Το καρβίδιο του βολφραμίου-κοβαλτίου (WC-Co) εκτιμάται επειδή μπορεί να αντέξει έντονη φθορά, πίεση και επαναλαμβανόμενη χρήση. Αυτή η εξαιρετική σκληρότητα το καθιστά ιδανικό για βιομηχανικά εργαλεία, αλλά δημιουργεί επίσης μια σημαντική κατασκευαστική πρόκληση. Το υλικό είναι δύσκολο να διαμορφωθεί, ακριβό στην παραγωγή και συχνά απαιτεί περισσότερη πρώτη ύλη από ό,τι τελικά καταλήγει στο τελικό εξάρτημα.
Γιατί το Καρβίδιο του Βολφραμίου είναι τόσο πολύτιμο
Οι ερευνητές έχουν δοκιμάσει τώρα έναν διαφορετικό τρόπο κατασκευής καρβιδίου με τσιμέντο WC-Co χρησιμοποιώντας προσθετική κατασκευή (AM, επίσης γνωστή ως τρισδιάστατη εκτύπωση). Η προσέγγισή τους θα μπορούσε να μειώσει τα απόβλητα και το κόστος παραγωγής, διατηρώντας παράλληλα την αντοχή και τη σκληρότητα που καθιστούν το υλικό τόσο χρήσιμο. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Διεθνές Περιοδικό Πυρίμαχων Μεταλλών και Σκληρών Υλικών.
Τα καρβίδια με τσιμέντο WC-Co χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές που απαιτούν εξαιρετική σκληρότητα και αντοχή στη φθορά, συμπεριλαμβανομένων εργαλείων κοπής, τρυπανιών, εξοπλισμού κατεργασίας και εργαλείων κατασκευής. Το υλικό συνδυάζει καρβίδιο του βολφραμίου, το οποίο παρέχει σκληρότητα, με κοβάλτιο, το οποίο λειτουργεί ως μεταλλικό συνδετικό υλικό που συγκρατεί τα σωματίδια του καρβιδίου.
Οι κατασκευαστές παράγουν επί του παρόντος αυτά τα υλικά κυρίως μέσω μεταλλουργίας σκόνης. Σε αυτή τη διαδικασία, οι λεπτές σκόνες WC και Co συμπιέζονται υπό υψηλή πίεση και θερμαίνονται σε μηχανές πυροσυσσωμάτωσης. Η πυροσυσσωμάτωση συνδέει τα σωματίδια μεταξύ τους σε υψηλές θερμοκρασίες χωρίς απαραίτητα να λιώσει πλήρως κάθε εξάρτημα.
Η νέα μέθοδος
Η μέθοδος παράγει εξαιρετικά ανθεκτικά εξαρτήματα, αλλά έχει μειονεκτήματα. Το βολφράμιο και το κοβάλτιο είναι δαπανηρές πρώτες ύλες και η συμβατική παραγωγή μπορεί να χρησιμοποιήσει μεγάλη ποσότητα υλικού, ενώ παράλληλα προσφέρει σχετικά περιορισμένη απόδοση. Αυτό καθιστά ιδιαίτερα σημαντική τη μείωση των αποβλήτων.
Οι ερευνητές διερεύνησαν εάν η προσθετική κατασκευή θα μπορούσε να προσφέρει μια πιο αποτελεσματική εναλλακτική λύση. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους που διαμορφώνουν ένα εξάρτημα κόβοντας υλικό ή γεμίζοντας ένα καλούπι, η προσθετική κατασκευή κατασκευάζει ένα αντικείμενο τοποθετώντας υλικό μόνο εκεί που απαιτείται.
Ένα λέιζερ και θερμαινόμενο σύρμα κατασκευάζουν το καρβίδιο
Η ομάδα χρησιμοποίησε ακτινοβολία λέιζερ θερμού σύρματος (που ονομάζεται επίσης συγκόλληση θερμού σύρματος λέιζερ), μια διαδικασία που συνδυάζει μια δέσμη λέιζερ με ένα προθερμασμένο σύρμα πλήρωσης. Η θέρμανση του σύρματος πριν φτάσει στην επιφάνεια εργασίας επιτρέπει την προσθήκη υλικού πιο γρήγορα και αποτελεσματικά. Αυτό μπορεί να αυξήσει τον ρυθμό εναπόθεσης (πόσο από το μέταλλο πλήρωσης προστίθεται) μειώνοντας παράλληλα την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται από το λέιζερ.
Οι ερευνητές δοκίμασαν δύο διατάξεις κατασκευής.
Στην πρώτη, το λέιζερ κατευθύνθηκε στην κορυφή μιας τσιμεντωμένης ράβδου καρβιδίου, με τη ράβδο τοποθετημένη μπροστά από την κατεύθυνση στην οποία κατασκευάζονταν το υλικό. Στη δεύτερη, το λέιζερ οδήγησε τη διαδικασία και ακτινοβόλησε την περιοχή μεταξύ του πυθμένα της τσιμεντωμένης ράβδου καρβιδίου και του βασικού υλικού (σίδηρος).
Αντί να λιώσουν πλήρως τα μέταλλα, και οι δύο μέθοδοι τα μαλάκωσαν αρκετά ώστε να σχηματίσουν και να εναποθέσουν το τσιμεντωμένο καρβίδιο. Αυτή η διάκριση είναι σημαντική επειδή η πλήρης τήξη του καρβιδίου του βολφραμίου μπορεί να μεταβάλει την εσωτερική του δομή και να μειώσει τις ιδιότητες που το καθιστούν πολύτιμο.
"Τα τσιμεντωμένα καρβίδια είναι εξαιρετικά σκληρά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κοπή άκρων εργαλείων και παρόμοιες εφαρμογές, αλλά κατασκευάζονται από πολύ ακριβές πρώτες ύλες όπως το βολφράμιο και το κοβάλτιο, καθιστώντας τη μείωση της χρήσης υλικών εξαιρετικά επιθυμητή. Χρησιμοποιώντας την προσθετική κατασκευή, το τσιμεντωμένο καρβίδιο μπορεί να εναποτεθεί μόνο όπου χρειάζεται, μειώνοντας έτσι την κατανάλωση υλικών", δήλωσε ο αντίστοιχος συγγραφέας Keita Marumoto, επίκουρος καθηγητής στη Μεταπτυχιακή Σχολή Προηγμένων Επιστημών και Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Χιροσίμα.
Τα πειράματα έδειξαν ότι η προσέγγιση θα μπορούσε να διατηρήσει τη σκληρότητα και τη μηχανική ακεραιότητα που σχετίζονται με το συμβατικά κατασκευασμένο καρβίδιο με τσιμέντο WC-Co. Οι ερευνητές παρήγαγαν ένα βασικό υλικό με σκληρότητα πάνω από 1400 HV (μια μονάδα που αντιπροσωπεύει την αντίσταση στη διείσδυση), χωρίς να προκαλούν ελαττώματα ή αποσύνθεση.
Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η προσθετική κατασκευή μπορεί να παράγει καλούπια καρβιδίου με τσιμέντο χωρίς σημαντικά ελαττώματα, αν και τα αποτελέσματα διέφεραν ανάλογα με τη διάταξη κατασκευής.
Μια Νέα Στρατηγική για τη Διαμόρφωση Εξαιρετικά Σκληρών Υλικών
Τα αποτελέσματα παρέχουν τη βάση για περαιτέρω ανάπτυξη, αλλά παραμένουν αρκετές προκλήσεις. Οι ερευνητές θέλουν να μειώσουν τις ρωγμές, να βελτιώσουν την ανθεκτικότητα και να καθορίσουν πώς να κατασκευάσουν πιο περίπλοκα σχήματα.
«Η προσέγγιση του σχηματισμού μεταλλικών υλικών με μαλάκυνσή τους αντί για πλήρη τήξη τους είναι καινοτόμος και έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί όχι μόνο σε τσιμεντωμένα καρβίδια, τα οποία ήταν το επίκεντρο αυτής της μελέτης, αλλά και σε άλλα υλικά», δήλωσε ο Marumoto.
Η μελλοντική εργασία θα επικεντρωθεί στην παραγωγή πρακτικών εργαλείων κοπής, στη δοκιμή της διαδικασίας με πρόσθετα υλικά και στην εύρεση τρόπων για να γίνουν τα τελικά εξαρτήματα ακόμη πιο ανθεκτικά.
www.worldenergynews.gr
