bedrijfsnieuws over Waarom zijn gecementiseerde carbiden (Tungstencarbide + Cobalt) hittebestendig?

Gecementiseerde carbiden, bestaande uit wolfraamcarbide (WC) als harde fase en kobalt (Co) als bindende fase, zijn zeldzame industriële materialen die “hardheid behouden, zelfs bij hoge temperaturen." Hun maximale continue werktemperatuur kan 800 ° C bereiken., en kunnen korte termijnen bestand zijn tegen temperaturen hoger dan 1000°C, ver boven gewone staal (bv.45° staal verzacht boven 500°C) en snelstaal (W18Cr4V verliest aanzienlijke hardheid rond 600°C)Deze warmteweerstand is niet te wijten aan een enkele factor, maar aan dede synergetische werking van de inherente hoge temperatuurstabiliteit van wolfraamcarbide, de verenigbare bindende eigenschappen van kobalt en de microstructurele kenmerken die door de twee verbindingen worden gevormdVoor industriële productie lost deze eigenschap kritieke pijnpunten op in scenario's met hoge temperaturen:van de wrijvingswarmte opwekking (600°C tot 800°C) bij het snijden van metaal tot de werktemperaturen (400°C tot 500°C) van aluminiumlegeringsgietvormen, en slijtage van mijnbouwapparatuur in ondergrondse hoge temperatuuromgevingen.In dit artikel worden de belangrijkste redenen voor de hittebestandheid van WC-Co gecementiseerde carbiden uiteengezet op basis van de eigenschappen van de componenten, microstructuur en praktische toepassingen.

De warmtebestandheid van gecementiseerde carbiden is in de eerste plaats te danken aan de inherente eigenschappen van hun kerncomponent: wolfraamcarbide." die een stabiele steun biedt voor het materiaal bij hoge temperaturenDit komt tot uiting in drie belangrijke aspecten:

Wolfraamcarbide heeft een extreem hoog smeltpunt van 2870°C, veel hoger dan de typische hoge temperaturen in industriële omgevingen (de meeste hoge temperatuurwerkomstandigheden zijn <1,0 °C).000°C)Ter vergelijking:

• Gewoon koolstofstaal heeft een smeltpunt van ongeveer 1,538 °C en verzacht boven 500 °C door verhoogde atoommobiliteit.
• Snelstaal (W18Cr4V) heeft een smeltpunt van ongeveer 1.400°C; zijn hardheid daalt van HRC 62 tot onder HRC 50 bij 600°C, waardoor het niet kan worden gesneden.
• Zelfs bij 1000°C wordt wolfraamcarbide slechts licht verzacht - het smeltpunt wordt nooit bereikt, dus het smelt niet of ondergaat geen structurele ineenstorting.

Wolfraamcarbide heeft eenhexagonale dichtgepakte (HCP) kristalstructuurDeze structuur voorkomt atomaire diffusie of structurele wanorde bij hoge temperaturen:

• Bij kamertemperatuur geeft deze structuur WC zijn hoge hardheid (HRA 90 ̊93).
• Bij hoge temperaturen (bijvoorbeeld 800°C) trillen atomen licht, maar behouden ze een ordelijke ordening, in tegenstelling tot gewone metalen, die zich vervormen als atomen los raken en de gaten groter worden.
• Daarentegen heeft snel staal een kubische (BCC) structuur met het lichaam als middelpunt, waarbij atoomgaten bij hoge temperaturen gemakkelijk uitbreiden, waardoor snel sterkteverlies ontstaat.

In industriële omgevingen met hoge temperaturen moeten materialen niet alleen bestand zijn tegen "temperatuur", maar ook tegen "corrosie door het milieu" (bijv. oxidatie in de lucht, reactie met snijvloeistoffen).Wolframcarbide vertoont bij hoge temperaturen stabiele chemische eigenschappen:

• Onder 800°C ontstaat er bij blootstelling aan lucht slechts een dunne oxidefilm (WO3).
• Het reageert niet (bijv. oplost of erodeert) met gebruikelijke industriële media, zoals metaalsnijvloeistoffen of gesmolten aluminiumlegeringen.
• In tegenstelling tot keramische materialen (bijv. alumina), die ook hoge smeltpunten hebben, hebben keramiek de neiging om bij hoge temperaturen te reageren met gesmolten metalen, waardoor het oppervlak spalt - een probleem dat WC vermijdt.

Een veelgestelde vraag is: Cobalt heeft een smeltpunt van slechts 1495°C, veel lager dan WC, dus waarom ondermijnt het niet de hitteweerstand?kobalt (typisch 6·15 gewichtspercenten) fungeert als een "bindende fase" en bestaat niet geïsoleerdIn plaats daarvan wordt het gelijkmatig verspreid tussen WC-korrels, waardoor een microstructuur ontstaat waarin ¥WC-korrels worden ingekapseld door de Co-fase".

Bij kamertemperatuur is kobalt een ductiel metaal dat harde maar broze WC-korrels “bindt” om scheuren te voorkomen.Cobalt verzacht licht (wordt “halfvast”), maar smelt niet volledig of stroomt niet weg:

• Deze lichte verzachting "buffer" de thermische spanning tussen de WC-korrels (verschillende materialen uitdijen met verschillende snelheden bij hoge temperaturen, waardoor spanning ontstaat),het voorkomen dat het materiaal scheurt als gevolg van spanningsopbouw.
• Ondertussen blijft de bindingskracht (metallurgische binding) tussen kobalt en WC-korrels sterk bij hoge temperaturen, in tegenstelling tot bindmiddelen van andere metalen met een lage smeltkwaliteit (bijv. koper, smeltpunt 1,085°C), die bij 800°C zouden smelten en hun bindingskracht zouden verliezen.

Bij hoge temperaturen hebben materiaalkorrels de neiging om te "groeien" (kleine korrels smelten op in grotere), wat leidt tot verlies van hardheid.Cobalt werkt als een "remmer" om bij hoge temperaturen overmatige WC-korrelgroei te voorkomen:

• Cobaltatomen adsorberen op het oppervlak van WC-korrels (op de korrelgrenzen) en vormen een "barrièrelaag" die de diffusie van WC-atomen vertraagt en de samensmelting van de korrels remt.
• Zonder kobalt zouden WC-korrels na 10 uur bij 800 °C van 3 μm tot meer dan 8 μm groeien, waardoor de hardheid met 20% wordt verminderd. Met kobalt is de korrelgroei beperkt tot minder dan 10% en blijft de hardheid bijna stabiel.

Behalve de individuele eigenschappen van de componenten, versterkt de "dichte microstructuur" gevormd door WC en kobalt de hittebestandheid.Hoogwaardige WC-Co gecementiseerde carbiden worden gesinterd bij hoge temperatuur (1De structuur van de Wc-graan is gelijkmatig verdeeld, de Co vult de gaten en er zijn geen significante poriën (dichtheid typisch ≥ 14,5 g/cm3).

Als een materiaal poriën bevat, kunnen hoge temperatuurlucht of corrosieve media door deze poriën naar het interieur sijpelen, waardoor de oxidatie versnelt (bijv.keramiek met een hoge porositeit oxideren 3x sneller dan WC-Co)De dichte structuur van WC-Co:

• Bevat bijna geen zichtbare poriën, zodat externe zuurstof alleen contact kan maken met het oppervlak van het materiaal en niet naar binnen kan doordringen.
• De op het oppervlak (onder 800 °C) gevormd WO3-oxidefilm hecht zich strak aan de dichte structuur en biedt “dubbele bescherming” tegen verdere oxidatie.

In scenario's met hoge temperaturen dragen materialen vaak belastingen (bijv. snijkrachten, schimmeldruk).De gelijkmatige verdeling van WC-korrels in WC-Co zorgt ervoor dat de belastingen gelijkmatig worden overgedragen door de Co-fase naar elk WC-korrel, waarbij de lokale spanningsconcentratie wordt vermeden:

• Bij voorbeeld moet de mal bij aluminiumlegeringen voor gietgieten bestand zijn tegen een druk van 20 MPa bij 400°C. De uniforme structuur van WC-Co dispergeert deze druk.verhinderen van vervorming door lokale verzachting bij hoge temperaturen.
• In tegenstelling hiertoe vertoont hoog snelheidsstaal bij hoge temperaturen een ongelijke hardheid, wat leidt tot indentaties in zachtere gebieden en mislukking van de schimmel.

Om de voordelen van WC-Co te benadrukken, wordt hieronder een vergelijking gemaakt met andere gebruikelijke " slijtvast, hittebestendige materialen" die in de industrie worden gebruikt:

Zoals hierboven is aangetoond, is de warmtebestandheid van WC-Co's iets lager dan die van alumina-keramiek, maar het brengt "warmtebestandheid + slagweerstand" in evenwicht (keramiek is gevoelig voor barsten bij hoge temperaturen).In vergelijking met hogesnelheidsstaal en koolstofstaalDe voordele van de verwarmingsresistentie en de hardheidsbehoud zijn aanzienlijk, waardoor het een van de beste keuzes is voor "hoogtemperatuur slijtage + draagkracht"-scenario's.

De hittebestandheid van WC-Co varieert naargelang de samenstelling, voornamelijk onder invloed vanCobaltgehalteengrootte van het graan van wolfraamcarbide- Neem bij de keuze van een graad rekening met de volgende factoren:

Bij voldoende taaiheid om scheuren te voorkomen, betekent een lager kobaltgehalte een hoger aandeel WC· en een betere hittebestendigheid:

• Lage kobaltgehalte (6 ‰ 8%, bijvoorbeeld YG6): hoog WC-gehalte, behoudt ≥92% hardheid bij hoge temperaturen. Geschikt voor scenario's met lage impact en hoge temperaturen (bijv. precisie slijpgereedschap).
• Medium kobalt (8 ∼12%, bijvoorbeeld YG8): evenwichtigheid tussen hittebestendigheid en taaiheid. Geschikt voor scenario's met een gemiddelde impact en gemiddelde temperatuur (bijv. snijgereedschap voor algemene doeleinden).
• Hoge kobaltgehalte (bijv. YG15): uitstekende taaiheid en slagvastheid, maar behoudt ≤85% hardheid bij hoge temperaturen.mijnbouwboorboten).

Fijnkorrelige WC (1μ3μm) heeft meer korrelgrenzen, waarbij kobaltatomen als sterkere "inhibitoren" fungeren om de groei van het korrelkorrel bij hoge temperaturen te voorkomen:

• Fijnkorrelige WC-Co (bv. YG6X): na 10 uur bij 800°C is de korrelgroei < 5% en blijft de hardheid vrijwel ongewijzigd.
• Grofkorrel WC-Co (bijv. YG15): onder dezelfde omstandigheden overschrijdt de korrelgroei 15% en daalt de hardheid met ~10%.
• Voor hoogtemperatuurprecisie-scenario's (bijv. halfgeleider-hoogtemperatuur armaturen) moet de voorkeur worden gegeven aan fijnkorrelige kwaliteiten.

Veel mensen gaan ervan uit dat WC-Co geen hittebestendigheid heeft omdat kobalt een laag smeltpunt heeft (1,495°C). Dit is een typisch misverstand dat de microstructuur van het materiaal negeert:

• In WC-Co bestaat kobalt niet "geïsoleerd", maar als een "dunne film" rondom WC-korrels.
• Uit praktische proeven is gebleken dat de co-fase in WC-Co bij 800°C slechts licht verzacht (hardheid ~HRC 20) maar toch WC-korrels bindt.

De warmtebestandheid van WC-Co gecementiseerde carbiden is niet te danken aan één enkel onderdeel, maar aan de synergie van ¥WC's hoogsmeltend stabiel skelet, kobalt's hoge temperatuurbinding en buffering, en een dichte,gelijkmatige microstructuur." Deze eigenschap maakt het mogelijk om de hardheid te behouden bij 600°C en tegelijkertijd matige schokken en belastingen te weerstaan, waardoor het ideaal is voor industriële scenario's zoals het snijden van metaal, hoge temperatuur vormen,en hoogtemperatuurmijnen.

Voor professionals in de wolfraamcarbide-industrie, wanneer WC-Co-producten worden aanbevolen, moet de kwaliteit worden afgestemd op de klant's "maximale werktemperatuur + slagbelasting":Kies fijnkorrelige kwaliteiten met een laag kobaltgehalte (e.bv., YG6X) voor scenario's met hoge temperatuur en lage impact; middelgrote kobaltklassen met middelgrote korrel (bv., YG8) voor scenario's met middelgrote temperatuur en gemiddelde impact; en hoge kobaltklassen met grof korrel (bv.,YG15) voor lage temperatuur, scenario's met een hoge impact.