Meniu de conținut
● Ce este carbura de tungsten?
>> Proprietăți chimice
>> Proprietăți fizice
>> Duritate și compoziție
● Factorul de rupere
>> Lipsa de maleabilitate
>> Rezistență ridicată
>> Compararea carburii de tungsten cu alte materiale
● Factorii care influențează susceptibilitatea carbidei de tungsten la spargere
>> Compoziție și dimensiunea cerealelor
>> Prezența lianților
>> Proces de fabricație
>> Condiții de mediu
>> Stresuri specifice aplicației
● Avantajele carburii de tungsten
>> Rezistența la uzură
>> Performanță la temperatură ridicată
>> Retenție de margine
● Aplicații de carbură de tungsten
>> Instrumente de tăiere
>> Purtați piese
>> Bijuterii
● Strategii de atenuare pentru a preveni spulberarea
>> Selectarea materialelor
>> Optimizarea proiectării
>> Controlul procesului de fabricație
>> Acoperiri de protecție
>> Inspecție și întreținere regulată
● Concluzie
● FAQ
>> 1. Ce face ca carbura de tungsten să fie atât de greu?
>> 2. Carbul de tungsten este întotdeauna fragil?
>> 3. Cum afectează temperatura carbura de tungsten?
>> 4. Poate fi reparată carbura de tungsten dacă se crăpa?
>> 5. Care sunt alternativele la carbura de tungsten?
● Citări:
Tungsten Carbide este un compus sărbătorit pentru duritatea sa excepțională, rezistența la uzură și proprietățile termice, ceea ce îl face esențial pentru diverse aplicații industriale [4]. Se formează prin combinarea atomilor de tungsten și de carbon în părți egale [2] [5] [6]. În timp ce duritatea sa este un avantaj semnificativ, întrebarea dacă Se spulbește cu ușurință carbura de tungsten este crucială pentru ingineri, producători și consumatori deopotrivă [3] [7].
Ce este carbura de tungsten?
Carbura de tungsten (WC) este un compus chimic anorganic format din părți egale de tungsten și atomi de carbon [5]. Adesea denumită monocarbură de tungsten, se remarcă ca fiind cel mai crucial și pe scară largă carbură de tungsten [5]. Carbura de tungsten este de obicei fabricată ca o pulbere ceramică ultra-fină, care este apoi aglomerată sau fuzionată cu un liant metalic-cobalt, crom de cobalt sau nichel-pentru a oferi ceramicii dure cu ductilitate și rezistență [4].
Proprietăți chimice
Există doi compuși bine caracterizați de tungsten și carbon: carbură de tungsten (WC) și semicarbură de tungsten (W2C) [2]. Ambii compuși pot fi prezenți în acoperiri, proporțiile lor variază în funcție de metoda de acoperire [2]. La temperaturi ridicate, WC se descompune în tungsten și carbon, un fenomen care poate apărea în timpul proceselor de pulverizare termică la temperaturi ridicate, cum ar fi metodele cu oxigen cu viteză mare (HVOF) și metode plasmatice cu energie mare (HEP) [2]. Oxidarea WC începe la 500–600 ° C (773–873 K) [2]. Acesta demonstrează rezistență la acizi, fiind atacat doar de amestecuri de acid hidrofluoric/acid azotic (HF/HNO3) peste temperatura camerei [2]. Reacționează cu gaz fluor la temperatura camerei și clorul peste 400 ° C (673 K) și este nereactiv să se usuce H2 până la punctul său de topire [2]. WC pudră fin se oxidează ușor în soluții apoase peroxid de hidrogen [2].
Proprietăți fizice
Carbura de tungsten are un punct de topire ridicat de 2.870 ° C (3,140 K) și un punct de fierbere de 6.000 ° C (6.270 K) sub o presiune de 1 atmosferă standard (101,325 kilopascali) [2]. Are o conductivitate termică de 110 W/M · K și un coeficient de expansiune termică de 5,5 μm/m · K [2].
Carbura de tungsten este cunoscută pentru duritatea sa extremă, clasându -se între 9,0 și 9,5 pe scara MOHS și are un număr de Vickers de aproximativ 2600 [2]. Modulul său tânăr este de aproximativ 530–700 GPa, un modul în vrac de 379-381 GPA și un modul de forfecare de 274 GPA [2]. Prezintă o rezistență la tracțiune finală de 344 MPa, o rezistență finală de compresie de aproximativ 2,7 GPa și un raport Poisson de 0,31 [2]. Viteza sunetului printr -o tijă subțire de carbură de tungsten este de 6220 m/s [2].
Duritate și compoziție
Carbura de tungsten (WC) este formată din tungsten și atomi de carbon dispuși într -o structură de cristal hexagonal [4]. Cea mai frecventă formă utilizată în aplicațiile industriale conține aproximativ 94% tungsten și 6% carbon în greutate [4]. Această compoziție poate fi modificată prin adăugarea de materiale de legare, de obicei cobalt sau nichel, pentru a îmbunătăți anumite proprietăți [4]. Cermet-ul rezultat (compozit ceramic-metalic) combină duritatea ridicată a carburii de tungsten ceramică cu duritatea lianților metalici [4].
Factorul de rupere
Îndepărtarea inelelor de carbură de tungsten provine din proprietățile fizice intrinseci ale materialului [1]. În timp ce carbura de tungsten este cunoscută pentru duritatea extremă și rezistența la zgârieturi, această rigiditate o face mai susceptibilă la rupere în condiții specifice [1] [3]. Spre deosebire de metalele mai moi care se pot îndoi și deforma sub presiune, structura carburii de tungsten nu poate absorbi impactul prin îndoire [1] [3]. În schimb, atunci când este supus unei lovituri ascuțite sau o presiune extremă, este susceptibil de a crăpa sau de a sparge [1].
Lipsa de maleabilitate
Inelele de carbură de tungsten nu sunt maleabile, ceea ce înseamnă că nu pot fi ușor îndoite sau modificate fără deteriorare [3]. Metalele prețioase sunt destul de maleabile, dar chiar și inelele de tungsten de înaltă calitate nu sunt [3]. Această lipsă de malleabilitate înseamnă că sunt mai predispuși la spulberare [3]. Capacitatea de a se îndoi protejează anumite metale de spargere, așa că, deoarece inelele de carbură de tungsten nu pot face acest lucru, acestea sunt mai susceptibile să se spargă [3].
Rezistență ridicată
Rezistența la compresiune se referă la capacitatea de a rezista la zdrobire [3]. Metalele fragile rezistă adesea la compresie [3]. Deoarece inelele de carbură de tungsten rezistă la compresie, acestea sunt fragile [3].
Compararea carburii de tungsten cu alte materiale
| Proprietate |
carbură de tungsten |
din oțel |
| Modulul lui Young |
550 GPA |
~ 200 GPA |
| Duritate (mohs) |
~ 9 |
~ 6-6.5 |
| Densitate (g/cm³) |
~ 15.6 |
~ 7.8 |
| Punct de topire (° C) |
2.870 |
~ 1.375 |
Factorii care influențează susceptibilitatea carbidei de tungsten la spargere
Câțiva factori determină cât de ușor se poate sparge carbura de tungsten:
Compoziție și dimensiunea cerealelor
Compoziția carburii de tungsten, în special procentul de carbon și prezența materialelor de legare precum cobalt sau nichel, joacă un rol crucial [4] [5]. Dimensiuni mai fine de cereale și distribuția uniformă a fazei de carbură îmbunătățesc duritatea, în timp ce un conținut mai mare de liant poate îmbunătăți ductilitatea, dar poate reduce duritatea [4] [5].
Prezența lianților
În timp ce carbura de tungsten pur are o duritate excelentă, este fragilă și predispusă la spargere, în special sub impact [5]. Pentru a -și îmbunătăți duritatea și durabilitatea, pulberile de carbură de tungsten sunt amestecate cu lianți metalici înainte de a fi sinterizate în părți solide [5].
1.Cobalt (CO)
Cobalt este cel mai utilizat liant pentru carbura de tungsten [5]. Carbura de tungsten legată de cobalt, denumită adesea pur și simplu ca carbură, este standardul industriei pentru tăierea instrumentelor și piese de uzură [5]. Conținutul de cobalt variază de obicei de la 3% la 30% în greutate, proporțiile mai mari de cobalt asigurând o duritate crescută în detrimentul unei anumite rezistențe de duritate și uzură [5]. Cobalt are proprietăți excelente de umectare și aderență cu carbură de tungsten, permițând producerea de piese sinterizate extrem de dense, fără gol [5].
2.Nickel (NI)
Nichelul poate servi ca un liant alternativ la cobalt în compozitele din carbură de tungsten [5]. În comparație cu cobalt, lianți de nichel au ca rezultat o rezistență la coroziune mai bună și o stabilitate chimică îmbunătățită, în special împotriva mediilor acide [5]. Cu toate acestea, carburile legate de nichel au o duritate mai mică și ratinguri de rezistență la uzură [5]. Nichelul este uneori utilizat împreună cu cobalt pentru a regla fin proprietățile compozitului de carbură de tungsten [5].
3. Alți lianți
Alte metale, cum ar fi cromul și fierul, sunt mai puțin utilizate ca lianți unici, dar pot fi combinate cu cobalt sau nichel pentru a oferi proprietăți specifice [5]:
- Cromul îmbunătățește coroziunea și rezistența la oxidare a compozitului de carbură de tungsten. Este adesea utilizat în combinație cu lianți de nichel [5].
- Fierul poate servi ca o alternativă economică sau în plus față de lianții de cobalt. Carbura Ferro-Tungsten are o duritate mai mică, dar o duritate mai mare în comparație cu gradele legate de cobalt [5].
Proces de fabricație
Metoda utilizată pentru fabricarea pieselor din carbură de tungsten afectează în mod semnificativ rezistența lor la spargere [4]. Procese precum sinterizarea, presarea la cald și pulverizarea termică pot introduce defecte sau tensiuni reziduale care compromit integritatea materialului [7]. Controlul adecvat al temperaturii, presiunii și atmosferei în timpul fabricării este esențial pentru a reduce la minimum aceste probleme [7].
Condiții de mediu
Temperaturile extreme, substanțele corozive și medii cu impact ridicat pot contribui la eșecul componentelor de carbură de tungsten [2] [7]. Temperaturile ridicate pot reduce duritatea și rezistența materialului, în timp ce substanțele corozive pot degrada faza de liant, ceea ce duce la fisurare și eventuala spulberare [2].
Stresuri specifice aplicației
Tipul și amploarea de stres aplicată carburii de tungsten în aplicarea prevăzută sunt factori critici [7]. Stresurile compresive sunt în general bine tolerate, dar tensiunile de tracțiune și de forfecare pot iniția fisuri, în special în componente cu colțuri ascuțite sau alte concentratoare de stres [3].
Avantajele carburii de tungsten
În ciuda susceptibilității sale de a se sparge în anumite condiții, carbura de tungsten oferă numeroase avantaje [4]:
Rezistența la uzură
Rezistența ridicată a carburii de tungsten la uzură și coroziune este una dintre caracteristicile sale de excepție [4] [7]. Poate suporta o expunere prelungită la medii abrazive, fără o degradare semnificativă, ceea ce o face ideală pentru industriile în care echipamentele sunt supuse frecării constante și contactului cu substanțele corozive [7]. Deși inițial mai scump, carbura de tungsten economisește bani în timp datorită durabilității sale și nevoii reduse de întreținere [7]. Durata de viață extinsă a instrumentelor și componentelor se traduce prin economii de costuri și eficiență operațională sporită [7].
Performanță la temperatură ridicată
Carbura de tungsten poate funcționa bine chiar și la temperaturi foarte ridicate, menținându -și duritatea și puterea [7]. Are un punct de topire care depășește 2.870 ° C (5.200 ° F), permițându -i să -și păstreze integritatea structurală la temperaturi ridicate [2] [6] [7]. Acest lucru este crucial pentru aplicații precum tăierea și forajul, unde instrumentele se confruntă adesea cu căldură ridicată din cauza frecării [7]. Stabilitatea termică a Carbidei Tungsten asigură performanțe constante și reduce riscul de eșec al sculei în timpul sarcinilor solicitante [7].
Retenție de margine
Instrumentele de carbură de tungsten rămân ascuțite mai mult, ceea ce duce la tăieturi mai curate și la operațiuni mai eficiente [7]. Atunci când este utilizat ca material de acoperire, carbura de tungsten oferă o rezistență ridicată la legături și o tensiune reziduală scăzută, în special atunci când este aplicată folosind procesul de pulverizare termică cu combustibil oxil cu viteză mare (HVOF) [7]. Acest proces are ca rezultat acoperiri dense, coezive, cu o porozitate minimă, sporind rezistența generală a uzurii și durabilitatea componentelor acoperite [7]. Aceste proprietăți fac ca acoperirile de carbură de tungsten să fie ideale pentru aplicațiile care necesită o protecție solidă și fiabilă de suprafață [7].
Aplicații de carbură de tungsten
Carbura de tungsten este utilizată în diverse industrii datorită proprietăților sale unice [4]:
Instrumente de tăiere
Carbura de tungsten este utilizată pe scară largă la tăierea instrumentelor pentru prelucrare, foraj și frezare [5] [7]. Duritatea și rezistența la uzură se asigură că aceste instrumente mențin o margine ascuțită, chiar și la viteze și temperaturi mari [7].
Purtați piese
Componentele obținute din carbură de tungsten sunt utilizate în aplicații în care rezistența la abraziune și eroziune este critică [4]. Exemple includ duze, rulmenți și componente ale pompei utilizate în industria de petrol și gaze, minerit și chimice [4].
Bijuterii
Carbura de tungsten a devenit un material popular pentru inele și alte articole de bijuterii datorită rezistenței și durabilității sale la zgârieturi [1] [3]. În timp ce se poate sparge sub un impact semnificativ, duritatea sa asigură că rămâne fără zgârieturi sub uzură normală [1].
Strategii de atenuare pentru a preveni spulberarea
Pentru a preveni spargerea componentelor de carbură de tungsten, pot fi utilizate mai multe strategii:
Selectarea materialelor
Alegerea gradului adecvat de carbură de tungsten pentru o aplicație specifică este crucială [4] [5]. Factorii de luat în considerare includ conținutul de liant, dimensiunea cerealelor și prezența altor elemente de aliere [4].
Optimizarea proiectării
Proiectarea componentelor cu colțuri rotunjite și tranziții netede poate reduce concentrațiile de stres, minimizând riscul de inițiere a fisurilor [3]. Evitarea marginilor ascuțite și a modificărilor abrupte ale geometriei este esențială [3].
Controlul procesului de fabricație
Implementarea controalelor stricte în timpul procesului de fabricație poate minimiza defectele și tensiunile reziduale [4]. Aceasta include monitorizarea atentă a temperaturii, presiunii și atmosferei în timpul sinterizării și a altor etape de fabricație [7].
Acoperiri de protecție
Aplicarea acoperirilor de protecție, cum ar fi carbonul diamant (DLC) sau acoperirile ceramice, poate îmbunătăți duritatea suprafeței și rezistența la uzură a componentelor din carbură de tungsten, oferind un strat suplimentar de protecție împotriva spărgării [4] [7].
Inspecție și întreținere regulată
Inspectarea în mod regulat a componentelor din carbura de tungsten pentru semne de uzură, fisuri sau alte daune poate ajuta la identificarea potențialelor probleme înainte de a duce la o defecțiune catastrofală. Implementarea unui program de întreținere proactivă poate extinde durata de viață a acestor componente și poate preveni timpul de oprire neașteptat [7].
Concluzie
În concluzie, în timp ce carbura de tungsten este excepțional de dură și rezistentă la uzură, este, de asemenea, susceptibilă la spargere în condiții specifice [1] [3]. Lipsa sa de malleabilitate și rezistență ridicată la compresiune înseamnă că loviturile ascuțite sau presiunea extremă poate determina să se crătească sau să se spargă [1] [3]. Factori precum compoziția, procesul de fabricație, condițiile de mediu și stresurile specifice aplicației joacă un rol în determinarea ruperii sale [4] [7].
În ciuda acestei limitări, avantajele carburii de tungsten, inclusiv rezistența la uzură, performanța la temperaturi ridicate și retenția de margine, îl fac indispensabil în multe industrii [7]. Înțelegând factorii care contribuie la spargerea și implementarea strategiilor de atenuare adecvate, inginerii și producătorii pot maximiza durata de viață și fiabilitatea componentelor din carbura de tungsten [4]. Inspecția periodică, selecția atentă a materialelor, optimizarea proiectării și procesele de fabricație controlate sunt esențiale pentru prevenirea defecțiunilor și asigurarea performanței optime [7].
FAQ
1. Ce face ca carbura de tungsten să fie atât de greu?
Duritatea carburii de tungsten provine din legăturile covalente puternice dintre tungsten și atomi de carbon în structura sa de cristal hexagonal [4] [5]. Această structură oferă o rezistență excepțională la deformare și uzură [4].
2. Carbul de tungsten este întotdeauna fragil?
În timp ce carbura de tungsten este în mod inerent fragilă, duritatea sa poate fi îmbunătățită prin adăugarea de lianți metalici precum cobalt sau nichel [5]. Conținutul de liant și dimensiunea cerealelor influențează fragmentul general al materialului [5].
3. Cum afectează temperatura carbura de tungsten?
Carbura de tungsten își menține duritatea și rezistența la temperaturi ridicate, cu un punct de topire de 2.870 ° C (5.200 ° F) [2] [6] [7]. Cu toate acestea, temperaturile extreme pot reduce puterea sa generală și își pot crește susceptibilitatea la oxidare [2].
4. Poate fi reparată carbura de tungsten dacă se crăpa?
Repararea carburii de tungsten crăpat este o provocare datorită durității și fragilității sale [3]. În unele cazuri, pot fi utilizate tehnici specializate, cum ar fi brațarea sau lipirea adezivului, dar componenta reparată poate să nu aibă aceeași rezistență și durabilitate ca originalul [3].
5. Care sunt alternativele la carbura de tungsten?
Alternativele la carbura de tungsten includ oțel de mare viteză, ceramică și acoperiri cu diamante [5]. Alegerea materialului depinde de cerințele specifice de aplicare, inclusiv de duritate, rezistență la uzură și costuri [5].
Citări:
[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-creensive-guide/
[8] http://www.tungsten-carbide.com.cn
