Nhiệm vụ toàn cầu về độ bền cực cao
Trong thế giới sản xuất, khai thác mỏ và hàng không vũ trụ, không có gì có giá trị hơn độ bền . Mỗi khi mũi khoan bị gãy, lưỡi tuabin bị mòn hoặc ổ trục bị mòn, điều đó sẽ gây tốn kém thời gian, tiền bạc và hiệu quả. Trong nhiều thập kỷ, các kỹ sư đã theo đuổi giấc mơ về một loại vật liệu có độ bền như kim loại nhưng lại có độ cứng cắt như kim cương.
Sự theo đuổi này đã dẫn đến sự phát triển của cacbua xi măng , một loại vật liệu composite mang tính cách mạng, hình thành nên trái tim của các siêu công cụ hiện đại. Điểm khởi đầu của gần như tất cả các vật liệu này là thành phần được tinh chỉnh: Bột tổng hợp cacbua .
Bột tổng hợp cacbua chính xác là gì?
Kim loại đơn giản hoặc vật liệu gốm nguyên chất hiếm khi sở hữu sự kết hợp hoàn hảo các đặc tính cần thiết cho các ứng dụng có ứng suất cao. Kim loại rất cứng và có khả năng chống vỡ nhưng chúng thường mềm và nhanh mòn. Gốm sứ, giống như cacbua nguyên chất, cực kỳ cứng nhưng thường giòn.
Bột tổng hợp cacbua là sự pha trộn được thiết kế kết hợp những gì tốt nhất của cả hai thế giới, tuân theo nguyên tắc “tổng hợp” rằng vật liệu cuối cùng vượt trội hơn các thành phần của nó.
Hai giai đoạn thiết yếu
Bột là một hỗn hợp cực nhỏ gồm hai thành phần riêng biệt, mỗi thành phần đóng một vai trò quan trọng:
1. Giai đoạn cứng: Hạt cacbua
Giai đoạn này cung cấp huyền thoại của vật liệu độ cứng và chống mài mòn. Nó bao gồm các hạt cực nhỏ của cacbua kim loại, phổ biến nhất là Cacbua vonfram (WC) . Cacbua vonfram là một hợp chất gốm xếp ngay dưới kim cương trên thang độ cứng. Những hạt góc cạnh, cứng nhắc này là công cụ thực hiện việc cắt, khoan và mài. Các cacbua khác, như Titan cacbua (TiC) hoặc Crom cacbua (CrC), đôi khi được sử dụng để tăng cường các đặc tính cụ thể như khả năng chống ăn mòn.
2. Giai đoạn kết dính: Keo kim loại
Các hạt cacbua cứng được trộn với bột kim loại, thường Coban (Co) , nhưng đôi khi là Niken (Ni) hoặc Sắt (Fe). Đây là chất kết dính —chất “keo” giữ các hạt gốm lại với nhau. Nếu không có nó, cacbua sẽ quá giòn và vỡ khi va chạm. Chất kết dính cung cấp những yếu tố quan trọng sự dẻo dai và khả năng chống gãy xương.
Tỷ lệ giữa cacbua cứng và chất kết dính kim loại mềm hơn được kiểm soát chính xác để tạo ra các loại vật liệu khác nhau. Nhiều chất kết dính hơn có nghĩa là vật liệu cứng hơn có khả năng chống sốc tốt hơn, trong khi ít chất kết dính hơn và các hạt cacbua nhỏ hơn mang lại vật liệu cứng hơn, chống mài mòn hơn.
Từ bột đến công cụ: Quá trình thiêu kết
Làm thế nào mà loại bột lỏng lẻo này có thể biến thành một vật thể rắn có khả năng cắt xuyên qua thép? Quá trình này được gọi là thiêu kết , một dạng luyện kim bột.
1. Trộn và ép (Trạng thái “Xanh”)
Đầu tiên, Bột tổng hợp cacbua được trộn kỹ, thường bằng chất trợ ép hữu cơ, sau đó được nén dưới áp suất cao thành hình dạng mong muốn. Vật thể được thiêu kết trước này, được gọi là “vật nén màu xanh lá cây”, rất dễ vỡ và giống như phấn.
2. Thiêu kết và kết dính
Sau đó, chất compact màu xanh lá cây được đặt vào lò nung có nhiệt độ cao, được kiểm soát khí quyển. Nó được nung nóng đến nhiệt độ trên điểm nóng chảy của chất kết dính (Coban) nhưng dưới điểm nóng chảy của cacbua (Tungsten Carbide). Chất kết dính tan chảy và chảy qua cấu trúc, hòa tan và sau đó kết tủa lại các hạt cacbua, kết dính chúng lại với nhau khi nguội. Điều này tạo thành một vật liệu rắn, dày đặc trong đó các hạt cacbua cứng được bao quanh và hỗ trợ bởi chất kết dính kim loại—lớp cuối cùng cực kỳ chắc chắn. cacbua xi măng hoặc kim loại cứng .
Các ứng dụng không thể thiếu của vật liệu tổng hợp cacbua
Vật liệu thu được có đặc điểm là sự kết hợp nổi bật giữa độ cứng cao, cường độ nén cao và độ dẻo dai tốt, khiến nó trở nên quan trọng đối với vô số công việc công nghiệp:
- Dụng cụ cắt: Hạt dao cắt và đầu cắt được sử dụng trong gia công tốc độ cao (máy tiện, máy phay) hầu như chỉ được làm bằng cacbua xi măng. Chúng cho phép các nhà sản xuất cắt, tạo hình và hoàn thiện kim loại cứng nhanh hơn nhiều so với các công cụ thép truyền thống.
- Khai thác và khoan: Máy khoan đá, vật chèn của máy khoan đường hầm và mũi khoan dầu khí dựa vào đầu cacbua để chịu được sự mài mòn và tác động cực độ của việc cắt xuyên qua đá và đất.
- Mặc các bộ phận: Bất cứ nơi nào các bộ phận cọ xát với nhau dưới tải trọng cao, như vòng bi, vòng đệm, bộ phận máy bơm và vòi phun, chúng đều được bảo vệ bằng cacbua xi măng.
- Lớp phủ bề mặt: Bột hỗn hợp cacbua cũng được phun lên các bộ phận kim loại (ví dụ: thiết bị hạ cánh máy bay, cánh tuabin) bằng cách sử dụng các kỹ thuật như phun nhiên liệu oxy tốc độ cao (HVOF) để tạo ra lớp phủ bảo vệ cực kỳ cứng, chống xói mòn và ăn mòn.
Bằng cách cung cấp vật liệu cân bằng mang lại độ sắc nét của gốm và độ đàn hồi của kim loại, Bột tổng hợp cacbua thực sự mang lại cho ngành công nghiệp lợi thế không thể phá vỡ mà nó cần để xây dựng thế giới hiện đại.
