Druckfestigkeit und Streckgrenze von Wolframkarbid

Wolframcarbidals lebenswichtiges Sinterkarbid-Materialwird in allen Industriezweigen in großem Umfang verwendet. Seine mechanischen Eigenschaften wirken sich direkt auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit aus. Sowohl die Druckstreckgrenze als auch die Zugstreckgrenze dienen als zentrale Indikatoren für die Bewertung der Belastbarkeit eines Materials. Das Verständnis dieser Parameter erfordert eine Untersuchung aus drei Blickwinkeln: Materialstruktur, Prüfmethodik und praktische Anwendungen.

Wolframcarbid bildet durch Hochtemperaturbindungen von Wolfram- und Kohlenstoffatomen eine dicht gesinterte kristalline Struktur, die dem Werkstoff eine außergewöhnliche Härte verleiht. Die Druckstreckgrenze bezeichnet den kritischen Spannungswert, bei dem die plastische Verformung unter kontinuierlicher Druckbelastung einsetzt; sie wird normalerweise mit einer Universalprüfmaschine gemessen. Bei der Prüfung werden zylindrische Proben zwischen Druckplatten eingelegt und mit einer konstanten Geschwindigkeit axialem Druck ausgesetzt. Der Spannungswert, der dem ausgeprägten Wendepunkt der Spannungs-Dehnungs-Kurve entspricht, definiert die Druckstreckgrenze. Als keramischer Werkstoff weist reines Wolframcarbid eine hohe Härte und Sprödigkeit sowie eine relativ geringe Zugfestigkeit auf, die maßgeblich von den Herstellungsverfahren (z. B. Sinterdichte, Korngröße) beeinflusst wird. Reines Wolframkarbid hat eine Zugfestigkeit von 344 MPa. Wolframcarbid in Industriequalität wird in der Regel mit Bindemetallen wie Kobalt (Co) und Nickel (Ni) kombiniert, um die Wolframcarbidteilchen zu binden und so die Sprödigkeit und Zugfestigkeit zu erhöhen. Dieser Verbundwerkstoff wird gemeinhin als Sinterkarbid bezeichnet. Gesinterte Wolframkarbide weisen im Allgemeinen Druckfestigkeiten von 4.000 bis 6.000 MPa (580.151-870.226 psi) auf.Das entspricht einer Widerstandsfähigkeit von 400-600 Kilogramm pro Quadratmillimeter. In der nachstehenden Tabelle sind die Zug- und Streckgrenzen von Hartmetall für bestimmte Sorten aufgeführt:

Sinterkarbid	Klasse	Chemische Zusammensetzung	Zugfestigkeit（MPa）	Streckgrenze（MPa)
WC-Co Niedriges Kobalt	YG6	WC-6%Co	1400~1800	1500~1800
WC-Co Mittleres Kobalt	YG8	WC-8%Co	1800~2200	1600~2000
WC-Co Hoher Kobaltgehalt	YG15	WC-15%Co	2400~2800	1200~1500
Ultrafeine Korngröße WC-Co	YG10X	Ultrafeine Korngröße WC-10% Co	3000~3500	2000~2500
WC-TiC-Co	YT15	WC-15%TiC-6%Co	1100~1500	1000~1300
WC-Ni-Fe	YN10	WC-10%Ni-5%Fe	1600~2000	1400~1700

Die Streckgrenze von gesintertem Wolframkarbid spiegelt die Fähigkeit des Materials wider, unter Spannung zu brechen. Bei der Prüfung werden die Probenenden in eine Zugprüfmaschine eingespannt. Mit zunehmender Zugkraft ist der Übergangspunkt, an dem das Material von der elastischen Verformung zur plastischen Verformung übergeht, die Zugstreckgrenze. Aufgrund der hohen Sprödigkeit von Hartmetallen ist die Zugstreckgrenze von Wolframkarbid deutlich niedriger als die Druckfestigkeit, die normalerweise zwischen 1000 und 1500 MPa liegt. Aufgrund dieser Eigenschaft muss bei der Konstruktion von Hartmetallkomponenten besonders darauf geachtet werden, dass Zugspannungskonzentrationen vermieden werden, z. B. durch abgerundete Übergänge an den Schneidwerkzeugkanten.

Das Verhältnis der Materialzusammensetzung wirkt sich direkt auf die mechanischen Eigenschaften aus. Bei jeder Erhöhung des Kobaltgehalts um 1% als Bindemittelphase nimmt die Druckfestigkeit um etwa 80 MPa ab, die Zähigkeit nimmt jedoch zu. Ein bestimmtes Modell einer Bergbau-Gesteinsbohrlegierung mit 6% Kobalt erreicht beispielsweise eine Druckfestigkeit von 5800 MPa, während die Druckfestigkeit einer Schneidplatte mit 15% Kobalt auf 4200 MPa sinkt. Die Kontrolle der Wolframkarbidkorngröße zwischen 0,5 und 2 Mikrometern ergibt ein optimales Festigkeitsgleichgewicht; zu feine Körner können zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Bindephase führen, während zu grobe Körner anfällig für die Bildung von Rissbildungsstellen sind.

Temperaturänderungen wirken sich nichtlinear auf die Festigkeitsindikatoren aus. Experimentelle Daten zeigen, dass die Druckfestigkeit von Wolframkarbid bei einer Betriebstemperatur von über 600°C um 0,8% pro Grad Celsius abnimmt. So sinkt beispielsweise die Druckfestigkeit eines Dichtungsrings für ein Flugzeugtriebwerk bei 800 °C von 5200 MPa bei Raumtemperatur auf 3200 MPa. Die Hauptursache für die Verringerung der Festigkeit bei hohen Temperaturen ist die Ausbreitung von Mikrorissen aufgrund von thermischen Spannungen; der Zusatz von Elementen wie Chrom und Vanadium kann die Hochtemperaturstabilität verbessern.

Bei Erdölbohrungen müssen PDC-Fräser gleichzeitig der Formationskompression und der Schlagspannung standhalten. Ein spezielles Fräsermodell ist mit einer Gradientenstruktur ausgestattet: Die Oberflächenschicht besteht aus Wolframkarbidkörnern, die auf 0,8 Mikrometer verfeinert sind, während der Kern 2-Mikrometer-Körner enthält. Tests haben eine Druckfestigkeit von 5500 MPa und eine Zugfestigkeit von 1300 MPa ergeben, was zu einer um 40% längeren Lebensdauer im Vergleich zu einer homogenen Struktur führt. Bei der Metallzerspanung wirkt sich der Spanwinkel des Zerspanungswerkzeugs direkt auf den Spannungszustand aus; ein negativer Spanwinkel wandelt die Zerspanungskräfte in Druckspannungen um und nutzt den Vorteil der Druckfestigkeit des Materials voll aus.

Die Qualitätskontrolle erfordert besondere Aufmerksamkeit bei der Fehlererkennung. Eine Porosität von mehr als 0,05% kann die Druckfestigkeit um 15% verringern. Durch Ultraschallprüfungen können interne Defekte von mehr als 0,1 mm erkannt werden. Bei der Fehleranalyse eines Loses von Kaltstauchwerkzeugen wurde eine ungesinterte Pore von 0,3 mm im Inneren des Werkzeugs festgestellt, die dazu führte, dass die tatsächliche Druckfestigkeit nur 72% des Nennwerts betrug.

Die Forschung zur Materialmodifikation hat einen Durchbruch erzielt: nano-geschichtetes strukturiertes Wolframkarbid behält eine Druckfestigkeit von 4800 MPa bei und erhöht die Zugfestigkeit auf 1800 MPa. Diese Struktur, die durch die abwechselnde Ablagerung von 5 nm dicken Wolframkarbidschichten und 2 nm dicken Metallschichten entsteht, verhindert wirksam die Rissausbreitung. Labordaten zeigen, dass sich die Bruchzähigkeit des modifizierten Materials um das 2,3-fache erhöht hat, und es wurde bei der Herstellung von Präzisionsstempeln eingesetzt.

Die tatsächliche Auswahl muss die Arbeitsbedingungen umfassend berücksichtigen. Für Anwendungen mit häufiger Stoßbelastung sollten Formulierungen mit geringerer Druckfestigkeit, aber höherer Zähigkeit gewählt werden. Bei anhaltender Hochdruckbelastung sind Werkstoffe mit hoher Druckfestigkeit zu bevorzugen. Nachdem beispielsweise der Hammerkopf eines Minenbrechers durch eine kobalthaltige Rezeptur (12%) ersetzt wurde, sank die Druckfestigkeit zwar auf 4500 MPa, die Lebensdauer erhöhte sich jedoch um das Dreifache, da die verbesserte Zähigkeit des Materials zyklischen Stößen wirksam widerstand.

Die Analyse von Schadensfällen zeigt die gegenseitige Abhängigkeit von Festigkeitsindikatoren. Der Bruch eines Präzisionslagerkäfigs wurde darauf zurückgeführt, dass die Zugfestigkeit des Rohmaterials nur 980 MPa betrug und damit unter den Konstruktionsanforderungen von 1200 MPa lag. Weitere Analysen ergaben, dass die niedrige Sintertemperatur zu einer unzureichenden Korngrenzenbindungsfestigkeit führte; obwohl die Härte der Norm entsprach, war die tatsächliche Festigkeit unzureichend. Dieser Fall zeigt, dass man sich bei der Materialauswahl nicht allein auf die Härte verlassen kann; eine umfassende Prüfung der mechanischen Eigenschaften ist unerlässlich.

Unser Unternehmen gehört zu den zehn führenden Unternehmen in China. Sinterkarbid-Hersteller. Sollten Sie Produkte aus Hartmetall benötigen, wenden Sie sich bitte an Kontaktieren Sie uns.