Часть 3: Оптимизация производительности твердого сплава
Глава 9: Многофункциональность цементированного карбида
Многофункциональность твердого сплава позволяет удовлетворить сложные потребности аэрокосмической промышленности (срок службы > 10 ⁴ часов ± 10³ часов), электронного производства (удельное сопротивление < 12 мкОм·см ± 0,1 мкОм·см) и интеллектуального оборудования (время отклика < 1 мс ± 0,1 мс) за счет регулирования проводимости, магнетизма, износостойкости, коррозионной стойкости, самосмазывания и интеллектуальных возможностей реагирования. Традиционный цементированный карбид известен своей высокой твердостью (HV 1800 ± 30) и износостойкостью (скорость износа < 0,06 мм³/Н·м ± 0,01 мм³/Н·м), но его проводимость (~10 МС/м ± 0,1 МС/м), магнетизм (интенсивность намагниченности насыщения < 10 эме/г ± 0,5 эме/г) и адаптивность недостаточны, что ограничивает его применение в многофункциональных сценариях. Оптимизация должна начинаться с микроструктуры (размер зерна 0,52 мкм ± 0,01 мкм), контроля состава (TiC 5%10%±0,1%, Ni 8%12%±0,1%) и поверхностной инженерии (глубина текстуры 110 мкм ± 0,1 мкм) для достижения синергетического улучшения производительности.
обсуждает многофункциональный путь цементированного карбида с точки зрения (1) электропроводности и (2) магнитного регулирования, (3) износостойких и коррозионно-стойких характеристик проводящего композита, (4) самосмазывания и антиадгезии и (5) бионического и интеллектуального цементированного карбида . Электропроводность и магнитное регулирование оптимизируются за счет содержания Co (10% ± 1%) и замещения Ni; износостойкие и коррозионно-стойкие характеристики проводящего композита фокусируются на системе WCTiCNi (твердость> HV 1600 ± 30, скорость коррозии < 0,01 мм/год ± 0,001 мм/год); самосмазывание и антиадгезия вводят MoS₂ ( 5% ± 0,1%) и текстуру поверхности (коэффициент трения < 0,2 ± 0,01); Бионический и интеллектуальный цементированный карбид опирается на градиентную структуру (пористость 5%20%±1%) и восприимчивые материалы (скорость деформации <0,1%±0,01%), и рассчитывает на интеллектуальные приложения. Эта глава связана с главой 8 (твердость покрытия Cr ₃ C ₂ > HV 1500±30) и обеспечивает основу для главы 10 (зеленое производство).
9.1 Контроль электропроводности и магнитных свойств твердого сплава
Электропроводность (проводимость ~10 МС/м±0,1 МС/м) и магнитные свойства (намагниченность насыщения <10 эме/г±0,5 эме/г) цементированного карбида напрямую влияют на его применение в электронных контактах (удельное сопротивление <12 мкОм·см±0,1 мкОм·см), магнитном тестировании (чувствительность >95%±2%) и контроле качества. Высокое удельное сопротивление WC (100 мкОм·см±5 мкОм·см) необходимо оптимизировать фазой связывания Co или Ni (проводимость >15 МС/м±0,2 МС/м), в то время как ферромагнетизм Co (коэрцитивная сила 100 Э±10 Э) обеспечивает основу для неразрушающего контроля. Регулирование требует баланса между проводимостью, магнетизмом и механическими свойствами (K ₁ c 1015 МПа·м¹/²±0,5).
В этом разделе обсуждается механизм управления и применение с точки зрения проводимости и магнитного обнаружения и контроля качества твердого сплава, объединяющего электрическую теорию (модель Друде), магнитный анализ (VSM, точность ±0,1 эме/г) и инженерные случаи. Например, WC10Co (Co 10%±1%) имеет проводимость 10,5 МС/м±0,1 МС/м и намагниченность 8 эме/г±0,5 эме/г, что соответствует требованиям электронных контактов и обнаружения качества.
9.1.1 Электропроводность твердого сплава (~10 МСм/м)
9.1.1.1 Обзор принципа и технологии проводимости твердого сплава
Электропроводность цементированного карбида (цель ~10 МС/м±0,1 МС/м) определяется проводимостью связующей фазы Co (15 МС/м±0,2 МС/м), а полупроводниковые свойства WC (удельное сопротивление 100 мкОм·см±5 мкОм·см) ограничивают общую производительность. Электропроводность σ следует модели Друде:
Где n — плотность свободных электронов (~10 ² ⁸ м ⁻ ³ ± 10 ² ⁷ м ⁻ ³ ), e — заряд электрона (1,6×10 ⁻ ¹ ⁹ Кл), τ — время релаксации (10 ⁻ ¹ ⁴ с±10 ⁻ ¹ ⁵ с), а m — масса электрона (9,1×10 ⁻ ³¹ кг). Высокое значение n у Co увеличивает σ, в то время как зерна WC (0,52 мкм±0,01 мкм) увеличивают рассеяние на границе раздела (скорость рассеяния 10 ¹ ⁴ м ⁻ ² ± 10 ¹³ м ⁻ ² ), снижая проводимость. Целью оптимизации является удельное сопротивление <12 мкОм·см±0,1 мкОм·см для удовлетворения требований электронных контактов. (Модель электропроводности Друде (σ) — это классическая теория, используемая для описания поведения движения носителей заряда (таких как свободные электроны) в металлах под действием электрического поля. Модель была предложена Полом Друде в 1900 году и предполагает, что электроны в металлах хаотично перемещаются в кристаллической решетке как свободные частицы и дрейфуют направленно под действием приложенного электрического поля.)
Тест использует метод четырех зондов (ток 1 мА ± 0,01 мА, точность ± 0,01 мкОм·см), а размер образца составляет 10×10× 5 мм ± 0,1 мм. Например, удельное сопротивление WC10Co (Co 10% ± 1%) составляет 11 мкОм·см ± 0,1 мкОм·см, что лучше, чем 15 мкОм·см ± 0,1 мкОм·см у WC6Co. Улучшение проводимости не только снижает джоулево тепло (< 0,1 Вт/см² ± 0,01 Вт/см²), но и повышает эффективность передачи сигнала (> 99% ± 1%). В этом разделе анализируется механизм, тестирование и оптимизация. ( Метод четырех зондов — это точный метод измерения электропроводности или удельного сопротивления материалов, особенно подходящий для характеристики полупроводников, тонких пленок и проводящих материалов. Этот метод снижает влияние контактного сопротивления и геометрических факторов за счет использования четырех зондов (обычно металлических игл или электродов) для повышения точности измерений. )
9.1.1.2 Анализ механизма электропроводности в цементированных карбидах
Твердые сплавы с карбидом вольфрама (WC) в качестве твердой фазы и кобальтом (Cobalt, Co) или никелем (Ni) в качестве связующей фазы представляют собой композитный материал с высокой твердостью, высокой износостойкостью и хорошей электропроводностью. Механизм его электропроводности в основном зависит от состава материала, микроструктуры и свойств электронного транспорта. Основываясь на классической теории и современных исследованиях, в этой статье кратко анализируется механизм проводимости твердого сплава:
(1) Вклад фазы связывания
Доминирующая роль кобальта в проводимости: как высокопроводящая фаза, кобальт имеет удельное сопротивление около 6 мкОм·см ± 0,1 мкОм·см и доминирует в передаче тока, образуя непрерывную сеть (объемная доля 10% ± 1%). Свободные электроны в кобальте дрейфуют направленно под действием электрического поля, которое является основным источником проводимости цементированного карбида.
Замещение никеля
Добавление никеля (8%-12% ± 0,1%, удельное сопротивление около 7 мкОм·см ± 0,1 мкОм·см) может заменить кобальт и дополнительно снизить удельное сопротивление до < 11 мкОм·см ± 0,1 мкОм·см. Уровень Ферми никеля (около 7 эВ ± 0,1 эВ) аналогичен уровню Ферми кобальта, а проводимость сопоставима, но коррозионная стойкость лучше (плотность тока коррозии icorr < 10 ⁻ ⁶ А/см² ± 10 ⁻ ⁷ А/см²), что делает его пригодным для применения в суровых условиях.
Влияние содержания связующей фазы
При увеличении доли фазы связи (например, с 6% до 15%) проводимость значительно увеличивается из-за увеличения числа путей миграции электронов; и наоборот, при уменьшении фазы связи проводимость уменьшается.
(2) Ограничение жесткой фазы
Низкая электропроводность карбида вольфрама
WC имеет характеристики ковалентной связи (энергия связи WC составляет около 700 кДж/моль ± 10 кДж/моль), низкую подвижность электронов (< 10 см²/В · с ± 1 см²/В · с) и высокое удельное сопротивление (около 100 мкОм·см ± 5 мкОм·см), а его вклад в общую проводимость ограничен.
Эффект частиц
Частицы WC диспергируются в связующей фазе, затрудняя свободное движение электронов, что приводит к снижению проводимости с увеличением содержания WC.
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
