Karbid volfrámu

Vysoká tvrdosť
Karbid volfrámu je extrémne tvrdý materiál, ktorý je až po diamante. Tvrdosť karbidu volfrámu z neho robí ideálny materiál pre rezné a obrábacie nástroje. Tvrdosť je dôležitou vlastnosťou karbidu volfrámu, ktorá je testovaná Rockwellovým tvrdomerom. Špicatý diamantový indentor je vtlačený do karbidu volfrámu a hĺbka otvoru je mierou tvrdosti. Pri výrobe karbidu volfrámu ovplyvní tvrdosť veľa faktorov, ako je množstvo kobaltu, veľkosť zrna, množstvo uhlíka a tiež výrobný proces.

Vysoký bod topenia
Karbid volfrámu má teplotu topenia približne 5 700 stupňov, čo je výrazne vyššia teplota ako teplota topenia väčšiny ostatných kovov. Tento vysoký bod topenia robí karbid volfrámu ideálnym na použitie vo vysokoteplotných aplikáciách. Vysoká teplota topenia spôsobuje, že karbid volfrámu nemožno vyrobiť bežnou technológiou kovania. Výrobky z karbidu volfrámu sa vyrábajú práškovou metalurgiou, miešaním, mletím, zhutňovaním, spekaním a kontrolou.

Chemicky stabilný
Karbid volfrámu sa skladá z atómov volfrámu a uhlíka, ktoré sú stabilné voči kyslíku a iným prvkom. Karbid volfrámu je vysoko odolný voči chemickému napadnutiu a nekoroduje vo väčšine prostredí. Táto chemická inertnosť robí z karbidu volfrámu ideálny materiál na použitie v zariadeniach na chemické spracovanie a v oblastiach, kde sa vyžaduje odolnosť proti korózii.

Nízky koeficient tepelnej rozťažnosti
Stredný koeficient tepelnej rozťažnosti udáva veľkosť rozťažnosti pri zahrievaní karbidu volfrámu. Expanzia karbidu volfrámu nasleduje po expanzii teploty. Čím viac prášku spojiva v karbide volfrámu, tým vyššia bude tepelná rozťažnosť karbidu volfrámu. Karbid volfrámu má veľmi nízky koeficient tepelnej rozťažnosti, čo znamená, že sa pri zahrievaní rozťahuje len veľmi málo. Vďaka tejto vlastnosti je karbid volfrámu ideálny pre presné prístroje a aplikácie, kde sa vyžaduje rozmerová stabilita.

Elektricky vodivé
Napriek tomu, že ide o žiaruvzdorný kov, karbid volfrámu je elektricky vodivý vďaka prítomnosti uhlíka v jeho kryštálovej štruktúre. Táto elektrická vodivosť robí karbid volfrámu ideálnym pre elektrické aplikácie, ako sú elektródy a kontakty.

Vlastnosti karbidu volfrámu a volfrámu sú modul pružnosti, modul pružnosti v šmyku, medza klzu v ťahu, tepelná vodivosť a tvrdosť (Rockwell A). Nižšie porovnáme vlastnosti každého z nich.

Tabuľka 1: Porovnanie materiálových vlastností medzi volfrámom a karbidom volfrámu

Je karbid volfrámu silnejší ako volfrám
Áno, karbid volfrámu je vo všeobecnosti silnejší ako čistý volfrám. Karbid volfrámu je zlúčenina vyrobená spojením volfrámu s uhlíkom za vzniku veľmi tvrdého a odolného materiálu. Táto zlúčenina vykazuje výnimočnú tvrdosť, odolnosť proti opotrebeniu a pevnosť, vďaka čomu je vhodná pre rôzne priemyselné aplikácie, vrátane rezných nástrojov, brúsiv a šperkov.

Volfrám už má veľký modul pružnosti, jeden väčší ako väčšina ocelí; Karbid volfrámu má ešte väčší modul pružnosti, čo dokazuje jeho pôsobivú tuhosť. Tuhosť materiálov koreluje s veľkým modulom pružnosti a hodnoty uvedené v tabuľke 1 dokazujú, prečo je karbid volfrámu v elastickej pružnosti na druhom mieste za diamantom. Jeho modul pružnosti je takmer 700 GPa, čo je na pätách diamantu (modul pružnosti 1000 GPa), čo svedčí o jeho odolnosti voči deformácii, ako aj o jeho tendencii sa pri práci lámať.

Modul v šmyku je pomer šmykového napätia k šmykovému namáhaniu v skúšobnej vzorke a často sa označuje ako modul tuhosti. Je neúprosne spojený s modulom pružnosti, pretože sú odvodené z rovnakých rovníc a obe sú mierou tuhosti (jedna je odpoveďou na elastické alebo lineárne napätia, verzus šmykové alebo prierezové napätia). Hodnoty v tabuľke 1 sú ďalším dôkazom toho, že volfrám poskytuje pôsobivý odpor. Pre porovnanie, väčšina ocelí má modul v šmyku okolo 80 GPa, čo je len polovica modulu volfrámu a tretina modulu šmyku karbidu volfrámu.

Väčšina dizajnérov si prirodzene vyberá materiály na základe ich sily. Volfrám aj karbid volfrámu sú známe ako robustné, extrémne húževnaté kovy – tak prečo je ich pevnosť v ťahu taká nízka Odpoveď je spôsobená tým, že tieto materiály sú svojou povahou krehké a ukazujú zaujímavý fenomén materiálovej vedy. Vďaka svojej molekulárnej tuhosti sú krehké materiály oveľa, oveľa pevnejšie v tlaku ako v ťahu (myslite na tehlové steny: v tlaku znesú tisíce libier, ale videli ste už murovaný nosník?). Tento princíp je zrejmý pri skúmaní pevnosti v tlaku týchto materiálov, najmä menej kovového karbidu volfrámu: Má pevnosť v tlaku 2683 MPa pri izbovej teplote a svoju pevnosť si zachováva aj pri extrémnych teplotných zmenách. Tú istú charakteristiku nemožno povedať o oceli, kde je jej pevnosť v tlaku po prvé oveľa nižšia a po druhé, kolíše v závislosti od teploty. S vedomím tejto skutočnosti je úplne jasné, že volfrám by sa nikdy nemal používať v aplikáciách v ťahu, ale je najvyšším uchádzačom v aplikáciách s tlakom.