硬度の世紀: 超硬の歴史

電球から削岩機まで: 発見

炭化タングステン (WC) の物語は、材料科学の進歩を促進する産業上の必要性の 1 つです。

エレメント タングステン

旅は 18 世紀に元素の発見から始まります タングステン(W) 。驚くべき密度と すべての金属の中で最も高い融点 (over $3,400^{\circ}\text{C}$), it quickly became the material of choice for 白熱電球のフィラメント 1900年代初頭。この信じられないほど丈夫な金属を細いワイヤーに引き抜くプロセスには、ダイヤモンドとほぼ同じ硬さのダイスが必要でした。

超硬合金の誕生

決定的な進歩が起こったのは、 1920年代のドイツ 。電球会社オスラムのエンジニアは、タングステン線の引き抜きに使用される高価なダイヤモンドダイスに代わる、より安価で丈夫な代替品を必死に探していました。この必要性が発明につながりました。 超硬合金 (またはハードメタル) by Karl Schröter。

• アイデア: 極めて硬度の高い炭化タングステン (WC) パウダーと延性のある金属性の「接着剤」を組み合わせます。 コバルト .
• 結果: 最初の現代的な超硬合金: セラミックの耐傷性を備えながら、金属の靭性と耐衝撃性を備えた複合材料。この革新的な素材は、絞りダイスにおいてダイヤモンドにすぐに取って代わり、すぐに切断と穴あけのより広い世界に広がりました。

強さの科学: なぜトイレはとても難しいのか

炭化タングステンにダイヤモンドのような硬さを与えているのはなぜですか?答えは、タングステンと炭素原子の間の原子レベルの結合にあります。

結晶構造

炭化タングステンは独特の結晶格子を形成します。化合物 (WC) では、炭素原子がより大きなタングステン原子間の空間に収まります。結果として得られる構造は非常に強力であることが特徴です 共有結合 タングステンとカーボンの間で、強度の高い 金属結合 タングステン原子同士の間。

この組み合わせにより、有名なプロパティが作成されます。

• 極度の硬度: 強力で方向性のある 共有結合 変形や傷に強い。通常は得点します モーススケールで 9 ～ 9.5 , ダイヤモンド（10）に次いで2番目です。
• 高い強度と靭性: メタリックな コバルト binder WC 粒子をまとめて保持し、必要な機能を提供します。 靭性 衝撃による破損や粉砕に対する耐性は、純粋で脆いタングステンカーバイド粉末には欠けています。

炭化タングステンの微粒子がコバルトマトリックス全体に分散され、 金属マトリックス複合材料 これは、耐久性の高い用途においては、単一の材料よりもはるかに優れています。

現代世界における炭化タングステン: 産業の変革

超硬合金の広範な採用は産業革命をもたらし、ほぼすべての重工業の生産性を向上させました。

機械加工の効率化

タングステンカーバイド工具は、従来の鋼製工具ではすぐに鈍くなるような温度でも鋭い刃先を維持できます（ 熱い硬さ ）。

• 影響: これにより、メーカーは旋盤やフライス盤の切削速度と送り速度を向上させることができます。 最大 5 倍高速 高速度鋼 (HSS) ツールを使用するよりも、生産時間とコストが大幅に削減されます。

鉱業における優位性

資源分野では、超硬チップは文字通り 噛み砕く 地球上で最も丈夫な素材。

• 岩石の掘削: 石油やガスの探査、岩石の破壊に使用されるビットには、WC インサートが散りばめられています。これらのビットは長持ちします 10倍長い 鋼製工具よりも優れており、コストのかかるメンテナンスのためのダウンタイムを削減します。
• 構造: トンネルボーリングマシン (TBM) は、先端が炭化タングステンのディスクを使用して山を削り、新しい地下鉄トンネルやインフラを敷設します。

最も厳しい競争: WC vs. チタン

よく混同されますが、炭化タングステンとチタンは、その核となる特性により、まったく異なる目的を果たします。

つまり、軽量で耐衝撃性のある材料 (航空機の翼やボディインプラントなど) が必要な場合は、 チタン 。何かを切断したり研削したりするために最も硬く、最も耐摩耗性の高い素材が必要な場合は、これを選択します。 炭化タングステン .