The purpose of the present investigation is to study the formation of grain boundaries and twins in WC-Co alloys.
In Chapter 3, the origin of WC/WC grain boundaries in liquid-phase-sintered WC-Co alloys has been investigated in a $WC-Mo_2C-Co$ model system using coarse WC polygrain powder. The evolution of grain shape during liquid phase sintering was able to be identified by observing a growth layer that contained Mo. During liquid phase sintering, most of the grain boundaries in the powder were penetrated by a Co liquid but some of them were not. EBSD analysis confirmed that some boundaries in the powder, in particular ∑2 twist boundaries and ∑97 special boundaries, remained intact during liquid phase sintering. These experimental results demonstrate that the grain boundaries of WC grains in liquid-phase-sintered WC-Co alloys are originated from those present in the starting powder.
In Chapter 4, the formation of WC grains and twinned grains during carbonization of an η phase has been studied. The carbonization of the η phase occurred quickly even below the WC-Co eutectic temperature. During the carbonization, twinned grains tended to form at high carbon activities and high C and W supersaturation while coarse WC grains formed at low carbon activities and low C and W supersaturation. Two types of twin orientations were identified. One had the same orientation and the other had a 60˚ rotation in <0001> axis between the two grains. The occurrence frequency of the two types was similar to each other. A TEM observation showed that the twinned grains had exactly the same orientation. This result suggests that the twins were originated from a stacking fault having the same W atom positions but different carbon atom positions in the crystal. Based on experimental observations, it is suggested that under a high supersaturation, twins formed via 2-dimensional nucleation and layer-by-layer growth on small crystal planes. Under a low supersaturation, 2-dimensional nucleation and multilayer growth on growing crystal planes appeared to be dominant.
Grain growth behavior of WC-Co with and without an η phase has also been studied in Chapter 4 for various alloy compositions and various sizes of WC and η. Twinned and coarse WC grains formed when the η particles were present in fine grained WC-Co samples. In samples with coarse WC particles, however, no abnormal grain growth occurred irrespective of the presence and size of η particles. This result was attributed to a low driving force for WC grain growth. In contrast, abnormal grain growth always occurred in the samples with submicron-sized WC particles regardless of the presence of η particles. Under the studied experimental conditions, no significant effect of twins on grain growth was observed.
본 논문에서는 WC-Co계 합금에서 WC/WC 결정입계와 쌍정의 형성과정과 그 원인을 연구하였다.
제 3장에서는WC-Co 액상 소결체에서 결정입계의 형성을 연구하기 위하여 coarse WC 분말을 사용한 $WC-Mo_2C-Co$ 모델계를 이용하였다. 액상소결 중 생성된 층은 Mo을 포함하고 있어서 입자의 성장 형태와 결정입계의 변화가 쉽게 관찰되었다. 액상 소결과정에서 caorse WC분말 중에 존재하던 대부분의 결정입계는 Co 액상에 의해 침투되어 고상-액상 계면으로 바뀌었지만 일부 결정입계는 장시간의 액상 소결에도 결정입계로 잔류하였다. EBSD 분석에서 coarse WC 분말의 결정입계들 중에서 90˚ 의 misorientation angle을 갖는 ∑2 twist grain boundary또는 ∑97의 special grain boundary들이 장시간의 액상소결 후에도 잔류하는 것을 확인하였다. 따라서 WC-Co계 액상 소결체에 존재하는 결정입계들은 원료 WC 분말에서 존재하던 특정방위를 갖는 결정입계가 액상 소결과정에서 잔류하여 형성된 결정입계라는 것을 확인하였다.
제 4장에서는 η 상 분말의 탄화에 따른 WC 입자와 쌍정의 생성을 연구하였다. η 상의 탄화반응은 탄화온도가 높아짐에 따라 급격하게 진행되었으며 WC-Co 액상 형성온도 이하에서도 아주 빠르게 일어났다. η 상의 크기와 탄소와의 혼합 균일도에 따라 생성된 쌍정의 크기가 변하였으며 η 상이 탄화될 때 탄소의 활동도와 과냉도의 크기에 따라 WC 쌍정 또는 조대한 WC 결정의 형성이 결정되었다. η 상이 탄화되어 형성된 쌍정의 모양은 두 결정이 동일한 방향으로 만나서 된 것과 <0001> 방향을 축으로 60˚ 회전하여 만난 두가지 종류가 존재하였으며 그 빈도는 비슷하였다. TEM 관찰에서 쌍정입계 양쪽의 결정은 완전히 동일한 면과 방향을 갖고 있었다. 따라서 쌍정은 W원자의 위치는 동일하고 탄소원자의 위치가 다른 두 결정에 의해 형성된 것을 알 수 있었다.
η 상 분말을 각 온도와 시간에서 탄화한 후 입자를 SEM으로 관찰한 실험에서, 쌍정은 η 상의 탄화 초기에 WC 결정의 핵생성 구동력이 큰 조건에서 작은 WC 결정면 위에서 2D-nucleation에 의한 layer-by layer growth가 일어날 때 <0001> 방향으로 탄소 원자의 배열 오류에 의해 적층 결함이 발생함으로써 생성되는 것으로 나타났다. 이 후 과냉도가 감소하고 결정면의 크기가 클 경우 WC 결정은 2D-nucleation에 의한 multilayer growth로 성장되면서 쌍정으로 되었다. 이상의 결과를 바탕으로 적층결함 층의 수에 따라 두 종류의 쌍정 방향이 결정되는 쌍정 형성기구를 제안하였다.
또한, 제 4장에서는 η 상이 존재하는 WC-Co 액상 소결체에서 WC와 η 상 입자의 크기 및 합금 조성에 따른 입자성장과 미세조직을 연구하였다. 입자성장 구동력이 아주 낮은 coarse WC 분말을 사용한 합금에서는 η 상의 크기나 탄화조건에 관계없이 비정상 입자성장이 관찰되지 않았으며 기지 WC 입자 크기가 작아서 비정상 입자성장이 일어날 수 있는 합금에서는 η 상 탄화에 의해 생성된 WC 결정 또는 쌍정의 크기와 무관하게 비정상 입자성장이 나타났다. 한편 입자성장 억제제가 첨가되어 기지 WC 입자의 성장이 억제된 상태에서도 생성된 WC 결정 또는 쌍정의 크기가 비정상 입자성장을 일으킬 수 있는 일정 이상의 구동력을 갖을 때만 비정상 입자성장이 관찰되었다. 따라서 η 상 의 탄화에 의한 비정상 입자성장은 입자 크기에 따른 입자성장 구동력의 크기에 지배되며 쌍정입계의 입자성장 촉진 또는 비정상 입자성장에 대한 뚜렷한 영향은 관찰되지 않았다. 즉 주어진 실험조건에서 입자성장거동은 쌍정의 존재유무에 무관하였다.
