3부: 초경합금의 성능 최적화
제8장 초경합금의 내식성 및 고온 저항성
초경합금은 텅스텐 카바이드(WC)를 주요 경질상으로 하고 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 기타 금속을 결합상으로 하여 분말 야금 공정으로 제조된 복합 소재입니다. 뛰어난 성능으로 절삭 공구, 광산 장비, 내마모성 부품 등에 널리 사용됩니다. 아래에서는 초경합금의 개념과 내식성 및 고온 내성이라는 두 가지 측면에서의 일반적인 특성에 대해 간략하게 살펴보겠습니다.
초경합금의 내식성
내식성은 초경합금이 부식성 매질(산, 알칼리, 염 용액 등)에서 화학적 침식에 저항하는 능력을 의미합니다. 이 특성은 주로 재료의 조성과 미세 구조에 영향을 받습니다.
초경합금의 결합상은 내식성에 중요한 역할을 합니다. 코발트를 결합상으로 사용한 초경합금(예: YG 시리즈)은 산성 환경에서 성능이 저하됩니다. 예를 들어, 황산이나 염산 환경에서는 코발트가 쉽게 부식되어 재료 표면이 서서히 용해됩니다. YG6(코발트 6% 함유)를 예로 들면, 상온 10% 염산에서의 부식 속도는 약 0.1~0.2mm/년인 반면, 약알칼리성 또는 중성 매질(예: 10% 수산화나트륨 용액)에서는 거의 부식되지 않습니다. 이와 대조적으로, 니켈을 결합상으로 사용한 초경합금(예: YN 시리즈)은 특히 알칼리성 및 산화성 매질에서 더 강한 내식성을 나타냅니다. YG 시리즈는 더 안정적이며 해양 환경과 같은 혹독한 환경에서 사용하기에 적합합니다. 또한, 미세 구조의 결함 또한 내식성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 초경합금에 기공률이 높거나 유리탄소, η상 등의 불순물이 포함되어 있는 경우 이러한 결함은 부식의 시작점이 되어 재료의 열화를 가속화합니다.
초경합금의 고온 저항성
고온 저항성은 초경합금이 고온 환경에서 경도, 강도 및 내산화성을 유지하는 능력을 의미합니다. 이 특성은 조성과 온도의 영향을 받습니다.
초경합금은 낮은 온도에서 좋은 성능을 발휘하며 일반적으로 600°C 미만에서 높은 경도와 강도를 유지할 수 있습니다.예를 들어, YG8(코발트 8% 함유)은 600°C에서 약 1200 HV의 경도를 유지할 수 있으며, 이는 약 20% 낮을 뿐입니다.그러나 온도가 800°C를 초과하면 결합 상(예: 코발트)이 연화되기 시작하여 재료의 전반적인 강도와 경도가 크게 감소합니다.YG8을 예로 들면 경도는 1000°C에서 500-600 HV로 떨어질 수 있습니다.또한 고온에서 초경합금의 산화 저항성도 문제가 됩니다.텅스텐 카바이드는 고온 산화 환경에서 텅스텐 산화물(WO₃ ) 로 변환되어 표면 박리를 유발하고 사용 수명에 영향을 미칩니다. 이와 대조적으로 티타늄 카바이드 ( TiC )를 첨가한 시멘트 카바이드(예: YT15)는 800°C에서 더 나은 산화 저항성을 보이지만 강도는 여전히 20%-30% 감소합니다.
초경합금의 내식성과 고온 내성은 가혹한 환경에서의 적용에 있어 핵심 지표입니다. 내식성 측면에서 니켈 함유 초경합금은 다양한 매체에서 우수한 성능을 보이는 반면, 코발트 함유 초경합금은 산성 환경에서 부식에 취약합니다. 고온 내성 측면에서 초경합금은 600°C 이하에서는 안정적이지만, 고온에서는 경도와 내산화성이 현저히 감소합니다. 이러한 특성은 초경합금의 다양한 적용 가능성을 결정하며, 초경합금의 선택 및 사용에 중요한 기준을 제공합니다.
초경합금 ( WCCo )은 가혹한 환경에서도 화학, 해양 및 항공 분야에 적용하는 데 핵심적인 역할을 합니다 . 예를 들어, 산성 용액(pH<3±0.1)에서 초경합금은 강한 화학적 공격에 대한 저항성을 가져야 하며, 해양 염수 분무(1,000시간±100시간 이상)에서는 점식(pitting)을 방지해야 합니다. 또한 항공기 엔진(1,000°C±10°C 이상)에서는 강도와 내산화성 을 유지해야 합니다 . 그러나 결합상인 Co의 전기화학적 활성(부식 전위 E_corr~0.3V±0.02V vs. SCE)은 부식을 쉽게 유발하고, WC는 고온에서 산화되어 WO₃(두께 >1μm±0.1μm)를 형성하여 성능 저하를 초래합니다. 최적화 전략은 미세 구조(WC 입자 0.52μm±0.01μm, Co 6%12%±1%), 첨가제(Cr₃ C₂ 0.5%±0.01%) 및 표면 보호(코팅 두께 520μm±0.1μm)에서 시작해야 하며, 이를 통해 내식성과 고온 저항성을 시너지 효과로 개선할 수 있습니다.
부식 저항 메커니즘 , 산성, 염분 분무 및 고온 환경에서 WCCo 의 동작 및 최적화 경로를 4가지 측면에서 논의합니다 . 고온 성능 , 성능 최적화 방법 및 시험 및 평가. 내식성 메커니즘은 전기화학적 이론(타펠 곡선, i_corr <10 ⁻6 A/cm²±10 ⁻⁷ A/cm²)을 통해 부식의 특성을 밝힙니다. 고온 성능은 내산화성(중량 증가 <0.5 mg/cm²±0.05 mg/cm²)과 열 피로(균열 <0.1 mm±0.01 mm)에 중점을 둡니다. 최적화 방법은 Ni 기반 접합상(부식률 <0.01 mm/년±0.001 mm/년)과 Cr₃ C₂ 코팅(경도 >HV 1500±30)을 제안합니다. 시험 및 평가는 ISO 9227, ASTM G59 및 열충격 시험(>500회±50회)을 결합하여 정량적 근거를 제공합니다.
예를 들어, 염수 분무에서 Ni 기반 WC(Ni 10%±1%)의 중량 손실은 <0.08 mg/cm²±0.01 mg/cm²이고, 1000°C±10°C에서 Cr₃C₂ 코팅 공구의 경도는 >HV 1200±30이며, 사용 수명은 >5000시간±500시간입니다. 이 장은 6장(코팅 마모율 <0.06 mm³/N·m±0.01 mm³/N· m) 및 7장 (K₁ c 820 MPa·m¹/²±0.5)과 완벽하게 연결되어 9장(다기능 복합 재료)의 기초를 마련합니다.
8.1 초경합금의 내식성 메커니즘
화학 환경(산, 염수 분무, 알칼리성 환경 등) 에서 장기간 사용하기 위한 중요한 기반입니다 . 중량 감소율은 일반적으로 0.1 mg/cm² ± 0.01 mg/ cm²로 제어되며, 우수한 안정성을 보이며 산성(pH < 3 ± 0.1), 염수 분무(NaCl 농도 5% ± 0.1%), 알칼리성(pH > 10 ± 0.1) 환경에서도 효과적으로 내식성을 발휘합니다. 부식 과정은 주로 결합 단계(예: 코발트, Co)의 전기화학적 활동에 의해 주도되며, 부식 전류 밀도( i_corr )는 약 10 ⁻5 A/ cm² ± 10 ⁻6 A/cm²로, 이로 인해 코발트가 우선적으로 용해되고, 이로 인해 텅스텐 카바이드(WC) 입자(크기 0.52 μm ± 0.01 μm )가 떨어져 나가 직경이 약 110 μm ± 0.1 μm 인 부식 구덩이가 형성됩니다 . WC 자체는 매우 높은 화학적 안정성을 가지고 용해 속도가 매우 낮지만(< 10 ⁻⁸ g/cm² · h ± 10 ⁻⁹ g/cm² · h), WC와 결합상 계면의 결합 강도(> 100 MPa ± 10 MPa)가 부족하면 계면에서 박리가 발생하기 쉬워 부식 파괴가 상당히 가속화됩니다. 내식성을 개선 하기 위해서는 결합상의 부식 전류 밀도(목표 i_corr < 10 ⁻⁶ A/cm² ± 10 ⁻⁷ A/cm² )를 낮추고 , 전기화학적 안정성(부식 전위 E_corr > 0.2 V ± 0.02 V vs. SCE)을 개선하고, WC-Co 계면의 결합 강도를 높여야 합니다.
WC의 전기화학적 거동과 결합 단계에서 부식은 본질적으로 전기화학적 공정입니다.코발트는 산화 용해(Co → Co²⁺ + 2e⁻ ) 에 대한 애노드 역할을 하는 반면, WC는 높은 화학적 불활성으로 인해 종종 캐소드로 반응에 참여합니다.이러한 갈바닉 효과는 부식의 주요 원동력입니다.산성 환경(pH < 3±0.1)에서 H⁺ 이온은 코발트의 용해 반응을 가속화하는 반면, 염분 분무 환경(NaCl 5%±0.1%)에서 Cl⁻ 이온은 코발트 표면의 부동태화 필름을 파괴하여 피팅이 증가할 수 있습니다.미시적 분석에 따르면 부식 피트는 대부분 WC-Co 계면에 집중되어 있어 계면 결합이 불충분한 것이 고장의 주요 요인임을 나타냅니다.이 메커니즘은 전기화학적 이론과 시험 표준(예: ISO 9227, ASTM G59)에 대한 연구를 통해 추가로 검증되었습니다. 실제 사례에서 WC-10Co 초경합금의 염분 분무 환경에서의 중량 감소율은 0.09 mg/cm² ± 0.01 mg/cm²로 내식성 의 한계를 반영합니다.
일반적으로 초경합금의 내식성 메커니즘은 주로 결합상의 전기화학적 용해와 계면 파괴에 관여하며 , 이는 산성 및 염분 분무 환경에서 공식(pitting)과 입자 분리(particle shedding)로 나타납니다. 부식 전류 밀도를 감소시키고, 전기화학적 안정성을 향상시키며, 계면 결합력을 강화함으로써 내식성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 이는 가혹한 환경에서의 적용에 대한 이론적 근거를 제공합니다.
READ MORE:
텅스텐 시멘트 카바이드 물리적 및 화학적 특성, 프로세스 및 응용 분야에 대한 포괄적 탐구 (I)
텅스텐 시멘트 카바이드 물리적 및 화학적 특성, 공정 및 응용 분야의 종합적 탐구( II )
텅스텐 시멘트 카바이드 물리적 및 화학적 특성, 공정 및 응용 분야의 종합적 탐구 ( III )
텅스텐 시멘트 카바이드 물리적 및 화학적 특성, 공정 및 응용 분야의 종합적 탐구 ( IV )
텅스텐 시멘트 카바이드 물리적 및 화학적 특성, 공정 및 응용 분야의 포괄적 탐구( V )
텅스텐 시멘트 카바이드 물리적 및 화학적 특성, 공정 및 응용 분야의 종합적 탐구 ( VI )
텅스텐 시멘트 카바이드 물리적 및 화학적 특성, 공정 및 응용 분야의 종합적 탐구 ( VII )
텅스텐 시멘트 카바이드 물리적 및 화학적 특성, 프로세스 및 응용 분야에 대한 포괄적 탐구 ( VIII)
Customized R&D and Production of Tungsten, Molybdenum Products
Chinatungsten Online and CTIA GROUP LTD have been working in the tungsten industry for nearly 30 years, specializing in flexible customization of tungsten and molybdenum products worldwide, which are tungsten and molybdenum design, R&D, production, and overall solution integrators with high visibility and credibility worldwide.
Chinatungsten Online and CTIA GROUP LTD provide products mainly including: tungsten oxide products, such as tungstates such as APT/WO3; tungsten powder and tungsten carbide powder; tungsten metal products such as tungsten wire, tungsten ball, tungsten bar, tungsten electrode, etc.; high-density alloy products, such as dart rods, fishing sinkers, automotive tungsten crankshaft counterweights, mobile phones, clocks and watches, tungsten alloy shielding materials for radioactive medical equipment, etc.; tungsten silver and tungsten copper products for electronic appliances. Cemented carbide products include cutting tools such as cutting, grinding, milling, drilling, planing, wear-resistant parts, nozzles, spheres, anti-skid spikes, molds, structural parts, seals, bearings, high-pressure and high-temperature resistant cavities, top hammers, and other standard and customized high-hardness, high-strength, strong acid and alkali resistant high-performance products. Molybdenum products include molybdenum oxide, molybdenum powder, molybdenum and alloy sintering materials, molybdenum crucibles, molybdenum boats, TZM, TZC, molybdenum wires, molybdenum heating belts, molybdenum spouts, molybdenum copper, molybdenum tungsten alloys, molybdenum sputtering targets, sapphire single crystal furnace components, etc.
For more information about tungsten carbide products, please visit the website: tungsten-carbide.com.cn
If you are interested in related products, please contact us:
Email: sales@chinatungsten.com
Tel: +86 592 5129696 / 86 592 5129595
