قرن الصلابة: تاريخ كربيد التنغستن

من المصابيح الكهربائية إلى تدريبات الصخور: الاكتشاف

تعتبر قصة كربيد التنغستن (WC) إحدى الضرورة الصناعية التي تقود إلى طفرة في علم المواد.

عنصر التنغستن

تبدأ الرحلة في القرن الثامن عشر باكتشاف العنصر التنغستن (ث) . معروف بكثافته المذهلة و أعلى نقطة انصهار لجميع المعادن (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for خيوط في المصابيح المتوهجة في أوائل القرن العشرين. تتطلب عملية سحب هذا المعدن القوي بشكل لا يصدق إلى أسلاك دقيقة قوالب ذات صلابة تعادل صلابة الماس تقريبًا.

ولادة كربيد الأسمنت

حدث الاختراق الحاسم في ألمانيا في العشرينيات . كان المهندسون في شركة المصابيح الكهربائية أوسرام يبحثون بشدة عن بديل أرخص وأكثر صرامة لقوالب الألماس الباهظة الثمن المستخدمة في سحب سلك التنغستن. هذه الحاجة أدت إلى اختراع كربيد الأسمنت (أو المعدن الصلب) بواسطة كارل شروتر.

• الفكرة: اجمع بين الصلابة الشديدة لمسحوق كربيد التنجستن (WC) مع "غراء" معدني مرن - الكوبالت .
• النتيجة: أول معدن صلب حديث: مادة مركبة تتميز بمقاومة السيراميك للخدش وصلابة المعدن ومقاومته للصدمات. وسرعان ما حلت هذه المادة الثورية محل الماس في قوالب السحب وسرعان ما انتشرت إلى عالم القطع والحفر الأوسع.

علم القوة: لماذا يعتبر المرحاض صعبًا للغاية

ما الذي يعطي كربيد التنغستن صلابته الشبيهة بالماس؟ تكمن الإجابة في الترابط على المستوى الذري بين ذرات التنغستن والكربون.

الهيكل البلوري

يشكل كربيد التنغستن شبكة بلورية فريدة من نوعها. في المركب (WC)، تتناسب ذرات الكربون مع الفراغات الموجودة بين ذرات التنغستن الأكبر حجمًا. ويتميز الهيكل الناتج بأنه قوي للغاية الروابط التساهمية بين التنغستن والكربون، جنبا إلى جنب مع قوي روابط معدنية بين ذرات التنغستن نفسها.

هذا المزيج هو ما يخلق الخصائص الشهيرة:

• صلابة شديدة: القوي، الاتجاهي الروابط التساهمية مقاومة التشوه والخدش. وعادة ما يسجل من 9 إلى 9.5 على مقياس موس ، في المرتبة الثانية بعد الماس (10).
• قوة عالية ومتانة: المعدني الكوبالت binder الذي يجمع جزيئات WC معًا يوفر ما يلزم المتانة - مقاومة للكسر أو التحطيم تحت التأثير - والتي يفتقر إليها مسحوق كربيد التنجستن النقي والهش.

يتم توزيع الجزيئات الدقيقة من كربيد التنغستن في جميع أنحاء مصفوفة الكوبالت، مما يؤدي إلى تكوين أ مركب مصفوفة معدنية وهو أعلى بكثير من أي مادة واحدة للتطبيقات الثقيلة.

كربيد التنغستن في العالم الحديث: التحول الصناعي

أدى اعتماد الكربيد الأسمنتي على نطاق واسع إلى ثورة صناعية، مما أدى إلى زيادة الإنتاجية في كل الصناعات الثقيلة تقريبًا.

الكفاءة في التصنيع

يمكن لأدوات كربيد التنغستن أن تحافظ على حافة حادة عند درجات حرارة من شأنها أن تتسبب في إضعاف أداة الفولاذ التقليدية بسرعة (خاصية تسمى صلابة ساخنة ).

• التأثير: يتيح ذلك للمصنعين زيادة سرعات القطع ومعدلات التغذية على المخارط وآلات الطحن ما يصل إلى خمس مرات أسرع مقارنة بأدوات الفولاذ عالية السرعة (HSS)، مما يقلل بشكل كبير من وقت الإنتاج وتكاليفه.

الهيمنة في التعدين

في قطاع الموارد، نصائح كربيد التنغستن هي حرفيا مضغ من خلال أصعب المواد على الكوكب.

• حفر الصخور: القطع المستخدمة في التنقيب عن النفط والغاز، بالإضافة إلى تكسير الصخور، مرصعة بإدخالات المراحيض. هذه القطع يمكن أن تستمر 10 مرات أطول من الأدوات الفولاذية، مما يقلل من وقت التوقف عن العمل المكلف للصيانة.
• البناء: تعتمد آلات حفر الأنفاق (TBMs) على أقراص ذات رؤوس من كربيد التنغستن للطحن عبر الجبال وإنشاء أنفاق جديدة لمترو الأنفاق أو البنية التحتية.

المنافسة الأصعب: المرحاض مقابل التيتانيوم

على الرغم من الخلط في كثير من الأحيان، فإن كربيد التنغستن والتيتانيوم يخدمان أغراضًا مختلفة جدًا نظرًا لخصائصهما الأساسية.

باختصار، إذا كنت بحاجة إلى مادة خفيفة الوزن ومقاومة للصدمات (مثل جناح الطائرة أو غرسة الجسم)، فعليك الاختيار التيتانيوم . إذا كنت بحاجة إلى المواد الأكثر صلابة ومقاومة للتآكل لقطع أو طحن شيء ما، فعليك الاختيار كربيد التنغستن .