Summary Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) was used to measure the concentrations of cobalt, tantalum, titanium, vanadium and chromium in solutions of tungsten carbide. The main advantage of the method described here lies in the speed, convenience and effectiveness of the dissolution procedure. Aliquots of powdered tungsten carbide were dissolved in a solution of 5% aqua regia in 30% hydrogen peroxide. Complete dissolution was usually achieved within 10 min. The accuracy of the method was assessed by the analysis of certified reference materials, secondary reference materials and matrix spiking. The method was successfully applied to commercial type samples with differing compositions. Slightly more emphasis was placed on the measurement of vanadium, since no information on the measurement of this element in solutions of tungsten carbide, by ICP-OES, has been published. Investigation of the interference effects of the elements in the sample matrix on each other was essential for accurate results comparable to other published analytical methods.

A dissertation submitted to the Faculty of Science, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in fulfilment of requirements for the degree of Master of Science. May 2016. / Tungsten carbide cobalt (WC-Co) cemented carbides are widely used for cutting, drilling, machining and as wear resistant materials due to the combination of high hardness and fracture toughness. In this work, we report on as-milled and as-sintered WC-10Co-20Fe samples which were ball milled for 15 hrs and sintered using liquid phase sintering (LPS). These samples were investigated by Vickers hardness test, microstructural analysis, X-ray diffraction (XRD), transmission Mössbauer spectroscopy (TMS) and conversion electron Mössbauer spectroscopy (CEMS) techniques. A mean hardness value of 1160 ± 42 HV was obtained for WC-10Co sample while a value of 776 ± 35 HV was determined for the WC-10Co-20Fe using the Vickers hardness tester. The lower hardness value for WC-10Co-20Fe is attributed to the high volume of the binders (10% Co and 20 %Fe) incorporated in the sample. The microstructural analysis of the as-sintered WC-10Co and WC-10Co-20Fe samples reveals that the light regions represent the WC phases and the dark regions signify the presence of the Co and CoFe phases in the as-sintered WC-10Co and WC-10Co-20Fe samples, respectively. The energy dispersive spectroscopy (EDS) of the as-sintered samples shows the presence of the starting powders used (WC, Co and Fe) and some Cr contamination resulting from either the production process or the starting powders. / GR 2016

This research project is a preliminary investigation of the effect of SiC abrasive breakdown on the wear rate of a WC-12wt%Co mining alloy. Wear tests were carried out on a two body-sliding wear apparatus under (a) “Ideal” (replacing the SiC paper periodically to ensure continual exposure to fresh abrasives), (b) “No debris” (removing the wear debris periodically) and (c) “With debris” (retaining the wear debris for the entire wear test) wear conditions. The WC-12wt%Co specimens and SiC abrasive grits were examined before and after the wear tests using optical, stereo and electron microscopy. As wear progressed, the SiC abrasives blunted thereby increasing the abrasive/specimen contact area, resulting in a reduction in the WC-12wt%Co wear rate. Wear debris clogging the interstices between the abrasive grits caused a further reduction in the WC-12wt%Co wear rate by adding to the abrasive/specimen contact area already created by blunting. Increasing the applied load resulted in an increase in the WC-12wt%Co wear rate under “Ideal” wear conditions. Under the remaining wear conditions, the increased load resulted in a faster deterioration of the SiC grits. The dominant wear mechanisms under all conditions are characterized by hard abrasive wear that caused extensive grooving, Co binder extrusion and cracking and fragmentation of WC grains.

No description available.

The influence of mechanical alloying (MA) milling time, temperature, sintering method and microstructure on the mechanical properties of a tungsten carbide-cobalt (WC-Co) hardmetal, based on 10wt% Co, has been established. The effects of high-energy milling for 30, 60, 180 and 300 min and the interrelation between milling time and powder properties, and the resultant effects on the mechanical properties of the consolidated WC-10Co material, has been obtained for a horizontally designed ball mill. Nanostructured WC-10Co powder was synthesised after 60 min cyclic milling at room temperature with an average WC domain size of 21 nm. In direct comparison, a WC-10Co composition MA at -30°C for 60 min produced an average WC domain size of 26 nm with a higher lattice strain. WC domain size showed a slight increase with milling time, measured at 27 nm after 300 min ball milling. Extended ball milling (300 min) reduced the mean particle size from 0.148 μm for 60 min milling to 0.117 μm. Thermal analysis showed that the onset temperature of the WC-Co eutectic was related to particle size with increased milling time reducing the onset temperature from 1344°C after 60 min milling to 1312°C after 300 min milling. Onset temperature was further reduced by the addition of vanadium carbide (VC), reducing the onset temperature to 1283°C after 300 min milling. Powder contamination increased with increased milling time with Fe content measured at ~ 3wt% after 300 min ball milling. Milling at -30°C reduced Fe contamination to an almost undetectable level. Increased ball milling time resulted in decreased levels of green density with the powders milled for 30 and 300 min achieving 62.5% and 59.5% TD, respectively. Relative density increased for the powder milled at -30°C compared to the RT milled powder due to its flattened, slightly rounded morphology. A large difference in VC starting particle size compared to WC and Co led to non-uniform dispersion of the inhibitor during milling. Densification and hardness reached optimum levels for the 60 min milled powder for both pressureless sintering and sinter-HIP. Both properties decreased with increased milling time, regardless of the sintering method. Low temperature milling resulted in a higher hardness value of 1390 HV30 compared to 1326 HV30 for the 60 min, RT milled material after pressureless sintering. Densification levels of the doped materials were restricted to < 90% TD for both sintering methods due to inhomogeneity in the microstructures. Palmqvist fracture toughness (WK) of the RT milled powders increased with increased milling time and increasing WC grain size for both sintering methods. WK reached 11.6 MN.m3/2 with 300 min milling after pressureless sintering but reached 16.1 MN.m32 for the same material after sinter-HIP due to the effect of mean WC grain size and binder phase mean free path. The -30°C milled powder exhibited higher fracture toughness for both sintering methods than the 60 min, RT milled material. Spark plasma sintering (SPS) showed that the onset of densification was dependent upon particle size with the powder from 300 min milling showing an onset temperature of ~ 800°C compared to ~ 1000°C for the 60 min milled powder. The low temperature milled powder showed an onset temperature of ~ 980°C, which suggested that low temperature milling provided enhanced densification kinetics.

Thesis (Ph.D.(Chemistry))--University of Pretoria, 2004. / Includes summary. Also available online.

Die Anzahl neurodegenerativer Erkrankungen nimmt in unserer Gesellschaft stetig zu. Obwohl inzwischen eine Reihe genetischer Ursachen identifiziert worden sind, wird auch der Einfluss von Umweltfaktoren bei der Pathogenese dieser Erkrankungen zunehmend in Betracht gezogen. Der Beitrag von ultrafeinen Partikeln aus Industrie und Umwelt auf neurodegenerative Erkrankungen steht daher zunehmend im Fokus der Forschung. Die Translokation von ultrafeinen Partikeln bzw. Nanopartikeln ins Gehirn ist bekannt. Die Charakterisierung neuro- und gliotoxischer Wirkungen von Nanopartikeln in einem in vitro System war deshalb Ziel dieser Arbeit. Untersucht wurden Wolframcarbid-Partikel mit und ohne Cobalt, die im Herstellungsprozess von Hartmetallen von Bedeutung sind. Die meisten toxikologischen Daten wurden bisher mit mikrokristallinen WC-Pulvern an Lungenzellen bzw. -gewebe erhoben. Da aber die Verarbeitung von nanoskaligen Partikeln bessere Eigenschaften der Hartmetalle bewirkt, nimmt das Interesse an toxikologischen Studien mit WC-Nanopartikeln zu. Da die Gefahr der Translokation und Akkumulation im Gehirn beim Einatmen von Stäuben am Arbeitsplatz besteht, wurde erstmalig die Toxizität von WC-NP mit und ohne Cobalt auf Zellen des Gehirns untersucht. Für die Durchführung wurden primäre Neuronen, Astrozyten und Mikroglia sowie die Oligodendrozyten-vorläuferzelllinie OLN-93 der Ratte eingesetzt. Alle untersuchten Partikel konnten mittels Elektronenmikroskopie, ICP-Massenspektrometrie und Durchflusszytometrie in den verschiedenen Zelltypen nachgewiesen werden. Untersuchungen mit Cytochalasin D (Inhibitor der Aktinpolymerisation) deuteten auf zell- und partikelspezifische Aufnahmemechanismen hin. Experimente mit Cobaltchlorid und Natriumwolframat konnten beweisen, dass nicht die gelösten Ionen für die Toxizität von WC-Co ursächlich waren, sondern die Partikelform von entscheidender Bedeutung ist. Es zeigte sich jedoch, dass einige der WC-Co verursachten Effekte vermutlich auf dem Cobaltanteil beruhen. Offensichtlich dienen WC-Co-NP als Vehikel, um Cobalt in die Zellen einzuschleusen. Zur toxischen Wirkung trägt auch das Reaktionsvermögen von WC und Cobalt an der beiderseitigen Grenzfläche bei, denn dadurch können in der Zelle vermehrt reaktive Sauerstoffspezies gebildet werden. Im Rahmen der Untersuchungen wurden die zeit- und konzentrationsabhängigen Effekte der Nanopartikelexposition auf die Vitalität, die Proliferation, das Adhäsionsverhalten, das mitochondriale Membranpotential und die Induktion apoptotischer und nekrotischer Zelluntergänge untersucht. Dabei wurden verschiedene Vitalitäts- und Proliferationstests angewendet, um die häufig beobachteten Wechselwirkungen zwischen Reagenzien und Nanopartikeln auszuschließen. Nicht alle untersuchten Nanopartikel erwiesen sich in den durchgeführten Experimenten als akut toxisch. Nur eine Exposition mit WC-Co-NP führte nach 72 h zu einer deutlich verringerten Vitalität und Proliferation bei Astrozyten und OLN-93 Zellen. Eine Exposition mit WC-Co-NP zeigte des Weiteren eine geringe Induktion von Apoptose und Nekrose bei Astrozyten, nicht aber bei OLN-93 Zellen. Neurone wiesen nach einer Exposition mit NP eine wenig verringerte Vitalität auf. Es wurde festgestellt, dass erst die primäre Schädigung von Astrozyten zu einer sekundären Neuronenschädigung führt. Bei der Bewertung der NP-Toxizität müssen daher unbedingt die Wechselwirkungen der Zellen bedacht werden. Die Exposition mit WC- und WC-Co-NP beeinflusste das mitochondriale Membranpotential und das Adhäsionsverhalten der untersuchten Zellen. Neuronen und OLN-93 Zellen zeigten nach NP-Exposition eine verminderte Adhäsion. Auch physiologische Kalziummessungen lieferten einen Hinweis für die veränderte Funktionalität glialer Zellen nach einer NP-Exposition. Des Weiteren wurde die Expression einiger Gene, bedeutend für Adhäsion und extrazelluläre Matrix, mit realtime RT-PCR bei OLN-93-Zellen und Astrozyten überprüft. Es konnte eine Regulation von Mmp9, Timp1, Lama3, Tgfbi, Col8a1 und Hmox1 gezeigt werden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die ausgewählten Nanopartikel nicht per se neuro- und gliotoxisch wirkten. Die Partikel können anhand abnehmender Toxizität wie folgt geordnet werden: WC-Co > WC 100na > WC 10n. Auch die Reaktionen der Zellen fielen unterschiedlich aus: die Astrozyten erwiesen sich als die sensitivsten Zellen. Eine Exposition des Gehirns mit WC-Co-NP in hohen Konzentrationen oder über einen längeren Zeitraum könnte also weit reichende Folgen haben, angefangen bei einer gestörten Signalweiterleitung über eine erhöhte Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke bis hin zu neurodegenerativen Veränderungen. Diese und weitere Untersuchungen könnten bei der Erstellung von Arbeitsrichtlinien im Umgang mit Hartmetallen, deren Ausgangsmaterial nanoskalige Pulver sind, hilfreich sein und damit einen Beitrag zum Schutz der Arbeiter liefern.

Please read the abstract in the section 00front of this document / Dissertation (MSc (Chemistry))--University of Pretoria, 2007. / Chemistry / unrestricted

Les nanomatériaux sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels, et plusieurs produits de consommation contenant des nanomatériaux sont d’ores et déjà commercialisés. Dans ce contexte d’exposition humaine croissante aux nanomatériaux, l’évaluation de leur potentiel génotoxique est d’une importance significative. Cependant, la pertinence des tests classiques de génotoxicité, développés pour des produits non nanoparticulaires, est fréquemment remise en question pour l’évaluation des nanomatériaux. Un témoin positif de référence sous forme nanoparticulaire pourrait donc constituer une avancée importante pour l’évaluation de la génotoxicité des nanomatériaux, permettant de s’assurer que les systèmes d’essais sont appropriés et/ou d’en valider de nouveaux.Dans un premier temps, nous avons étudié la possibilité d’utiliser des nanoparticules de carbure de tungstène – cobalt (WC-Co) commerciales, préalablement caractérisées sur le plan physico-chimique (distribution de taille et charge dans les milieux utilisés), comme témoin positif dans trois essais de génotoxicité in vitro. Le test de mutations géniques au locus thymidine kinase sur cellules de lymphome de souris, le test des micronoyaux étudiant les dommages chromosomiques et le test des comètes détectant les dommages primaires à l’ADN ont ainsi été réalisés, les deux derniers essais dans deux types cellulaires, la lignée de lymphome de souris L5178Y et des cultures primaires de lymphocytes humains. Nos résultats montrent que les nanoparticules de WC-Co pourraient être utilisées comme témoin positif dans ces essais de génotoxicité in vitro, selon le type cellulaire et le schéma de traitement.Nous avons ensuite étudié les mécanismes d’action impliqués dans la génotoxicité des nanoparticules de WC-Co. Le marquage des centromères dans les micronoyaux grâce à la technique d’hybridation in situ en fluorescence (FISH) montre l’implication d’évènements clastogènes et aneugènes. Ces résultats ont été confirmés par un essai d’aberrations chromosomiques sur lymphocytes humains bloqués en métaphase, avec l’observation de cassures de chromatides et de cellules polyploïdes. Par ailleurs, les mécanismes oxydants étant les plus décrits pour les nanomatériaux, nous avons étudié les lésions oxydatives à l’ADN en utilisant le test des comètes in vitro modifié avec l’enzyme de réparation de l’ADN formamidopyrimidine DNA glycosylase (FPG). Nous avons également détecté par résonance paramagnétique électronique une production de radicaux hydroxyles après mise en suspension des nanoparticules de WC-Co en présence et en absence de cellules. Dans le cadre d’études haut-débit des nanoparticules de WC-Co réalisées dans trois lignées cellulaires humaines correspondant aux principaux organes cibles pour les nanomatériaux (la lignée pulmonaire A549, la lignée hépatique Hep3B et la lignée rénale Caki-1), il a été confirmé que le stress oxydant joue un rôle important dans la toxicité des nanoparticules de WC-Co. En effet, la production d’espèces réactives de l’oxygène dans les cellules traitées avec les nanoparticules de WC-Co était corrélée avec l’observation d’une cytotoxicité et de génotoxicité, étudiée à l’aide du test de détection des foyers &#947;H2AX.Finalement, nous avons appliqué les tests de génotoxicité les plus pertinents à l’étude de nanodiamants et de nanocapsules lipidiques, qui constituent des candidats prometteurs pour la vectorisation de principes actifs. Les tests des comètes et des micronoyaux in vitro ont ainsi été réalisés sur d’autres types cellulaires mimant des organes cibles : la lignée intestinale T84 et la lignée bronchique 16-HBE exposées à des nanodiamants de trois tailles différentes et des lymphocytes humains exposés à des nanocapsules lipidiques de 3 tailles et 3 charges différentes. / Nanomaterials are used in many industrial sectors, and many nanomaterial-containing consumer products are already available. In this context of increasing human exposure to nanomaterials, the evaluation of their genotoxicity is of significant importance. However, the relevance of routinely used genotoxicity assays, developed for non-nanoparticular products, is often questioned for the evaluation of nanomaterials. A nanoparticulate reference positive control would therefore constitute an important step to a better testing of nanomaterials genotoxicity, ensuring that test systems are actually appropriate and/or allowing the validation of new ones.Firstly, we studied the possibility of using commercially-available tungsten carbide-cobalt (WC-Co) nanoparticles, previously characterized for physicochemical properties (size distribution and charge in used media), as positive control in three in vitro genotoxicity assays. The mouse lymphoma thymidine kinase gene mutation assay, the micronucleus assay studying chromosomal aberrations and the comet assay detecting primary DNA damage were performed. The last two assays were realized in two cell types, the mouse lymphoma cell line L5178Y and primary cultures of human lymphocytes. Our results show that WC-Co nanoparticles could be used as positive control in these in vitro genotoxicity assays, according to cell type and treatment schedule.Secondly, we investigated the mechanisms of action involved in WC-Co nanoparticles genotoxicity. Detection of centromeres in micronuclei using fluorescence in situ hybridization (FISH) show the involvement of both clastogenic and aneugenic activities. This was correlated with the results of a chromosome aberration assay on human lymphocytes blocked in metaphase, showing chromatid breaks and polyploid cells. Moreover, as oxidative mechanisms are the most described for nanomaterials, we studied oxidative DNA damage using the modified in vitro comet assay with the DNA repair enzyme formamidopyrimidine DNA glycosylase (FPG). We also detected a production of hydroxyl radicals using electron paramagnetic resonance in suspensions of WC-Co nanoparticles with and without cells. While performing high-throughput assays on WC-Co nanoparticles in three human cell lines corresponding to the main target organs for nanomaterials (A549 lung cell line, Hep3B liver cell line and Caki-1 kidney cell line) it was confirmed that oxidative stress play a significant role in the toxicity of WC-Co nanoparticles. Indeed, the production of reactive oxygen species in cells exposed to WC-Co nanoparticles was correlated to the observation of cytotoxicity and genotoxicity, studied using the detection of &#947;H2AX foci.Finally, we carried out the most relevant genotoxicity assays to study nanodiamonds and lipid nanocapsules, which constitute promising nanovectors for drug delivery. The in vitro comet and micronucleus assays were performed on other cell types mimicking target organs: the T84 intestinal epithelial cell line and the 16-HBE bronchial epithelial cell line exposed to nanodiamonds of three different sizes, and human lymphocytes exposed to lipid nanocapsules of three different sizes and three different charges.

The diploma thesis deals with the topic of machinability of materials. The theoretical part describes the aspects according to which machinability can be evaluated. The material side of the thesis is focused on various types of difficult-to-machine materials. The cobalt alloy UmCo50 belongs to the group of difficult-to-machine materials and it is the subject of the experimental part. UmCo50 is an alloy for high temperature use. The primary aim of the thesis was to monitor the wear of the selected cutting tool when turning this alloy. Other aspects of the selected machining process were also monitored, such as force effects or the quality of the machined surface. Despite the fact that machinability of tested materials cannot be expressed in terms of the absolute value of a quantity, it is necessary to compare the various aspects of the machining processes by reference materials. However, certain conditions of this comparison must be met. Based on this, a comparison of tested and reference material was performed.