텅스텐 카바이드 압축 강도 및 인장 항복 강도

텅스텐 카바이드 는 텅스텐과 탄소 원자의 고온 결합을 통해 조밀하게 소결된 결정 구조를 형성하여 재료에 뛰어난 경도를 부여합니다. 세라믹 소재인 순수 텅스텐 카바이드는 높은 경도와 취성을 나타내며 제조 공정(예: 소결 밀도, 입자 크기)의 영향을 크게 받는 인장 강도가 상대적으로 낮습니다. 순수 텅스텐 카바이드의 인장 강도는 344MPa입니다.. 산업용 텅스텐 카바이드는 일반적으로 코발트(Co) 및 니켈(Ni)과 같은 바인더 금속과 결합하여 텅스텐 카바이드 입자를 결합하여 취성을 크게 개선하고 인장 강도를 향상시킵니다. 이 복합 소재를 일반적으로 초경합금이라고 합니다. 초경합금 텅스텐 카바이드의 압축 강도는 일반적으로 4,000~6,000MPa(580,151~870,226psi) 범위에서 나타납니다.평방밀리미터당 400-600킬로그램을 견디는 것과 같습니다. 아래 표는 특정 등급의 초경 텅스텐 카바이드 인장 및 항복 강도를 나타냅니다:

초경합금	등급	화학 성분	인장 강도(MPa)	항복 강도(MPa)
WC-Co 저코발트	YG6	WC-6%Co	1400~1800	1500~1800
WC-Co 미들 코발트	YG8	WC-8%Co	1800~2200	1600~2000
WC-Co 하이 코발트	YG15	WC-15%Co	2400~2800	1200~1500
초미립자 크기 WC-Co	YG10X	초미립자 크기 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

초경합금 텅스텐 카바이드 인장 항복 강도는 재료가 장력 하에서 파손에 저항하는 능력을 반영합니다. 테스트 중에 시편 끝은 인장 시험기에 고정됩니다. 당기는 힘이 증가함에 따라 재료가 탄성 변형에서 소성 변형으로 이동하는 전환점이 인장 항복 강도입니다. 초경합금의 상당한 취성으로 인해 텅스텐 카바이드의 인장 항복 강도는 압축 강도보다 현저히 낮으며, 일반적으로 1000~1500MPa 범위입니다. 이러한 특성 때문에 절삭 공구 모서리에 둥근 전환을 사용하는 등 텅스텐 카바이드 부품을 설계할 때 인장 응력 집중을 피하는 데 특별한 주의가 필요합니다.

재료 구성 비율은 기계적 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 바인더 상으로 코발트 함량이 1% 증가할 때마다 압축 강도는 약 80MPa 감소하지만 인성은 향상됩니다. 예를 들어, 6% 코발트가 함유된 특정 채광용 암반 드릴링 합금 모델은 5800MPa의 압축 강도를 달성하는 반면, 15% 코발트가 함유된 절삭 인서트는 압축 강도가 4200MPa로 감소합니다. 텅스텐 카바이드 입자 크기를 0.5~2마이크로미터로 제어하면 최적의 강도 균형을 얻을 수 있습니다. 입자가 너무 미세하면 바인더 상이 고르지 않게 분포할 수 있고 입자가 너무 거칠면 균열 시작 지점을 형성하기 쉽습니다.

온도 변화는 강도 지표에 비선형적으로 영향을 미칩니다. 실험 데이터에 따르면 작동 온도가 600°C를 초과하면 텅스텐 카바이드의 압축 강도는 섭씨 1도당 0.8%의 비율로 감소하는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 800°C에서 작동하는 항공 엔진 씰 링의 압축 강도는 상온에서 5200MPa에서 3200MPa로 감소합니다. 고온 강도 감소의 주요 원인은 열 응력으로 인한 미세 균열 전파이며, 크롬 및 바나듐과 같은 원소를 첨가하면 고온 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

석유 시추에서 PDC 커터는 지층 압축과 충격 장력을 동시에 견뎌내야 합니다. 특정 커터 모델은 표면층은 0.8 마이크로미터로 정제된 텅스텐 카바이드 입자를 특징으로 하고 코어는 2 마이크로미터 입자를 유지하는 그라데이션 구조 설계를 채택하고 있습니다. 테스트 결과 압축 강도는 5500MPa, 인장 강도는 1300MPa로 균질 구조에 비해 수명이 40% 더 길었습니다. 금속 절삭에서 절삭 공구의 레이크 각도 설계는 응력 상태에 직접적인 영향을 미치며, 음의 레이크 각도 설계는 절삭력을 압축 응력으로 변환하여 재료의 압축 강도 이점을 최대한 활용합니다.

품질 관리에는 결함 감지에 특별한 주의가 필요합니다. 0.05%를 초과하는 다공성은 압축 강도를 15%까지 감소시킬 수 있습니다. 초음파 테스트는 0.1mm보다 큰 내부 결함을 감지할 수 있습니다. 콜드 헤딩 금형 배치의 고장 분석 결과 금형 내부에 0.3mm의 미소결 기공이 발견되어 실제 압축 강도가 공칭 값의 72%에 불과한 것으로 나타났습니다.

재료 변형 연구는 획기적인 발전을 이루었습니다: 나노-층 구조의 텅스텐 카바이드는 압축 강도는 4800MPa를 유지하면서 인장 강도는 1800MPa로 증가합니다. 이 구조는 5nm 두께의 텅스텐 카바이드 층과 2nm 두께의 금속 층을 교대로 증착하여 만든 것으로, 균열 전파를 효과적으로 억제합니다. 실험실 데이터에 따르면 개질된 소재의 파단 인성은 2.3배 증가했으며, 정밀 스탬핑 다이 제조에 적용되었습니다.

실제 선택 시에는 작업 조건을 종합적으로 고려해야 합니다. 충격 하중이 빈번한 용도의 경우 압축 강도는 낮지만 인성이 높은 제형을 선택해야 합니다. 지속적인 고압 환경에서는 최고 압축 강도를 가진 소재를 우선적으로 고려해야 합니다. 예를 들어 광산 파쇄기의 해머 헤드를 고코발트(12%) 포뮬러로 교체한 후 압축 강도는 4500MPa로 감소했지만 향상된 소재 인성으로 인해 주기적인 충격에 효과적으로 저항하여 수명이 3배 증가했습니다.

고장 사례 분석을 통해 강도 지표의 상호 의존성을 확인할 수 있습니다. 정밀 베어링 케이지의 파손은 원재료의 인장 강도가 설계 요건인 1200MPa보다 낮은 980MPa에 불과했기 때문인 것으로 밝혀졌습니다. 추가 분석 결과 소결 온도가 낮아 입자 경계 결합 강도가 충분하지 않았고, 경도는 기준을 충족했지만 실제 강도는 불충분한 것으로 나타났습니다. 이 사례는 재료 선택 시 경도에만 의존해서는 안 되며, 종합적인 기계적 특성 테스트가 필수적이라는 것을 보여줍니다.

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