کاربید تنگستن چیست؟

کاربید تنگستن (Tungsten carbide) یکی از پرکاربردترین مواد در حوزه سختکاری و تولید قطعات مقاوم به سایش است. این ماده کاربیدی از ترکیب تنگستن با کربن تشکیل شده است. کاربید تنگستن از دید کریستالوگرافی دارای ساختار هگزاگونال است و یکی از پرکاربردترین کاربیدها در چند سال اخیر بوده است.

دلیل اهمیت کاربید تنگستن خواص ویژه آن از جمله نقطه ذوب بالا، سختی بالا (۲۲۴۳=Hv)، مدول الاستیک بالا (۶۹۷GPa )، ضریب انبساط حرارتی کم ( ۲/۵m/mKμ)، تافنس شکست بالا ( ۲۸MPa√m) و مقاومت سایشی بالا در گستره وسیعی از دما، می­‌باشد. خواص ذکر شده در بالا باعث شده است که کاربید تنگستن گستره وسیعی از کاربردها را به خود اختصاص دهد از جمله کاربردهای آن می‌­توان به موارد ذیل اشاره نمود

ساخت ابزارهای برشی (کاربیدهای سمانته)،
قسمت­های مقاوم به سایش در دستگاه­‌های کشش سیم،
اکستروژن،
قالبهای پرس،
جواهرسازی،
صنایع شیمیایی (جایگزین کاتالیست­‌های پالادیومی)،
صنایع میکروالکترونیک،
الکترود جوشکاری کاربید تنگستن،
سیم جوش کاربید تنگستن
و …

تنگستن کارباید حفاری
تاریخچه کاربید تنگستن

تولید کاربید تنگستن برای اولین‌بار توسط مویسان در سال ۱۸۹۳ انتشار یافت. وی این کشف را در هنگام احیای اکسید تنگستن توسط کربن، انجام داد و به W2C دست پیدا کرد اما این ویلیامز بود که در سال ۱۸۹۸ توانست کاربید تنگستن را تولید کند. از آغاز ساخت وسایل برنده و کاربیدهای سمانته تاکنون، کاربید تنگستن به­عنوان یک ماده مهم شناخته شده است.

برای دهه‌­ها روش ساخت آن به این صورت بوده است که در ابتدا پودر اکسید تنگستن را تحت یک اتمسفر احیایی برای مدت بیش از ۱۰ ساعت به تنگستن فلزی (جدول ۴) تبدیل نموده و سپس این پودر به‌دست‌آمده را با کربن مخلوط نموده و دوباره در دمای بالا قرار می­‌دهند تا کاربید تنگستن تولید شود. همان گونه که مشخص است این روش پرهزینه و وقت­‌گیر است و میزان ریزدانه بودن کاربید تنگستن، به‌شدت وابسته به سایز ذرات تنگستن به‌دست‌آمده در مرحله قبل می­‌باشد که باتوجه‌به نوع فرایند، کنترل اندازه ذره و اندازه دانه مشکل می­‌باشد.

امروزه پودر کاربید تنگستن توسط کربوره کردن مستقیم پودر تنگستن به دست می­آید. به این صورت که پودر تنگستن با ۳/۶ درصد وزنی کربن به‌صورت خشک مخلوط شده و برای ساعات موردنیاز آسیاب­کاری می­‌شود و سپس مخلوط در کوره­های فرکانس بالا در اتمسفر هیدروژن بین حرارت می­‌بینند که البته روشی زمان­بر و پرهزینه می­‌باشد.

مطالب بیشتر: تنگستن کاربید پیچ سازی

تنگستن کارباید قالب سازی

شکل ۱- فلز تنگستن

عیب عمده این روش این است که ریزترین ذره تولیدی در حد ۱۵۰ نانومتر می‌­باشد که عدم کنترل مناسب روی اندازه دانه و اندازه ذره، گستره وسیعی از اندازه ذره را باعث می­‌شود. اما با پیشرفت تکنولوژی کاربید تنگستن، درخواست برای کاربیدهای تنگستن ریزدانه افزایش‌یافته است در نتیجه، تلاش برای یافتن روش‌هایی که منجر به تولید کاربیدهای تنگستن ریزدانه و نانوساختار (شکل ۲) شود نیز، افزایش‌یافته است.

کاربید تنگستن چیست؟

کاربید تنگستن ریزدانه و نانوساختار
شکل ۲- کاربید تنگستن ریزدانه و نانوساختار

ترکیبات موجود در این سیستم شامل W-C، WC و W2C می‌­باشند. هر دو ترکیب چندین حالت پلی­مورفیک داشته که در درجه حرارت‌های مختلف و گستره‌­های مختلفی از میزان کربن پایدار هستند.

شکل ۳، دیاگرام تعادلی دوتایی W-C را نشان می­‌دهد. سه ترکیب استوکیومتری برای W-C پیدا شده است. تبلور W2C هگزاگونال در سه شکل بلوری، PbO2، Fe2N و CdI2 به ترتیب با β، ʹβ وʺβ مشخص شده‌­اند. کریستال‌های کاربید تنگستن به‌شدت انیزوتروپ هستند. WC1-x مکعبی در نوع ساختار NaCl متبلور می­‌شود که در دیاگرام با نماد γ مشخص شده است و نماد δ نمایانگر WC هگزاگونال است. W2C، گستره وسیع و نسبتاً همگنی از ۵/۲۲ اتمی کربن تا ۳۴ درصد اتمی را در ۲۷۱۵ درجه سانتیگراد نشان می­‌دهد. این فاز از واکنش یوتکتوئیدی بین فلز W و WC-δ در دمای ۱۲۵۰درجه سانتیگراد ایجاد می‌­شود.

فازهای استوکیومتری W2C به­عنوان محصولات میانی در حین تولید WC به­دست می­‌آیند. فاز γ از واکنش یوتکتوئیدی بین β وδ در ۲۵۱۶ درجه سانتیگراد به­دست می‌­آیند و تقریباً ۲۷۸۵ درجه سانتیگراد ذوب می­‌شوند.
دیاگرام تعادلی دوتایی W-C
شکل ۳- دیاگرام تعادلی دوتایی W-C

کاربید تنگستن چیست؟

شکل ۴، ساختار کاربید تنگستن سیگما را نشان می­‌دهد که در آن اتم‌های تنگستن درون ساختار، و اتم‌های کربن در گوشه­‌ها قرار دارند. اهمیت δ-WC در این است که تنها فاز دوتایی پایدار در دمای اتاق، می­باشد و تقریباً هیچ انحلالی در حالت جامد تا ۲۳۸۳ درجه سانتیگراد ندارد اما ممکن است بین دما و نقطه ذوب، دچار کمبود کربن شود. تک کاربید WC ساختار هگزاگونال ساده با دو اتم در هر سلول دارد و نسبت C/a، برابر با ۹۷۶/۰ است. برخی از خواص کاربید تنگستن (شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی) در جدول ۱ آورده شده است.

کارشناسان ما با دارابودن دانش لازم و بهره­‌گیری از اساتید دانشگاه و همچنین ارتباط نزدیک با شرکت‌های تولیدکننده کاربید تنگستن قابلیت تولید و تأمین قطعات، پودر و … کاربید تنگستن موردنیاز صنایع کشور را دارا می­‌باشد.

مطالب بیشتر: سنگ دیاموند