Век твердости: история карбида вольфрама

От лампочек до перфораторов: открытие

История карбида вольфрама (WC) связана с промышленной необходимостью, которая привела к прорыву в материаловедении.

Элемент Вольфрам

Путешествие начинается в 18 веке с открытия элемента. Вольфрам (Ж) . Известен своей невероятной плотностью и высшая точка плавления всех металлов (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for нити накаливания в лампочках накаливания в начале 1900-х годов. Для изготовления тонких проволок из этого невероятно прочного металла требовались штампы, которые были почти такими же твердыми, как алмаз.

Рождение цементированного карбида

Решающий прорыв произошел в Германия в 1920-е годы . Инженеры компании по производству электрических лампочек Osram отчаянно искали более дешевую и прочную альтернативу дорогим алмазным матрицам, используемым для волочения вольфрамовой проволоки. Эта необходимость привела к изобретению цементированный карбид (или хард-метал) Карла Шрётера.

• Идея: Объедините чрезвычайную твердость порошка карбида вольфрама (WC) с пластичным металлическим «клеем» — кобальт .
• Результат: Первый современный твердый металл: композитный материал, устойчивый к царапинам, как керамика, но обладающий прочностью и ударопрочностью металла. Этот революционный материал быстро заменил алмаз в волочильных штампах и вскоре распространился на более широкий мир резки и сверления.

Наука силы: почему туалет так сложен

Что придает карбиду вольфрама алмазоподобную твердость? Ответ кроется в связи на атомном уровне между атомами вольфрама и углерода.

Кристаллическая структура

Карбид вольфрама образует уникальную кристаллическую решетку. В соединении (WC) атомы углерода занимают промежутки между гораздо более крупными атомами вольфрама. Полученная структура отличается чрезвычайно прочной ковалентные связи между вольфрамом и углеродом в сочетании с сильным металлические облигации между самими атомами вольфрама.

Именно эта комбинация создает знаменитые свойства:

• Экстремальная твердость: Сильный, направленный ковалентные связи противостоять деформации и царапинам. Обычно он набирает очки От 9 до 9,5 по шкале Мооса. , уступая только алмазу (10).
• Высокая прочность и ударная вязкость: Металлический кобальт binder который удерживает частицы WC вместе, обеспечивает необходимую прочность - устойчивость к разрушению или разрушению при ударе, которой не хватает чистому хрупкому порошку карбида вольфрама.

Мелкие частицы карбида вольфрама рассеяны по матрице кобальта, создавая композит с металлической матрицей это намного превосходит любой отдельный материал для тяжелых условий эксплуатации.

Карбид вольфрама в современном мире: промышленная трансформация

Широкое распространение цементированного карбида привело к промышленной революции, повысив производительность практически во всех отраслях тяжелой промышленности.

Эффективность обработки

Инструменты из карбида вольфрама могут сохранять острую кромку при температурах, которые могут привести к быстрому затуплению традиционного стального инструмента (свойство, называемое горячая твердость ).

• Влияние: Это позволяет производителям увеличивать скорости резания и подачи на токарных и фрезерных станках. до пяти раз быстрее чем с инструментами из быстрорежущей стали (HSS), что значительно сокращает время и затраты производства.

Доминирование в горном деле

В ресурсном секторе наконечники из карбида вольфрама буквально пережевывание самые прочные материалы на планете.

• Рок Бурение: Коронки, используемые при разведке нефти и газа, а также при разрушении горных пород, снабжены вставками WC. Эти биты могут длиться в 10 раз дольше чем стальные инструменты, что сокращает дорогостоящие простои на техническое обслуживание.
• Строительство: Туннелепроходческие машины (ТБМ) используют диски с твердосплавными напайками для проходки через горы и прокладки новых туннелей метро или инфраструктуры.

Самая жесткая конкуренция: WC против Титана

Хотя карбид вольфрама и титан часто путают, они служат совершенно разным целям из-за своих основных свойств.

Короче говоря, если вам нужен легкий, ударопрочный материал (например, для крыла самолета или имплантата тела), вы выбираете Титан . Если вам нужен самый твердый и устойчивый к истиранию материал, чтобы что-то разрезать или отшлифовать, вы выбираете Карбид вольфрама .