berita perusahaan tentang Mengapa Karbida Semen (Tungsten Karbida + Kobalt) tahan panas?

Karbida semen yang terdiri dari tungsten karbida (WC) sebagai fase keras dan kobalt (Co) sebagai fase pengikat adalah bahan industri langka yang “mempertahankan kekerasan bahkan pada suhu tinggi.” Suhu operasi kontinu maksimumnya dapat mencapai 800°C, dan mereka dapat menahan suhu jangka pendek yang melebihi 1.000°C—jauh melampaui baja biasa (misalnya, baja 45# melunak di atas 500°C) dan baja kecepatan tinggi (W18Cr4V kehilangan kekerasan yang signifikan sekitar 600°C). Ketahanan panas ini bukan karena satu faktor tunggal tetapi efek sinergis dari stabilitas suhu tinggi intrinsik tungsten karbida, sifat pengikat kobalt yang kompatibel, dan karakteristik mikrostruktural yang dibentuk oleh keduanya. Untuk produksi industri, sifat ini memecahkan masalah kritis dalam skenario suhu tinggi: dari pembangkitan panas gesekan (600–800°C) selama pemotongan logam hingga suhu operasi (400–500°C) dari cetakan die-casting paduan aluminium, dan keausan peralatan pertambangan di lingkungan suhu tinggi bawah tanah. Artikel ini menguraikan alasan utama ketahanan panas karbida semen WC-Co dari tiga dimensi—sifat komponen, mikrostruktur, dan aplikasi praktis—membuat prinsip-prinsipnya mudah dipahami.

Ketahanan panas karbida semen pertama-tama berasal dari sifat intrinsik dari komponen intinya: tungsten karbida. Sebagai “fase keras,” WC bertindak seperti “penguat baja dalam sebuah bangunan,” memberikan dukungan yang stabil untuk material pada suhu tinggi. Hal ini tercermin dalam tiga aspek utama:

Tungsten karbida memiliki titik leleh yang sangat tinggi yaitu 2.870°C—jauh lebih tinggi daripada suhu tinggi khas yang ditemui dalam pengaturan industri (sebagian besar kondisi kerja suhu tinggi adalah <1.000°C). Sebagai perbandingan:

• Baja karbon biasa memiliki titik leleh sekitar 1.538°C dan melunak di atas 500°C karena peningkatan mobilitas atom.
• Baja kecepatan tinggi (W18Cr4V) memiliki titik leleh sekitar 1.400°C; kekerasannya turun dari HRC 62 menjadi di bawah HRC 50 pada 600°C, sehingga tidak dapat digunakan untuk memotong.
• Bahkan pada 1.000°C, tungsten karbida hanya sedikit melunak—titik lelehnya tidak pernah tercapai, jadi tidak meleleh atau mengalami keruntuhan struktural.

Tungsten karbida memiliki struktur kristal hexagonal close-packed (HCP), di mana atom-atom tersusun rapat dengan gaya ikatan yang kuat. Struktur ini mencegah difusi atom atau gangguan struktural pada suhu tinggi:

• Pada suhu kamar, struktur ini memberikan kekerasan tinggi pada WC (HRA 90–93).
• Pada suhu tinggi (misalnya, 800°C), atom-atom bergetar sedikit tetapi mempertahankan susunan yang teratur—tidak seperti logam biasa, yang berubah bentuk saat atom “mengendur” dan celah melebar.
• Sebaliknya, baja kecepatan tinggi memiliki struktur body-centered cubic (BCC), di mana celah atom dengan mudah mengembang pada suhu tinggi, menyebabkan hilangnya kekuatan yang cepat.

Dalam lingkungan industri bersuhu tinggi, material harus tahan tidak hanya terhadap “suhu” tetapi juga terhadap “korosi lingkungan” (misalnya, oksidasi di udara, reaksi dengan cairan pemotongan). Tungsten karbida menunjukkan sifat kimia yang stabil pada suhu tinggi:

• Di bawah 800°C, hanya lapisan oksida tipis (WO₃) yang terbentuk di permukaannya saat terpapar udara. Lapisan ini padat dan mencegah oksidasi lebih lanjut dari material internal.
• Tidak bereaksi (misalnya, larut atau mengikis) dengan media industri umum seperti cairan pemotongan logam atau paduan aluminium cair.
• Tidak seperti bahan keramik (misalnya, alumina), yang juga memiliki titik leleh tinggi, keramik cenderung bereaksi dengan logam cair pada suhu tinggi, menyebabkan pengelupasan permukaan—masalah yang dihindari WC.

Pertanyaan umum muncul: Kobalt hanya memiliki titik leleh 1.495°C—jauh lebih rendah dari WC—jadi mengapa tidak merusak ketahanan panas? Pada kenyataannya, kobalt (biasanya 6–15% berdasarkan berat) bertindak sebagai “fase pengikat” dan tidak ada secara terpisah. Sebaliknya, ia tersebar secara merata di antara butiran WC, membentuk mikrostruktur di mana “butiran WC dikapsulasi oleh fase Co.” Peran suhu tingginya berfokus pada dua fungsi utama:

Pada suhu kamar, kobalt adalah logam ulet yang “mengikat” butiran WC yang keras tetapi getas bersama-sama untuk mencegah retak. Pada suhu tinggi (misalnya, 600–800°C), kobalt sedikit melunak (menjadi “semi-padat”) tetapi tidak sepenuhnya meleleh atau mengalir:

• Pelunakan ringan ini sebenarnya “menyangga” tegangan termal antara butiran WC (bahan yang berbeda mengembang pada laju yang berbeda pada suhu tinggi, menciptakan tegangan), mencegah material retak karena penumpukan tegangan.
• Sementara itu, gaya pengikatan (pengikatan metalurgi) antara butiran kobalt dan WC tetap kuat pada suhu tinggi—tidak seperti pengikat yang terbuat dari logam titik leleh rendah lainnya (misalnya, tembaga, titik leleh 1.085°C), yang akan meleleh dan kehilangan kemampuan mengikatnya pada 800°C.

Pada suhu tinggi, butiran material cenderung “tumbuh” (butiran kecil bergabung menjadi yang lebih besar), yang menyebabkan hilangnya kekerasan. Kobalt bertindak sebagai “penghambat” untuk mencegah pertumbuhan butiran WC yang berlebihan pada suhu tinggi:

• Atom kobalt menyerap pada permukaan butiran WC (pada batas butiran), membentuk “lapisan penghalang” yang memperlambat difusi atom WC dan menghambat penggabungan butiran.
• Tanpa kobalt, butiran WC akan tumbuh dari 3μm menjadi lebih dari 8μm setelah 10 jam pada 800°C, mengurangi kekerasan sebesar 20%. Dengan kobalt, pertumbuhan butiran terbatas pada kurang dari 10%, dan kekerasan tetap hampir stabil.

Di luar sifat individual dari komponennya, “mikrostruktur padat” yang dibentuk oleh WC dan kobalt selanjutnya meningkatkan ketahanan panas. Karbida semen WC-Co berkualitas tinggi mengalami sintering suhu tinggi (1.400–1.500°C) untuk membentuk struktur di mana “butiran WC terdistribusi secara merata, Co mengisi celah, dan tidak ada pori-pori yang signifikan” (kepadatan biasanya ≥14,5g/cm³). Keuntungan dari struktur ini adalah:

Jika suatu material mengandung pori-pori, udara bersuhu tinggi atau media korosif dapat meresap ke dalam interior melalui pori-pori ini, mempercepat oksidasi (misalnya, keramik dengan porositas tinggi teroksidasi 3x lebih cepat daripada WC-Co). Struktur padat WC-Co:

• Hampir tidak mengandung pori-pori yang terlihat, sehingga oksigen eksternal hanya dapat bersentuhan dengan permukaan material dan tidak dapat menembus ke dalam.
• Lapisan oksida WO₃ yang terbentuk di permukaan (di bawah 800°C) melekat erat pada struktur padat, memberikan “pelindungan ganda” terhadap oksidasi lebih lanjut.

Dalam skenario suhu tinggi, material seringkali menanggung beban (misalnya, gaya pemotongan, tekanan cetakan). Distribusi butiran WC yang seragam dalam WC-Co memastikan bahwa beban ditransfer secara merata melalui fase Co ke setiap butiran WC, menghindari konsentrasi tegangan lokal:

• Misalnya, dalam cetakan die-casting paduan aluminium, cetakan harus menahan tekanan 20MPa pada 400°C. Struktur seragam WC-Co menyebarkan tekanan ini, mencegah deformasi karena pelunakan lokal pada suhu tinggi.
• Sebaliknya, baja kecepatan tinggi menunjukkan kekerasan yang tidak merata pada suhu tinggi, yang menyebabkan lekukan di area yang lebih lunak dan kegagalan cetakan.

Untuk menyoroti keunggulannya, di bawah ini adalah perbandingan WC-Co dengan “bahan tahan aus, tahan panas” umum lainnya yang digunakan dalam industri:

Seperti yang ditunjukkan, sementara ketahanan panas WC-Co sedikit lebih rendah daripada keramik alumina, ia menyeimbangkan “ketahanan panas + ketahanan benturan” (keramik rentan retak pada suhu tinggi). Dibandingkan dengan baja kecepatan tinggi dan baja karbon, keunggulannya dalam retensi ketahanan panas dan kekerasan signifikan—menjadikannya salah satu pilihan terbaik untuk skenario “keausan suhu tinggi + penahan beban”.

Ketahanan panas WC-Co bervariasi dengan formulasinya, terutama dipengaruhi oleh kandungan kobalt dan ukuran butiran tungsten karbida. Pertimbangkan faktor-faktor ini saat memilih kelas:

Dengan ketangguhan yang cukup untuk mencegah retak, kandungan kobalt yang lebih rendah berarti proporsi WC yang lebih tinggi—dan ketahanan panas yang lebih baik:

• Kobalt rendah (6–8%, misalnya, YG6): Kandungan WC tinggi, mempertahankan kekerasan ≥92% pada suhu tinggi. Cocok untuk skenario suhu tinggi, dampak rendah (misalnya, alat gerinda presisi).
• Kobalt sedang (8–12%, misalnya, YG8): Menyeimbangkan ketahanan panas dan ketangguhan. Cocok untuk skenario suhu sedang, dampak sedang (misalnya, alat potong serbaguna).
• Kobalt tinggi (12–15%, misalnya, YG15): Ketangguhan dan ketahanan benturan yang sangat baik tetapi mempertahankan kekerasan ≤85% pada suhu tinggi. Cocok untuk skenario suhu rendah, dampak tinggi (misalnya, mata bor pertambangan).

WC butiran halus (1–3μm) memiliki lebih banyak batas butiran, di mana atom kobalt bertindak sebagai “penghambat” yang lebih kuat untuk mencegah pertumbuhan butiran pada suhu tinggi:

• WC-Co butiran halus (misalnya, YG6X): Setelah 10 jam pada 800°C, pertumbuhan butiran adalah <5%, dan kekerasan tetap hampir tidak berubah.
• WC-Co butiran kasar (misalnya, YG15): Dalam kondisi yang sama, pertumbuhan butiran melebihi 15%, dan kekerasan turun sebesar ~10%.
• Untuk skenario presisi suhu tinggi (misalnya, perlengkapan suhu tinggi semikonduktor), prioritaskan kelas butiran halus.

Banyak yang berasumsi WC-Co kekurangan ketahanan panas karena kobalt memiliki titik leleh rendah (1.495°C)—ini adalah kesalahpahaman umum yang mengabaikan mikrostruktur material:

• Dalam WC-Co, kobalt tidak ada “secara terpisah” tetapi sebagai “lapisan tipis” yang mengelilingi butiran WC. Dilindungi oleh WC, ia tidak melunak atau mengalir seperti kobalt murni (yang menjadi semi-cair pada 800°C).
• Pengujian praktis menunjukkan: Pada 800°C, fase Co dalam WC-Co hanya sedikit melunak (kekerasan ~HRC 20) tetapi masih mengikat butiran WC. Sebaliknya, kobalt murni sudah semi-cair pada 800°C dan tidak memiliki kekuatan.

Ketahanan panas karbida semen WC-Co bukan karena satu komponen tunggal tetapi sinergi dari “kerangka stabil peleburan tinggi WC, pengikatan dan penyangga suhu tinggi kobalt, dan mikrostruktur yang padat dan seragam.” Sifat ini memungkinkannya untuk mempertahankan kekerasan pada 600–800°C sambil menahan dampak dan beban sedang—menjadikannya ideal untuk skenario industri seperti pemotongan logam, cetakan suhu tinggi, dan lingkungan pertambangan suhu tinggi.

Untuk para profesional di industri tungsten karbida, saat merekomendasikan produk WC-Co, sejajarkan kelas dengan “suhu operasi maksimum + beban dampak” pelanggan: Pilih kelas butiran halus kobalt rendah (misalnya, YG6X) untuk skenario suhu tinggi, dampak rendah; kelas butiran sedang kobalt sedang (misalnya, YG8) untuk skenario suhu sedang, dampak sedang; dan kelas butiran kasar kobalt tinggi (misalnya, YG15) untuk skenario suhu rendah, dampak tinggi.