Menu nội dung
● Carbide vonfram là gì?
>> Tính chất hóa học
>> Tính chất vật lý
>> Độ cứng và thành phần
● Yếu tố phá vỡ
>> Thiếu tính linh hoạt
>> Sức mạnh áp lực cao
>> So sánh cacbua vonfram với các vật liệu khác
● Các yếu tố ảnh hưởng đến sự nhạy cảm của vonfram cacbua đối với việc phá vỡ
>> Thành phần và kích thước hạt
>> Sự hiện diện của chất kết dính
>> Quá trình sản xuất
>> Điều kiện môi trường
>> Ứng dụng cụ thể
● Ưu điểm của cacbua vonfram
>> Đang đeo điện trở
>> Hiệu suất nhiệt độ cao
>> Giữ chân cạnh
● Ứng dụng của cacbua vonfram
>> Công cụ cắt
>> Mặc các bộ phận
>> Trang sức
● Chiến lược giảm thiểu để ngăn chặn sự tan vỡ
>> Lựa chọn vật chất
>> Tối ưu hóa thiết kế
>> Kiểm soát quá trình sản xuất
>> Lớp phủ bảo vệ
>> Kiểm tra và bảo trì thường xuyên
● Phần kết luận
● Câu hỏi thường gặp
>> 1. Điều gì làm cho vonfram cacbua khó như vậy?
>> 2. Có phải cacbua vonfram luôn giòn không?
>> 3. Nhiệt độ ảnh hưởng đến cacbua vonfram như thế nào?
>> 4. Có thể sửa chữa cacbua vonfram nếu nó bị nứt không?
>> 5. Các lựa chọn thay thế cho cacbua vonfram là gì?
● Trích dẫn:
Vonfram cacbua là một hợp chất được tôn vinh vì độ cứng đặc biệt, khả năng chống mài mòn và tính chất nhiệt, làm cho nó trở nên cần thiết cho các ứng dụng công nghiệp khác nhau [4]. Nó được hình thành bằng cách kết hợp các nguyên tử vonfram và carbon ở các phần bằng nhau [2] [5] [6]. Trong khi độ cứng của nó là một lợi thế đáng kể, câu hỏi liệu có Các loại vỡ cacbua vonfram dễ dàng là rất quan trọng đối với các kỹ sư, nhà sản xuất và người tiêu dùng [3] [7].
Carbide vonfram là gì?
Carbide vonfram (WC) là một hợp chất hóa học vô cơ bao gồm các phần bằng nhau của các nguyên tử vonfram và carbon [5]. Thường được gọi là monocarbide vonfram, nó nổi bật là cacbua quan trọng và được sử dụng rộng rãi nhất của vonfram [5]. Carbide vonfram thường được sản xuất như một loại bột gốm siêu mịn sau đó được kết tụ hoặc hợp nhất với chất kết dính kim loại-coban, crom coban hoặc niken-để cung cấp gốm cứng với độ dẻo và khả năng phục hồi [4].
Tính chất hóa học
Có tồn tại hai hợp chất đặc trưng của vonfram và carbon: cacbua vonfram (WC) và semicarbide vonfram (W2C) [2]. Cả hai hợp chất có thể có trong các lớp phủ, với tỷ lệ của chúng khác nhau tùy thuộc vào phương pháp lớp phủ [2]. Ở nhiệt độ cao, WC phân hủy thành vonfram và carbon, một hiện tượng có thể xảy ra trong các quá trình phun nhiệt ở nhiệt độ cao như nhiên liệu oxy vận tốc cao (HVOF) và phương pháp huyết tương năng lượng cao (HEP) [2]. Quá trình oxy hóa WC bắt đầu ở 500 nhiệt600 ° C (773 Hàng873 K) [2]. Nó cho thấy khả năng kháng axit, chỉ bị tấn công bởi các hỗn hợp axit/axit nitric (HF/HNO3) của hydrofluoric trên nhiệt độ phòng [2]. Nó phản ứng với khí flo ở nhiệt độ phòng và clo trên 400 ° C (673 K) và không có khả năng làm khô H2 cho đến điểm nóng chảy của nó [2]. WC bột tinh tế oxy hóa dễ dàng trong các dung dịch nước hydro peroxide [2].
Tính chất vật lý
Carbide vonfram tự hào có điểm nóng chảy cao 2.870 ° C (3.140 K) và điểm sôi 6.000 ° C (6.270 K) dưới áp suất 1 khí quyển tiêu chuẩn (101.325 kilopascals) [2]. Nó có độ dẫn nhiệt 110 W/m · K và hệ số giãn nở nhiệt là 5,5 μm/m · k [2].
Vonfram cacbua được biết đến với độ cứng cực độ, xếp hạng từ 9.0 đến 9,5 trên thang đo MOHS và có số Vickers khoảng 2600 [2]. Mô đun của Young của nó là khoảng 530 GP700 GPa, mô đun số lượng lớn là 379 Lỗi381 GPA và mô đun cắt là 274 GPa [2]. Nó có độ bền kéo cuối cùng là 344 MPa, cường độ nén tối đa khoảng 2,7 GPa và tỷ lệ Poisson là 0,31 [2]. Tốc độ của âm thanh thông qua một thanh mỏng của cacbua vonfram là 6220 m/s [2].
Độ cứng và thành phần
Vonfram cacbua (WC) bao gồm các nguyên tử vonfram và carbon được sắp xếp theo cấu trúc tinh thể hình lục giác [4]. Hình thức phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp chứa khoảng 94% vonfram và 6% carbon theo trọng lượng [4]. Thành phần này có thể được sửa đổi bằng cách thêm các vật liệu liên kết, thường là coban hoặc niken, để tăng cường các tính chất nhất định [4]. Kết quả Cermet (composite gốm-kim loại) kết hợp độ cứng cao của cacbua vonfram gốm với độ bền của chất kết dính kim loại [4].
Yếu tố phá vỡ
Khả năng phá vỡ của các vòng cacbua vonfram bắt nguồn từ các tính chất vật lý nội tại của vật liệu [1]. Mặc dù cacbua vonfram được biết đến với độ cứng và khả năng chống trầy xước, nhưng độ cứng này khiến nó dễ bị phá vỡ trong các điều kiện cụ thể [1] [3]. Không giống như các kim loại mềm hơn có thể uốn cong và biến dạng dưới áp suất, cấu trúc của vonfram cacbua không thể hấp thụ tác động thông qua uốn cong [1] [3]. Thay vào đó, khi chịu một cú đánh mạnh hoặc áp lực cực độ, nó có thể bị nứt hoặc phá vỡ [1].
Thiếu tính linh hoạt
Vòng cacbua vonfram không dễ uốn, có nghĩa là chúng không thể dễ dàng uốn cong hoặc định hình lại mà không bị hư hại [3]. Kim loại quý khá dễ uốn, nhưng ngay cả những chiếc nhẫn vonfram chất lượng cao cũng không [3]. Sự thiếu linh hoạt này có nghĩa là họ dễ bị phá vỡ [3]. Khả năng uốn cong bảo vệ một số kim loại khỏi bị vỡ, vì vậy vì các vòng cacbua vonfram không thể làm điều này, chúng có nhiều khả năng phá vỡ [3].
Sức mạnh áp lực cao
Sức mạnh nén đề cập đến khả năng chịu được nghiền nát [3]. Kim loại giòn thường chống nén [3]. Bởi vì các vòng cacbua vonfram chống nén, chúng giòn [3].
So sánh cacbua vonfram với
| tài sản vật liệu khác |
cacbua vonfram |
bằng thép |
| Mô đun của Young |
GPA 550 |
~ 200 GPa |
| Độ cứng (MOHS) |
~ 9 |
~ 6-6,5 |
| Mật độ (g/cm³) |
~ 15.6 |
~ 7,8 |
| Điểm nóng chảy (° C) |
2.870 |
~ 1.375 |
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự nhạy cảm của vonfram cacbua đối với việc phá vỡ
Một số yếu tố quyết định làm thế nào dễ dàng vonfram cacbua có thể phá vỡ:
Thành phần và kích thước hạt
Thành phần của cacbua vonfram, cụ thể là tỷ lệ phần trăm của carbon và sự hiện diện của các vật liệu liên kết như coban hoặc niken, đóng một vai trò quan trọng [4] [5]. Kích thước hạt mịn hơn và phân phối đồng đều của pha cacbua tăng cường độ bền, trong khi hàm lượng chất kết dính cao hơn có thể cải thiện độ dẻo nhưng có thể làm giảm độ cứng [4] [5].
Sự hiện diện của chất kết dính
Trong khi cacbua vonfram nguyên chất có độ cứng tuyệt vời, nó dễ vỡ và dễ bị vỡ, đặc biệt là dưới tác động [5]. Để cải thiện độ bền và độ bền của nó, bột cacbua vonfram được trộn với chất kết dính kim loại trước khi bị thiêu kết thành các phần rắn [5].
1.Cobalt (CO)
Cobalt là chất kết dính được sử dụng rộng rãi nhất cho cacbua vonfram [5]. Carbide vonfram liên kết coban, thường được gọi đơn giản là cacbua, là tiêu chuẩn công nghiệp để cắt các công cụ và bộ phận đeo [5]. Hàm lượng coban thường dao động từ 3% đến 30% theo trọng lượng, với tỷ lệ coban cao hơn cung cấp độ bền tăng với chi phí của một số độ cứng và khả năng chống mài mòn [5]. Cobalt có đặc tính làm ướt và bám dính tuyệt vời với cacbua vonfram, cho phép sản xuất các bộ phận thiêu kết dày đặc, không có khoảng trống [5].
2.Nickel (NI)
Niken có thể phục vụ như một chất kết dính thay thế cho coban trong vật liệu tổng hợp cacbua vonfram [5]. So với coban, chất kết dính niken dẫn đến khả năng chống ăn mòn tốt hơn và cải thiện độ ổn định hóa học, đặc biệt là chống lại môi trường axit [5]. Tuy nhiên, các cacbua liên kết niken có độ cứng thấp hơn và xếp hạng điện trở hao mòn [5]. Niken đôi khi được sử dụng cùng với coban để điều chỉnh các tính chất của composite cacbua vonfram [5].
3. Binder khác
Các kim loại khác, chẳng hạn như crom và sắt, ít được sử dụng làm chất kết dính duy nhất nhưng có thể được kết hợp với coban hoặc niken để truyền đạt các tính chất cụ thể [5]:
- Chromium tăng cường tính chống ăn mòn và oxy hóa của composite cacbua vonfram. Nó thường được sử dụng kết hợp với chất kết dính niken [5].
- Sắt có thể phục vụ như một sự thay thế kinh tế hoặc bổ sung cho các chất kết dính coban. Cacbua ferro-girbide có độ cứng thấp hơn nhưng độ bền cao hơn so với các lớp liên kết coban [5].
Quá trình sản xuất
Phương pháp được sử dụng để sản xuất các bộ phận cacbua vonfram ảnh hưởng đáng kể đến khả năng kháng của chúng đối với việc phá vỡ [4]. Các quá trình như thiêu kết, ép nóng và phun nhiệt có thể khiến các khiếm khuyết hoặc ứng suất dư làm tổn hại đến tính toàn vẹn của vật liệu [7]. Kiểm soát đúng nhiệt độ, áp suất và khí quyển trong quá trình sản xuất là điều cần thiết để giảm thiểu các vấn đề này [7].
Điều kiện môi trường
Nhiệt độ khắc nghiệt, các chất ăn mòn và môi trường tác động cao đều có thể góp phần vào sự thất bại của các thành phần cacbua vonfram [2] [7]. Nhiệt độ cao có thể làm giảm độ cứng và sức mạnh của vật liệu, trong khi các chất ăn mòn có thể làm giảm pha chất kết dính, dẫn đến nứt và vỡ cuối cùng [2].
Ứng dụng cụ thể
Loại và cường độ ứng suất áp dụng cho cacbua vonfram trong ứng dụng dự định của nó là các yếu tố quan trọng [7]. Các ứng suất nén thường được dung nạp tốt, nhưng ứng suất kéo và cắt có thể bắt đầu các vết nứt, đặc biệt là trong các thành phần có các góc nhọn hoặc các bộ tập trung ứng suất khác [3].
Ưu điểm của cacbua vonfram
Mặc dù nhạy cảm với việc tan vỡ trong một số điều kiện nhất định, vonfram carbide mang lại nhiều lợi thế [4]:
Đang đeo điện trở
Khả năng chống mòn và ăn mòn cao của cacbua là một trong những tính năng nổi bật của nó [4] [7]. Nó có thể chịu đựng được tiếp xúc kéo dài với môi trường mài mòn mà không bị suy thoái đáng kể, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ngành công nghiệp nơi thiết bị chịu ma sát liên tục và tiếp xúc với các chất ăn mòn [7]. Mặc dù ban đầu đắt tiền hơn, cacbua vonfram tiết kiệm tiền theo thời gian do độ bền và nhu cầu bảo trì giảm [7]. Tuổi thọ mở rộng của các công cụ và thành phần chuyển thành tiết kiệm chi phí và tăng hiệu quả hoạt động [7].
Hiệu suất nhiệt độ cao
Carbua vonfram có thể hoạt động tốt ngay cả ở nhiệt độ rất cao, duy trì độ cứng và sức mạnh của nó [7]. Nó có một điểm nóng chảy vượt quá 2.870 ° C (5.200 ° F), cho phép nó giữ được tính toàn vẹn cấu trúc của nó ở nhiệt độ cao [2] [6] [7]. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng như cắt và khoan, trong đó các công cụ thường gặp phải nhiệt cao do ma sát [7]. Tính ổn định nhiệt của vonfram cacbide đảm bảo hiệu suất nhất quán và giảm nguy cơ thất bại trong công cụ trong các nhiệm vụ đòi hỏi [7].
Giữ chân cạnh
Các công cụ vonfram cacbua giữ sắc nét lâu hơn, dẫn đến việc cắt giảm sạch hơn và hoạt động hiệu quả hơn [7]. Khi được sử dụng làm vật liệu phủ, cacbua vonfram cung cấp cường độ liên kết cao và ứng suất dư thấp, đặc biệt khi được áp dụng bằng quá trình phun nhiệt Oxy (HVOF) vận tốc cao [7]. Quá trình này dẫn đến các lớp phủ dày đặc, gắn kết với độ xốp tối thiểu, tăng cường khả năng chống mài mòn và độ bền của các thành phần phủ [7]. Các tính chất này làm cho lớp phủ cacbua vonfram trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi bảo vệ bề mặt mạnh mẽ và đáng tin cậy [7].
Ứng dụng của cacbua vonfram
Carbide vonfram được sử dụng trên các ngành công nghiệp khác nhau do các đặc tính độc đáo của nó [4]:
Công cụ cắt
Carbide vonfram được sử dụng rộng rãi trong các công cụ cắt để gia công, khoan và phay [5] [7]. Độ cứng và điện trở hao mòn của nó đảm bảo rằng các công cụ này duy trì một cạnh sắc nét, ngay cả ở tốc độ và nhiệt độ cao [7].
Mặc các bộ phận
Các thành phần được làm từ cacbua vonfram được sử dụng trong các ứng dụng trong đó khả năng chống mài mòn và xói mòn là rất quan trọng [4]. Các ví dụ bao gồm vòi phun, vòng bi và các thành phần bơm được sử dụng trong các ngành công nghiệp dầu khí, khai thác và hóa học [4].
Trang sức
Vonfram cacbua đã trở thành một vật liệu phổ biến cho các vòng và các vật dụng trang sức khác do khả năng chống trầy xước và độ bền của nó [1] [3]. Mặc dù nó có thể phá vỡ dưới tác động đáng kể, độ cứng của nó đảm bảo nó không bị trầy xước dưới sự hao mòn bình thường [1].
Chiến lược giảm thiểu để ngăn chặn sự tan vỡ
Để ngăn chặn các thành phần cacbua vonfram phá vỡ, một số chiến lược có thể được sử dụng:
Lựa chọn vật chất
Chọn loại cacbua vonfram thích hợp cho một ứng dụng cụ thể là rất quan trọng [4] [5]. Các yếu tố cần xem xét bao gồm hàm lượng chất kết dính, kích thước hạt và sự hiện diện của các yếu tố hợp kim khác [4].
Tối ưu hóa thiết kế
Thiết kế các thành phần với các góc tròn và chuyển tiếp trơn tru có thể làm giảm nồng độ ứng suất, giảm thiểu nguy cơ bắt đầu vết nứt [3]. Tránh các cạnh sắc nét và thay đổi đột ngột trong hình học là điều cần thiết [3].
Kiểm soát quá trình sản xuất
Thực hiện các biện pháp kiểm soát nghiêm ngặt trong quá trình sản xuất có thể giảm thiểu các khuyết tật và ứng suất dư [4]. Điều này bao gồm giám sát cẩn thận nhiệt độ, áp suất và khí quyển trong quá trình thiêu kết và các bước chế tạo khác [7].
Lớp phủ bảo vệ
Áp dụng các lớp phủ bảo vệ, chẳng hạn như carbon giống như kim cương (DLC) hoặc lớp phủ gốm, có thể tăng cường độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của các thành phần vonfram cacbua, cung cấp thêm một lớp bảo vệ chống vỡ [4] [7].
Kiểm tra và bảo trì thường xuyên
Thường xuyên kiểm tra các thành phần cacbua vonfram cho các dấu hiệu hao mòn, vết nứt hoặc thiệt hại khác có thể giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn trước khi chúng dẫn đến thất bại thảm khốc. Việc thực hiện một chương trình bảo trì chủ động có thể mở rộng tuổi thọ của các thành phần này và ngăn chặn thời gian chết bất ngờ [7].
Phần kết luận
Tóm lại, trong khi cacbua vonfram đặc biệt cứng và chống mài mòn, thì nó cũng dễ bị vỡ trong các điều kiện cụ thể [1] [3]. Việc thiếu độ trung bình và cường độ nén cao có nghĩa là các cú đánh mạnh hoặc áp lực cực độ có thể khiến nó bị nứt hoặc vỡ [1] [3]. Các yếu tố như thành phần, quy trình sản xuất, điều kiện môi trường và ứng suất cụ thể đều đóng một vai trò trong việc xác định khả năng phá vỡ của nó [4] [7].
Mặc dù có giới hạn này, những lợi thế của cacbua vonfram, bao gồm khả năng chống mài mòn, hiệu suất nhiệt độ cao và khả năng giữ cạnh, khiến nó không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp [7]. Bằng cách hiểu các yếu tố góp phần phá vỡ và thực hiện các chiến lược giảm thiểu phù hợp, các kỹ sư và nhà sản xuất có thể tối đa hóa tuổi thọ và độ tin cậy của các thành phần vonfram cacbua [4]. Kiểm tra thường xuyên, lựa chọn vật liệu cẩn thận, tối ưu hóa thiết kế và các quy trình sản xuất được kiểm soát là rất cần thiết để ngăn ngừa thất bại và đảm bảo hiệu suất tối ưu [7].
Câu hỏi thường gặp
1. Điều gì làm cho vonfram cacbua khó như vậy?
Độ cứng của vonfram cacbua xuất phát từ các liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ giữa các nguyên tử vonfram và carbon trong cấu trúc tinh thể hình lục giác của nó [4] [5]. Cấu trúc này cung cấp khả năng chống biến dạng và hao mòn đặc biệt [4].
2. Có phải cacbua vonfram luôn giòn không?
Mặc dù cacbua vonfram vốn đã dễ vỡ, độ dẻo dai của nó có thể được cải thiện bằng cách thêm chất kết dính kim loại như coban hoặc niken [5]. Hàm lượng chất kết dính và kích thước hạt ảnh hưởng đến độ giòn tổng thể của vật liệu [5].
3. Nhiệt độ ảnh hưởng đến cacbua vonfram như thế nào?
Carbide vonfram duy trì độ cứng và cường độ của nó ở nhiệt độ cao, với điểm nóng chảy là 2.870 ° C (5.200 ° F) [2] [6] [7]. Tuy nhiên, nhiệt độ khắc nghiệt có thể làm giảm sức mạnh tổng thể của nó và làm tăng tính nhạy cảm của nó đối với quá trình oxy hóa [2].
4. Có thể sửa chữa cacbua vonfram nếu nó bị nứt không?
Sửa chữa cacbua vonfram bị nứt là một thách thức do độ cứng và độ giòn của nó [3]. Các kỹ thuật chuyên dụng như hàn hoặc liên kết dính có thể được sử dụng trong một số trường hợp, nhưng thành phần đã sửa chữa có thể không có độ bền và độ bền giống như ban đầu [3].
5. Các lựa chọn thay thế cho cacbua vonfram là gì?
Các lựa chọn thay thế cho cacbua vonfram bao gồm thép tốc độ cao, gốm sứ và lớp phủ kim cương [5]. Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể, bao gồm độ cứng, khả năng chống mài mòn và chi phí [5].
Trích dẫn:
[1)
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[3] https://www.iconicjewelry.com/tungsten-gr
[4] https://www.linde-amt.com/resource-library/articles/tungsten-carbide
[5] https://cowseal.com/tungsten-vs-pungsten-carbide/
[6] https://www.vedantu.com/chemology/tungsten-carbide
.
[8] http://www.tungsten-carbide.com.cn
