Storočie tvrdosti: História karbidu volfrámu

Od žiaroviek po Rock Drills: The Discovery

Príbeh karbidu volfrámu (WC) je príbehom priemyselnej nevyhnutnosti, ktorý vedie k prelomu vo vede o materiáloch.

Element Volfrám

Cesta začína v 18. storočí objavením prvku volfrám (W) . Známy pre svoju neuveriteľnú hustotu a najvyšší bod topenia všetkých kovov (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for vlákna v žiarovkách na začiatku 20. storočia. Proces ťahania tohto neuveriteľne húževnatého kovu do jemných drôtov si vyžadoval matrice, ktoré boli takmer také tvrdé ako diamant.

Zrodenie slinutého karbidu

Zásadný zlom nastal v r Nemecko v 20. rokoch 20. storočia . Inžinieri spoločnosti Osram na výrobu elektrických žiaroviek zúfalo hľadali lacnejšiu a odolnejšiu alternatívu k drahým diamantovým matriciam používaným na ťahanie volfrámového drôtu. Táto potreba viedla k vynálezu slinutý karbid (alebo hardmetal) od Karla Schrötera.

• Myšlienka: Skombinujte extrémnu tvrdosť prášku karbidu volfrámu (WC) s tvárnym kovovým „lepidlom“— kobalt .
• Výsledok: Prvý moderný tvrdokov: kompozitný materiál s odolnosťou voči poškriabaniu ako keramika, ale húževnatosťou a odolnosťou proti nárazu ako kov. Tento revolučný materiál rýchlo nahradil diamant v razidle a čoskoro sa rozšíril do širšieho sveta rezania a vŕtania.

Veda o sile: Prečo je WC také ťažké

Čo dáva karbidu volfrámu tvrdosť podobnú diamantu? Odpoveď spočíva vo väzbe na atómovej úrovni medzi atómami volfrámu a uhlíka.

Kryštálová štruktúra

Karbid volfrámu tvorí jedinečnú kryštálovú mriežku. V zlúčenine (WC) sa atómy uhlíka zmestia do priestorov medzi oveľa väčšími atómami volfrámu. Výsledná štruktúra je mimoriadne pevná kovalentné väzby medzi volfrámom a uhlíkom v kombinácii so silným kovové väzby medzi samotnými atómami volfrámu.

Táto kombinácia vytvára slávne vlastnosti:

• Extrémna tvrdosť: Silný, smerový kovalentné väzby odolávajú deformácii a poškriabaniu. Zvyčajne boduje 9 až 9,5 na Mohsovej stupnici , druhý po diamante (10).
• Vysoká pevnosť a húževnatosť: Kovové kobalt binder ktorá drží častice WC pohromade, poskytuje potrebné húževnatosť —odolnosť proti rozbitiu alebo rozbitiu pri náraze — čo by čistému, krehkému prášku karbidu volfrámu chýbalo.

Jemné častice karbidu volfrámu sú rozptýlené v kobaltovej matrici a vytvárajú a kompozit s kovovou matricou ktorý je oveľa lepší ako akýkoľvek jednotlivý materiál pre náročné aplikácie.

Karbid volfrámu v modernom svete: Priemyselná transformácia

Široké prijatie slinutého karbidu viedlo k priemyselnej revolúcii, ktorá zvýšila produktivitu takmer v každom ťažkom priemysle.

Efektívnosť v obrábaní

Nástroje z karbidu volfrámu si dokážu zachovať ostrú hranu pri teplotách, ktoré by spôsobili rýchle otupenie tradičného oceľového nástroja (vlastnosť tzv. tvrdosť za tepla ).

• Vplyv: To umožňuje výrobcom zvýšiť rezné rýchlosti a rýchlosti posuvu na sústruhoch a frézkach až päťkrát rýchlejšie ako pri nástrojoch z rýchloreznej ocele (HSS), čím sa výrazne skracuje čas výroby a náklady.

Dominancia v baníctve

V sektore zdrojov sú hroty z karbidu volfrámu doslova prežúvanie najtvrdšie materiály planéty.

• Vŕtanie do kameňa: Bity používané na prieskum ropy a zemného plynu, ako aj na lámanie skál, sú posiate vložkami WC. Tieto kúsky môžu vydržať 10 krát dlhšie než oceľové nástroje, čím sa znižujú nákladné prestoje na údržbu.
• Konštrukcia: Tunelové vyvrtávacie stroje (TBM) sa spoliehajú na kotúče s karbidovými hrotmi, ktoré brúsia hory a kladú nové tunely alebo infraštruktúru metra.

Najťažšia súťaž: WC vs. titán

Aj keď sú karbid volfrámu a titán často zmätené, slúžia na veľmi odlišné účely kvôli ich základným vlastnostiam.

Stručne povedané, ak potrebujete ľahký materiál odolný voči nárazom (ako napríklad krídlo lietadla alebo telesný implantát), vyberte si titán . Ak potrebujete na rezanie alebo brúsenie najtvrdší materiál, ktorý je najviac odolný voči oderu, vyberte si Karbid volfrámu .