Wat is wolfraamcarbide?

Wolfraamcarbide (hard metaal)

Gecementeerde carbiden, of hardmetalen zoals ze vaak worden genoemd, zijn materialen die worden gemaakt door zeer harde wolfraammonocarbide (WC)-korrels te "cementeren" in een bindmiddelmatrix van een taaie kobalt- of nikkel-legering door vloeistoffase-sintering. Gecementeerde carbiden combineren de hoge hardheid en sterkte van metaalcarbiden (WC, TiC, TaC) of carbonitriden (bijv. TiCN) met de taaiheid en plasticiteit van een metalen legeringsbindmiddel (Co, Ni, Fe), waarin de harde deeltjes gelijkmatig verdeeld zijn om een metalen composiet te vormen. Wolfraamcarbide is het meest metallische van de carbiden en verreweg de belangrijkste harde fase. Hoe meer harde carbide-deeltjes er in het materiaal zitten, hoe harder het is, maar hoe minder taai het zich gedraagt tijdens belasting; en omgekeerd worden aanzienlijke toenames in taaiheid bereikt door een hogere hoeveelheid metalen bindmiddel ten koste van de hardheid.

Binnen het gebied van technische materialen spelen gecementeerde carbiden een cruciale rol, omdat ze hoge hardheid en sterkte combineren met een goede taaiheid binnen een breed eigenschapsbereik, en dus de meest veelzijdige harde materialengroep vormen voor technische en gereedschapstoepassingen.

  Typisch kan een wolfraamcarbide hard metaal een hardheidswaarde hebben van 1600 HV, terwijl zacht staal in de regio van 160 HV zou liggen, een factor 10 lager.

Hoewel het een hard metaal wordt genoemd, is wolfraamcarbide eigenlijk een composietmateriaal met harde deeltjes van wolfraamcarbide ingebed in een zachtere matrix van metallisch kobalt.

De chemische formule voor wolfraamcarbide is WC.

  Wolfraamcarbide wordt bereid door reactie van wolfraammetaal en koolstof bij 1400–2000 °C. Andere methoden omvatten een gepatenteerd lagedruk-wervelbedproces dat ofwel wolfraammetaal of blauw WO3 laat reageren met CO/CO2-mengsel en H2 tussen 900 en 1200 °C.

Wat zijn de eigenschappen van hard metaal?

Mechanische eigenschappen:

Mechanische eigenschappen weerspiegelen het vermogen van een materiaal om een kracht van een bepaald type te weerstaan, die echter, wanneer toegepast, een nauwkeurigere definitie vereist. Voor de duidelijkheid zijn er verschillende soorten kracht waartegen de weerstand wordt geboden, afhankelijk van de belastingsomstandigheden; voor hardmetalen zijn de belangrijkste weerstanden binnen de mechanische eigenschappen compressieweerstand, tractie, slijtage, vermoeidheid en transversale breuk.

  Fysische eigenschappen:

Wolfraamcarbide heeft een hoog smeltpunt van 2.870 °C (5.200 °F), een kookpunt van 6.000 °C (10.830 °F) bij een druk die overeenkomt met 1 standaardatmosfeer (100 kPa), een thermische geleidbaarheid van 110 W·m−1·K−1 en een thermische uitzettingscoëfficiënt van 5,5 µm·m−1·K−1.

  Wolfraamcarbide is extreem hard, met een rangorde van ongeveer 9 op de Mohs-schaal en met een Vickers-getal van ongeveer 2600. Het heeft een Young's modulus van ongeveer 530–700 GPa, een bulkmodulus van 630–655 GPa en een afschuifmodulus van 274 GPa. Het heeft een ultieme treksterkte van 344 MPa, een ultieme compressiesterkte van ongeveer 2,7 GPa en een Poisson-verhouding van 0,31.

  De snelheid van een longitudinale golf (de geluidssnelheid) door een dunne staaf van wolfraamcarbide is 6220 m/s.

  De lage elektrische weerstand van wolfraamcarbide van ongeveer 0,2 µΩ·m is vergelijkbaar met die van sommige metalen (bijv. vanadium 0,2 µΩ·m).

  WC wordt gemakkelijk bevochtigd door zowel gesmolten nikkel als kobalt. Onderzoek van het fasediagram van het W-C-Co-systeem toont aan dat WC en Co een pseudo-binaire eutecticum vormen. Het fasediagram laat ook zien dat er zogenaamde η-carbiden zijn met de samenstelling (W,Co) 6C die kunnen worden gevormd en de brosheid van deze fasen maakt controle van het koolstofgehalte in WC-Co hardmetalen belangrijk.

Chemische eigenschappen:

Er zijn twee goed gekarakteriseerde verbindingen van wolfraam en koolstof, WC en wolfraamsemicarbide, W 2C. Beide verbindingen kunnen aanwezig zijn in coatings en de verhoudingen kunnen afhankelijk zijn van de coatingmethode.

  Bij hoge temperaturen ontleedt WC tot wolfraam en koolstof en dit kan optreden tijdens thermisch spuiten bij hoge temperaturen, bijvoorbeeld bij high velocity oxygen fuel (HVOF) en high energy plasma (HEP) methoden.

  Oxidatie van WC begint bij 500–600 °C (932–1.112 °F). Het is bestand tegen zuren en wordt alleen aangetast door waterstoffluoride/salpeterzuur (HF/HNO3)-mengsels boven kamertemperatuur. Het reageert met fluorgas bij kamertemperatuur en chloor boven 400 °C (752 °F) en is niet-reactief met droge H2 tot aan het smeltpunt. Fijn poedervormig WC oxideert gemakkelijk in waterige waterstofperoxide-oplossingen. Bij hoge temperaturen en drukken reageert het met waterige natriumcarbonaat en vormt natriumwolframaat, een procedure die wordt gebruikt voor het terugwinnen van afgedankte gecementeerde carbide.