Часть 3: Оптимизация производительности твердого сплава
Глава 8: Коррозия и стойкость к высоким температурам твердого сплава
Твердый сплав — это композитный материал, изготовленный методом порошковой металлургии с карбидом вольфрама (WC) в качестве основной твердой фазы и кобальтом (Co), никелем (Ni) и другими металлами в качестве связующей фазы. Его превосходные характеристики делают его широко используемым в режущих инструментах, горнодобывающем оборудовании и износостойких деталях. Далее будет кратко рассмотрена его концепция и типичные характеристики с двух сторон: коррозионная стойкость и стойкость к высоким температурам.
Коррозионная стойкость твердого сплава
Коррозионная стойкость относится к способности твердого сплава противостоять химической эрозии в агрессивных средах (таких как кислоты, щелочи и солевые растворы). Это свойство в основном зависит от состава и микроструктуры материала.
Фаза связи твердого сплава играет ключевую роль в его коррозионной стойкости. Твердый сплав с кобальтом в качестве связующей фазы (например, серия YG) плохо работает в кислых средах. Например, в сернокислых или солянокислых средах кобальт легко корродирует, в результате чего поверхность материала постепенно растворяется. Если взять в качестве примера YG6 (содержащий 6% кобальта), то его скорость коррозии в 10% соляной кислоте при комнатной температуре составляет около 0,1–0,2 мм/год, в то время как он практически не корродирует в слабощелочных или нейтральных средах (например, 10% раствор гидроксида натрия). Напротив, твердый сплав с никелем в качестве связующей фазы (например, серия YN) демонстрирует более высокую коррозионную стойкость, особенно в щелочных и окислительных средах. Он более стабилен и подходит для использования в суровых условиях, таких как морская среда. Кроме того, дефекты в микроструктуре также могут существенно влиять на коррозионную стойкость. Если в твердом сплаве имеется высокая пористость или он содержит примеси, такие как свободный углерод и η-фаза, эти дефекты станут отправной точкой коррозии и ускорят деградацию материала.
Высокая термостойкость твердого сплава
Высокая термостойкость относится к способности твердого сплава сохранять свою твердость, прочность и стойкость к окислению в условиях высоких температур. Эта характеристика также зависит от состава и температуры.
Твердый сплав хорошо работает при более низких температурах и обычно может сохранять высокую твердость и прочность ниже 600 °C. Например, YG8 (содержащий 8% кобальта) может по-прежнему сохранять твердость около 1200 HV при 600 °C, что всего на 20% ниже. Однако, когда температура превышает 800 °C, связующая фаза (например, кобальт) начинает размягчаться, что приводит к значительному снижению общей прочности и твердости материала. Если взять в качестве примера YG8, его твердость может упасть до 500-600 HV при 1000 °C. Кроме того, стойкость твердого сплава к окислению при высоких температурах также будет поставлена под сомнение. Карбид вольфрама будет преобразован в оксид вольфрама (WO ₃ ) в высокотемпературной окислительной среде, вызывая отслаивание поверхности и влияя на срок службы. Напротив, твердый сплав с добавлением карбида титана ( TiC ) (например, YT15) демонстрирует лучшую стойкость к окислению при 800°C, но его прочность все равно снизится на 20–30%.
Коррозионная стойкость и высокая термостойкость твердого сплава являются ключевыми показателями для его применения в суровых условиях. С точки зрения коррозионной стойкости никельсодержащий твердый сплав лучше работает в различных средах, в то время как кобальтсодержащий твердый сплав подвержен коррозии в кислых средах. С точки зрения высокой термостойкости твердый сплав стабилен при температурах ниже 600 °C, но его твердость и стойкость к окислению значительно снижаются при более высоких температурах. Эти характеристики определяют применимость твердого сплава в различных сценариях применения и обеспечивают важную основу для его выбора и использования.
Твердый сплав ( WCCo ) в суровых условиях является ключевым для его применения в химической, морской и авиационной областях. Например, в кислых растворах (pH<3±0,1) твердый сплав должен выдерживать сильное химическое воздействие; в морских солевых брызгах (>1000 часов ±100 часов) он должен предотвращать питтинг; в авиационных двигателях (>1000°C ±10°C) он должен сохранять прочность и стойкость к окислению. Однако электрохимическая активность связующей фазы Co (потенциал коррозии E_corr~0,3 В ±0,02 В по сравнению с SCE) легко вызывает коррозию, а WC окисляется при высоких температурах с образованием WO ₃ (толщина >1 мкм ±0,1 мкм), что приводит к ухудшению характеристик. Стратегию оптимизации необходимо начинать с микроструктуры (зерно WC 0,52 мкм ± 0,01 мкм, Co 6%12% ± 1%), добавок (таких как Cr ₃ C ₂ 0,5% ± 0,01%) и защиты поверхности (толщина покрытия 520 мкм ± 0,1 мкм) для достижения синергетического улучшения коррозионной стойкости и стойкости к высоким температурам.
обсуждает поведение и путь оптимизации WCCo в кислых, соляных и высокотемпературных средах с четырех сторон: механизм коррозионной стойкости , высокотемпературные характеристики , Метод оптимизации производительности , а также тестирование и оценка. Механизм коррозионной стойкости раскрывает природу коррозии с помощью электрохимической теории (кривая Тафеля, i_corr <10 ⁻⁶ A/см² ± 10 ⁻⁷ A/см²); высокотемпературные характеристики фокусируются на стойкости к окислению (увеличение веса <0,5 мг/см² ± 0,05 мг/см²) и термической усталости (трещина <0,1 мм ± 0,01 мм); метод оптимизации предлагает фазу связывания на основе Ni (скорость коррозии <0,01 мм/год ± 0,001 мм/год) и покрытие Cr ₃ C ₂ (твердость> HV 1500 ± 30); тестирование и оценка объединяют ISO 9227, ASTM G59 и испытание на тепловой удар (>500 раз ± 50 раз) для обеспечения количественной основы.
Например, потеря веса WC на основе Ni (Ni 10%±1%) в соляном тумане составляет <0,08 мг/см²±0,01 мг/см²; твердость инструментов с покрытием Cr₃C ₂ при 1000°C±10°C составляет >HV 1200±30, а срок службы составляет >5000 часов±500 часов. Эта глава органично связана с главой 6 (Скорость износа покрытия <0,06 мм³/Н·м±0,01 мм³/Н· м) и главой 7 (K ₁ c 820 МПа·м¹/²±0,5), закладывая основу для главы 9 (Многофункциональные композиционные материалы).
8.1 Механизм коррозионной стойкости твердого сплава
Коррозионная стойкость цементированного карбида является важной основой для его долговременной службы в агрессивных химических средах (таких как кислота, соляной туман и щелочная среда). Скорость потери веса обычно контролируется на уровне 0,1 мг/см² ± 0,01 мг/см² , показывая хорошую стабильность и способность эффективно противостоять коррозии в кислых (pH < 3 ± 0,1), соляных туманах (концентрация NaCl 5% ± 0,1%) и щелочных (pH > 10 ± 0,1) средах. Процесс коррозии в основном обусловлен электрохимической активностью связующей фазы (такой как кобальт, Co), а плотность ее коррозионного тока ( i_corr ) составляет около 10 ⁻⁵ А/см² ± 10 ⁻⁶ А/см², что приводит к преимущественному растворению кобальта, что, в свою очередь, вызывает отпадение частиц карбида вольфрама (WC) (размером 0,52 мкм ± 0,01 мкм ), образуя коррозионные язвы диаметром около 110 мкм ± 0,1 мкм . Хотя сам WC обладает чрезвычайно высокой химической стабильностью, а скорость его растворения крайне низка (< 10 ⁻⁸ г/см² · ч ± 10 ⁻⁹ г/см² · ч), если прочность связи между WC и границей раздела фаз связывания (> 100 МПа ± 10 МПа) недостаточна, на границе раздела, вероятно, произойдет отслоение, что значительно ускорит коррозионное разрушение. Для повышения коррозионной стойкости необходимо снизить плотность тока коррозии фазы связывания (целевой i_corr < 10 ⁻⁶ А/см² ± 10 ⁻⁷ А/см² ) , улучшив ее электрохимическую стабильность (потенциал коррозии E_corr > 0,2 В ± 0,02 В по сравнению с SCE) и усилив прочность связи границы раздела WC-Co.
Из электрохимического поведения WC и фазы связывания следует, что коррозия по сути является электрохимическим процессом. Кобальт действует как анод для окислительного растворения (Co → Co ² ⁺ + 2e ⁻ ) , в то время как WC из-за своей высокой химической инертности часто участвует в реакции как катод. Этот гальванический эффект является основной движущей силой коррозии. В кислой среде (pH < 3 ± 0,1) ионы H ⁺ ускоряют реакцию растворения кобальта, в то время как в среде солевого тумана (NaCl 5% ± 0,1%) ионы Cl ⁻ могут разрушать пассивирующую пленку на поверхности кобальта, что приводит к усилению точечной коррозии. Микроскопический анализ показывает, что коррозионные ямки в основном сосредоточены на границе раздела WC-Co, что указывает на то, что недостаточная межфазная связь является ключевым фактором отказа. Этот механизм был дополнительно проверен путем изучения электрохимической теории и стандартов испытаний (таких как ISO 9227, ASTM G59). В реальных случаях скорость потери веса цементированного карбида WC-10Co в среде соляного тумана составляет 0,09 мг/см² ± 0,01 мг/см² , что отражает ограничение его коррозионной стойкости.
В целом, механизм коррозионной стойкости цементированного карбида в основном включает электрохимическое растворение связующей фазы и разрушение интерфейса , что проявляется в виде питтинга и отслоения частиц в кислых и солевых средах. За счет снижения плотности тока коррозии, улучшения электрохимической стабильности и усиления силы связи интерфейса его коррозионная стойкость может быть эффективно улучшена, что обеспечивает теоретическую поддержку его применения в суровых условиях.
READ MORE:
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
