Il secolo della durezza: una storia del carburo di tungsteno

Dalle lampadine alle perforatrici da roccia: la scoperta

La storia del carburo di tungsteno (WC) è quella delle necessità industriali che portano a una svolta nella scienza dei materiali.

L'elemento tungsteno

Il viaggio inizia nel XVIII secolo con la scoperta dell'elemento Tungsteno (W) . Conosciuto per la sua incredibile densità e il punto di fusione più alto di tutti i metalli (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for filamenti nelle lampadine a incandescenza agli inizi del 1900. Il processo di trafilatura di questo metallo incredibilmente resistente in fili sottili richiedeva matrici dure quasi quanto il diamante.

La nascita del carburo cementato

La svolta decisiva avvenne nel Germania negli anni '20 . Gli ingegneri dell'azienda produttrice di lampadine Osram erano alla disperata ricerca di un'alternativa più economica e resistente alle costose matrici diamantate utilizzate per trafilare il filo di tungsteno. Questa esigenza ha portato all'invenzione di carburo cementato (o metallo duro) di Karl Schröter.

• L'idea: Combina l'estrema durezza della polvere di carburo di tungsteno (WC) con una "colla" metallica duttile: cobalto .
• Il risultato: Il primo metallo duro moderno: un materiale composito con la resistenza ai graffi della ceramica ma la tenacità e la resistenza agli urti del metallo. Questo materiale rivoluzionario sostituì rapidamente il diamante nelle filiere da trafilatura e presto si diffuse nel più vasto mondo del taglio e della foratura.

La scienza della forza: perché il WC è così difficile

Cosa conferisce al carburo di tungsteno la sua durezza simile al diamante? La risposta sta nel legame a livello atomico tra gli atomi di tungsteno e di carbonio.

La struttura cristallina

Il carburo di tungsteno forma un reticolo cristallino unico. Nel composto (WC), gli atomi di carbonio si inseriscono negli spazi tra gli atomi di tungsteno, molto più grandi. La struttura risultante è estremamente resistente legami covalenti tra il tungsteno e il carbonio, combinato con il forte legami metallici tra gli atomi di tungsteno stessi.

Questa combinazione è ciò che crea le famose proprietà:

• Durezza estrema: Il forte, direzionale legami covalenti resistere alla deformazione e ai graffi. Di solito segna Da 9 a 9,5 della scala Mohs , secondo solo al diamante (10).
• Elevata resistenza e tenacità: Il metallico cobalto binder che tiene insieme le particelle del WC fornisce il necessario tenacità -una resistenza alla rottura o alla frantumazione sotto l'impatto, che la polvere di carburo di tungsteno pura e fragile mancherebbe.

Le particelle fini di carburo di tungsteno vengono disperse in tutta la matrice di cobalto, creando un composito a matrice metallica che è di gran lunga superiore a qualsiasi singolo materiale per applicazioni pesanti.

Carburo di tungsteno nel mondo moderno: trasformazione industriale

L’adozione diffusa del carburo cementato ha portato a una rivoluzione industriale, aumentando la produttività in quasi tutti i settori pesanti.

Efficienza nella lavorazione

Gli utensili in carburo di tungsteno possono mantenere un bordo affilato a temperature che causerebbero il rapido smussamento di un tradizionale utensile in acciaio (una proprietà chiamata durezza a caldo ).

• Impatto: Ciò consente ai produttori di aumentare le velocità di taglio e di avanzamento su torni e fresatrici fino a cinque volte più veloce rispetto agli utensili in acciaio super rapido (HSS), riducendo drasticamente tempi e costi di produzione.

Dominio nel settore minerario

Nel settore delle risorse, le punte in carburo di tungsteno sono letteralmente masticando i materiali più resistenti del pianeta.

• Perforazione nella roccia: Le punte utilizzate per l'esplorazione di petrolio e gas, nonché per la frantumazione delle rocce, sono tempestate di inserti WC. Questi pezzi possono durare 10 volte più a lungo rispetto agli utensili in acciaio, riducendo i costosi tempi di fermo macchina per la manutenzione.
• Costruzione: Le alesatrici per tunnel (TBM) si affidano a dischi con punta in carburo di tungsteno per scavare le montagne e posare nuovi tunnel o infrastrutture della metropolitana.

La competizione più dura: WC contro Titanio

Anche se spesso confusi, il carburo di tungsteno e il titanio hanno scopi molto diversi a causa delle loro proprietà fondamentali.

In breve, se avete bisogno di un materiale leggero e resistente agli urti (come per l'ala di un aereo o una protesi corporea), scegliete voi Titanium . Se hai bisogno del materiale più duro e resistente all'abrasione per tagliare o molare qualcosa, scegli tu Carburo di tungsteno .