آیا کاربید تنگستن به راحتی خرد می شود؟

منوی محتوا

● کاربید تنگستن چیست؟

>> خواص شیمیایی

>> خصوصیات فیزیکی

>> سختی و ترکیب

● ضریب شکست

>> عدم انعطاف پذیری

>> استحکام پر فشار

>> مقایسه کاربید تنگستن با سایر مواد

● عوامل مؤثر بر حساسیت کاربید تنگستن به خرد شدن

>> ترکیب و اندازه دانه

>> وجود اتصال دهنده ها

>> فرآیند تولیدی

>> شرایط زیست محیطی

>> استرسهای خاص کاربرد

● مزایای کاربید تنگستن

>> مقاومت در برابر پوشیدن

>> عملکرد درجه حرارت بالا

>> حفظ لبه

● برنامه های کاربید تنگستن

>> ابزارهای برش

>> قطعات بپوشید

>> جواهرات

● استراتژی های کاهش برای جلوگیری از خرد شدن

>> انتخاب مواد

>> بهینه سازی طراحی

>> کنترل فرآیند تولید

>> پوشش های محافظ

>> بازرسی و نگهداری منظم

● پایان

● پرسش

>> 1. چه چیزی کاربید تنگستن را اینقدر سخت می کند؟

>> 2. آیا کاربید تنگستن همیشه شکننده است؟

>> 3. چگونه دما بر کاربید تنگستن تأثیر می گذارد؟

>> در صورت ترک خوردن ، آیا کاربید تنگستن می تواند تعمیر شود؟

>> 5. گزینه های دیگر برای کاربید تنگستن چیست؟

● استنادها:

Tungsten Carbide ترکیبی است که به دلیل سختی استثنایی ، مقاومت در برابر سایش و خواص حرارتی آن جشن گرفته می شود و آن را برای کاربردهای مختلف صنعتی ضروری می کند [4]. این با ترکیب اتم های تنگستن و کربن در قسمت های مساوی تشکیل می شود [2] [5] [6]. در حالی که سختی آن یک مزیت مهم است ، این سوال که آیا شات های کاربید تنگستن به راحتی برای مهندسان ، تولید کنندگان و مصرف کنندگان به طور یکسان بسیار مهم است [3] [7].

کاربید تنگستن چیست؟

کاربید تنگستن (WC) یک ترکیب شیمیایی معدنی متشکل از قسمت های مساوی اتم های تنگستن و کربن است [5]. غالباً به عنوان مونوكاربید تنگستن گفته می شود ، آن را به عنوان مهمترین و كاربید بسیار مورد استفاده تنگستن نشان می دهد [5]. کاربید تنگستن به طور معمول به عنوان یک پودر سرامیکی فوق العاده خوب تولید می شود که سپس با یک چسب فلزی-کبالت ، کروم کبالت یا نیکل-جمع شده یا ذوب می شود تا سرامیک سخت را با انعطاف پذیری و مقاومت فراهم کند [4].

خواص شیمیایی

دو ترکیب به خوبی مشخص شده از تنگستن و کربن وجود دارد: کاربید تنگستن (WC) و نیمه باربید تنگستن (W2C) [2]. هر دو ترکیب ممکن است در روکش ها وجود داشته باشند ، با توجه به روش پوشش ، نسبت آنها متفاوت است [2]. در دماهای بالا ، WC به تنگستن و کربن تجزیه می شود ، پدیده ای که می تواند در طی فرآیندهای پاشش حرارتی با دمای بالا مانند سوخت اکسیژن با سرعت بالا (HVOF) و روشهای پلاسما پر انرژی (HEP) رخ دهد [2]. اکسیداسیون WC از 500-600 درجه سانتیگراد (773-873 K) آغاز می شود [2]. این مقاومت در برابر اسیدها را نشان می دهد ، که فقط توسط اسید هیدروفلوئوریک اسید/اسید نیتریک (HF/HNO3) بالاتر از دمای اتاق مورد حمله قرار می گیرد [2]. این ماده با گاز فلورین در دمای اتاق و کلر بالاتر از 400 درجه سانتیگراد (673 K) واکنش نشان می دهد و برای خشک کردن H2 تا نقطه ذوب آن غیر فعال است [2]. WC پودر ریز در محلول های آبی پراکسید هیدروژن به راحتی اکسیده می شود [2].

خصوصیات فیزیکی

کاربید تنگستن دارای نقطه ذوب بالای 2،870 درجه سانتیگراد (3،140 K) و یک نقطه جوش از 6000 درجه سانتیگراد (6،270 K) تحت فشار 1 جو استاندارد (101.325 کیلوپاسکال) است [2]. دارای هدایت حرارتی 110 W/m · K و ضریب انبساط حرارتی 5.5 میکرومتر در متر · K [2] است.

کاربید تنگستن به دلیل سختی شدیدش شناخته شده است و در مقیاس Mohs بین 9.0 تا 9.5 قرار دارد و تعداد ویکرز در حدود 2600 دارد [2]. مدول جوان آن تقریباً 530-700 GPA ، یک مدول فله از GPA 379-381 و یک مدول برشی 274 GPa است [2]. این قدرت کششی نهایی 344 مگاپاسکال ، قدرت فشرده سازی نهایی در حدود 2.7 GPa و نسبت پواسون از 0.31 است [2]. سرعت صدا از طریق میله نازک کاربید تنگستن 6220 متر بر ثانیه است [2].

سختی و ترکیب

کاربید تنگستن (WC) از اتم های تنگستن و کربن که در یک ساختار کریستالی شش ضلعی قرار گرفته اند تشکیل شده است [4]. شایع ترین شکل مورد استفاده در کاربردهای صنعتی حاوی تقریباً 94 ٪ تنگستن و 6 ٪ کربن با وزن است [4]. این ترکیب را می توان با افزودن مواد اتصال دهنده ، به طور معمول کبالت یا نیکل ، اصلاح کرد تا خصوصیات خاصی را تقویت کند [4]. CERMET حاصل (کامپوزیت فلزی سرامیکی) سختی بالای کاربید تنگستن سرامیکی را با سختی اتصال دهنده های فلزی ترکیب می کند [4].

ضریب شکست

شکستگی حلقه های کاربید تنگستن از خصوصیات فیزیکی ذاتی ماده ناشی می شود [1]. در حالی که کاربید تنگستن به دلیل سختی و مقاومت شدید در برابر خراش شناخته شده است ، این استحکام باعث می شود که در شرایط خاص مستعد شکستن باشد [1] [3]. بر خلاف فلزات نرم تر که می توانند تحت فشار خم شوند و تغییر شکل دهند ، ساختار کاربید تنگستن نمی تواند از طریق خم شدن تأثیر را جذب کند [1] [3]. درعوض ، هنگامی که در معرض ضربه شدید یا فشار شدید قرار می گیرند ، می توان ترک یا خرد شدن را ترک کرد [1].

عدم انعطاف پذیری

حلقه های کاربید تنگستن قابل انعطاف نیست ، به این معنی که بدون آسیب به راحتی نمی توان خم یا تغییر شکل یافت [3]. فلزات گرانبها کاملاً قابل انعطاف پذیر هستند ، اما حتی حلقه های تنگستن با کیفیت بالا نیستند [3]. این عدم انعطاف پذیری به این معنی است که آنها بیشتر مستعد خرد شدن هستند [3]. توانایی خم شدن از فلزات خاص در برابر خرد شدن محافظت می کند ، بنابراین از آنجا که حلقه های کاربید تنگستن نمی توانند این کار را انجام دهند ، احتمالاً خرد می شوند [3].

استحکام پر فشار

قدرت فشاری به توانایی مقاومت در برابر خرد شدن اشاره دارد [3]. فلزات شکننده اغلب در برابر فشرده سازی مقاومت می کنند [3]. از آنجا که حلقه های کاربید تنگستن در برابر فشرده سازی مقاومت می کنند ، آنها شکننده هستند [3].

مقایسه کاربید تنگستن با سایر مواد

استیل	تنگستن	فولاد
مدول	550 GPA	200 پوند GPA
سختی (Mohs)	9 پوند	6-6.5
چگالی (g/cm⊃3 ؛)	15.6 پوند	7.8 پوند
نقطه ذوب (درجه سانتیگراد)	2،870	1،375 پوند

عوامل مؤثر بر حساسیت کاربید تنگستن به خرد شدن

چندین عامل تعیین می کنند که چگونه کاربید تنگستن می تواند خرد شود:

ترکیب و اندازه دانه

ترکیب کاربید تنگستن ، به ویژه درصد کربن و وجود مواد اتصال دهنده مانند کبالت یا نیکل ، نقش مهمی ایفا می کند [4] [5]. اندازه دانه های ظریف تر و توزیع یکنواخت فاز کاربید باعث افزایش مقاومت می کند ، در حالی که محتوای اتصال دهنده بالاتر می تواند انعطاف پذیری را بهبود بخشد اما ممکن است سختی را کاهش دهد [4] [5].

وجود اتصال دهنده ها

در حالی که کاربید تنگستن خالص از سختی بسیار خوبی برخوردار است ، اما به ویژه تحت تأثیر قرار می گیرد ، به ویژه تحت تأثیر ، شکننده و مستعد خرد شدن است. برای بهبود سختی و دوام آن ، پودرهای کاربید تنگستن قبل از اینکه در قسمتهای جامد سینتر شوند ، با اتصال دهنده های فلزی مخلوط می شوند [5].

1.cobalt (CO)

کبالت پرکاربردترین اتصال دهنده برای کاربید تنگستن است [5]. کاربید تنگستن پیوند شده با کبالت ، که اغلب از آن به عنوان کاربید یاد می شود ، استاندارد صنعت برای برش ابزار و پوشیدن قطعات است [5]. میزان کبالت به طور معمول از 3 ٪ تا 30 ٪ وزن متغیر است ، با نسبت کبالت بالاتر ، باعث افزایش چقرمانه با هزینه برخی از سختی و مقاومت در برابر سایش می شود [5]. کبالت دارای خواص خیس و چسبندگی بسیار خوبی با کاربید تنگستن است و امکان تولید قطعات بسیار متراکم و بدون اعتبار را فراهم می کند [5].

2.Nickel (NI)

نیکل می تواند به عنوان یک اتصال دهنده جایگزین برای کبالت در کامپوزیت های کاربید تنگستن باشد [5]. در مقایسه با کبالت ، اتصال دهنده های نیکل منجر به مقاومت در برابر خوردگی بهتر و بهبود پایداری شیمیایی ، به ویژه در برابر محیط های اسیدی می شوند [5]. با این حال ، کاربیدهای پیوند شده نیکل دارای سختی کمتری و مقاومت در برابر سایش هستند [5]. نیکل گاهی اوقات در رابطه با کبالت مورد استفاده قرار می گیرد تا خواص کامپوزیت کاربید تنگستن را تنظیم کند [5].

3. سایر اتصال دهنده ها

فلزات دیگر ، مانند کروم و آهن ، کمتر به عنوان اتصال دهنده های تنها مورد استفاده قرار می گیرند اما می توانند با کبالت یا نیکل ترکیب شوند تا خواص خاص را منتقل کنند [5]:

- کروم باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون کامپوزیت کاربید تنگستن می شود. این ماده اغلب در ترکیب با اتصال دهنده های نیکل استفاده می شود [5].

- آهن می تواند به عنوان یک جایگزین اقتصادی یا علاوه بر اتصال دهنده های کبالت عمل کند. کاربید فرونگ-تونگستن سختی کمتری دارد اما در مقایسه با نمرات پیوندی کبالت ، سختی بیشتری دارد [5].

فرآیند تولیدی

روش مورد استفاده برای تولید قطعات کاربید تنگستن به طور قابل توجهی بر مقاومت آنها در برابر خرد شدن تأثیر می گذارد [4]. فرآیندهای مانند پخت ، فشار داغ و پاشش حرارتی می توانند نقص یا فشارهای باقیمانده ای را ایجاد کنند که یکپارچگی مواد را به خطر می اندازد [7]. کنترل مناسب دما ، فشار و جو در هنگام تولید برای به حداقل رساندن این مسائل ضروری است [7].

شرایط زیست محیطی

درجه حرارت شدید ، مواد خورنده و محیط های با تأثیر بالا همه می توانند در عدم موفقیت اجزای کاربید تنگستن نقش داشته باشند [2] [7]. درجه حرارت بالا می تواند سختی و استحکام مواد را کاهش دهد ، در حالی که مواد خورنده می توانند مرحله اتصال را کاهش دهند و منجر به ترک خوردگی و خرد شدن نهایی شوند [2].

استرسهای خاص کاربرد

نوع و بزرگی استرس اعمال شده در کاربید تنگستن در کاربرد در نظر گرفته شده آن عوامل مهمی است [7]. تنش های فشاری به طور کلی به خوبی تحمل می شوند ، اما تنش های کششی و برشی می توانند ترک ها را به ویژه در اجزای دارای گوشه های تیز یا سایر کنسانتره های استرس آغاز کنند [3].

مزایای کاربید تنگستن

علی رغم حساسیت به خرد شدن در شرایط خاص ، کاربید تنگستن مزایای بی شماری را ارائه می دهد [4]:

مقاومت در برابر پوشیدن

مقاومت زیاد کاربید تنگستن در برابر سایش و خوردگی یکی از ویژگی های برجسته آن است [4] [7]. این می تواند در معرض طولانی مدت در معرض محیط های ساینده بدون تخریب قابل توجه باشد ، و آن را برای صنایعی که در آن تجهیزات در معرض اصطکاک مداوم و تماس با مواد خورنده هستند ، ایده آل می کند [7]. اگرچه در ابتدا گران تر است ، کاربید تنگستن به دلیل دوام و کاهش نیاز به نگهداری ، در طول زمان صرفه جویی می کند [7]. طول عمر گسترده ابزارها و مؤلفه ها به صرفه جویی در هزینه و افزایش راندمان عملیاتی ترجمه می شود [7].

عملکرد درجه حرارت بالا

کاربید تنگستن حتی در دماهای بسیار بالا می تواند عملکرد خوبی داشته باشد و سختی و قدرت آن را حفظ کند [7]. این نقطه ذوب بیش از 2،870 درجه سانتیگراد (5،200 درجه فارنهایت) است و به آن اجازه می دهد تمامیت ساختاری خود را در دماهای بالا حفظ کند [2] [6] [7]. این امر برای برنامه هایی مانند برش و حفاری بسیار مهم است ، جایی که ابزارها به دلیل اصطکاک اغلب با گرمای زیاد روبرو می شوند [7]. ثبات حرارتی تنگستن کاربید عملکرد مداوم را تضمین می کند و خطر خرابی ابزار را در حین انجام کارهای خواستار کاهش می دهد [7].

حفظ لبه

ابزارهای کاربید تنگستن طولانی تر باقی مانده و منجر به برش های تمیزتر و عملیات کارآمدتر می شود [7]. هنگامی که به عنوان یک ماده پوشش استفاده می شود ، کاربید تنگستن استحکام پیوند بالایی و استرس باقیمانده کم را ارائه می دهد ، به ویژه هنگامی که با استفاده از فرآیند اسپری حرارتی سوخت با سرعت بالا (HVOF) استفاده می شود [7]. این فرایند منجر به پوشش های متراکم و منسجم با حداقل تخلخل می شود و باعث افزایش مقاومت کلی سایش و دوام اجزای روکش شده می شود [7]. این خصوصیات ، پوشش های کاربید تنگستن را برای برنامه های کاربردی که نیاز به محافظت از سطح قوی و قابل اعتماد دارند ، ایده آل می کند [7].

برنامه های کاربید تنگستن

کاربید تنگستن به دلیل خاصیت منحصر به فرد در صنایع مختلف استفاده می شود [4]

ابزارهای برش

کاربید تنگستن به طور گسترده در برش ابزارهای ماشینکاری ، حفاری و فرز استفاده می شود [5] [7]. سختی و مقاومت در برابر سایش اطمینان حاصل می کند که این ابزارها حتی با سرعت و درجه حرارت بالا ، لبه تیز را حفظ می کنند [7].

قطعات بپوشید

اجزای ساخته شده از کاربید تنگستن در برنامه هایی استفاده می شوند که مقاومت در برابر سایش و فرسایش بسیار مهم است [4]. مثالها شامل نازل ، یاتاقان و اجزای پمپ است که در صنایع نفت و گاز ، معدن و شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد [4].

جواهرات

کاربید تنگستن به دلیل مقاومت در برابر خراش و دوام آن به یک ماده محبوب برای حلقه ها و سایر جواهرات تبدیل شده است [1] [3]. در حالی که می تواند تحت تأثیر قابل توجهی خرد شود ، سختی آن تضمین می کند که در زیر سایش طبیعی عاری از خراش ها باقی می ماند [1].

استراتژی های کاهش برای جلوگیری از خرد شدن

برای جلوگیری از خرد شدن اجزای کاربید تنگستن ، می توان از چندین استراتژی استفاده کرد:

انتخاب مواد

انتخاب درجه مناسب کاربید تنگستن برای یک کاربرد خاص بسیار مهم است [4] [5]. عواملی که مورد توجه قرار می گیرد شامل محتوای چسب ، اندازه دانه و وجود سایر عناصر آلیاژ است [4].

بهینه سازی طراحی

طراحی اجزای دارای گوشه های گرد و انتقال صاف می تواند غلظت استرس را کاهش داده و خطر ابتلا به ترک را به حداقل می رساند [3]. اجتناب از لبه های تیز و تغییرات ناگهانی در هندسه ضروری است [3].

کنترل فرآیند تولید

اجرای کنترل های دقیق در طی فرآیند تولید می تواند نقص و تنش های باقیمانده را به حداقل برساند [4]. این شامل نظارت دقیق بر دما ، فشار و جو در هنگام پخت و پز و سایر مراحل ساختگی است [7].

پوشش های محافظ

استفاده از روکش های محافظ ، مانند کربن مانند الماس (DLC) یا روکش های سرامیکی ، می تواند سختی سطح و مقاومت سایش اجزای کاربید تنگستن را تقویت کند و یک لایه اضافی از محافظت در برابر خرد کردن فراهم کند [4] [7].

بازرسی و نگهداری منظم

به طور منظم بازرسی از اجزای کاربید تنگستن برای علائم سایش ، ترک یا سایر آسیب ها می تواند به شناسایی مشکلات احتمالی قبل از ایجاد خرابی فاجعه بار کمک کند. اجرای یک برنامه تعمیر و نگهداری فعال می تواند طول عمر این مؤلفه ها را گسترش داده و از خرابی غیر منتظره جلوگیری کند [7].

پایان

در پایان ، در حالی که کاربید تنگستن فوق العاده سخت و مقاوم در برابر سایش است ، اما در شرایط خاص نیز مستعد خرد شدن است [1] [3]. عدم انعطاف پذیری آن و مقاومت فشاری بالا به این معنی است که ضربات شدید یا فشار شدید می تواند باعث شکسته شدن یا خرد شدن آن شود [1] [3]. عواملی مانند ترکیب ، فرآیند تولید ، شرایط محیطی و استرس های خاص کاربرد همه در تعیین قابلیت شکستگی آن نقش دارند [4] [7].

با وجود این محدودیت ، مزایای کاربید تنگستن ، از جمله مقاومت در برابر سایش آن ، عملکرد درجه حرارت بالا و احتباس لبه ، آن را در بسیاری از صنایع ضروری می کند [7]. با درک عواملی که در خرد کردن و اجرای استراتژی های کاهش مناسب نقش دارند ، مهندسان و تولید کنندگان می توانند طول عمر و قابلیت اطمینان اجزای کاربید تنگستن را به حداکثر برسانند [4]. بازرسی منظم ، انتخاب دقیق مواد ، بهینه سازی طراحی و فرآیندهای تولید کنترل شده همه برای جلوگیری از خرابی و اطمینان از عملکرد بهینه ضروری هستند [7].

پرسش

1. چه چیزی کاربید تنگستن را اینقدر سخت می کند؟

سختی کاربید تنگستن از پیوندهای کووالانسی قوی بین اتم های تنگستن و کربن در ساختار کریستال شش ضلعی آن ناشی می شود [4] [5]. این ساختار مقاومت استثنایی در برابر تغییر شکل و سایش فراهم می کند [4].

2. آیا کاربید تنگستن همیشه شکننده است؟

در حالی که کاربید تنگستن ذاتاً شکننده است ، با اضافه کردن اتصال دهنده های فلزی مانند کبالت یا نیکل ، چقرمگی آن را می توان بهبود بخشید. محتوای چسب و اندازه دانه بر شتم کلی مواد تأثیر می گذارد [5].

3. چگونه دما بر کاربید تنگستن تأثیر می گذارد؟

کاربید تنگستن سختی و استحکام خود را در دماهای بالا حفظ می کند ، با نقطه ذوب 2،870 درجه سانتیگراد (5،200 درجه فارنهایت) [2] [6] [7]. با این حال ، دمای شدید می تواند استحکام کلی آن را کاهش داده و حساسیت آن به اکسیداسیون را افزایش دهد [2].

در صورت ترک خوردن ، آیا کاربید تنگستن می تواند تعمیر شود؟

ترمیم کاربید تنگستن ترک خورده به دلیل سختی و شستشوی آن چالش برانگیز است [3]. در بعضی موارد تکنیک های تخصصی مانند Brazing یا Bindive Binding می تواند مورد استفاده قرار گیرد ، اما ممکن است مؤلفه ترمیم شده همان استحکام و دوام مشابه را نداشته باشد [3].

5. گزینه های دیگر برای کاربید تنگستن چیست؟

گزینه های دیگر برای کاربید تنگستن شامل فولاد پر سرعت ، سرامیک و روکش های الماس است [5]. انتخاب مواد به نیازهای خاص کاربردی از جمله سختی ، مقاومت در برابر سایش و هزینه بستگی دارد [5].

استنادها:

[1] https://redwoodrings.com/blogs/redwood-rings-blog/tungsten-ring-break

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide

[3] https://www.iconicjewelry.com/tungsten-rings-does-tungsten-shatter/

[4] https://www.linde-amt.com/resource-library/articles/tungsten-carbide

[5] https://cowseal.com/tungsten-vs-tungsten-carbide/

[6] https://www.vedantu.com/chemistry/tungsten-carbide

[7] https://shop.machinemfg.com/the-pros-and-cons-of-tungsten-carbide-a-comprehent-guide/

[8] http://www.tungsten-carbide.com.cn