Prace naukowców nad poprawą wytrzymałości wierteł

Prace naukowców nad poprawą wytrzymałości wierteł

Naukowcy z Chalmers University of Technology (Szwecja) oraz Grenoble we Francji pracują nad otrzymaniem super wytrzymałego materiału do produkcji wierteł.

Najwyższej klasy wiertła otrzymywane są w procesie spiekania proszków węglika wolframu oraz kobaltu, podczas którego tworzy się solidny szkielet ziaren węglika wolframu otoczony wytrzymałą fazą łączącą składającą się z kobaltu. Kluczowe znaczenie dla wytrzymałości materiału ma rozmiar ziaren. Dlatego, aby uzyskać wytrzymały materiał konieczna jest umiejętność kontrolowania wzrostu ziaren podczas spiekania. Dzięki kombinacji metod eksperymentalnych i teoretycznych naukowcy dysponują obecnie wiedzą jak podczas procesu spiekania kontrolować strukturę materiału w najmniejszych detalach, nawet w skali atomowej.

Wzrost ziaren może być znacząco zahamowany poprzez domieszkowanie, a więc dodawanie niewielkich ilości obcych substancji, np. metali do mieszaniny, która ma być poddana spiekaniu. Przykładowo niewielkie ilości wanadu mogą zahamować wzrost ziaren węglika wolframu dziesięciokrotnie – z rozmiaru rzędu µm do 0,1 µm.

Naukowcy z Grenoble odkryli za pomocą mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości, że w domieszkowanym materiale mogą powstawać bardzo cienkie warstwy, o strukturze sześciennej, grubości 2 atomów, którymi pokryte są ziarna węglika wolframu. Z kolei w Chalmers za pomocą tomografii atomowej udało się zanalizować granice międzyfazowe atom po atomie.

Odkryte supercienkie warstwy mogą ograniczać wzrost ziaren, ale nadal nie wiadomo w którym momencie wzrostu ziaren one powstają. Niestety mikroskopia elektronowa nie nadaje się do tego, aby ją zastosować do obserwacji procesu spiekania. Z obliczeń teoretycznych wynika, że warstwy te mogą występować nawet w wysokich temperaturach spiekania. W takich warunkach duże ziarna połączone z cienkimi warstwami domieszki są niestabilne, natomiast układ stabilizowany jest przez silne oddziaływania pomiędzy atomami domieszki a fazą spajającą składającą się z kobaltu.

Prace naukowców skoncentrowane są na poznaniu oddziaływań międzyfazowych pomiędzy wymienionymi składnikami spieku. Część teoretyczna oparta jest na teorii funkcjonałów gęstości (mechanika kwantowa).

Dotychczasowe prace wykonane zostały w ramach projektu sponsorowanego przez Szwedzką Radę Naukową oraz przedstawicieli przemysłu – firmy Sandvik i Seco Tools, we współpracy z zespołem naukowym z Grenoble.

(pj)