در صنایع معدنی، فولادسازی، سیمان و تجهیزات حفاری، استفاده از سخت‌کاری تنگستن کارباید برای محافظت از قطعات در معرض سایش شدید به عنوان یکی از مؤثرترین روش‌های مهندسی سطح جهت جلوگیری از تخریب زودرس تجهیزات شناخته می‌شود. شرکت توان پایش ماد به عنوان تأمین‌کننده تجهیزات روانکاری مرکزی و نماینده رسمی متریال‌های تخصصی ضدسایش شرکت‌های Corodur آلمان و Martec فرانسه، رویکرد تلفیقی حفاظت مکانیکی و شیمیایی سطوح را ارائه می‌دهد. در حوزه سختکاری، زمانی که برهم‌کنش ذرات معدنی با سختی بالا مانع از تشکیل لایه روانکار هیدرودینامیک می‌شود، اعمال یک پوشش زرهی پایه فلزی تقویت‌شده با ذرات کاربایدی مانع از تخریب فیزیکی قطعات و اتلاف سرمایه ناشی از توقف خطوط می‌گردد.

مکانیزم سایش و ساختار متالورژیکی لایه کامپوزیتی تنگستن کارباید

پوشش‌های حاصل از سخت‌کاری تنگستن کارباید از نظر متالورژیکی در دسته کامپوزیت‌های پایه فلزی (Metal Matrix Composite یا به اختصار MMC) قرار می‌گیرند. این ساختارها از دو فاز کاملاً متمایز تشکیل شده‌اند که در هماهنگی با یکدیگر مقاومت به سایش را پدید می‌آورند:

• فاز سخت (Hard Phase): شامل ذرات کارباید تنگستن ذوبی یوتکتیک (FTC یا WSC با ترکیب یوتکتیک WC و W₂C) یا کارباید تنگستن کروی کروی‌شکل (SFTC) است. سختی این ذرات بین ۲۳۰۰ تا ۲۵۰۰ ویکرز (HV₀.₂) و در نمونه‌های کروی تا ۳۰۰۰ ویکرز می‌رسد که به مراتب از سختی کانی‌های ساینده نظیر کوارتز و سیلیس (حدود ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ ویکرز) بالاتر است.
• فاز زمینه (Matrix Binder): بستری از جنس آلیاژهای بر پایه آهن (Fe-base) یا سوپرآلیاژهای نیکل یا کبالت با حضور عناصر بور و سیلیسیم (Ni-Cr-B-Si) است که سختی آن معمولاً بین ۵۰ تا ۶۷ راکول سی (HRC) تنظیم می‌شود. وظیفه زمینه، مهار فیزیکی ذرات کارباید و جلوگیری از کنده شدن یا لق‌شدن آن‌ها در تنش‌های برشی و ضربه‌ای است.

در مواجهه با سایش خراشان دو جسمی و سه جسمی (Two-body & Three-body Abrasive Wear)، ذرات سیلیس و سنگلاخ پس از برخورد به سطح، توانایی نفوذ یا شیارزنی در دانه‌های کارباید تنگستن را نخواهند داشت؛ در نتیجه، نرخ باربرداری میکروسکوپی از سطح قطعه به کمترین حد ممکن تقلیل می‌یابد.

استانداردهای متریال و گریدهای تخصصی Corodur

انتخاب سیم‌جوش‌ها و الکترودهای سخت‌کاری بر اساس استانداردهای بین‌المللی متالورژی جوش نظیر DIN EN 14700 و استاندارد معادل DIN 8555 دسته‌بندی می‌شود. آلیاژهای حاوی تنگستن کارباید در استاندارد DIN EN 14700 عمدتاً ذیل کدهای T Fe20 یا T Ni20 طبقه‌بندی می‌گردند.

برند آلمانی Corodur به عنوان یکی از پیشگامان تولید سیم‌های توپودری، محصولات شاخصی را برای شرایط حاد سایشی عرضه کرده است:

• COROCARB FE (سیم توپودری قوس باز / Open Arc): این سیم بدون نیاز به گاز محافظ رسوب داده می‌شود و دارای زمینه Fe-C-Co-W به همراه ۵۵ تا ۶۲ درصد وزنی ذرات کارباید تنگستن ذوبی است. سختی ذرات کارباید در آن حدود ۲۴۰۰ ویکرز و سختی پاس دوم جوش به ۶۲ تا ۶۶ راکول سی می‌رسد. این گرید عمدتاً در ناخن لودر، لبه باکت شاول‌های معدنی و سپرهای ماشین‌های حفاری تونل (TBM) به کار می‌رود.
• COROCARB NI و NI-PLUS: این سیم‌های توپودری دارای زمینه آلیاژی نیکل با نقطه ذوب پایین (حدود ۹۰۰ تا ۱۰۵۰ درجه سانتی‌گراد) هستند. روان‌روی فوق‌العاده این ماتریس باعث می‌شود ذرات کروی یا شکسته تنگستن کارباید حین جوشکاری حل نشوند و خواص سایشی خود را حفظ کنند. مقاومت همزمان به خوردگی شیمیایی و سایش شدید، این آلیاژ را برای ماردون‌های میکسر لجن، اسکروهای مواد نسوز و پایدارکننده‌های حفاری نفت و گاز ایده‌آل می‌سازد.

الزامات فرایندی و پارامترهای کنترل جوشکاری

اعمال موفقیت‌آمیز روکش‌های تنگستن کارباید نیازمند کنترل دقیق متغیرهای فرایندی است؛ در غیر این صورت، حل شدن کارباید در حوضچه مذاب منجر به افت چشمگیر سختی و ایجاد فازهای ترد و نامطلوب کارباید سه‌تایی آهن-تنگستن خواهد شد. برای دستیابی به کیفیت مطلوب، رعایت الزامات زیر ضروری است:

• کنترل حرارت ورودی (Heat Input): شدت جریان و ولتاژ جوشکاری باید در کمترین محدوده پیشنهادی سازنده (به طور نمونه بین ۱۴۰ تا ۲۴۰ آمپر بسته به قطر سیم) نگه داشته شود تا نرخ رقیق‌شدگی (Dilution) با فلز پایه به حداقل برسد.
• پیش‌گرمایش و پس‌گرمایش: در فولادهای آلیاژی با کربن معادل بالا، پیش‌گرم قطعه در بازه دمایی ۳۵۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد خطر تشکیل ترک‌های هیدروژنی در منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ) را مهار می‌کند.
• اجرای لایه واسط (Buffer Layer): در قطعات ساخته‌شده از فولادهای حساس یا فولادهای منگنزی هادفیلد، اعمال یک لایه میانی با الکترود یا سیم آستنیتی نظیر تیپ ۳۰۷ پیش از اعمال تنگستن کارباید، چقرمگی ساختار را تأمین کرده و مانع از پوسته‌شدن و تورق لایه سخت (Spalling) می‌شود.
• محدودیت ضخامت و تعداد لایه‌ها: به دلیل تردی ذاتی فازهای کاربایدی، اجرای بیش از یک الی دو پاس پوشش‌دهی مستقیم توصیه نمی‌شود. ضخامت کل باید مطابق نقشه‌های مهندسی و متناسب با میزان سایش مجاز تنظیم گردد.

کاربردهای صنعتی و مقایسه با روش‌های مکمل نگهداری

سخت‌کاری تنگستن کارباید در بخش‌هایی از تجهیزات صنعتی مستقر می‌شود که سایش فلز به فلز با روانکار معمولی قابل کنترل نبوده و سایش ماده معدنی به فلز غالب است. مهم‌ترین موارد کاربرد عبارتند از:

• صنایع سیمان و مواد نسوز: پره‌های میکسر خاک و شاموت، شوت‌های انتقال کلینکر داغ، پروانه‌های فن غبارگیر مواد خام و دیواره فیدرهای ارتعاشی.
• معادن و فرآوری سنگ‌آهن: چکش‌های سنگ‌شکن، تیغه‌های نوار پاک‌کن، رولیک‌های هدایت اسکراپرها و زره‌های آسیاب.
• نفت، گاز و حفاری: سنترالایزرهای درون چاهی، اسلیوهای محافظ پمپ‌های گل حفاری و کاتر هدهای حفاری جهت‌دار.

لازم به تأکید است که سخت‌کاری جایگزین سیستم‌های روانکاری مرکزی و مراقبت‌های تریبولوژیکی نیست. طبق استانداردهای مهندسی توان پایش ماد، در حالی که سطوح فعال درگیر با مواد معدنی با سخت‌کاری کاربایدی مسلح می‌شوند، یاتاقان‌ها، ژورنال‌ها و بوش‌های محرک همین مجموعه‌ها نیازمند سیستم‌های تزریق خودکار گریس با فرمولاسیون سازگار با بار سنگین و ضدسایش هستند تا از تخریب کلی سازه پیشگیری به عمل آید.

جمع‌بندی نهایی

پیاده‌سازی مهندسی سخت‌کاری تنگستن کارباید راهکاری اثبات‌شده برای مقابله با سایش شدید خراشان و فرسایشی در خشن‌ترین محیط‌های صنعتی است. بهره‌وری اقتصادی و افزایش دوام قطعات تحت این فرایند، ارتباط مستقیمی با شرایط کاری، میزان بار ضربه‌ای وارده، نرخ سایش، هزینه توقفات خط و انتخاب صحیح متریال متناسب با متالورژی فلز پایه دارد. شرکت توان پایش ماد با بهره‌گیری از سبد محصولات Corodur آلمان و Martec فرانسه، آماده ارائه خدمات فنی، انتخاب گرید آلیاژی و دستورالعمل‌های اجرایی روکش‌کاری سخت برای صنایع بنیادین کشور است.