ข่าว บริษัท เกี่ยวกับ ทําไมคาร์ไบด์ซีเมนต์ (ทองกสตินคาร์ไบด์ + โคบาลต์) จึงทนความร้อน

คาร์ไบด์ซีเมนต์ที่ประกอบด้วยทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) เป็นเฟสแข็งและโคบอลต์ (Co) เป็นเฟสตัวประสาน เป็นวัสดุอุตสาหกรรมที่หายากซึ่ง "ยังคงความแข็งแม้ในอุณหภูมิสูง" อุณหภูมิการทำงานต่อเนื่องสูงสุดสามารถสูงถึง 800°C และสามารถทนต่ออุณหภูมิในระยะสั้นที่สูงกว่า 1,000°C ซึ่งเหนือกว่าเหล็กกล้าธรรมดา (เช่น เหล็ก 45# จะอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 500°C) และเหล็กกล้าความเร็วสูง (W18Cr4V สูญเสียความแข็งอย่างมากที่ประมาณ 600°C) ความทนทานต่อความร้อนนี้ไม่ได้เกิดจากปัจจัยเดียว แต่เป็นผลกระทบแบบเสริมฤทธิ์กันของความเสถียรที่อุณหภูมิสูงโดยธรรมชาติของทังสเตนคาร์ไบด์ คุณสมบัติการยึดเกาะที่เข้ากันได้ของโคบอลต์ และลักษณะโครงสร้างจุลภาคที่เกิดจากทั้งสองสำหรับการผลิตในอุตสาหกรรม คุณสมบัตินี้ช่วยแก้ปัญหาสำคัญในสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูง: ตั้งแต่การสร้างความร้อนจากแรงเสียดทาน (600–800°C) ในระหว่างการตัดโลหะ ไปจนถึงอุณหภูมิการทำงาน (400–500°C) ของแม่พิมพ์หล่อโลหะผสมอะลูมิเนียม และการสึกหรอของอุปกรณ์การขุดในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงใต้ดิน บทความนี้จะแบ่งสาเหตุหลักของความทนทานต่อความร้อนของคาร์ไบด์ซีเมนต์ WC-Co ออกเป็นสามมิติ—คุณสมบัติของส่วนประกอบ โครงสร้างจุลภาค และการใช้งานจริง—ทำให้เข้าใจหลักการได้ง่าย

ความทนทานต่อความร้อนของคาร์ไบด์ซีเมนต์นั้นมาจากคุณสมบัติโดยธรรมชาติของส่วนประกอบหลัก: ทังสเตนคาร์ไบด์ ในฐานะ "เฟสแข็ง" WC ทำหน้าที่เหมือน "เหล็กเสริมในอาคาร" ให้การรองรับวัสดุที่อุณหภูมิสูงอย่างมั่นคง ซึ่งสะท้อนให้เห็นในสามด้านหลัก:

ทังสเตนคาร์ไบด์มีจุดหลอมเหลวสูงมากถึง 2,870°C ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิสูงทั่วไปที่พบในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม (สภาพการทำงานส่วนใหญ่ที่มีอุณหภูมิสูงคือ<1,000°C) สำหรับการเปรียบเทียบ:

• เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดามีจุดหลอมเหลวประมาณ 1,538°C และอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 500°C เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอะตอมเพิ่มขึ้น
• เหล็กกล้าความเร็วสูง (W18Cr4V) มีจุดหลอมเหลวประมาณ 1,400°C ความแข็งจะลดลงจาก HRC 62 เหลือต่ำกว่า HRC 50 ที่ 600°C ทำให้ไม่สามารถใช้งานสำหรับการตัดได้
• แม้ที่อุณหภูมิ 1,000°C ทังสเตนคาร์ไบด์จะอ่อนตัวลงเล็กน้อยเท่านั้น—จุดหลอมเหลวจะไม่ถึง ดังนั้นจึงไม่หลอมเหลวหรือเกิดการยุบตัวของโครงสร้าง

ทังสเตนคาร์ไบด์มีโครงสร้างคริสตัลแบบอัดแน่นหกเหลี่ยม (HCP)ซึ่งอะตอมถูกจัดเรียงอย่างแน่นหนาด้วยแรงยึดเหนี่ยวที่แข็งแกร่ง โครงสร้างนี้ป้องกันการแพร่กระจายของอะตอมหรือความผิดปกติของโครงสร้างที่อุณหภูมิสูง:

• ที่อุณหภูมิห้อง โครงสร้างนี้ทำให้ WC มีความแข็งสูง (HRA 90–93)
• ที่อุณหภูมิสูง (เช่น 800°C) อะตอมจะสั่นเล็กน้อยแต่ยังคงรักษาการจัดเรียงที่เป็นระเบียบ—ซึ่งแตกต่างจากโลหะธรรมดาที่เสียรูปเมื่ออะตอม "คลายตัว" และช่องว่างกว้างขึ้น
• ในทางตรงกันข้าม เหล็กกล้าความเร็วสูงมีโครงสร้างลูกบาศก์แบบมีศูนย์กลาง (BCC) ซึ่งช่องว่างของอะตอมขยายตัวได้ง่ายที่อุณหภูมิสูง ทำให้สูญเสียความแข็งแรงอย่างรวดเร็ว

ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่มีอุณหภูมิสูง วัสดุจะต้องทนต่อไม่เพียงแต่ "อุณหภูมิ" เท่านั้น แต่ยังรวมถึง "การกัดกร่อนจากสิ่งแวดล้อม" (เช่น การเกิดออกซิเดชันในอากาศ ปฏิกิริยากับของเหลวตัด) ทังสเตนคาร์ไบด์แสดงคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียรที่อุณหภูมิสูง:

• ต่ำกว่า 800°C จะเกิดฟิล์มออกไซด์บางๆ (WO₃) บนพื้นผิวเมื่อสัมผัสกับอากาศ ฟิล์มนี้มีความหนาแน่นและป้องกันการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติมของวัสดุภายใน
• ไม่ทำปฏิกิริยา (เช่น ละลายหรือกัดกร่อน) กับสื่ออุตสาหกรรมทั่วไป เช่น ของเหลวตัดโลหะหรือโลหะผสมอะลูมิเนียมหลอมเหลว
• ซึ่งแตกต่างจากวัสดุเซรามิก (เช่น อะลูมินา) ซึ่งมีจุดหลอมเหลวสูงเช่นกัน เซรามิกมีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับโลหะหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดการหลุดร่อนของพื้นผิว—ปัญหาที่ WC หลีกเลี่ยง

คำถามทั่วไปเกิดขึ้น: โคบอลต์มีจุดหลอมเหลวเพียง 1,495°C ซึ่งต่ำกว่า WC มาก ทำไมจึงไม่บ่อนทำลายความทนทานต่อความร้อน? ในความเป็นจริง โคบอลต์ (โดยทั่วไป 6–15% โดยน้ำหนัก) ทำหน้าที่เป็น "เฟสตัวประสาน" และไม่มีอยู่แยกกัน แต่จะกระจายอย่างสม่ำเสมอระหว่างเม็ด WC ก่อตัวเป็นโครงสร้างจุลภาคที่ "เม็ด WC ถูกห่อหุ้มด้วยเฟส Co" บทบาทที่อุณหภูมิสูงของมันเน้นไปที่สองฟังก์ชันหลัก:

ที่อุณหภูมิห้อง โคบอลต์เป็นโลหะเหนียวที่ "ยึด" เม็ด WC ที่แข็งแต่เปราะเข้าด้วยกันเพื่อป้องกันการแตกร้าว ที่อุณหภูมิสูง (เช่น 600–800°C) โคบอลต์จะอ่อนตัวลงเล็กน้อย (กลายเป็น "กึ่งของแข็ง") แต่ไม่หลอมเหลวหรือไหลออกไปทั้งหมด:

• การอ่อนตัวลงเล็กน้อยนี้จะ "บัฟเฟอร์" ความเครียดจากความร้อนระหว่างเม็ด WC (วัสดุที่แตกต่างกันจะขยายตัวในอัตราที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดความเครียด) ป้องกันไม่ให้วัสดุแตกร้าวเนื่องจากการสะสมความเครียด
• ในขณะเดียวกัน แรงยึดเหนี่ยว (การยึดเหนี่ยวทางโลหะวิทยา) ระหว่างเม็ดโคบอลต์และ WC ยังคงแข็งแกร่งที่อุณหภูมิสูง—ซึ่งแตกต่างจากตัวประสานที่ทำจากโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำอื่นๆ (เช่น ทองแดง จุดหลอมเหลว 1,085°C) ซึ่งจะหลอมเหลวและสูญเสียความสามารถในการยึดเกาะที่ 800°C

ที่อุณหภูมิสูง เม็ดวัสดุมีแนวโน้มที่จะ "เติบโต" (เม็ดเล็กๆ รวมกันเป็นเม็ดที่ใหญ่ขึ้น) ทำให้สูญเสียความแข็ง โคบอลต์ทำหน้าที่เป็น "สารยับยั้ง" เพื่อป้องกันการเติบโตของเม็ด WC ที่มากเกินไปที่อุณหภูมิสูง:

• อะตอมโคบอลต์ดูดซับบนพื้นผิวของเม็ด WC (ที่ขอบเกรน) ก่อตัวเป็น "ชั้นกั้น" ที่ชะลอการแพร่กระจายของอะตอม WC และยับยั้งการรวมตัวของเม็ด
• หากไม่มีโคบอลต์ เม็ด WC จะเติบโตจาก 3μm เป็นมากกว่า 8μm หลังจาก 10 ชั่วโมงที่ 800°C ทำให้ความแข็งลดลง 20% ด้วยโคบอลต์ การเติบโตของเม็ดจะจำกัดไว้ที่น้อยกว่า 10% และความแข็งยังคงเกือบจะคงที่

นอกเหนือจากคุณสมบัติเฉพาะของส่วนประกอบแล้ว "โครงสร้างจุลภาคหนาแน่น" ที่เกิดจาก WC และโคบอลต์ยังช่วยเพิ่มความทนทานต่อความร้อนอีกด้วย คาร์ไบด์ซีเมนต์ WC-Co คุณภาพสูงผ่านการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง (1,400–1,500°C) เพื่อสร้างโครงสร้างที่ "เม็ด WC กระจายอย่างสม่ำเสมอ Co เติมช่องว่าง และไม่มีรูพรุนที่สำคัญ" (ความหนาแน่นโดยทั่วไป ≥14.5g/cm³) ข้อดีของโครงสร้างนี้คือ:

หากวัสดุมีรูพรุน อากาศที่มีอุณหภูมิสูงหรือสื่อที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสามารถซึมเข้าไปในภายในผ่านรูพรุนเหล่านี้ เร่งการเกิดออกซิเดชัน (เช่น เซรามิกที่มีรูพรุนสูงจะเกิดออกซิไดซ์เร็วกว่า WC-Co 3 เท่า) โครงสร้างหนาแน่นของ WC-Co:

• ไม่มีรูพรุนที่มองเห็นได้เกือบทั้งหมด ดังนั้นออกซิเจนภายนอกจึงสามารถสัมผัสได้เฉพาะพื้นผิวของวัสดุและไม่สามารถเจาะเข้าไปข้างในได้
• ฟิล์มออกไซด์ WO₃ ที่ก่อตัวบนพื้นผิว (ต่ำกว่า 800°C) ยึดติดกับโครงสร้างหนาแน่นอย่างแน่นหนา ให้ "การป้องกันสองชั้น" ต่อการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติม

ในสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูง วัสดุมักจะรับภาระ (เช่น แรงตัด แรงดันแม่พิมพ์) การกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของเม็ด WC ใน WC-Co ช่วยให้มั่นใจได้ว่าโหลดจะถูกถ่ายโอนอย่างสม่ำเสมอผ่านเฟส Co ไปยังเม็ด WC แต่ละเม็ด หลีกเลี่ยงการรวมตัวของความเครียดเฉพาะที่:

• ตัวอย่างเช่น ในแม่พิมพ์หล่อโลหะผสมอะลูมิเนียม แม่พิมพ์จะต้องทนต่อแรงดัน 20MPa ที่ 400°C โครงสร้างที่สม่ำเสมอของ WC-Co กระจายแรงดันนี้ ป้องกันการเสียรูปเนื่องจากการอ่อนตัวเฉพาะที่ที่อุณหภูมิสูง
• ในทางตรงกันข้าม เหล็กกล้าความเร็วสูงแสดงความแข็งที่ไม่สม่ำเสมอที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดรอยบุ๋มในบริเวณที่อ่อนนุ่มกว่า และทำให้แม่พิมพ์เสียหาย

เพื่อเน้นย้ำข้อดีของมัน ด้านล่างนี้คือการเปรียบเทียบ WC-Co กับ "วัสดุที่ทนทานต่อการสึกหรอและทนความร้อน" ทั่วไปอื่นๆ ที่ใช้ในอุตสาหกรรม:

ดังที่แสดง แม้ว่าความทนทานต่อความร้อนของ WC-Co จะต่ำกว่าเซรามิกอะลูมินาเล็กน้อย แต่ก็สมดุลระหว่าง "ความทนทานต่อความร้อน + ความทนทานต่อแรงกระแทก" (เซรามิกมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวที่อุณหภูมิสูง) เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าความเร็วสูงและเหล็กกล้าคาร์บอน ข้อดีในด้านความทนทานต่อความร้อนและการคงความแข็งนั้นมีความสำคัญ—ทำให้เป็นหนึ่งในตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับสถานการณ์ "การสึกหรอที่อุณหภูมิสูง + การรับน้ำหนัก"

ความทนทานต่อความร้อนของ WC-Co แตกต่างกันไปตามสูตร โดยได้รับอิทธิพลหลักจากปริมาณโคบอลต์และขนาดเม็ดทังสเตนคาร์ไบด์ พิจารณาปัจจัยเหล่านี้เมื่อเลือกเกรด:

ด้วยความเหนียวที่เพียงพอเพื่อป้องกันการแตกร้าว ปริมาณโคบอลต์ที่ต่ำกว่าหมายถึงสัดส่วนของ WC ที่สูงกว่า—และความทนทานต่อความร้อนที่ดีกว่า:

• โคบอลต์ต่ำ (6–8% เช่น YG6): มีปริมาณ WC สูง รักษาความแข็ง ≥92% ที่อุณหภูมิสูง เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีแรงกระแทกต่ำและอุณหภูมิสูง (เช่น เครื่องมือเจียรไนความแม่นยำ)
• โคบอลต์ปานกลาง (8–12% เช่น YG8): สมดุลระหว่างความทนทานต่อความร้อนและความเหนียว เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีแรงกระแทกปานกลางและอุณหภูมิปานกลาง (เช่น เครื่องมือตัดอเนกประสงค์)
• โคบอลต์สูง (12–15% เช่น YG15): มีความเหนียวและความทนทานต่อแรงกระแทกดีเยี่ยม แต่รักษาความแข็ง ≤85% ที่อุณหภูมิสูง เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีแรงกระแทกสูงและอุณหภูมิต่ำ (เช่น ดอกสว่านเหมือง)

WC เม็ดละเอียด (1–3μm) มีขอบเกรนมากกว่า ซึ่งอะตอมโคบอลต์ทำหน้าที่เป็น "สารยับยั้ง" ที่แข็งแกร่งกว่าเพื่อป้องกันการเติบโตของเม็ดที่อุณหภูมิสูง:

• WC-Co เม็ดละเอียด (เช่น YG6X): หลังจาก 10 ชั่วโมงที่ 800°C การเติบโตของเม็ดคือ<5% และความแข็งยังคงไม่เปลี่ยนแปลง
• WC-Co เม็ดหยาบ (เช่น YG15): ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน การเติบโตของเม็ดเกิน 15% และความแข็งลดลง ~10%
• สำหรับสถานการณ์ที่มีความแม่นยำสูงที่อุณหภูมิสูง (เช่น อุปกรณ์ติดตั้งอุณหภูมิสูงของเซมิคอนดักเตอร์) ให้จัดลำดับความสำคัญของเกรดเม็ดละเอียด

หลายคนสันนิษฐานว่า WC-Co ขาดความทนทานต่อความร้อนเนื่องจากโคบอลต์มีจุดหลอมเหลวต่ำ (1,495°C)—นี่คือความเข้าใจผิดทั่วไปที่ละเลยโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ:

• ใน WC-Co โคบอลต์ไม่มีอยู่ "แยกกัน" แต่เป็น "ฟิล์มบาง" ที่ล้อมรอบเม็ด WC ได้รับการปกป้องโดย WC จะไม่นิ่มลงหรือไหลออกไปเหมือนโคบอลต์บริสุทธิ์ (ซึ่งจะกลายเป็นกึ่งของเหลวที่ 800°C)
• การทดสอบจริงแสดงให้เห็นว่า: ที่ 800°C เฟส Co ใน WC-Co จะอ่อนตัวลงเล็กน้อยเท่านั้น (ความแข็ง ~HRC 20) แต่ยังคงยึดเม็ด WC ในทางตรงกันข้าม โคบอลต์บริสุทธิ์เป็นกึ่งของเหลวอยู่แล้วที่ 800°C และไม่มีความแข็งแรง

ความทนทานต่อความร้อนของคาร์ไบด์ซีเมนต์ WC-Co ไม่ได้เกิดจากส่วนประกอบเดียว แต่เป็นการทำงานร่วมกันของ "โครงสร้างที่เสถียรหลอมเหลวสูงของ WC การยึดเกาะและการบัฟเฟอร์ที่อุณหภูมิสูงของโคบอลต์ และโครงสร้างจุลภาคที่หนาแน่นและสม่ำเสมอ" คุณสมบัตินี้ช่วยให้สามารถรักษาความแข็งได้ที่ 600–800°C ในขณะที่ทนต่อแรงกระแทกและภาระปานกลาง—ทำให้เหมาะสำหรับสถานการณ์ในอุตสาหกรรม เช่น การตัดโลหะ แม่พิมพ์อุณหภูมิสูง และสภาพแวดล้อมการขุดที่มีอุณหภูมิสูง

สำหรับผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมทังสเตนคาร์ไบด์ เมื่อแนะนำผลิตภัณฑ์ WC-Co ให้จัดตำแหน่งเกรดให้สอดคล้องกับ "อุณหภูมิการทำงานสูงสุด + ภาระการกระแทก" ของลูกค้า: เลือกเกรดเม็ดละเอียดโคบอลต์ต่ำ (เช่น YG6X) สำหรับสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูงและแรงกระแทกต่ำ เกรดเม็ดปานกลางโคบอลต์ปานกลาง (เช่น YG8) สำหรับสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิปานกลางและแรงกระแทกปานกลาง และเกรดเม็ดหยาบโคบอลต์สูง (เช่น YG15) สำหรับสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิต่ำและแรงกระแทกสูง