เมนูเนื้อหา
การกำหนดความแข็งในวัสดุวิทยาศาสตร์
Tungsten Carbide Hardness Metrics
- 1. Mohs Hardness
- 2. Vickers Hardness
- 3. Rockwell Hardness
ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความแข็งทังสเตนคาร์ไบด์
- 1. ขนาดเกรน
- 2. เปอร์เซ็นต์ Cobalt Binder
- 3. กระบวนการผลิต
วิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังความแข็งของทังสเตนคาร์ไบด์
- 1. โครงสร้างผลึก
- 2. พันธะโควาเลนต์
- 3. ตัวละครโลหะ
- 4. การกำหนดค่าอิเล็กตรอน
แอปพลิเคชันใช้ประโยชน์จากความแข็งทังสเตนคาร์ไบด์
- 1. เครื่องมือตัด
- 2. ส่วนประกอบที่ทนต่อการสึกหรอ
- 3. เครื่องประดับ
- 4. การบินและอวกาศและการป้องกัน
- 5. เครื่องมือทางการแพทย์
ทังสเตนคาร์ไบด์กับวัสดุแข็งอื่น ๆ
- 1. เพชร
- 2. ซิลิกอนคาร์ไบด์ (sic)
- 3. ไทเทเนียม
- 4. ลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์ (CBN)
- 5. อลูมินา (Al2O3)
ความท้าทายและข้อ จำกัด ของทังสเตนคาร์ไบด์
- 1. Brittleness
- 2. ราคา
- 3. การประมวลผลปัญหา
- 4. ความกังวลด้านสิ่งแวดล้อม
การพัฒนาในอนาคตในเทคโนโลยีทังสเตนคาร์ไบด์
- 1. นาโนโครงสร้าง WC
- 2. วัสดุคอมโพสิต
- 3. การเคลือบขั้นสูง
- 4. การผลิตสารเติมแต่ง
บทสรุป
คำถามที่พบบ่อย
- 1. ความแข็งของ Mohs ของทังสเตนคาร์ไบด์คืออะไร?
- 2. วัดความแข็งของทังสเตนคาร์ไบด์ได้อย่างไร?
- 3. ทังสเตนคาร์ไบด์สามารถเกาเพชรได้หรือไม่?
- 4. ทำไมเนื้อหาโคบอลต์จึงมีผลต่อความแข็ง?
- 5. ทังสเตนคาร์ไบด์ใช้ในสินค้าอุปโภคบริโภคหรือไม่?
การอ้างอิง:
Tungsten Carbide (WC) เป็นหนึ่งในวัสดุที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมที่ยากที่สุดในการดำรงอยู่มีชื่อเสียงในด้านความทนทานและความต้านทานต่อการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม สารประกอบนี้เกิดจากการเชื่อมทังสเตนและอะตอมคาร์บอนได้ปฏิวัติอุตสาหกรรมตั้งแต่การผลิตไปจนถึงเครื่องประดับ ความแข็งของมันเป็นอันดับสองรองจากเพชรทำให้ขาดไม่ได้สำหรับการใช้งานที่มีความเครียดสูง บทความนี้สำรวจความแข็งของ ทังสเตนคาร์ไบด์ วิธีการวัดปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการใช้งานและการเปรียบเทียบกับวัสดุอื่น ๆ
การกำหนดความแข็งในวัสดุวิทยาศาสตร์
ความแข็งหมายถึงความต้านทานของวัสดุต่อการเสียรูปถาวรการเกาหรือการเยื้อง สำหรับทังสเตนคาร์ไบด์สถานที่ให้บริการนี้มีความสำคัญเนื่องจากกำหนดประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เครื่องชั่งทั่วไปสำหรับการวัดความแข็งรวมถึง:
- สเกล Mohs: สเกลลำดับเชิงคุณภาพ (1–10) เปรียบเทียบความต้านทานแร่กับรอยขีดข่วน
- Vickers Hardness (HV): วัดความต้านทานต่อการเยื้องโดยใช้ปิรามิดเพชร
- Rockwell Hardness (HRA, HRC): ปริมาณความลึกการเจาะภายใต้โหลดเฉพาะ
Tungsten Carbide Hardness Metrics
1. Mohs Hardness
ทังสเตนคาร์ไบด์จัดอันดับ 9–9.5 ในระดับ MOHS ต่ำกว่าเพชร (10) สิ่งนี้ทำให้ยากกว่าเหล็กส่วนใหญ่ (4–8.5) และเซรามิกเช่นอลูมินา (9)
2. Vickers Hardness
ด้วยการใช้ตัวอักษรเพชรทังสเตนคาร์ไบด์ให้คะแนน 1,500–2,600 HV ขึ้นอยู่กับขนาดของเม็ดและปริมาณโคบอลต์ เกรดละเอียดที่มีสารยึดเกาะโคบอลต์ต่ำ (3–6%) บรรลุความแข็งสูงสุด
3. Rockwell Hardness
โดยทั่วไปแล้วทังสเตนคาร์ไบด์จะมีขนาด 88–94 HRA ในระดับ Rockwell เทียบได้กับเหล็กกล้าเครื่องมือที่แข็งตัว แต่มีความต้านทานการสึกหรอที่เหนือกว่า
ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความแข็งทังสเตนคาร์ไบด์
1. ขนาดเกรน
- ธัญพืชละเอียด (0.2–0.8 μm): ความแข็งที่สูงขึ้นเนื่องจากระยะห่างระหว่างกัน
- ธัญพืชหยาบ (> 1 μm): ความเหนียวที่ดีขึ้น แต่ความแข็งที่ต่ำกว่าเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีแรงกระแทกเช่นการฝึกซ้อมการขุด
2. เปอร์เซ็นต์ Cobalt Binder
- โคบอลต์ต่ำ (3–6%): เพิ่มความแข็งสูงสุด แต่เพิ่มความเปราะบาง
- โคบอลต์สูง (10–20%): เพิ่มความเหนียวด้วยค่าใช้จ่ายของความแข็ง
3. กระบวนการผลิต
- อุณหภูมิการเผา: อุณหภูมิที่สูงขึ้น (1,400–1,600 ° C) เพิ่มประสิทธิภาพความหนาแน่นและความแข็ง
- การรักษาหลังสซิปชั่น: การเคลือบเช่นไทเทเนียมไนไตรด์ (TIN) ปรับปรุงความแข็งของพื้นผิวเพิ่มเติม
วิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังความแข็งของทังสเตนคาร์ไบด์
การทำความเข้าใจความแข็งพิเศษของทังสเตนคาร์ไบด์จำเป็นต้องมีการเจาะลึกลงไปในโครงสร้างอะตอมและกลไกการเชื่อม คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของวัสดุเกิดจากการรวมกันของปัจจัย:
1. โครงสร้างผลึก
ทังสเตนคาร์ไบด์ก่อตัวเป็นโครงสร้างผลึกแบบเฮกซอง (HCP) การจัดเรียงนี้ช่วยให้การบรรจุอะตอมที่มีประสิทธิภาพทำให้เกิดความหนาแน่นและความแข็งสูง
2. พันธะโควาเลนต์
พันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งระหว่างทังสเตนและอะตอมคาร์บอนสร้างตาข่ายที่แข็งซึ่งต่อต้านการเสียรูป พันธบัตรเหล่านี้มีทิศทางและเป็นภาษาท้องถิ่นให้ความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ
3. ตัวละครโลหะ
ในขณะที่โควาเลนต์ส่วนใหญ่ทังสเตนคาร์ไบด์ยังแสดงลักษณะการเชื่อมโลหะบางอย่าง การรวมกันนี้ช่วยเพิ่มความเหนียวเมื่อเทียบกับวัสดุโควาเลนต์อย่างหมดจดเช่นเพชร
4. การกำหนดค่าอิเล็กตรอน
การกำหนดค่าอิเล็กตรอนของทังสเตน (5d^4 6s^2) ช่วยให้การผสมพันธุ์ที่แข็งแกร่งกับอิเล็กตรอนของคาร์บอนสร้างพันธะที่มั่นคงและแข็งซึ่งนำไปสู่ความแข็งของวัสดุ
แอปพลิเคชันใช้ประโยชน์จากความแข็งทังสเตนคาร์ไบด์
1. เครื่องมือตัด
- End Mills, สว่านบิตและเม็ดมีดรักษาขอบคมแม้ที่อุณหภูมิสูงลดการสึกหรอของเครื่องมือ
- การเปรียบเทียบ: ความแข็ง
| ของวัสดุ |
(HV) |
ความต้านทานการสึกหรอ |
| HSS |
800–900 |
ต่ำ |
| เซรามิก |
1,200–1,800 |
ปานกลาง |
| ห้องสุขา |
1,500–2,600 |
สุดขีด |
2. ส่วนประกอบที่ทนต่อการสึกหรอ
- อุปกรณ์การขุด (เคล็ดลับการเจาะ, แผ่นบด) ทนต่อการสัมผัสหินขัด
- หัวฉีดและวาล์วอุตสาหกรรมทนต่อของเหลวที่มีการสึกกร่อน
3. เครื่องประดับ
- วงแต่งงานยังคงรักษาภาษาโปแลนด์ไว้เรื่อย ๆ เนื่องจากการต่อต้านรอยขีดข่วน
4. การบินและอวกาศและการป้องกัน
ความแข็งของทังสเตนคาร์ไบด์ทำให้มันมีค่ามากในการบินและอวกาศและการป้องกัน:
- รอบการเจาะเกราะ: Cores WC ช่วยเพิ่มความสามารถในการเจาะ
- การเคลือบใบมีดกังหัน: ปรับปรุงความต้านทานการกัดเซาะในเครื่องยนต์เจ็ท
- ส่วนประกอบยานอวกาศ: ทนต่อผลกระทบของ micrometeorite และเศษซากอวกาศ
5. เครื่องมือทางการแพทย์
ความเข้ากันได้ทางชีวภาพและความแข็งของทังสเตนคาร์ไบด์ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ที่หลากหลาย:
- เครื่องมือผ่าตัด: มีดผ่าตัดและเคล็ดลับเข็มรักษาความคมชัด
- การฝึกซ้อมทันตกรรม: การตัดความแม่นยำของเคลือบฟันและเนื้อฟัน
- การปลูกถ่ายศัลยกรรมกระดูก: การเปลี่ยนข้อต่อที่ทนต่อการสึกหรอ
ทังสเตนคาร์ไบด์กับวัสดุแข็งอื่น ๆ
1. เพชร
- ความแข็ง: Diamond (10 Mohs) กับ WC (9–9.5 Mohs)
- ใช้เคส: เพชรสำหรับการตัดความแม่นยำเป็นพิเศษ; WC สำหรับความทนทานที่คุ้มค่า
2. ซิลิกอนคาร์ไบด์ (sic)
- ความแข็ง: SIC (9.5 MOHS) กับ WC (9–9.5 MOHS)
- ความเสถียรทางความร้อน: SIC เก่งในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูง
3. ไทเทเนียม
- ความแข็ง: ไทเทเนียม (6 MOHS) เทียบกับ WC (9 MOHS)
- ความทนทาน: WC มีประสิทธิภาพสูงกว่าไทเทเนียมในความต้านทานการสึกหรอ
4. ลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์ (CBN)
- ความแข็ง: CBN (9.5 MOHS) กับ WC (9–9.5 MOHS)
- แอปพลิเคชัน: CBN เป็นที่ต้องการสำหรับการตัดเฉือนเหล็กที่แข็งตัวเนื่องจากความเสถียรทางเคมี
5. อลูมินา (Al2O3)
- ความแข็ง: อลูมินา (9 MOHS) กับ WC (9–9.5 MOHS)
- ค่าใช้จ่าย: อลูมินาประหยัดกว่า แต่ยากกว่า WC
ความท้าทายและข้อ จำกัด ของทังสเตนคาร์ไบด์
แม้จะมีความแข็งที่ยอดเยี่ยมทังสเตนคาร์ไบด์ต้องเผชิญกับความท้าทายบางอย่าง:
1. Brittleness
ความแข็งสูงมักจะสัมพันธ์กับความเปราะบางที่เพิ่มขึ้น WC สามารถชิปหรือแตกหักภายใต้ผลกระทบอย่างฉับพลันโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเกรดที่มีคลังต่ำ
2. ราคา
ทังสเตนเป็นโลหะที่ค่อนข้างหายากทำให้ WC มีราคาแพงกว่าวัสดุทางเลือกมากมาย
3. การประมวลผลปัญหา
ความแข็งสูงของ WC ทำให้การสร้างและการตัดเฉือนผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ท้าทายมักจะต้องใช้เทคนิคพิเศษเช่นการตัดเฉือนไฟฟ้า (EDM)
4. ความกังวลด้านสิ่งแวดล้อม
การทำเหมืองและประมวลผลทังสเตนอาจมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและผลิตภัณฑ์ WC รีไซเคิลเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการพัฒนาอย่างยั่งยืน
การพัฒนาในอนาคตในเทคโนโลยีทังสเตนคาร์ไบด์
การวิจัยยังคงปรับปรุงคุณสมบัติและการประยุกต์ใช้ทังสเตนคาร์ไบด์:
1. นาโนโครงสร้าง WC
การพัฒนานาโนคริสตัลทังสเตนคาร์ไบด์สามารถปรับปรุงความแข็งได้ในขณะที่รักษาความทนทาน
2. วัสดุคอมโพสิต
การรวม WC เข้ากับวัสดุแข็งอื่น ๆ เช่น Diamond หรือ CBN อาจสร้างการปรับปรุงการทำงานร่วมกันในประสิทธิภาพ
3. การเคลือบขั้นสูง
การเคลือบหลายชั้นและเทคนิคการสะสมใหม่มีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มคุณสมบัติพื้นผิวของเครื่องมือและส่วนประกอบ WC
4. การผลิตสารเติมแต่ง
การพิมพ์ 3 มิติของชิ้นส่วนทังสเตนคาร์ไบด์สามารถอนุญาตให้มีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนและคุณสมบัติของวัสดุที่กำหนดเอง
บทสรุป
ความแข็งที่ไม่มีใครเทียบของทังสเตนคาร์ไบด์เกิดจากโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยมที่หนาแน่นและกระบวนการผลิตที่เหมาะสม ด้วยคะแนน MOHS ที่ 9-9.5 และ Vickers แข็งสูงถึง 2,600 HV มันมีประสิทธิภาพสูงกว่าโลหะและเซรามิกส์ส่วนใหญ่ในการใช้งาน การปรับสมดุลความแข็งด้วยความเหนียวผ่านขนาดเกรนและการปรับสารยึดเกาะช่วยให้สามารถแก้ปัญหาที่ปรับแต่งได้สำหรับอุตสาหกรรมเช่นการบินและอวกาศการขุดและเครื่องประดับ ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าทังสเตนคาร์ไบด์ยังคงเป็นรากฐานที่สำคัญของวิศวกรรมประสิทธิภาพสูงโดยมีการวิจัยอย่างต่อเนื่องมีความสามารถที่ยิ่งใหญ่กว่าในอนาคต
คำถามที่พบบ่อย
1. ความแข็งของ Mohs ของทังสเตนคาร์ไบด์คืออะไร?
ทังสเตนคาร์ไบด์จัดอันดับ 9–9.5 ในระดับ MOHS ทำให้มันยากกว่าเหล็กและนุ่มกว่าเพชรเล็กน้อย
2. วัดความแข็งของทังสเตนคาร์ไบด์ได้อย่างไร?
วิธีการทั่วไป ได้แก่ Vickers (HV), Rockwell (HRA) และการทดสอบ KNOOP ซึ่งใช้ Indenters Diamond เพื่อประเมินความต้านทาน
3. ทังสเตนคาร์ไบด์สามารถเกาเพชรได้หรือไม่?
ไม่เพชร (10 MOHS) นั้นยากขึ้นและสามารถเกาทังสเตนคาร์ไบด์ได้ แต่ WC มักใช้ในการตัดหรือขัดเพชรเนื่องจากความสามารถในการจ่าย
4. ทำไมเนื้อหาโคบอลต์จึงมีผลต่อความแข็ง?
โคบอลต์ที่สูงขึ้นช่วยลดความแข็งโดยการสร้างเมทริกซ์สารยึดเกาะที่นุ่มนวลระหว่างธัญพืช WC เกรดต่ำสุด (3–6%) จัดลำดับความสำคัญของความแข็ง
5. ทังสเตนคาร์ไบด์ใช้ในสินค้าอุปโภคบริโภคหรือไม่?
ใช่. แอพพลิเคชั่นทั่วไป ได้แก่ เครื่องประดับมอเตอร์การสั่นสะเทือนของสมาร์ทโฟนและส่วนประกอบนาฬิการะดับสูง
การอ้างอิง:
[1] https://www.allied-material.co.jp/en/techinfo/tungsten_carbide/features.html
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[3] https://konecarbide.com/tungsten-vs-tungsten-carbide-differences-explained/
[4] https://create.vista.com/photos/tungsten-carbide/
[5] https://eternaltools.com/blogs/tutorials/tungsten-carbide-an-informative-guide
[6] https://www.linde-amt.com/resource-library/articles/tungsten-carbide
[7] http://www.carbidetechnologies.com/faqs/
[8] https://carbideprocessors.com/pages/carbide-parts/tungsten-carbide-properties.html
[9] https://www.retopz.com/57-frequently-asked-questions-faqs-about-tungsten-carbide/
[10] https://www.azom.com/article.aspx?articleid=2278
[11] https://www.dymetalloys.co.uk/what-is-tungsten-carbide
[12] https://www.basiccarbide.com/tungsten-carbide-grade-chart/
[13] https://www.britannica.com/science/tungsten-carbide
[14] https://www.bladeforums.com/threads/carbide-hardness-chart.1705186/
[15] https://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?
[16] https://www.azom.com/properties.aspx?articleid=1203
[17] https://www.imetra.com/tungsten-carbide-material-properties/
[18] https://www.shutterstock.com/search/%22Tungsten-carbide%22?page=3
[19] https://stock.adobe.com/search?k=tungsten+carbide
[20] https://www.istockphoto.com/de/bot-wall?returnurl=%2fde%2fphotos%2ftungsten-carbide
[21] https://periodictable.com/elements/074/pictures.html
[22] https://www.istockphoto.com/de/bot-wall?returnurl=%2fde%2fphotos%2ftungsten-carbide-drill-bits
[23] https://www.hyperionmt.com/en/resources/materials/cynesed-carbide/cycened-carbide-hardness/
[24] https://www.shutterstock.com/search/tungsten-carbide
[25] https://www.generalcarbide.com/wp-content/uploads/2019/04/generalcarbide-designers_guide_tungstencarbide.pdf
[26] https://stock.adobe.com/search?k=carbide
[27] https://www.syalons.com/2024/07/08/silicon-carbide-vs-tungsten-carbide-wear-applications/
[28] https://eurobalt.net/blog/2022/03/28/all-the-applications-of-tungsten-carbide/
[29] https://www.ruihantools.com/technic-data/understanding-the-hardness-of-carbide-end-mills.html
[30] https://www.tungco.com/insights/blog/5-tungsten-carbide-applications/
[31] https://www.azom.com/article.aspx?articleid=4827
[32] https://www.carbide-usa.com/top-5-uses-for-tungsten-carbide/
[33] https://www.wj-tool.com/material
[34] https://www.industrialplating.com/materials/tungsten-carbide-coatings
[35] https://www.ohiocarbonblank.com/metallic-materials/tungsten-carbide
[36] https://www.practicalmachinist.com/forum/threads/carbide-hardness-of-drill-and-end-mills.294897/
[37] https://www.tungstenringscenter.com/faq
[38] https://www.tungstenrepublic.com/tungsten-carbide-rings-faq.html
[39] https://www.larsonjewelers.com/pages/tungsten-rings-pros-cons-facts-myths
[40] https://www.bladeforums.com/threads/carbide-hardness-data.1514372/
[41] https://eternaltungsten.com/frequently-asked-questions-faqs
[42] https://www.menstungstenonline.com/frequently-asked-questions.html
[43] https://www.reddit.com/r/askscience/comments/f02z1/materials_science_question_why_does_an_extremely/
[44] https://www.tungstenringsco.com/faq
[45] https://unbreakableman.co.za/pages/all-about-tungsten-carbide-faq
[46] https://www.practicalmachinist.com/forum/threads/hardening-tungsten.405013/
[47] https://tuncomfg.com/about/faq/
[48] https://www.reddit.com/r/metallurgy/comments/ub4dg9/question_about_tungsten_carbide_toxicity/
[49] https://www.mitsubishicarbide.net/contents/mmus/enus/html/product/technical_information/information/hardness.html
[50] https://www.carbideprobes.com/wp-content/uploads/2019/07/tungstencarbidedatasheet.pdf
[51] https://www.vistametalsinc.com/tungsten-carbide-grade-chart/
[52] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[53] https://www.alamy.com/stock-photo/tungsten-carbide-tool.html
[54] https://www.alamy.com/stock-photo/tungsten-carbide.html
[55] https://konecarbide.com/what-is-tungsten-carbide/
[56] https://www.bangerter.com/en/tungsten-carbide
[57] https://www.allied-material.co.jp/en/techinfo/tungsten_carbide/features.html
[58] https://www.dymetalloys.co.uk/what-is-tungsten-carbide/tungsten-carbide-grades-applecations
[59] https://www.tungstenman.com/tungsten-carbide-hardness.html
[60] https://carbideprocessors.com/pages/carbide-parts/tungsten-carbide-selection.html
[61] https://www.tungstenworld.com/pages/faq
[62] https://tungstentitans.com/pages/faqs
[63] https://www.thermalspray.com/questions-tungsten-carbide/
[64] http://www.machinetoolrecyclers.com/rita_hayworth.html
