Globalne dążenie do ekstremalnej trwałości
W świecie produkcji, górnictwa i lotnictwa nie ma nic cenniejszego niż trwałość . Za każdym razem, gdy wiertło pęka, łopatka turbiny ulega erozji lub zużywa się łożysko, kosztuje to czas, pieniądze i wydajność. Przez dziesięciolecia inżynierowie gonili za marzeniem o materiale o wytrzymałości metalu i twardości cięcia diamentu.
To dążenie doprowadziło do rozwoju węgliki spiekane , rewolucyjna klasa materiałów kompozytowych, które stanowią serce nowoczesnych supernarzędzi. Punktem wyjścia dla prawie wszystkich tych materiałów jest precyzyjnie dobrany składnik: Proszek kompozytowy z węglika .
Czym dokładnie jest proszek kompozytowy z węglików spiekanych?
Prosty metal lub czysty materiał ceramiczny rzadko posiada idealne połączenie właściwości potrzebnych w zastosowaniach wymagających dużych naprężeń. Metale są wytrzymałe i odplubne na pękanie, ale często są miękkie i szybko się zużywają. Ceramika, podobnie jak czyste węgliki, jest niezwykle twarda, ale zazwyczaj jest krucha.
Proszek kompozytowy z węglika to opracowana mieszanka, która łączy w sobie to, co najlepsze z obu światów, zgodnie z zasadą „kompozytu”, zgodnie z którą końcowy materiał jest lepszy od jego składników.
Dwie zasadnicze fazy
Proszek jest mikroskopijną mieszaniną dwóch odrębnych składników, z których każdy odgrywa istotną rolę:
1. Faza twarda: ziarno węglika
Ta faza zapewnia materiałowi legendarność twardość i odporność na zużycie. Najczęściej składa się z mikroskopijnych cząstek węglika metalu Węglik wolframu (WC) . Węglik wolframu to związek ceramiczny, który w skali twardości plasuje się tuż za diamentem. Te sztywne, kanciaste ziarna są końmi pociągowymi, które wykonują cięcie, wiercenie i szlifowanie. Inne węgliki, takie jak węglik tytanu (TiC) lub węglik chromu (CrC), są czasami stosowane w celu poprawy określonych właściwości, takich jak odporność na korozję.
2. Faza spoiwa: Klej metaliczny
Zazwyczaj twarde ziarna węglika miesza się z proszkiem metalicznym Kobalt (Co) , ale czasami nikiel (Ni) lub żelazo (Fe). To jest spoiwo — „klej”, który spaja cząsteczki ceramiki. Bez niego węglik byłby zbyt kruchy i rozpadał się pod wpływem uderzenia. Spoiwo zapewnia to, co najważniejsze wytrzymałość i odporność na pękanie.
Stosunek twardego węglika do bardziej miękkiego, metalicznego spoiwa jest precyzyjnie kontrolowany, aby uzyskać różne gatunki materiału. Więcej spoiwa oznacza twardszy materiał, który jest lepiej odporny na wstrząsy, natomiast mniej spoiwa i mniejsze ziarna węglika dają twardszy i bardziej odporny na zużycie materiał.
Od proszku do narzędzia: proces spiekania
W jaki sposób ten sypki proszek przekształca się w stały przedmiot, który może przeciąć stal? Proces nazywa się spiekanie , forma metalurgii proszków.
1. Mieszanie i prasowanie (stan „zielony”)
Po pierwsze, Proszek kompozytowy z węglika jest dokładnie mieszany, często z organicznym środkiem do prasowania, a następnie prasowany pod wysokim ciśnieniem do pożądanego kształtu. Ten wstępnie spiekany obiekt, zwany „zieloną wypraską”, jest kruchy i przypomina kredę.
2. Spiekanie i cementowanie
Następnie zieloną wypraskę umieszcza się w piecu o wysokiej temperaturze i kontrolowanej atmosferze. Ogrzewa się go do temperatury powyżej temperatury topnienia spoiwa (kobalt), ale poniżej temperatury topnienia węglika (węglik wolframu). Spoiwo topi się i przepływa przez strukturę, rozpuszczając, a następnie ponownie wytrącając ziarna węglika, cementując je razem po ochłodzeniu. Tworzy to gęsty, solidny materiał, w którym ziarna twardego węglika są otoczone i podtrzymywane przez metaliczne spoiwo – końcowe, niewiarygodnie mocne węglik spiekany or hardmetal .
Niezbędne zastosowania kompozytów węglikowych
Powstały materiał charakteryzuje się wyjątkową kombinacją wysokiej twardości, wysokiej wytrzymałości na ściskanie i dobrej wytrzymałości, co czyni go niezbędnym do niezliczonych zadań przemysłowych:
- Narzędzia tnące: Płytki skrawające i końcówki stosowane w obróbce szybkościowej (tokarki, frezarki) wykonane są niemal wyłącznie z węglika spiekanego. Umożliwiają producentom cięcie, kształtowanie i wykańczanie twardych metali znacznie szybciej niż tradycyjne narzędzia stalowe.
- Górnictwo i wiercenie: Wiertła do skał, płytki do maszyn do wiercenia tuneli oraz wiertła do wiercenia ropy i gazu wykorzystują końcówki z węglika, aby wytrzymać ekstremalne ścieranie i uderzenia podczas przecinania skał i ziemi.
- Części eksploatacyjne: Wszędzie tam, gdzie części ocierają się o siebie pod dużym obciążeniem, np. łożyska, uszczelnienia, elementy pomp i dysze, są one chronione węglikiem spiekanym.
- Powłoki powierzchniowe: Proszki kompozytowe węglika są również natryskiwane na elementy metalowe (np. podwozie samolotu, łopatki turbin) przy użyciu technik takich jak natryskiwanie paliwa tlenowego o dużej prędkości (HVOF) w celu utworzenia niezwykle twardych, ochronnych powłok odpornych na erozję i korozję.
Zapewniając zrównoważony materiał, który oferuje ostrość ceramiki i odporność metalu, Proszek kompozytowy z węglika naprawdę daje przemysłowi niezniszczalną przewagę potrzebną do budowania nowoczesnego świata.
