notizie sull'azienda Perché i carburi cementati (carburo di tungsteno + cobalto) sono resistenti al calore?

I carburi cementati composti da carburo di tungsteno (WC) come fase dura e da cobalto (Co) come fase legante sono materiali industriali rari che conservano la durezza anche ad alte temperature." La loro temperatura massima di funzionamento continua può raggiungere i 800 ° C, e possono resistere a temperature di breve durata superiori a 1.000°C, superando di gran lunga le normali acciai (ad esempio,L'acciaio 45° si ammorbidisce oltre i 500°C) e l'acciaio ad alta velocità (W18Cr4V perde una durezza significativa intorno ai 600°C)Questa resistenza al calore non è dovuta a un singolo fattore, ma allaL'effetto sinergico della stabilità ad alta temperatura intrinseca del carburo di tungsteno, delle proprietà di legame compatibili del cobalto e delle caratteristiche microstrutturali formate dai due elementiPer la produzione industriale, questa caratteristica risolve i punti critici in scenari ad alta temperatura:dalla generazione di calore da attrito (600-800°C) durante il taglio del metallo alle temperature di funzionamento (400-500°C) degli stampi per la fusione a pressione di leghe di alluminio, e usura delle attrezzature minerarie in ambienti sotterranei ad alta temperatura.Questo articolo analizza le principali ragioni della resistenza al calore dei carburi cementati WC-Co in base alle proprietà dei componenti in tre dimensioni, la microstruttura e le applicazioni pratiche, rendendo i principi facili da comprendere.

La resistenza al calore dei carburi cementati deriva in primo luogo dalle proprietà intrinseche del loro componente principale: il carburo di tungsteno." fornendo un supporto stabile al materiale ad alte temperatureCiò si riflette in tre aspetti chiave:

Il carburo di tungsteno ha un punto di fusione estremamente elevato di 2.870°C, molto superiore alle temperature elevate tipiche riscontrate in ambienti industriali (la maggior parte delle condizioni di lavoro ad alta temperatura sono <1,0 °C).000°C)Per confronto:

• L'acciaio al carbonio ordinario ha un punto di fusione di circa 1.538°C e si ammorbidisce al di sopra di 500°C a causa dell'aumento della mobilità atomica.
• L'acciaio ad alta velocità (W18Cr4V) ha un punto di fusione di circa 1.400°C; la sua durezza scende da HRC 62 a HRC 50 a 600°C, rendendolo inutilizzabile per il taglio.
• Anche a 1.000°C, il carburo di tungsteno si ammorbidisce solo leggermente, il suo punto di fusione non viene mai raggiunto, quindi non si scioglie o subisce un crollo strutturale.

Il carburo di tungsteno ha unstruttura cristallina esagonale (HCP), dove gli atomi sono strettamente disposti con forti forze di legame.

• A temperatura ambiente, questa struttura conferisce a WC la sua elevata durezza (HRA 90?? 93).
• Alle alte temperature (ad esempio, 800 ° C), gli atomi vibrano leggermente ma mantengono un'arrangiamento ordinato, a differenza dei metalli ordinari, che si deformano man mano che gli atomi "si allentano" e gli spazi si allargano.
• Al contrario, l'acciaio ad alta velocità ha una struttura cubica (BCC) al centro del corpo, in cui le lacune atomiche si espandono facilmente ad alte temperature, causando una rapida perdita di resistenza.

In ambienti industriali ad alta temperatura, i materiali devono resistere non solo alla "temperatura" ma anche alla "corrosione ambientale" (ad esempio, ossidazione nell'aria, reazione con fluidi di taglio).Il carburo di tungsteno presenta proprietà chimiche stabili ad alte temperature:

• Al di sotto di 800 °C, solo una sottile pellicola di ossido (WO3) si forma sulla sua superficie quando è esposta all'aria.
• Non reagisce (ad esempio, non si dissolve o non si erosiona) con mezzi industriali comuni come fluidi per il taglio di metalli o leghe di alluminio fuso.
• A differenza dei materiali ceramici (ad esempio, allumina), che hanno anche alti punti di fusione, le ceramiche tendono a reagire con metalli fusi ad alte temperature, causando spazzatura superficiale, un problema che WC evita.

Una domanda comune sorge: il cobalto ha un punto di fusione di solo 1.495°C, molto inferiore a quello del WC, quindi perché non indebolisce la resistenza al calore?il cobalto (in genere 6·15% in peso) agisce come "fase legante" e non esiste in isolamentoInvece, è uniformemente disperso tra i grani WC, formando una microstruttura in cui i grani WC sono incapsulati dalla fase Co". Il suo ruolo ad alta temperatura si concentra su due funzioni chiave:

A temperatura ambiente, il cobalto è un metallo duttile che “lega" insieme i grani duri ma fragili del WC per evitare la crepa.il cobalto si ammorbidisce leggermente (diventando “semi-solido”), ma non si scioglie completamente o scorre via:

• Questo leggero ammorbidimento effettivamente "ammortizza" lo stress termico tra i grani del WC (diversi materiali si espandono a velocità diverse ad alte temperature, creando stress),prevenire la crepa del materiale a causa dell'accumulo di sollecitazioni.
• Nel frattempo, la forza di legame (legame metallurgico) tra i grani di cobalto e di WC rimane forte ad alte temperature, a differenza dei leganti realizzati con altri metalli a bassa fusibilità (ad esempio rame, punto di fusione 1,085°C), che si scioglierebbero e perderebbero la loro capacità di legame a 800 °C.

Alle alte temperature, i grani del materiale tendono a "crescere" (i piccoli grani si fondono in quelli più grandi), portando alla perdita di durezza.Il cobalto agisce come un "inibitore" per prevenire la crescita eccessiva del grano WC ad alte temperature:

• Gli atomi di cobalto si adsorbono sulla superficie dei grani WC (ai confini dei grani), formando un "livello di barriera" che rallenta la diffusione degli atomi WC e inibisce la fusione dei grani.
• Senza il cobalto, i grani di WC crescerebbero da 3 μm a oltre 8 μm dopo 10 ore a 800 ° C, riducendo la durezza del 20%. Con il cobalto, la crescita dei grani è limitata a meno del 10% e la durezza rimane quasi stabile.

Oltre alle singole proprietà dei suoi componenti, la "microstruttura densa" formata da WC e cobalto migliora ulteriormente la resistenza al calore.I carburi cementati WC-Co di alta qualità sono sottoposti a sinterizzazione ad alta temperatura (1La densità è generalmente ≥ 14,5 g/cm3 e i vantaggi di questa struttura sono:

Se un materiale contiene pori, aria ad alta temperatura o mezzi corrosivi possono penetrare all'interno attraverso questi pori, accelerando l'ossidazione (ad esempio,le ceramiche ad alta porosità si ossidano 3 volte più velocemente del WC-Co)La struttura densa di WC-Co:

• Contiene quasi nessun poro visibile, quindi l'ossigeno esterno può solo entrare in contatto con la superficie del materiale e non può penetrare verso l'interno.
• La pellicola di ossido WO3 formata sulla superficie (sotto 800 °C) aderisce strettamente alla struttura densa, fornendo una "doppia protezione" contro ulteriore ossidazione.

In scenari ad alta temperatura, i materiali spesso sopportano carichi (ad esempio, forze di taglio, pressione dello stampo).La distribuzione uniforme dei grani WC in WC-Co garantisce che i carichi siano uniformemente trasferiti attraverso la fase Co a ciascun grano WC, evitando la concentrazione di stress localizzata:

• Per esempio, nei stampi per la fusione a stampa in lega di alluminio, lo stampo deve resistere a una pressione di 20 MPa a 400°C. La struttura uniforme del WC-Co disperde questa pressione,Prevenzione della deformazione dovuta ad ammorbidimento localizzato ad alte temperature.
• Al contrario, l'acciaio ad alta velocità presenta una durezza irregolare ad alte temperature, portando a rotture nelle zone più morbide e a guasti della muffa.

Per evidenziare i suoi vantaggi, di seguito è riportato un confronto del WC-Co con altri comuni "materiali resistenti all'usura e al calore" utilizzati nell'industria:

Come mostrato, mentre la resistenza al calore del WC-Co è leggermente inferiore a quella della ceramica di allumina, essa bilancia "resistenza al calore + resistenza agli urti" (le ceramiche sono inclini a crepare ad alte temperature).Rispetto all'acciaio ad alta velocità e all'acciaio al carbonio, i suoi vantaggi in termini di resistenza al calore e di ritenzione della durezza sono significativi, il che lo rende una delle migliori scelte per scenari di "usura ad alta temperatura + carico".

La resistenza al calore del WC-Co varia a seconda della formulazione, influenzata principalmente da:contenuto di cobalto- eDimensione del grano del carburo di tungsteno- Considerare questi fattori quando si sceglie un grado:

Con una resistenza sufficiente per evitare la crepa, un contenuto inferiore di cobalto significa una maggiore percentuale di WC· e una migliore resistenza al calore:

• Basso contenuto di cobalto (6% ∼8%, ad esempio YG6): elevato contenuto di WC, mantenendo ≥92% di durezza ad alte temperature; adatto a scenari a basso impatto e ad alte temperature (ad esempio, utensili di rettifica di precisione).
• Cobalto medio (812%, ad esempio, YG8): bilancia la resistenza al calore e la robustezza. Adatto per scenari a medio impatto e temperatura media (ad esempio, strumenti di taglio per uso generale).
• Alto contenuto di cobalto (1215%, ad esempio, YG15): eccellente robustezza e resistenza agli urti, ma mantiene la durezza ≤85% ad alte temperature.perforazioni per miniere).

Il WC a grano sottile (1μ3μm) ha più confini del grano, dove gli atomi di cobalto agiscono come "inibitori" più forti per impedire la crescita del grano ad alte temperature:

• WC-Co a grano fine (ad esempio, YG6X): dopo 10 ore a 800 °C, la crescita del grano è < 5% e la durezza rimane quasi invariata.
• WC-Co a grassi (ad esempio, YG15): nelle stesse condizioni, la crescita del grano supera il 15% e la durezza scende di circa il 10%.
• Per gli scenari di precisione ad alta temperatura (ad esempio, apparecchiature a alta temperatura a semiconduttore), dare la priorità ai gradi di grana fine.

Molti presumono che il WC-Co non abbia resistenza al calore perché il cobalto ha un basso punto di fusione (1.495°C). Questo è un tipico malinteso che ignora la microstruttura del materiale:

• Nel WC-Co, il cobalto non esiste "in isolamento" ma come "pellicola sottile" che circonda i grani del WC. Protetto dal WC, non si ammorbidisce o scorre via come il cobalto puro (che diventa semi-liquido a 800 °C).
• I test pratici dimostrano che a 800°C la fase di Co in WC-Co si ammorbidisce solo leggermente (durezza ~HRC 20) ma lega ancora i grani di WC.

La resistenza al calore dei carburi cementati WC-Co non è dovuta a un singolo componente, ma alla sinergia dello scheletro stabile ad alta fusione di ¥WC, del legame e della tamponatura ad alta temperatura del cobalto e di un denso,microstruttura uniforme." Questa caratteristica gli consente di mantenere la durezza a 600°C e di resistere a impatti e carichi moderati, rendendolo ideale per scenari industriali come il taglio dei metalli, gli stampi ad alta temperatura,e ambienti minerari ad alta temperatura.

Per i professionisti dell'industria del carburo di tungsteno, quando si raccomandano prodotti WC-Co, allineare il grado con il cliente's ′′temperatura massima di funzionamento + carico d'impatto":Scegliere i grassi fini a basso contenuto di cobalto (e.es., YG6X) per scenari ad alta temperatura e a basso impatto; gradi medi di cobalto a grano medio (ad esempio, YG8) per scenari a temperatura media e a impatto medio; e gradi di cobalto grosso ad alto contenuto (ad esempio,YG15) per le condizioni di bassa temperatura, scenari ad alto impatto.