La sollecitazione ammissibile del carburo di tungsteno cementato

Carburo di tungsteno cementato è spesso utilizzato nella progettazione ingegneristica e la comprensione delle sollecitazioni ammissibili del carburo di tungsteno cementato aiuta gli ingegneri a selezionare i materiali adatti. La sollecitazione ammissibile si riferisce alla sollecitazione massima che un materiale può sopportare in modo sicuro a lungo termine; il superamento di questo valore può causare deformazioni o fratture. Essendo una lega dura rappresentativa, la sollecitazione ammissibile del carburo di tungsteno cementato è influenzata dalla composizione, dalla temperatura, dalle tecniche di lavorazione e da altri fattori. I valori specifici richiedono un'analisi basata sulle condizioni reali.

Composto da atomi di tungsteno e carbonio, il carburo di tungsteno cementato si avvicina alla durezza del diamante naturale e presenta un'eccezionale resistenza all'usura. Questo materiale utilizza spesso il cobalto come fase legante: un contenuto più elevato di cobalto migliora la tenacità, ma può ridurre la durezza e le sollecitazioni ammissibili. Ad esempio, il carburo di tungsteno cementato con cobalto 6% ha in genere una resistenza alla compressione compresa tra 4.000 e 5.000 MPa, anche se la sollecitazione pratica ammissibile applica un fattore di sicurezza, in genere da 1/5 a 1/3 della resistenza alla compressione.

La temperatura influisce in modo significativo sulle sollecitazioni ammissibili. Sebbene sia stabile a temperatura ambiente, il carburo di tungsteno cementato si ammorbidisce al di sopra dei 500°C, causando una forte riduzione delle sollecitazioni ammissibili. I dati sperimentali mostrano che le sollecitazioni ammissibili diminuiscono di circa 8%-12% per ogni aumento di temperatura di 100°C. Le applicazioni ad alta temperatura richiedono un'attenzione particolare alla progettazione del sistema di raffreddamento e al monitoraggio della temperatura.

Il carburo di tungsteno cementato prodotto tramite sinterizzazione a bassa pressione riduce la porosità di 0,5%-1% rispetto ai metodi convenzionali, aumentando le sollecitazioni ammissibili di oltre 15%. I trattamenti superficiali, come i rivestimenti con deposizione chimica da vapore (CVD), formano uno strato di nitruro di titanio di 5-10 μm, aumentando le sollecitazioni superficiali ammissibili di circa 20% senza compromettere la tenacità del materiale.

La concentrazione delle sollecitazioni deve essere affrontata nelle applicazioni pratiche. A causa della sua fragilità, i bordi taglienti dovrebbero essere evitati nella progettazione dei pezzi. Un produttore di utensili ha riferito che l'aumento del raggio del tagliente da 0,1 mm a 0,3 mm ha triplicato la durata dell'utensile. Anche il controllo del precarico durante l'assemblaggio è fondamentale, poiché una sollecitazione eccessiva può dare origine a microcricche.

I valori delle sollecitazioni ammissibili variano a seconda degli standard. La norma ASTM B657 specifica un intervallo di sollecitazioni ammissibili di 800-1.200 MPa per il carburo di tungsteno cementato di tipo industriale, mentre la norma DIN 4990 prevede 600-1.000 MPa per condizioni specifiche. La scelta deve tenere conto dello scenario applicativo, ad esempio valori inferiori per carichi d'impatto e valori medio-alti per carichi statici.

La manutenzione influisce sulla durata delle sollecitazioni ammissibili. È essenziale un controllo regolare dell'usura superficiale; una scagliatura superiore a 0,2 mm può ridurre la capacità di carico di 30%. Anche la scelta del lubrificante è importante: il grasso con lubrificanti può ridurre lo stress da contatto di 15%-20% rispetto agli oli standard.

L'ispezione dei materiali è fondamentale per garantire le sollecitazioni ammissibili. I test a ultrasuoni rilevano i difetti interni fino a 0,1 mm e la diffrazione dei raggi X analizza la distribuzione delle sollecitazioni residue. I test distruttivi, comprese le prove di flessione e compressione a tre punti, dovrebbero essere eseguiti per ogni lotto per verificare la conformità ai requisiti di progetto.

Un caso di studio ingegneristico mostra che la sostituzione di un albero di trasmissione di un macchinario minerario con carburo di tungsteno cementato ha aumentato la sollecitazione ammissibile di 50% rispetto al progetto originale, anche se ciò ha richiesto strutture di supporto migliori. Questa modifica ha prolungato la durata di vita dell'apparecchiatura da 6 mesi a 3 anni, dimostrando i notevoli vantaggi derivanti dalla corretta applicazione dei dati sulle sollecitazioni ammissibili. Si noti che i parametri dei materiali non devono mai essere applicati alla cieca; è essenziale un'analisi completa e adeguata alle specifiche condizioni operative.