tin tức công ty về Can Tungsten Carbide be Welded to Steel? Có thể hàn tungsten carbide thành thép không?

Trong sản xuất công nghiệp, thường có nhu cầu kết hợp các bộ phận cacbua vonfram chịu mài mòn (chẳng hạn như lớp lót chống mài mòn, cạnh cắt dụng cụ) với các bộ phận thép cường độ cao (chẳng hạn như đế thiết bị, giá đỡ). Sự kết hợp này tận dụng khả năng chống mài mòn của cacbua vonfram và độ bền của thép. Tại thời điểm này, nhiều người tự hỏi: "Cacbua vonfram có thể được hàn trực tiếp vào thép không?" Là một người hành nghề trong ngành có nhiều năm kinh nghiệm giải quyết các vấn đề như vậy, câu trả lời rõ ràng là: Có, có thể thực hiện được, nhưng không dễ.

Sự khác biệt đáng kể về tính chất vật liệu giữa cacbua vonfram và thép (ví dụ: điểm nóng chảy, đặc tính giãn nở nhiệt) có nghĩa là các phương pháp hàn thông thường thường dẫn đến các vết nứt. Tuy nhiên, có thể đạt được liên kết đáng tin cậy bằng cách chọn quy trình hàn phù hợp và nắm vững các kỹ thuật chính. Bài viết này giải thích những lý do cốt lõi tại sao việc hàn khó khăn, 3 phương pháp công nghiệp khả thi, các tình huống ứng dụng thực tế và các biện pháp phòng ngừa để tránh thất bại—tất cả đều dựa trên kinh nghiệm thực tế tại nhà máy, đảm bảo sự rõ ràng và phù hợp cho việc sử dụng trong công nghiệp.

Thách thức cơ bản trong việc hàn cacbua vonfram (WC) vào thép (ví dụ: thép carbon, thép không gỉ) bắt nguồn từ các tính chất vật liệu khác biệt của chúng, chủ yếu ở ba khía cạnh:

Thép thường có điểm nóng chảy là 1.450–1.550°C, trong khi cacbua vonfram thể hiện độ ổn định kém ở nhiệt độ cao: trên 1.300°C, nó có xu hướng phân hủy (giải phóng carbon) và thậm chí trở nên giòn. Nhiệt độ cao của phương pháp hàn thông thường (ví dụ: hàn hồ quang, thường vượt quá 1.500°C) trực tiếp làm hỏng cacbua vonfram, khiến nó không hiệu quả trước khi hình thành liên kết chắc chắn.

Trong quá trình hàn, vật liệu giãn nở khi được nung nóng và co lại khi nguội. Thép có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn nhiều so với cacbua vonfram: ví dụ, thép carbon có hệ số khoảng 12×10⁻⁶/°C, trong khi của cacbua vonfram chỉ là 5×10⁻⁶/°C. Trong quá trình làm nguội, thép co lại nhiều hơn cacbua vonfram, tạo ra ứng suất nhiệt lớn gây ra các vết nứt mối hàn hoặc gãy cacbua vonfram.

Thép là một kim loại dễ uốn có thể biến dạng dưới áp lực mà không bị gãy. Ngược lại, cacbua vonfram là một vật liệu composite giống như gốm (bao gồm các tinh thể vonfram-carbon và chất kết dính coban) và vốn có tính giòn. Sự khác biệt này có nghĩa là sau khi hàn, biến dạng của thép dưới tải trọng được truyền trực tiếp đến cacbua vonfram, dẫn đến gãy giòn.

Trường hợp công nghiệp: Một xưởng đã từng cố gắng hàn lưỡi cacbua vonfram vào giá đỡ dụng cụ bằng thép bằng phương pháp hàn hồ quang thông thường. Trong quá trình làm nguội, ứng suất nhiệt từ sự co lại của giá đỡ thép đã khiến lưỡi cacbua vonfram bị nứt hoàn toàn dọc theo mối hàn—khiến toàn bộ lô chi tiết trở nên vô dụng.

Bất chấp những thách thức, các giải pháp công nghiệp trưởng thành tồn tại cho nhiệm vụ hàn này. Các chiến lược cốt lõi là "kiểm soát nhiệt độ để bảo vệ cacbua vonfram" và "giảm bớt ứng suất để tránh nứt." Dưới đây là ba phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất:

• Nguyên tắc quy trình: Nhiệt độ nung được kiểm soát trong khoảng 800–1.100°C—đủ cao để làm nóng chảy chất độn nhưng đủ thấp để ngăn chặn sự phân hủy hoặc giòn của cacbua vonfram. Khi nguội, chất độn đông đặc tạo ra liên kết cơ học và một phần luyện kim.
• Ưu điểm: Yêu cầu thiết bị thấp (hoạt động bằng cách nung nóng bằng ngọn lửa hoặc lò điện trở), chi phí thấp, phù hợp với sản xuất hàng loạt, ít gây hư hại nhiệt cho cacbua vonfram và hiệu quả hàn cao.
• Nhược điểm: Độ bền liên kết thấp hơn so với hàn nóng chảy, khả năng chống va đập kém và không phù hợp với các ứng dụng tải trọng cao hoặc va đập tần số cao.
• Tình huống ứng dụng:
  • Lớp lót chống mài mòn cho thiết bị khai thác (ví dụ: hàn các khối cacbua vonfram vào đế máy nghiền thép);
  • Dụng cụ cắt thông thường (ví dụ: nối các cạnh cacbua vonfram với thân máy bào gỗ bằng thép);
  • Vòng chống mài mòn cho máy bơm (ví dụ: hàn vòng cacbua vonfram vào thành trong của vỏ máy bơm bằng thép để tăng cường khả năng chống mài mòn).

Trường hợp công nghiệp: Một nhà sản xuất máy trộn bê tông đã sử dụng phương pháp hàn đồng để gắn các khối cacbua vonfram nhỏ vào lưỡi trộn bằng thép. Tuổi thọ của lưỡi dao kéo dài từ 3 tháng lên 12 tháng, với tổng chi phí giảm khoảng 30%.

• Nguyên tắc quy trình: Sự kết hợp của nhiệt độ thấp và áp suất cao ngăn chặn sự phân hủy cacbua vonfram đồng thời thúc đẩy sự khuếch tán nguyên tử. Không cần kim loại độn—liên kết dựa vào chuyển động nguyên tử bên trong chính vật liệu, dẫn đến độ bền mối hàn gần với độ bền của vật liệu cơ bản.
• Ưu điểm: Độ bền liên kết cực cao, không có giao diện mối hàn có thể nhìn thấy, độ bịt kín tuyệt vời, phù hợp với các bộ phận chính xác hoặc yêu cầu độ bền cao và tác động tối thiểu đến tính chất vật liệu sau khi hàn.
• Nhược điểm: Đầu tư thiết bị cao (yêu cầu lò khuếch tán nhiệt độ cao, áp suất cao chuyên dụng), chu kỳ sản xuất dài (mỗi mối hàn mất vài giờ), chi phí cao và không phù hợp với các bộ phận lớn hoặc không đều.
• Tình huống ứng dụng:
  • Ống chỉ cho van thủy lực (ví dụ: hàn bề mặt bịt kín cacbua vonfram vào ống chỉ thép để có hiệu suất không rò rỉ);
  • Chèn khuôn chính xác (ví dụ: nối các lỗ đục cacbua vonfram vào khung khuôn dập nguội bằng thép để có độ chính xác về kích thước);
  • Các bộ phận hàng không vũ trụ có độ bền cao (yêu cầu cả độ bền của thép và khả năng chống mài mòn của cacbua vonfram, với các yêu cầu về độ tin cậy nghiêm ngặt).

• Nguyên tắc quy trình: Năng lượng tập trung của laser giới hạn việc nung nóng ở một khu vực nhỏ (đường kính vũng nóng chảy thường là 0,5–2mm), cho phép kiểm soát chính xác nhiệt độ và lượng nhiệt đưa vào. Điều này giảm thiểu ứng suất nhiệt. Kim loại độn bù đắp cho sự khác biệt về vật liệu giữa cacbua vonfram và thép, cải thiện khả năng tương thích của mối hàn.
• Ưu điểm: Tốc độ hàn nhanh, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, khả năng hàn các hình dạng phức tạp (ví dụ: bề mặt cong, cạnh lỗ nhỏ), thích hợp cho sản xuất lô nhỏ hoặc sửa chữa bộ phận và hình thức mối hàn thẩm mỹ.
• Nhược điểm: Chi phí thiết bị cao (máy hàn laser sợi quang rất đắt), yêu cầu kỹ năng cao đối với người vận hành (cần kiểm soát chính xác tiêu điểm laser) và không phù hợp với các bộ phận cực lớn.
• Tình huống ứng dụng:
  • Sửa chữa các bộ phận bị mòn (ví dụ: hàn các lớp cacbua vonfram để khôi phục kích thước của trục thép bị mòn);
  • Sản xuất các dụng cụ không đều (ví dụ: nối đầu cắt cacbua vonfram với刀柄 thép cho dao phay tùy chỉnh);
  • Các bộ phận chính xác nhỏ (ví dụ: hàn các điểm mài mòn cacbua vonfram vào lõi van thép có đường kính ≤10mm).

Ngay cả với phương pháp hàn phù hợp, thao tác không đúng cách có thể dẫn đến nứt mối hàn, tách cacbua vonfram hoặc các vấn đề khác. Dựa trên kinh nghiệm công nghiệp, hãy tập trung vào bốn bước quan trọng này:

Dầu, lớp oxit hoặc gỉ trên bề mặt mối hàn sẽ làm giảm độ ướt của kim loại độn hoặc sự khuếch tán nguyên tử, dẫn đến lỗi liên kết. Các bước cụ thể:

• Bề mặt cacbua vonfram: Chà nhám bằng giấy nhám 800–1.000 grit để loại bỏ oxit cho đến khi nhìn thấy độ bóng kim loại đồng đều. Lau bằng cồn hoặc axeton để loại bỏ bụi chà nhám và dầu.
• Bề mặt thép: Loại bỏ gỉ bằng bàn chải thép hoặc ngâm axit, sau đó chà nhám để tạo bề mặt nhám (độ nhám Ra 1,6–3,2μm) để cải thiện độ bám dính với kim loại độn. Cuối cùng, làm sạch bằng axeton bằng vải không xơ.

Trường hợp tiêu cực: Một xưởng đã không loại bỏ hoàn toàn dầu khỏi đế thép trước khi hàn cứng. Mặc dù các cuộc kiểm tra ban đầu cho thấy liên kết tốt, nhưng khối cacbua vonfram đã tách ra sau 1 tuần hoạt động—do độ bám dính kém giữa kim loại độn và thép bị nhiễm dầu.

Nhiệt độ và thời gian rất quan trọng đối với chất lượng hàn; điều chỉnh chúng dựa trên phương pháp và loại vật liệu:

• Hàn cứng: Giữ nhiệt độ trong khoảng 800–1.100°C (tránh vượt quá 1.100°C để ngăn chặn sự phân hủy cacbua vonfram). Thời gian nung phải vừa đủ để làm nóng chảy chất độn và lấp đầy các khoảng trống (thường là 10–30 giây cho mỗi bộ phận).
• Liên kết khuếch tán: Duy trì nhiệt độ ở 600–1.000°C và áp suất đồng đều (để tránh gãy cacbua vonfram do ứng suất cục bộ). Thời gian giữ phụ thuộc vào độ dày của bộ phận (thường là 1–3 giờ để khuếch tán nguyên tử hoàn toàn).
• Hàn laser: Điều chỉnh công suất laser dựa trên độ dày của bộ phận (thường là 500–1.500W). Sử dụng gia nhiệt xung (chu kỳ gia nhiệt-tạm dừng-gia nhiệt) với 1–2 giây cho mỗi xung để tránh quá nhiệt.

Để giải quyết sự giãn nở nhiệt không khớp, hãy chèn một lớp chuyển tiếp (ví dụ: tấm hợp kim niken, tấm hợp kim đồng) giữa cacbua vonfram và thép. Hệ số giãn nở nhiệt của nó nằm giữa hai vật liệu, hoạt động như một bộ đệm để giảm ứng suất làm nguội:

• Thực hiện: Cắt lớp chuyển tiếp để phù hợp với kích thước vùng hàn, kẹp nó giữa cacbua vonfram và thép, và hàn cụm lại với nhau. Độ dày lớp phải là 0,1–0,5mm (độ dày quá mức làm giảm độ bền liên kết tổng thể).
• Kết quả: Một nhà sản xuất thiết bị khai thác đã giảm tỷ lệ nứt mối hàn từ 40% xuống dưới 8% bằng cách thêm một lớp chuyển tiếp hợp kim niken khi hàn lớp lót chống mài mòn cacbua vonfram.

Làm nguội nhanh sau khi hàn (ví dụ: tôi trong nước) làm trầm trọng thêm ứng suất nhiệt và gây nứt. Sử dụng làm nguội chậm để giải phóng ứng suất:

• Làm nguội chậm tự nhiên: Đặt các bộ phận đã hàn vào môi trường khô, không có gió và để nguội tự nhiên trong hơn 24 giờ. Tránh tiếp xúc với nhiệt độ thấp hoặc gió lùa.
• Ủ nhiệt độ thấp: Khi có thể, đặt các bộ phận vào lò ủ, giữ ở 200–300°C trong 2–4 giờ, sau đó làm nguội bằng lò đến nhiệt độ phòng. Điều này giải phóng thêm ứng suất bên trong và cải thiện độ ổn định liên kết.

Theo đuổi độ bền mối hàn quá mức là phản tác dụng. Tính giòn vốn có của cacbua vonfram có nghĩa là một liên kết quá mạnh sẽ truyền biến dạng thép trực tiếp đến cacbua vonfram, khiến nó bị gãy. Một mối hàn tốt cân bằng giữa "độ tin cậy" và "đệm ứng suất" để tránh hỏng hóc do giòn.

Hàm lượng coban ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hàn. Cacbua vonfram có hàm lượng coban thấp (<5%) có độ bám dính kém với chất độn hoặc kim loại cơ bản, dẫn đến lỗi hàn. Chọn các loại có 8–15% coban để có khả năng tương thích tốt hơn.

Kiểm tra là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng. Sau khi hàn, hãy thực hiện kiểm tra trực quan (đối với các vết nứt, độ xốp), kiểm tra cơ học (kiểm tra độ bền kéo, va đập) và kiểm tra độ kín (đối với các bộ phận kín) để tránh các bộ phận bị lỗi gây ra sự cố thiết bị.

Hàn cacbua vonfram vào thép là hoàn toàn khả thi, nhưng nó đòi hỏi phải chọn phương pháp phù hợp dựa trên mục đích, kích thước và yêu cầu hiệu suất của bộ phận:

• Chọn hàn cứng cho sản xuất hàng loạt và nhu cầu về độ bền vừa phải;
• Chọn liên kết khuếch tán cho các bộ phận chính xác và yêu cầu độ bền cao;
• Chọn hàn laser cho các hình dạng phức tạp hoặc sửa chữa.

Bằng cách tuân thủ nghiêm ngặt việc chuẩn bị bề mặt, kiểm soát nhiệt độ, sử dụng lớp chuyển tiếp và làm nguội chậm, bạn có thể tránh các vết nứt và tách rời, đạt được một liên kết đáng tin cậy kết hợp khả năng chống mài mòn của cacbua vonfram và độ bền của thép.

Nếu các bộ phận của bạn liên quan đến các điều kiện làm việc đặc biệt (ví dụ: kích thước cực lớn, áp suất cực cao, ăn mòn mạnh) và bạn không chắc chắn về quy trình hàn phù hợp, vui lòng liên hệ. Chúng tôi có thể cung cấp các giải pháp tùy chỉnh và thậm chí tiến hành các thử nghiệm hàn mẫu để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đáp ứng các yêu cầu công nghiệp.