Unternehmensnachrichten über Warum sind Zementkarbid (Tungstenkarbid + Kobalt) hitzebeständig?

Zementkarbide, die aus Wolframkarbid (WC) als Hartphase und Kobalt (Co) als Bindemittel bestehen, sind seltene industrielle Materialien, die ihre Härte auch bei hohen Temperaturen behalten." Ihre maximale Dauerbetriebstemperatur erreicht 800 ° C, und sie können kurzfristigen Temperaturen von mehr als 1.000°C widerstehen, die den gewöhnlichen Stahl (z. B.45° Stahl erweicht bei 500°C) und Schnellstahl (W18Cr4V verliert bei 600°C eine signifikante Härte)Diese Wärmebeständigkeit ist nicht auf einen einzigen Faktor zurückzuführen, sondern auf dieDie synergistische Wirkung der hochtemperaturbedingten Stabilität von Wolframkarbid, der kompatiblen Bindungseigenschaften von Kobalt und der von den beiden gebildeten MikrostrukturmerkmaleFür die industrielle Produktion löst dieses Merkmal kritische Schmerzpunkte bei hohen Temperaturen:von Reibungswärme (600°C bis 800°C) beim Metallschneiden bis zu den Betriebstemperaturen (400°C bis 500°C) von Druckgussformen aus Aluminiumlegierungen, und Verschleiß von Bergbauausrüstung in unterirdischen Hochtemperaturumgebungen.In diesem Artikel werden die Hauptgründe für die Wärmebeständigkeit von WC-Co-Zementkarbid ausgehend von den Eigenschaften der Komponenten in drei Dimensionen aufgeschlüsselt., Mikrostruktur und praktische Anwendungen.

Die Wärmebeständigkeit von Zementcarbiden beruht zunächst auf den Eigenschaften ihrer Kernkomponente: Wolframcarbid." die das Material bei hohen Temperaturen stabil unterstütztDies spiegelt sich in drei wesentlichen Aspekten wider:

Wolframkarbid hat einen äußerst hohen Schmelzpunkt von 2.870°C, der weit höher ist als die typischen hohen Temperaturen in industriellen Umgebungen (die meisten Arbeitsbedingungen bei hohen Temperaturen sind <1,0 °C).000°C)Zum Vergleich:

• Gewöhnlicher Kohlenstoffstahl hat einen Schmelzpunkt von ca. 1.538 °C und erweicht sich über 500 °C aufgrund der erhöhten Atommobilität.
• Hochgeschwindigkeitsstahl (W18Cr4V) hat einen Schmelzpunkt von etwa 1.400 °C; seine Härte fällt bei 600 °C von HRC 62 auf unter HRC 50 und ist somit für das Schneiden unbrauchbar.
• Selbst bei 1.000°C wird Wolframkarbid nur leicht weich - sein Schmelzpunkt wird nie erreicht, so dass es nicht schmilzt oder strukturellen Zusammenbruch erleidet.

Wolframkarbid hat eineHexagonalen dicht verpackten (HCP) KristallstrukturDiese Struktur verhindert bei hohen Temperaturen die Atommediffusion oder Strukturstörung:

• Bei Raumtemperatur verleiht diese Struktur WC seine hohe Härte (HRA 90 ‰ 93).
• Bei hohen Temperaturen (z. B. 800°C) vibrieren die Atome leicht, behalten jedoch eine geordnete Anordnung - im Gegensatz zu gewöhnlichen Metallen, die sich deformieren, wenn sich die Atome lösen und sich die Lücken vergrößern.
• Im Gegensatz dazu hat Hochgeschwindigkeitsstahl eine körperzentrierte kubische (BCC) Struktur, bei der sich Atomlücken bei hohen Temperaturen leicht ausdehnen und einen schnellen Festigkeitsverlust verursachen.

In industriellen Umgebungen mit hoher Temperatur müssen Materialien nicht nur "Temperatur", sondern auch "Umweltkorrosion" (z. B. Oxidation in der Luft, Reaktion mit Schneidflüssigkeiten) widerstehen.Wolframkarbid zeigt bei hohen Temperaturen stabile chemische Eigenschaften:

• Unter 800°C bildet sich auf der Oberfläche nur eine dünne Oxidfolie (WO3), die dicht ist und eine weitere Oxidation des inneren Materials verhindert.
• Es reagiert nicht (z. B. löst sich nicht auf oder erodiert nicht) mit üblichen industriellen Medien wie Metallschneidflüssigkeiten oder geschmolzenen Aluminiumlegierungen.
• Im Gegensatz zu keramischen Materialien (z. B. Aluminiumoxid), die ebenfalls hohe Schmelzpunkte aufweisen, reagieren Keramiken tendenziell mit geschmolzenen Metallen bei hohen Temperaturen und verursachen Oberflächenspalten, ein Problem, das WC vermeidet.

Eine häufige Frage stellt sich: Cobalt hat einen Schmelzpunkt von nur 1.495°C, weit niedriger als WC, weshalb untergräbt er also nicht die Hitzebeständigkeit?Kobalt (typischerweise 6­15 Gewichtsprozent) wirkt als "Bindemittelphase" und existiert nicht isoliertEs wird stattdessen gleichmäßig zwischen den WC-Körnern verteilt und bildet eine Mikrostruktur, in der die WC-Körner durch die Co-Phase eingekapselt werden".

Bei Raumtemperatur ist Kobalt ein duktiles Metall, das harte, aber spröde WC-Körner zusammenbindet, um Risse zu verhindern.Kobalt weichert sich leicht (wird "halbfest"), schmilzt aber nicht vollständig oder fließt nicht weg:

• Diese leichte Erweichung "puffert" die thermische Belastung zwischen den WC-Körnern (verschiedene Materialien dehnen sich bei hohen Temperaturen unterschiedlich schnell aus, was zu einer Belastung führt).Verhinderung des Rissens des Materials durch Spannungsaufbau.
• In der Zwischenzeit bleibt die Bindungskraft (metallurgische Bindung) zwischen Kobalt und WC-Körnern bei hohen Temperaturen stark, im Gegensatz zu Bindemitteln aus anderen Metallen mit geringer Schmelzfähigkeit (z. B. Kupfer, Schmelzpunkt 1,085°C), die bei 800°C schmelzen und ihre Bindungsfähigkeit verlieren.

Bei hohen Temperaturen neigen Materialkörner dazu, "zu wachsen" (kleine Körner verschmelzen in größere), was zu einem Verlust der Härte führt.Kobalt wirkt als "Hemmer", um bei hohen Temperaturen ein übermäßiges Wachstum von WC-Körnern zu verhindern:

• Cobaltatome adsorbieren sich an der Oberfläche der WC-Körner (an den Korngrenzen) und bilden eine "Schrankschicht", die die Diffusion der WC-Atome verlangsamt und die Kornfusion hemmt.
• Ohne Kobalt würden WC-Körner nach 10 Stunden bei 800 °C von 3 μm auf über 8 μm wachsen, wodurch die Härte um 20% reduziert wird.

Über die einzelnen Eigenschaften der Bestandteile hinaus erhöht die von WC und Kobalt gebildete "dichte Mikrostruktur" die Wärmebeständigkeit.Hochwertige WC-Co-Cementkarbide werden bei hoher Temperatur gesintert (1Die Struktur, in der sich die WK-Körner gleichmäßig verteilen, Co die Lücken füllt und keine signifikanten Poren vorhanden sind (Dichte typischerweise ≥14,5 g/cm3), hat folgende Vorteile:

Wenn ein Material Poren enthält, können durch diese Poren hochtemperature Luft oder ätzende Medien ins Innere sickern und die Oxidation beschleunigen (z. B.Keramik mit hoher Porosität oxidiert 3 mal schneller als WC-Co)Die dichte Struktur von WC-Co:

• Es enthält fast keine sichtbaren Poren, so dass äußerer Sauerstoff nur die Oberfläche des Materials berühren kann und nicht nach innen eindringen kann.
• Die auf der Oberfläche (unter 800°C) gebildete WO3-Oxidfolie haftet fest an der dichten Struktur und bietet so einen "doppelten Schutz" vor weiterer Oxidation.

Bei hohen Temperaturen tragen Materialien häufig Belastungen (z. B. Schneidkräfte, Schimmeldruck).Die einheitliche Verteilung der WC-Körner in WC-Co sorgt dafür, daß die Belastungen gleichmäßig durch die Co-Phase auf jedes WC-Körner übertragen werden., wobei eine lokale Belastungskonzentration vermieden wird:

• Bei Aluminiumlegierungen zum Druckguss muss die Form beispielsweise einem Druck von 20 MPa bei 400°C standhalten.Verhinderung der Verformung durch lokalisierte Erweichung bei hohen Temperaturen.
• Im Gegensatz dazu weist Hochgeschwindigkeitsstahl bei hohen Temperaturen eine ungleichmäßige Härte auf, was zu Einbußen in weicheren Bereichen und Schimmelstörungen führt.

Um seine Vorteile hervorzuheben, wird im Folgenden WC-Co mit anderen üblichen "verschleiß- und hitzebeständigen Materialien" verglichen, die in der Industrie verwendet werden:

Wie gezeigt, ist die Wärmebeständigkeit von WC-Co etwas geringer als die der Aluminiumsäure, doch gleicht sie "Wärmebeständigkeit + Stoßbeständigkeit" aus (Keramika sind bei hohen Temperaturen anfällig für Risse).Verglichen mit Hochgeschwindigkeitsstahl und Kohlenstoffstahl, sind seine Vorteile in Bezug auf Wärmebeständigkeit und Härtebindung erheblich, was ihn zu einer der besten Optionen für "Hochtemperaturverschleiß + Belastbarkeit" -Szenarien macht.

Die Wärmebeständigkeit von WC-Co variiert je nach Zusammensetzung und wird hauptsächlich durchKobaltgehaltundGröße der Körner von Wolframkarbid. Bei der Auswahl einer Klasse sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

Bei ausreichender Härte, um Riss zu verhindern, bedeutet ein geringerer Kobaltgehalt einen höheren Anteil an WC· und eine bessere Wärmebeständigkeit:

• Niedriges Kobalt (z. B. 68%, z. B. YG6): Hoher WC-Gehalt, bei hoher Temperatur ≥92% Härte beibehält. Geeignet für Niedrigbelastungsszenarien bei hoher Temperatur (z. B. Präzisionsschleifwerkzeuge).
• Mittleres Kobalt (8 ∼12%, z. B. YG8): Balanciert Wärmebeständigkeit und Zähigkeit. Geeignet für mittlere Auswirkungen und mittlere Temperaturen (z. B. allgemeine Schneidwerkzeuge).
• Hoher Kobaltanteil (12 ∼15%, z.B. YG15): Ausgezeichnete Zähigkeit und Stoßfestigkeit, bei hohen Temperaturen jedoch ≤ 85% Härte. Geeignet für Hochstoß- und Niedertemperaturszenarien (z.B.Bergbaudrohre).

Feinkörnige WC (1μ3μm) haben mehr Korngrenzen, wobei Kobaltatome als stärkere "Inhibitoren" wirken, um das Korngroß bei hohen Temperaturen zu verhindern:

• Feinkörner WC-Co (z. B. YG6X): Nach 10 Stunden bei 800 °C ist das Kornwachstum < 5% und die Härte bleibt nahezu unverändert.
• Grobkorn WC-Co (z. B. YG15): Unter denselben Bedingungen übersteigt das Kornwachstum 15% und die Härte sinkt um ~10%.
• Bei Szenarien mit hoher Temperaturpräzision (z. B. bei Halbleiter-Hochtemperatur-Leuchtkörpern) sind Feinkörner zu priorisieren.

Viele gehen davon aus, dass WC-Co keine Hitzebeständigkeit aufweist, da Kobalt einen niedrigen Schmelzpunkt (1,495°C) aufweist.

• In WC-Co existiert Kobalt nicht isoliert, sondern als "dünner Film", der WC-Körner umgibt.
• Praktische Versuche zeigen: Bei 800 °C wird die Co-Phase in WC-Co nur leicht weich (Härte ~ HRC 20), bindet jedoch immer noch WC-Körner.

Die Wärmebeständigkeit von WC-Co-Zementkarbiden ist nicht auf eine einzelne Komponente zurückzuführen, sondern auf die Synergie des hochschmelzenden stabilen Skeletts von WC, der hochtemperaturfähigen Bindung und Pufferung von Kobalt und einer dichteneinheitliche MikrostrukturDiese Eigenschaft ermöglicht es ihm, seine Härte bei 600°C bis 800°C zu bewahren und gleichzeitig moderaten Aufprall und Belastungen standzuhalten, was ihn ideal für industrielle Szenarien wie Metallschneiden, Hochtemperaturformen,und Hochtemperaturbergbaumgebungen.

Für Fachleute in der Wolframkarbidindustrie ist bei der Empfehlung von WC-Co-Produkten die Qualität an die “maximale Betriebstemperatur + Schlaglast" des Kunden anzupassen:Wählen Sie kobaltarme Feinkörner (e.z.B., YG6X) für Hochtemperatur- und Niedrigwirkungsszenarien; mittelkornige Kobalt-Gehalte (z.B. YG8) für mittelkornige Kobalt-Szenarien (z.B., YG8) und mittelkornige Kobalt-Gehalte (z.B.,YG15) für Niedertemperatur, mit hoher Wirkung.