Novi 3D Postupak Štampanja Volfram‑Karbida Donosi Manje Otpada i Veću Preciznost

Tvrdi materijali su ključni za savremenu industriju — od burgija i reznog alata do delova otpornih na habanje. Jedan od najotpornijih je volfram‑karbid sa kobaltom (WC–Co), ali njegovo oblikovanje tradicionalnim postupcima je skupo i neefikasno. Istraživači sa Univerziteta u Hirošimi predstavili su novi laserski aditivni postupak koji omogućava štampanje kvalitetnih WC–Co slojeva direktno na metalne podloge uz znatno manje otpada.

Šta su WC–Co cementirani karbidi?

WC–Co cementirani karbidi sastoje se od sitnih zrna volfram‑karbida povezanih kobaltnim vezivom. Takva kombinacija daje izuzetnu tvrdoću i otpornost na habanje, zbog čega se koriste za sečne ivice i alatne komponente. Tradicionalna sinterovanja zahteva mnogo skupih sirovina i velike peći, i loše podnosi izradu velikih ili složenih geometrija.

(a) SEM image of a sintered cemented carbide rod. (b) WC particle size distribution in the sintered cemented carbide rod. (CREDIT: International Journal of Refractory Metals and Hard Materials)

Pristup istraživača iz Hirošime

Tim je razvio proces koji umesto praškova koristi čvrste, sinterovane šipke WC–Co kao dodatni materijal. Sistem kombinuje lasersko zagrevanje i "hot‑wire" predgrejanje: električna struja predgrejava karbidnu šipku pre nego što ona stigne u zonu laserskog zračenja. Time se smanjuje potrebna laserska energija i ograničava štetno termo‑hemijsko dejstvo na karbid.

Dvе testirane laserske strategije

1. Direktno gađanje šipke laserom: Kada je laser direktno udarao šipku, gornji deo izgradnje razvijao je pore i pukotine. Analize su pokazale raslojavanje karbida i stvaranje neželjenih faza poput grafita.

(a) Schematic of the rod‑leading method. (b) Schematic of the laser‑leading method. (CREDIT: International Journal of Refractory Metals and Hard Materials)

2. Laser postavljen između šipke i čelične podloge: Ova strategija smanjila je direktnu hemijsku razgradnju šipke, ali je dovela do difuzije gvožđa iz čelične baze i povećanja odnosa kobalta u sloju, što je umanjilo tvrdoću.

Rešenje: tanki nikl međusloj

Da bi sprečili prodor gvožđa i smanjili toplotni uticaj na čeličnu podlogu, istraživači su uveli tanak međusloj na bazi nikla između čelika i karbida. Taj međusloj delovao je kao barijera za difuziju i tampon za toplotu.

SEM image of cemented carbide molded with the rod‑leading method. (CREDIT: International Journal of Refractory Metals and Hard Materials)

Uz međusloj, proces se stabilizovao: umesto hemijskog raspadanja, karbidna šipka se kontrolisano omekšavala i ponovno vezivala sloj po sloj. Ispitivanja su pokazala da je tvrdoća blizu površine ostala visoka — oko 1400 HV — što pozicionira materijal među najtvrđe industrijske materijale, odmah ispod safira i dijamanta. Mikroskopske analize su otkrile da su zrno i mikrostruktura ostali blizu originalne sinterovane šipke, uz samo ograničen rast zrna i minimalnu migraciju kobaltnog veziva.

"Pristup formiranja metalnih materijala tako što ih omekšavate umesto da ih potpuno topite predstavlja nov pravac i može se primeniti i na druge teške materijale, ne samo na cementirane karbide," rekao je Keita Marumoto, vođa tima.

Izazovi i perspektive primene

Iako su rezultati obećavajući, problem pucanja pri startu nekih izgradnji i dalje postoji — istraživači planiraju dodatnu optimizaciju termalne kontrole kako bi otklonili te pukotine. Dalji rad obuhvatiće testove složenijih geometrija, druge kombinacije baza i međuslojnih materijala, kao i procenu mehaničkih svojstava u realnim radnim uslovima.

Upravo zbog mogućnosti da se štampa samo kritična, tvrda oblast alata na otpornim podupiranjima, metoda bi mogla značajno smanjiti upotrebu volframa i kobalta — sirovina koje su skupe i ograničene — i omogućiti nove dizajne alata sa optimalnim odnosom tvrdoće i žilavosti.

Izvor: International Journal of Refractory Metals and Hard Materials; originalna vest objavljena na The Brighter Side of News.