Характеристики и применение карбида титана, карбида кремния и цементированных карбидных материалов

В «материальной вселенной» промышленного производства карбид титана (TiC), карбид кремния (SiC) и цементированный карбид (обычно на основе карбида вольфрама – кобальта и т. д.) являются тремя яркими «звездными материалами». Благодаря своим уникальным свойствам они играют важнейшие роли в различных областях. Сегодня мы подробно рассмотрим различия в свойствах этих трех материалов и сценарии, в которых они преуспевают!

I. Прямое сравнение свойств материалов

Тип материала	Твердость (справочное значение)	Плотность (г/см³)	Износостойкость	Высокая термостойкость	Химическая стабильность	Прочность
Карбид титана (TiC)	2800 – 3200HV	4.9 – 5.3	Отлично (преобладают сложные фазы)	Стабилен при ≈1400℃	Устойчив к кислотам и щелочам (кроме сильных окисляющих кислот)	Относительно низкая (хрупкость более выражена)
Карбид кремния (SiC)	2500 – 3000HV (для керамики SiC)	3.1 – 3.2	Выдающийся (подкрепленный структурой ковалентной связи)	Стабилен при ≈1600℃ (в керамическом состоянии)	Чрезвычайно прочный (устойчив к большинству химических сред)	Умеренная (хрупкая в керамическом состоянии; монокристаллы обладают прочностью)
Твердый сплав (например, WC – Co)	1200 – 1800HV	13 – 15 (для серии WC – Co)	Исключительно (твердые фазы WC + связующее Co)	≈800 – 1000℃ (зависит от содержания Co)	Устойчив к кислотам, щелочам и абразивному износу	Относительно хорошо (фаза связующего вещества Co повышает прочность)

Распределение имущества:

• Карбид титана (TiC): Его твердость близка к твердости алмаза, что делает его членом семейства сверхтвердых материалов. Его высокая плотность обеспечивает точное позиционирование в прецизионных инструментах, требующих «утяжеления». Однако он обладает высокой хрупкостью и склонен к скалыванию при ударе, поэтому он больше подходит для статических, малоударных/износостойких сценариев резки. Например, его часто используют в качестве покрытия на инструментах. Покрытие TiC является сверхтвердым и износостойким, как нанесение «защитной брони» на быстрорежущую сталь и инструменты из твердого сплава. При резке нержавеющей стали и легированной стали он может выдерживать высокие температуры и снижать износ, значительно продлевая срок службы инструмента. Например, в покрытии чистовых фрез он обеспечивает быструю и стабильную резку.
• Карбид кремния (SiC): «Лучший показатель в области стойкости к высоким температурам»! Он может поддерживать стабильную работу при температуре выше 1600 ℃. В керамическом состоянии его химическая стабильность замечательна, и он почти не реагирует с кислотами и щелочами (за исключением нескольких, таких как плавиковая кислота). Однако хрупкость является общей проблемой для керамических материалов. Тем не менее, монокристаллический карбид кремния (такой как 4H – SiC) имеет улучшенную прочность и возвращается в полупроводники и высокочастотные устройства. Например, керамические инструменты на основе SiC являются «лучшими учениками» среди керамических инструментов. Они обладают стойкостью к высоким температурам и химической стабильностью. При резке сплавов высокой твердости (таких как сплавы на основе никеля) и хрупких материалов (таких как чугун) они не склонны к застреванию инструмента и имеют медленный износ. Однако из-за хрупкости они больше подходят для чистовой обработки с меньшим прерывистым резанием и высокой точностью.
• Твердый сплав (WC – Co): «Игрок высшего уровня в области резки»! От токарных инструментов до фрезерных станков с ЧПУ, от фрезерной стали до сверлильного камня — его можно найти везде. Твердый сплав с низким содержанием Co (например, YG3X) подходит для чистовой обработки, в то время как с высоким содержанием Co (например, YG8) имеет хорошую ударопрочность и может легко выдерживать грубую обработку. Твердые фазы WC отвечают за «стойкость» к износу, а связующее вещество Co действует как «клей», удерживая частицы WC вместе, поддерживая как твердость, так и прочность. Хотя его устойчивость к высоким температурам не так хороша, как у первых двух, его сбалансированная общая производительность делает его пригодным для широкого спектра сценариев от резки до износостойких компонентов.

II. Области применения в полном разгаре

1. Область режущего инструмента

• Карбид титана (TiC): Часто служит в качестве покрытия на инструментах! Сверхтвердое и износостойкое покрытие TiC накладывает «защитную броню» на быстрорежущую сталь и инструменты из твердого сплава. При резке нержавеющей и легированной стали оно может выдерживать высокие температуры и снижать износ, значительно продлевая срок службы инструмента. Например, в покрытии чистовых фрез оно обеспечивает быструю и стабильную резку.
• Карбид кремния (SiC): «Лучший студент» среди керамических инструментов! Керамические инструменты на основе SiC обладают высокой термостойкостью и химической стабильностью. При резке сплавов высокой твердости (например, сплавов на основе никеля) и хрупких материалов (например, чугуна) они не склонны к застреванию инструмента и имеют медленный износ. Однако из-за хрупкости они больше подходят для финишной обработки с меньшим прерывистым резанием и высокой точностью.
• Твердый сплав (WC – Co): «Игрок высшего уровня в области резки»! От токарных инструментов до фрезерных станков с ЧПУ, от фрезерной стали до сверлильного камня — его можно найти везде. Твердый сплав с низким содержанием Co (например, YG3X) подходит для чистовой обработки, а с высоким содержанием Co (например, YG8) обладает хорошей ударопрочностью и может легко выдерживать грубую обработку.

2. Область износостойких компонентов

• Карбид титана (TiC): Действует как «чемпион по износостойкости» в прецизионных пресс-формах! Например, в пресс-формах для порошковой металлургии при прессовании металлического порошка вставки из TiC износостойки и обладают высокой точностью, гарантируя, что прессованные детали будут иметь точные размеры и хорошие поверхности, и не будут подвержены «сбоям» при массовом производстве.
• Карбид кремния (SiC): Наделены «двойными баффами» износостойкости и высокотемпературной стойкости! Ролики и подшипники в высокотемпературных печах из керамики SiC не размягчаются и не изнашиваются даже при температуре выше 1000℃. Также сопла в пескоструйном оборудовании из SiC выдерживают воздействие частиц песка, а их срок службы в несколько раз больше, чем у обычных стальных сопел.
• Твердый сплав (WC – Co): «Универсальный эксперт по износостойкости»! Твердосплавные зубья в долотах для горных работ могут дробить горные породы без повреждений; твердосплавные резцы на щитовых станках выдерживают воздействие грунта и песчаника и могут «сохранять самообладание» даже после проходки тоннелей длиной в тысячи метров. Даже эксцентриковые колеса в вибромоторах мобильных телефонов используют твердый сплав для износостойкости, чтобы обеспечить стабильную вибрацию.

3. Электроника/полупроводники

• Карбид титана (TiC): Встречается в некоторых электронных компонентах, требующих высокой температуры и высокой износостойкости! Например, в электродах мощных электронных ламп TiC обладает высокой термостойкостью, хорошей электропроводностью и износостойкостью, что обеспечивает стабильную работу в условиях высоких температур и гарантирует передачу электронного сигнала.
• Карбид кремния (SiC): «Новый фаворит в полупроводниках»! Полупроводниковые приборы SiC (например, силовые модули SiC) обладают превосходными высокочастотными, высоковольтными и высокотемпературными характеристиками. При использовании в электромобилях и фотоэлектрических инверторах они могут значительно повысить эффективность и уменьшить объем. Кроме того, пластины SiC являются «основой» для производства высокочастотных и высокотемпературных чипов и с нетерпением ждут их в базовых станциях 5G и авионике.
• Твердый сплав (WC – Co): «Точный инструмент» в электронной обработке! Сверла из цементированного карбида для сверления печатных плат могут иметь диаметр всего 0,1 мм и могут сверлить точно, не ломаясь. Вставки из цементированного карбида в формах для упаковки чипов обладают высокой точностью и износостойкостью, обеспечивая точную и стабильную упаковку выводов чипа.

III. Как выбрать?

• Для исключительной твердости и точной износостойкости→ Выбирайте карбид титана (TiC)! Например, в покрытиях прецизионных форм и сверхтвердых покрытиях инструментов он может «выдерживать» износ и сохранять точность.
• Для обеспечения высокой термостойкости, химической стабильности или работы с полупроводниками/высокочастотными устройствами→ Выбирайте карбид кремния (SiC)! Он незаменим для высокотемпературных компонентов печей и силовых микросхем SiC.
• Для сбалансированной общей производительности, охватывающей все области применения: от резки до износостойкости→ Выбирайте твердый сплав (WC – Co)! Это «универсальный игрок», охватывающий инструменты, сверла и износостойкие детали.