คาร์ไบด์ซีเมนต์ คาร์ไบด์ทังสเตน โลหะแข็ง โลหะผสมแข็ง คืออะไร?

คาร์ไบด์ซีเมนต์เป็นวัสดุผสมที่ทำจากสารประกอบแข็งของโลหะทนความร้อนและโลหะยึดเกาะผ่านกระบวนการโลหะวิทยาผง คาร์ไบด์ซีเมนต์มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ เช่น ความแข็งสูง ความต้านทานการสึกหรอ ความแข็งแรงและความเหนียวที่ดี ความต้านทานความร้อนและความต้านทานการกัดกร่อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งความแข็งและความต้านทานการสึกหรอที่สูงมาก ซึ่งยังคงไม่เปลี่ยนแปลงแม้ที่อุณหภูมิ 500 °C และยังคงมีความแข็งสูงที่ 1000 °C คาร์ไบด์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะวัสดุสำหรับเครื่องมือ เช่น เครื่องมือกลึง เครื่องมือกัด เครื่องมือไส ดอกสว่าน เครื่องมือคว้าน ฯลฯ สำหรับตัดเหล็กหล่อ โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก พลาสติก เส้นใยเคมี กราไฟต์ แก้ว หิน และเหล็กกล้าทั่วไป และยังสามารถใช้สำหรับตัดวัสดุที่ยากต่อการขึ้นรูป เช่น เหล็กทนความร้อน เหล็กกล้าไร้สนิม เหล็กแมงกานีสสูง เหล็กกล้าเครื่องมือ ฯลฯ ความเร็วในการตัดของเครื่องมือคาร์ไบด์รุ่นใหม่ในปัจจุบันนั้นเร็วกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนหลายร้อยเท่า

การใช้งานคาร์ไบด์ซีเมนต์

(1) วัสดุเครื่องมือ

คาร์ไบด์เป็นวัสดุที่ใช้ทำเครื่องมือมากที่สุด ซึ่งสามารถนำไปใช้ทำเครื่องมือกลึง เครื่องมือกัด เครื่องมือไส ดอกสว่าน ฯลฯ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ ทังสเตน-โคบอลต์คาร์ไบด์เหมาะสำหรับการกลึงเศษโลหะเหล็กและโลหะที่ไม่ใช่เหล็กด้วยเศษขนาดสั้น และการกลึงวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ เช่น เหล็กหล่อ ทองเหลืองหล่อ เบคไลต์ ฯลฯ ในขณะที่ทังสเตน-ไทเทเนียม-โคบอลต์คาร์ไบด์เหมาะสำหรับการกลึงเศษโลหะเหล็ก เช่น เหล็กกล้า ในระยะยาว ในบรรดาโลหะผสมที่คล้ายกัน โลหะผสมที่มีปริมาณโคบอลต์สูงกว่าจะเหมาะสำหรับการกลึงหยาบ และโลหะผสมที่มีปริมาณโคบอลต์น้อยกว่าจะเหมาะสำหรับการกลึงละเอียด คาร์ไบด์ซีเมนต์อเนกประสงค์มีอายุการใช้งานในการกลึงที่ยาวนานกว่าคาร์ไบด์ซีเมนต์ชนิดอื่น ๆ สำหรับวัสดุที่กลึงยาก เช่น สแตนเลส

(2) วัสดุแม่พิมพ์

คาร์ไบด์ซีเมนต์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับแม่พิมพ์ขึ้นรูปเย็น เช่น แม่พิมพ์ดึงเย็น แม่พิมพ์ปั๊มเย็น แม่พิมพ์อัดรีดเย็น และแม่พิมพ์ขึ้นรูปเย็น

แม่พิมพ์ขึ้นรูปเย็นคาร์ไบด์จำเป็นต้องมีคุณสมบัติที่ดีในด้านความเหนียวต่อแรงกระแทก ความเหนียวต่อการแตกหัก ความแข็งแรงต่อความล้า ความแข็งแรงต่อการดัดงอ และความทนทานต่อการสึกหรอภายใต้สภาวะการทำงานที่ต้องการความทนทานต่อการสึกหรอ เช่น แรงกระแทกหรือแรงกระแทกสูง โดยทั่วไปมักใช้โลหะผสมที่มีโคบอลต์ปานกลางและสูง และขนาดเกรนปานกลางและหยาบ เช่น YG15C

โดยทั่วไปแล้ว ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานการสึกหรอและความเหนียวของโลหะผสมคาร์ไบด์นั้นเป็นไปในทางตรงกันข้าม กล่าวคือ ความต้านทานการสึกหรอที่เพิ่มขึ้นจะนำไปสู่ความเหนียวที่ลดลง และความเหนียวที่เพิ่มขึ้นจะนำไปสู่ความต้านทานการสึกหรอที่ลดลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น ในการเลือกเกรดโลหะผสม จึงจำเป็นต้องตอบสนองความต้องการใช้งานเฉพาะตามวัตถุที่ทำการแปรรูปและสภาพการทำงานในการแปรรูป

หากเกรดที่เลือกมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวและเสียหายได้ง่ายในระหว่างการใช้งาน ควรเลือกเกรดที่มีความเหนียวสูงกว่า ในทางกลับกัน หากเกรดที่เลือกมีแนวโน้มที่จะสึกหรอและเสียหายได้ง่ายในระหว่างการใช้งาน ควรเลือกเกรดที่มีความแข็งสูงกว่าและทนต่อการสึกหรอได้ดีกว่า เกรดต่อไปนี้: YG15C, YG18C, YG20C, YL60, YG22C, YG25C จากซ้ายไปขวา ความแข็งจะลดลง ความทนทานต่อการสึกหรอจะลดลง และความเหนียวจะเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน หากเรียงจากซ้ายไปขวา ความแข็งจะลดลง ความทนทานต่อการสึกหรอจะลดลง และความเหนียวจะเพิ่มขึ้น

(3) เครื่องมือวัดและชิ้นส่วนที่ทนต่อการสึกหรอ

คาร์ไบด์ใช้สำหรับทำวัสดุเคลือบผิวที่ทนต่อการสึกหรอ และชิ้นส่วนของเครื่องมือวัด ตลับลูกปืนความแม่นยำสูงของเครื่องเจียร แผ่นนำทางและแกนนำทางของเครื่องเจียรแบบไร้ศูนย์กลาง ส่วนบนของเครื่องกลึง และชิ้นส่วนอื่นๆ ที่ทนต่อการสึกหรอ

โลหะที่เป็นตัวประสานโดยทั่วไปคือโลหะในกลุ่มเหล็ก ซึ่งมักได้แก่โคบอลต์และนิกเกล

ในการผลิตซีเมนต์คาร์ไบด์ ขนาดอนุภาคของผงวัตถุดิบที่เลือกใช้จะอยู่ระหว่าง 1 ถึง 2 ไมครอน และมีความบริสุทธิ์สูงมาก วัตถุดิบจะถูกผสมตามอัตราส่วนที่กำหนด และเติมแอลกอฮอล์หรือตัวกลางอื่นๆ ลงไป จากนั้นทำการบดแบบเปียกในเครื่องบดลูกบอลแบบเปียกเพื่อให้ส่วนผสมเข้ากันและละเอียด จากนั้นจึงร่อนส่วนผสม หลังจากนั้น ส่วนผสมจะถูกอัดเป็นเม็ด อัดขึ้นรูป และให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิใกล้เคียงจุดหลอมเหลวของโลหะตัวประสาน (1300-1500 °C) เฟสที่แข็งตัวและโลหะตัวประสานจะรวมตัวกันเป็นโลหะผสมยูเทคติก หลังจากเย็นตัวลง เฟสที่แข็งตัวจะกระจายตัวอยู่ในโครงสร้างตาข่ายที่ประกอบด้วยโลหะตัวประสานและเชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนาเพื่อสร้างเป็นเนื้อเดียวกัน ความแข็งของซีเมนต์คาร์ไบด์ขึ้นอยู่กับปริมาณเฟสที่แข็งตัวและขนาดของเม็ด กล่าวคือ ยิ่งปริมาณเฟสที่แข็งตัวสูงและเม็ดละเอียดมากเท่าใด ความแข็งก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ส่วนความเหนียวของซีเมนต์คาร์ไบด์นั้นขึ้นอยู่กับโลหะตัวประสาน ยิ่งปริมาณโลหะตัวประสานสูงเท่าใด ความแข็งแรงดัดงอก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

ในปี ค.ศ. 1923 ชเลอร์เตอร์จากประเทศเยอรมนีได้เติมโคบอลต์ 10% ถึง 20% ลงในผงทังสเตนคาร์ไบด์เพื่อใช้เป็นสารยึดเกาะ และได้คิดค้นโลหะผสมใหม่ของทังสเตนคาร์ไบด์และโคบอลต์ขึ้นมา ความแข็งของโลหะผสมนี้เป็นรองเพียงเพชรเท่านั้น นี่คือคาร์ไบด์ซีเมนต์ชนิดแรกที่ถูกผลิตขึ้น เมื่อใช้ตัดเหล็กด้วยเครื่องมือที่ทำจากโลหะผสมนี้ คมตัดจะสึกหรออย่างรวดเร็ว และอาจถึงขั้นแตกได้ ในปี ค.ศ. 1929 ชวาร์ซคอฟในสหรัฐอเมริกาได้เติมสารประกอบคาร์ไบด์ของทังสเตนคาร์ไบด์และไทเทเนียมคาร์ไบด์ในปริมาณที่เหมาะสมลงในส่วนผสมเดิม ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องมือในการตัดเหล็ก นี่เป็นอีกหนึ่งความสำเร็จในประวัติศาสตร์การพัฒนาคาร์ไบด์ซีเมนต์

คาร์ไบด์ซีเมนต์มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ เช่น ความแข็งสูง ความต้านทานการสึกหรอ ความแข็งแรงและความเหนียวที่ดี ความต้านทานความร้อน และความต้านทานการกัดกร่อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งความแข็งและความต้านทานการสึกหรอที่สูงมาก ซึ่งยังคงไม่เปลี่ยนแปลงแม้ที่อุณหภูมิ 500 °C และยังคงมีความแข็งสูงที่ 1000 °C คาร์ไบด์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะวัสดุสำหรับเครื่องมือ เช่น เครื่องมือกลึง เครื่องมือกัด เครื่องมือไส ดอกสว่าน เครื่องมือคว้าน ฯลฯ สำหรับตัดเหล็กหล่อ โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก พลาสติก เส้นใยเคมี กราไฟต์ แก้ว หิน และเหล็กกล้าทั่วไป และยังสามารถใช้สำหรับตัดวัสดุที่ยากต่อการขึ้นรูป เช่น เหล็กทนความร้อน เหล็กกล้าไร้สนิม เหล็กแมงกานีสสูง เหล็กกล้าเครื่องมือ ฯลฯ ความเร็วในการตัดของเครื่องมือคาร์ไบด์รุ่นใหม่ในปัจจุบันนั้นเร็วกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนหลายร้อยเท่า

นอกจากนี้ คาร์ไบด์ยังสามารถใช้ในการผลิตเครื่องมือเจาะหิน เครื่องมือทำเหมือง เครื่องมือเจาะ เครื่องมือวัด ชิ้นส่วนทนการสึกหรอ วัสดุขัดโลหะ ปลอกกระบอกสูบ ตลับลูกปืนความแม่นยำสูง หัวฉีด แม่พิมพ์โลหะ (เช่น แม่พิมพ์ดึงลวด แม่พิมพ์สลักเกลียว แม่พิมพ์น็อต และแม่พิมพ์ยึดต่างๆ ซึ่งประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของคาร์ไบด์ซีเมนต์ได้เข้ามาแทนที่แม่พิมพ์เหล็กแบบเดิมอย่างค่อยเป็นค่อยไป)

ต่อมาก็มีการพัฒนาเครื่องมือตัดเคลือบคาร์ไบด์ซีเมนต์ขึ้นมา ในปี 1969 ประเทศสวีเดนประสบความสำเร็จในการพัฒนาเครื่องมือตัดเคลือบไทเทเนียมคาร์ไบด์ โดยวัสดุพื้นฐานของเครื่องมือคือทังสเตน-ไทเทเนียม-โคบอลต์คาร์ไบด์ หรือทังสเตน-โคบอลต์คาร์ไบด์ ความหนาของชั้นเคลือบไทเทเนียมคาร์ไบด์บนพื้นผิวมีเพียงไม่กี่ไมครอน แต่เมื่อเทียบกับเครื่องมือโลหะผสมยี่ห้อเดียวกันแล้ว อายุการใช้งานยาวนานขึ้นถึง 3 เท่า และความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้น 25% ถึง 50% ในช่วงทศวรรษ 1970 เครื่องมือตัดเคลือบเจเนอเรชั่นที่สี่ก็ปรากฏขึ้นสำหรับการตัดวัสดุที่ยากต่อการขึ้นรูป

คาร์ไบด์ซีเมนต์ผ่านกระบวนการเผาผนึกอย่างไร?

คาร์ไบด์ซีเมนต์เป็นวัสดุโลหะที่ผลิตขึ้นโดยกระบวนการโลหะวิทยาผงของคาร์ไบด์และโลหะยึดเกาะซึ่งเป็นโลหะทนความร้อนหนึ่งชนิดหรือมากกว่า

Mประเทศผู้ผลิตหลัก

ทั่วโลกมีมากกว่า 50 ประเทศที่ผลิตซีเมนต์คาร์ไบด์ โดยมีผลผลิตรวมประมาณ 27,000-28,000 ตัน ผู้ผลิตหลัก ได้แก่ สหรัฐอเมริกา รัสเซีย สวีเดน จีน เยอรมนี ญี่ปุ่น สหราชอาณาจักร ฝรั่งเศส เป็นต้น ตลาดซีเมนต์คาร์ไบด์โลกโดยพื้นฐานแล้วอิ่มตัวแล้ว การแข่งขันในตลาดจึงดุเดือดมาก อุตสาหกรรมซีเมนต์คาร์ไบด์ของจีนเริ่มก่อตัวขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1950 ตั้งแต่ทศวรรษ 1960 ถึง 1970 อุตสาหกรรมซีเมนต์คาร์ไบด์ของจีนพัฒนาอย่างรวดเร็ว ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 กำลังการผลิตซีเมนต์คาร์ไบด์รวมของจีนแตะระดับ 6,000 ตัน และผลผลิตรวมแตะระดับ 5,000 ตัน ซึ่งเป็นอันดับสามของโลก รองจากรัสเซียและสหรัฐอเมริกา

เครื่องตัด WC

①ทังสเตนและโคบอลต์ซีเมนต์คาร์ไบด์
ส่วนประกอบหลักคือทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) และโคบอลต์ (Co) ซึ่งเป็นสารยึดเกาะ
เกรดของมันประกอบด้วย "YG" ("แข็งและโคบอลต์" ในภาษาจีนพินอิน) และเปอร์เซ็นต์ของปริมาณโคบอลต์เฉลี่ย
ตัวอย่างเช่น YG8 หมายถึงค่าเฉลี่ย WCo เท่ากับ 8% และส่วนที่เหลือเป็นทังสเตน-โคบอลต์คาร์ไบด์หรือทังสเตนคาร์ไบด์
มีด TIC

②ทังสเตน-ไทเทเนียม-โคบอลต์คาร์ไบด์
ส่วนประกอบหลักได้แก่ ทังสเตนคาร์ไบด์ ไทเทเนียมคาร์ไบด์ (TiC) และโคบอลต์
เกรดของมันประกอบด้วย “YT” (“แข็ง, ไทเทเนียม” สองตัวอักษรในระบบพินอินของจีน) และปริมาณเฉลี่ยของไทเทเนียมคาร์ไบด์
ตัวอย่างเช่น YT15 หมายถึง WTi เฉลี่ยเท่ากับ 15% และส่วนที่เหลือเป็นทังสเตนคาร์ไบด์และทังสเตน-ไทเทเนียม-โคบอลต์คาร์ไบด์ที่มีโคบอลต์เป็นส่วนประกอบ
เครื่องมือทังสเตนไทเทเนียมแทนทาลัม

③ทังสเตน-ไทเทเนียม-แทนทาลัม (ไนโอเบียม) คาร์ไบด์ซีเมนต์
ส่วนประกอบหลักได้แก่ ทังสเตนคาร์ไบด์ ไทเทเนียมคาร์ไบด์ แทนทาลัมคาร์ไบด์ (หรือไนโอเบียมคาร์ไบด์) และโคบอลต์ ซีเมนต์คาร์ไบด์ชนิดนี้เรียกอีกอย่างว่าซีเมนต์คาร์ไบด์ทั่วไปหรือซีเมนต์คาร์ไบด์อเนกประสงค์
ระดับการศึกษาประกอบด้วย “YW” (คำนำหน้าเสียงภาษาจีนของคำว่า “ยาก” และ “ว่าน”) บวกกับหมายเลขลำดับ เช่น YW1

ลักษณะการทำงาน

เม็ดมีดเชื่อมคาร์ไบด์

ความแข็งสูง (86～93 HRA เทียบเท่า 69～81 HRC)

มีความทนทานต่อความร้อนสูง (ทนอุณหภูมิได้ถึง 900～1000℃ และคงความแข็งไว้ที่ 60HRC)

ทนทานต่อการเสียดสีได้ดี

เครื่องมือตัดคาร์ไบด์มีความเร็วในการตัดสูงกว่าเหล็กกล้าความเร็วสูงถึง 4-7 เท่า และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า 5-80 เท่า ในการผลิตแม่พิมพ์และเครื่องมือวัด อายุการใช้งานจะยาวนานกว่าเหล็กกล้าผสมถึง 20-150 เท่า และสามารถตัดวัสดุแข็งได้ถึงประมาณ 50HRC

อย่างไรก็ตาม คาร์ไบด์ซีเมนต์นั้นเปราะและไม่สามารถขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรได้ อีกทั้งยังยากที่จะผลิตเครื่องมือแบบชิ้นเดียวที่มีรูปทรงซับซ้อน ดังนั้นจึงมักผลิตใบมีดที่มีรูปทรงแตกต่างกัน ซึ่งติดตั้งเข้ากับตัวเครื่องมือหรือตัวแม่พิมพ์โดยการเชื่อม การติดกาว การยึดด้วยกลไก ฯลฯ

แท่งรูปทรงพิเศษ

การเผาผนึก

การขึ้นรูปด้วยการเผาผนึกซีเมนต์คาร์ไบด์ คือการอัดผงให้เป็นแท่ง แล้วนำเข้าเตาเผาผนึกเพื่อให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่กำหนด (อุณหภูมิการเผาผนึก) คงอุณหภูมิไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง (ระยะเวลาคงอุณหภูมิ) แล้วจึงปล่อยให้เย็นลงเพื่อให้ได้วัสดุซีเมนต์คาร์ไบด์ที่มีคุณสมบัติตามต้องการ

กระบวนการเผาผนึกซีเมนต์คาร์ไบด์สามารถแบ่งออกได้เป็นสี่ขั้นตอนพื้นฐาน:

1: ในขั้นตอนการกำจัดสารขึ้นรูปและการเผาผนึกเบื้องต้น ชิ้นงานที่ผ่านการเผาผนึกจะเปลี่ยนแปลงไปดังนี้:
การกำจัดสารขึ้นรูป โดยการเพิ่มอุณหภูมิในระยะเริ่มต้นของการเผาผนึก สารขึ้นรูปจะค่อยๆ สลายตัวหรือระเหยไป และชิ้นงานที่เผาผนึกแล้วจะถูกแยกออกไป ชนิด ปริมาณ และกระบวนการเผาผนึกจะแตกต่างกันไป
ออกไซด์บนพื้นผิวของผงจะถูกลดลง ที่อุณหภูมิการเผาผนึก ไฮโดรเจนสามารถลดออกไซด์ของโคบอลต์และทังสเตนได้ หากกำจัดสารขึ้นรูปออกในสภาวะสุญญากาศและทำการเผาผนึก ปฏิกิริยาคาร์บอน-ออกซิเจนจะไม่รุนแรง ความเครียดจากการสัมผัสระหว่างอนุภาคผงจะค่อยๆ หมดไป ผงโลหะที่ยึดติดกันจะเริ่มฟื้นตัวและตกผลึกใหม่ การแพร่กระจายบนพื้นผิวเริ่มเกิดขึ้น และความแข็งแรงในการอัดขึ้นรูปจะดีขึ้น

2: ขั้นตอนการเผาผนึกในเฟสของแข็ง (800℃ – อุณหภูมิยูเทคติก)
ที่อุณหภูมิก่อนการปรากฏตัวของเฟสของเหลว นอกจากการดำเนินกระบวนการในขั้นตอนก่อนหน้าแล้ว ปฏิกิริยาและการแพร่กระจายของเฟสของแข็งจะทวีความรุนแรงขึ้น การไหลของพลาสติกจะเพิ่มขึ้น และชิ้นงานที่ผ่านการเผาผนึกจะหดตัวลงอย่างมาก

3: ขั้นตอนการเผาผนึกในเฟสของเหลว (อุณหภูมิยูเทคติก – อุณหภูมิการเผาผนึก)
เมื่อเฟสของเหลวปรากฏขึ้นในเนื้อวัสดุที่ผ่านการเผาผนึก การหดตัวจะเสร็จสมบูรณ์อย่างรวดเร็ว ตามด้วยการเปลี่ยนแปลงทางผลึกศาสตร์เพื่อสร้างโครงสร้างพื้นฐานและโครงสร้างของโลหะผสม

4: ขั้นตอนการระบายความร้อน (อุณหภูมิการเผาผนึก – อุณหภูมิห้อง)
ในขั้นตอนนี้ โครงสร้างและองค์ประกอบเฟสของโลหะผสมจะมีการเปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะการระบายความร้อนที่แตกต่างกัน คุณสมบัตินี้สามารถนำมาใช้ในการให้ความร้อนแก่โลหะผสมคาร์ไบด์เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลได้