В индустрии твердых сплавов многие знают, что это «твердое и износостойкое», но не совсем понимают его конкретный состав материала. Фактически, твердый сплав — это не один материал, а композит, созданный путем объединения «твердых фаз», «связующих фаз» и небольшого количества «добавочных фаз» в определенных пропорциях.Сочетание различных материалов определяет основные свойства, такие как твердость, прочность и термостойкость твердого сплава, напрямую влияя на его пригодность для различных сценариев (например, резка, добыча полезных ископаемых, прецизионные формы)Например, твердый сплав, используемый для резки стали, полностью отличается по составу материала от того, который используется для износостойких деталей для горнодобывающей промышленности. В этой статье рассматривается система материалов твердого сплава с точки зрения основных категорий материалов, их ролей, распространенных комбинаций и логики выбора, помогая вам понять, «почему материалы сочетаются именно так» и «как выбрать материалы для вашего сценария».
1. Состав материала твердого сплава: три основных компонента
Производительность твердого сплава определяется взаимодействием «твердой фазы + связующей фазы + добавочной фазы», каждая из которых выполняет различные роли: твердая фаза обеспечивает твердость и износостойкость, связующая фаза обеспечивает прочность, а добавочные фазы оптимизируют определенные свойства (например, термостойкость, коррозионную стойкость). Пропорция и тип этих компонентов являются ключом к различению различных марок твердого сплава.
1.1 Компонент 1: Твердая фаза — «Основа» твердого сплава
Твердая фаза является основой твердого сплава, обычно составляя 90–95% состава. Она определяет базовую твердость, износостойкость и термостойкость материала. В промышленности широко используются 4 твердофазных материала, каждый из которых имеет свои особенности и области применения:
| Материал твердой фазы |
Химический символ |
Основная функция |
Типичные области применения |
Примечания |
| Карбид вольфрама |
WC |
Обеспечивает высокую твердость (8,5–9 по шкале Мооса), высокую износостойкость и экономичность |
Общие сценарии (режущие инструменты, футеровки для горнодобывающей промышленности, уплотнительные кольца) |
Умеренная термостойкость (≤800°C); нуждается в добавках для улучшения |
| Карбид титана |
TiC |
Повышает устойчивость к «наросту» (предотвращает прилипание металла к инструментам во время резки) и снижает трение |
Режущие инструменты для стали (токарные вставки, фрезы) |
Несколько меньшая твердость, чем у WC (8–8,5 по шкале Мооса); плохая прочность сама по себе, должна быть смешана с WC |
| Карбид тантала |
TaC |
Значительно повышает термостойкость (выдерживает >1200°C) и улучшает структуру зерен |
Высокоскоростная резка твердых металлов (нержавеющая сталь, легированная сталь) |
Высокая стоимость; редко используется отдельно, обычно добавляется в количестве 5–10% с WC |
| Карбид ниобия |
NbC |
Аналогично TaC, улучшает термостойкость и устойчивость к термическому удару при меньшей стоимости |
Режущие инструменты среднего и высокого класса и износостойкие детали для высоких температур (в качестве альтернативы TaC) |
Несколько меньшая производительность, чем у TaC; подходит для чувствительных к стоимости высокотемпературных сценариев |
Ключевой вывод: WC является наиболее широко используемой твердой фазой (более 90% применений) благодаря сбалансированной твердости, износостойкости и стоимости. TiC, TaC и NbC в основном являются «вспомогательными твердыми фазами», смешанными с WC для устранения конкретных пробелов в производительности.
1.2 Компонент 2: Связующая фаза — «Клей» твердого сплава
Связующая фаза прочно связывает частицы твердой фазы, предотвращая хрупкое разрушение твердой фазы. Обычно она составляет 5–10% состава. Хотя она напрямую не обеспечивает твердость, она определяет прочность и ударопрочность твердого сплава. Существует 3 широко используемых связующих материала:
| Связующий материал |
Химический символ/Состав |
Основная функция |
Подходящие сценарии |
Ограничения производительности |
| Кобальт |
Co |
Хорошая прочность (ударопрочность), прочная связь с WC и отличная формуемость |
Общие сценарии (режущие инструменты, износостойкие детали для горнодобывающей промышленности, прецизионные формы) |
Умеренная коррозионная стойкость (подвержен ржавчине во влажной/химической среде) |
| Никель |
Ni |
Высокая коррозионная стойкость (устойчив к ржавчине в морской воде, кислотах и щелочах); немагнитный |
Коррозионные среды (морская техника, химические клапаны, медицинские инструменты) |
Несколько меньшая прочность, чем у Co; подвержен окислению во время спекания (требуется вакуумная обработка) |
| Сплав никеля и хрома |
Ni-Cr |
Лучшая коррозионная стойкость, чем у чистого Ni; повышает устойчивость к окислению при высоких температурах (≤1000°C) |
Сильно коррозионные + среднетемпературные сценарии (компоненты химических реакторов) |
Высокая стоимость; меньшая прочность, чем у Co; не подходит для сценариев с высокими ударными нагрузками |
Ключевой вывод: Co является основным связующим (более 80% применений) для большинства некоррозионных сценариев. Ni и Ni-Cr используются только тогда, когда требуется коррозионная стойкость, принимая компромисс в виде более высокой стоимости и меньшей прочности.
1.3 Компонент 3: Добавочная фаза — «Оптимизатор производительности» твердого сплава
Добавочные фазы обычно составляют менее 5% состава. Их роль заключается в «решении основных проблем небольшими дозами», нацеленных на улучшение конкретных характеристик, не изменяя основные свойства твердого сплава. В промышленности существует 3 распространенные добавочные фазы:
| Добавочный материал |
Химический символ |
Основная функция оптимизации |
Примеры применения |
Диапазон добавления |
| Карбид ванадия |
VC |
Улучшает зернистость твердой фазы, улучшает однородность твердости и ударопрочность |
Тонкостенные прецизионные детали (например, микроформы, медицинские инструменты) |
0,5%–2% |
| Молибден |
Mo |
Снижает температуру спекания (энергосбережение) и улучшает плотность материала (снижает пористость) |
Детали сложной формы (например, неправильные уплотнительные кольца, многолезвийные инструменты) |
1%–3% |
| Хром |
Cr |
Повышает коррозионную стойкость (особенно со связующими Ni) и предотвращает окисление |
Влажные/слабокоррозионные сценарии (например, крыльчатки водяных насосов, детали пищевого оборудования) |
0,3%–1% |
Ключевой вывод: Добавки «добавляются по требованию». Например, VC добавляется к тонкостенным деталям для улучшения зернистости, а Mo добавляется к сложным деталям для улучшения спекаемости. Чрезмерное добавление не требуется (избыток увеличивает стоимость или вызывает дисбаланс производительности).
2. Распространенные комбинации материалов в твердом сплаве: классификация по сценарию
Различные сценарии требуют различных свойств, что приводит к стандартизированным комбинациям материалов для твердого сплава. Ниже приведены 4 наиболее распространенные комбинации, охватывающие более 90% промышленных применений:
| Тип комбинации |
Состав твердой фазы |
Связующая фаза |
Добавочная фаза |
Основные характеристики производительности |
Типичные области применения |
| WC-Co (общего назначения) |
90%–95% WC |
5%–10% Co |
Нет (или 0,5% VC) |
Балансирует твердость и прочность; экономичный; прост в обработке |
Обычные режущие инструменты (сверла, токарные инструменты), футеровки для горнодобывающей промышленности, уплотнительные кольца |
| WC-TiC-Co (резка стали) |
80%–85% WC + 5%–10% TiC |
5%–8% Co |
Нет |
Устойчив к наросту; подходит для углеродистой и легированной стали |
Токарные вставки, фрезы, инструменты для обработки резьбы |
| WC-TaC-Co (высокоскоростной твердый металл) |
85%–90% WC + 5%–8% TaC |
6%–10% Co |
1% Mo |
Термостойкий и устойчивый к термическому удару; подходит для высокоскоростной резки |
Режущие инструменты для нержавеющей стали, инструменты для обработки сплавов для аэрокосмической промышленности |
| WC-Ni (коррозионностойкий) |
92%–95% WC |
5%–8% Ni |
0,5% Cr |
Устойчив к морской воде, кислотам и щелочам; немагнитный |
Уплотнительные кольца для морских насосов, сердечники химических клапанов, медицинские скальпели |
Логика выбора: Уточните основные потребности перед выбором комбинации — используйте WC-Co для общих сценариев, WC-TiC-Co для обработки стали, WC-TaC-Co для высокоскоростной резки твердых металлов и WC-Ni для коррозионных сред. Не требуется сложная оценка; просто сопоставьте сценарий.
3. Три ключевых фактора при выборе материалов из твердого сплава
Многие люди попадают в «ловушку сравнения параметров» (например, зацикливаются на 1% различиях в содержании WC). Вместо этого сосредоточьтесь на 3 основных факторах сценария, чтобы избежать усложнений:
3.1 Основное требование: «Износостойкость», «Ударопрочность» или «Коррозионная стойкость»?
- Отдавайте приоритет износостойкости: выбирайте комбинации с высоким содержанием WC (≥94%) и низкой связующей фазой (5%–6% Co) (например, WC-Co).
- Отдавайте приоритет ударопрочности: выбирайте комбинации с низким содержанием WC (90%–92%) и высокой связующей фазой (8%–10% Co) (например, WC-Co с VC).
- Отдавайте приоритет коррозионной стойкости: непосредственно выбирайте комбинации WC-Ni или WC-Ni-Cr; избегайте материалов на основе Co.
3.2 Рабочая температура: превышает ли она 800°C?
- Комнатная температура до 800°C: достаточно обычных комбинаций WC-Co; TaC/NbC не требуется.
- От 800°C до 1200°C: необходимо добавить TaC (5%–8%) или NbC; выбирайте комбинации WC-TaC-Co.
- Выше 1200°C: твердый сплав не подходит; используйте керамику или сверхвысокотемпературные сплавы.
3.3 Стоимость обработки: требуется ли сложная формовка?
- Простые формы (например, круглые футеровки, обычные инструменты): выбирайте комбинации WC-Co для низкой сложности обработки и контролируемой стоимости.
- Сложные формы (например, тонкостенные детали с микроотверстиями, неправильные формы): выбирайте комбинации с 1%–2% Mo для снижения температуры спекания и минимизации дефектов формования.
4. Уточнение распространенных мифов: три заблуждения о материалах из твердого сплава
Миф 1: «Более высокое содержание WC означает лучшую производительность твердого сплава»
Факт: Хотя высокое содержание WC улучшает твердость, оно снижает прочность. Например, твердый сплав с 96% WC и 4% Co чрезвычайно твердый, но хрупкий, как керамика — ломается при падении — что делает его бесполезным для сценариев, подверженных ударам. Правильный подход — «балансировать по требованию», а не стремиться к высокому содержанию WC.
Миф 2: «Кобальта достаточно для связующих; никель слишком дорог и не нужен»
Факт: В коррозионных средах (например, морская вода, химикаты) твердый сплав на основе Co ржавеет и выходит из строя через 3–6 месяцев, в то время как твердый сплав на основе Ni служит 2–3 года. Хотя варианты на основе Ni на 30% дороже, они более экономичны в долгосрочной перспективе. Использовать ли Ni, зависит от потребностей в коррозии, а не только от стоимости.
Миф 3: «Больше добавок означает более полную производительность»
Факт: Добавки — это «однофункциональные оптимизаторы»; чрезмерное добавление вызывает помехи. Например, добавление как VC (для повышения прочности), так и TaC (для повышения термостойкости) образует хрупкие соединения во время спекания, что делает карбид склонным к растрескиванию. Используйте не более 1–2 добавок, с общим содержанием ≤5%.
5. Заключение: Выбор материалов из твердого сплава — «Соответствие потребностям, а не слепое стремление к параметрам»
Система материалов твердого сплава может показаться сложной, но она подчиняется четким правилам: используйте WC в качестве основной твердой фазы, выбирайте Co/Ni в качестве связующего в зависимости от потребностей, оптимизируйте с небольшим количеством добавок и сопоставляйте фиксированные комбинации со сценариями (например, WC-Co для общего использования, WC-Ni для коррозионной стойкости).
Профессионалам не нужно запоминать все символы материалов. Просто уточните 3 вопроса: Требует ли ваш сценарий «износостойкости/ударопрочности/коррозионной стойкости»? Превышает ли рабочая температура 800°C? Является ли форма детали сложной? Ответы на эти вопросы помогут быстро выбрать правильную комбинацию материалов.
Если ваш сценарий уникален (например, требует как износостойкости, так и термостойкости 1000°C) и вы не уверены в сочетании материалов, не стесняйтесь обращаться. Мы можем предоставить индивидуальные комбинации материалов в зависимости от ваших конкретных условий работы.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!
Russian
