การสำรวจคุณสมบัติ เกรด และการใช้งานในอุตสาหกรรมของทังสเตนคาร์ไบด์

ลองนึกภาพวัสดุที่แข็งกว่าเหล็ก มีความทนทานต่อการสึกหรอที่เหนือกว่าเหล็กกล้าความเร็วสูง สามารถทำการตัดด้วยความเร็วสูงได้แม้ภายใต้อุณหภูมิที่สูงจัด นี่คือทังสเตนคาร์ไบด์ ซึ่งเป็นวัสดุวิศวกรรมที่มีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ บทความนี้จะเจาะลึกถึงลักษณะ การจำแนกประเภท และการใช้งานที่หลากหลายของ "ฟันเฟืองอุตสาหกรรม" นี้

ทังสเตนคาร์ไบด์คืออะไร?

ทังสเตนคาร์ไบด์ ดังที่ชื่อบอกไว้ เป็นโลหะผสมที่ประกอบด้วยคาร์ไบด์โลหะแข็งเป็นหลักที่ถูกยึดติดกับโลหะกลุ่มเหล็ก ตัวอย่างที่เป็นตัวแทนมากที่สุดคือโลหะผสม WC-Co โดยที่ทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) ทำหน้าที่เป็นเฟสแข็ง และโคบอลต์ (Co) ทำหน้าที่เป็นตัวประสาน กระบวนการผลิตเกี่ยวข้องกับการผสมผง WC และ Co ตามด้วยการเผาที่อุณหภูมิ 1400°C เพื่อสร้างวัสดุที่มีความแข็งและความยืดหยุ่นสูง ทังสเตนคาร์ไบด์อยู่ในอันดับที่สองรองจากเพชรในด้านความแข็ง ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความทนทานต่อการสึกหรอสูง เช่น เครื่องมือตัดและแม่พิมพ์ปั๊ม

ทังสเตนคาร์ไบด์เทียบกับเหล็กกล้าความเร็วสูง: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ

ในการขึ้นรูปโลหะ เหล็กกล้าความเร็วสูง (HSS) และทังสเตนคาร์ไบด์เป็นวัสดุเครื่องมือทั่วไปสองชนิด เพื่อให้เข้าใจข้อดีของทังสเตนคาร์ไบด์ได้ดีขึ้น เราจะเปรียบเทียบคุณสมบัติของวัสดุทั้งสองชนิด:

ตารางแสดงให้เห็นว่าทังสเตนคาร์ไบด์มีประสิทธิภาพเหนือกว่า HSS ในด้านความแข็ง ค่าโมดูลัสยืดหยุ่น ความแข็งแรงอัด การนำความร้อน และความหนาแน่น อย่างไรก็ตาม วัสดุนี้มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน ความแข็งแรงกระแทก และความเหนียวในการแตกหักที่ต่ำกว่า ทำให้ทังสเตนคาร์ไบด์เหมาะสำหรับการตัดด้วยความเร็วสูงและแม่นยำ แต่มีความสามารถในการทนต่อแรงกระแทกน้อยกว่า

ข้อดีของทังสเตนคาร์ไบด์

• ความแข็งและความทนทานต่อการสึกหรอเป็นพิเศษ: คุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดของทังสเตนคาร์ไบด์คือความแข็งที่สูงมาก รองจากเพชรเท่านั้น เมื่อเทียบกับ HSS และเหล็กกล้าเครื่องมือ วัสดุนี้มีความทนทานต่อการสึกหรอที่เหนือกว่า ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ อุปกรณ์จับยึด และส่วนประกอบอื่นๆ ได้อย่างมาก ในขณะเดียวกันก็ลดความถี่ในการบำรุงรักษา
• ความเสถียรของมิติที่โดดเด่น: เนื่องจากค่าโมดูลัสยืดหยุ่นและความแข็งแรงอัดสูง ทังสเตนคาร์ไบด์จึงทนทานต่อการเสียรูป ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตส่วนประกอบที่มีความแม่นยำซึ่งต้องการความคลาดเคลื่อนที่แคบ
• การนำกลับมาใช้ใหม่ได้: ทังสเตนคาร์ไบด์เป็นวัสดุที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งสอดคล้องกับหลักการพัฒนาอย่างยั่งยืน

ข้อจำกัดของทังสเตนคาร์ไบด์

• ความเปราะ: แม้จะมีความแข็งสูงมาก แต่ทังสเตนคาร์ไบด์ก็ค่อนข้างเปราะ โดยเกรดบางชนิดมีแนวโน้มที่จะบิ่นหรือแตกหักเมื่อได้รับแรงกระแทก
• ต้นทุนที่สูงขึ้น: การรวมโลหะหายาก เช่น ทังสเตนและโคบอลต์ ทำให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้น
• การตัดเฉือนที่ท้าทาย: ความแข็งของวัสดุ ซึ่งอยู่ในอันดับที่สองรองจากเพชรเท่านั้น ต้องใช้เครื่องมือพิเศษ เช่น ล้อเจียรเพชร เครื่องเจียร และเครื่อง EDM ในการแปรรูป

คุณสมบัติทางกายภาพ

• ความแข็ง: เกินกว่าเหล็กและสแตนเลสอย่างมาก เป็นรองเพียงเพชรเท่านั้น
• ความหนาแน่น: ประมาณสองเท่าของเหล็ก เทียบเท่ากับทองคำ
• ความแข็งแรงและความยืดหยุ่น: รวมความแข็งสูงเข้ากับความแข็งแรงและความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยม
• ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูง: ยังคงรักษาความแข็งไว้ที่อุณหภูมิสูงโดยมีการสึกหรอน้อยที่สุด

กระบวนการผลิต

ทังสเตนคาร์ไบด์ไม่ใช่โลหะธรรมชาติ แต่เป็นโลหะผสมที่สร้างขึ้นโดยมนุษย์ ประกอบด้วยทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) และโคบอลต์ (Co) เป็นหลัก จุดหลอมเหลวสูงของ WC (~2900°C) ทำให้ไม่สามารถใช้วิธีการหลอมแบบดั้งเดิมได้ แต่จะใช้วิธีการผลิตโลหะผงแทน: ผง WC และ Co จะถูกผสมและเผาที่อุณหภูมิ 1300–1500°C โดย Co ทำหน้าที่เป็นตัวประสานในระหว่างการเผา

แหล่งที่มาของวัตถุดิบ

แหล่งที่มาหลักของ WC ได้แก่ จีน รัสเซีย และเกาหลีใต้ โคบอลต์ถูกสกัดจากแร่ในฟินแลนด์ แคนาดา ออสเตรเลีย และสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก

การใช้งาน

• เครื่องมือตัด: สว่าน มีดกัด และเครื่องมือกลึงสำหรับการขึ้นรูปโลหะ
• แม่พิมพ์: แม่พิมพ์กระป๋องอะลูมิเนียมสำหรับเครื่องดื่ม แม่พิมพ์ขึ้นรูปผงสำหรับชิ้นส่วนเครื่องยนต์รถยนต์ และแม่พิมพ์สำหรับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ เช่น สมาร์ทโฟน
• เครื่องจักรกลก่อสร้าง: เครื่องมือสำหรับการขุดเจาะผ่านหินแข็งและการตัดผิวทางแอสฟัลต์

การจำแนกประเภทตามหน้าที่

• เกรดการตัด: จัดเป็นประเภท P (สำหรับเหล็ก) ประเภท M (ใช้งานทั่วไป) และประเภท K (สำหรับเหล็กหล่อ) ตามวัสดุชิ้นงาน
• เกรดทนต่อการสึกหรอ: แบ่งย่อยออกเป็นชนิดตัวประสาน ขนาดเกรน WC และความแข็ง

ผู้ผลิตมักจะพัฒนาเกรดพิเศษเพื่อแก้ไขปัญหาเฉพาะ โดยปรับคุณสมบัติตามความต้องการที่หลากหลาย

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ

ทังสเตนคาร์ไบด์เทียบกับเซรามิก

เซรามิกเข้าใกล้เพชรในด้านความแข็ง (9+ ในระดับ Mohs เทียบกับ 10 ของเพชร) เหนือกว่าทังสเตนและโลหะแข็งอื่นๆ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติของทังสเตนคาร์ไบด์สามารถปรับแต่งได้อย่างละเอียดโดยการปรับขนาดเกรน WC ปริมาณตัวประสาน และสารเติมแต่ง ซึ่งให้ความคล่องตัวสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย

ทังสเตนคาร์ไบด์เทียบกับเซอร์เมท

ทั้งคู่เป็นวัสดุผสมของผงคาร์ไบด์/ไนไตรด์ที่ถูกยึดติดกับโลหะ ทังสเตนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่ใช้ WC กับตัวประสาน Co/Ni ในขณะที่เซอร์เมทใช้สารประกอบไทเทเนียม (TiC, TiCN) ที่ถูกยึดติดกับ Ni/Co ความแตกต่างหลักอยู่ที่องค์ประกอบ

ทังสเตนคาร์ไบด์เทียบกับ HSS

ทังสเตนคาร์ไบด์มีความโดดเด่นในด้านความแข็ง ทนความร้อน และความแข็งแรง ในขณะที่ HSS ให้ความเหนียวในการกระแทกที่มากกว่า ต้นทุนแตกต่างกันอย่างมากเนื่องจากวัตถุดิบและวิธีการผลิต ซึ่งจำเป็นต้องมีการประเมินที่สมดุลตามรอบการใช้งานและการเปลี่ยน

จุดอ่อน

• ความเหนียวน้อยกว่า: เมื่อเทียบกับโลหะผสมเหล็กแบบเดิม ความเปราะของทังสเตนคาร์ไบด์อาจทำให้เกิดการบิ่นหรือแตก
• ความหนาแน่นสูง: น้ำหนักของวัสดุ ซึ่งเป็นสองเท่าของเหล็ก อาจเป็นข้อเสียในการใช้งานบางประเภท

สาเหตุของการแตกร้าว

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันระหว่างทังสเตนคาร์ไบด์และโลหะอาจทำให้เกิดรอยร้าวในส่วนประกอบแบบสอดแทรกเมื่ออุณหภูมิในการทำงานเบี่ยงเบนไปจากค่าการออกแบบอย่างมาก แรงกระแทกสูงยังสามารถทำให้เกิดรอยร้าวได้ ซึ่งจำเป็นต้องพิจารณาความต้องการความเหนียวในการแตกหักอย่างรอบคอบ

การเลือกทังสเตนคาร์ไบด์เกรดการตัด

การเลือกวัสดุขึ้นอยู่กับลักษณะและขนาดของชิ้นงาน เพื่อประสิทธิภาพการตัดและการรักษาขอบที่ดีที่สุด มักจะใช้ทังสเตนคาร์ไบด์เกรนละเอียดพิเศษ (ประกอบด้วยอนุภาค WC ขนาดต่ำกว่าไมครอน)

ข้อดีของเครื่องมือทังสเตนคาร์ไบด์

ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือการรักษาความแข็งที่อุณหภูมิสูง ทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่มั่นคงแม้ในระหว่างการตัดเฉือนด้วยความเร็วสูงซึ่งทำให้อุณหภูมิของเครื่องมือสูงขึ้น

ช่วงความแข็ง

ความแข็งทั่วไปอยู่ในช่วง HRA88 ถึง HRA92 ความแข็งที่สูงขึ้นช่วยเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอ แต่ลดความทนทานต่อแรงกระแทก ทำให้ความเสี่ยงต่อการบิ่นเพิ่มขึ้น

องค์ประกอบหลัก

ส่วนประกอบหลักของทังสเตนคาร์ไบด์คือ WC ที่ถูกยึดติดกับ Co หรือ Ni อาจมีการรวมสารเติมแต่ง เช่น โครเมียม (Cr) เพื่อปรับคุณสมบัติให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะ