новости компании о Что больше подходит для работы при высоких температурах: твердый сплав или керамика?

В промышленных высокотемпературных сценариях (таких как выплавка металлов, компоненты авиационных двигателей и высокотемпературные пресс-формы) основой выбора материала является «высокотемпературная стойкость + адаптация к требованиям рабочих условий». Цементированный карбид и керамика — два наиболее часто используемых жаростойких материала, но их преимущества существенно различаются. Цементированный карбид (карбид вольфрама + кобальт) превосходно работает в высокотемпературных средах с нагрузками и вибрациями благодаря своим сбалансированным свойствам «высокотемпературная стойкость + ударопрочность». Керамика, с другой стороны, выделяется своим «более высоким пределом термостойкости + сильной стойкостью к окислению», что делает ее подходящей для статических высокотемпературных сценариев без ударов.Между ними не существует абсолютного «что лучше»; Ключ зависит от таких факторов, как диапазон температур в конкретных условиях работы, наличие воздействия/нагрузки и тип агрессивной среды.. В этой статье будут проанализированы применимые границы двух из трех измерений — основных характеристик при высоких температурах, сравнения ключевых показателей и рекомендаций по типичным сценариям — чтобы помочь вам точно выбрать правильный высокотемпературный материал.

1. Во-первых, уточните: высокотемпературные свойства твердого сплава и керамики.

Чтобы определить, какой из них больше подходит для условий работы при высоких температурах, нам сначала необходимо понять их «собственные характеристики» при высоких температурах. Их принципы жаростойкости и недостатки существенно различаются, непосредственно определяя сценарии их применения.

1.1 Высокотемпературные свойства цементированного карбида (карбид вольфрама + кобальт): баланс между термостойкостью и вязкостью

Устойчивость цементированного карбида к высоким температурам обусловлена ​​присущей карбиду вольфрама (WC) стабильностью, а также связывающим и буферным эффектом кобальта (Co). Его основным преимуществом при высоких температурах является «нехрупкость и несущая способность»:

• Диапазон температурного сопротивления: Температура непрерывной эксплуатации составляет 600–800°C, кратковременно выдерживает температуру 1000°C (выше 800°C кобальт слегка размягчается, но не вытекает полностью, сохраняя способность склеивать зерна карбида вольфрама).
• Высокотемпературная твердость: При 800°C степень сохранения твердости составляет ≥90% (HRA 80–85), что намного выше, чем у обычной стали (степень сохранения твердости ниже 50% при 500°C), что позволяет ей сохранять такие функции, как резка и выдержка давления.
• Ударопрочность: Прочность кобальта по-прежнему сохраняется при высоких температурах, способных смягчать вибрации и удары (например, буровые коронки в высокотемпературных горнодобывающих средах не трескаются, как керамика, при столкновении с твердой породой).
• Недостатки: При длительном использовании при температуре выше 800°C поверхность будет медленно окисляться (образуя WO₃), а размягчение кобальта приведет к небольшому снижению общей прочности, что сделает его непригодным для длительных условий работы при температуре выше 1000°C.

1.2. Высокотемпературные свойства керамики: высокая термостойкость, но высокая хрупкость.

Обычной жаростойкой керамикой в ​​промышленности являются в основном керамика из глинозема и керамика из нитрида кремния. Их устойчивость к высоким температурам обусловлена ​​«высокой температурой плавления + стабильной кристаллической структурой», а основным преимуществом является «стойкость к высоким температурам и отсутствие окисления», но их недостатки также очевидны:

• Диапазон температурного сопротивления: Температура непрерывной эксплуатации 1000–1400°С (температура плавления глиноземной керамики 2054°С, нитридкремниевой керамики 1900°С), что значительно выше, чем у твердосплавного сплава.
• Высокотемпературная твердость: При 1000°C степень сохранения твердости составляет ≥95% (HRA 85–90), окисление практически отсутствует (керамика сама по себе является оксидами/нитридами и не вступает в реакцию с воздухом при высоких температурах).
• Ударопрочность: Хрупок при комнатной температуре, хрупкость становится более очевидной при высоких температурах (особенно выше 1000°C). Незначительные удары (например, вибрация оборудования и столкновение материалов) могут вызвать растрескивание или фрагментацию.
• Недостатки: Он не выдерживает ударных и знакопеременных нагрузок, сложен в обработке (в отличие от твердого сплава, который можно фрезеровать и сверлить; керамику можно сформировать только путем спекания), что затрудняет контроль точности.

2. Сравнение ключевых показателей: цементированный карбид и керамика: краткий обзор характеристик при высоких температурах

Чтобы более интуитивно увидеть различия, мы сравниваем два из «6 ключевых показателей, наиболее важных в условиях высокотемпературной работы» (данные основаны на широко используемом в промышленности цементированном карбиде YG8 и 95% глиноземной керамике):

3. Рекомендации на основе сценариев: выбирайте правильно, чтобы избежать ошибок в условиях высокотемпературной работы

Понимая различия в производительности, следующим шагом будет «сопоставление сценариев с материалами» — выбор более подходящего материала на основе «температуры + воздействия + функциональных требований» конкретных условий работы:

3.1 Сценарий 1: Высокая температура без ударов, подшипник/изоляция статического давления — выберите керамику

Подходит для статических сценариев с «высокой температурой, отсутствием вибрации и столкновений», например:

• Футеровки высокотемпературных печей (1000–1200°C, должны выдерживать только высокую температуру и небольшую эрозию материала, без ударов);
• Высокотемпературные изоляционные детали для полупроводников (1100°C, требуется устойчивость к высоким температурам и изоляция, отсутствие воздействия нагрузки);
• Высокотемпературные защитные трубки термопар (1200°C, вставленные в расплавленный металл, подвержены только высокой температуре и коррозии, без вибрации);
• Причина: преимущества керамики, такие как предел устойчивости к высоким температурам и стойкость к окислению, могут быть полностью использованы, и нет необходимости беспокоиться о проблемах с ударами, что обеспечивает долгосрочную стабильную работу.

3.2 Сценарий 2: Высокая температура с ударами и нагрузками (резка/сверление/подшипник давления) — выберите цементированный карбид

Подходит для динамических сценариев с «температурой 600–800°C, вибрацией или нагрузкой», таких как:

• Высокотемпературные режущие инструменты по металлу (700–800°С, необходимо выдерживать ударную силу и трение при резке, керамические инструменты склонны к сколам);
• Сверла для горных работ с высокими температурами (600–700°C, при сверлении твердых пород необходима ударопрочность, керамические сверла трескаются после 1–2 ударов);
• Формы для высокотемпературного литья под давлением алюминиевых сплавов (400–500°С, необходимо выдерживать давление литья под давлением и воздействие потока металла, керамические формы склонны к растрескиванию);
• Причина: Сбалансированные свойства «высокотемпературная твердость + ударопрочность» цементированного карбида позволяют ему избежать разрушения из-за ударов при выдерживании нагрузок, в то время как хрупкость керамики является «фатальным недостатком» в таких сценариях.

3.3 Сценарий 3: Высокая температура + коррозионная среда — выберите материал в зависимости от типа среды

• Если среда представляет собой сильную кислоту/щелочь (например, высокотемпературную разбавленную серную кислоту, раствор гидроксида натрия): выбирайте керамику (керамика обладает сильной химической инертностью и не реагирует с кислотой/щелочью, тогда как кобальт в твердом сплаве легко размывается кислотой);
• Если среда представляет собой расплавленный металл (например, алюминиевый сплав, сплав цинка): выберите цементированный карбид (керамика склонна вступать в реакцию с расплавленным металлом, что приводит к растрескиванию поверхности, тогда как цементированный карбид хорошо совместим с большинством расплавленных металлов);
• Если среда представляет собой высокотемпературный воздух/дымовой газ: оба допустимы (керамика не окисляется, а твердый сплав медленно окисляется при температуре ниже 800°C, стойкость к окислению которого можно улучшить с помощью поверхностного покрытия, такого как TiN).

3.4 Сценарий 4: требования к высокой температуре и высокой точности обработки — выбор твердого сплава

Подходит для высокотемпературных условий работы, когда «детали имеют сложную конструкцию и требуют высокой точности», например:

• Высокотемпературные прецизионные передачи для авиационных двигателей (600–700°С, необходимо фрезеровать профили зубьев, а керамика не может обрабатывать высокоточные поверхности зубьев);
• Сердечники клапанов высокотемпературные (500–600°С, необходимо сверлить отверстия и шлифовать уплотнительные поверхности, керамика после спекания не поддается тонкой обработке);
• Причина: Цементированный карбид позволяет достичь высокой точности (допуск ≤0,005 мм) с помощью таких процессов, как фрезерование и шлифование, тогда как керамику можно получить только путем спекания в форме, что затрудняет контроль точности (допуск обычно составляет ≥0,05 мм), что не может соответствовать требованиям прецизионных компонентов.

4. Распространенные заблуждения: не вводите себя в заблуждение по поводу «высокой термостойкости» — правильный выбор является ключом к успеху.

При фактическом выборе материала многие люди впадают в заблуждение, что «керамика обладает высокой термостойкостью, поэтому керамику следует выбирать для всех условий работы при высоких температурах», что приводит к сбоям оборудования или напрасным затратам. Ниже приведены два распространенных заблуждения, которые необходимо исправить:

Заблуждение 1: «Если температура превышает 800°С, необходимо выбирать керамику»

Факт: При ударах или нагрузках в условиях работы при высоких температурах, даже если температура составляет 800–900°C, керамика не подходит. Например, однажды на заводе использовали керамические инструменты для резки нержавеющей стали при температуре 800°C, но инструменты треснули сразу после первого режущего удара. После перехода на инструменты из цементированного карбида (с антиокислительным покрытием TiN на поверхности), хотя постоянная рабочая температура может достигать только 800°C, они все равно могут стабильно работать за счет «охлаждения в течение 10 минут каждые 2 часа», а срок их службы более чем в 5 раз превышает срок службы керамических инструментов.

Заблуждение 2: «Цементированный карбид обладает низкой термостойкостью и менее долговечен, чем керамика»

Факт: При ударах при температуре 600–800°C долговечность твердосплавного сплава намного выше, чем у керамики. Например, средний срок службы твердосплавных долот в условиях высокотемпературных горных работ составляет 200–300 часов, а керамических — менее 10 часов (в основном из-за ударного дробления). Более того, затраты на обработку и техническое обслуживание цементированного карбида ниже, что приводит к более высокой общей экономической эффективности.

Вывод: выберите твердосплавный сплав или керамику — обратите внимание на «три ключевых фактора условий труда».

При выборе материалов для высокотемпературных условий работы не нужно беспокоиться о том, «что более продвинутое». Вам нужно только прояснить три основных фактора:

1. Температурный диапазон: Выбирайте керамику для температур выше 1000°C без воздействия; выбирайте твердый сплав для температур 600–800°C при ударе/нагрузке.
2. Удар/Нагрузка: При наличии вибрации, столкновений или силы резания необходимо использовать твердый сплав; если он статичен и не подвергается ударам, можно рассмотреть вариант керамики.
3. Обработка/Точность: Если требуется фрезерование, сверление или высокая точность (допуск ≤0,01 мм), выбирайте твердый сплав; если он прост по форме и не предъявляет требований к точности, можно выбрать керамику.

Как профессионал в области производства карбида вольфрама, рекомендуя цементированный карбид, вы должны сосредоточиться на его преимуществах «стойкость к высокотемпературному удару + простота обработки» и дать точные рекомендации для высокотемпературных сценариев с ударами (например, высокотемпературная резка и высокотемпературные сверла для горнодобывающей промышленности). Если условия работы клиента предполагают длительное использование при температуре выше 1000°C без каких-либо последствий, вы также можете объективно рекомендовать керамику, чтобы продемонстрировать профессиональную нейтральность.

Хотите, чтобы я составилСравнительная таблица выбора материалов для условий работы при высоких температурах? В этой таблице приведены рекомендуемые материалы, модели и меры предосторожности, соответствующие различным температурам, уровням воздействия и типам сред, что позволяет вам или вашим клиентам быстро подобрать рабочие условия и избежать ошибок при выборе.