Stulecie twardości: historia węglika wolframu

Od żarówek po wiertarki do skał: odkrycie

Historia węglika wolframu (WC) jest historią konieczności przemysłowej, która spowodowała przełom w materiałoznawstwie.

Wolfram pierwiastkowy

Podróż rozpoczyna się w XVIII wieku wraz z odkryciem pierwiastka Wolfram (W) . Znany ze swojej niesamowitej gęstości i najwyższa temperatura topnienia ze wszystkich metali (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for żarniki w żarówkach na początku XX wieku. Proces ciągnienia tego niezwykle wytrzymałego metalu w cienkie druty wymagał matryc niemal tak twardych jak diament.

Narodziny węglika spiekanego

Przełomowy przełom nastąpił w r Niemcy w latach 20. XX wieku . Inżynierowie z firmy Osram, produkującej żarówki elektryczne, desperacko poszukiwali tańszej i trwalszej alternatywy dla drogich matryc diamentowych używanych do ciągnienia drutu wolframowego. Potrzeba ta doprowadziła do wynalezienia węglik spiekany (lub hardmetal) Karla Schrötera.

• Pomysł: Połącz ekstremalną twardość proszku węglika wolframu (WC) z plastycznym, metalicznym „klejem” — kobalt .
• Wynik: Pierwszy nowoczesny twardy metal: materiał kompozytowy o odporności na zarysowania ceramiki, ale wytrzymałości i udarności metalu. Ten rewolucyjny materiał szybko zastąpił diament w matrycach ciągarskich i wkrótce rozprzestrzenił się na szerszy świat cięcia i wiercenia.

Nauka o sile: dlaczego WC jest tak trudne

Co nadaje węglikowi wolframu twardość diamentu? Odpowiedź leży w wiązaniu na poziomie atomowym pomiędzy atomami wolframu i węgla.

Struktura kryształu

Węglik wolframu tworzy unikalną sieć krystaliczną. W związku (WC) atomy węgla mieszczą się w przestrzeniach pomiędzy znacznie większymi atomami wolframu. Powstała struktura jest wyjątkowo mocna wiązania kowalencyjne pomiędzy wolframem i węglem, w połączeniu z mocnym wiązania metaliczne pomiędzy samymi atomami wolframu.

Ta kombinacja tworzy słynne właściwości:

• Ekstremalna twardość: Mocny, kierunkowy wiązania kowalencyjne są odporne na odkształcenia i zarysowania. Zazwyczaj punktuje od 9 do 9,5 w skali Mohsa , ustępując jedynie diamentowi (10).
• Wysoka wytrzymałość i wytrzymałość: Metaliczny kobalt binder który spaja cząsteczki WC, zapewnia to, co niezbędne wytrzymałość — odporność na pękanie lub pękanie pod wpływem uderzenia — której brakowałoby czystemu, kruchemu sproszkowanemu węglikowi wolframu.

Drobne cząstki węglika wolframu są rozproszone w matrycy kobaltu, tworząc kompozyt z osnową metaliczną który jest znacznie lepszy od jakiegokolwiek pojedynczego materiału do zastosowań w ciężkich warunkach.

Węglik wolframu we współczesnym świecie: transformacja przemysłowa

Powszechne zastosowanie węglika spiekanego doprowadziło do rewolucji przemysłowej, zwiększając produktywność w niemal każdym przemyśle ciężkim.

Wydajność w obróbce

Narzędzia z węglika wolframu mogą zachować ostrą krawędź w temperaturach, które spowodowałyby szybkie stępienie tradycyjnego narzędzia stalowego (właściwość zwana gorąca twardość ).

• Wpływ: Umożliwia to producentom zwiększenie prędkości skrawania i posuwu na tokarkach i frezarkach nawet pięć razy szybciej niż w przypadku narzędzi ze stali szybkotnącej (HSS), drastycznie redukując czas i koszty produkcji.

Dominacja w górnictwie

W sektorze zasobów końcówki z węglika wolframu są dosłownie przeżuwać najtwardsze materiały na planecie.

• Wiercenie w kamieniu: Wiertła używane do poszukiwań ropy i gazu oraz do kruszenia skał są nabijane wkładkami WC. Te kawałki mogą przetrwać 10 razy dłużej niż narzędzia stalowe, redukując kosztowne przestoje na konserwację.
• Konstrukcja: Maszyny do wiercenia tuneli (TBM) wykorzystują tarcze z węglikiem wolframu do przebijania się przez góry i układania nowych tuneli metra lub infrastruktury.

Najtrudniejsza konkurencja: WC kontra Tytan

Choć często mylone, węglik wolframu i tytan służą bardzo różnym celom ze względu na ich podstawowe właściwości.

Krótko mówiąc, jeśli potrzebujesz lekkiego, odpornego na uderzenia materiału (np. skrzydła samolotu lub implantu ciała), wybierasz Titanium . Jeśli potrzebujesz najtwardszego, najbardziej odpornego na ścieranie materiału do cięcia lub szlifowania czegoś, to ty wybierasz Węglik wolframu .