Secolul durității: o istorie a carburii de tungsten

De la becuri la foraje de piatră: Descoperirea

Povestea carburii de tungsten (WC) este una dintre nevoile industriale care conduc la o descoperire în știința materialelor.

Elementul Tungsten

Călătoria începe în secolul al XVIII-lea odată cu descoperirea elementului Tungsten (W) . Cunoscut pentru densitatea sa incredibilă și pentru cel mai înalt punct de topire dintre toate metalele (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for filamente în becurile incandescente la începutul anilor 1900. Procesul de a trage acest metal incredibil de dur în fire fine a necesitat matrițe care erau aproape la fel de dure ca diamantul.

Nașterea carburii cimentate

Descoperirea crucială a avut loc în Germania în anii 1920 . Inginerii companiei de becuri electrice Osram căutau cu disperare o alternativă mai ieftină și mai dura la matrițele de diamant scumpe folosite pentru a trage sârma de tungsten. Această nevoie a condus la inventarea carbură cimentată (sau metal dur) de Karl Schröter.

• Ideea: Combinați duritatea extremă a pulberii de carbură de tungsten (WC) cu un „clei” metalic, ductil— cobalt .
• Rezultatul: Primul metal dur modern: un material compozit cu rezistența la zgârieturi a ceramicii, dar duritatea și rezistența la impact ale metalului. Acest material revoluționar a înlocuit rapid diamantul în matrițele de desen și s-a răspândit curând în lumea mai largă a tăierii și găuririi.

Știința forței: de ce WC este atât de greu

Ce dă carburii de tungsten duritatea ei asemănătoare diamantului? Răspunsul constă în legătura la nivel atomic dintre atomii de tungsten și carbon.

Structura de cristal

Carbura de tungsten formează o rețea cristalină unică. În compus (WC), atomii de carbon se potrivesc în spațiile dintre atomii mult mai mari de tungsten. Structura rezultată este extrem de puternică legături covalente între wolfram și carbon, combinat cu puternic legături metalice între atomii de wolfram înșiși.

Această combinație este ceea ce creează proprietățile celebre:

• Duritate extremă: Cea puternică, direcțională legături covalente rezista la deformare si zgarieturi. De obicei, marchează 9 la 9,5 pe scara Mohs , al doilea după diamant (10).
• Rezistență și tenacitate ridicate: Cel metalic liant de cobalt care ține particulele WC împreună oferă necesarul duritate — o rezistență la rupere sau spargere la impact — de care ar lipsi pulberea pură și fragilă de carbură de tungsten.

Particulele fine de carbură de tungsten sunt dispersate în întreaga matrice de cobalt, creând a compozit cu matrice metalică care este cu mult superior oricărui material individual pentru aplicații grele.

Carbura de tungsten în lumea modernă: transformarea industrială

Adoptarea pe scară largă a carburii cimentate a condus la o revoluție industrială, sporind productivitatea în aproape fiecare industrie grea.

Eficiență în prelucrare

Uneltele din carbură de tungsten pot menține o muchie ascuțită la temperaturi care ar determina ca o unealtă tradițională din oțel să se tocească rapid (o proprietate numită duritate la cald ).

• Impact: Acest lucru permite producătorilor să mărească vitezele de tăiere și vitezele de avans la strunguri și mașini de frezat de până la cinci ori mai rapid decât cu sculele din oțel de mare viteză (HSS), reducând drastic timpul și costurile de producție.

Dominație în minerit

În sectorul resurselor, vârfurile de carbură de tungsten sunt la propriu mestecând prin cele mai dure materiale ale planetei.

• Forarea rocii: Bitele folosite pentru explorarea petrolului și gazelor, precum și pentru spargerea rocii, sunt împânzite cu inserții WC. Aceste bucăți pot dura de 10 ori mai mult decât uneltele din oțel, reducând timpul de nefuncționare costisitor pentru întreținere.
• Constructie: Mașinile de forat tuneluri (TBM) se bazează pe discuri cu vârf de carbură de tungsten pentru a măcina prin munți și pentru a construi noi tuneluri sau infrastructură de metrou.

Cea mai dură competiție: WC vs titan

Deși sunt adesea confundate, carbura de tungsten și titanul servesc unor scopuri foarte diferite datorită proprietăților lor de bază.

Pe scurt, dacă aveți nevoie de un material ușor, rezistent la impact (cum ar fi pentru o aripă de avion sau un implant corporal), alegeți Titanium . Dacă aveți nevoie de cel mai dur și mai rezistent material la abraziune pentru a tăia sau a șlefui ceva, alegeți Carbură de wolfram .