новости компании о Почему цементированные карбиды (карбиды тунглена + кобальт) термостойкие?

Твердые сплавы, состоящие из карбида вольфрама (WC) в качестве твердой фазы и кобальта (Co) в качестве связующей фазы, являются редкими промышленными материалами, которые «сохраняют твердость даже при высоких температурах». Их максимальная непрерывная рабочая температура может достигать 800°C, и они могут выдерживать кратковременные температуры, превышающие 1000°C, что значительно превосходит обычную сталь (например, сталь 45# размягчается выше 500°C) и быстрорежущую сталь (W18Cr4V теряет значительную твердость около 600°C). Эта термостойкость обусловлена не одним фактором, а синергетическим эффектом присущей карбиду вольфрама высокотемпературной стабильности, совместимых связующих свойств кобальта и микроструктурных характеристик, образованных этими двумя компонентами. Для промышленного производства это свойство решает критические проблемы в высокотемпературных сценариях: от трения, генерирующего тепло (600–800°C) при резке металла до рабочих температур (400–500°C) литьевых форм из алюминиевого сплава и износа горнодобывающего оборудования в подземных высокотемпературных условиях. В этой статье рассматриваются основные причины термостойкости твердых сплавов WC-Co с трех позиций — свойств компонентов, микроструктуры и практического применения — делая принципы понятными.

Термостойкость твердых сплавов в первую очередь обусловлена присущими им свойствами основного компонента: карбида вольфрама. Являясь «твердой фазой», WC действует как «стальное армирование в здании», обеспечивая стабильную поддержку материала при высоких температурах. Это отражается в трех ключевых аспектах:

Карбид вольфрама имеет чрезвычайно высокую температуру плавления 2870°C, что намного выше типичных высоких температур, встречающихся в промышленных условиях (большинство высокотемпературных рабочих условий составляют <1000°C). Для сравнения:

• Обычная углеродистая сталь имеет температуру плавления примерно 1538°C и размягчается выше 500°C из-за повышенной подвижности атомов.
• Быстрорежущая сталь (W18Cr4V) имеет температуру плавления около 1400°C; ее твердость падает с HRC 62 до уровня ниже HRC 50 при 600°C, что делает ее непригодной для резки.
• Даже при 1000°C карбид вольфрама лишь слегка размягчается — его температура плавления никогда не достигается, поэтому он не плавится и не подвергается структурному разрушению.

Карбид вольфрама имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую структуру, где атомы плотно расположены с сильными связующими силами. Эта структура предотвращает диффузию атомов или структурный беспорядок при высоких температурах:

• При комнатной температуре эта структура придает WC высокую твердость (HRA 90–93).
• При высоких температурах (например, 800°C) атомы слегка вибрируют, но сохраняют упорядоченное расположение — в отличие от обычных металлов, которые деформируются, когда атомы «ослабляются» и зазоры расширяются.
• Напротив, быстрорежущая сталь имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру, где атомные зазоры легко расширяются при высоких температурах, вызывая быструю потерю прочности.

В высокотемпературных промышленных условиях материалы должны противостоять не только «температуре», но и «коррозии окружающей среды» (например, окислению на воздухе, реакции с охлаждающими жидкостями). Карбид вольфрама проявляет стабильные химические свойства при высоких температурах:

• Ниже 800°C на его поверхности при контакте с воздухом образуется только тонкая оксидная пленка (WO₃). Эта пленка плотная и предотвращает дальнейшее окисление внутреннего материала.
• Он не вступает в реакцию (например, не растворяется и не разрушается) с распространенными промышленными средами, такими как жидкости для резки металла или расплавы алюминиевых сплавов.
• В отличие от керамических материалов (например, оксида алюминия), которые также имеют высокие температуры плавления, керамика имеет тенденцию вступать в реакцию с расплавленными металлами при высоких температурах, вызывая отслаивание поверхности — проблему, которой WC избегает.

Возникает распространенный вопрос: кобальт имеет температуру плавления всего 1495°C — намного ниже, чем у WC, — так почему же он не подрывает термостойкость? На самом деле кобальт (обычно 6–15% по весу) действует как «связующая фаза» и не существует изолированно. Вместо этого он равномерно распределен между зернами WC, образуя микроструктуру, где «зерна WC заключены в фазу Co». Его высокотемпературная роль сосредоточена на двух ключевых функциях:

При комнатной температуре кобальт — это пластичный металл, который «связывает» твердые, но хрупкие зерна WC вместе, чтобы предотвратить растрескивание. При высоких температурах (например, 600–800°C) кобальт слегка размягчается (становится «полутвердым»), но не полностью плавится и не вытекает:

• Это небольшое размягчение фактически «буферизует» термическое напряжение между зернами WC (разные материалы расширяются с разной скоростью при высоких температурах, создавая напряжение), предотвращая растрескивание материала из-за накопления напряжения.
• Между тем, сила связи (металлургическая связь) между кобальтом и зернами WC остается сильной при высоких температурах — в отличие от связующих веществ, изготовленных из других низкоплавких металлов (например, меди, температура плавления 1085°C), которые расплавились бы и потеряли свою связующую способность при 800°C.

При высоких температурах зерна материала имеют тенденцию «расти» (маленькие зерна сливаются в более крупные), что приводит к потере твердости. Кобальт действует как «ингибитор», предотвращая чрезмерный рост зерен WC при высоких температурах:

• Атомы кобальта адсорбируются на поверхности зерен WC (на границах зерен), образуя «барьерный слой», который замедляет диффузию атомов WC и препятствует слиянию зерен.
• Без кобальта зерна WC вырастут с 3 мкм до более 8 мкм через 10 часов при 800°C, снижая твердость на 20%. С кобальтом рост зерен ограничен менее чем 10%, а твердость остается почти стабильной.

Помимо индивидуальных свойств его компонентов, «плотная микроструктура», образованная WC и кобальтом, дополнительно повышает термостойкость. Высококачественные твердые сплавы WC-Co подвергаются высокотемпературному спеканию (1400–1500°C) для формирования структуры, в которой «зерна WC равномерно распределены, Co заполняет зазоры, и нет значительных пор» (плотность обычно ≥14,5 г/см³). Преимущества этой структуры:

Если материал содержит поры, высокотемпературный воздух или агрессивные среды могут проникать внутрь через эти поры, ускоряя окисление (например, керамика с высокой пористостью окисляется в 3 раза быстрее, чем WC-Co). Плотная структура WC-Co:

• Практически не содержит видимых пор, поэтому внешний кислород может контактировать только с поверхностью материала и не может проникать внутрь.
• Оксидная пленка WO₃, образовавшаяся на поверхности (ниже 800°C), плотно прилегает к плотной структуре, обеспечивая «двойную защиту» от дальнейшего окисления.

В высокотемпературных сценариях материалы часто несут нагрузки (например, силы резания, давление пресс-формы). Равномерное распределение зерен WC в WC-Co гарантирует, что нагрузки равномерно передаются через фазу Co к каждому зерну WC, избегая локальной концентрации напряжений:

• Например, в литьевых формах из алюминиевого сплава форма должна выдерживать давление 20 МПа при 400°C. Равномерная структура WC-Co рассеивает это давление, предотвращая деформацию из-за локального размягчения при высоких температурах.
• Напротив, быстрорежущая сталь проявляет неравномерную твердость при высоких температурах, что приводит к вдавливанию в более мягких областях и выходу формы из строя.

Чтобы подчеркнуть его преимущества, ниже приводится сравнение WC-Co с другими распространенными «износостойкими, термостойкими материалами», используемыми в промышленности:

Как показано, хотя термостойкость WC-Co немного ниже, чем у керамики из оксида алюминия, она уравновешивает «термостойкость + ударопрочность» (керамика склонна к растрескиванию при высоких температурах). По сравнению с быстрорежущей сталью и углеродистой сталью его преимущества в термостойкости и сохранении твердости значительны, что делает его одним из лучших вариантов для сценариев «высокотемпературного износа + несущей нагрузки».

Термостойкость WC-Co варьируется в зависимости от его состава, в первую очередь под влиянием содержания кобальта и размера зерен карбида вольфрама. Учитывайте эти факторы при выборе марки:

При достаточной прочности для предотвращения растрескивания меньшее содержание кобальта означает более высокую долю WC — и лучшую термостойкость:

• Низкое содержание кобальта (6–8%, например, YG6): Высокое содержание WC, сохранение ≥92% твердости при высоких температурах. Подходит для низкоударных, высокотемпературных сценариев (например, прецизионные шлифовальные инструменты).
• Среднее содержание кобальта (8–12%, например, YG8): Балансирует термостойкость и прочность. Подходит для среднеударных, среднетемпературных сценариев (например, режущие инструменты общего назначения).
• Высокое содержание кобальта (12–15%, например, YG15): Отличная прочность и ударопрочность, но сохраняет ≤85% твердости при высоких температурах. Подходит для высокоударных, низкотемпературных сценариев (например, буровые долота для добычи полезных ископаемых).

Мелкозернистый WC (1–3 мкм) имеет больше границ зерен, где атомы кобальта действуют как более сильные «ингибиторы», предотвращающие рост зерен при высоких температурах:

• Мелкозернистый WC-Co (например, YG6X): Через 10 часов при 800°C рост зерен составляет <5%, а твердость остается почти неизменной.
• Крупнозернистый WC-Co (например, YG15): В тех же условиях рост зерен превышает 15%, а твердость падает примерно на 10%.
• Для высокотемпературных прецизионных сценариев (например, высокотемпературные приспособления для полупроводников) отдавайте предпочтение мелкозернистым маркам.

Многие предполагают, что WC-Co не обладает термостойкостью, потому что кобальт имеет низкую температуру плавления (1495°C) — это типичное недоразумение, игнорирующее микроструктуру материала:

• В WC-Co кобальт существует не «изолированно», а в виде «тонкой пленки», окружающей зерна WC. Защищенный WC, он не размягчается и не вытекает, как чистый кобальт (который становится полужидким при 800°C).
• Практические испытания показывают: при 800°C фаза Co в WC-Co лишь слегка размягчается (твердость ~HRC 20), но все еще связывает зерна WC. Напротив, чистый кобальт уже полужидкий при 800°C и не имеет прочности.

Термостойкость твердых сплавов WC-Co обусловлена не одним компонентом, а синергией «высокоплавкого стабильного каркаса WC, высокотемпературного связывания и буферизации кобальта, а также плотной, однородной микроструктуры». Это свойство позволяет ему сохранять твердость при 600–800°C, выдерживая умеренные удары и нагрузки, что делает его идеальным для таких промышленных сценариев, как резка металла, высокотемпературные формы и высокотемпературные горнодобывающие среды.

Для профессионалов в индустрии карбида вольфрама при рекомендации продукции WC-Co согласуйте марку с «максимальной рабочей температурой + ударной нагрузкой» клиента: Выбирайте мелкозернистые марки с низким содержанием кобальта (например, YG6X) для высокотемпературных сценариев с низкой ударной нагрузкой; марки со средним содержанием кобальта и средним размером зерен (например, YG8) для среднетемпературных сценариев со средней ударной нагрузкой; и марки с высоким содержанием кобальта и крупными зернами (например, YG15) для низкотемпературных сценариев с высокой ударной нагрузкой.