Часть 4: Классификация и области применения твердого сплава
Глава 12 Износостойкие детали из цементированного карбида и поверхностная инженерия
12.0 Обзор износостойких деталей из цементированного карбида и технологии обработки поверхности
Износостойкие детали из карбида играют важную роль в современной промышленности благодаря своим превосходным механическим свойствам и долговечности. Их высокая твердость (HV 1600-2500±30), отличная износостойкость (скорость износа <0,05 мм³ / Н · м ± 0,01 мм³ / Н · м) и отличная ударопрочность (энергия удара >50 Дж ± 5 Дж) делают их предпочтительными материалами для таких применений, как пресс-формы, уплотнения, сопла, горнодобывающие буры и поверхностные покрытия. Эксплуатационные параметры этих деталей демонстрируют значительные преимущества в практическом применении, такие как срок службы пресс-формы >10 ⁶ раз ±10 ⁵ раз, скорость утечки через уплотнение всего <0,01 мл/мин ±0,001 мл/мин, отклонение расхода сопла контролируется на уровне <1% ±0,1%, срок службы горнодобывающего бура более 100 часов ±10 часов и диапазон толщины поверхностного покрытия 50-500 мкм ±1 мкм. Благодаря геометрической оптимизации (например, коэффициент концентрации напряжений K_t <1,3±0,05), технологии термического напыления (например, WC-Co, прочность связи>70 МПа±1 МПа) и технологии поверхностного упрочнения (например, лазерная наплавка, твердость HV 2000-3000±50) эксплуатационные характеристики износостойких деталей из цементированного карбида были значительно улучшены, а износостойкость может быть снижена на 30%±5%, что эффективно продлевает срок службы и повышает эффективность работы.
12.0.1 Концепция износостойких деталей из цементированного карбида
Износостойкие детали из цементированного карбида относятся к износостойким деталям с высокими эксплуатационными характеристиками, изготовленным методом порошковой металлургии с использованием в качестве матрицы твердых фаз, таких как карбид вольфрама (WC), карбид титана (TiC) или карбид ниобия (NbC), дополненных металлическими связующими фазами, такими как кобальт (Co) и никель (Ni). Эти детали обладают сверхвысокой износостойкостью, поскольку размер их зерна обычно находится в диапазоне 0,2-2 микрон, и особенно подходят для промышленного применения в условиях высоких нагрузок, частого трения или экстремальных условий. Износостойкость цементированного карбида обусловлена балансом между его высокой твердостью и соответствующей прочностью. Значение твердости обычно находится в пределах от твердости по Виккерсу (HV) 1600 до 2500, что намного выше, чем у традиционной стали (HV 200-600), а при добавлении микроэлементов или композитных материалов (например, системы WC-Co) ее ударопрочность может достигать более 50 Дж, что достаточно для того, чтобы выдерживать механические удары и термические нагрузки. Целью проектирования износостойких деталей является не только продление срока службы (например, пресс-форма может выдерживать миллионы циклов штамповки), но и обеспечение стабильности в сложных рабочих условиях. Например, уплотнения должны поддерживать небольшую скорость утечки, а сопла должны обеспечивать точный поток. Эти характеристики делают их незаменимыми в обрабатывающей, горнодобывающей и энергетической промышленности.
12.0.2 Определение и значение поверхностной инженерии
Поверхностная инженерия — это технология, которая изменяет или покрывает поверхность материалов физическими, химическими или механическими методами с целью улучшения износостойкости, коррозионной стойкости, стойкости к высоким температурам или биосовместимости деталей. В износостойких деталях из цементированного карбида поверхностная инженерия значительно улучшает эксплуатационные характеристики поверхности с помощью таких процессов, как термическое напыление, лазерная наплавка и ионная имплантация. Например, технология термического напыления может наносить покрытие WC-Co на подложку с прочностью сцепления более 70 МПа и толщиной, контролируемой в диапазоне 50-500 микрон, что значительно повышает износостойкость; лазерная наплавка формирует металлургический связующий армирующий слой посредством локального плавления и быстрого затвердевания с твердостью до HV 2000-3000 и сниженной примерно на 30% износостойкостью, что эффективно продлевает срок службы деталей. Суть поверхностной инженерии заключается в оптимизации микроструктуры поверхности, снижении концентрации напряжений (K_t <1,3), улучшении усталостной прочности и сохранении общих механических свойств основного материала. Эта технология особенно важна при обработке твердого сплава, поскольку поверхность — это область, где деталь напрямую контактирует с внешней средой, и ее эксплуатационные характеристики напрямую влияют на надежность и срок службы всего компонента.
12.0.3 Предпосылки применения и разработка износостойких деталей из цементированного карбида и технологии обработки поверхности
Сочетание износостойких деталей из цементированного карбида и технологии поверхностной инженерии выигрывает от спроса современной промышленности на эффективное и долговечное оборудование. С развитием интеллектуального производства, зеленой энергетики и добычи полезных ископаемых в экстремальных условиях сценарии применения цементированного карбида продолжают расширяться. Например, в производстве пресс-форм детали из цементированного карбида отвечают требованиям высокоточной штамповки и сложной формовки за счет геометрической оптимизации и поверхностного упрочнения; в горнодобывающем бурении увеличение срока службы износостойких сверл напрямую снижает частоту замены и эксплуатационные расходы. Достижения в технологиях поверхностной инженерии, такие как нанопокрытия и многослойные композитные покрытия, еще больше способствовали применению цементированного карбида в высокотехнологичных областях, таких как аэрокосмические компоненты и медицинские приборы. Кроме того, в сочетании с технологией цифровых двойников и мониторингом в реальном времени, поверхностная инженерия может достигать динамической оптимизации производительности и адаптироваться к различным условиям работы.
множество аспектов, таких как износостойкие детали, термическое напыление, горнодобывающая промышленность и бурение, а также технология поверхностного упрочнения. Глубоко изучая свойства материалов, технологию обработки и сценарии применения, он стремится предоставить теоретическую поддержку и практическое руководство для смежных отраслей, особенно в оптимизации производительности и инновационных приложениях в условиях высоких нагрузок и износа.
12.1 Износостойкие детали из цементированного карбида
Износостойкие детали из цементированного карбида достигают высокой износостойкости (скорость износа <0,05 мм³/Н·м ± 0,01 мм³/Н·м) и длительного срока службы (>10 ⁶ раз ±10 ⁵ раз) за счет оптимизированной геометрической конструкции (радиус кривизны> 0,5 мм ± 0,01 мм), соотношения материалов (WC>90%±1%, Co 6%-12% ± 1%) и прецизионной обработки (температура спекания 1450°C ± 10°C). Эти детали хорошо работают в промышленных условиях с высокими нагрузками и частым трением. Их производительность обусловлена балансом между высокой твердостью (HV 1600-2200±30) и соответствующей прочностью (стойкость к разрушению K ₁ c 10-20 МПа·м ¹ / ² ± 0,5) цементированных карбидных материалов. Износостойкие детали из карбида широко используются в различных областях, включая карбидные штампы (для штамповки и формовки), карбидные уплотнения (для предотвращения утечки жидкости) и карбидные сопла (для точного впрыска). Их конструкция должна учитывать как износостойкость, так и ударопрочность, чтобы соответствовать требованиям различных условий работы.
12.1.1 Концепция износостойких деталей из твердого сплава
Износостойкие детали из цементированного карбида представляют собой композитные материалы, спеченные методом порошковой металлургии с карбидом вольфрама (WC) в качестве основной твердой фазы и кобальтом (Co) в качестве связующей фазы. Содержание WC обычно составляет более 90% ± 1%, что обеспечивает высокую твердость в качестве твердого скелета, в то время как содержание Co составляет от 6% до 12% ± 1%, что действует как связующая фаза для повышения ударной вязкости и стойкости. Наилучший баланс между твердостью и ударной вязкостью может быть достигнут путем регулирования соотношения. Процесс спекания проводится при высокой температуре 1450°C ± 10°C с использованием вакуума или аргона для защиты окружающей среды, гарантируя, что размер зерна контролируется в диапазоне 0,5-2 микрон, тем самым получая отличную износостойкость (скорость износа <0,05 мм³/Н·м). Такая низкая скорость износа позволяет сохранять размерную стабильность при длительном использовании. Например, пресс-форма может выдерживать более миллиона штамповок, в то время как уплотнения и сопла должны поддерживать небольшую скорость утечки (<0,01 мл/мин) и отклонение потока (<1%). Геометрически оптимизированная конструкция радиуса кривизны (>0,5 мм) эффективно снижает концентрацию напряжений и продлевает срок службы деталей, а ее ударопрочность (энергия удара>50 Дж) обеспечивает надежность при динамической нагрузке. Кроме того, износостойкие детали из цементированного карбида могут быть дополнительно улучшены в отношении высокотемпературных характеристик и стойкости к окислению путем добавления микроэлементов (таких как карбид тантала TaC или карбид ниобия NbC) для адаптации к более требовательным промышленным средам.
12.1.2 Характеристики износостойких деталей из твердого сплава
Характеристики износостойких деталей из цементированного карбида отражаются в их уникальной микроструктуре и физических свойствах. Высокая твердость (HV 1600-2200±30) делает его устойчивым к поверхностному износу и особенно подходит для обработки материалов высокой твердости (таких как закаленная сталь HRC 50-60 или титановый сплав HRC 30-35), а вязкость разрушения K ₁ c 10-20 МПа·м ¹ / ² ± 0,5 обеспечивает структурную целостность деталей в условиях ударов или вибрации. Кроме того, цементированный карбид также обладает превосходной коррозионной стойкостью (долговечность >1000 часов в кислотных или щелочных средах) и высокой температурной стабильностью (рабочая температура может достигать 800°C±50°C), что делает его выдающимся в химической, энергетической и металлургической областях. Теплопроводность (около 80-120 Вт/м·К) также помогает рассеивать тепло и уменьшать термические повреждения при резке или трении. Шероховатость поверхности (Ra 0,1-0,5 мкм) после прецизионной полировки дополнительно улучшает контактные характеристики и срок службы деталей. Эти свойства в совокупности составляют конкурентное преимущество износостойких деталей из твердого сплава в условиях высокоинтенсивной работы.
12.1.3 Баланс производительности износостойких деталей из цементированного карбида
Оптимизация производительности износостойких деталей из цементированного карбида неотделима от координации твердости и вязкости. Диапазон твердости HV 1600-2200±30 обеспечивает отличную стойкость к поверхностному износу и особенно подходит для обработки деталей высокой твердости (например, закаленной стали HRC 50-60); в то же время вязкость разрушения K ₁ c 10-20 МПа·м ¹ / ² ± 0,5 гарантирует, что детали не будут легко трескаться при столкновении с механическим ударом или термическим напряжением. Эта сбалансированная характеристика позволяет износостойким деталям из цементированного карбида хорошо работать в таких областях применения, как формование пресс-форм, герметизация и предотвращение утечек, а также управление впрыском. Например, пресс-форма должна выдерживать высокочастотные удары (сотни раз в минуту), уплотнение должно противостоять коррозионным средам (например, серной кислоте или соленой воде), а сопло должно точно контролировать динамику жидкости (отклонение потока <1%). Эти требования достигаются путем точного регулирования материалов и процессов. Кроме того, посредством термической обработки (например, низкотемпературного отпуска 500°C±20°C) или поверхностного покрытия (например, TiN или CrN) можно дополнительно повысить твердость (увеличение на 10%-20%) или снизить коэффициент трения (<0,3), тем самым оптимизируя производительность в конкретных сценариях применения.
12.1.4 Применение износостойких деталей из цементированного карбида
показали обширную и разнообразную ценность применения в промышленной сфере благодаря своей высокой твердости (HV 1600-2500), превосходной износостойкости (скорость износа <0,05 мм³ / Н · м) и ударопрочности (энергия удара>50 Дж). Ниже систематически организованы и оптимизированы их применения в соответствии с областями применения и функциональной логикой, охватывающими традиционное производство, новые высокотехнологичные отрасли и сценарии использования в особых условиях.
(1) Обработка и формовка металла
Твердосплавная форма
Широко используемый в штамповке металла, литье пластмасс под давлением и порошковой металлургии, он обладает высокой износостойкостью и размерной стабильностью, с типичным сроком службы более 10 ⁶ раз. Особенно в автомобильной промышленности (например, блоки двигателей и детали трансмиссии) и производстве электронных компонентов (например, корпуса мобильных телефонов и разъемы печатных плат), его высокая твердость (HV 1600-2200) обеспечивает точность и долговечность при длительном высокочастотном использовании, особенно в интеллектуальном производстве для поддержки точного формования сложных геометрий.
Твердосплавные режущие инструменты
Он используется для высокоскоростной резки (например, точения, фрезерования и сверления) в металлообработке и деревообработке. Благодаря высокой твердости (HV 1800-2500) и стойкости к высокотемпературному окислению (термостойкость до 900°C) он хорошо себя зарекомендовал в аэрокосмической промышленности (например, детали из титановых сплавов) и автомобилестроении (например, коленчатые валы двигателей). Скорость резки может достигать 200-300 м/мин, а срок службы может достигать 200-300 часов.
Твердосплавная экструзионная матрица
Для алюминиевых профилей и экструзии пластика, с термостойкостью до 600 °C, твердостью HV 1700-2100 и точностью размеров ±0,01 мм, он широко используется в строительной отрасли (например, при производстве дверей и окон из алюминиевого сплава) и производстве упаковочных материалов для обеспечения эффективности формования и качества поверхности.
(2) Контроль жидкости и герметизация
Уплотнения из карбида
Используется в насосах, клапанах и компрессорах для предотвращения утечки жидкости или газа со скоростью утечки <0,01 мл/мин. Его превосходная коррозионная стойкость и низкие трение делают его выдающимся в нефтехимической промышленности (например, в нефтеперерабатывающем оборудовании и трубопроводных системах) и в водоочистной промышленности (например, в насосах для очистки сточных вод и системах фильтрации), особенно при работе с кислотными или щелочными средами, он продлевает цикл технического обслуживания оборудования.
Карбидный сердечник и седло клапана
Используется для клапанов высокого давления в нефтегазовом и химическом оборудовании, обладает сопротивлением давлению >50 МПа, превосходной коррозионной стойкостью (стойкость к коррозии H₂S и CO₂ >2000 часов) и скоростью утечки <0,005 мл/мин, что обеспечивает надежную герметичность в экстремальных условиях.
Твердосплавное сопло
Применяется для пескоструйной обработки, распыления и 3D-печати, с отклонением потока <1%, хорошо работает в аэрокосмической промышленности (например, компоненты реактивных двигателей), аддитивном производстве (например, высокоточная металлическая 3D-печать), производстве полупроводников (например, оборудование для химического осаждения из паровой фазы) и энергетической промышленности (например, сопла газовых турбин). Его высокая износостойкость и точные возможности управления жидкостью значительно повышают эффективность производства и качество готовой продукции.
(3) Добыча полезных ископаемых и абразивная обработка
Карбидные горнодобывающие сверла
Он демонстрирует сверхдолгий срок службы (>100 часов) в экстремальных условиях, таких как глубокая добыча. Его высокая твердость и ударопрочность поддерживают эффективное бурение. Он широко используется в угольной, металлургической и нефтяной промышленности, снижая частоту замены и эксплуатационные расходы.
Шары и мелющие тела из карбида
Используется для переработки минералов, производства керамики и шлифования покрытий, с диапазоном диаметров шаров 5-50 мм, твердостью HV 1600-2000 и скоростью износа <0,01%/час, что значительно повышает эффективность измельчения и однородность продукта, особенно при подготовке материалов для литиевых аккумуляторов и производстве высококачественной керамики.
(4) Трансмиссия и механические части
Твердосплавные ролики
В процессе горячей и холодной прокатки в сталелитейной промышленности толщина износостойкого слоя достигает 5-10 мм, а твердость HV 1500-2000, что обеспечивает качество поверхности проката (Ra < 0,8 мкм) и срок службы > 5000 тонн проката. Его устойчивость в условиях высоких нагрузок (давление > 200 МПа) и высоких температур (600-1000 °С) делает его незаменимым в тяжелом металлургическом оборудовании.
Карбидные шестерни и детали трансмиссии
Используется в тяжелой технике, ветроэнергетическом оборудовании и судовых двигательных установках, твердость поверхности зубьев составляет HV 1800-2200, усталостная прочность >1000 МПа, снижает износ и шум, хорошо работает в условиях высокого крутящего момента (>500 Нм) и имеет срок службы до 10 лет.
Втулки подшипников из карбида
Он обеспечивает низкий износ и высокую нагрузку в тяжелой технике и оборудовании для генерации ветровой энергии, обладает превосходной износостойкостью и противоусталостными характеристиками, а также широко используется в условиях высоких скоростей (>3000 об/мин) и высоких нагрузок (>10 кН).
(5) Проволока и точное производство
Волочильные фильеры из карбида
Применяется в производстве металлической проволоки и кабелей, с допуском диаметра отверстия ±0,001 мм и шероховатостью поверхности Ra <0,1 мкм, подходит для волочения медной проволоки, стальной проволоки и заготовок оптоволокна со сроком службы >10 4 циклов волочения, особенно в электронной и коммуникационной промышленности (например, в инфраструктуре 5G).
(6) Медицинская и специальная промышленность
Компоненты медицинских устройств из цементированного карбида
Такие как ортопедические хирургические пилы и стоматологические сверла диаметром 0,5-6 мм, твердостью HV 1800-2200, биосовместимостью в соответствии со стандартами ISO 10993 и сроком службы >50 операций. В 2025 году с развитием медицинской робототехники ее применение в малоинвазивной хирургии и обработке имплантатов возрастет.
(7) Новые области и будущий потенциал
С развитием промышленных технологий износостойкие детали из карбида показали широкие перспективы в оборудовании для производства аккумуляторов электромобилей (повышение точности обработки электродного материала), компонентах сочленений роботов (повышение долговечности движения) и обработке оборудования для исследования космоса (например, компоненты космических аппаратов, устойчивые к высоким температурам). Кроме того, его высокая износостойкость и стабильность также стали ключевой поддержкой в производстве квантового вычислительного оборудования и оборудования для возобновляемой энергии (например, оборудования для производства водорода). В будущем, в сочетании с проектированием оптимизации искусственного интеллекта и технологией устойчивого производства, границы его применения будут еще больше расширены.
Эти области применения выигрывают от превосходных характеристик твердого сплава, а его эффективность в различных промышленных условиях способствовала комплексному переходу от традиционного производства к передовым технологиям.
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
