Izbornik sadržaja
● Što je volfram karbid?
>> Kemijska svojstva
>> Fizička svojstva
>> Tvrdoća i sastav
● Faktor prekida
>> Nedostatak slasnosti
>> Čvrstoća visoke kompresije
>> Uspoređujući volfram karbid s drugim materijalima
● Čimbenici koji utječu na osjetljivost volframovog karbida na razbijanje
>> Sastav i veličina zrna
>> Prisutnost veziva
>> Proizvodni postupak
>> Okolišni uvjeti
>> Naponi specifični za primjenu
● Prednosti volframskog karbida
>> Nositi otpor
>> Performanse visoke temperature
>> Zadržavanje ruba
● Primjene volfram karbida
>> Alati za rezanje
>> Nositi dijelove
>> Nakit
● Strategije ublažavanja za sprečavanje razbijanja
>> Odabir materijala
>> Optimizacija dizajna
>> Kontrola procesa proizvodnje
>> Zaštitni premazi
>> Redovni pregled i održavanje
● Zaključak
● FAQ
>> 1. Što čini volfram karbid tako jako?
>> 2. Je li volfram karbid uvijek krhki?
>> 3. Kako temperatura utječe na volfram karbid?
>> 4. Može li se volfram karbid popraviti ako pukne?
>> 5. Koje su alternative volfram karbidu?
● Navodi:
Volfram karbid je spoj koji se slavi zbog svoje izuzetne tvrdoće, otpornosti na habanje i toplinske svojstva, što ga čini ključnim za različite industrijske primjene [4]. Nastaje kombiniranjem atoma volfram i ugljika u jednakim dijelovima [2] [5] [6]. Iako je njegova tvrdoća značajna prednost, pitanje je li Volfram karbid se lako razbija je ključan za inženjere, proizvođače i potrošače [3] [7].
Što je volfram karbid?
Volfram karbid (WC) je anorganski kemijski spoj koji se sastoji od jednakih dijelova atoma volframa i ugljika [5]. Često se naziva volfram monokarbidom, ističe se kao najvažniji i opsežno korišteni karbid volframa [5]. Volfram karbid se obično proizvodi kao ultra-fini keramički prah koji se zatim aglomerira ili spoji s metalnim vezivima-kobaltom, kobaltnim kromom ili nikom-kako bi se tvrda keramika osigurala duktilnost i otpornost [4].
Kemijska svojstva
Postoje dva dobro karakterizirana spoja volframa i ugljika: volfram karbida (WC) i volfram semikarbida (W2C) [2]. Oba spoja mogu biti prisutna u premazima, s njihovim proporcijama koje variraju ovisno o metodi premaza [2]. Na visokim temperaturama, WC razgrađuje se u volfram i ugljik, fenomen koji se može dogoditi tijekom termičkog raspršivanja visoke temperature poput goriva s kisikom visoke brzine (HVOF) i visokoenergetskih metoda plazme (HEP) [2]. Oksidacija WC započinje na 500–600 ° C (773–873 K) [2]. Pokazuje otpornost na kiseline, a napadaju se samo mješavinama hidrofluorske kiseline/dušične kiseline (HF/HNO3) iznad sobne temperature [2]. Reagira s plinom fluora na sobnoj temperaturi i klorom iznad 400 ° C (673 K) i nije neupitan za sušenje H2 do svoje tališta [2]. WC sitno u prahu oksidira u vodenim otopinama vodikovog peroksida [2].
Fizička svojstva
Volfram karbid ima visoku točku taljenja od 2.870 ° C (3.140 k), a vrelište od 6.000 ° C (6.270 k) pod tlakom od 1 standardne atmosfere (101,325 kilograma) [2]. Ima toplinsku vodljivost od 110 w/m · k i koeficijent toplinske ekspanzije od 5,5 µm/m · k [2].
Volfram karbid poznat je po svojoj ekstremnoj tvrdoći, rangirajući se između 9,0 i 9,5 na MOHS ljestvici i ima Vickersov broj od oko 2600 [2]. Njegov Youngov modul je otprilike 530–700 GPA, skupni modul od 379–381 GPA i modul smicanja od 274 GPA [2]. Sadrži krajnju vlačnu čvrstoću od 344 MPa, krajnju čvrstoću kompresije od oko 2,7 GPA i Poissonov omjer od 0,31 [2]. Brzina zvuka kroz tanku šipku volfram -karbida je 6220 m/s [2].
Tvrdoća i sastav
Volfram karbid (WC) sastoji se od atoma volframa i ugljika raspoređenih u šesterokutnoj kristalnoj strukturi [4]. Najčešći oblik koji se koristi u industrijskim primjenama sadrži oko 94% volframa i 6% ugljika po težini [4]. Ovaj se sastav može izmijeniti dodavanjem materijala za vezanje, tipično kobalta ili nikla, kako bi se poboljšala određena svojstva [4]. Rezultirajući Cermet (keramički-metalni kompozit) kombinira visoku tvrdoću keramičkog volframovog karbida s žilavošću metalnih veziva [4].
Faktor prekida
Proboja prstenova volfram -karbida proizlazi iz unutarnjih fizičkih svojstava materijala [1]. Iako je volfram -karbid poznat po svojoj ekstremnoj tvrdoći i otpornosti na grebanje, ova krutost čini ga osjetljivijim na probijanje u određenim uvjetima [1] [3]. Za razliku od mekših metala koji se mogu saviti i deformirati pod tlakom, struktura volframa karbida ne može apsorbirati utjecaj savijanjem [1] [3]. Umjesto toga, kada je podvrgnut oštrom udarcu ili ekstremnom tlaku, može se puknuti ili razbiti [1].
Nedostatak slasnosti
Prstenovi od volfram karbida nisu podložni, što znači da ih se ne može lako saviti ili preoblikovati bez oštećenja [3]. Dragocjeni metali su prilično podložni, ali čak i visokokvalitetni volfram-prstenovi nisu [3]. Ovaj nedostatak propusnosti znači da su skloniji razbijanju [3]. Sposobnost savijanja štiti određene metale od razbijanja, tako da, budući da prstenovi volfram karbida to ne mogu učiniti, vjerojatnije je da će se razbiti [3].
Čvrstoća visoke kompresije
Kompresivna čvrstoća odnosi se na sposobnost izdržavanja drobljenja [3]. Kruhni metali često se odupiru kompresiji [3]. Budući da prstenovi volfram karbida odupiru se kompresiji, oni su krhki [3].
Uspoređivanje volfram -karbida s ostalim materijalima
| svojstvo |
volfram -karbid |
čelik |
| Youngov modul |
550 GPA |
~ 200 GPA |
| Tvrdoća (MOHS) |
~ 9 |
~ 6-6.5 |
| Gustoća (g/cm³) |
~ 15,6 |
~ 7.8 |
| Točka topljenja (° C) |
2.870 |
~ 1.375 |
Čimbenici koji utječu na osjetljivost volframovog karbida na razbijanje
Nekoliko čimbenika određuje kako lako volfram karbid može razbiti:
Sastav i veličina zrna
Sastav volframovog karbida, posebno postotak ugljika i prisutnost vezivnih materijala poput kobalta ili nikla, igra ključnu ulogu [4] [5]. Fine veličine zrna i ujednačena raspodjela karbidne faze povećavaju žilavost, dok veći sadržaj veziva može poboljšati duktilnost, ali može smanjiti tvrdoću [4] [5].
Prisutnost veziva
Iako čisti volfram -karbid ima izvrsnu tvrdoću, krhki je i sklon razbijanju, posebno pod utjecajem [5]. Da bi se poboljšala njegova žilavost i izdržljivost, puderi volfram -karbida pomiješani su s metalnim vezivima prije nego što se sinteriraju u čvrste dijelove [5].
1.Cobalt (CO)
Kobalt je najčešće korišteno vezivo za volfram karbid [5]. Volfram karbid s kobaltom, koji se često naziva i karbid, industrijski je standard za rezanje alata i dijelove nošenja [5]. Sadržaj kobalta obično se kreće od 3% do 30% po težini, s većim omjerima kobalta koji pružaju povećanu žilavost na štetu neke tvrdoće i otpornosti na habanje [5]. Kobalt ima izvrsna svojstva vlaženja i adhezije s volfram-karbidom, što omogućava proizvodnju vrlo gustih, bez praznina sinteriranih dijelova [5].
2.nickel (ni)
Nikal može poslužiti kao alternativno vezivo za kobalt u kompozitima volfram -karbida [5]. U usporedbi s kobaltom, veziva nikla rezultiraju boljom otpornošću na koroziju i poboljšanom kemijskom stabilnošću, posebno u odnosu na kiselo okruženje [5]. Međutim, karbidi vezani za niknu imaju nižu ocjenu tvrdoće i otpornosti na habanje [5]. Nikal se ponekad koristi zajedno s kobaltom za fino podešavanje svojstava kompozita volframovog karbida [5].
3. Ostala veziva
Ostali metali, poput kroma i željeza, rjeđe se koriste kao jedini vezivi, ali se mogu kombinirati s kobaltom ili niklom za pružanje specifičnih svojstava [5]:
- Krom pojačava korozijsku i oksidacijsku otpornost na kompozit volframovog karbida. Često se koristi u kombinaciji s niklim vezivima [5].
- Željezo može poslužiti kao ekonomična alternativa ili dodatak kobaltnim vezivima. Ferro-volmankar karbid ima manju tvrdoću, ali veću žilavost u usporedbi s stupnjevima povezanim s kobaltom [5].
Proizvodni postupak
Metoda koja se koristi za proizvodnju dijelova volframovog karbida značajno utječe na njihovu otpornost na razbijanje [4]. Procesi poput sinteriranja, vrućeg prešanja i termičkog prskanja mogu uvesti oštećenja ili zaostale napone koji ugrožavaju integritet materijala [7]. Pravilna kontrola temperature, tlaka i atmosfere tijekom proizvodnje ključna je za minimiziranje ovih problema [7].
Okolišni uvjeti
Ekstremne temperature, korozivne tvari i okruženja s visokim utjecajem mogu pridonijeti neuspjehu komponenti volframovog karbida [2] [7]. Visoke temperature mogu smanjiti tvrdoću i snagu materijala, dok korozivne tvari mogu smanjiti fazu veziva, što dovodi do pucanja i eventualnog razbijanja [2].
Naponi specifični za primjenu
Vrsta i veličina stresa primijenjenih na volfram -karbid u njegovoj namjeravanoj primjeni su kritični čimbenici [7]. Kompresivni naponi općenito se dobro podnose, ali naponi za zatezanje i smicanje mogu pokrenuti pukotine, posebno u komponentama s oštrim kutovima ili drugim koncentratorima naprezanja [3].
Prednosti volframskog karbida
Unatoč svojoj osjetljivosti na razbijanje pod određenim uvjetima, volfram Carbide nudi brojne prednosti [4]:
Nositi otpor
Veliki otpor volfram karbida na nošenje i koroziju jedna je od njegovih značajki [4] [7]. Može izdržati dugotrajno izlaganje abrazivnim okruženjima bez značajne degradacije, što ga čini idealnim za industrije gdje oprema podliježe stalnom trenju i kontaktu s korozivnim tvarima [7]. Iako je u početku skuplji, volfram karbid s vremenom štedi novac zbog svoje izdržljivosti i smanjene potrebe za održavanjem [7]. Prošireni životni vijek alata i komponenti znači uštedu troškova i povećanu operativnu učinkovitost [7].
Performanse visoke temperature
Volfram karbid može biti dobro, čak i u vrlo visokim temperaturama, održavajući njegovu tvrdoću i snagu [7]. Ima talište veće od 2.870 ° C (5.200 ° F), omogućujući mu da zadržava svoj strukturni integritet na povišenim temperaturama [2] [6] [7]. To je ključno za aplikacije poput rezanja i bušenja, gdje se alati često susreću s velikom toplinom zbog trenja [7]. Toplinska stabilnost volfram karbida osigurava stalne performanse i smanjuje rizik od zatajenja alata tijekom zahtjevnih zadataka [7].
Zadržavanje ruba
Alati za volfram karbida duže ostaju oštri, što dovodi do čistijih rezova i učinkovitijih operacija [7]. Kada se koristi kao materijal za oblaganje, volfram karbid nudi visoku čvrstoću veze i nizak zaostali stres, posebno ako se primjenjuje korištenjem procesa toplinskog raspršivanja visoke brzine (HVOF) [7]. Ovaj postupak rezultira gustim, kohezivnim premazima s minimalnom poroznošću, pojačavajući ukupnu otpornost na habanje i izdržljivost obloženih komponenti [7]. Ova svojstva čine premaza volfram karbida idealnim za primjene koje zahtijevaju snažnu i pouzdanu površinsku zaštitu [7].
Primjene volfram karbida
Volfram karbid koristi se u različitim industrijama zbog svojih jedinstvenih svojstava [4]:
Alati za rezanje
Volfram karbid se intenzivno koristi za rezanje alata za obradu, bušenje i glodanje [5] [7]. Njegova tvrdoća i otpornost na habanje osiguravaju da ovi alati održavaju oštar rub, čak i pri velikim brzinama i temperaturama [7].
Nositi dijelove
Komponente izrađene od volfram -karbida koriste se u aplikacijama gdje je kritična otpornost na abraziju i eroziju [4]. Primjeri uključuju mlaznice, ležajeve i komponente crpki koje se koriste u nafti i plinu, rudarstvu i kemijskoj industriji [4].
Nakit
Volfram karbid postao je popularan materijal za prstenje i druge predmete nakita zbog otpornosti na ogrebotine i izdržljivosti [1] [3]. Iako se može razbiti pod značajnim utjecajem, njegova tvrdoća osigurava da ostane bez ogrebotina pod normalnim habanjem [1].
Strategije ublažavanja za sprečavanje razbijanja
Kako bi se spriječilo da se komponente volfram karbida razbijaju, može se upotrijebiti nekoliko strategija:
Odabir materijala
Odabir odgovarajućeg stupnja volframovog karbida za određenu primjenu je presudan [4] [5]. Čimbenici koje treba uzeti u obzir uključuju sadržaj veziva, veličinu zrna i prisutnost drugih legirajućih elemenata [4].
Optimizacija dizajna
Dizajniranje komponenti sa zaobljenim uglovima i glatkim prijelazima može smanjiti koncentraciju stresa, minimizirajući rizik od pokretanja pukotina [3]. Izbjegavanje oštrih rubova i nagle promjene geometrije je neophodno [3].
Kontrola procesa proizvodnje
Primjena stroge kontrole tijekom proizvodnog postupka može umanjiti nedostatke i zaostale napone [4]. To uključuje pažljivo praćenje temperature, tlaka i atmosfere tijekom sinteriranja i drugih koraka izrade [7].
Zaštitni premazi
Primjena zaštitnih premaza, poput dijamantskog ugljika (DLC) ili keramičkih premaza, može poboljšati površinsku tvrdoću i otpornost na habanje komponenti volframovog karbida, pružajući dodatni sloj zaštite od razbijanja [4] [7].
Redovni pregled i održavanje
Redovito pregledavanje komponenti volfram karbida ima li znakova habanja, pukotina ili drugih oštećenja mogu pomoći u prepoznavanju potencijalnih problema prije nego što dovedu do katastrofalnog kvara. Provedba proaktivnog programa održavanja može proširiti životni vijek ovih komponenti i spriječiti neočekivane stanke [7].
Zaključak
Zaključno, iako je volfram karbid izuzetno tvrd i otporan na habanje, također je osjetljiv na razbijanje u specifičnim uvjetima [1] [3]. Njegov nedostatak maltretive i visoke čvrstoće u tlaku znače da oštri udarci ili ekstremni tlak mogu uzrokovati pucanje ili razbijanje [1] [3]. Čimbenici kao što su sastav, proces proizvodnje, uvjeti okoliša i stresovi specifični za primjenu igraju ulogu u određivanju njegove provale [4] [7].
Unatoč ovom ograničenju, prednosti volframovog karbida, uključujući njegovu otpornost na habanje, visoke temperature i zadržavanje ruba, čine ga neophodnim u mnogim industrijama [7]. Razumijevanjem čimbenika koji doprinose razbijanju i provođenju odgovarajućih strategija ublažavanja, inženjeri i proizvođači mogu maksimizirati životni vijek i pouzdanost komponenti volframovog karbida [4]. Redovni pregled, pažljiv odabir materijala, optimizacija dizajna i kontrolirani proizvodni procesi ključni su za sprečavanje kvarova i osiguravanje optimalnih performansi [7].
FAQ
1. Što čini volfram karbid tako jako?
Tvrdoća volfram karbida dolazi iz snažnih kovalentnih veza između atoma volframa i ugljika u njegovoj šesterokutnoj kristalnoj strukturi [4] [5]. Ova struktura pruža izuzetan otpor deformacijama i trošenju [4].
2. Je li volfram karbid uvijek krhki?
Iako je volfram karbid inherentno krhki, njegova žilavost može se poboljšati dodavanjem metalnih veziva poput kobalta ili nikla [5]. Sadržaj veziva i veličina zrna utječu na ukupnu krhkost materijala [5].
3. Kako temperatura utječe na volfram karbid?
Volfram karbid održava svoju tvrdoću i čvrstoću pri visokim temperaturama, s talicom od 2.870 ° C (5.200 ° F) [2] [6] [7]. Međutim, ekstremne temperature mogu smanjiti njegovu ukupnu čvrstoću i povećati njegovu osjetljivost na oksidaciju [2].
4. Može li se volfram karbid popraviti ako pukne?
Popravak puknutog volframovog karbida izazovno je zbog svoje tvrdoće i krhkosti [3]. U nekim se slučajevima mogu koristiti specijalizirane tehnike poput lemljenja ili ljepljivog vezanja, ali popravljena komponenta možda nema istu čvrstoću i izdržljivost kao original [3].
5. Koje su alternative volfram karbidu?
Alternative volframa karbida uključuju čelik velike brzine, keramiku i dijamantske obloge [5]. Izbor materijala ovisi o specifičnim zahtjevima za primjenu, uključujući tvrdoću, otpornost na habanje i troškove [5].
Navodi:
[1] https://redwoodrings.com/blogs/redwood-rings-blog/tungsten-ring-reak
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[3] https://www.iconicjewelry.com/tungsten-rings-does-tungsten-chatter/
[4] https://www.linde-amt.com/resource-library/articles/tungsten-carbide
[5] https://coweal.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-comprehense-guide/
[8] http://www.tungsten-carbide.com.cn
