کاربیدهای سیمانی شده که از کاربید تنگستن (WC) به عنوان فاز سخت و کبالت (Co) به عنوان فاز چسبان تشکیل شده اند، مواد صنعتی نادری هستند که «حتی در دماهای بالا سختی خود را حفظ می کنند». حداکثر دمای کاری پیوسته آنها می تواند به 800 درجه سانتیگراد برسد و می توانند دماهای کوتاه مدت بیش از 1000 درجه سانتیگراد را تحمل کنند - که بسیار بهتر از فولاد معمولی (به عنوان مثال، فولاد 45# در بالای 500 درجه سانتیگراد نرم می شود) و فولاد تندبر (W18Cr4V سختی قابل توجهی را در حدود 600 درجه سانتیگراد از دست می دهد) است. این مقاومت در برابر حرارت به دلیل یک عامل واحد نیست، بلکه به دلیل اثر هم افزایی پایداری تنگستن کاربید در دمای بالا، خواص اتصال سازگار کبالت و ویژگی های ریزساختاری است که توسط این دو تشکیل شده است. برای تولید صنعتی، این ویژگی نقاط دردناک حیاتی را در سناریوهای با دمای بالا حل می کند: از تولید حرارت اصطکاکی (600-800 درجه سانتیگراد) در حین برش فلز گرفته تا دمای کار (400-500 درجه سانتیگراد) قالب های ریخته گری آلومینیوم و سایش تجهیزات معدن در محیط های زیرزمینی با دمای بالا. این مقاله دلایل اصلی مقاومت در برابر حرارت کاربیدهای سیمانی شده WC-Co را از سه بعد - خواص اجزا، ریزساختار و کاربردهای عملی - تجزیه و تحلیل می کند و اصول را آسان می کند.
1. دلیل اصلی 1: کاربید تنگستن (WC) یک «اسکلت مقاوم در برابر حرارت طبیعی» است
مقاومت در برابر حرارت کاربیدهای سیمانی شده ابتدا از خواص ذاتی جزء اصلی آنها ناشی می شود: کاربید تنگستن. WC به عنوان «فاز سخت» مانند «آرماتور فولادی در یک ساختمان» عمل می کند و پشتیبانی پایداری را برای مواد در دماهای بالا فراهم می کند. این در سه جنبه کلیدی منعکس شده است:
1.1 نقطه ذوب فوق العاده بالا، پایه ای برای مقاومت در برابر حرارت ایجاد می کند
کاربید تنگستن دارای نقطه ذوب بسیار بالایی معادل 2870 درجه سانتیگراد است - که بسیار بالاتر از دماهای معمولی است که در تنظیمات صنعتی با آن مواجه می شویم (بیشتر شرایط کاری با دمای بالا <1000 درجه سانتیگراد). برای مقایسه:
- فولاد کربنی معمولی دارای نقطه ذوب تقریباً 1538 درجه سانتیگراد است و در بالای 500 درجه سانتیگراد به دلیل افزایش تحرک اتمی نرم می شود.
- فولاد تندبر (W18Cr4V) دارای نقطه ذوب حدود 1400 درجه سانتیگراد است. سختی آن از HRC 62 به زیر HRC 50 در 600 درجه سانتیگراد کاهش می یابد و آن را برای برش غیرقابل استفاده می کند.
- حتی در 1000 درجه سانتیگراد، کاربید تنگستن فقط کمی نرم می شود - هرگز به نقطه ذوب خود نمی رسد، بنابراین ذوب نمی شود یا دچار فروپاشی ساختاری نمی شود.
1.2 ساختار کریستالی پایدار در برابر تغییر شکل در دماهای بالا مقاومت می کند
کاربید تنگستن دارای یک ساختار کریستالی بسته بندی نزدیک شش ضلعی (HCP)، جایی که اتم ها با نیروهای پیوندی قوی محکم مرتب شده اند. این ساختار از انتشار اتمی یا بی نظمی ساختاری در دماهای بالا جلوگیری می کند:
- در دمای اتاق، این ساختار به WC سختی بالایی (HRA 90-93) می دهد.
- در دماهای بالا (به عنوان مثال، 800 درجه سانتیگراد)، اتم ها کمی ارتعاش می کنند اما یک آرایش منظم را حفظ می کنند - برخلاف فلزات معمولی، که با «شل شدن» اتم ها و باز شدن شکاف ها تغییر شکل می دهند.
- در مقابل، فولاد تندبر دارای ساختار مکعبی با مرکز بدنه (BCC) است، جایی که شکاف های اتمی به راحتی در دماهای بالا منبسط می شوند و باعث از دست رفتن سریع استحکام می شوند.
1.3 بی اثری شیمیایی عالی از اکسیداسیون یا واکنش در دماهای بالا جلوگیری می کند
در محیط های صنعتی با دمای بالا، مواد نه تنها باید در برابر «دما» مقاومت کنند، بلکه در برابر «خوردگی محیطی» (به عنوان مثال، اکسیداسیون در هوا، واکنش با سیالات برش) نیز مقاومت کنند. کاربید تنگستن خواص شیمیایی پایداری را در دماهای بالا نشان می دهد:
- زیر 800 درجه سانتیگراد، تنها یک لایه اکسید نازک (WO₃) در صورت قرار گرفتن در معرض هوا روی سطح آن تشکیل می شود. این لایه متراکم است و از اکسیداسیون بیشتر مواد داخلی جلوگیری می کند.
- با رسانه های صنعتی رایج مانند سیالات برش فلز یا آلیاژهای آلومینیوم مذاب واکنش نشان نمی دهد (به عنوان مثال، حل یا فرسایش).
- برخلاف مواد سرامیکی (به عنوان مثال، آلومینا)، که دارای نقاط ذوب بالایی نیز هستند، سرامیک ها تمایل به واکنش با فلزات مذاب در دماهای بالا دارند و باعث پوسته پوسته شدن سطح می شوند - مشکلی که WC از آن اجتناب می کند.
2. دلیل اصلی 2: چسبان کبالت (Co) یک «نقش سازگاری با دمای بالا» ایفا می کند
یک سوال رایج مطرح می شود: کبالت دارای نقطه ذوب فقط 1495 درجه سانتیگراد است - بسیار کمتر از WC - پس چرا مقاومت در برابر حرارت را تضعیف نمی کند؟ در واقعیت، کبالت (معمولاً 6-15٪ وزنی) به عنوان یک «فاز چسبان» عمل می کند و به صورت مجزا وجود ندارد. در عوض، به طور یکنواخت بین دانه های WC پراکنده می شود و یک ریزساختار را تشکیل می دهد که در آن «دانه های WC توسط فاز Co محصور شده اند». نقش آن در دمای بالا بر دو عملکرد کلیدی متمرکز است:
2.1 نیروی پیوند را با دانه های WC در دماهای بالا حفظ می کند
در دمای اتاق، کبالت یک فلز انعطاف پذیر است که دانه های WC سخت اما شکننده را به هم «متصل» می کند تا از ترک خوردن جلوگیری کند. در دماهای بالا (به عنوان مثال، 600-800 درجه سانتیگراد)، کبالت کمی نرم می شود (تبدیل به «نیمه جامد» می شود) اما به طور کامل ذوب نمی شود یا از بین نمی رود:
- این نرم شدن جزئی در واقع تنش حرارتی را بین دانه های WC (مواد مختلف با سرعت های متفاوتی در دماهای بالا منبسط می شوند و تنش ایجاد می کنند) «بافر» می کند و از ترک خوردن مواد به دلیل تجمع تنش جلوگیری می کند.
- در همین حال، نیروی پیوند (پیوند متالورژیکی) بین دانه های کبالت و WC در دماهای بالا قوی باقی می ماند - برخلاف چسبان هایی که از سایر فلزات با نقطه ذوب پایین (به عنوان مثال، مس، نقطه ذوب 1085 درجه سانتیگراد) ساخته شده اند، که ذوب می شوند و توانایی اتصال خود را تا 800 درجه سانتیگراد از دست می دهند.
2.2 رشد دانه های WC را مهار می کند تا پایداری در دمای بالا حفظ شود
در دماهای بالا، دانه های مواد تمایل به «رشد» دارند (دانه های کوچک با هم ادغام می شوند و دانه های بزرگتری را تشکیل می دهند) که منجر به از دست رفتن سختی می شود. کبالت به عنوان یک «مهار کننده» عمل می کند تا از رشد بیش از حد دانه های WC در دماهای بالا جلوگیری کند:
- اتم های کبالت روی سطح دانه های WC (در مرزهای دانه) جذب می شوند و یک «لایه مانع» تشکیل می دهند که انتشار اتم های WC را کند می کند و از ادغام دانه ها جلوگیری می کند.
- بدون کبالت، دانه های WC پس از 10 ساعت در 800 درجه سانتیگراد از 3 میکرومتر به بیش از 8 میکرومتر رشد می کنند و سختی را 20٪ کاهش می دهند. با کبالت، رشد دانه به کمتر از 10٪ محدود می شود و سختی تقریباً ثابت می ماند.
3. دلیل اصلی 3: افزایش هم افزایی ریزساختار WC-Co
فراتر از خواص فردی اجزای آن، «ریزساختار متراکم» تشکیل شده توسط WC و کبالت، مقاومت در برابر حرارت را بیشتر افزایش می دهد. کاربیدهای سیمانی شده WC-Co با کیفیت بالا تحت تف جوشی در دمای بالا (1400-1500 درجه سانتیگراد) قرار می گیرند تا ساختاری را تشکیل دهند که در آن «دانه های WC به طور یکنواخت توزیع شده اند، Co شکاف ها را پر می کند و هیچ منفذ قابل توجهی وجود ندارد» (چگالی معمولاً ≥14.5 گرم بر سانتی متر مکعب). مزایای این ساختار عبارتند از:
3.1 ساختار متراکم مسیرهای اکسیداسیون در دمای بالا را کاهش می دهد
اگر ماده ای حاوی منافذ باشد، هوای با دمای بالا یا محیط های خورنده می توانند از طریق این منافذ به داخل نفوذ کنند و اکسیداسیون را تسریع کنند (به عنوان مثال، سرامیک ها با تخلخل بالا 3 برابر سریعتر از WC-Co اکسید می شوند). ساختار متراکم WC-Co:
- تقریباً هیچ منفذ قابل مشاهده ای ندارد، بنابراین اکسیژن خارجی فقط می تواند با سطح ماده تماس داشته باشد و نمی تواند به سمت داخل نفوذ کند.
- لایه اکسید WO₃ که روی سطح (زیر 800 درجه سانتیگراد) تشکیل شده است، محکم به ساختار متراکم می چسبد و «حفاظت مضاعف» در برابر اکسیداسیون بیشتر ایجاد می کند.
3.2 توزیع یکنواخت پایداری بار را در دماهای بالا افزایش می دهد
در سناریوهای با دمای بالا، مواد اغلب بارها را تحمل می کنند (به عنوان مثال، نیروهای برش، فشار قالب). توزیع یکنواخت دانه های WC در WC-Co تضمین می کند که بارها به طور مساوی از طریق فاز Co به هر دانه WC منتقل می شوند و از تمرکز تنش موضعی جلوگیری می شود:
- به عنوان مثال، در قالب های ریخته گری آلومینیوم، قالب باید 20 مگاپاسکال فشار را در 400 درجه سانتیگراد تحمل کند. ساختار یکنواخت WC-Co این فشار را پراکنده می کند و از تغییر شکل به دلیل نرم شدن موضعی در دماهای بالا جلوگیری می کند.
- در مقابل، فولاد تندبر در دماهای بالا سختی ناهمواری را نشان می دهد که منجر به فرورفتگی در مناطق نرم تر و خرابی قالب می شود.
4. مقایسه مقاومت در برابر حرارت: WC-Co در مقابل سایر مواد صنعتی
برای برجسته کردن مزایای آن، در زیر مقایسه ای از WC-Co با سایر «مواد مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر حرارت» رایج مورد استفاده در صنعت آورده شده است:
| نوع مواد |
ترکیب اصلی |
نقطه ذوب (درجه سانتیگراد) |
حداکثر دمای کار مداوم (درجه سانتیگراد) |
حفظ سختی در 500 درجه سانتیگراد |
کاربردهای معمولی در دمای بالا |
| کاربید سیمانی شده WC-Co |
کاربید تنگستن + 6-15٪ Co |
2870 (WC) |
600-800 |
≥90٪ (HRA) |
ابزارهای برش فلز، قالب های ریخته گری |
| فولاد تندبر |
W18Cr4V |
1400 |
400-500 |
≤60٪ (HRC) |
ابزارهای برش با سرعت کم، قالب های دمای اتاق |
| سرامیک آلومینا |
Al₂O₃ |
2054 |
800-1000 |
≥95٪ (HRA) |
عایق های با دمای بالا، قطعات سایش غیر ضربه ای |
| فولاد کربنی معمولی |
فولاد 45# |
1538 |
300-400 |
≤30٪ (HRC) |
قطعات ساختاری دمای اتاق، اجزای غیر باربر |
همانطور که نشان داده شده است، در حالی که مقاومت در برابر حرارت WC-Co کمی کمتر از سرامیک آلومینا است، «مقاومت در برابر حرارت + مقاومت در برابر ضربه» را متعادل می کند (سرامیک ها مستعد ترک خوردن در دماهای بالا هستند). در مقایسه با فولاد تندبر و فولاد کربنی، مزایای آن در مقاومت در برابر حرارت و حفظ سختی قابل توجه است - و آن را به یکی از بهترین انتخاب ها برای سناریوهای «سایش در دمای بالا + تحمل بار» تبدیل می کند.
5. 2 عامل کلیدی که بر مقاومت در برابر حرارت کاربیدهای سیمانی شده WC-Co تأثیر می گذارند
مقاومت در برابر حرارت WC-Co با فرمولاسیون آن متفاوت است که عمدتاً تحت تأثیر محتوای کبالت و اندازه دانه کاربید تنگستن است. هنگام انتخاب یک درجه، این عوامل را در نظر بگیرید:
5.1 محتوای کبالت: کبالت کمتر = مقاومت در برابر حرارت بهتر (زمانی که چقرمگی کافی باشد)
با چقرمگی کافی برای جلوگیری از ترک خوردن، محتوای کبالت کمتر به معنای نسبت بالاتری از WC - و مقاومت در برابر حرارت بهتر است:
- کبالت کم (6-8٪، به عنوان مثال، YG6): محتوای WC بالا، حفظ سختی ≥92٪ در دماهای بالا. مناسب برای سناریوهای با ضربه کم و دمای بالا (به عنوان مثال، ابزارهای سنگ زنی دقیق).
- کبالت متوسط (8-12٪، به عنوان مثال، YG8): مقاومت در برابر حرارت و چقرمگی را متعادل می کند. مناسب برای سناریوهای با ضربه متوسط و دمای متوسط (به عنوان مثال، ابزارهای برش همه منظوره).
- کبالت بالا (12-15٪، به عنوان مثال، YG15): چقرمگی و مقاومت در برابر ضربه عالی اما سختی ≤85٪ را در دماهای بالا حفظ می کند. مناسب برای سناریوهای با ضربه بالا و دمای پایین (به عنوان مثال، مته های معدن).
5.2 اندازه دانه کاربید تنگستن: دانه های ریز = مقاومت در برابر حرارت بهتر
WC با دانه ریز (1-3 میکرومتر) دارای مرزهای دانه بیشتری است که در آن اتم های کبالت به عنوان «مهار کننده» قوی تری برای جلوگیری از رشد دانه در دماهای بالا عمل می کنند:
- WC-Co با دانه ریز (به عنوان مثال، YG6X): پس از 10 ساعت در 800 درجه سانتیگراد، رشد دانه <5٪ است و سختی تقریباً بدون تغییر باقی می ماند.
- WC-Co با دانه درشت (به عنوان مثال، YG15): تحت شرایط مشابه، رشد دانه بیش از 15٪ است و سختی حدود 10٪ کاهش می یابد.
- برای سناریوهای دقیق با دمای بالا (به عنوان مثال، وسایل با دمای بالای نیمه هادی)، درجه های دانه ریز را در اولویت قرار دهید.
6. تصور غلط رایج: «کبالت دارای نقطه ذوب پایینی است، بنابراین WC-Co مقاوم در برابر حرارت نیست»
بسیاری فرض می کنند که WC-Co فاقد مقاومت در برابر حرارت است زیرا کبالت دارای نقطه ذوب پایینی (1495 درجه سانتیگراد) است - این یک سوء تفاهم معمولی است که ریزساختار ماده را نادیده می گیرد:
- در WC-Co، کبالت «به صورت مجزا» وجود ندارد، بلکه به عنوان یک «لایه نازک» در اطراف دانه های WC وجود دارد. محافظت شده توسط WC، مانند کبالت خالص نرم نمی شود یا از بین نمی رود (که در 800 درجه سانتیگراد نیمه مایع می شود).
- آزمایشات عملی نشان می دهد: در 800 درجه سانتیگراد، فاز Co در WC-Co فقط کمی نرم می شود (سختی ~HRC 20) اما همچنان دانه های WC را متصل می کند. در مقابل، کبالت خالص در 800 درجه سانتیگراد قبلاً نیمه مایع است و هیچ استحکامی ندارد.
نتیجه گیری: مقاومت در برابر حرارت WC-Co یک هم افزایی از «اجزا + ساختار» است
مقاومت در برابر حرارت کاربیدهای سیمانی شده WC-Co به دلیل یک جزء واحد نیست، بلکه به دلیل هم افزایی «اسکلت پایدار با نقطه ذوب بالای WC، اتصال و بافر با دمای بالای کبالت و یک ریزساختار متراکم و یکنواخت» است. این ویژگی به آن اجازه می دهد تا سختی خود را در 600-800 درجه سانتیگراد حفظ کند در حالی که در برابر ضربه و بارهای متوسط مقاومت می کند - و آن را برای سناریوهای صنعتی مانند برش فلز، قالب های با دمای بالا و محیط های معدن با دمای بالا ایده آل می کند.
برای متخصصان صنعت کاربید تنگستن، هنگام توصیه محصولات WC-Co، درجه را با «حداکثر دمای کار + بار ضربه» مشتری هماهنگ کنید: برای سناریوهای با دمای بالا و ضربه کم، درجه های دانه ریز با کبالت کم (به عنوان مثال، YG6X) را انتخاب کنید. برای سناریوهای با دمای متوسط و ضربه متوسط، درجه های دانه متوسط با کبالت متوسط (به عنوان مثال، YG8) را انتخاب کنید. و برای سناریوهای با دمای پایین و ضربه بالا، درجه های دانه درشت با کبالت بالا (به عنوان مثال، YG15) را انتخاب کنید.
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!
Persian
