizione delle caratteristiche generali dei carburi di tungsteno cementati, del loro utilizzo a livello industriale e di come variano le proprietà fisiche e meccaniche in funzione della dimensione delle particelle di carburo e del contenuto della matrice metallica. Inoltre, viene citata la normativa europea vigente che regola gli standard di qualità dei prodotti in metallo duro, basata principalmente sull’analisi metallografica dei provini a seguito del processo di sinterizzazione. Nella parte finale di questo capitolo introduttivo si definiscono quali sono le possibili fasi termodinamiche del carburo di tungsteno, individuando i relativi range di temperatura e di contenuto di carbonio, nonché le singole reazioni termodinamiche che possono avvenire tra le varie fasi. Nel capitolo successivo si dà una descrizione dettagliata del processo fisico in grado di generare i fasci elettronici pulsati ad alte correnti e quali sono i componenti principali che costituiscono tale tecnologia. Inoltre, è presente una serie di studi relativi agli effetti che l’utilizzo di questa tecnologia comporta su diversi materiali metallici, tra cui le diverse classi di acciai e titanio, nonché sui carburi di tungsteno cementati. Il Capitolo III include la descrizione della fase sperimentale, mettendo in evidenza le caratteristiche di partenza dei tre provini in carburo di tungsteno cementato, le modalità di preparazione dei provini prima di essere sottoposti al trattamento e quali parametri di processo sono stati scelti. I tre gruppi di metallo duro si differenziano per granulometria e contenuto percentuale di matrice metallica. Le condizioni di trattamento sono state definite basandosi sullo stato dell’arte che vede il trattamento dei metalli duri mediante l’irradiazione da fasci elettronici. In particolare, sono stati selezionati quattro valori di potenziale di accelerazione generanti a loro volta quattro intervalli di densità di energia trasportabili dal fascio di elettroni, questi riprodotti in una serie di impulsi a frequenza fissata. Lo studio comprende l’analisi morfologica in superficie e in sezione dei campioni trattati per un apprezzamento visivo degli effetti, della composizione e delle fasi chimiche, della rugosità superficiale e infine delle proprietà meccaniche superficiali. Nel Capitolo IV si discutono infine i risultati raccolti dalle analisi precedentemente descritte giustificando l’evolversi della morfologia superficiale rispetto al variare del numero di impulsi e all’energia fornita, lo sviluppo delle fasi metastabili e la riduzione di matrice metallica in superficie.