tin tức công ty về Tại sao carbide xi măng (Tungsten Carbide + Cobalt) chịu nhiệt?

Các-bít-cac-bua vonfram (WC) là pha cứng và coban (Co) là pha liên kết, là những vật liệu công nghiệp hiếm có khả năng "giữ được độ cứng ngay cả ở nhiệt độ cao". Nhiệt độ hoạt động liên tục tối đa của chúng có thể đạt 800°C và chúng có thể chịu được nhiệt độ ngắn hạn vượt quá 1.000°C—vượt xa thép thông thường (ví dụ, thép 45# mềm ra trên 500°C) và thép gió (W18Cr4V mất độ cứng đáng kể ở khoảng 600°C). Khả năng chịu nhiệt này không phải do một yếu tố duy nhất mà là do tác dụng hiệp đồng của độ ổn định nhiệt độ cao vốn có của cacbua vonfram, các đặc tính liên kết tương thích của coban và các đặc điểm vi cấu trúc được hình thành bởi hai yếu tố. Đối với sản xuất công nghiệp, đặc tính này giải quyết các vấn đề nan giải trong các tình huống nhiệt độ cao: từ việc sinh nhiệt do ma sát (600–800°C) trong quá trình cắt kim loại đến nhiệt độ hoạt động (400–500°C) của khuôn đúc hợp kim nhôm và sự mài mòn của thiết bị khai thác trong môi trường nhiệt độ cao dưới lòng đất. Bài viết này phân tích các lý do cốt lõi cho khả năng chịu nhiệt của các-bít-cac-bua WC-Co từ ba khía cạnh—tính chất thành phần, vi cấu trúc và ứng dụng thực tế—giúp các nguyên tắc dễ hiểu.

Khả năng chịu nhiệt của các-bít-cac-bua trước hết bắt nguồn từ các đặc tính vốn có của thành phần cốt lõi của chúng: cacbua vonfram. Là "pha cứng", WC hoạt động như "cốt thép trong một tòa nhà", cung cấp sự hỗ trợ ổn định cho vật liệu ở nhiệt độ cao. Điều này được thể hiện ở ba khía cạnh chính:

Cacbua vonfram có điểm nóng chảy cực cao là 2.870°C—cao hơn nhiều so với nhiệt độ cao điển hình gặp phải trong môi trường công nghiệp (hầu hết các điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao là <1.000°C). Để so sánh:

• Thép carbon thông thường có điểm nóng chảy khoảng 1.538°C và mềm ra trên 500°C do tăng khả năng di chuyển của nguyên tử.
• Thép gió (W18Cr4V) có điểm nóng chảy khoảng 1.400°C; độ cứng của nó giảm từ HRC 62 xuống dưới HRC 50 ở 600°C, khiến nó không thể sử dụng để cắt.
• Ngay cả ở 1.000°C, cacbua vonfram chỉ mềm ra một chút—nó không bao giờ đạt đến điểm nóng chảy, vì vậy nó không tan chảy hoặc trải qua sự sụp đổ cấu trúc.

Cacbua vonfram có cấu trúc tinh thể lục giác (HCP), trong đó các nguyên tử được sắp xếp chặt chẽ với các lực liên kết mạnh. Cấu trúc này ngăn chặn sự khuếch tán nguyên tử hoặc sự rối loạn cấu trúc ở nhiệt độ cao:

• Ở nhiệt độ phòng, cấu trúc này mang lại cho WC độ cứng cao (HRA 90–93).
• Ở nhiệt độ cao (ví dụ: 800°C), các nguyên tử rung nhẹ nhưng vẫn duy trì sự sắp xếp có trật tự—không giống như các kim loại thông thường, bị biến dạng khi các nguyên tử "lỏng lẻo" và các khoảng trống mở rộng.
• Ngược lại, thép gió có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC), trong đó các khoảng trống nguyên tử dễ dàng mở rộng ở nhiệt độ cao, gây ra sự mất sức mạnh nhanh chóng.

Trong môi trường công nghiệp nhiệt độ cao, vật liệu không chỉ phải chịu được "nhiệt độ" mà còn phải chịu được "ăn mòn môi trường" (ví dụ: oxy hóa trong không khí, phản ứng với chất lỏng cắt). Cacbua vonfram thể hiện các tính chất hóa học ổn định ở nhiệt độ cao:

• Dưới 800°C, chỉ một lớp màng oxit mỏng (WO₃) hình thành trên bề mặt của nó khi tiếp xúc với không khí. Lớp màng này đặc và ngăn chặn quá trình oxy hóa thêm của vật liệu bên trong.
• Nó không phản ứng (ví dụ: hòa tan hoặc xói mòn) với các môi trường công nghiệp thông thường như chất lỏng cắt kim loại hoặc hợp kim nhôm nóng chảy.
• Không giống như vật liệu gốm (ví dụ: alumina), cũng có điểm nóng chảy cao, gốm có xu hướng phản ứng với kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao, gây ra hiện tượng bong tróc bề mặt—một vấn đề mà WC tránh được.

Một câu hỏi thường gặp là: Coban có điểm nóng chảy chỉ 1.495°C—thấp hơn nhiều so với WC—vậy tại sao nó không làm suy yếu khả năng chịu nhiệt? Trong thực tế, coban (thường là 6–15% theo trọng lượng) hoạt động như một "pha liên kết" và không tồn tại một mình. Thay vào đó, nó được phân tán đều giữa các hạt WC, tạo thành một vi cấu trúc trong đó "các hạt WC được bao bọc bởi pha Co." Vai trò nhiệt độ cao của nó tập trung vào hai chức năng chính:

Ở nhiệt độ phòng, coban là một kim loại dễ uốn dẻo, "liên kết" các hạt WC cứng nhưng giòn lại với nhau để ngăn ngừa nứt. Ở nhiệt độ cao (ví dụ: 600–800°C), coban mềm ra một chút (trở nên "bán rắn") nhưng không tan chảy hoàn toàn hoặc chảy đi:

• Sự mềm ra nhẹ này thực sự "đệm" ứng suất nhiệt giữa các hạt WC (các vật liệu khác nhau giãn nở với tốc độ khác nhau ở nhiệt độ cao, tạo ra ứng suất), ngăn vật liệu bị nứt do tích tụ ứng suất.
• Trong khi đó, lực liên kết (liên kết luyện kim) giữa coban và các hạt WC vẫn mạnh ở nhiệt độ cao—không giống như các chất kết dính làm từ các kim loại có điểm nóng chảy thấp khác (ví dụ: đồng, điểm nóng chảy 1.085°C), sẽ tan chảy và mất khả năng liên kết của chúng ở 800°C.

Ở nhiệt độ cao, các hạt vật liệu có xu hướng "phát triển" (các hạt nhỏ hợp nhất thành các hạt lớn hơn), dẫn đến mất độ cứng. Coban hoạt động như một "chất ức chế" để ngăn chặn sự phát triển hạt WC quá mức ở nhiệt độ cao:

• Các nguyên tử coban hấp phụ trên bề mặt của các hạt WC (tại ranh giới hạt), tạo thành một "lớp rào cản" làm chậm sự khuếch tán của các nguyên tử WC và ức chế sự hợp nhất hạt.
• Không có coban, các hạt WC sẽ phát triển từ 3μm lên hơn 8μm sau 10 giờ ở 800°C, làm giảm độ cứng 20%. Với coban, sự phát triển hạt được giới hạn ở mức dưới 10% và độ cứng vẫn gần như ổn định.

Ngoài các tính chất riêng lẻ của các thành phần của nó, "vi cấu trúc đặc" được hình thành bởi WC và coban còn tăng cường khả năng chịu nhiệt. Các-bít-cac-bua WC-Co chất lượng cao trải qua quá trình thiêu kết nhiệt độ cao (1.400–1.500°C) để tạo thành một cấu trúc trong đó "các hạt WC được phân bố đều, Co lấp đầy các khoảng trống và không có lỗ rỗng đáng kể" (mật độ thường ≥14,5g/cm³). Ưu điểm của cấu trúc này là:

Nếu một vật liệu chứa các lỗ rỗng, không khí nhiệt độ cao hoặc môi trường ăn mòn có thể thấm vào bên trong qua các lỗ rỗng này, đẩy nhanh quá trình oxy hóa (ví dụ: gốm có độ xốp cao bị oxy hóa nhanh hơn 3 lần so với WC-Co). Cấu trúc đặc của WC-Co:

• Hầu như không chứa các lỗ rỗng có thể nhìn thấy, vì vậy oxy bên ngoài chỉ có thể tiếp xúc với bề mặt của vật liệu và không thể xâm nhập vào bên trong.
• Lớp màng oxit WO₃ hình thành trên bề mặt (dưới 800°C) bám chặt vào cấu trúc đặc, cung cấp "bảo vệ kép" chống lại quá trình oxy hóa thêm.

Trong các tình huống nhiệt độ cao, vật liệu thường chịu tải (ví dụ: lực cắt, áp suất khuôn). Sự phân bố đồng đều của các hạt WC trong WC-Co đảm bảo rằng tải trọng được truyền đều qua pha Co đến từng hạt WC, tránh tập trung ứng suất cục bộ:

• Ví dụ, trong khuôn đúc hợp kim nhôm, khuôn phải chịu áp suất 20MPa ở 400°C. Cấu trúc đồng đều của WC-Co phân tán áp suất này, ngăn ngừa biến dạng do làm mềm cục bộ ở nhiệt độ cao.
• Ngược lại, thép gió thể hiện độ cứng không đều ở nhiệt độ cao, dẫn đến vết lõm ở các khu vực mềm hơn và làm hỏng khuôn.

Để làm nổi bật những ưu điểm của nó, dưới đây là so sánh WC-Co với các "vật liệu chịu mài mòn, chịu nhiệt" phổ biến khác được sử dụng trong công nghiệp:

Như đã thể hiện, trong khi khả năng chịu nhiệt của WC-Co thấp hơn một chút so với gốm alumina, nó cân bằng "khả năng chịu nhiệt + khả năng chịu va đập" (gốm dễ bị nứt ở nhiệt độ cao). So với thép gió và thép carbon, những ưu điểm của nó về khả năng chịu nhiệt và giữ độ cứng là đáng kể—làm cho nó trở thành một trong những lựa chọn tốt nhất cho các tình huống "mài mòn nhiệt độ cao + chịu tải".

Khả năng chịu nhiệt của WC-Co khác nhau tùy theo công thức của nó, chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng coban và kích thước hạt cacbua vonfram. Hãy xem xét các yếu tố này khi chọn một loại:

Với độ dẻo dai đủ để ngăn ngừa nứt, hàm lượng coban thấp hơn có nghĩa là tỷ lệ WC cao hơn—và khả năng chịu nhiệt tốt hơn:

• Coban thấp (6–8%, ví dụ: YG6): Hàm lượng WC cao, giữ lại độ cứng ≥92% ở nhiệt độ cao. Thích hợp cho các tình huống va đập thấp, nhiệt độ cao (ví dụ: dụng cụ mài chính xác).
• Coban trung bình (8–12%, ví dụ: YG8): Cân bằng khả năng chịu nhiệt và độ dẻo dai. Thích hợp cho các tình huống va đập trung bình, nhiệt độ trung bình (ví dụ: dụng cụ cắt đa năng).
• Coban cao (12–15%, ví dụ: YG15): Độ dẻo dai và khả năng chịu va đập tuyệt vời nhưng giữ lại độ cứng ≤85% ở nhiệt độ cao. Thích hợp cho các tình huống va đập cao, nhiệt độ thấp (ví dụ: mũi khoan khai thác).

WC hạt mịn (1–3μm) có nhiều ranh giới hạt hơn, nơi các nguyên tử coban hoạt động như "chất ức chế" mạnh hơn để ngăn chặn sự phát triển hạt ở nhiệt độ cao:

• WC-Co hạt mịn (ví dụ: YG6X): Sau 10 giờ ở 800°C, sự phát triển hạt là <5% và độ cứng vẫn gần như không đổi.
• WC-Co hạt thô (ví dụ: YG15): Trong cùng điều kiện, sự phát triển hạt vượt quá 15% và độ cứng giảm ~10%.
• Đối với các tình huống chính xác ở nhiệt độ cao (ví dụ: đồ gá nhiệt độ cao bán dẫn), ưu tiên các loại hạt mịn.

Nhiều người cho rằng WC-Co thiếu khả năng chịu nhiệt vì coban có điểm nóng chảy thấp (1.495°C)—đây là một sự hiểu lầm điển hình bỏ qua vi cấu trúc của vật liệu:

• Trong WC-Co, coban không tồn tại "riêng biệt" mà là một "lớp màng mỏng" bao quanh các hạt WC. Được bảo vệ bởi WC, nó không mềm ra hoặc chảy đi như coban nguyên chất (trở nên bán lỏng ở 800°C).
• Các thử nghiệm thực tế cho thấy: Ở 800°C, pha Co trong WC-Co chỉ mềm ra một chút (độ cứng ~HRC 20) nhưng vẫn liên kết các hạt WC. Ngược lại, coban nguyên chất đã ở trạng thái bán lỏng ở 800°C và không có độ bền.

Khả năng chịu nhiệt của các-bít-cac-bua WC-Co không phải do một thành phần duy nhất mà là sự hiệp đồng của "bộ khung ổn định nhiệt độ cao của WC, liên kết và đệm nhiệt độ cao của coban và vi cấu trúc đặc, đồng nhất." Đặc tính này cho phép nó giữ được độ cứng ở 600–800°C trong khi chịu được va đập và tải trọng vừa phải—làm cho nó lý tưởng cho các tình huống công nghiệp như cắt kim loại, khuôn nhiệt độ cao và môi trường khai thác nhiệt độ cao.

Đối với các chuyên gia trong ngành cacbua vonfram, khi giới thiệu các sản phẩm WC-Co, hãy điều chỉnh loại sản phẩm với "nhiệt độ hoạt động tối đa + tải trọng va đập" của khách hàng: Chọn các loại hạt mịn coban thấp (ví dụ: YG6X) cho các tình huống nhiệt độ cao, va đập thấp; các loại hạt trung bình coban trung bình (ví dụ: YG8) cho các tình huống nhiệt độ trung bình, va đập trung bình; và các loại hạt thô coban cao (ví dụ: YG15) cho các tình huống nhiệt độ thấp, va đập cao.