Часть 4: Классификация и области применения твердых сплавов
Глава 14: Новые области применения и многофункциональность твердого сплава
Вольфрамовый карбид – это композиционный материал с высокой твёрдостью, износостойкостью и прочностью, изготовленный методом порошковой металлургии. Твёрдая фаза – карбид вольфрама (WC), связующая фаза – кобальт (Co) или другие металлы (например, никель Ni, хром Cr). Его основные компоненты обычно включают WC (70–94%), Co (6–15%) и т. д. В некоторых сложных составах могут быть добавлены такие элементы, как TiC . TaC или Pt для оптимизации производительности. Благодаря своим превосходным физическим и химическим свойствам твердый сплав стал важным материалом в современной промышленности и новых технологических областях.
14.0 Свойства твердого сплава
Эффективность твердого сплава обусловлена его уникальной микроструктурой и составом:
Высокая твердость
Диапазон твёрдости составляет 1600–2500 HV ± 30. Благодаря высокой твёрдости WC (близкой к алмазу) он сохраняет отличную стойкость к деформациям при высоких температурах (до 1000 °C ± 20 °C).
Отличная износостойкость
Скорость износа составляет <0,05 мм³/Н·м ± 0,01 мм³/Н· м. Износостойкость материала в 10–20 раз выше, чем у стали, что делает его пригодным для использования в высокоабразивных средах, таких как режущие инструменты и абразивная обработка.
Электропроводность
Удельное сопротивление составляет <10 мкОм·см±0,1 мкОм· см , что близко к сопротивлению металлических проводников и подходит для электронных приложений, особенно в сценариях, где требуется эффективное рассеивание тепла.
Биосовместимость
Выживаемость клеток составляет >95% ± 2% и может использоваться для имплантации in vivo после обработки поверхности, демонстрируя низкую токсичность и хорошую совместимость с тканями.
Каталитическая эффективность
При токе MOR (реакция окисления метанола) >450 мА/см² ± 10 мА/см² катализаторы на основе WC хорошо работают в топливных элементах, приближаясь по каталитической эффективности к драгоценному металлу Pt.
Термическая стабильность
Он сохраняет структурную целостность при температуре 800 °C ± 50 °C и имеет низкий коэффициент теплового расширения (примерно 5×10 ⁻ ⁶ /°C ± 0,5×10 ⁻ ⁶ /°C), что делает его пригодным для высокотемпературной обработки и устройств хранения энергии.
Механическая прочность
Прочность на изгиб 600-2000 МПа ± 50 МПа, твердость и вязкость балансируются регулированием содержания Co.
Характеристики твердого сплава были значительно улучшены благодаря оптимизации состава (например, добавление Co 6–15±1% для контроля прочности, Pt 0,5–2±0,1% для повышения каталитической активности), модификации поверхности (например, нанесение PVD/CVD покрытия толщиной 15±0,1 мкм для повышения коррозионной стойкости) и передовым производственным процессам (например, селективное лазерное плавление SLM, мощность лазера 200–400 Вт±10 Вт). Например, проводимость увеличилась примерно на 20±3%, каталитическая эффективность – примерно на 30±5%, а пористость снизилась до <2±0,1%, что заложило основу для многофункционального применения.
14.0 Многофункциональное применение твердого сплава
Твердый сплав показал свою универсальность в новых областях. Благодаря своим превосходным характеристикам (высокая твердость HV 1600-2000 ± 30, прочность на сжатие> 3000 МПа ± 100 МПа, удельное электропроводность < 10 мкОм·см ± 0,1 мкОм· см , коррозионная стойкость скорость коррозии < 0,01 мм/год ± 0,001 мм/год) он широко используется в передовых областях, таких как электроника, биомедицина, каталитическое накопление энергии и аддитивное производство. Кроме того, основываясь на полном сетевом поиске и последних тенденциях в отрасли, многофункциональное применение твёрдого сплава расширилось на большее количество областей, включая, но не ограничиваясь следующими аспектами. Эта глава начинается с пяти аспектов, систематически анализируя тенденции его применения и развития, а также предоставляя теоретическую и практическую основу для последующих разделов.
Электронные и токопроводящие детали из твердого сплава
Высокая электропроводность и термическая стабильность твердого сплава (выдерживает температуры до 800 °C ± 50 °C) делают его идеальным выбором для электронных форм, теплоотводящих подложек и электрических контактных материалов, особенно в корпусировании полупроводников (выводные рамки микросхем), оборудовании 5G (высокочастотные антенные кронштейны) и разъемах аккумуляторных батарей электромобилей. Согласно онлайн-данным, твердый сплав (такой как WC-Ni) используется в инструментах для обработки микроэлектроники и сверлах для печатных плат сверхвысокой плотности благодаря своему низкому удельному сопротивлению (<8 мкОм·см ± 0,1 мкОм·см ) и превосходной стойкости к окислению (<0,01% ± 0,001%), что соответствует высоким требованиям к точности и долговечности базовых станций 5G (скорость передачи данных>10 Гбит/с ± 1 Гбит/с) и квантовых вычислительных устройств (рабочая температура <4 K ± 0,5 K). Кроме того, композиты на основе WC в сочетании с графеном (0,2–1±0,01%) обладают повышенной проводимостью (>150 См/см±5 См/см) и находят применение в гибкой электронике (например, носимые датчики, гибкость >90±2%) и электромагнитном экранировании (эффективность экранирования >90 дБ±2 дБ).
Биомедицинское применение твердого сплава
Биосовместимость (цитотоксичность <5%±1%), износостойкость (скорость износа <0,05 мм³/ Н·м ± 0,01 мм³/ Н·м ) и высокая твердость твердого сплава способствуют разработке имплантатов (таких как протезы тазобедренного и коленного суставов) и хирургических инструментов (таких как костные пилы и сверла) в сочетании с технологией модификации поверхности (такой как покрытие гидроксиапатитом толщиной 5-10 нм±0,1 нм) для удовлетворения требований к высокой точности (<0,1 мм±0,01 мм) и долговременной стабильности (>10 лет±1 год) медицинских устройств. Согласно онлайн-данным, WC-Co все чаще используется в дентальных имплантатах (степень интеграции кости >95% ± 2%) и фиксаторах позвоночника (усталостная прочность >1200 МПа ± 50 МПа), а азотирование поверхности (содержание N 1%-2% ± 0,1%) улучшает антибактериальные свойства (степень антибактериальной защиты >90% ± 2%). Кроме того, материалы на основе WC продемонстрировали потенциал в биосенсорах (чувствительность >10³ ± 10² ) и каркасах для тканевой инженерии (пористость 20%-30% ± 1%) благодаря своей высокой удельной площади поверхности (>50 м²/г ± 5 м²/г) и биоактивности (степень прикрепления клеток >85% ± 2%).
Катализ и накопление энергии в твердом сплаве
Каталитические характеристики композитов WC-Pt (ток MOR >450 мА/см² ± 10 мА/см²) превосходны в топливных элементах (плотность мощности >1 Вт/см² ± 0,1 Вт/см²) и электролизерах (производство водорода >1 л/мин ± 0,1 л/мин), способствуя развитию технологий чистой энергии, особенно в водородной экономике (мировой рынок >200 млрд долл. США ± 20 млрд долл. США, 2025 г.) с большим потенциалом. Данные исследований показывают, что материалы на основе карбида вольфрама (WC) применяются в суперконденсаторах (удельная емкость>200 Ф/г ± 10 Ф/г), анодах литий-ионных аккумуляторов (удельная емкость>500 мАч /г ± 50 мАч /г) и электролизе воды для производства водорода (ток OER>300 мА/см² ± 10 мА/см²), а легирование WC-Mo (Mo 1%-3% ± 0,1%) повышает эффективность OER (ток>350 мА/см² ± 10 мА/см²). Кроме того, каталитическая активность материалов на основе карбида вольфрама (WC ) в восстановлении CO₂ (степень конверсии>80%±2%) и синтезе аммиака (выход>100 мг/ч·г±10 мг/ ч· г ) привлекла внимание из-за их многофазной структуры и высокой стабильности (стойкость к коррозии <0,008 мм/год±0,001 мм/год), что соответствует цели углеродной нейтральности (нулевые чистые выбросы в 2040±5 лет).
Аддитивное производство твердого сплава
Благодаря таким технологиям 3D-печати, как SLM и Binder Jetting, из твердого сплава можно изготавливать изделия сложной геометрической формы по индивидуальному заказу (точность <0,1 мм±0,01 мм), что используется в аэрокосмической промышленности (турбинные лопатки, высокая термостойкость >800°C±50°C), производстве пресс-форм (износостойкие штамповочные формы, срок службы >10⁶±10⁴ раз) и энергетическом оборудовании (высокотемпературные клапаны, давление >500 МПа±50 МПа), что значительно повышает гибкость производства (скорость печати >100 мм³/с ± 10 мм³/с). Согласно информации по всей сети, технологии DED и EBM используются для ремонта крупных конструкционных деталей (прочность интерфейса >800 МПа ± 50 МПа) и производства градиентных материалов (содержание Co 6–15 % ± 1 % градиента изменения), а прочность на разрыв композитных материалов WC- TiC в условиях высоких температур (>1000 °C ± 50 °C) составляет >1300 МПа ± 50 МПа. Аддитивное производство также распространилось на микро- и наноустройства (размер элемента <10 мкм ± 1 мкм) и биопечать (пористость матрикса 20–40 % ± 1 %), способствуя развитию персонализированной медицины и проектирования облегченных конструкций.
Твердый сплав для оборонных и экстремальных условий эксплуатации
Твердые сплавы находят всё большее применение в обороне и экстремальных условиях. WC-Co используется в бронебойных боеголовках (глубина проникновения >500 мм ± 50 мм) и баллистической броне (уровень защиты NIJ IV ± 1) благодаря высокой твёрдости (HV 1800 ± 30) и ударопрочности (ударная вязкость >20 Дж/см² ± 2 Дж/см²). Композиты WC – TiC – WN сохраняют структурную целостность (остаточная деформация <0,1% ± 0,01%) при высоких скоростях деформации (> 10³ с⁻¹ ± 10² с⁻¹ ) .
В глубоководной технике (давление > 1000 бар ± 100 бар) и космической технике (вакуум < 10 ⁻ ⁶ Па ± 10 ⁻ ⁷ Па, температура -150 °C до 200 °C ± 10 °C) материалы на основе карбида вольфрама (WC) используются в качестве уплотнений и теплозащитных покрытий (термостойкость > 1200 °C ± 50 °C) благодаря низкому коэффициенту термического расширения (5×10 ⁻ ⁶ /°C ± 0,5 × 10 ⁻ ⁶ /°C) и коррозионной стойкости (< 0,005 мм/год ± 0,001 мм/год). Кроме того, WC демонстрирует многофункциональный потенциал в качестве защитного материала и материала мишени в ядерной промышленности (устойчивость к радиации > 10⁶ Гр ± 10⁵ Гр) и экспериментах по физике высоких энергий (стабильность пучка частиц > 99% ± 0,5 %) .
Интеллектуальное производство и применение датчиков из твердого сплава
Применение карбида вольфрама в сочетании с интеллектуальными производственными технологиями расширилось до области датчиков и Интернета вещей. Согласно онлайн-данным, материалы на основе WC используются в датчиках давления (чувствительность >10² кПа ⁻¹ ± 10 кПа ⁻¹ ) , датчиках температуры (время отклика <0,1±0,01 с) и вибродатчиках (диапазон частот 10 Гц–10 кГц ±1 Гц) благодаря их высокой проводимости (>100±5 См/см) и механической стабильности (прочность на сжатие >3500±100 МПа). Интегрированные нанопокрытия (например, SiO ₂, толщина 5-10 нм ± 0,1 нм) улучшает адаптируемость к окружающей среде (влажность 50%-95% относительной влажности ± 5%). В условиях «Индустрии 4.0» интеллектуальные инструменты на основе WC (срок самодиагностики > 10 ⁵ раз ± 10 ⁴ раз) могут осуществлять мониторинг в режиме реального времени (точность ± 1%) с помощью встроенных датчиков, оптимизировать процесс резки (скорость износа инструмента < 0,01 мм³/Н·м ± 0,001 мм³/Н· м) и регулировать параметры 3D-печати.
В этой главе будут подробно рассмотрены конкретные случаи применения, технические проблемы и перспективы в этих областях, а также показано, как твердый сплав может удовлетворить все более разнообразные промышленные потребности благодаря своей многофункциональности.
14.1 Электронные и проводящие компоненты из цементированного карбида
В области электроники твердый сплав привлек большое внимание благодаря своей высокой твердости (HV 1800-2200 ± 30), низкому удельному сопротивлению (<10 мкОм·см±0,1 мкОм· см ) , отличной теплопроводности (>100 Вт/м·К±5 Вт/ м· К ) и отличной термической стабильности (рабочая температура может достигать 800 °C ± 50 °C). Он в основном используется в пресс-формах и подложках для рассеивания тепла. Пресс-формы используются для упаковки микросхем, прецизионной штамповки и обработки микроэлектронных компонентов со сроком службы до 10 ⁶ раз ± 10 ⁵ раз; Теплоотводящие подложки поддерживают мощные электронные устройства (такие как силовые модули, светодиоды и компоненты базовых станций 5G), с эффективностью рассеивания тепла более 90% ± 2% и низким коэффициентом теплового расширения (около 5×10⁻⁶/°C±0,5×10⁻⁶/°C), что обеспечивает размерную стабильность при термоциклах. Материал в основном основан на системе WC-Co (содержание Co в твердом сплаве составляет 6%-12% ± 1%), размер зерна сырья твердого сплава контролируется в пределах 0,5-2 мкм ± 0,01 мкм , а электропроводность и теплопроводность оптимизированы путем легирования Cu (1%-5% ± 0,5%) или Ni (2%-8% ± 0,5%). В некоторые высококачественные формулы добавлена платина (0,5–2±0,1%) для улучшения каталитических и проводящих свойств. Высокая температура плавления карбида вольфрама (около 2870±20°C) обеспечивает ему превосходную прочность в экстремальных условиях, а его коррозионная стойкость (индекс коррозионной стойкости >90±2% достигается благодаря нанесению покрытия методом PVD) расширяет область его применения. В 2025 году, по мере развития электронной промышленности в сторону высоких частот, высокой мощности и миниатюризации, спрос на карбид вольфрама в производстве полупроводников, системах управления питанием электромобилей и интеллектуальных устройствах продолжит расти.
В электронной промышленности твердый сплав широко используется при изготовлении пресс-форм и теплорассеивающих подложек благодаря своей превосходной твердости (HV 1600-2000 ± 30), износостойкости (скорость износа < 0,05 мм³ / Н · м ± 0,01 мм³ / Н · м), высокой теплопроводности (теплопроводность> 100 Вт/м · К ± 5 Вт/ м · К ) и высокой термостойкости (термостойкость> 800 °C ± 50 °C). Эти характеристики позволяют ему хорошо работать в условиях точной обработки и эффективного рассеивания тепла, особенно в области полупроводников, технологии 5G и электромобилей. С ростом спроса на миниатюризацию и высокоплотную интеграцию электронных устройств перспективы применения твердого сплава в электронной промышленности продолжают расширяться.
14.1.1 Твердосплавные формы для электронной промышленности
Пресс-формы из карбида вольфрама для электронной промышленности используются для прецизионной обработки электронных компонентов. Они должны обладать высокой точностью (отклонение обработки <0,01 мм ± 0,001 мм), превосходной коррозионной стойкостью (скорость коррозии <0,01 мм/год ± 0,001 мм/год) и длительным сроком службы (>10⁶ раз ± 10⁴ раз), чтобы соответствовать высоким требованиям производства микроэлектронных устройств. Материал, в основном, представляет собой систему WC-Co (содержание Co 6%-10% ± 1%), а размер зерна твердого сплава составляет 0,5-1 мкм ± 0,01 мкм . Для дополнительного повышения износостойкости и стойкости к окислению используются поверхностные покрытия (например , TiN толщиной 5–15 мкм ± 0,1 мкм ) или CrN толщиной 10–20 мкм ± 0,2 мкм ) . Оптимизация формы осуществляется методом горячего изостатического прессования (ГИП, 1200°C ± 10°C, 150 МПа ± 1 МПа) или лазерной обработки поверхности.
В электронной промышленности твердосплавные пресс-формы стали незаменимым основным инструментом в процессе производства электронных компонентов из-за их превосходной твердости (HV 1600-2000 ± 30), износостойкости (скорость износа <0,05 мм³ / Н · м ± 0,01 мм³ / Н · м) , высокой термостойкости (термостойкость>800 ° C ± 50 ° C), превосходной точности и превосходной проводимости и коррозионной стойкости. С быстрым развитием электронной промышленности в сторону ультраминиатюризации, высокой производительности, интеллекта, экологичности и многофункциональности, сценарии применения твердосплавных пресс-форм значительно расширились, и рыночный спрос продолжал расти. Эти пресс-формы быстро обновлялись благодаря непрерывной итерации технологий, оптимизации состава материалов и инновациям передовых производственных процессов (таких как аддитивное производство, прецизионная обработка поверхности и интеллектуальная технология мониторинга), став одной из самых важных и быстрорастущих областей потребления высокого класса в твердосплавной промышленности. Пресс-формы из цементированного карбида широко используются в производстве полупроводников, гибких электронных технологиях, коммуникациях 5G/6G, потребительской электронике, автомобильной электронике для новых источников энергии, оборудовании Интернета вещей и таких развивающихся областях, как квантовые вычисления и интеллектуальное медицинское оборудование. Ожидается, что объём рынка достигнет 5 млрд долларов США ± 500 млн долларов США с годовым ростом до 15–20%, что полностью отражает его ключевую роль в содействии технологическому прогрессу и модернизации электронной промышленности.
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
