Vědci právě 3D vytiskli jeden z nejtvrdších kovů na Zemi

Foto: Shutterstock

Nová technika 3D tisku

Vědci z Hirošimské univerzity právě vyvinuli novou techniku 3D tisku, která umožňuje výrobu výjimečně tvrdého karbidu wolframu s kobaltem s menším množstvím drahých surovin. Tato metoda, která materiál spíše změkčuje než úplně taví, umožnila vytvořit vzorky bez defektů s průmyslovou tvrdostí a otevřela dveře efektivnější výrobě.

Autor původního článku: redakce

Výhody a výzvy karbidu wolframu

Karbid wolframu s kobaltem (WC-Co) je ceněn pro svou schopnost odolávat intenzivnímu opotřebení, tlaku a opakovanému použití. Tato výjimečná tvrdost ho činí ideálním pro průmyslové nástroje, ale zároveň představuje velkou výrobní výzvu. Materiál je obtížně tvarovatelný, drahý na výrobu a často vyžaduje více surovin, než kolik se nakonec použije ve finálním výrobku.

Výzkumníci nyní testovali jiný způsob výroby WC-Co cementovaného karbidu pomocí aditivní výroby (AM, běžně známé jako 3D tisk). Jejich přístup by mohl snížit odpad a snížit výrobní náklady při zachování pevnosti a tvrdosti, které činí tento materiál tak užitečným. Studie byla publikována v International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.

Proč je karbid wolframu tak cenný

WC-Co cementované karbidy se široce používají v aplikacích, které vyžadují extrémní tvrdost a odolnost vůči opotřebení, včetně řezných nástrojů, vrtáků, obráběcích zařízení a stavebních nástrojů. Materiál kombinuje karbid wolframu, který poskytuje tvrdost, s kobaltem, který působí jako kovové pojivo, jež drží karbidové částice pohromadě.

Výrobci v současné době tyto materiály vyrábějí hlavně prostřednictvím práškové metalurgie. V tomto procesu se jemné WC a Co prášky stlačují pod vysokým tlakem a zahřívají v sintrovacích strojích. Sintrování spojuje částice při zvýšených teplotách, aniž by nutně úplně roztavilo všechny komponenty. Metoda produkuje extrémně odolné díly, ale má své nevýhody. Wolfram a kobalt jsou nákladné suroviny a konvenční výroba může spotřebovat velké množství materiálu při relativně omezeném výtěžku. To činí snížení odpadu obzvláště důležitým.

Použití aditivní výroby

Výzkumníci zkoumali, zda by aditivní výroba mohla poskytnout efektivnější alternativu. Na rozdíl od konvenčních metod, které tvarují díl odstraňováním materiálu nebo vyplňováním formy, aditivní výroba staví objekt umístěním materiálu pouze tam, kde je to potřeba.

Tým použil laserovou horkou drátovou irradiaci (také nazývanou laserové horké drátové svařování), proces, který kombinuje laserový paprsek s předehřátým plnicím drátem. Zahřívání drátu před dosažením pracovní plochy umožňuje rychlejší a efektivnější přidávání materiálu. To může zvýšit rychlost depozice (kolik plnicího kovu je přidáno) a zároveň snížit množství energie potřebné z laseru.

Výsledky experimentů

Experimenty ukázaly, že tento přístup může zachovat tvrdost a mechanickou integritu spojenou s konvenčně vyráběným WC-Co cementovaným karbidem. Výzkumníci vyrobili základní materiál s tvrdostí nad 1400 HV (jednotka představující odolnost vůči pronikání), aniž by způsobili defekty nebo rozklad.

Hodnota HV se vztahuje k Vickersově tvrdosti, testu, který hodnotí, jak silně materiál odolává vtlačení tvrdým hrotem. Hodnota nad 1400 HV řadí výsledný karbid mezi nejtvrdší materiály běžně používané v průmyslu, pod supertvrdé látky jako safír a diamant.

Zjištění naznačují, že aditivní výroba může produkovat cementované karbidové formy bez větších defektů, ačkoli výsledky se lišily v závislosti na uspořádání výroby. Metoda s vedením tyče způsobila rozklad některých WC v horní části vyrobené struktury, což vytvořilo defekty ve finálním materiálu. Metoda s vedením laseru se některým z těchto problémů vyhnula, ale zpočátku měla potíže s udržením požadované tvrdosti.

Budoucí vývoj a aplikace

Výzkumníci řešili tento problém přidáním střední vrstvy na bázi niklové slitiny. Také pečlivě kontrolovali a monitorovali teplotu, aby zůstala nad bodem tání kobaltu, ale pod teplotou růstu zrn. Růst zrn nastává, když se mikroskopické krystaly uvnitř materiálu zvětšují, což může změnit jeho tvrdost a mechanický výkon.

S těmito úpravami tým úspěšně vyrobil cementovaný karbid pomocí AM, aniž by obětoval jeho tvrdost. Výsledky poskytují základ pro další vývoj, ale zůstává několik výzev. Výzkumníci chtějí snížit praskání, zlepšit odolnost a určit, jak vyrábět složitější tvary.

„Přístup formování kovových materiálů jejich změkčováním, nikoli úplným tavením, je nový a má potenciál být aplikován nejen na cementované karbidy, které byly zaměřením této studie, ale také na jiné materiály,“ řekl Keita Marumoto, asistent profesor na Graduate School of Advanced Science and Engineering na Hirošimské univerzitě.

Budoucí práce se zaměří na výrobu praktických řezných nástrojů, testování procesu s dalšími materiály a hledání způsobů, jak učinit hotové komponenty ještě odolnějšími. Pokud by se technika mohla zdokonalit pro velkovýrobu, mohla by umožnit výrobcům umístit drahý karbid pouze tam, kde je potřeba. To by mohlo učinit pokročilé nástroje méně plýtvavými a ekonomičtějšími, přičemž by zachovaly extrémní tvrdost potřebnou pro průmyslové použití.

Keita Marumoto a Motomichi Yamamoto z Graduate School of Advanced Science and Engineering na Hirošimské univerzitě a Takashi Abe, Keigo Nagamori, Hiroshi Ichikawa a Akio Nishiyama z Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation přispěli k tomuto výzkumu.

Mohlo by vás zajímat

• NASA otestuje měsíční moduly SpaceX a Blue Origin před dalším přistáním na Měsíci
• Nový katalyzátor dělá recyklaci plastů 10x efektivnější než platina
• Ultrarychlé rentgenové záření zachycuje chemii rozvíjející se atom po atomu

Původní článek: Scientists just 3D printed one of the hardest metals on Earth