Stoljeće tvrdoće: Povijest volframovog karbida

Od žarulja do bušilica: Otkriće

Priča o volfram karbidu (WC) je priča o industrijskoj potrebi koja je dovela do proboja u znanosti o materijalima.

Element volfram

Putovanje počinje u 18. stoljeću otkrićem elementa Volfram (W) . Poznat po svojoj nevjerojatnoj gustoći i najviša točka taljenja od svih metala (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for niti u žaruljama sa žarnom niti početkom 1900-ih. Proces izvlačenja ovog nevjerojatno čvrstog metala u fine žice zahtijevao je kalupe koji su bili tvrdi gotovo poput dijamanta.

Rođenje cementnog karbida

Presudni iskorak dogodio se u Njemačka 1920-ih . Inženjeri u tvrtki za proizvodnju električnih žarulja Osram očajnički su tražili jeftiniju, čvršću alternativu skupim dijamantnim kalupima koji se koriste za izvlačenje volframove žice. Ta je potreba dovela do izuma cementirani karbid (ili hardmetal) Karla Schrötera.

• Ideja: Kombinirajte ekstremnu tvrdoću praha volfram karbida (WC) s duktilnim, metalnim "ljepilom"— kobalt .
• Rezultat: Prvi moderni tvrdi metal: kompozitni materijal s otpornošću na ogrebotine kao keramika, ali žilavošću i otpornošću na udarce kao metal. Ovaj revolucionarni materijal brzo je zamijenio dijamant u kalupima za izvlačenje i ubrzo se proširio na svijet rezanja i bušenja.

Znanost o snazi: Zašto je WC tako težak

Što volfram karbidu daje njegovu tvrdoću poput dijamanta? Odgovor leži u vezivanju na atomskoj razini između atoma volframa i ugljika.

Kristalna struktura

Volframov karbid tvori jedinstvenu kristalnu rešetku. U spoju (WC), atomi ugljika se uklapaju u prostore između mnogo većih atoma volframa. Rezultirajuća struktura je izuzetno jaka kovalentne veze između volframa i ugljika, u kombinaciji s jakim metalne veze između samih atoma volframa.

Ova kombinacija je ono što stvara poznata svojstva:

• Ekstremna tvrdoća: Snažan, usmjeren kovalentne veze otporan na deformacije i grebanje. Obično postiže bodove 9 do 9,5 na Mohsovoj ljestvici , odmah iza dijamanta (10).
• Visoka čvrstoća i žilavost: Metalik kobalt binder koji drži WC čestice zajedno osigurava potrebnu žilavost — otpornost na lomljenje ili lomljenje pri udaru — što bi nedostajalo čistom, lomljivom prahu volfram karbida.

Fine čestice volfram karbida raspršene su kroz matricu kobalta, stvarajući kompozit s metalnom matricom koji je daleko bolji od bilo kojeg pojedinačnog materijala za teške primjene.

Volframov karbid u modernom svijetu: industrijska transformacija

Široka primjena cementnog karbida dovela je do industrijske revolucije, povećavajući produktivnost u gotovo svakoj teškoj industriji.

Učinkovitost u strojnoj obradi

Alati od volframovog karbida mogu zadržati oštar rub na temperaturama koje bi uzrokovale brzo otupljivanje tradicionalnog čeličnog alata (svojstvo tzv. vruća tvrdoća ).

• utjecaj: To proizvođačima omogućuje povećanje brzina rezanja i posmaka na tokarilicama i glodalicama do pet puta brže nego s alatima od brzoreznog čelika (HSS), drastično smanjujući vrijeme i troškove proizvodnje.

Dominacija u rudarstvu

U sektoru resursa vrhovi od volfram karbida su doslovno prožvakavši najtvrđi materijali na planeti.

• Bušenje stijena: Bitovi koji se koriste za istraživanje nafte i plina, kao i za razbijanje stijena, imaju WC umetke. Ovi dijelovi mogu trajati 10 puta duže od čeličnih alata, smanjujući skupe zastoje radi održavanja.
• Izgradnja: Strojevi za bušenje tunela (TBM) oslanjaju se na diskove s vrhom od volfram karbida za brušenje kroz planine i polaganje novih tunela podzemne željeznice ili infrastrukture.

Najžešće natjecanje: WC protiv Titanija

Iako se često brkaju, volframov karbid i titan služe u vrlo različite svrhe zbog svojih osnovnih svojstava.

Ukratko, ako trebate lagani materijal otporan na udarce (kao za krilo zrakoplova ili implantat za tijelo), odaberite Titanium . Ako vam je potreban najtvrđi materijal, najotporniji na abraziju za rezanje ili brušenje nečega, vi birate Volfram karbid .