1. Popis materiálu
Těžké wolframové slitiny (známé jako WHAs - Wolfram Heavy Alloys nebo Densalloy) jsou kompozitní materiály s obsahem 90 až 97 % wolframu, vyrobené metodou tekutého spékání (liquid-phase sintering) práškových kovů. Protože čistý wolfram je za studena extrémně křehký (viz i naše stránka o čistém wolframu), leguje se přídavkem prvků Ni-Fe nebo Ni-Cu, které vytvoří tvárnou, nízkotavitelnou matrici obklopující kulovitá zrna wolframu. Výsledný materiál si zachovává obrovskou hustotu (až 18,5 g/cm3) a schopnost pohlcovat záření, ale získává vysokou tažnost, houževnatost a je vynikající obrobitelný běžnými třískovými metodami za studena.
Hlavní rozdíl mezi WNiFe a WNiCu:
- WNiFe (wolfram-nikl-železo): Nejrozšířenější typ. Železo podporuje rozpustnost a zpevnění matice, což slitině dodává nejvyšší mechanickou pevnost, tvrdost a tažnost. Je mírně magnetický.
- WNiCu (wolfram-nikl-měď): Měď nahrazuje železo tam, kde je vyžadována absolutní nemagnetičnost (např. stínění pro citlivé senzory, elektroniku nebo lékařskou MRI techniku). Má mírně nižší mechanické vlastnosti než WNiFe.
2. Chemické složení a standardní třídy
Složení odpovídá mezinárodnímu dělení podle hustoty a norem ASTM B777 (hmotnostní procenta):
| Třída (ASTM B777) | Obsah W | Pojivo (Ni:Fe nebo Ni:Cu) | Typická hustota | Magnetismus |
|---|---|---|---|---|
| Class 1 (WNiFe) | 90 % | Ni:Fe = 7:3 nebo 8:2 (zbytek) | 17,0 g/cm3 | Mírný |
| Class 2 (WNiFe) | 92,5 % | Ni:Fe = 7:3 nebo 8:2 (zbytek) | 17,5 g/cm3 | Mírný |
| Class 3 (WNiFe) | 95 % | Ni:Fe = 7:3 nebo 8:2 (zbytek) | 18,0 g/cm3 | Mírný |
| Class 4 (WNiFe) | 97 % | Ni:Fe = 7:3 nebo 8:2 (zbytek) | 18,5 g/cm3 | Velmi slabý |
| WNiCu (všechny třídy) | 90 - 95 % | Ni:Cu = 6:4 nebo 7:3 (zbytek) | 17,0 - 18,0 g/cm3 | Zcela nemagnetický |
3. Výrobní a materiálové normy
- ASTM B777: Standardní specifikace pro wolframové materiály s vysokou hustotou (nejdůležitější celosvětový standard rozlišující Třídy 1 až 4).
- AMS-T-21014: Vojenská a letecká specifikace pro těžké ocelové pseudoslitiny na bázi wolframu.
- ISO 14644 / ISO 9001: Výrobní tolerance pro díly práškové metalurgie.
4. Vyráběné polotovary
- Sintrované tyče a bloky: Kruhové profily do průměru 200 mm, kované/tepelně zpracované pro vyšší pevnost.
- Desky a hranoly: Tloušťky od 5 mm do 100 mm, přesně frézované nebo broušené.
- Kuličky a válečky: Přesně lisované pro kinetická závaží a broky munice.
- Hotově obrobené díly: Zakázková výroba stínění, pouzder a kolimátorů dle výkresové dokumentace.
5. Popis typického použití
- Letecký a motoristický průmysl: Vyvažovací a statická závaží pro křidélka letadel, rotorové listy helikoptér, klikové hřídele motorů Formule 1 (maximální hmotnost v minimálním prostoru).
- Medicínská technika: Stínění proti záření v přístrojích pro radioterapii (lineární urychlovače, Gamma nůž) a rentgenová pouzdra. Zde se pro MRI komponenty striktně volí nemagnetický WNiCu.
- Ropný průmysl: Závaží pro hlubinné karotážní sondy (logging-while-drilling), kde je nutné proniknout těžkým výplachem a stínit měřicí senzory.
- Strojírenství: Antivibrační frézovací trny a vyvrtávací tyče (díky vysokému modulu pružnosti tlumí vibrace až 3x lépe než ocel).
- Obranný průmysl: Průbojná jádra podkaliberního střeliva (APFSDS), prefabrikované střepiny.
6. Fyzikální vlastnosti (typické hodnoty)
| Vlastnost | WNiFe (90 % W) | WNiFe (95 % W) | WNiCu (90 % W) | WNiCu (95 % W) |
|---|---|---|---|---|
| Hustota (g/cm3) | 17,0 | 18,0 | 17,0 | 18,0 |
| Tepelná vodivost (W/m·K) | 70 - 80 | 90 - 100 | 75 - 85 | 95 - 105 |
| Koeficient tepelné roztažnosti (10-6/K) | 5,2 | 4,8 | 5,4 | 4,9 |
| Magnetická permeabilita (μr) | 1,5 - 2,0 (slabě mag.) | 1,05 - 1,2 | < 1,005 (zcela nemagnetické) | |
| Teplota tavení | Matice taje v rozsahu 1430 - 1455 °C. Wolframová zrna drží integritu do 3422 °C. | |||
7. Mechanické vlastnosti
| Vlastnost | WNiFe (90 % W) | WNiFe (95 % W) | WNiCu (90 % W) | WNiCu (95 % W) |
|---|---|---|---|---|
| Pevnost v tahu Rm (MPa) | 850 - 1000 | 800 - 950 | 650 - 750 | 600 - 720 |
| Mez kluzu Rp0,2 (MPa) | 550 - 650 | 580 - 680 | 480 - 550 | 500 - 580 |
| Tažnost A5 (%) | 10 - 25 % | 7 - 15 % | 6 - 12 % | 3 - 8 % |
| Tvrdost (HRC / HB) | 24-32 HRC / ~270 HB | 28-36 HRC / ~320 HB | 20-27 HRC / ~230 HB | 25-32 HRC / ~290 HB |
| Modul pružnosti (E) | ~ 340 GPa | ~ 360 GPa | ~ 330 GPa | ~ 350 GPa |
Základní pravidlo pro obrábění těžkých slitin: Zapomeňte na obtíže s čistým wolframem - slitiny WNiFe a WNiCu se chovají při třískovém obrábění velmi podobně jako šedá litina, vysoce pevná legovaná ocel nebo austenitická nerez. Materiál tvoří krátkou drobivou třísku. Hlavním problémem je vysoká hustota a abrazivita wolframových zrn, která způsobuje kontinuální opotřebení ostří nástroje, a proto je klíčové chlazení a pevnost sestavy.
8. Popisy a podmínky obrábění
Soustružení
Technologická doporučení: Obrábění probíhá zásadně za studena (pokojová teplota). Vyžaduje se robustní a stabilní soustruh. Tříska je krátká a lámavá. Dbejte na plynulý posuv; pokud nástroj zůstane stát na místě (tzv. „leštění povrchu“), dojde k lokálnímu zpevnění matice a otupení břitu.
- Nástroje: Vyměnitelné destičky ze slinutého karbidu (ISO třídy K10 až K30). Pro hrubování se volí povlakované destičky, pro dokončování velmi ostré bezpovlakové destičky.
- Geometrie: Úhel čela (γ) = 0° (neutrální pro hrubování) až +6° (pozitivní pro jemný řez), úhel hřbetu (α) = 5° až 7°, rádius špičky raději menší (0,4 mm) pro omezení tlaku a chvění.
- Řezné podmínky: Řezná rychlost vc = 40 - 80 m/min (podle obsahu W), posuv f = 0,15 - 0,3 mm/ot. Používejte bohaté chlazení vodní emulzí pro odvod tepla a prodloužení životnosti ostří.
Frézování
Technologická doporučení: Doporučuje se výhradně sousledné frézování (climb milling). Při čelním frézování nastavte polohu frézy tak, aby tloušťka třísky při výstupu z řezu končila na minimu, což výrazně omezí vyštipování (chipping) výstupních hran obrobku.
- Nástroje: Monolitní karbidové frézy nebo frézovací hlavy s destičkami K10/K20 s ultra-jemnou strukturou.
- Řezné podmínky: Řezná rychlost vc = 50 - 90 m/min. Posuv na zub fz = 0,05 - 0,12 mm/zub podle hloubky řezu.
Vrtání
Technologická doporučení: Slitiny WNiFe/WNiCu lze vrtat podstatně snáze než čisté refraktorní kovy. Přesto materiál generuje značné třecí teplo. Při vrtání slepých otvorů neponechávejte vrták na dně bez posuvu. Je kritické zajistit stálý přívod chladicí kapaliny.
- Nástroje: Celotvrdokovové vrtáky, ideálně s vnitřním chlazením středem nástroje. Rychlořezná ocel (HSS-Co) je použitelná pouze pro nouzové odvrtání malých průměrů za extrémně nízkých otáček.
- Geometrie: Vrcholový úhel špičky 118° až 130°.
- Řezné podmínky: Řezná rychlost vc = 20 - 35 m/min, posuv f = 0,05 - 0,15 mm/ot v závislosti na průměru.
Řezání
- Mechanické řezání: Na rozdíl od čistého wolframu lze kované tyče a desky WHAs dělit na běžných pásových pilách. Používejte bimetalové pilové pásy (např. M42 nebo s karbidovými zuby) s jemnějším dělením zubů (4/6 tpi nebo 6/10 tpi). Řežte při nízké rychlosti pásu a za stálého chlazení emulzí.
- Elektroerozivní řezání (EDM): Drátové řezání (Wire-EDM) je vysoce efektivní pro tvarové řezy. Vzhledem k vysoké hustotě wolframových zrn probíhá eroze o něco pomaleji než u konstrukčních ocelí, ale povrch zůstává čistý a bez trhlin.
Broušení
Technologická doporučení: Broušení se používá pro finální lícování tolerancí a zrcadlové povrchy. Tvrdá wolframová zrna jsou usazena v měkčí niklové matici, kotouč se proto nesmí zalamovat ani pálit. Slitiny reagují velmi dobře na broušení za mokra.
- Specifikace kotoučů: Používejte kotouče s brusným zrnem z korundu (Al2O3) nebo karbidu křemíku (SiC) se středně měkkou vazbou, případně diamantové kotouče.
- Chlazení: Trvalý, silný proud chladicí kapaliny je nutný. Suché broušení způsobuje lokální tepelné napětí a změnu barvy (oxidaci) pojiva.
9. Svařování a spojování
Těžké slitiny jsou považovány za obtížně svařitelné klasickými tavnými metodami, protože vysoké teplo vede k separaci fází - těžká wolframová zrna klesají ke dnu svarové lázně a lehká niklová matrice vyplouvá nahoru, což vede k porozitě a křehkosti spoje.
- Pájení natvrdo (brazing): Nejrozšířenější a plně doporučovaná metoda. Spojování s ocelí, mědí nebo k sobě navzájem se provádí pomocí stříbrných pájek (obsahujících min. 40-50 % Ag) nebo pájek na bázi mědi a manganu. Ideální teplotní rozsah je 680 °C až 850 °C ve vakuu, vodíkové atmosféře nebo s použitím tavidla na vzduchu.
- Svařování elektronovým paprskem (EBW): Lze použít pro vysoce přesné spoje. Vyžaduje precizní nastavení parametrů, aby se minimalizovalo promíchání zón.
- Mechanické spoje: Slitiny WNiFe mají dostatečnou pevnost a houževnatost pro přímé vyřezání vnitřních závitů a spojování pevnostními šrouby.
10. Tepelné zpracování a ochrana před oxidací
Po sintrování mohou slitiny WNiFe obsahovat rozpuštěný vodík, který způsobuje mírné snížení tažnosti. Za tímto účelem se provádí vakuové žíhání.
- Tepelné zpracování (dehydrogenace): Žíhání ve vakuu při teplotách 1000 °C až 1150 °C po dobu několika hodin odstraňuje vodíkovou křehkost a zvyšuje tažnost materiálu (A5) na maximum.
- Oxidační limity: Na volném vzduchu začíná nikl-železná matice oxidovat nad 400 °C a wolframová zrna nad 500 °C. Při vyšších teplotách dochází k degradaci mechanických vlastností. Pro vysokoteplotní aplikace nad 500 °C musí být slitiny chráněny vakuem, inertním plynem nebo galvanickým pokovením (např. niklováním).
11. Doporučené povlakování nástrojů
Vzhledem k tomu, že tříska těžkých slitin je vysoce abrazivní (působí na ostří jako brusný papír), správný povlak dramaticky zvyšuje produktivitu.
- TiAlN a TiAlSiN (PVD povlaky): Průmyslový standard pro hrubovací a dokončovací operace u WNiFe. Křemík v povlaku zvyšuje nanotvrdost a odolnost proti abrazivnímu otěru o wolframové částice.
- CVD Diamond / TiCN: Vícevrstvé povlaky TiCN vykazují skvělé výsledky při soustružení s vysokým posuvem. Diamantové vrstvy jsou excelentní pro vrtání a frézování za studena u slitin WNiCu, kde zcela potlačují tendenci mědi lepit se na břity.
Možnosti dodávek: Slitiny W-NiFe a W-NiCu mohou být dodány buď ve formě polotovarů pro další zpracování, nebo jako již hotové komponenty podle zadání (výkresu). Nižší hustoty a jinou kombinaci vlastností nabízí příbuzný kompozit wolfram-měď (W/Cu).