قرن سختی: تاریخچه کاربید تنگستن

از لامپ تا مته سنگ: کشف

داستان کاربید تنگستن (WC) یکی از ضروریات صنعتی است که باعث پیشرفت در علم مواد می شود.

عنصر تنگستن

سفر در قرن هجدهم با کشف عنصر آغاز می شود تنگستن (W) . شناخته شده برای چگالی باور نکردنی و بالاترین نقطه ذوب تمام فلزات (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for رشته ها در لامپ های رشته ای در اوایل دهه 1900 فرآیند کشیدن این فلز فوق‌العاده سخت به سیم‌های ریز نیازمند قالب‌هایی بود که تقریباً به سختی الماس بودند.

تولد کاربید سیمانی

پیشرفت مهم در آلمان در دهه 1920 . مهندسان شرکت لامپ‌های الکتریکی Osram به شدت به دنبال جایگزینی ارزان‌تر و سخت‌تر برای قالب‌های الماس گران قیمتی بودند که برای کشیدن سیم تنگستن استفاده می‌شدند. این نیاز منجر به اختراع شد کاربید سیمانی (یا هارد متال) اثر کارل شروتر.

• ایده: سختی فوق العاده پودر کاربید تنگستن (WC) را با یک "چسب" انعطاف پذیر و فلزی ترکیب کنید. کبالت .
• نتیجه: اولین فلز سخت مدرن: یک ماده کامپوزیت با مقاومت سرامیک در برابر خراش اما چقرمگی و مقاومت فلز در برابر ضربه. این ماده انقلابی به سرعت جایگزین الماس در قالب های طراحی شد و به زودی به دنیای گسترده تر برش و حفاری گسترش یافت.

علم قدرت: چرا WC خیلی سخت است؟

چه چیزی به کاربید تنگستن سختی الماس مانند می دهد؟ پاسخ در پیوند سطح اتمی بین اتم های تنگستن و کربن نهفته است.

ساختار کریستالی

کاربید تنگستن یک شبکه کریستالی منحصر به فرد را تشکیل می دهد. در ترکیب (WC)، اتم‌های کربن در فضای بین اتم‌های تنگستن بسیار بزرگ‌تر قرار می‌گیرند. ساختار حاصل بسیار قوی است پیوندهای کووالانسی بین تنگستن و کربن، همراه با قوی پیوندهای فلزی بین خود اتم های تنگستن

این ترکیب همان چیزی است که خواص معروف را ایجاد می کند:

• سختی شدید: قوی، جهت دار پیوندهای کووالانسی در برابر تغییر شکل و خراش مقاومت کنید. به طور معمول نمره می دهد 9 تا 9.5 در مقیاس Mohs ، پس از الماس دوم (10).
• استحکام و استحکام بالا: فلزی کبالت binder که ذرات WC را کنار هم نگه می دارد، موارد لازم را فراهم می کند سختی - مقاومت در برابر شکستن یا خرد شدن در اثر ضربه - که پودر کاربید تنگستن خالص و شکننده فاقد آن است.

ذرات ریز کاربید تنگستن در سراسر ماتریس کبالت پراکنده می شوند و ایجاد یک کامپوزیت زمینه فلزی که بسیار برتر از هر ماده واحدی برای کاربردهای سنگین است.

کاربید تنگستن در دنیای مدرن: تحول صنعتی

پذیرش گسترده کاربید سیمانی منجر به یک انقلاب صنعتی شد و بهره وری را در تقریباً هر صنعت سنگین افزایش داد.

کارایی در ماشینکاری

ابزارهای کاربید تنگستن می‌توانند لبه‌های تیز را در دماها حفظ کنند که باعث می‌شود ابزار فولادی سنتی به سرعت کدر شود (ویژگی به نام سختی گرم ).

• تاثیر: این به سازندگان اجازه می دهد تا سرعت برش و نرخ تغذیه را در ماشین های تراش و فرز افزایش دهند تا پنج برابر سریعتر نسبت به ابزارهای فولادی پرسرعت (HSS)، زمان و هزینه تولید را به شدت کاهش می دهد.

تسلط در معدن

در بخش منابع، نوک کاربید تنگستن به معنای واقعی کلمه است از طریق جویدن سخت ترین مواد سیاره

• حفاری سنگ: بیت های مورد استفاده برای اکتشاف نفت و گاز و همچنین شکستن سنگ ها با درج های WC پوشانده شده اند. این بیت ها می توانند دوام بیاورند 10 برابر بیشتر نسبت به ابزارهای فولادی، زمان توقف پرهزینه برای تعمیر و نگهداری را کاهش می دهد.
• ساخت و ساز: ماشین‌های حفاری تونل (TBM) به دیسک‌های کاربید تنگستن برای سنگ زنی در میان کوه‌ها و ایجاد تونل‌ها یا زیرساخت‌های جدید مترو متکی هستند.

سخت ترین رقابت: WC در مقابل تیتانیوم

کاربید تنگستن و تیتانیوم در حالی که اغلب اشتباه گرفته می شوند، به دلیل ویژگی های اصلی خود اهداف بسیار متفاوتی دارند.

به طور خلاصه، اگر به یک ماده سبک وزن و مقاوم در برابر ضربه نیاز دارید (مانند بال هواپیما یا ایمپلنت بدن)، شما انتخاب می کنید تیتانیوم . اگر برای بریدن یا آسیاب کردن چیزی به سخت ترین و مقاوم ترین ماده در برابر سایش نیاز دارید، انتخاب می کنید کاربید تنگستن .