التنغستن مقابل كربيد التنغستن: ما هو الفرق؟

كثيرًا ما يُخلط بين التنغستن وكربيد التنغستن، لكن وراء تشابه اسميهما خصائص مميزة تُميّزهما. فبينما يُشتقّ كلاهما من عنصر التنغستن المعدني النادر، تُنتج إضافة ذرات الكربون إلى كربيد التنغستن مركبًا فريدًا بخصائصه الخاصة.

في منشور المدونة هذا، سنتعمق في الفروقات الرئيسية بين التنغستن وكربيد التنغستن، ونستكشف عوامل مثل الصلابة والهشاشة والكثافة ومقاومة التآكل والتكلفة.

ما هو التنغستن

التنغستن، المعروف أيضًا بالرمز الكيميائي W، عنصر فلزي طبيعي. يُعتبر معدنًا نادرًا، إذ لا يشكل سوى حوالي 1.5 جزء في المليون من قشرة الأرض. يحمل التنغستن العدد الذري 74، ويقع في الدورة السادسة، المجموعة السادسة، من الجدول الدوري، مما يجعله من المعادن الانتقالية.

في شكله العنصري النقي، يكون التنغستن معدنًا رماديًا فولاذيًا إلى أبيض كالقصدير. يتميز بالعديد من الخصائص البارزة، بما في ذلك أعلى نقطة انصهار (3422 درجة مئوية، 6192 درجة فهرنهايت) وأعلى قوة شد بين جميع المعادن. كما يحتل التنغستن المرتبة الثانية من حيث الوزن الذري (183.84 وحدة) بين جميع العناصر الطبيعية، بعد اليورانيوم فقط. كثافته البالغة 19.3 غ/سم³ تُضاهي كثافة الذهب (19.32 غ/سم³)، وهي أعلى بكثير من كثافة الرصاص (11.34 غ/سم³).

ما هو كربيد التنغستن

كربيد التنغستن (WC) مركب كيميائي غير عضوي يحتوي على نسب متساوية من ذرات التنغستن والكربون. يُعرف أيضًا باسم أحادي كربيد التنغستن، وهو أهم كربيد التنغستن وأكثرها استخدامًا.

ترتبط ذرات التنغستن والكربون في كربيد التنغستن معًا في بنية بلورية سداسية، مما يُعطي خصائص مادية شبيهة بالسيراميك. بصلابة موس تتراوح بين 9 و9.5، يقترب كربيد التنغستن من صلابة الماس (10). يتمتع بدرجة انصهار عالية تبلغ 2,870 درجة مئوية (5,200 درجة فهرنهايت)، مع أن هذه الدرجة أقل من التنغستن النقي نظرًا لوجود الكربون.

أنواع المواد الرابطة لكربيد التنغستن

على الرغم من أن كربيد التنغستن النقي يتميز بصلابة ممتازة، إلا أنه هش وعرضة للكسر، خاصةً عند التعرض للصدمات. ولتحسين متانته وصلابته، تُخلط مساحيق كربيد التنغستن مع مواد رابطة معدنية قبل تشكيلها في قطع صلبة.

الكوبالت (Co)

يُعد الكوبالت المادة الرابطة الأكثر استخدامًا لكربيد التنغستن. كربيد التنغستن المرتبط بالكوبالت، والذي يُشار إليه عادةً باسم الكربيد، هو المعيار الصناعي لأدوات القطع وقطع الغيار المقاومة للتآكل. يتراوح محتوى الكوبالت عادةً بين 3% و30% وزنًا، حيث تُوفر نسب الكوبالت الأعلى صلابةً أكبر على حساب بعض الصلابة ومقاومة التآكل. يتميز الكوبالت بخصائص ترطيب ولصق ممتازة مع كربيد التنغستن، مما يسمح بإنتاج قطع غيار مُلبَّدة عالية الكثافة وخالية من الفراغات.

نيكل (ني)

يمكن استخدام النيكل كبديل للكوبالت كمادة رابطة في مركبات كربيد التنغستن. بالمقارنة مع الكوبالت، تتميز روابط النيكل بمقاومة أفضل للتآكل واستقرار كيميائي أفضل، خاصةً في البيئات الحمضية. مع ذلك، تتميز الكربيدات المرتبطة بالنيكل بصلابة ومقاومة تآكل أقل. يُستخدم النيكل أحيانًا مع الكوبالت لتحسين خصائص مركب كربيد التنغستن.

مجلدات أخرى

تُستخدم المعادن الأخرى، مثل الكروم والحديد، بشكل أقل شيوعًا كمواد رابطة للنعل، ولكن يمكن دمجها مع الكوبالت أو النيكل لإضفاء خصائص محددة:

• يُعزز الكروم مقاومة مركب كربيد التنغستن للتآكل والأكسدة. ويُستخدم غالبًا مع مواد رابطة من النيكل.
• يمكن استخدام الحديد كبديل اقتصادي أو إضافة لمواد رابطة الكوبالت. يتميز كربيد التنغستن الحديدي بصلابة أقل ومتانة أعلى مقارنةً بالأصناف المرتبطة بالكوبالت.

الفرق بين التنغستن وكربيد التنغستن

الصلابة والمتانة

كربيد التنغستن أصلب بكثير من معدن التنغستن النقي. على مقياس موس للصلابة، تتراوح صلابة كربيد التنغستن بين 9 و9.5، أي ما يقارب صلابة الماس (10). في المقابل، تبلغ صلابة التنغستن حوالي 7.5، وهي مماثلة للمعادن الصلبة الأخرى كالفولاذ المقسى.

تُترجم صلابة كربيد التنغستن الفائقة إلى مقاومة استثنائية للتآكل ومتانة فائقة. تحافظ أدوات ومكونات كربيد التنغستن على حدتها وتقاوم التآكل بشكل أفضل من التنغستن في الظروف القاسية. ومع ذلك، فإن صلابة كربيد التنغستن تجعله أكثر هشاشة.

الهشاشة ومقاومة الصدمات

إن الفارق في صلابة كربيد التنغستن الفائقة هو هشاشته المتزايدة مقارنةً بالتنغستن النقي. يتميز معدن التنغستن بمرونة نسبية ومقاومة أفضل للصدمات، كما يتحمل ضربات أثقل دون تشقق أو كسر.

في التطبيقات ذات الصدمات أو الاهتزازات العالية، يُعد التنغستن الخيار الأمثل. كربيد التنغستن أنسب في الحالات التي تتطلب مقاومة تآكل عالية وقوى صدمات أقل، كما هو الحال في أدوات القطع والقوالب والمواد الكاشطة.

الكثافة والوزن

يعد التنغستن أحد المعادن الأكثر كثافة، حيث تبلغ كثافته 19.3 جم/سم³، أي حوالي 1.7 مرة من كثافة الرصاص.

كربيد التنغستن أقل كثافة إلى حد ما عند حوالي 15.6 جم / سم مكعب، لكنه لا يزال أثقل بكثير من الفولاذ (7.8 جم / سم مكعب).

المقاومة للتآكل

يتمتع كلٌّ من التنغستن وكربيد التنغستن بمقاومة جيدة للتآكل بفضل تكوين طبقة أكسيد رقيقة على سطحهما. ومع ذلك، عادةً ما يحتوي كربيد التنغستن على روابط من الكوبالت أو النيكل، مما يجعله أكثر عرضة للتآكل في بيئات معينة، وخاصةً في الظروف الحمضية.

يتميز التنغستن النقي عمومًا بمقاومة أفضل للتآكل في بيئات متنوعة. وفي التطبيقات الأكثر تطلبًا، يُفضل استخدام التنغستن النقي أو سبائك التنغستن على الكربيد.

المقاومة للحرارة

يتمتع التنغستن بأعلى درجة انصهار بين جميع المعادن، وهي 3422 درجة مئوية (6192 درجة فهرنهايت). هذا يجعله مثاليًا للتطبيقات عالية الحرارة، مثل خيوط الإضاءة، وفوهات محركات الصواريخ، وأقطاب اللحام.

يتمتع كربيد التنغستن بدرجة انصهار منخفضة تبلغ حوالي ٢٨٧٠ درجة مئوية (٥١٩٨ درجة فهرنهايت)، ولكنها لا تزال مرتفعة بشكل استثنائي مقارنةً بمعظم المواد الأخرى. ويحافظ كربيد التنغستن على معظم صلابته ومتانته في درجات الحرارة المرتفعة.

التوصيل الكهربائي

التنغستن النقي موصل جيد للكهرباء، ويُستخدم بكثرة في الوصلات والأقطاب الكهربائية. تبلغ مقاومته الكهربائية 5.6 ميكرو أوم·سم، وهي أقل من النيكل والفولاذ الكربوني.

في المقابل، يُعد كربيد التنغستن عازلًا كهربائيًا أكثر، مع مقاومة كهربائية أعلى بكثير تبلغ حوالي 20 ميكرومتر أو أكثر، حسب مادة الرابط. يمنح رابط الكوبالت في كربيد التنغستن المُسمنتي موصلية كهربائية، ولكنها أقل بكثير من التنغستن النقي.

مظهر

يتمتع التنغستن النقي بلمعان معدني أبيض-رمادي يشبه المعادن الأخرى.

عادةً ما يكون لون كربيد التنغستن رماديًا غير لامعًا، أو فحميًا، نظرًا لاحتوائه على الكربون والمواد الرابطة. قد يختلف اللون الدقيق حسب نسبة التنغستن إلى الكربيد وتركيب المادة الرابطة.

التكلفة

يعتبر مسحوق كربيد التنغستن أرخص من التنغستن النقي لأنه يستخدم كمية أقل من التنغستن لكل وحدة حجم.

ومع ذلك، فإن معالجة وتلبيد مكونات كربيد التنغستن عادةً ما تكون أكثر تكلفةً واستهلاكًا للطاقة. كما أن هشاشة الكربيد تؤدي إلى زيادة الهدر في عمليات التشغيل. لذا، تُعدّ قطع كربيد التنغستن الجاهزة، بشكل عام، أكثر تكلفةً من التنغستن النقي.