Thế kỷ của độ cứng: Lịch sử của cacbua vonfram

Từ bóng đèn đến máy khoan đá: Khám phá

Câu chuyện về cacbua vonfram (WC) là một trong những nhu cầu công nghiệp thúc đẩy sự đột phá trong khoa học vật liệu.

Vonfram nguyên tố

Cuộc hành trình bắt đầu vào thế kỷ 18 với việc khám phá ra nguyên tố Vonfram (W) . Được biết đến với mật độ đáng kinh ngạc và điểm nóng chảy cao nhất của tất cả các kim loại (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for dây tóc trong bóng đèn sợi đốt vào đầu những năm 1900. Quá trình kéo kim loại cực kỳ cứng này thành những sợi dây mảnh đòi hỏi những khuôn có độ cứng gần bằng kim cương.

Sự ra đời của cacbua xi măng

Bước đột phá quan trọng xảy ra vào Đức những năm 1920 . Các kỹ sư tại công ty bóng đèn điện Osram đang nỗ lực tìm kiếm một giải pháp thay thế rẻ hơn, bền hơn cho khuôn kim cương đắt tiền dùng để kéo dây vonfram. Nhu cầu này đã dẫn đến việc phát minh ra cacbua xi măng (hoặc kim loại cứng) của Karl Schröter.

• Ý tưởng: Kết hợp độ cứng cực cao của bột cacbua vonfram (WC) với “keo” kim loại dẻo— coban .
• Kết quả: Kim loại cứng hiện đại đầu tiên: vật liệu composite có khả năng chống trầy xước của gốm nhưng có độ bền và khả năng chống va đập của kim loại. Vật liệu mang tính cách mạng này nhanh chóng thay thế kim cương trong khuôn vẽ và nhanh chóng lan rộng sang thế giới cắt và khoan rộng hơn.

Khoa học về sức mạnh: Tại sao WC lại khó đến vậy

Điều gì mang lại cho cacbua vonfram độ cứng giống như kim cương? Câu trả lời nằm ở liên kết cấp độ nguyên tử giữa nguyên tử vonfram và carbon.

Cấu trúc tinh thể

Cacbua vonfram tạo thành một mạng tinh thể độc đáo. Trong hợp chất (WC), các nguyên tử cacbon vừa khít với khoảng trống giữa các nguyên tử vonfram lớn hơn nhiều. Cấu trúc kết quả có tính năng cực kỳ mạnh mẽ liên kết cộng hóa trị giữa vonfram và carbon, kết hợp với sức mạnh liên kết kim loại giữa các nguyên tử vonfram.

Sự kết hợp này là thứ tạo nên những đặc tính nổi tiếng:

• Độ cứng cực cao: Mạnh mẽ, có tính định hướng liên kết cộng hóa trị chống biến dạng và trầy xước. Nó thường ghi điểm 9 đến 9,5 trên thang Mohs , chỉ đứng sau kim cương (10).
• Độ bền và độ dẻo dai cao: Kim loại coban binder giữ các hạt WC lại với nhau cung cấp những yếu tố cần thiết sự dẻo dai — khả năng chống vỡ hoặc vỡ khi va chạm — điều mà bột cacbua vonfram nguyên chất, giòn sẽ thiếu.

Các hạt mịn của cacbua vonfram được phân tán khắp nền coban, tạo ra hỗn hợp ma trận kim loại vượt trội hơn nhiều so với bất kỳ vật liệu đơn lẻ nào dành cho các ứng dụng hạng nặng.

Cacbua vonfram trong thế giới hiện đại: Chuyển đổi công nghiệp

Việc áp dụng rộng rãi cacbua xi măng đã dẫn đến một cuộc cách mạng công nghiệp, nâng cao năng suất ở hầu hết các ngành công nghiệp nặng.

Hiệu quả trong gia công

Dụng cụ bằng cacbua vonfram có thể duy trì lưỡi sắc bén ở nhiệt độ có thể khiến dụng cụ bằng thép truyền thống nhanh chóng bị cùn (một đặc tính được gọi là độ cứng nóng ).

• Tác động: Điều này cho phép các nhà sản xuất tăng tốc độ cắt và tốc độ tiến dao trên máy tiện và máy phay nhanh hơn tới năm lần so với các công cụ thép tốc độ cao (HSS), giúp giảm đáng kể thời gian và chi phí sản xuất.

Sự thống trị trong khai thác mỏ

Trong lĩnh vực tài nguyên, lời khuyên cacbua vonfram theo nghĩa đen là nhai qua vật liệu cứng nhất của hành tinh.

• Khoan đá: Các mũi khoan được sử dụng để thăm dò dầu khí, cũng như phá đá, được đính các miếng chèn WC. Những bit này có thể tồn tại dài hơn 10 lần hơn các công cụ bằng thép, giảm thời gian ngừng hoạt động tốn kém để bảo trì.
• Xây dựng: Máy khoan đường hầm (TBM) dựa vào các đĩa có đầu bằng cacbua vonfram để nghiền xuyên qua các ngọn núi và xây dựng các đường hầm hoặc cơ sở hạ tầng tàu điện ngầm mới.

Cuộc cạnh tranh khốc liệt nhất: WC vs Titan

Mặc dù thường bị nhầm lẫn, cacbua vonfram và titan phục vụ các mục đích rất khác nhau do tính chất cốt lõi của chúng.

Tóm lại, nếu bạn cần vật liệu nhẹ, chống va đập (như làm cánh máy bay hay bộ phận cấy ghép vào cơ thể) thì bạn chọn Titanium . Nếu bạn cần vật liệu cứng nhất, chống mài mòn nhất để cắt hoặc mài thứ gì đó, bạn chọn Cacbua vonfram .