The Century of Hardness: A History of Tungsten Carbide

Fra lyspærer til klippeøvelser: Opdagelsen

Historien om wolframcarbid (WC) er en industriel nødvendighed, der driver et gennembrud inden for materialevidenskab.

Elementet Tungsten

Rejsen begynder i det 18. århundrede med opdagelsen af grundstoffet Wolfram (W) . Kendt for sin utrolige tæthed og højeste smeltepunkt af alle metaller (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for filamenter i glødepærer i begyndelsen af 1900-tallet. Processen med at trække dette utroligt hårde metal ind i fine tråde krævede matricer, der var næsten lige så hårde som diamant.

Fødslen af cementeret hårdmetal

Det afgørende gennembrud skete i Tyskland i 1920'erne . Ingeniører hos elpærefirmaet Osram ledte desperat efter et billigere, hårdere alternativ til de dyre diamantforme, der blev brugt til at tegne wolframtråd. Dette behov førte til opfindelsen af cementeret hårdmetal (eller hårdmetal) af Karl Schröter.

• Idéen: Kombiner den ekstreme hårdhed af wolframcarbid (WC) pulver med en sej, metallisk "lim"— kobolt .
• Resultatet: Det første moderne hårdmetal: et kompositmateriale med keramiks ridsefasthed, men metals sejhed og slagfasthed. Dette revolutionerende materiale erstattede hurtigt diamant i tegnematricer og spredte sig hurtigt til den bredere verden af ​​skæring og boring.

Videnskaben om styrke: Hvorfor WC er så svært

Hvad giver wolframcarbid dens diamantlignende hårdhed? Svaret ligger i bindingen på atomniveau mellem wolfram- og kulstofatomer.

Krystalstrukturen

Wolframcarbid danner et unikt krystalgitter. I forbindelsen (WC) passer carbonatomerne ind i mellemrummene mellem de meget større wolframatomer. Den resulterende struktur er ekstremt stærk kovalente bindinger mellem wolfram og kulstof, kombineret med stærk metalliske bindinger mellem wolframatomerne selv.

Denne kombination er det, der skaber de berømte egenskaber:

• Ekstrem hårdhed: Den stærke, retningsgivende kovalente bindinger modstå deformation og ridser. Den scorer typisk 9 til 9,5 på Mohs-skalaen , kun næst efter diamant (10).
• Høj styrke og sejhed: Det metalliske kobolt binder der holder WC-partiklerne sammen giver det nødvendige sejhed -en modstand mod brud eller splintring under stød - som rent, skørt wolframcarbidpulver ville mangle.

De fine partikler af wolframcarbid er spredt gennem koboltmatrixen, hvilket skaber en metal matrix komposit som er langt bedre end ethvert enkelt materiale til tunge opgaver.

Wolframcarbid i den moderne verden: industriel transformation

Den udbredte anvendelse af hårdmetal førte til en industriel revolution, der øgede produktiviteten i næsten enhver tung industri.

Effektivitet i bearbejdning

Wolframkarbidværktøj kan opretholde en skarp kant ved temperaturer, der ville få et traditionelt stålværktøj til hurtigt at sløve (en egenskab kaldet varm hårdhed ).

• Indvirkning: Dette giver producenterne mulighed for at øge skærehastigheder og tilspændingshastigheder på drejebænke og fræsemaskiner op til fem gange hurtigere end med højhastighedsstål (HSS) værktøjer, hvilket drastisk reducerer produktionstid og omkostninger.

Dominans i minedrift

I ressourcesektoren er wolframcarbidspidser bogstaveligt talt tygger igennem planetens hårdeste materialer.

• Stenboring: Bits, der bruges til olie- og gasefterforskning, samt stenbrydning, er besat med WC-indsatser. Disse stykker kan holde 10 gange længere end stålværktøj, hvilket reducerer kostbar nedetid til vedligeholdelse.
• Konstruktion: Tunnelboremaskiner (TBM'er) er afhængige af skiver med tungstencarbid til at slibe gennem bjerge og anlægge nye undergrundstunneler eller infrastruktur.

Den hårdeste konkurrence: VM vs. Titanium

Selvom de ofte forveksles, tjener wolframcarbid og titanium meget forskellige formål på grund af deres kerneegenskaber.

Kort sagt, hvis du har brug for et letvægts, slagfast materiale (som til en flyvinge eller et kropsimplantat), vælger du Titanium . Hvis du har brug for det hårdeste, mest slidstærke materiale til at skære eller slibe noget, vælger du Tungsten Carbide .