nouvelles de l'entreprise Pourquoi les carbures cimentés sont-ils résistants à la chaleur?

Les carbures cimentés composés de carbure de tungstène (WC) comme phase dure et de cobalt (Co) comme phase liante sont des matériaux industriels rares qui conservent leur dureté même à haute température." Leur température maximale de fonctionnement continue peut atteindre 800 ° C, et peuvent résister à des températures de courte durée supérieures à 1 000°C, surpassant largement l'acier ordinaire (p. ex.L'acier 45° se ramollit au-dessus de 500°C) et l'acier à grande vitesse (W18Cr4V perd une dureté significative autour de 600°C)Cette résistance thermique n'est pas due à un seul facteur mais à laL'effet synergique de la stabilité inhérente au carbure de tungstène à haute température, des propriétés de liaison compatibles du cobalt et des caractéristiques microstructurelles formées par les deuxPour la production industrielle, cette caractéristique résout les problèmes critiques dans les scénarios à haute température:de la génération de chaleur par friction (600°C à 800°C) lors de la découpe des métaux aux températures de fonctionnement (400°C à 500°C) des moules à moulage sous pression en alliage d'aluminium, et l'usure des équipements miniers dans des environnements souterrains à haute température.Cet article analyse les principales raisons de la résistance thermique des carbures cimentés WC-Co à partir des propriétés des composants en trois dimensionsLes principes sont facilement compréhensibles.

La résistance thermique des carbures cimentés découle d'abord des propriétés inhérentes à leur composant principal: le carbure de tungstène." fournissant un support stable pour le matériau à haute températureCela se reflète dans trois aspects clés:

Le carbure de tungstène a un point de fusion extrêmement élevé de 2 870°C, bien supérieur aux températures élevées typiques des milieux industriels (la plupart des conditions de travail à haute température sont inférieures à 1 °C).000°C)À titre de comparaison:

• L'acier au carbone ordinaire a un point de fusion d'environ 1 538 °C et adoucit au-dessus de 500 °C en raison de la mobilité atomique accrue.
• L'acier à haute vitesse (W18Cr4V) a un point de fusion d'environ 1 400 °C; sa dureté descend de 62 HRC à moins de 50 HRC à 600 °C, ce qui le rend inutilisable pour la coupe.
• Même à 1 000 °C, le carbure de tungstène ne se ramollit que légèrement - son point de fusion n'est jamais atteint, de sorte qu'il ne fond pas ou ne subit pas d'effondrement structurel.

Le carbure de tungstène a unune structure cristalline hexagonale en paquet étroit (HCP)Cette structure empêche la diffusion atomique ou le désordre structurel à haute température:

• À température ambiante, cette structure confère à WC sa dureté élevée (HRA 90?? 93).
• À des températures élevées (par exemple, 800 ° C), les atomes vibrent légèrement mais maintiennent un arrangement ordonné, contrairement aux métaux ordinaires, qui se déforment à mesure que les atomes se relâchent et que les écarts s'élargissent.
• En revanche, l'acier à grande vitesse a une structure cubique centrée sur le corps (BCC), où les espaces atomiques s'étendent facilement à haute température, ce qui entraîne une perte de résistance rapide.

Dans les environnements industriels à haute température, les matériaux doivent résister non seulement à la "température" mais aussi à la "corrosion environnementale" (par exemple, oxydation dans l'air, réaction avec des fluides de coupe).Le carbure de tungstène présente des propriétés chimiques stables à haute température:

• En dessous de 800 °C, seule une fine pellicule d'oxyde (WO3) se forme à sa surface lorsqu'elle est exposée à l'air.
• Il ne réagit pas (par exemple, il ne se dissout ni ne s'érode) avec des supports industriels courants tels que des fluides de découpe de métaux ou des alliages d'aluminium fondu.
• Contrairement aux matériaux céramiques (par exemple, l'alumine), qui ont également des points de fusion élevés, les céramiques ont tendance à réagir avec des métaux fondus à des températures élevées, ce qui provoque une éclaboussure de surface, un problème évité par WC.

Une question fréquente se pose: le cobalt a un point de fusion de seulement 1 495°C, bien inférieur à celui du WC, alors pourquoi ne sapera-t-il pas la résistance thermique?le cobalt (généralement de 6 à 15% en poids) agit comme une "phase liante" et n'existe pas isolémentAu lieu de cela, il est uniformément dispersé entre les grains de WC, formant une microstructure où les grains de WC sont encapsulés par la phase Co.

À température ambiante, le cobalt est un métal ductile qui "lie" les grains d'égout durs mais fragiles pour éviter les fissures.le cobalt se ramollit légèrement (devenant "semi-solide") mais ne fond pas complètement ni ne s'écoule:

• Ce léger ramollissement " tamponne " en fait les contraintes thermiques entre les grains de WC (différents matériaux s'étendent à des vitesses différentes à des températures élevées, créant des contraintes),empêcher la fissuration du matériau en raison de l'accumulation de contraintes.
• Pendant ce temps, la force de liaison (liage métallurgique) entre les grains de cobalt et de WC reste forte à haute température, contrairement aux liants fabriqués à partir d'autres métaux à bas point de fusion (par exemple, cuivre, point de fusion 1,085°C), qui fondraient et perdraient leur capacité de liaison à 800 °C.

À des températures élevées, les grains du matériau ont tendance à "croître" (les petits grains fusionnent en plus grands), ce qui entraîne une perte de dureté.Le cobalt agit comme un "inhibiteur" pour empêcher la croissance excessive des grains de WC à haute température:

• Les atomes de cobalt s'adsorbent à la surface des grains WC (aux limites des grains), formant une "couche barrière" qui ralentit la diffusion des atomes WC et inhibe la fusion des grains.
• Sans cobalt, les grains de WC passeraient de 3 μm à plus de 8 μm après 10 heures à 800 °C, réduisant la dureté de 20%.

Au-delà des propriétés individuelles de ses composants, la "microstructure dense" formée par WC et cobalt améliore encore la résistance à la chaleur.Les carbures cimentés WC-Co de haute qualité sont soumis à un frittage à haute température (1La densité est généralement ≥ 14,5 g/cm3 et les avantages de cette structure sont les suivants:

Si un matériau contient des pores, de l'air à haute température ou des milieux corrosifs peuvent s'infiltrer à l'intérieur à travers ces pores, accélérant l'oxydation (par exemple,les céramiques à haute porosité s'oxydent 3 fois plus rapidement que le WC-Co)La structure dense de WC-Co:

• Il ne contient presque pas de pores visibles, de sorte que l'oxygène externe ne peut entrer en contact que avec la surface du matériau et ne peut pas pénétrer vers l'intérieur.
• Le film d'oxyde WO3 formé à la surface (en dessous de 800 °C) adhère étroitement à la structure dense, offrant une "double protection" contre une oxydation ultérieure.

Dans les scénarios à haute température, les matériaux supportent souvent des charges (par exemple, forces de coupe, pression de moule).La répartition uniforme des grains WC dans WC-Co assure que les charges sont uniformément transférées à travers la phase Co à chaque grain WC, en évitant une concentration de stress localisée:

• Par exemple, dans les moules à moulage sous pression en alliage d'aluminium, le moule doit résister à une pression de 20 MPa à 400 °C. La structure uniforme du WC-Co disperse cette pression,empêchant la déformation due à un ramollissement localisé à haute température.
• En revanche, l'acier à grande vitesse présente une dureté inégale à haute température, ce qui entraîne des entailles dans les zones plus molles et une défaillance du moule.

Pour souligner ses avantages, voici une comparaison du WC-Co avec d'autres "matériaux résistants à l'usure et à la chaleur" couramment utilisés dans l'industrie:

Comme indiqué ci-dessus, la résistance thermique du WC-Co est légèrement inférieure à celle de la céramique d'alumine, mais elle équilibre la résistance thermique et la résistance aux chocs (les céramiques sont sujettes à la fissuration à des températures élevées).Comparé à l'acier à grande vitesse et à l'acier au carbone, ses avantages en matière de résistance à la chaleur et de rétention de dureté sont importants, ce qui en fait l'un des meilleurs choix pour les scénarios "usure à haute température + charge supportante".

La résistance thermique du WC-Co varie selon sa formulation, principalement sous l'influence deteneur en cobaltettaille du grain du carbure de tungstène. Considérez ces facteurs lors du choix d'une note:

Avec une ténacité suffisante pour éviter les fissurations, une teneur en cobalt plus faible signifie une plus grande proportion de WC ̊ et une meilleure résistance à la chaleur:

• Faible teneur en cobalt (6% à 8%, par exemple, YG6): haute teneur en WC, conservant ≥92% de dureté à haute température. Convient pour les scénarios à faible impact et à haute température (par exemple, outils de broyage de précision).
• Cobalt intermédiaire (812%, par exemple, YG8): équilibre résistance à la chaleur et ténacité. Convient pour les scénarios à impact moyen et à température moyenne (par exemple, outils de coupe à usage général).
• Haut taux de cobalt (1215%, par exemple, YG15): Excellente ténacité et résistance aux chocs, mais conserve ≤ 85% de dureté à haute température.broyeurs miniers).

Le WC à grain fin (1 ‰ 3 μm) a plus de limites de grain, où les atomes de cobalt agissent comme des "inhibiteurs" plus puissants pour empêcher la croissance du grain à haute température:

• WC-Co à grains fins (par exemple, YG6X): après 10 heures à 800 °C, la croissance du grain est de < 5% et la dureté reste pratiquement inchangée.
• WC-Co à grains grossiers (par exemple, YG15): dans les mêmes conditions, la croissance des grains dépasse 15% et la dureté diminue de ~ 10%.
• Pour les scénarios de précision à haute température (par exemple, les luminaires à haute température à semi-conducteurs), privilégiez les grades de grains fins.

Beaucoup supposent que le WC-Co manque de résistance à la chaleur parce que le cobalt a un faible point de fusion (1,495°C). Ceci est un malentendu typique qui ignore la microstructure du matériau:

• Dans le WC-Co, le cobalt n'existe pas "isolément" mais sous forme de "film fin" entourant les grains de WC. Protégé par WC, il ne ramollit pas ou ne s'écoule pas comme le cobalt pur (qui devient semi-liquide à 800 °C).
• Les essais pratiques montrent que la phase Co dans WC-Co ne se ramollit que légèrement à 800 °C (dureté ~ HRC 20) mais qu'elle se lie toujours aux grains WC.

La résistance à la chaleur des carbures cimentés WC-Co n'est pas due à un seul composant mais à la synergie du squelette stable à haute fusion de WC, de la liaison et du tamponage à haute température du cobalt et d'une densité,microstructure uniforme." Cette caractéristique lui permet de conserver sa dureté à 600°800°C tout en résistant à des chocs et à des charges modérés, ce qui le rend idéal pour des scénarios industriels tels que la découpe des métaux, les moules à haute température,et environnements miniers à haute température.

Pour les professionnels de l'industrie du carbure de tungstène, lorsqu'ils recommandent des produits WC-Co, aligner la qualité avec la température maximale de fonctionnement + charge d'impact du client:Choisissez des matières fines à faible teneur en cobalt (e.par exemple, YG6X) pour les scénarios à haute température et à faible impact; les grades de cobalt à grains moyens (par exemple, YG8) pour les scénarios à température moyenne et à impact moyen; et les grades de cobalt à grains grossiers (par exemple,YG15) pour les températures basses, des scénarios à fort impact.