Menu treści
● Co to jest węglika wolgiałowe?
>> Właściwości chemiczne
>> Właściwości fizyczne
>> Twardość i kompozycja
● Współczynnik łamania
>> Brak plastyczności
>> Wysoka wytrzymałość
>> Porównanie węglików wolframowych z innymi materiałami
● Czynniki wpływające na podatność węglików wolframowych na rozbicie
>> Skład i wielkość ziarna
>> Obecność segregatorów
>> Proces produkcyjny
>> Warunki środowiskowe
>> Naprężenia specyficzne dla aplikacji
● Zalety węglika wolframowego
>> Odporność na zużycie
>> Wydajność w wysokiej temperaturze
>> Zatrzymanie krawędzi
● Zastosowania węglika wolframowego
>> Narzędzia tnące
>> Nosić części
>> Biżuteria
● Strategie łagodzenia zapobiegania rozbiciu
>> Wybór materiału
>> Optymalizacja projektowania
>> Kontrola procesu produkcyjnego
>> Powłoki ochronne
>> Regularna kontrola i konserwacja
● Wniosek
● FAQ
>> 1. Co sprawia, że węglika wolframu jest tak trudne?
>> 2. Czy węglika wolframu jest zawsze kruche?
>> 3. Jak temperatura wpływa na węglika wolframowe?
>> 4. Czy węglika wolframowe można naprawić, jeśli pęknie?
>> 5. Jakie są alternatywy dla węglików wolframowych?
● Cytaty:
Węglenie wolframowe to związek celebrowany ze względu na wyjątkową twardość, odporność na zużycie i właściwości termiczne, co czyni go niezbędnym do różnych zastosowań przemysłowych [4]. Powstaje przez połączenie atomów wolframu i węgla w równych częściach [2] [5] [6]. Chociaż jego twardość jest znaczącą zaletą, pytanie, czy Łatwo zniszczenia węglików wolframowych ma kluczowe znaczenie dla inżynierów, producentów i konsumentów [3] [7].
Co to jest węglika wolgiałowe?
Węglenie wolframowe (WC) jest nieorganicznym związkiem chemicznym składającym się z równych części atomów wolframu i węgla [5]. Często nazywany monokarbidem wolframu, wyróżnia się jako najważniejszy i szeroko stosowany węglika wolframu [5]. Węglenie wolframowe jest zwykle wytwarzane jako ultra-fine ceramiczny proszek, który jest następnie aglomerowany lub fakowany z metalicznym spoiwa-kobaltu, chromu kobaltu lub niklu-aby zapewnić twardą ceramikę z plastycznością i odpornością [4].
Właściwości chemiczne
Istnieją dwa dobrze scharakteryzowane związki wolframu i węgla: węglik wolframowy (WC) i półkarnby wolframowe (W2C) [2]. Oba związki mogą być obecne w powłokach, z ich proporcjami różnymi w zależności od metody powłoki [2]. W wysokich temperaturach WC rozkłada się na wolfram i węgiel, zjawisko, które może wystąpić podczas metod rozpylania termicznego o wysokiej temperaturze, takich jak metody tlenu o wysokiej prędkości (HVOF) i wysokoenergetyczne plazma (HEP) [2]. Utlenianie WC zaczyna się w temperaturze 500–600 ° C (773–873 K) [2]. Pokazuje odporność na kwasy, atakowane tylko przez mieszanki kwasu hydrofluorowego/kwasu azotowego (HF/HNO3) powyżej temperatury pokojowej [2]. Reaguje z gazem fluorowym w temperaturze pokojowej i chloru powyżej 400 ° C (673 K) i jest niereaktywny w celu wysuszenia H2 do jego temperatury topnienia [2]. Drobno sproszkowane WC utlenia się w roztworach wodnych nadtlenku wodoru [2].
Właściwości fizyczne
Węglenie wolframowe oferuje wysoką temperaturę topnienia 2870 ° C (3140 K), a temperaturę wrzenia 6000 ° C (6270 K) pod ciśnieniem 1 standardowej atmosfery (101,325 kilopaskali) [2]. Ma przewodność cieplną 110 w/m · k i współczynnik rozszerzania cieplnej 5,5 μm/m · k [2].
Węglenie Tungsten znane jest z ekstremalnej twardości, zajmującej się od 9,0 do 9,5 w skali Mohsa, i ma liczbę Vickersa około 2600 [2]. Jego moduł Younga wynosi około 530–700 GPa, moduł masowy 379–381 GPA i moduł ścinania 274 GPA [2]. Ma ostateczną wytrzymałość na rozciąganie 344 MPa, najwyższą wytrzymałość na kompresję około 2,7 GPa i stosunek Poissona 0,31 [2]. Prędkość dźwięku przez cienki pręt węgliku wolframu wynosi 6220 m/s [2].
Twardość i kompozycja
Węglenie wolframowe (WC) składa się z atomów wolframu i węgla ułożonych w sześciokątnej strukturze krystalicznej [4]. Najczęstsza forma stosowana w zastosowaniach przemysłowych zawiera około 94% wolframu i 6% węgla [4]. Ta kompozycja można modyfikować, dodając materiały wiążące, zwykle kobalt lub nikiel, w celu zwiększenia niektórych właściwości [4]. Powstały CERMET (Ceramic-Metallic Composite) łączy wysoką twardość ceramicznego węgla wolframowego z wytrzymałością wiążących metali [4].
Współczynnik łamania
Łamanie pierścieni węglików wolframowych wynika z wewnętrznych właściwości fizycznych materiału [1]. Podczas gdy węglik wolframowy jest znany z ekstremalnej twardości i odporności na drapanie, ta sztywność sprawia, że jest bardziej podatna na łamanie w określonych warunkach [1] [3]. W przeciwieństwie do bardziej miękkich metali, które mogą zginać i deformować pod ciśnieniem, struktura węglików wolframowych nie może pochłonąć wpływu poprzez zgięcie [1] [3]. Zamiast tego, gdy poddano ostrym uderzeniu lub ekstremalnym ciśnieniu, może pękać lub rozbić [1].
Brak plastyczności
Pierścienie z węglików wolframowych nie są plastyczne, co oznacza, że nie można ich łatwo zgiąć ani przekształcić bez uszkodzenia [3]. Metale szlachetne są dość plastyczne, ale nawet wysokiej jakości pierścienie wolframu nie są [3]. Ten brak plastyczności oznacza, że są one bardziej podatne na rozbicie [3]. Zdolność do zginania chroni niektóre metale przed rozbiciem, więc ponieważ pierścienie z węglika wolframu nie mogą tego zrobić, częściej się rozbiją [3].
Wysoka wytrzymałość
Wytrzymałość na ściskanie odnosi się do zdolności do wytrzymania kruszenia [3]. Kruche metale często opierają się kompresji [3]. Ponieważ pierścienie z węglika wolframowego są odporne na kompresję, są one kruche [3].
Porównanie węgliku wolframu z innymi materiałami
| Stal |
wolframowy |
węglowodanowa |
| Moduł Younga |
550 GPA |
~ 200 GPA |
| Twardość (Mohs) |
~ 9 |
~ 6-6,5 |
| Gęstość (g/cm³) |
~ 15,6 |
~ 7.8 |
| Temperatura topnienia (° C) |
2870 |
~ 1375 |
Czynniki wpływające na podatność węglików wolframowych na rozbicie
Kilka czynników określa, jak łatwo może się rozbić węglik wolframowy:
Skład i wielkość ziarna
Skład węglików wolframowych, w szczególności odsetek węgla i obecność materiałów wiążących, takich jak kobalt lub nikiel, odgrywa kluczową rolę [4] [5]. Drobniejsze rozmiary ziarna i jednolity rozkład fazy węglika zwiększają wytrzymałość, podczas gdy wyższa zawartość spoiwa może poprawić plastyczność, ale może zmniejszyć twardość [4] [5].
Obecność segregatorów
Podczas gdy czyste węglika wolframowe ma doskonałą twardość, jest krucha i podatna na rozbicie, szczególnie pod wpływem [5]. Aby poprawić jego wytrzymałość i trwałość, proszki z węglika wolframowego są mieszane z metalicznymi spoiwaczami, zanim zostaną spiekane w części stałe [5].
1. COBALT (CO)
Kobalt jest najczęściej stosowanym spoiwa na węglika wolframu [5]. Węglenie wolframowe z wiązaniem kobaltu, często określane po prostu jako węgliek, jest standardem branżowym dla narzędzi tnących i części noszenia [5]. Zawartość kobaltu zwykle waha się od 3% do 30%, przy czym wyższe proporcje kobaltu zapewniają zwiększoną wytrzymałość kosztem pewnej twardości i odporności na zużycie [5]. Kobalt ma doskonałe właściwości zwilżania i przyczepności z węglikiem wolframowym, umożliwiając produkcję wysoce gęste, bez pustki spiekanych części [5].
2.Nickel (Ni)
Nikiel może służyć jako alternatywny spoiwo do kobaltu w kompozytach z węglika wolframu [5]. W porównaniu z kobaltem wiążki niklu powodują lepszą odporność na korozję i poprawę stabilności chemicznej, szczególnie wobec środowisk kwaśnych [5]. Jednak węgliki związane z niklem mają niższą twardość i oceny odporności na zużycie [5]. Nikiel jest czasami stosowany w połączeniu z kobaltem do dopracowania właściwości kompozytów węgla wolframowego [5].
3. Inne segregatory
Inne metale, takie jak chrom i żelazo, są rzadziej stosowane jako pojedyncze spoiwa, ale można je łączyć z kobaltem lub niklem, aby nadać określone właściwości [5]:
- Chrom zwiększa odporność na korozję i utlenianie kompozytu z węglika wolframowego. Jest często stosowany w połączeniu z spoiwami niklu [5].
- Żelazo może służyć jako ekonomiczna alternatywa lub dodatek do segregatorów kobaltu. Kain ferro-tungsten ma niższą twardość, ale wyższą wytrzymałość w porównaniu do gatunków związanych z kobaltem [5].
Proces produkcyjny
Metoda stosowana do produkcji części węglików wolframowych znacząco wpływa na ich odporność na rozbicie [4]. Procesy takie jak spiekanie, nacisk na gorąco i rozpylanie termiczne mogą wprowadzać wady lub naprężenia resztkowe, które zagrażają integralności materiału [7]. Właściwa kontrola temperatury, ciśnienia i atmosfery podczas produkcji jest niezbędna do zminimalizowania tych problemów [7].
Warunki środowiskowe
Ekstremalne temperatury, substancje korozyjne i środowiska o wysokim wpływie mogą przyczynić się do awarii składników węglika wolframowego [2] [7]. Wysokie temperatury mogą zmniejszyć twardość i wytrzymałość materiału, podczas gdy substancje żrące mogą degradować fazę spoiwa, prowadząc do pękania i ostatecznego rozbicia [2].
Naprężenia specyficzne dla aplikacji
Rodzaj i wielkość naprężenia stosowane do węglika wolframowego w jego zamierzonym zastosowaniu są czynnikami krytycznymi [7]. Naprężenia ściskające są ogólnie dobrze tolerowane, ale naprężenia rozciągające i ścinające mogą inicjować pęknięcia, szczególnie w składnikach o ostrych narożnikach lub innych koncentratorach naprężeń [3].
Zalety węglika wolframowego
Pomimo podatności na rozbicie pod pewnymi warunkami, węglika wolframu oferuje wiele zalet [4]:
Odporność na zużycie
Wysoka odporność na zużycie i korozję Carbide na zużycie i korozję jest jedną z jego wyróżniających się cech [4] [7]. Może znieść przedłużoną ekspozycję na środowiska ścierne bez znaczącej degradacji, co czyni go idealnym dla branż, w których sprzęt podlega ciągłym tarciem i kontaktowi z substancjami korozyjnymi [7]. Chociaż początkowo droższe, węglik wolframowy oszczędza pieniądze z czasem ze względu na jego trwałość i zmniejszoną potrzebę konserwacji [7]. Rozszerzona żywotność narzędzi i komponentów przekłada się na oszczędności kosztów i zwiększoną wydajność operacyjną [7].
Wydajność w wysokiej temperaturze
Węglenie wolframowe może dobrze działać nawet w bardzo wysokich temperaturach, utrzymując jego twardość i siłę [7]. Ma temperaturę topnienia przekraczającą 2870 ° C (5200 ° F), co pozwala zachować integralność strukturalną w podwyższonych temperaturach [2] [6] [7]. Ma to kluczowe znaczenie dla zastosowań, takich jak cięcie i wiercenie, w których narzędzia często napotykają wysokie ciepło z powodu tarcia [7]. Stabilność termiczna Carbide z Tungsten zapewnia spójną wydajność i zmniejsza ryzyko awarii narzędzia podczas wymagających zadań [7].
Zatrzymanie krawędzi
Narzędzia do węglików wolframowych pozostają ostre dłużej, co prowadzi do czystszych cięć i bardziej wydajnych operacji [7]. W przypadku materiału powłokowego węgliku wolframu oferuje wysoką wytrzymałość wiązania i niski naprężenie resztkowe, szczególnie przy zastosowaniu procesu rozpylania termicznego sprayu o wysokiej prędkości (HVOF) [7]. Proces ten powoduje gęste, spójne powłoki o minimalnej porowatości, zwiększając ogólną odporność na zużycie i trwałość powlekanych składników [7]. Właściwości te sprawiają, że powłoki z węglików wolframowych są idealne do zastosowań wymagających solidnej i niezawodnej ochrony powierzchni [7].
Zastosowania węglika wolframowego
Węglenie wolframowe jest używane w różnych branżach ze względu na jego unikalne nieruchomości [4]:
Narzędzia tnące
Węglenie wolframowe jest szeroko stosowane w narzędziach tnąca do obróbki, wiercenia i mielenia [5] [7]. Jego twardość i odporność na zużycie zapewniają, że narzędzia te utrzymują ostrą krawędź, nawet przy dużych prędkościach i temperaturach [7].
Nosić części
Komponenty wykonane z węglika wolframowego są stosowane w zastosowaniach, w których oporność na ścieranie i erozję jest krytyczna [4]. Przykłady obejmują dysze, łożyska i komponenty pompy stosowane w przemyśle ropy i gazu, wydobyciu i chemicznym [4].
Biżuteria
Węglenie wolframowe stało się popularnym materiałem do pierścieni i innych przedmiotów biżuterii ze względu na odporność na zarysowania i trwałość [1] [3]. Chociaż może rozbić pod znaczącym uderzeniem, jego twardość zapewnia wolne od zarysowań pod normalnym zużyciem [1].
Strategie łagodzenia zapobiegania rozbiciu
Aby zapobiec rozbiciu elementów węglików wolframowych, można zastosować kilka strategii:
Wybór materiału
Wybór odpowiedniego gatunku węglików wolframowych do określonego zastosowania ma kluczowe znaczenie [4] [5]. Czynniki do rozważenia obejmują zawartość spoiwa, wielkość ziarna i obecność innych elementów stopowych [4].
Optymalizacja projektowania
Projektowanie komponentów z zaokrąglonymi narożnikami i gładkimi przejściami może zmniejszyć stężenie naprężeń, minimalizując ryzyko rozpoczęcia pęknięcia [3]. Niezbędne jest unikanie ostrych krawędzi i nagłe zmiany geometrii [3].
Kontrola procesu produkcyjnego
Wdrożenie ścisłych kontroli podczas procesu produkcyjnego może zminimalizować wady i naprężenia szczątkowe [4]. Obejmuje to staranne monitorowanie temperatury, ciśnienia i atmosfery podczas spiekania i innych etapów wytwarzania [7].
Powłoki ochronne
Zastosowanie powłok ochronnych, takich jak węgiel podobny do diamentu (DLC) lub powłoki ceramiczne, może zwiększyć twardość powierzchni i odporność na składniki węglików wolframowych, zapewniając dodatkową warstwę ochrony przed rozbiciem [4] [7].
Regularna kontrola i konserwacja
Regularne sprawdzanie elementów węglików wolframowych pod kątem oznak zużycia, pęknięć lub innych uszkodzeń może pomóc zidentyfikować potencjalne problemy, zanim doprowadzą one do katastrofalnej awarii. Wdrożenie proaktywnego programu konserwacji może przedłużyć żywotność tych komponentów i zapobiec nieoczekiwanym przestojom [7].
Wniosek
Podsumowując, podczas gdy węglik wolframowy jest wyjątkowo twardy i odporny na zużycie, jest również podatny na rozbicie w określonych warunkach [1] [3]. Brak plastyczności i wysokiej wytrzymałości na ściskanie oznaczają, że ostre ciosy lub ekstremalne ciśnienie mogą powodować pękanie lub rozbicie [1] [3]. Czynniki takie jak skład, proces produkcyjny, warunki środowiskowe i naprężenia specyficzne dla aplikacji odgrywają rolę w określaniu jego łamania [4] [7].
Pomimo tego ograniczenia zalety węglików wolframowych, w tym jego odporność na zużycie, wydajność w wysokiej temperaturze i retencję krawędzi, sprawiają, że jest niezbędny w wielu branżach [7]. Rozumiejąc czynniki, które przyczyniają się do rozbicia i wdrażania odpowiednich strategii łagodzenia, inżynierowie i producenci mogą zmaksymalizować żywotność i niezawodność komponentów węglików wolframowych [4]. Regularna kontrola, staranne wybór materiałów, optymalizacja projektowania i kontrolowane procesy produkcyjne są niezbędne do zapobiegania awarii i zapewnienia optymalnej wydajności [7].
FAQ
1. Co sprawia, że węglika wolframu jest tak trudne?
Twardość węglików wolframowych pochodzi z silnych kowalencyjnych wiązań między atomami wolframu i węgla w jego sześciokątnej strukturze krystalicznej [4] [5]. Ta struktura zapewnia wyjątkową odporność na deformację i zużycie [4].
2. Czy węglika wolframu jest zawsze kruche?
Podczas gdy węglik wolframowy jest z natury krucha, jego wytrzymałość można poprawić, dodając metaliczne spoiwa, takie jak kobalt lub nikiel [5]. Zawartość spoiwa i wielkość ziarna wpływają na ogólną kruchość materiału [5].
3. Jak temperatura wpływa na węglika wolframowe?
Węglenie wolframowe utrzymuje swoją twardość i wytrzymałość w wysokich temperaturach, o temperaturze topnienia 2870 ° C (5200 ° F) [2] [6] [7]. Jednak ekstremalne temperatury mogą zmniejszyć jego ogólną siłę i zwiększyć podatność na utlenianie [2].
4. Czy węglika wolframowe można naprawić, jeśli pęknie?
Naprawa pękniętego węglika wolframowego jest trudna ze względu na jego twardość i kruchość [3]. W niektórych przypadkach można zastosować wyspecjalizowane techniki, takie jak lutowanie lub wiązanie kleju, ale naprawiony komponent może nie mieć takiej samej wytrzymałości i trwałości jak oryginał [3].
5. Jakie są alternatywy dla węglików wolframowych?
Alternatywy dla węglików wolframowych obejmują szybką stal, ceramikę i powłoki diamentowe [5]. Wybór materiału zależy od konkretnych wymagań dotyczących zastosowania, w tym twardości, odporności na zużycie i kosztów [5].
Cytaty:
[1] https://redwoodrings.com/blogs/redwood-rings-blog/tungsten-ring-repreak
[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-coMomprehensive-Guide/
[8] http://www.tungsten-carbide.com.cn
