Dry-electropolishing of WC-Co cemented carbides: chemical, microstructural and mechanical characterization

Abstract

(English) WC-Co cemented carbides are widely used in industry, particularly for cutting tools, due to its exceptional combination of mechanical properties. They are composites consisting of tungsten carbide (WC) particles embedded within a cobalt (Co) metallic binder. This microstructural assemblage provides a unique combination of hardness, wear resistance, and fracture toughness. However, these properties can degrade at high temperatures (>500 ºC) due to corrosion sensitivity. To address this limitation, protective coatings, such as titanium aluminium nitride (TiAlN) or titanium silicon nitride (TiSiN) are frequently applied, enhancing performance under high-temperature loading. Grinding is the most conventional post-processing technique used to achieve the final geometry and dimensional tolerances of WC-Co components. However, this method impacts surface integrity, inducing defects like voids, cracks, high roughness (0.2 - 0.6 µm), phase transformations in the metallic Co binder, and compressive residual stresses, extending up to 10-20 µm in depth. Accordingly, removal of the damaged layer though polishing is commonly advised. In recent years, a new dry-electropolishing technology has emerged for metallic alloys, allowing precise defect reduction and surface improvement. Unlike conventional electropolishing, which uses liquid electrolytes, dry-electropolishing uses solid porous polymeric particles (ion exchange resins) filled with an electrolytic medium. This method selectively removes material layer-by-layer from surface irregularities, reducing roughness and improving surface quality. This industrial Ph.D. thesis focus on the development of a novel dry-electrolyte specifically tailored for electropolishing WC-Co composites using DryLyte® Technology. The research explores the underlying polishing mechanisms, optimizes electrical parameters, and identifies key chemical reactions involved in the process. Results demonstrate that this process effectively eliminates surface defects, reduces roughness, and preserves the WC-Co microstructure, avoiding Co leaching and WC embrittlement. A comparative microstructural and mechanical analysis was conducted, evaluating various shaping and finishing methods, including grinding, electrical discharge machining (EDM), conventional polishing, and dry-electropolishing. The findings reveal that, while grinding and EDM are widely used, they generate surface defects such as micro-cracks, porosity, and harmful oxides. Conventional polishing improves surface roughness but removes hundreds of microns of material and fails to preserve compressive residual stresses, thereby diminishing the mechanical performance of the system. Conversely, dry-electropolishing precisely eliminates deformed layers, achieves smooth surfaces between phases, and retains beneficial compressive residual stresses. The thesis further explores the industrial applications of this technology, such as cutting edge preparation for WC-Co end-mill tools. Previous studies have demonstrated that an optimal edge preparation increases tool life. The results of this research confirm that dry-electropolishing can fine-tune the cutting edge radius, refine micro-geometric parameters, reduce roughness, and eliminate manufacturing-induced defects. A direct correlation between polishing time and micro-geometric parameters is established, showing rapid changes within the first three minutes, followed by stabilization. Additionally, the research investigates the stripping of worn TiAlN/TiSiN coating on WC-Co substrates to extend their operational lifespan and reduce costs. This process removes the films precisely, leaving an oxide surface layer without compromising the substrate microstructure. The process demonstrates a linear relationship between polishing time and remaining coating thickness, ensuring a controllable, efficient, and homogeneous method.

(Català) Els carburs cimentats de WC-Co s’utilitzen àmpliament en la indústria, especialment per a eines de tall, gràcies a la seva excepcional combinació de propietats mecàniques. Aquests compostos estan formats per partícules de carbur de tungstè (WC) incrustades en un aglutinant metàl•lic de cobalt (Co), aconseguint una combinació única de duresa, resistència al desgast i tenacitat a la fractura. No obstant això, aquestes propietats poden degradar-se a temperatures elevades (>500 °C) a causa de la seva sensibilitat a la corrosió. Per mitigar aquest problema, s’apliquen recobriments protectors com el nitrur de titani i alumini (TiAlN) o el nitrur de titani i silici (TiSiN), els quals en milloren el rendiment sota càrregues tèrmiques altes. El rectificat és la tècnica de postprocessat més comuna per obtenir la geometria final i les toleràncies dimensionals dels components de WC-Co. Tanmateix, afecta la integritat superficial, induint defectes com esquerdes, buits, alta rugositat (0.2 - 0.6 µm), transformació de fase del Co i tensions residuals de compressió que s’estenen fins a 10 - 20 µm de profunditat. Per aquest motiu, és habitual eliminar la capa danyada mitjançant un procés de polit. Recentment, ha sorgit l’electropolit en sec per a aliatges metàl•lics, que en redueix els defectes i en millora la qualitat superficial. A diferència de l’electropolit convencional, que utilitza electròlits líquids, aquesta tecnologia empra partícules polimèriques poroses (resines d’intercanvi iònic) amb capacitat d’absorbir un medi electrolític. Aquest mètode elimina material de les irregularitats superficials capa a capa, reduint la rugositat i millorant la qualitat de la superfície. Aquesta tesi desenvolupa un nou electròlit sec específicament per a l’electropolit de WC-Co mitjançant la tecnologia DryLyte®. S’investiguen els mecanismes del procés, s’optimitzen els paràmetres elèctrics i s’identifiquen les reaccions químiques clau. Els resultats demostren que aquest procés elimina defectes superficials, redueix la rugositat i preserva la microestructura del WC-Co, evitant la lixiviació del Co i la fragilització del WC. S’ha realitzat una anàlisi comparativa microestructural i mecànica que ha avaluant mètodes com el rectificat, l’electroerosió, el polit convencional i l’electropolit en sec. Tot i que el rectificat i l’electroerosió són comuns, generen defectes com microesquerdes, porositat i òxids perjudicials. El polit convencional millora la rugositat, però elimina centenars de micres de material, i per tant redueix les tensions residuals de compressió, i conseqüentment el rendiment mecànic. En canvi, l’electropolit en sec elimina la capa deformada amb precisió, n’allisa la superfície entre fases constitutives i en conserva les tensions residuals beneficioses. També s’han explorat aplicacions industrials com la preparació del radi de tall en eines de fresat de WC-Co. Estudis previs confirmen que una preparació òptima del tall incrementa la vida útil de l’eina. Aquest treball demostra que l’electropolit en sec afina el radi de tall i els paràmetres microgeomètrics, redueix la rugositat i elimina defectes de fabricació. S’estableix una correlació directa entre el temps de polit i els paràmetres microgeomètrics, amb canvis ràpids inicials (tres primers minuts), seguits d’una estabilització. A més, s’ha investigat l’eliminació de recobriments de TiAlN/TiSiN en substrats de WC-Co per prolongar-ne la vida útil i reduir costos. Aquest procés elimina el recobriment amb precisió, deixant una capa superficial d’òxid sense comprometre la microestructura del substrat. S’observa una relació lineal entre el temps de polit i el gruix del recobriment restant, garantint un mètode controlable, homogeni i eficaç.

(Español) Los carburos cementados como el WC-Co se utilizan ampliamente en la industria, especialmente para herramientas de corte, debido a su excepcional combinación de propiedades mecánicas. Estos compuestos están formados por partículas de carburo de wolframio (WC) incrustadas en un aglutinante metálico de cobalto (Co), logrando una combinación única de dureza, resistencia al desgaste y tenacidad a la fractura. Sin embargo, estas propiedades pueden degradarse a altas temperaturas (>500 °C) por su sensibilidad a la corrosión. Para mitigar este problema, se aplican recubrimientos protectores, como el nitruro de titanio y aluminio (TiAlN) o el nitruro de titanio y silicio (TiSiN), los cuales mejoran el rendimiento bajo cargas térmicas elevadas. El rectificado es la técnica de postprocesado más común para obtener la geometría final y las tolerancias dimensionales de los componentes de WC-Co. Sin embargo, afecta la integridad superficial, induciendo defectos como grietas, vacíos, alta rugosidad (0.2-0.6 µm), transformación de fase del Co y tensiones residuales de compresión, extendiéndose hasta 10-20 µm de profundidad. Por ello, es habitual eliminar la capa dañada mediante pulido. Recientemente, ha surgido el electropulido en seco para aleaciones metálicas, que reduce defectos y mejora la calidad superficial. A diferencia del electropulido convencional, que utiliza electrolitos líquidos, esta tecnología emplea partículas poliméricas porosas (resinas de intercambio iónico) con capacidad de absorber un medio electrolítico. Este método elimina material de las irregularidades superficiales capa por capa, reduciendo la rugosidad y mejorando la calidad de la superficie. Esta tesis desarrolla un nuevo electrolito seco específicamente para el electropulido de WC-Co mediante la tecnología DryLyte®. Se investigan los mecanismos del proceso, se optimizan parámetros eléctricos y se identifican las reacciones químicas clave. Los resultados demuestran que este proceso elimina defectos superficiales, reduce la rugosidad y preserva la microestructura del WC-Co, evitando la lixiviación del Co y la fragilización del WC. Se ha realizado un análisis comparativo microestructural y mecánico que ha evaluado métodos como el rectificado, la electroerosión, el pulido convencional y el electropulido en seco. Aunque el rectificado y la electroerosión y son procesos comunes, generan defectos como microfisuras, porosidad y óxidos perjudiciales. El pulido convencional mejora la rugosidad, pero elimina cientos de micras de material, y por tanto reduce las tensiones residuales de compresión yconsecuentemente el rendimiento mecánico. En cambio, el electropulido en seco elimina la capa deformada con precisión, alisa la superficie entre fases constitutivas y conserva tensiones residuales beneficiosas. También se ha explorado aplicaciones industriales como la preparación del filo de corte en herramientas de fresado de WC-Co. Estudios previos confirman que una preparación óptima del filo incrementa la vida útil de la herramienta. Este trabajo demuestra que el electropulido en seco afina el radio de corte y los parámetros microgeométricos, reduce rugosidad y elimina defectos de fabricación. Se establece una correlación directa entre el tiempo de pulido y parámetros microgeométricos, con cambios rápidos iniciales (tres primeros minutos), seguidos de una estabilización. Además, se ha investigado la eliminación de recubrimientos de TiAlN/TiSiN en sustratos de WC-Co para prolongar su vida útil y reducir costes. Este proceso elimina el recubrimiento con precisión, dejando una capa superficial de óxido sin comprometer la microestructura del sustrato. Existe una relación lineal entre el tiempo de pulido y el grosor del recubrimiento restante, garantizando un método controlable, homogéneo y eficaz.