A keménység évszázada: A volfrámkarbid története

A villanykörtéktől a sziklafúrókig: A felfedezés

A wolfram-karbid (WC) története az egyik ipari szükségszerűség, amely áttörést jelent az anyagtudományban.

Az elem wolfram

Az utazás a 18. században kezdődik az elem felfedezésével Volfrám (W) . Hihetetlen sűrűségéről ismert és a az összes fém legmagasabb olvadáspontja (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for izzószálak izzólámpákban az 1900-as évek elején. Ennek a hihetetlenül kemény fémnek a finom huzalokká való húzásához olyan szerszámokra volt szükség, amelyek majdnem olyan kemények voltak, mint a gyémánt.

A cementált karbid születése

A döntő áttörés ben következett be Németország az 1920-as években . Az Osram elektromos izzógyártó cég mérnökei kétségbeesetten olcsóbb, keményebb alternatívát kerestek a volfrámhuzal meghúzására használt drága gyémánt szerszámokkal szemben. Ez az igény vezetett a feltaláláshoz cementált keményfém (vagy hardmetal) Karl Schrötertől.

• Az ötlet: Keverje össze a wolfram-karbid (WC) por extrém keménységét egy képlékeny, fémes „ragasztóval” – kobalt .
• Az eredmény: Az első modern keményfém: olyan kompozit anyag, amely a kerámia karcállóságával, de a fém szívósságával és ütésállóságával rendelkezik. Ez a forradalmian új anyag gyorsan felváltotta a gyémántot a húzószerszámokban, és hamarosan elterjedt a vágás és fúrás szélesebb világában.

Az erő tudománya: Miért olyan nehéz a WC?

Mi adja a volfrám-karbid gyémántszerű keménységét? A válasz a volfrám és a szénatomok közötti atomi szintű kötésben rejlik.

A kristályszerkezet

A volfrám-karbid egyedi kristályrácsot képez. A vegyületben (WC) a szénatomok a sokkal nagyobb volfrámatomok közötti terekbe illeszkednek. Az így kapott szerkezet rendkívül erős kovalens kötések a volfrám és a szén között, erős fémes kötések maguk a volfrámatomok között.

Ez a kombináció hozza létre a híres tulajdonságokat:

• Extrém keménység: Az erős, irányított kovalens kötések ellenáll a deformációnak és a karcolásnak. Általában pontoz 9-9,5 a Mohs-skála szerint , a második a gyémánt után (10).
• Nagy szilárdság és szívósság: A fémes kobalt binder amely a WC-részecskéket egyben tartja, biztosítja a szükséges szívósság – ütés közbeni törés- és törésállóság – ami a tiszta, törékeny volfrám-karbid porból hiányozna.

A volfrám-karbid finom részecskéi szétszóródnak a kobaltmátrixban, létrehozva a fém mátrix kompozit ami messze felülmúlja a nagy igénybevételre szánt anyagokat.

Volfrámkarbid a modern világban: Ipari átalakulás

A cementált keményfém széles körben elterjedt alkalmazása ipari forradalomhoz vezetett, ami szinte minden nehéziparban növelte a termelékenységet.

Hatékonyság a megmunkálásban

A keményfém szerszámok olyan hőmérsékleten is képesek éles éleket tartani, amelyek miatt a hagyományos acélszerszámok gyorsan eltompulnak (ez az ún. forró keménység ).

• Hatás: Ez lehetővé teszi a gyártók számára, hogy növeljék a forgácsolási sebességet és az előtolási sebességet az eszterga- és marógépeken akár ötször gyorsabb mint a gyorsacél (HSS) szerszámoknál, drasztikusan csökkentve a gyártási időt és a költségeket.

Uralkodás a bányászatban

Az erőforrás szektorban a volfrámkarbid hegyek szó szerint átrágva a bolygó legkeményebb anyagai.

• Kőzetfúrás: Az olaj- és gázkutatáshoz, valamint a kőzettöréshez használt bitek WC-betétekkel vannak kirakva. Ezek a darabok tartósak lehetnek 10-szer hosszabb mint az acélszerszámok, csökkentve a költséges karbantartási állásidőt.
• Építés: Az alagútfúró gépek (TBM-ek) keményfém-hegyű tárcsákra támaszkodnak, hogy átköszörüljék a hegyeket, és új metróalagutak vagy infrastruktúra fektessenek ki.

A legkeményebb verseny: WC vs. Titán

Bár gyakran összekeverik, a volfrám-karbid és a titán alapvető tulajdonságaik miatt nagyon eltérő célokat szolgál.

Röviden: ha könnyű, ütésálló anyagra van szüksége (például repülőgép szárnyához vagy testimplantátumhoz), válassza Titanium . Ha valaminek a vágásához vagy csiszolásához a legkeményebb, leginkább kopásálló anyagra van szüksége, akkor válassza Volfrámkarbid .