Století tvrdosti: Historie karbidu wolframu

Od žárovek po Rock Drills: The Discovery

Příběh karbidu wolframu (WC) je průmyslovou nutností, která vede k průlomu ve vědě o materiálech.

Element Tungsten

Cesta začíná v 18. století objevením prvku Wolfram (W) . Známý pro svou neuvěřitelnou hustotu a nejvyšší bod tání všech kovů (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for vlákna v žárovkách na počátku 20. století. Proces tažení tohoto neuvěřitelně houževnatého kovu do jemných drátů vyžadoval matrice, které byly téměř tak tvrdé jako diamant.

Zrození slinutého karbidu

Zásadní zlom nastal v r Německo ve dvacátých letech 20. století . Inženýři společnosti Osram na výrobu elektrických žárovek zoufale hledali levnější a odolnější alternativu k drahým diamantovým razidlům používaným k tažení wolframového drátu. Tato potřeba vedla k vynálezu slinutý karbid (neboli hardmetal) od Karla Schrötera.

• Myšlenka: Kombinujte extrémní tvrdost prášku karbidu wolframu (WC) s tažným kovovým „lepidlem“— kobalt .
• Výsledek: První moderní tvrdokov: kompozitní materiál s odolností proti poškrábání jako keramika, ale houževnatostí a odolností proti nárazu jako kov. Tento revoluční materiál rychle nahradil diamant v tažnicích a brzy se rozšířil do širšího světa řezání a vrtání.

Věda o síle: Proč je WC tak těžké

Co dává karbidu wolframu tvrdost podobnou diamantu? Odpověď spočívá ve vazbě na atomové úrovni mezi atomy wolframu a uhlíku.

Krystalová struktura

Karbid wolframu tvoří unikátní krystalovou mřížku. Ve sloučenině (WC) zapadají atomy uhlíku do prostorů mezi mnohem většími atomy wolframu. Výsledná struktura je extrémně pevná kovalentní vazby mezi wolframem a uhlíkem v kombinaci se silným kovové vazby mezi samotnými atomy wolframu.

Tato kombinace vytváří slavné vlastnosti:

• Extrémní tvrdost: Silný, směrový kovalentní vazby odolávat deformaci a poškrábání. Obvykle boduje 9 až 9,5 na Mohsově stupnici , druhý za diamantem (10).
• Vysoká pevnost a houževnatost: Kovové kobalt binder který drží částice WC pohromadě poskytuje potřebné houževnatost —odolnost proti rozbití nebo rozbití při nárazu — kterou by čistý, křehký prášek karbidu wolframu postrádal.

Jemné částice karbidu wolframu jsou rozptýleny v kobaltové matrici a vytvářejí a kompozit s kovovou matricí který je mnohem lepší než jakýkoli jednotlivý materiál pro náročné aplikace.

Karbid wolframu v moderním světě: Průmyslová transformace

Široké přijetí slinutého karbidu vedlo k průmyslové revoluci, která zvýšila produktivitu v téměř každém těžkém průmyslu.

Efektivita v obrábění

Nástroje z karbidu wolframu si mohou zachovat ostrou hranu při teplotách, které by způsobily rychlé otupení tradičního ocelového nástroje (vlastnost tzv. tvrdost za tepla ).

• Dopad: To umožňuje výrobcům zvýšit řezné rychlosti a rychlosti posuvu na soustruzích a frézkách až pětkrát rychlejší než u nástrojů z rychlořezné oceli (HSS), což výrazně snižuje výrobní čas a náklady.

Dominance v hornictví

V sektoru zdrojů jsou hroty z karbidu wolframu doslova žvýkání skrz nejtvrdší materiály planety.

• Vrtání do kamene: Bity používané pro průzkum ropy a zemního plynu, stejně jako pro lámání hornin, jsou posety vložkami WC. Tyto kousky mohou vydržet 10x déle než ocelové nástroje, což snižuje nákladné prostoje na údržbu.
• Konstrukce: Stroje na vrtání tunelů (TBM) se spoléhají na kotouče s karbidovým nástavcem, které brousí hory a pokládají nové tunely metra nebo infrastrukturu.

Nejtěžší soutěž: WC vs. Titan

I když jsou karbid wolframu a titan často zaměňovány, slouží díky svým vlastnostem jádra k velmi odlišným účelům.

Stručně řečeno, pokud potřebujete lehký materiál odolný proti nárazu (jako křídlo letadla nebo tělesný implantát), vyberte si titan . Pokud potřebujete k řezání nebo broušení nejtvrdší materiál, který je nejvíce odolný proti oděru, vyberte si Karbid wolframu .