کاربید تنگستن

کاربید تنگستن-کاربید چیست؟-Tungsten Carbide-فلز تنگستن

کاربید تنگستن (Tungsten Carbide) با فرمول شیمیایی Wc یک ترکیب شیمیایی است. که دارای مقداری مساوی از اتم های تنگستن و کربن است. این ماده در حالت پایه ای خود به شکل پودر خاکستری ریزی است. که می تواند تحت فشار و در فرآیندی که تف جوشی می‌نامند. به اشکال مختلف درآمده و در ماشین آلات صنعتی، ابزارهای برشی ساینده ها و دیگر ابزارها مورد استفاده قرار بگیرد.

کاربید تنگستن حدوداً دو برابر سفت تر از فولاد است. به صورتی که مدول یانگ آن تقریباً 530 تا 700 گیگا پاسکال می باشد. و چگالی آن حدوداً دو برابر فولاد می باشد. جرم مولی آن 195.86 g·mol^−۱ می باشد.

تولید

Tungsten Carbide از واکنش فلز تنگستن با کربن در دمای بین 1400 – 2000 درجه سلسیوس بدست می آید.

Tungsten Carbide را همچنین می توان با گرم کردن تنگستن اکسید در مجاورت گرافیت در دمای 900 درجه سلسیوس. یا در مجاورت هیدروژن در دمای 670 سلسیوس. و سپس ترکیب کردن با کربن در آرگون در دمای 1000 درجه سلسیوس بدست آورد.

ویژگیهای شیمیایی

دو ترکیب شناخته شده از کربن و تنگستن وجود دارد. تنگستن کاربید و تنگستن سمیکاربید. هر دو این ترکیب ها می توانند در پوشش های مختلف موجود باشند. و مقدار آن به روش ایجاد پوشش بستگی دارد.

در دماهای بالا تنگستن کاربید به تنگستن و کربن تجزیه می شود. و این اتفاق می تواند در حین ترمال اسپری دما بالا اتفاق بیفتد. برای مثال سوخت اکسیژن سرعت بالا (HVOF) یا در روش پلاسمای انرژی-بالا (HEP).

تنگستن کاربید در دمای بین 500-600 درجه سلسیوس شروع به اکسید شدن می کند. تنگستن کاربید در مقابل اسید مقاوم بوده. و تنها با ترکیب هیدرو فلوئوریک اسید و نیتریک اسید در دماهای بالاتر از دمای اتاق خورده می شود.

خواص فیزیکی

تنگستن کاربید نقطۀ ذوب بالایی دارد (2870 درجه سلسیوس)، نقطۀ جوش آن در 6000 درجۀ سلسیوس اتفاق می افتد. در حالتی که فشار برابر با یک اتمسفر باشد، رسانایی گرمایی برابر W/m.k 110 می باشد. و ضریب افزایش طول گرمایی آن 5.5 میکرومتر بر متر در کلوین می باشد.

تنگستن کاربید بسیار سخت است. سختی آن در مقیاس سختی موهس حدوداً 9 می باشد.

سرعت موج طولی (سرعت صوت) در داخل یک میلۀ نازک از تنگستن کاربید 6220 m/s است.

تنگستن کاربید مقاومت الکتریکی کمی دارد (حدود 0.2 میکرو اهم در متر).

تنگستن کاربید با نیکل و کبالت مذاب به صورت آلیاژ ترکیب می شود.

ساختار

دو گونه ساختار برای تنگستن کاربید وجود دارد. ساختار شش وجهی و ساختار مکعبی دما بالا (که ساختار سنگ نمک را دارد). ساختار شش وجهی را می توان به صورت یک شبکۀ بلور شش وجهی ساده تصور نمود. به صورتی که اتم های فلز به صورت لایه های موازی بر روی هم فرار گرفته باشند.

کاربردها

ابزارهای برشی که از جنس تنگستن کاربید-کبالت مورد تف جوشی تولید می شوند. نسبت به ساییده شدن به مقدار بسیار زیادی مقاوم اند. و می توانند دماهای بسیار بیشتری از فولاد تند بر (HSS) را تحمل کنند. این ماده معمولاً سیمنتد – کاربید (Cemented Carbide). کاربید جامد (Solid Carbide)، فلز سخت (Hard metal)، یا تنگستن -کاربید-کبالت (Wc-co) می‌نامند.

ماشین کاری

ماشینکاری: تیغ های تنگستن کاربید معمولاً برای ماشین کاری موادی همچون فولاد و فولاد ضد زنگ. و در مواقعی که ابزارات فولادی . آسیب می بینند استفاده می شوند. زیرا ابزارهای کاربیدی لبۀ برش تیز بهتری نسبت به ابزارهای فولادی ایجاد می کنند. آنها بطور کلی پرداخت بهتری ایجاد می کنند. و به دلیل مقاومت گرمایی اش اجازه ماشین کاری با سرعت بالاتر می دهد.

معدن: تنگستن کاربید به صورت وسیعی در نوک دریل های استخراج کنندۀ سنگ استفاده می شود.

ساخت مهمات جنگی : تنگستن کاربید معمولاً در ساخت گلولۀ اسلحه به خصوص در جایی که اورانیوم ضعیف است موجود نیست. یا به صورت سیاسی غیر قابل قبول است استفاده می شود. بمب های ساخته شده از تنگستن کاربید (WC) برای اولین بار توسط اسکادران شکارچی تانک آلمان در جنگ جهانی دوم. مورد استفاده قرار گرفت. بمب های ساخته شده از این ماده به دلیل سختی و چگالی بسیار بالا یک نفوذ کننده بسیار قوی است.

لوازم جراحی: تنگستن کاربید همچنین در ساخت لوازم جراحی مناسب برای جراحی های باز استفاده می شود. (قیچی ها، دستۀ تیغ جراحی و…) این لوازم قیمت بیشتری نسبت به لوازم با جنس فولاد ضد زنگ دارند. و نیاز به مراقبت خاص دارند ولی عملکرد بهتری ارائه می دهند.

آلیاژ یا هم جوشه چیست؟

آلیاژ یا هم‌جوشه، به ماده‌ای فلزی بیان می‌شود که از ترکیب دو یا چند عنصر (دست‌کم یکی فلز) مورد حاصل و دارای ویژگی‌های منحصربه‌فردی است.
این ماده معمولاً خواص فیزیکی و مکانیکی‌ای متفاوت از عناصر خالص تشکیل‌دهنده خود نشان می‌دهد، زیرا آرایش اتمی و پیوندهای داخلی آن دچار تغییر می‌شود.
بسته به میزان همگنی در توزیع و اختلاط عناصر در ساختار بلوری، هم‌جوشه می‌تواند به‌صورت تک‌فاز (همگن در سطح اتمی). یا چندفازی (شامل فازها یا ترکیبات مختلف) باشد.

هدف اصلی از هم‌جوشه‌سازی، اصلاح و ارتقای خواص ماده پایه برای کاربردهای مهندسی است. برای مثال افزایش چقرمگی برای مقابله با ضربه، بالابری استحکام برای تحمل بار، یا افزایش سختی برای مقاومت در برابر سایش.
علاوه بر موارد ذکرشده، هم‌جوشه‌سازی می‌تواند خواص دیگری نظیر مقاومت به خوردگی، قابلیت ماشین‌کاری و رفتار مغناطیسی را نیز دستخوش تغییر کند.
برای درک رفتار فیزیکی و تعیین نقاط دما و ترکیب تعادلی یک هم‌جوشه، از نمودار فازی (یا نمودار تعادلی) استفاده می‌شود. که رابطه دما، ترکیب و فازهای موجود را نمایش می‌دهد.
ترکیب شیمیایی هم‌جوشه‌ها در علم مواد، معمولاً بر اساس درصد وزنی (wt%) عناصر سازنده گزارش می‌شود. هرچند در برخی تحلیل‌های تخصصی از درصد اتمی نیز بهره می‌گیرند.

بر اساس تعداد عناصر اصلی تشکیل‌دهنده، هم‌جوشه‌ها را به انواع دوتایی (شامل دو عنصر)، سه‌تایی (شامل سه عنصر)، و در حالت کلی‌تر، چندتایی دسته‌بندی می‌کنند.
برای توصیف یک هم‌جوشه مشخص که درصد عناصر آن در یک بازه و دامنه معین تغییر می‌کند (و نه یک نقطه ثابت). از اصطلاح “سیستم آلیاژی” استفاده می‌شود.
به‌عنوان مثال شناخته‌شده‌ترین سیستم، فولادهای ساده کربنی هستند که یک سیستم آلیاژی دوتایی از آهن (Fe) و کربن (C) به‌شمار می‌روند.
در این سیستم خاص، خواص نهایی فولاد به شدت تابع میزان کربن محلول در شبکه آهن است. به‌گونه‌ای که دامنه تغییرات کربن در فولادهای معمولی بین ۰٫۰۲ تا ۲٫۱۴ درصد وزنی تعریف می‌شود.
افزایش کربن در این محدوده، به‌ترتیب باعث تشکیل فازهای فریت، پرلیت و در نهایت ساختارهای مارتنزیتی در عملیات حرارتی می‌شود. که هرکدام کاربرد صنعتی خاصی را پوشش می‌دهند.