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 …
تاریخچه کاربید تنگستن
تولید کاربید تنگستن برای اولین‌بار توسط مویسان[۱] 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[۲] 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.
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 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.
دیاگرام تعادلی دوتایی W-C
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.