Стержни из карбида вольфрама являются чрезвычайно универсальными инструментами, используемыми в широком спектре производственных и инженерных задач. Этот твердый металл обладает превосходной твердостью, износостойкостью, прочностью и долговечностью, что делает его идеальным материалом для применения в областях, требующих высокой точности и производительности.
Что такое карбид вольфрама?
Карбид вольфрама, также известный как цементированный карбид, представляет собой композитный материал, изготовленный путем соединения металлического порошка вольфрама и углерода. Карбид вольфрама - один из самых твердых металлов, используемых сегодня в коммерческих целях. Он имеет твердость около 9 баллов по шкале Мооса, что немного выше, чем у титана, хрома и кобальтовых сплавов.
Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов - 3422°C. По весу он сопоставим со сталью, но гораздо плотнее, весит почти в два раза больше. Чрезвычайная твердость карбида вольфрама позволяет ему сохранять форму при высоких температурах и делает его очень устойчивым к износу.
Основные свойства карбида вольфрама
- Экстремальная твердость и высокая горячая твердость
- Отличная износостойкость и устойчивость к истиранию
- Высокий модуль Юнга
- Низкий коэффициент теплового расширения
- Устойчивость к деформации
- Прочность и выносливость
- Коррозионная стойкость
Эти уникальные свойства делают карбид вольфрама идеальным материалом для применения в условиях высоких температур, трения, коррозии и износа. Некоторые заметные свойства, которые отличают его от других материалов:
Твердость
Карбид вольфрама имеет 9 баллов по шкале Мооса, что делает его чрезвычайно твердым и жестким. Алмаз - единственный материал, который тверже. Твердость обусловлена взаимосвязанной кристаллической структурой карбида вольфрама и ковалентной связью между атомами углерода и вольфрама.
Твердость делает карбид вольфрама очень устойчивым к износу, истиранию, царапинам, сколам и деформации под нагрузкой. Это невероятно полезно для деталей, которые взаимодействуют с абразивными поверхностями или твердыми материалами.
Прочность
Карбид вольфрама обладает высокой прочностью и вязкостью, несмотря на свою чрезвычайную твердость. Прочность достигается за счет химических связей между атомами вольфрама и углерода. Детали, изготовленные из карбида вольфрама, могут выдерживать сильные удары без разрушения.
Тепловые свойства
Карбид вольфрама сохраняет свою твердость даже при очень высоких температурах. Прочность остается неизменной вплоть до 1000°C. Он имеет низкий коэффициент теплового расширения, поэтому устойчив к тепловым ударам.
Коррозионная стойкость
Карбид вольфрама обладает отличной коррозионной стойкостью и химической инертностью. Он противостоит коррозии от большинства минеральных кислот, используемых в обрабатывающей и химической промышленности. Однако он может быть атакован фтористоводородной кислотой.
Производство стержней из карбида вольфрама
Карбид вольфрама сложно изготавливать в виде стержней, для этого требуется порошковая металлургия. Вот основные этапы:
Измельчение и смешивание
Металлический порошок вольфрама высокой чистоты и углеродный порошок измельчаются в шаровой мельнице до получения однородной смеси частиц. Измельчение разрушает размер частиц и тесно смешивает порошки. Соотношение вольфрама и углерода определяет конечный сорт карбида вольфрама.
Нажатие на зеленую компактную
Измельченный порошок прессуется в нужную форму с помощью процесса, называемого холодным изостатическим прессованием. Огромное давление прикладывается равномерно во всех направлениях, чтобы сформировать твердую массу, называемую зеленым компактом. Зеленый компакт имеет форму конечной детали, но является пористым и хрупким.
Агломерация
Зеленый компакт нагревается до температуры чуть ниже температуры плавления вольфрама в контролируемой атмосфере водорода. Это приводит к тому, что частицы вольфрама и углерода соединяются металлургическим способом в плотную, твердую деталь в процессе, называемом жидкофазным спеканием. В итоге получается консолидированный материал из карбида вольфрама с исключительной твердостью.
Вторичная обработка
Спеченный материал из карбида вольфрама может потребовать дополнительных процессов, таких как шлифовка, токарная обработка, фрезерование или другие операции по отделке для достижения окончательных размеров стержня, чистоты поверхности, прямолинейности и округлости.
Степени карбида вольфрама стержни
Стержни из карбида вольфрама доступны в нескольких сортах, содержащих различное соотношение вольфрама и углерода. Различные сорта обеспечивают баланс между твердостью, вязкостью и прочностью. Некоторые общие карбида вольфрама классов для стержней включают:
- Марки K (K01, K05, K10, K20) - Содержат кобальт 3-25% в качестве связующего. Повышенное содержание кобальта увеличивает вязкость.
- Марки P (P01, P10, P20) - аналогичны маркам K, но имеют более мелкозернистую структуру для повышения твердости.
- Марки C (C1, C2, C3, C4) - чистый карбид вольфрама без кобальтовой связки. Твердость увеличивается от C1 до C4 по мере увеличения содержания углерода.
- Марки H (H10, H20, H30) - аналогичны маркам C, но имеют лучшую однородность твердости для высокой износостойкости.
- Марки N - марки с никелевым покрытием, используемые для обеспечения коррозионной стойкости.
- Марки M - сплавы карбида молибдена и карбида вольфрама. Лучшая твердость при высоких температурах по сравнению с чистым WC.
Области применения стержней из карбида вольфрама
Стержни из карбида вольфрама обеспечивают непревзойденную износостойкость и долговечность в самых сложных условиях эксплуатации. Вот некоторые из наиболее распространенных применений:
Компоненты станков и инструментов
- Режущие инструменты, такие как сверла, фрезы, дисковые пилы, токарные пластины
- Пуансон и плашки
- Фильеры для волочения проволоки
- Экструзионные фильеры для пластмасс и металлов
- Инструменты для формовки и штамповки
- Оправки, насадки и другие компоненты
Карбид вольфрама позволяет этим инструментам и компонентам выдерживать интенсивное трение, истирание и температуры без быстрого износа. Твердость также позволяет обеспечить очень жесткие допуски и точность.
Изношенные детали и поверхности
- Подшипники и опорные поверхности
- Уплотнительные поверхности
- Шары и седла шаровых кранов
- Форсунки
- Рабочие колеса и корпуса насосов
- Футеровка для бункеров, желобов, циклонов
Стержни WC идеально подходят для восстановления и наплавки этих быстроизнашивающихся деталей для продления срока службы. Устойчивость к коррозии также помогает им надежно работать в суровых условиях.
Горнодобывающая промышленность и строительство
- Кнопки для бурения скальных пород и проходческие головки
- Дробильное и пульверизационное оборудование
- Горные грохоты
- Конвейерные ролики
- Отвалы для грейдеров и снегоочистителей
Исключительная твердость карбида вольфрама позволяет этим деталям выдерживать сильные удары и абразивный износ, возникающие при горных, землеройных и строительных работах.
Резка и обработка металлов
- Направляющие стержни для станков
- Цанги и резцедержатели
- Захваты и концевые эффекторы для роботов
- Профильные ножи для резки металла
- Шнеки и валы экструдера
- Валики для тиснения
Жесткость, твердость и термостойкость карбида вольфрама позволяют ему выдерживать агрессивные режимы обработки без чрезмерного износа или прогиба.
Структурные характеристики стержней из карбида вольфрама
Стержни из карбида вольфрама обладают уникальными структурными и геометрическими характеристиками, которые обеспечивают их исключительную производительность:
Размер зерна
Размер зерна карбида вольфрама влияет на твердость и прочность. Более мелкие зерна размером менее 1 микрона обеспечивают оптимальную твердость. Более крупные зерна повышают вязкость. В стержнях используется мелкий размер зерна для твердости, но для необходимой прочности добавляется кобальт.
Пористость
Консолидация карбида вольфрама в процессе спекания направлена на максимальное уменьшение пористости. Полностью устранить поры сложно. Некоторое количество микроскопической пористости остается, но инженеры стараются ограничить ее до уровня менее 1%, чтобы предотвратить появление трещин.
Процентный вес вольфрама
Повышенное содержание вольфрама увеличивает твердость и модуль Юнга. Но при этом снижается вязкость разрушения. Кобальтовые или никелевые связующие сгибаются и перекрывают микротрещины. Для оптимизации свойств карбида вольфрама его процентное содержание и связующее сбалансированы.
Плотность
Теоретическая плотность карбида вольфрама составляет 15,63 г/куб. см, но практическая плотность варьируется от 13,5 до 15,1 г/куб. см. Более высокая плотность указывает на меньшую пористость. Большинство марок стремятся к почти полной плотности, чтобы максимизировать твердость и прочность.
Форма зерна
Зерна могут иметь округлую, угловатую или неправильную форму в зависимости от способа измельчения порошка. Угловые и взаимосвязанные зерна повышают прочность на сдвиг. Округлые зерна повышают сопротивление распространению трещин.
Обработка поверхности
Обработка поверхности стержня регулируется в зависимости от потребностей применения. Прецизионные стержни имеют превосходную чистоту поверхности менее 32 микрон. Необработанные стержни имеют повышенную твердость, идеально подходящую для износостойких применений.
Допуск на размеры
Размеры стержней, такие как прямолинейность, округлость и диаметр, выдерживаются с жесткими допусками. Твердосплавные стержни прецизионного класса имеют допуски +.0002/-.0000 дюймов по диаметру. Это обеспечивает производительность в прецизионных инструментах.
Как выбрать правильный сорт карбида вольфрама
Выбор оптимальной марки карбида вольфрама зависит в первую очередь от требований к применению. Вот ключевые факторы, которые следует учитывать:
Уровень твердости
Более твердые сорта с высоким содержанием вольфрама необходимы для экстремального истирания и износостойкости. Более мягкие сорта прочнее для применения в условиях сильных ударов.
Температура
Более высокое содержание кобальта повышает твердость при высоких температурах. Чистый карбид вольфрама хрупкий при температуре выше 600°C.
Условия коррозии
Никелевые связующие обеспечивают наилучшую защиту от коррозии. Кобальт/вольфрамовые марки устойчивы к разбавленным кислотам.
Потребности в точности
Более мелкозернистые сорта, такие как P и H, обеспечивают максимальную точность, плоскостность и прямолинейность.
Ударные и ударно-волновые нагрузки
Связующие с более высоким содержанием кобальта и никеля обеспечивают повышенную стойкость к разрушению для применения в условиях высоких циклических нагрузок.
Всегда обращайтесь к рекомендациям производителя, исходя из условий эксплуатации. Они могут предложить оптимальную марку или специальную рецептуру для максимального увеличения срока службы.
Лучшие методы обработки стержней из карбида вольфрама
Карбид вольфрама очень сложен в обработке из-за своей твердости. Однако поставщики прутков используют следующие методы для достижения точных допусков:
Алмазное шлифование
Алмаз - один из единственных абразивных материалов, достаточно твердых, чтобы шлифовать карбид вольфрама. Алмазные круги и ленты шлифуют твердосплавные стержни до окончательных размеров и чистоты поверхности. Для минимизации термических повреждений очень важны охлаждающие жидкости.
Электроэрозионная обработка (EDM)
EDM использует электрические искры высокой энергии для расплавления и испарения материала. Она очень эффективна при обработке сложных или тонких элементов в твердосплавных стержнях. Резы выполняются графитовым или медным электродом.
Лазерная резка
Лазеры обеспечивают высокую точность резки стержней из карбида вольфрама и позволяют создавать сложные внутренние геометрические формы. Лазер локально расплавляет карбид вдоль пропила. Избыток тепла может привести к изменению свойств материала.
Жесткое вращение
Твердосплавные токарные пластины с поликристаллическим алмазом или кубическим нитридом бора могут твердо обрабатывать твердосплавные стержни. Жесткие установки с минимальным биением необходимы для предотвращения вибрации и дребезга.
Сверление отверстий
Для отверстий малого диаметра в твердосплавных стержнях требуются микросверла с алмазным покрытием. Для отвода тепла и стружки используется охлаждающая жидкость под высоким давлением. Рекомендуется сверление по методу Пека и частая смена сверл.
WEDM
Проволочная электроэрозионная обработка позволяет точно вырезать отверстия и пазы в твердосплавных стержнях без приложения усилий и нагрева инструмента. Проволока никогда не соприкасается с заготовкой, поэтому износ инструмента исключен. Очень тонкая проволока позволяет выполнять мелкие точные детали.
Как ухаживать за стержнями из карбида вольфрама
Чтобы максимально продлить срок службы стержней из карбида вольфрама, необходимо обеспечить правильный уход и техническое обслуживание:
- Используйте соответствующие параметры резки - Избегайте чрезмерного нагрева, подач и скоростей.
- Использование залитой охлаждающей жидкости - предотвращает термическое микротрещинообразование во время обработки
- Бережное обращение - предотвращение сколов, вмятин, царапин, снижающих прочность.
- Тщательно очистите - удалите все масла, жиры, песок, грязь и остатки.
- Хранить надлежащим образом - хранить стержни в чистых, сухих условиях, вдали от вибрации
- Периодически осматривайте - проверяйте на наличие сколов, трещин, коррозии или повреждений.
- Восстановление изношенных поверхностей - электроэрозия, шлифовка или другая обработка изношенных поверхностей
- Замените поврежденные стержни - Не пытайтесь повторно использовать сломанные, треснувшие или разбитые стержни
При правильном уходе стержни из карбида вольфрама могут обеспечивать надежную работу в течение многих лет даже в самых сложных условиях. Обратитесь к рекомендациям производителя, чтобы узнать об идеальных процедурах обращения, обслуживания и хранения для конкретной марки карбида вольфрама.
Часто задаваемые вопросы
Каковы основные преимущества стержней из карбида вольфрама?
Чрезвычайная твердость, износостойкость, прочность и термостойкость позволяют стержням из карбида вольфрама превосходить другие инструментальные материалы в сложных условиях эксплуатации. Точность и жесткость обеспечивают точность работы даже в высокоточном приборостроении.
Почему карбид вольфрама такой твердый?
Твердость обусловлена плотной кристаллической структурой и прочными ковалентными связями между атомами вольфрама и углерода. Немногие материалы в природе соответствуют этой силе атомной связи, поэтому карбид вольфрама исключительно твердый и жесткий.
В каких отраслях промышленности используются стержни из карбида вольфрама?
К основным отраслям промышленности относятся обрабатывающая, аэрокосмическая, автомобильная, электронная, текстильная, нефтегазовая, горнодобывающая, строительная, медицинская и другие. В любой области применения, связанной с износом, трением, истиранием или высокой точностью, используется карбид вольфрама.
Можете ли вы обрабатывать стержни из карбида вольфрама?
Да, карбид вольфрама можно обрабатывать с помощью алмазного шлифования, электроэрозионной обработки или лазерной резки. Твердое точение с использованием пластин CBN или PCD также возможно для чистовой обработки. Твердость требует медленных подач/скоростей и более частой смены инструмента.
Как долго служат стержни из карбида вольфрама?
Правильно подобранные марки, используемые в соответствии с расчетными параметрами, могут служить годами и даже десятилетиями в экстремальных условиях. Содержание кобальта и качество изготовления определяют срок службы. Периодическое восстановление может продлить срок службы на неопределенное время.
Как изготавливаются стержни из карбида вольфрама?
Производство включает в себя измельчение порошков вольфрама и углерода, прессование их в компактную форму и спекание при высокой температуре для получения твердой консолидированной детали. Вторичные процессы обработки, такие как шлифовка, позволяют получить окончательные размеры и отделку стержня.
Можно ли сваривать или паять стержни из карбида вольфрама?
Да, карбид вольфрама может быть соединен с самим собой или другими материалами с помощью специализированных методов сварки. Пайка со сплавами с высоким содержанием серебра - обычное дело. Строгий контроль процесса необходим для предотвращения миграции углерода из карбида.
Дорогие ли стержни из карбида вольфрама?
Карбид вольфрама дороже стали из-за стоимости материала и производства. Однако длительный срок службы часто делает его более экономичным в долгосрочной перспективе для применения в условиях сильного износа. Стоимость зависит от марки, размера и качества.
В чем разница между вольфрамом и карбидом вольфрама?
Вольфрам - это чистый твердый металл, в то время как карбид вольфрама представляет собой композит из вольфрамового порошка и углерода. Карбид вольфрама намного тверже благодаря вольфрамо-углеродной матрице. Чистый вольфрам мягче, но обладает отличными высокотемпературными свойствами.
Опасен ли карбид вольфрама?
Как и большинство твердосплавных материалов, стержни из карбида вольфрама в твердом виде представляют мало опасности для здоровья и окружающей среды. Однако следует избегать вдыхания мелкой WC-пыли при шлифовке. При обработке карбида вольфрама всегда соблюдайте правила техники безопасности и обеспечивайте надлежащую вентиляцию.
Заключение
Обладая высочайшей твердостью и непревзойденной износостойкостью, карбид вольфрама в виде стержней, прутков, пластин или其他工具 стал материалом, который выбирают для самых ответственных применений в любой отрасли. Выбор оптимального сорта для каждой области применения и правильный уход за карбидом вольфрама позволяет производителям сократить время простоя, продлить срок службы оборудования и повысить производительность. По мере того как инженеры-материаловеды продолжают разрабатывать новые марки и нанокомпозиты из карбида, будущее выглядит блестящим для более широкого применения этого универсального и долговечного материала.
