De eigenschappen, kwaliteiten en industriële toepassingen van wolfraamcarbide verkennen

Stel je een materiaal voor dat harder is dan staal, met een slijtvastheid die die van snelstaal overtreft, en in staat is tot snijden met hoge snelheid, zelfs bij extreme temperaturen. Dit is gecementeerd carbide, een technisch materiaal dat een cruciale rol speelt in de moderne industrie. Dit artikel duikt in de kenmerken, classificatie en diverse toepassingen van dit "industriële gebit."

Wat is gecementeerd carbide?

Gecementeerd carbide, zoals de naam al aangeeft, is een legering die voornamelijk bestaat uit harde metaalcarbiden die zijn gebonden met ijzergroepmetalen. Het meest representatieve voorbeeld is de WC-Co legering, waarbij wolfraamcarbide (WC) dient als de harde fase en kobalt (Co) als de binder. Het fabricageproces omvat het mengen van WC- en Co-poeders, gevolgd door sinteren bij 1400°C om een materiaal te vormen met uitzonderlijke hardheid en elasticiteitsmodulus. Gecementeerd carbide staat qua hardheid op de tweede plaats na diamant, waardoor het ideaal is voor toepassingen die extreme slijtvastheid vereisen, zoals snijgereedschappen en stempelmatrijzen.

Gecementeerd carbide versus snelstaal: een prestatievergelijking

In de metaalbewerking zijn snelstaal (HSS) en gecementeerd carbide twee veelvoorkomende gereedschapsmaterialen. Om de voordelen van gecementeerd carbide beter te begrijpen, vergelijken we hun eigenschappen:

De tabel laat zien dat gecementeerd carbide beter presteert dan HSS op het gebied van hardheid, elasticiteitsmodulus, druksterkte, warmtegeleidingsvermogen en dichtheid. Het vertoont echter een lagere thermische uitzettingscoëfficiënt, slagvastheid en brosheid. Dit maakt gecementeerd carbide beter geschikt voor snijden met hoge snelheid en precisie, maar minder geschikt om schokbelastingen te weerstaan.

Voordelen van gecementeerd carbide

• Uitzonderlijke hardheid en slijtvastheid: De meest opmerkelijke eigenschap van gecementeerd carbide is de extreme hardheid, die alleen door diamant wordt overtroffen. In vergelijking met HSS en gereedschapsstaal biedt het een superieure slijtvastheid, waardoor de levensduur van mallen, armaturen en andere componenten aanzienlijk wordt verlengd en de onderhoudsfrequentie wordt verminderd.
• Uitstekende maatvastheid: Dankzij de hoge elasticiteitsmodulus en druksterkte is gecementeerd carbide bestand tegen vervorming, waardoor het ideaal is voor de productie van precisiecomponenten die nauwe toleranties vereisen.
• Recycleerbaarheid: Gecementeerd carbide is een milieuvriendelijk materiaal dat kan worden gerecycled, wat aansluit bij de principes van duurzame ontwikkeling.

Beperkingen van gecementeerd carbide

• Brosheid: Ondanks de extreme hardheid is gecementeerd carbide relatief bros, waarbij bepaalde kwaliteiten gevoelig zijn voor afbrokkelen of breken bij impact.
• Hogere kosten: De toevoeging van zeldzame metalen zoals wolfraam en kobalt verhoogt de productiekosten.
• Moeilijke bewerkbaarheid: De hardheid - op de tweede plaats na diamant - vereist gespecialiseerde gereedschappen zoals diamantslijpschijven, slijpmachines en EDM-machines voor de verwerking.

Fysische eigenschappen

• Hardheid: Ver overtreft staal en roestvrij staal, en staat alleen achter diamant.
• Dichtheid: Ongeveer twee keer zo hoog als die van staal, vergelijkbaar met goud.
• Sterkte en elasticiteit: Combineert hoge hardheid met uitstekende sterkte en elasticiteit.
• Prestaties bij hoge temperaturen: Behoudt de hardheid bij verhoogde temperaturen met minimale slijtage.

Productieproces

Gecementeerd carbide is geen natuurlijk metaal, maar een kunstmatig vervaardigde legering. Het bestaat voornamelijk uit wolfraamcarbide (WC) en kobalt (Co). Het hoge smeltpunt van WC (~2900°C) sluit traditionele smeltmethoden uit. In plaats daarvan wordt poedermetallurgie gebruikt: WC- en Co-poeders worden gemengd en gesinterd bij 1300–1500°C, waarbij Co fungeert als bindmiddel tijdens het sinteren.

Grondstofbronnen

Primaire bronnen van WC zijn China, Rusland en Zuid-Korea. Kobalt wordt gewonnen uit ertsen in Finland, Canada, Australië en de Democratische Republiek Congo.

Toepassingen

• Snijgereedschappen: Boren, freesgereedschappen en draaigereedschappen voor metaalbewerking.
• Mallen: Mallen voor aluminium blikjes voor dranken, poedervormende mallen voor auto-onderdelen en mallen voor elektronische componenten zoals smartphones.
• Bouwmachines: Gereedschappen voor het tunnelen door hard gesteente en het snijden van asfaltverharding.

Functionele classificatie

• Snijkwaliteit: Geclassificeerd als P-type (voor staal), M-type (algemeen gebruik) en K-type (voor gietijzer) op basis van het materiaal van het werkstuk.
• Slijtvaste kwaliteit: Verder onderverdeeld op basis van het bindmiddeltype, de WC-korrelgrootte en de hardheid.

Fabrikanten ontwikkelen vaak gespecialiseerde kwaliteiten om specifieke uitdagingen aan te pakken, waarbij de eigenschappen worden afgestemd op diverse behoeften.

Vergelijkende analyse

Gecementeerd carbide versus keramiek

Keramiek benadert diamant in hardheid (9+ op de Mohs-schaal versus 10 voor diamant), en overtreft wolfraam en andere harde metalen. De eigenschappen van gecementeerd carbide kunnen echter fijn worden afgesteld door de WC-korrelgrootte, het bindmiddelgehalte en de additieven aan te passen, wat veelzijdigheid biedt voor diverse toepassingen.

Gecementeerd carbide versus cermet

Beide zijn composieten van carbide/nitride poeders die zijn gebonden met metaal. Gecementeerd carbide gebruikt voornamelijk WC met Co/Ni-bindmiddelen, terwijl cermet afhankelijk is van titaniumverbindingen (TiC, TiCN) die zijn gebonden met Ni/Co. Hun belangrijkste onderscheid ligt in de samenstelling.

Gecementeerd carbide versus HSS

Gecementeerd carbide blinkt uit in hardheid, hittebestendigheid en sterkte, terwijl HSS een grotere slagvastheid biedt. De kosten variëren aanzienlijk als gevolg van grondstoffen en productiemethoden, wat een evenwichtige evaluatie vereist op basis van toepassing en vervangingscycli.

Zwakke punten

• Lagere taaiheid: In vergelijking met conventionele staallegeringen kan de brosheid van gecementeerd carbide leiden tot afbrokkelen of afsplinteren van de randen.
• Hoge dichtheid: Het gewicht - twee keer zo hoog als dat van staal - kan een nadeel zijn in bepaalde toepassingen.

Oorzaken van scheuren

Differentiële thermische uitzettingscoëfficiënten tussen gecementeerd carbide en metalen kunnen scheuren veroorzaken in componenten met perspassing wanneer de bedrijfstemperaturen aanzienlijk afwijken van de ontwerptemperaturen. Hoge impactkrachten kunnen ook scheuren veroorzaken, wat een zorgvuldige afweging van de eisen voor brosheid vereist.

Het selecteren van gecementeerd carbide van snijkwaliteit

De materiaalkeuze hangt af van de kenmerken en dikte van het werkstuk. Voor optimale snijprestaties en randbehoud heeft ultra-fijnkorrelig gecementeerd carbide (bestaande uit submicron WC-deeltjes) vaak de voorkeur.

Voordelen van gecementeerd carbide gereedschappen

Een belangrijk voordeel is het behoud van hardheid bij hoge temperaturen, waardoor stabiele prestaties worden gegarandeerd, zelfs tijdens bewerking met hoge snelheid, wat de gereedschapstemperaturen verhoogt.

Hardheidsbereik

Typische hardheid varieert van HRA88 tot HRA92. Een hogere hardheid verbetert de slijtvastheid, maar vermindert de slagvastheid, waardoor het risico op afbrokkelen toeneemt.

Primaire samenstelling

De kerncomponent van gecementeerd carbide is WC, gebonden met Co of Ni. Additieven zoals chroom (Cr) kunnen worden toegevoegd om de eigenschappen af te stemmen op specifieke toepassingen.