The Century of Hardness: A History of Tungsten Carbide

Från glödlampor till bergövningar: Upptäckten

Berättelsen om volframkarbid (WC) är en industriell nödvändighet som driver ett genombrott inom materialvetenskap.

Elementet Tungsten

Resan börjar på 1700-talet med upptäckten av grundämnet Tungsten (W) . Känd för sin otroliga täthet och högsta smältpunkten av alla metaller (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for filament i glödlampor i början av 1900-talet. Processen att dra denna otroligt tuffa metall till fina trådar krävde formar som var nästan lika hårda som diamant.

Födelsen av hårdmetall

Det avgörande genombrottet inträffade i Tyskland på 1920-talet . Ingenjörer på glödlampsföretaget Osram letade desperat efter ett billigare, tuffare alternativ till de dyra diamantformarna som används för att dra volframtråd. Detta behov ledde till uppfinningen av hårdmetall (eller hårdmetall) av Karl Schröter.

• Idén: Kombinera den extrema hårdheten hos volframkarbidpulver (WC) med ett segt, metalliskt "lim"— kobolt .
• Resultatet: Den första moderna hårdmetallen: ett kompositmaterial med keramisk reptålighet men metallens seghet och slagtålighet. Detta revolutionerande material ersatte snabbt diamant i ritformar och spred sig snart till den bredare världen av skärning och borrning.

Vetenskapen om styrka: varför WC är så svårt

Vad ger volframkarbid dess diamantliknande hårdhet? Svaret ligger i bindningen på atomnivå mellan volfram- och kolatomerna.

Kristallstrukturen

Volframkarbid bildar ett unikt kristallgitter. I föreningen (WC) passar kolatomerna in i utrymmena mellan de mycket större volframatomerna. Den resulterande strukturen är extremt stark kovalenta bindningar mellan volfram och kol, kombinerat med stark metalliska bindningar mellan volframatomerna själva.

Denna kombination är vad som skapar de berömda egenskaperna:

• Extrem hårdhet: Den starka, riktade kovalenta bindningar motstå deformation och repor. Det brukar få poäng 9 till 9,5 på Mohs-skalan , näst efter diamant (10).
• Hög styrka och seghet: Det metalliska kobolt binder som håller ihop WC-partiklarna ger det nödvändiga seghet — en motståndskraft mot att gå sönder eller splittras vid stötar — vilket rent, sprött volframkarbidpulver skulle sakna.

De fina partiklarna av volframkarbid sprids genom koboltmatrisen, vilket skapar en metallmatriskomposit som är mycket överlägsen något enskilt material för tunga applikationer.

Volframkarbid i den moderna världen: industriell transformation

Den utbredda användningen av hårdmetall ledde till en industriell revolution som ökade produktiviteten inom nästan alla tunga industrier.

Effektivitet vid bearbetning

Volframkarbidverktyg kan bibehålla en skarp egg vid temperaturer som skulle få ett traditionellt stålverktyg att snabbt mattas (en egenskap som kallas varm hårdhet ).

• Effekt: Detta gör det möjligt för tillverkare att öka skärhastigheter och matningshastigheter på svarvar och fräsmaskiner upp till fem gånger snabbare än med verktyg i höghastighetstål (HSS), vilket drastiskt minskar produktionstid och kostnader.

Dominans i gruvdrift

Inom resurssektorn är volframkarbidspetsar bokstavligen tuggar igenom planetens tuffaste material.

• Bergborrning: Bits som används för olje- och gasprospektering, samt stenbrytning, är besatt med WC-insatser. Dessa bitar kan hålla 10 gånger längre än stålverktyg, vilket minskar kostsamma stilleståndstider för underhåll.
• Konstruktion: Tunnelborrmaskiner (TBM) är beroende av hårdmetallskivor för att slipa genom berg och lägga nya tunnelbanetunnlar eller infrastruktur.

Den tuffaste tävlingen: VM vs. Titan

Även om de ofta förväxlas, tjänar volframkarbid och titan mycket olika syften på grund av deras kärnegenskaper.

Kort sagt, om du behöver ett lätt, slagtåligt material (som för en flygplansvinge eller ett kroppsimplantat), väljer du Titanium . Om du behöver det hårdaste, mest nötningsbeständiga materialet för att skära eller slipa något väljer du Volframkarbid .