초경합금은 고경도 내화성 금속 탄화물과 초경합금으로 구성된 복합 재료입니다. 높은 경도, 내마모성 및 안정적인 화학적 특성으로 인해 현대 공구 재료 및 내마모성 재료에 사용됩니다. 고온 및 내 부식성 재료는 중요한 위치를 차지합니다. 현재 텅스텐 카바이드 기반의 경질 합금은 세계에서 생산되는 탄화물 중에서 가장 널리 사용되며 가장 큰 생산량과 가장 광범위한 용도로 사용됩니다. 그중에서도 광산에 사용되는 WC 경질 합금은 광산 개발, 석유 시추 및 지질 탐사 산업의 "치아"로 간주되어 광범위한 관심을 받아 왔습니다.
광산 암석 드릴링 도구는 금속 기본 몸체와 다양한 기하학적 모양이 내장되어 있으며 다양한 작업 조건에 따라 다른 등급의 WC 경합금 드릴 치아로 구성됩니다. 예를 들어 픽 액슬 픽을 선택하면 픽의 작업 환경이 가혹하며 압축, 굽힘 및 높은 응력 하에서 마모가 발생할뿐만 아니라 무기한 충격력도 가해져 석탄 채굴 과정에서 탄화물이 종종 발생합니다. 헤드가 파손되어 떨어짐으로 인해 픽업 매트릭스의 조기 마모 및 고장이 발생하여 픽업 모양의 픽 수명이 설계 수명보다 훨씬 낮습니다. 따라서, 우수한 채굴 용 경질 합금은 강도, 내마모성에 필요한 높은 경도 및 내충격 파괴에 필요한 높은 인성을 가져야한다.

텅스텐 카바이드 마이닝 도구의 기능 및 준비 1

텅스텐 카바이드 마이닝 도구 기능

1.1 WC 합금의 내마모성

시어러의 시어러는 작업 과정에서 석탄층과 직접 접촉합니다. 시어러의 마모 마모 특성은 석탄 심 구조 및 경도와 밀접한 관련이 있습니다. 석탄의 경도는 일반적으로 100 ~ 420HV로 낮지 만 종종 다른 경도를 포함합니다. 석영 및 황철석 (900 ~ 1100 HV)과 같은 불순물은 경도가 높고 픽의 연마 마모 특성에 큰 영향을 미칩니다.
대부분의 작동 예에서 내마모성은 재료 경도의 기본 기능입니다. 경도가 높을수록 내마모성이 높습니다. 순수한 화장실은 매우 단단하며 다이아몬드와 비슷합니다. 초경합금에서 WC 입자는 강한 골격을 형성하므로 WC 초경합금은 매우 높은 경도를 나타냅니다. 또한, WC는 육방 정계에 속하며 경도의 이방성을 갖는다. 바닥면 {0001} 및 가장자리면 {1010}의 비커스 경도는 각각 2100HV 및 1,080HV입니다. 조 대한 초경합금에서는 {0001} 평면에서 WC 입자의 비율이 높기 때문에 조 대한 WC를 포함하는 초경의 경도가 더 높습니다. 동시에, 1 000 ℃의 고온에서, 거친 입자 WC 경질 합금은 일반 경질 합금보다 높은 경도를 가지며 우수한 적색 경도를 나타낸다.
석탄 절단 공정에서, 빌트-업 에지에 의해 보호되는 공구 노즈에서 초경 카바이드의 초안 상이 압착되거나 연마 스크래핑에 의해 제거 된 후 초경 카바이드의 표면에 WC 입자가 노출된다. 결합 된 상지지 WC 입자는 쉽게 분쇄, 파괴 및 방출됩니다. 거친 WC 입자로 인해, 초경합금은 WC에 대해 강한 유지력을 가지며, WC 입자는 빼기 어렵고 우수한 내마모성을 나타낸다.

1.2 WC 합금의 인성

커터 비트가 석탄 암석을 절단 할 때, 커터 헤드는 충격 하중의 작용하에 높은 응력, 인장 응력 및 전단 응력을받습니다. 응력이 합금의 강도 한계를 초과하면 합금 절단기 헤드가 조각화됩니다. 발생 된 응력이 초경합금의 강도 한계에 도달하지 않더라도 충격 하중의 반복 작용으로 초경합금의 피로 균열이 발생하며 피로 균열의 팽창으로 인해 공구 헤드가 떨어지거나 치핑. 동시에, 석탄 이음매를 절단 할 때, 전 단기 픽은 절단 표면에서 600-800 ° C의 고온을 생성하며, 절단 절삭 석탄 이음새는 주기적 회전 운동이다. 온도 상승이 번갈아 가며 절단기 헤드가 석탄 암석에 닿으면 온도가 상승합니다. 석탄 바위를 떠날 때 식히십시오. 표면 온도의 일정한 변화로 인해 전위 밀도가 증가하고 집중되며 구불 구불 한 패턴의 표면이 나타납니다.
초경 입자 크기가 증가함에 따라 균열 깊이 및 전파 속도가 감소하고, 균열의 형태, 방향 및 깊이도 WC 입자 크기에 따라 달라진다. 미세 입자 합금의 균열은 대부분 직선형이며 작고 길다. 거친 입자의 균열은 불규칙적이고 짧습니다. 균열은 주로 약한 입자 경계에서 확장됩니다. 거친 입자의 초경합금에서 미세 균열이 거친 입자의 WC 입자를 우회하는 경우 지그재그 모양이며 파괴 영역과 일치하는 에너지를 가져야합니다. 그들이 통과하는 경우 WC 입자가 팽창 할 때 상당한 파괴 에너지가 있어야합니다. 결과적으로, 거친 입자 WC 입자는 균열의 변형 및 분기가 향상되어 미세 균열의 추가 전파를 방지하고 초경합금의 인성을 증가시킬 수 있습니다. 시멘트질상의 동일한 함량으로, 조 대한 합금은 더 두꺼운 결합 상을 가지며, 이는 결합상의 소성 변형에 유리하고, 균열의 연장을 억제하며, 우수한 인성을 나타낸다.
WC-Co 초경합금의 강도와 구조에 대한 연구는 초경합금의 강도와 WC의 입자 크기 사이에 일정한 규칙이 있음을 보여줍니다. 코발트 함량이 일정 할 때, 초경합금 내 WC의 입자 크기가 거칠어 짐에 따라 통상적 인 저 코발트 합금의 강도는 항상 증가하고, 높은 코발트 함량을 갖는 합금의 강도는 WC 입자 조 대화에 의해 피크에 이른다.

2 채광 WC 합금의 제조 공정에 관한 연구 진행

현재, 텅스텐 카바이드 분말은 일반적으로 텅스텐 산화물을 환원시켜 거친 텅스텐 분말을 얻고, 고온 탄화에 의해 얻어진 텅스텐 분말을 거친 WC 분말, 및 WC 분말 및 Co 분말을 혼합, 습식 분쇄 및 소결을 통해 수득하는 공정에 의해 일반적으로 제조된다. 그중에서도 거친 WC 분말 제조, 소결 공정 및 장비의 선택은 광산 WC 합금의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

2.1 WC 분말의 제조

(1) 조 대한 텅스텐 분말의 제조

Luo Binhui의 시험 결과는 산화 텅스텐 원료의 산소 함량이 텅스텐 분말의 입자 크기에 직접 영향을 미친다는 것을 보여준다. 초 미립 텅스텐 분말을 생산하려면 산소 함량이 낮은 산화 텅스텐을 원료 (보통 자주색 텅스텐)로 선택해야하고, 조밀 한 텅스텐 분말을 산소 생산을 위해 선택해야합니다. 텅스텐 산화물 (황색 텅스텐 또는 청색 텅스텐)의 함량이 높은 원료로 사용됩니다. Zhang Li et al.의 결과 황색 텅스텐과 비교하여, 거친 입자 텅스텐 분말을 수득하기 위해 청색 텅스텐을 사용하는 것은 입자 크기 및 분포에 이점이 없음을 보여 주었다. 그러나, 표면 미세 공은 황색 텅스텐으로 제조 된 텅스텐 분말이 적으며, 초경합금의 전체 성능이 더 우수하다. 산화 텅스텐에 알칼리 금속의 첨가는 텅스텐 분말의 긴 조 대화에 기여하지만, 텅스텐 분말의 잔류 알칼리 금속은 WC 결정 입자의 성장을 억제하는 것으로 알려져있다. Sun Baoqi et al. 수소 환원을 위해 리튬 활성 산화 텅스텐을 사용하여 조 대한 텅스텐 분말을 제조 하였다. 실험 결과를 바탕으로 그는 활성화 및 곡물 성장 메커니즘을 탐구했습니다. 그는 휘발성 리튬 염을 첨가함으로써 산화 텅스텐의 환원 동안 휘발성 증착 속도가 가속화되어 텅스텐이 더 낮은 온도에서 성장할 것이라고 믿었다. 황 신은 중간 온도 감소를 위해 WO 3에 Na 염을 첨가 하였다. 텅스텐 분말의 입자 크기는 첨가되는 Na의 양에 비례한다. Na 첨가가 증가함에 따라, 큰 결정 입자의 수가 50에서 100 μm로 증가했다.

(2) 텅스텐 분말의 분류

Gao Hui는 텅스텐 분말의 분류가 분말의 특성을 효과적으로 변화시키고 불균일 한 두께의 분말 문제를 해결할 수 있다고 생각합니다. 더 작고 더 균일 한 WC 분말을 생성하기 위해 최소, 최대 및 평균 입자 직경의 차이를 줄이십시오. 텅스텐의 특성으로 인해 쉽게 파쇄되지 않으며 분류 전에 적당한 분쇄가 수행되어 분말 내 응집 입자를 분리합니다. , 분말의 더 효과적인 분리는 균일 성을 향상시킵니다.

(3) 거친 WC 분말 제조

굵은 텅스텐 분말의 고온 탄화에 의한 굵은 WC 분말의 제조는 고전적이고 고전적인 방법이다. 거친 입자 텅스텐 분말을 카본 블랙과 혼합 한 다음 카본 튜브 퍼니스에 혼합합니다. 조 대한 텅스텐 분말의 탄화 온도는 일반적으로 약 1600 ℃이고, 탄화 시간은 1 ~ 2 시간이다. 고온에서의 장시간 탄화로 인해이 방법은 WC의 격자 결함을 최소화하고 미세한 변형을 최소화하여 WC의 가소성을 향상시킵니다. 최근 텅스텐 분말 탄화 공정이 지속적으로 개발되고있다. 일부 초경합금 생산 설비는 진공 탄화 및 수소화를 위해 고급 중간 주파수 유도로를 채택하기 시작했습니다.
WC 분말 입자의 소결 및 성장 현상으로 인해, WC 입자는 고온에서 점점 두껍게 성장한다. 또한, 원래 텅스텐 분말이 미세할수록 고온 및 WC 입자 성장 현상이 더욱 분명해진다. 이 원리에 기초하여, 거친 입자의 탄화 텅스텐 카바이드를 얻기 위해 고온 탄화를 위해 중간 입자의 텅스텐 분말 및 심지어 미세 입자의 텅스텐 분말이 사용된다. 텅스텐 분말 (Fisher sub-sieve sixer, Fsss 5.61 내지 9.45 μm)의 사용이 문헌에보고되었다. 탄화 온도는 1800 내지 1900 ℃이고, Fsss 7.5 내지 11.80 μm의 WC 분말을 수득 하였다. 미세한 텅스텐 분말이 사용되었다. (Fsss <2.5 μm), 탄화 온도 2 000 ℃, Fsss가 7 내지 8 μm 인 WC 분말을 제조 하였다. 텅스텐과 WC의 밀도 차이가 크기 때문에 텅스텐에서 WC로 변환하는 동안 텅스텐 입자는 WC 입자로 변환됩니다.
생성 된 WC 입자는 큰 변형 에너지를 함유하고, 그 결과 일부 WC 입자가 파열되고, 블라스팅 후 WC 입자는 더 작아진다. Huang Xin et al. 2 단계 탄화 방법을 채택했습니다. 처음으로 불완전한 탄화이기 때문에, 입자 코어 부분은 순수한 텅스텐으로 남아 있었고, 입자의 표면 층은 완전히 탄화되었다. 순수한 텅스텐은 재결정 화되어 변형 에너지의 일부를 소비함으로써 입자 균열을 감소시킬 수있다. 확률. 종래의 1 단계 WC 분말과 비교하여, 2 단계 방법에 의해 제조 된 거친 입자 WC 분말은 단일 상 조성을 가지며 W2C, WC (1-x) 및 기타 잡상은 거의 없다. Zhang Li et al. Co 도핑이 거친 WC 분말의 입자 크기와 미세한 형태에 미치는 영향을 연구했습니다. 결과는 Co 도핑이 WC 분말의 입자 크기 및 유리 탄소의 증가에 유리하고 단결정에 유리하다는 것을 보여준다. 화장실 분말. Co의 도핑 함량이 0.035% 인 경우, WC 입자의 결정 무결성이 현저하게 개선되어 뚜렷한 성장 단계 및 성장 평면을 나타낸다.

(4) 조 결정 알루미늄 열처리

독특한 특징은 텅스텐 카바이드가 텅스텐 카바이드를 직접 생성하는데 사용될 수 있고, 생성 된 텅스텐 카바이드 분말은 특히 두껍고 탄화된다는 것이다. 텅스텐 광석과 산화철의 혼합물은 알루미늄으로 환원되고, 탄화 칼슘은 탄화 칼슘에 사용됩니다. 전하가 발화되는 한, 반응은 자발적으로 진행되어 최대 2500 ℃의 자기 발열 온도와 발열 반응을 일으킨다. 반응이 완료된 후, 반응 소성로 및 물질을 냉각시킨다. 가마의 하부는 WC 기반 블록 층을 생성하고 나머지는 금속 철, 망간, 과잉 금속 알루미늄 및 소량의 슬래그가 될 것이다. 상부 슬래그 층을 분리하고, 하부 잉곳을 분쇄하고, 물로 세척하여 과량의 탄화 칼슘을 제거하고, 산 처리로 철, 망간 및 알루미늄을 제거하고, 마지막으로 WC 결정을 중력 드레싱으로 분류 하였다. 이 공정으로 생산 된 WC는 다양한 초경합금과 함께 사용하기 위해 미크론 수준으로 분쇄됩니다.

2.2 WC 초경 소결

(1) 진공 소결

진공 소결에서, 경질 상으로의 본딩 금속의 습윤성이 상당히 개선되고, 생성물은 쉽게 침탄 및 탈탄되지 않는다. 따라서 세계적으로 유명한 초경합금 제조업체 중 다수는 진공 소결을 사용하며, 중국의 산업 생산에서 진공 소결은 점차 수소 소결을 대체했습니다. Mo Shengqiu는 진공 소결에 의해 코발트 함량이 낮은 WC-Co 초경합금의 제조를 연구했으며, 소성 전 단계의 공정 시스템이 코발트 함량이 낮은 WC-Co 초경합금의 진공 소결의 열쇠라고 지적했다. 이 단계에서, 합금의 불순물 및 산소가 제거되고, 부피 수축이 비교적 강하며, 밀도가 빠르게 증가한다. 0.11 ~ 0.21 MPa 합금의 사전 연소 진공은 더 나은 최종 성능을 갖습니다. 4%와 6% 사이의 코발트 함량을 갖는 굵은 WC-Co 초경합금의 경우 고강도를 위해 사전 소결 온도는 1320 ~ 1370 ° C 여야합니다.

(2) 저압 열간 등압 프레스

진공 소결 초경합금은 소량의 기공과 결함을 가지고 있습니다. 이러한 기공 및 결함은 재료의 성능에 영향을 줄뿐만 아니라 사용 중 파단의 원인이되는 경향이 있습니다. 열간 등방성 압축 기술은이 문제를 해결하는 효과적인 방법입니다. 1990 년대 초부터 Jianghan Bit Factory, Zhuzhou Cemented Carbide Factory 및 Zigong Cemented Carbide Factory와 같은 중국의 일부 대기업에 저압 열간 등압 프레스 소결로가 도입되었습니다. Beijing Iron과 Steel Research Institute에서 독자적으로 개발 한 저압 소결로가 가동되었습니다. 사용하다. 저압 열간 등압 프레스의 적용은 초경합금의 다공성을 감소시키고 구조는 조밀하며, 합금의 충격 인성을 향상시키고 초경합금의 수명을 향상시킨다.
Jia Zuocheng 및 기타 실험 결과에 따르면 저압 열간 등압 성형 공정은 합금 및 WC 입자 성장에서 공극을 제거하는 데 유리하며 거친 입자 WC-15Co 및 WC-22Co 합금의 굽힘 강도를 증가시킵니다. Xie Hong et al. WC-6Co 초경합금의 특성에 대한 진공 소결 및 저압 소결의 효과를 연구했습니다. 결과는 진공 소결 재료 비커스 경도 1 690kg / mm 2, 가로 파열 강도는 1830 MPa이며, 저압 소결 재료 비커스 경도는 1720 kg / mm 2로 증가하고, 가로 파열 강도는 2140 MPa. Wang Yimin은 또한 진공 소결 및 저압 소결에 의해 WC-8Co 합금을 생산했습니다. 결과는 진공 소결 된 재료가 89.5 HRA의 경도 및 2270 MPa의 횡 파열 강도를 가지며; 저압 소결 재료는 89.9 HRA의 증가 된 경도 및 횡 파단을 갖는다. 강도는 2,520 MPa입니다. 소결로의 온도 균일 성은 고성능 초경 제품의 품질에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 많은 연구에서 소결로의 온도 장을 시뮬레이션하고 최적화했습니다. 상기 문헌은 실험 결과와 일치하는 단편 시뮬레이션 방법을 제안한다. 흑연 튜브의 온도 분포는 균일하지 않으며, 이는 주로 흑연 보트와 소결 제품의 부적합한 배열 및 흑연 튜브의 구조 때문이다. 이 시험에서, 진공 단계 동안 및 가스 가열 단계 동안 ± 7 K 내에서 소결 된 제품의 표면 온도 편차를 대략 10 K 감소시켜 소결 품질을 향상시키기위한 최적화 방안이 제안되었다.

(3) 스파크 플라즈마 소결 (SPS)

순간적이고 간헐적 인 방전 에너지를 사용하여 가압 조건 하에서 소결하는 방법. SPS 소결의 메커니즘은 여전히 논란의 여지가 있습니다. 국내외 학자들이이 주제에 대해 광범위한 연구를 수행했습니다. 직류 펄스가 전극에인가 될 때 방전 플라즈마가 순간적으로 발생하여 소결체 내의 각 입자에 의해 균일하게 발생 된 열이 입자의 표면을 활성화시키고, 소결은자가 가열에 의해 수행되는 것으로 일반적으로 여겨진다 분말 내부의 영향. Liu Xuemei 등은 XRD, EBSD 및 기타 테스트 방법을 사용하여 열간 프레스 및 스파크 플라즈마 소결에 의해 얻어진 경질 합금 재료의 상 조성, 미세 구조 및 특성을 비교 하였다. 결과는 SPS 소결 재료가 높은 파괴 인성을 나타냄을 보여준다. Xia Yanghua 등은 초기 압력 30MPa, 소결 온도 1350 ° C, 8 분 유지, 온도 200 ° C / 분, 91HRA의 초경 경도 91HRA, 가로 파열 강도 1,269MPa의 SPS 기술을 사용합니다. 이 문헌은 SPS 기술을 사용하여 WC-Co 초경합금을 소결합니다. 소결 온도 1270 ° C, 소결 압력 90MPa에서 99%의 밀도, HRA ≥ 93, 우수한 상 형성 및 균일 한 미세 구조로 WC-를 생산할 수 있습니다. 공동 탄화물. Zhao et al. 미국 캘리포니아 대학교 (University of California, USA)의 SPS 방법에 의해 바인더가없는 초경합금을 제조 하였다. 소결 압력은 126MPa이고, 소결 온도는 1750 ℃이며, 유지 시간은 얻지 못했다. 완전히 치밀한 합금이 얻어졌지만 소량의 W 2 C 상이 포함되었다. 불순물을 제거하기 위해, 과량의 탄소가 첨가되었다. 소결 온도는 1550 ℃이고 유지 온도는 5 ㎛였다. 재료 밀도는 변하지 않고 비커스 경도는 2500 kg / mm 2였다.
새로운 유형의 급속 소결 기술로서 스파크 플라즈마 소결은 광범위한 응용 전망을 가지고있다. 그러나 국내외 연구는 여전히 실험실 연구 단계로 제한됩니다. 소결 메커니즘 및 소결 장비는 개발의 주요 장애물입니다. SPS 소결 메커니즘은 여전히 논란의 여지가 있으며, 특히 중간 공정 및 소결 현상은 아직 더 연구되지 않았다. 또한 SPS 장비는 흑연을 금형으로 사용합니다. 취성이 높고 강도가 낮기 때문에 고온 고압 소결에 도움이되지 않습니다. 따라서, 금형 이용률이 낮다. 실제 생산을 위해서는 금형의 베어링 용량을 늘리고 금형 비용을 줄이기 위해 현재 사용되는 금형 재료 (흑연)보다 높은 강도와 재사용 성을 가진 새로운 금형 재료를 개발해야합니다. 이 과정에서 제품 품질을보다 잘 제어하려면 금형 온도와 공작물의 실제 온도 사이의 온도 차이를 설정해야합니다.

(4) 마이크로파 소결

고주파 전기장에서 유전체의 유전 손실을 이용하여 마이크로파 에너지를 열 에너지로 변환하여 소결하고, 전체 물질을 일정한 온도로 균일하게 가열하여 치밀화 및 소결하는 방법. 열은 외부 열원이 아닌 물질 자체와 마이크로파의 결합에서 발생합니다. Monika 팀은 WC-6Co 초경합금의 마이크로파 소결 및 전통적인 소결 치밀화를 연구했습니다. 실험 결과는 마이크로파 소결의 밀도가 전통적인 소결보다 빠르다는 것을 보여줍니다. 펜실베이니아 대학교 (University of Pennsylvania)의 연구원들은 마이크로파 소결 산업에서 텅스텐 카바이드 제품의 생산을 연구했습니다. 기존 제품보다 기계적 성질이 높으며 미세 조직 균일 성이 우수하고 다공성이 낮습니다. 마이크로파 소결에 의한 WC-10Co 초경합금의 마이크로파 소결 공정은 옴니 피크 시스템에서 연구되었다. WC-10Co 초경합금에서 마이크로파 전기장, 자기장 및 마이크로파 전자기장의 상호 작용을 분석 하였다.
재료 특성 데이터 및 장비의 부족은 마이크로파 소결 기술 개발에있어 두 가지 주요 장애물입니다. 재료의 재료 특성에 대한 데이터가 없으면 전자 레인지의 작용 메커니즘을 알 수 없습니다. 제품에 대한 마이크로파 소결로의 강력한 선택성으로 인해 제품마다 필요한 마이크로파 오븐의 매개 변수가 매우 다릅니다. 가변 주파수 및 자동 튜닝 기능을 갖춘 높은 수준의 자동화를 갖춘 마이크로파 소결 장비를 제조하는 것은 어려운데, 이는 개발을 제한하는 병목 현상입니다.

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