پودر آلیاژ تنگستن کاربید بر پایه نیکل چیست و کجا استفاده می شود؟

پودر آلیاژ تنگستن کاربید مبتنی بر نیکل در واقع چیست؟

پودر آلیاژ کاربید تنگستن مبتنی بر نیکل یک ماده کامپوزیتی است که در آن ذرات کاربید تنگستن (WC) - یکی از سخت‌ترین مواد مورد استفاده در کاربردهای صنعتی - درون یک ماتریس فلزی نیکل یا آلیاژ نیکل قرار می‌گیرد. نتیجه یک ماده اولیه پودری است که سختی شدید و مقاومت به سایش کاربید تنگستن را با چقرمگی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی ناشی از فاز بایندر نیکل ترکیب می‌کند. هیچ یک از مواد به تنهایی مشخصات عملکردی یکسانی را ارائه نمی دهند: WC خالص شکننده و مستعد ترک خوردن در اثر ضربه است، در حالی که آلیاژهای نیکل به تنهایی فاقد سختی سطح مورد نیاز برای محیط های سایش ساینده هستند. کامپوزیت آن شکاف را پل می کند.

از نظر عملی، پودر کاربید تنگستن نیکل برای کاربرد به عنوان یک پوشش یا رسوب سخت به جای یک ماده ساختاری حجیم مهندسی شده است. از طریق سیستم‌های اسپری حرارتی، تجهیزات روکش لیزری یا فرآیندهای جوشکاری سخت‌افزار سنتی برای ایجاد لایه‌های سطحی محافظ بر روی قطعاتی که در محیط‌های خدماتی با سایش بالا، دمای بالا، یا از نظر شیمیایی تهاجمی عمل می‌کنند، پردازش می‌شود. فرم پودری آن چیزی است که آن را با این فرآیندهای رسوب‌گذاری سازگار می‌کند - اندازه ذرات، مورفولوژی و روان‌پذیری همگی در طول تولید کنترل می‌شوند تا با نیازهای تجهیزات اسپری یا روکش‌کاری خاص مطابقت داشته باشند.

ماتریس نیکل در این پودرها همیشه نیکل خالص نیست. فرمول‌های ماتریس متداول شامل آلیاژهای Ni-Cr، Ni-Cr-B-Si و Ni-Cr-Mo هستند که هر کدام خواص خاصی را به پوشش رسوب‌شده اضافه می‌کنند. کروم مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی را بهبود می بخشد. بور و سیلیکون نقطه ذوب ماتریس را کاهش می‌دهند و رفتار خود روانی را در طول اسپری حرارتی افزایش می‌دهند و تخلخل در پوشش نهایی را کاهش می‌دهند. مولیبدن به استحکام بیشتری در دمای بالا کمک می کند. محتوای WC در تبلیغات پودر آلیاژ کاربید تنگستن مبتنی بر نیکل نمرات به طور معمول از 35 درصد وزنی تا 83 درصد وزنی متغیر است، با بارگذاری های بیشتر WC، پوشش های سخت تر و مقاوم تر در برابر سایش را با هزینه ای برای چقرمگی و مقاومت در برابر ضربه ارائه می دهد.

نمرات و ترکیبات کلیدی - و معنی اعداد

گریدهای پودر کاربید تنگستن مبتنی بر نیکل تجاری معمولاً با محتوای WC و نوع آلیاژ ماتریکس آنها مشخص می شوند. درک نحوه خواندن این عناوین - و معنی متغیرهای ترکیبی برای عملکرد پوشش - برای انتخاب مواد مناسب ضروری است.

گریدهای ماتریس Ni-Cr-B-Si بیشترین استفاده را در کاربردهای اسپری حرارتی دارند، زیرا محتوای بور و سیلیکون یک آلیاژ خود روان ایجاد می کند - آلیاژی که سرباره محافظ خود را در حین پاشش و ذوب تشکیل می دهد و باعث کاهش ادغام اکسید و تخلخل در پوشش رسوب شده می شود. این باعث می شود که آنها برای اسپری شعله و فرآیندهای HVOF که در آن تراکم پوشش حیاتی است مناسب باشند. نمرات با ماتریس های Ni-Cr یا Ni-Cr-Mo بدون بور و سیلیکون برای کاربردهای روکش لیزری ترجیح داده می شوند، جایی که ورودی حرارت کنترل شده تر فرآیند لیزر نیاز به شیمی خود شار را کاهش می دهد.

چگونه اندازه ذرات بر عملکرد پوشش تأثیر می گذارد

اندازه ذرات یکی از مهم‌ترین متغیرهای مشخصات در پودر آلیاژ کاربید تنگستن مبتنی بر نیکل است و مستقیماً با فرآیند رسوب مورد استفاده مرتبط است. ترکیب پودر یکسان در توزیع‌های اندازه ذرات مختلف، پوشش‌هایی با سطوح تخلخل، زبری سطح و کارایی رسوب‌گذاری به میزان قابل‌توجهی متفاوت تولید می‌کند. مشخص کردن پودر بدون تعیین محدوده اندازه ذرات یک مشخصات ناقص است.

پودرهای درشت (45-106 میکرومتر و بزرگتر)

محدوده اندازه ذرات درشت عمدتاً در فرآیندهای سخت‌افزاری و روکش لیزری قوس انتقال‌یافته پلاسما (PTA) استفاده می‌شود، جایی که یک حوضچه مذاب بزرگ‌تر و سرعت رسوب آهسته‌تر می‌تواند ذرات بزرگ‌تر را کاملا ذوب و ذوب کند. پودر WC-Ni درشت رسوبات ضخیم را ایجاد می کند - معمولاً 1 میلی متر تا 3 میلی متر در هر پاس - و برای اجزای سایش سنگین مانند تثبیت کننده های مته، پروانه های پمپ و صندلی های بزرگ شیر صنعتی مناسب است. اندازه ذرات WC بزرگتر در کانسار همچنین به سختی در مقیاس ماکرو کمک می کند که در برابر محیط های ساینده درشت مانند سنگ و سنگ معدن مقاومت می کند.

پودرهای متوسط (-45 15 میکرومتر)

محدوده اندازه متوسط همه کاره ترین و گسترده ترین موجود در کانال های عرضه صنعتی است. اکثر کاربردهای HVOF (سوخت اکسیژن با سرعت بالا) و اسپری پلاسما را پوشش می‌دهد و تعادلی در جریان‌پذیری، راندمان رسوب‌گذاری و چگالی پوشش ایجاد می‌کند. پوشش‌های پاشیده‌شده با HVOF که از پودر کاربید تنگستن نیکل با برد متوسط ​​تولید می‌شوند، معمولاً به سطوح تخلخل زیر 1٪ و سختی سطح در محدوده 58-65 HRC می‌رسند، که این ویژگی را برای اجزای نفت و گاز، پوشش‌های میله‌های هیدرولیک و صفحات سایش صنعتی تبدیل می‌کند.

پودرهای ریز (15 میکرومتر و کمتر)

پودرهای ریز و بسیار ریز NiWC در فرآیندهای اسپری سرد و کاربردهای روکش لیزری با وضوح بالا که ضخامت پوشش به جای میلی متر اندازه گیری می شود، به کار می رود. پودرهای ریز سطوح صاف تری را به عنوان سطوح پاشش شده با کاهش نیازهای تکمیلی پس از پوشش تولید می کنند، اما به دلیل جریان پذیری ضعیف و حساسیت به تجمع، تغذیه مداوم از طریق تجهیزات اسپری دشوارتر است. ذخیره سازی در شرایط جوی خشک و بی اثر برای پودرهای ریز برای جلوگیری از جذب رطوبت، که باعث جمع شدن ذرات و وقفه در تغذیه در طول رسوب می شود، حیاتی تر است.

فرآیندهای رسوب گذاری: تطبیق پودر با روش مناسب

پودر آلیاژ کاربید تنگستن مبتنی بر نیکل با چندین فرآیند اسپری حرارتی و رسوب سخت سازگار است، اما نه به جای یکدیگر - هر فرآیند شرایط حرارتی و جنبشی متفاوتی را بر پودر تحمیل می‌کند که بر چگونگی حفظ فاز WC و چگالی پوشش نهایی تأثیر می‌گذارد. انتخاب پودر بدون در نظر گرفتن فرآیند رسوب منجر به کیفیت پوشش کمتر از حد مطلوب می شود، صرف نظر از اینکه خود پودر چقدر خوب مشخص شده است.

اسپری HVOF (سوخت اکسیژن با سرعت بالا).

HVOF رایج ترین فرآیند اسپری حرارتی برای پودر کاربید تنگستن نیکل در کاربردهای صنعتی دقیق است. گازهای حاصل از احتراق، پودر را به سرعت مافوق صوت (600-800 متر بر ثانیه) شتاب می دهند و در عین حال دمای ذرات نسبتاً متوسطی را حفظ می کنند - که برای حفظ WC بسیار مهم است. در دماهای بیش از حد، WC به W2C و کربن آزاد تجزیه می شود که باعث کاهش سختی پوشش و ایجاد شکنندگی می شود. سرعت ذرات بالا در HVOF انرژی جنبشی مورد نیاز برای تشکیل پوشش متراکم را بدون آسیب حرارتی مرتبط با فرآیندهای با دمای بالاتر فراهم می کند. پوشش‌های WC-NiCrBSi پاشیده شده با HVOF به طور مداوم تخلخل زیر 0.5 درصد را به دست می‌آورند و معیاری برای مشخصات پوشش‌های سایش نفت و گاز هستند.

اسپری پلاسما

اسپری پلاسمای جوی (APS) در دماهای بسیار بالاتر از HVOF عمل می کند، که باعث تجزیه بیشتر WC می شود و به طور معمول پوشش هایی با تخلخل بالاتر (1-5٪) و سختی کمتر از معادل های HVOF ایجاد می کند. با این حال، اسپری پلاسما طیف وسیع تری از مورفولوژی پودر را کنترل می کند و برای پوشش هندسه های پیچیده انعطاف پذیرتر است. این ماده به طور گسترده برای پودر آلیاژ کاربید تنگستن مبتنی بر نیکل در کاربردهای سایش کمتر مورد استفاده قرار می گیرد که در آن هزینه پوشش محدودتر از کیفیت پوشش است، و برای اعمال رسوبات ضخیم تر که در آن عبور های متعدد HVOF بسیار کند است.

قوس انتقال یافته پلاسما (PTA) Hardfacing

PTA پودر NiWC را از طریق یک قوس پلاسمایی منتقل شده رسوب می دهد که یک پیوند متالورژیکی - به جای پیوند مکانیکی - بین پوشش و بستر ایجاد می کند. این باعث ایجاد استحکام چسبندگی پوشش به طور قابل توجهی بالاتر از روش های اسپری حرارتی می شود، با استحکام باند بیش از 700 مگاپاسکال در رسوبات PTA که به خوبی اجرا شده اند. PTA برای قطعاتی که در معرض بارهای ضربه ای و همچنین سایش ساینده هستند ترجیح داده می شود، جایی که خطر لایه لایه شدن پوشش تحت بارگذاری ضربه نگران کننده است. این فرآیند کندتر و سرمایه‌برتر از HVOF است، اما سپرده‌هایی تولید می‌کند که از نظر عملکردی برای سخت‌ترین کاربردها برتر هستند.

روکش لیزری

روکش لیزری دقیق‌ترین و کمترین ورودی گرما را در بین هر فرآیندی که با پودر کاربید تنگستن مبتنی بر نیکل سازگار است، ارائه می‌کند. ورودی گرمای کنترل‌شده لیزر، تجزیه WC و رقیق‌سازی بستر را به حداقل می‌رساند، و پوشش‌هایی با وفاداری ترکیبی استثنایی و تخلخل بسیار کم تولید می‌کند. پوشش‌های NiWC با روکش لیزری در صنایع هوافضا، ساخت تجهیزات پزشکی، و اجزای دریچه‌های دقیق که در آن دقت ابعاد و تحمل سازگاری پوشش کمتر است، استفاده می‌شود. هزینه فرآیند بالاترین در بین هر روشی است و عموماً برای اجزای با ارزش بالا که کیفیت پوشش سرمایه گذاری را توجیه می کند، در نظر گرفته می شود.

صنایع اولیه و کاربردها

محدوده کاربرد پودر آلیاژ کاربید تنگستن مبتنی بر نیکل گسترده است، اما موضوع مشترک در همه آنها نیاز به محافظت از سطوح اجزا در برابر یک یا چند مکانیسم از سه مکانیسم تخریب است: سایش ساینده، سایش فرسایشی، و خوردگی - اغلب در ترکیب. صنایع زیر بیشترین مصرف اسپری حرارتی NiWC و پودر هاردفیکینگ در سطح جهان را به خود اختصاص داده اند.

• نفت و گاز: تثبیت کننده های لوله حفاری، اجزای موتور گل، پیستون های پمپ، صندلی های شیر دروازه و اجزای سر چاه همگی با درجه های پودر WC-Ni پوشانده شده اند تا در برابر سایش ناشی از گل حفاری و سیالات فرآیند مملو از ذرات مقاوم باشند. WC-NiCrBSi با استفاده از HVOF، مشخصات غالب برای پوشش ابزار سوراخ در این بخش است.
• استخراج معادن و فرآوری مواد معدنی: آسترهای سنگ شکن، اجزای نوار نقاله، پروانه های پمپ دوغاب، و آسترهای سیکلون با پودر NiWC درشت از طریق PTA یا روکش لیزری برای افزایش عمر مفید در محیط های فرآوری سنگ معدنی با ساییدگی بالا، سخت می شوند.
• تولید صنعتی: میله‌های سیلندر هیدرولیک، ابزارهای پرس، قالب‌های قالب و رول‌های صنعتی با پودر WC-Ni درجه متوسط از طریق HVOF پوشش داده می‌شوند تا در برابر سایش لغزش مقاومت کنند و پایداری ابعادی را تحت بارهای تماس مکرر حفظ کنند.
• هوافضا و دفاع: اجزای ارابه فرود، آستین های محرک و پلت فرم های تیغه های توربین از روکش های لیزری دقیق یا پوشش های کاربید تنگستن نیکل پاشیده شده با HVOF استفاده می کنند که وزن، تحمل ابعادی و قوام پوشش به شدت کنترل می شود.
• تولید برق: سپرهای لوله بویلر، لبه‌های جلویی تیغه فن و اجزای شیر در نیروگاه‌های زغال‌سنگ و زیست‌توده از پوشش سخت NiWC برای مقاومت در برابر فرسایش ناشی از خاکستر بادی و جریان‌های بخار پر از ذرات در دماهای بالا استفاده می‌کنند.
• فرآوری شیمیایی: شفت‌های پمپ، تیغه‌های همزن و قطعات داخلی راکتور که در محیط‌های شیمیایی خورنده کار می‌کنند از درجه‌های WC-NiCrMo بهره می‌برند که مقاومت در برابر سایش را با مقاومت در برابر اسیدها، قلیایی‌ها و محیط‌های حاوی کلرید ترکیب می‌کنند.

روش های تولید پودر و چرایی اهمیت آنها

روش ساخت مورد استفاده برای تولید پودر آلیاژ کاربید تنگستن مبتنی بر نیکل تأثیر مستقیمی بر مورفولوژی ذرات، جریان پذیری، توزیع WC در هر ذره و در نهایت کیفیت پوشش دارد. سه مسیر تولید بر تولید تجاری غالب است و هر کدام پودری با ویژگی های متمایز تولید می کنند.

تف جوشی و خرد کردن

زینترینگ و خرد کردن قدیمی ترین و کم هزینه ترین روش تولید است. پودرهای آلیاژ WC و Ni مخلوط می شوند، به صورت فشرده فشرده می شوند، در دمای بالا زینتر می شوند تا یک کامپوزیت متراکم تشکیل شود، سپس خرد شده و تا محدوده اندازه ذرات مورد نیاز غربال می شوند. ذرات حاصل زاویه دار و نامنظم هستند، با توزیع WC خوب، اما به دلیل مورفولوژی ذرات تیز، جریان پذیری نسبتاً ضعیفی دارند. پودر NiWC زینتر شده و خرد شده به طور گسترده در کاربردهای سخت‌افزاری PTA و اسپری شعله‌ای استفاده می‌شود که در آن سیستم‌های خوراک می‌توانند جریان پذیری کمتری را تحمل کنند، اما برای سیستم‌های HVOF که به نرخ تغذیه پودری ثابت نیاز دارند، مناسب‌تر است.

خشک کردن و تف جوشی با اسپری (آگلومره)

خشک کردن اسپری با اتمیزه کردن دوغاب پودرهای آلیاژ WC و نیکل در یک محفظه خشک کردن داغ، ذرات کروی یا نزدیک به کروی را تولید می کند و دانه های کامپوزیتی را تشکیل می دهد که سپس برای ایجاد پیوند بین ذرات متخلخل می شوند. مورفولوژی کروی جریان پذیری قابل توجهی بهتری نسبت به پودر خرد شده ارائه می دهد که به نرخ تغذیه ثابت تر و رسوب پوشش یکنواخت تر در سیستم های HVOF و اسپری پلاسما ترجمه می شود. پودر NiWC آگلومره شده و متخلخل شده گسترده‌ترین شکل مشخص شده برای کاربردهای اسپری حرارتی است و نسبت به گریدهای خرد شده برتری قیمتی دارد که با بهبود قوام فرآیند و کیفیت پوشش توجیه می‌شود.

اتمیزه کردن گاز

اتمیزه شدن گاز با اتمیزه کردن یک جریان مذاب از ترکیب آلیاژ با جت های گاز بی اثر با فشار بالا، ذرات پودر کاملاً متراکم و بسیار کروی را تولید می کند. انجماد سریع ذراتی با جریان پذیری عالی و ترکیب بسیار یکنواخت ایجاد می کند. برای پودرهای آلیاژ ماتریس نیکل بدون WC از قبل مخلوط شده، اتمیزه کردن گاز مسیر ترجیحی است. برای پودرهای کامپوزیت WC-Ni، اتمیزه کردن کمتر رایج است زیرا نقطه ذوب بالای WC اختلاط فاز مذاب همگن را دشوار می کند. پودرهای ماتریس آلیاژ نیکل اتمیزه شده با گاز اغلب با ذرات WC تولید شده به طور جداگانه مخلوط می شوند تا خوراک کامپوزیتی برای کاربردهای روکش لیزری ایجاد کنند که در آن جریان پذیری و دقت ترکیب هر دو بسیار مهم است.

هنگام تهیه پودر کاربید تنگستن مبتنی بر نیکل چه چیزی را مشخص کنید

برای مهندسان تدارکات، مهندسان مواد و مدیران تاسیسات پوشش که پودر آلیاژ WC-Ni را در حجم تامین می کنند، یک مشخصات پودر کامل متغیرهای بیشتری را نسبت به ترکیب و اندازه ذرات به تنهایی پوشش می دهد. مشخصات ناقص منجر به تغییر دسته به دسته در عملکرد پوشش می شود و مشکلات صلاحیت را هنگام تعویض تامین کنندگان ایجاد می کند.

• ترکیب (wt%): محتوای WC و شیمی آلیاژ ماتریس کامل شامل محدوده Ni، Cr، B، Si، Mo و C را مشخص کنید. درخواست یک گزارش تست مواد تایید شده (CMTR) با هر دسته که شیمی واقعی را در برابر محدودیت های مشخصات تایید می کند.
• توزیع اندازه ذرات (PSD): مقادیر D10، D50 و D90 را با تجزیه و تحلیل پراش لیزری مشخص کنید، نه فقط محدوده اندازه مش اسمی. اندازه مش به تنهایی به طور کامل محتوای ذرات ریز را که بر جریان پذیری و تخلخل پوشش تأثیر می گذارد، مشخص نمی کند.
• چگالی ظاهری و سرعت جریان: نرخ جریان فلومتر هال (ثانیه در هر 50 گرم) و چگالی ظاهری (g/cm³) پارامترهای کلیدی تغذیه برای HVOF و سیستم های اسپری پلاسما هستند. حداقل نرخ جریان و چگالی را برای اطمینان از رسوب دهی ثابت مشخص کنید.
• مورفولوژی: بسته به فرآیند رسوب، کروی (آگلومره / تف جوشی) یا زاویه ای (زخم شده / خرد شده) را مشخص کنید. با تصاویر SEM از تامین کننده در اولین لات های صلاحیت تایید کنید.
• محتوای اکسیژن: برای HVOF و پودرهای روکش لیزری، اکسیداسیون سطحی پودر کیفیت پوشش را کاهش می دهد. حداکثر محتوای اکسیژن را مشخص کنید (معمولاً کمتر از 0.3 درصد وزنی برای گریدهای درجه یک) و به بسته بندی در جو بی اثر نیاز دارید.
• داده های صلاحیت پوشش: داده های تست کوپن پاشیده شده را از تامین کننده درخواست کنید - سختی، تخلخل (با تجزیه و تحلیل تصویر)، و استحکام باند - تولید شده تحت پارامترهای اسپری تعریف شده. این یک خط پایه را فراهم می کند که بر اساس آن می توان لات های دریافتی را از نظر ثبات ارزیابی کرد.

منبع یابی مستقیم از یک تولید کننده پودر به جای یک واسطه توزیع، قابلیت ردیابی کامل از مواد خام تا پودر نهایی، دسترسی به پشتیبانی فنی برای بهینه سازی فرآیند، و توانایی تعیین ترکیب های سفارشی و محدوده اندازه ذرات را برای برنامه هایی که خارج از درجه های استاندارد کاتالوگ هستند، فراهم می کند. برای عملیات پوشش دهی با حجم بالا، روابط مستقیم با تولیدکننده نیز تضمین سازگاری دسته به دسته را فراهم می کند که حفظ آن هنگام خرید از طریق چندین لایه توزیع کننده دشوار است.