The Century of Hardness: A History of Tungsten Carbide

Fra lyspærer til steinøvelser: The Discovery

Historien om wolframkarbid (WC) er en industriell nødvendighet som driver et gjennombrudd innen materialvitenskap.

Elementet Tungsten

Reisen begynner på 1700-tallet med oppdagelsen av grunnstoffet Tungsten (W) . Kjent for sin utrolige tetthet og høyeste smeltepunkt av alle metaller (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for filamenter i glødepærer tidlig på 1900-tallet. Prosessen med å trekke dette utrolig tøffe metallet inn i fine ledninger krevde dyser som var nesten like harde som diamant.

Fødselen av sementert karbid

Det avgjørende gjennombruddet skjedde i Tyskland på 1920-tallet . Ingeniører ved det elektriske pærefirmaet Osram søkte desperat etter et billigere, tøffere alternativ til de dyre diamantformene som ble brukt til å trekke wolframtråd. Dette behovet førte til oppfinnelsen av sementert karbid (eller hardmetall) av Karl Schröter.

• Ideen: Kombiner den ekstreme hardheten til wolframkarbid (WC) pulver med et duktilt, metallisk "lim"— kobolt .
• Resultatet: Det første moderne hardmetallet: et komposittmateriale med ripebestandighet til keramikk, men metallets seighet og slagfasthet. Dette revolusjonerende materialet erstattet raskt diamant i tegnematriser og spredte seg snart til den bredere verden av skjæring og boring.

The Science of Strength: Hvorfor WC er så vanskelig

Hva gir wolframkarbid sin diamantlignende hardhet? Svaret ligger i bindingen på atomnivå mellom wolfram- og karbonatomene.

Krystallstrukturen

Wolframkarbid danner et unikt krystallgitter. I forbindelsen (WC) passer karbonatomene inn i mellomrommene mellom de mye større wolframatomene. Den resulterende strukturen har ekstremt sterk kovalente bindinger mellom wolfram og karbon, kombinert med sterk metalliske bindinger mellom wolframatomene selv.

Denne kombinasjonen er det som skaper de berømte egenskapene:

• Ekstrem hardhet: Den sterke, retningsgivende kovalente bindinger motstå deformasjon og riper. Det scorer vanligvis 9 til 9,5 på Mohs-skalaen , nest etter diamant (10).
• Høy styrke og seighet: Det metalliske kobolt binder som holder WC-partiklene sammen gir det nødvendige seighet -en motstand mot brudd eller knusing under støt - som rent, sprøtt wolframkarbidpulver ville mangle.

De fine partiklene av wolframkarbid er spredt gjennom koboltmatrisen, og skaper en metallmatrise kompositt som er langt overlegen ethvert enkelt materiale for tunge applikasjoner.

Wolframkarbid i den moderne verden: industriell transformasjon

Den utbredte bruken av sementert karbid førte til en industriell revolusjon, som økte produktiviteten i nesten alle tungindustrier.

Effektivitet i maskinering

Wolframkarbidverktøy kan opprettholde en skarp kant ved temperaturer som vil føre til at et tradisjonelt stålverktøy raskt blir matt (en egenskap som kalles varm hardhet ).

• Virkning: Dette gjør det mulig for produsenter å øke skjærehastigheter og matehastigheter på dreiebenker og fresemaskiner opptil fem ganger raskere enn med høyhastighets stålverktøy (HSS), noe som drastisk reduserer produksjonstid og kostnader.

Dominans i gruvedrift

I ressurssektoren er wolframkarbidspisser bokstavelig talt tygger gjennom planetens tøffeste materialer.

• Bergboring: Bits brukt til olje- og gassleting, samt steinbryting, er besatt med WC-innsatser. Disse bitene kan vare 10 ganger lenger enn stålverktøy, noe som reduserer kostbar nedetid for vedlikehold.
• Konstruksjon: Tunnelboremaskiner (TBM-er) er avhengige av skiver med tungstenkarbidspiss for å slipe gjennom fjell og legge nye T-banetunneler eller infrastruktur.

Den tøffeste konkurransen: VM vs. Titanium

Selv om de ofte forveksles, tjener wolframkarbid og titan svært forskjellige formål på grunn av deres kjerneegenskaper.

Kort sagt, hvis du trenger et lett, slagfast materiale (som for en flyvinge eller et kroppsimplantat), velger du Titanium . Hvis du trenger det hardeste, mest slitebestandige materialet for å kutte eller slipe noe, velger du Tungsten Carbide .