צפיפות פררו טונגסטן היא אחת התכונות הבודדות של הסגסוגת שניתן לחזות בביטחון לפני חום בודד נמס, מכיוון שהיא נובעת ישירות מהפרופורציות של שתי המתכות שהיא מכילה. הנתון חשוב מבחינה מסחרית וגם טכנית: הצפיפות מניעה את התנהגות השקיעה והפירוק במצקת לייצור הפלדה, וזו הסיבה שהסגסוגת מופיעה במשקולות נטל, רוטורי ג'ירו ובמיגון קרינה. מאמר זה נותן את ערכי העבודה, מראה כיצד הם מחושבים ומסביר מה מרחיק צפיפות מדודה מהחישוב.
ממה מורכב Ferro Tungsten
פרו טונגסטן היא סגסוגת ראשית של טונגסטן וברזל המשמשת להחדרת טונגסטן לפלדה וברזל יצוק. חומר מסחרי מיוצר על ידי הפחתה קרבוטרמית של תרכיז עפרות טונגסטן בכבשן חשמלי, כאשר חומר נושא ברזל נטען כך שהטונגסטן המופחת מתמוסס בברזל נוזלי במקום להיות מיוצר כמתכת טהורה. התוצאה היא סגסוגת צפופה ושבירה שמתמצקת כתערובת של שלבים בין-מתכתיים, בעיקר תרכובות FeW ו-Fe2W, יחד עם כמות מוגבלת של מטריצה עשירה בברזל.
אלמנט עיקרי:טונגסטן, בדרך כלל 70 עד 85 אחוז במסה בדרגות מסחריות.
לְאַזֵן:ברזל, עם כמויות קטנות ומבוקרות של פחמן, סיליקון, זרחן וגופרית.
טפסי מוצר:גוש יצוק, שברים מרוסקים ומסוננים, ואבקה דקה לייצור חוטי ליבה ולבנים.
התנהגות התכה:הסגסוגת נמסה על פני טווח ולא בנקודה אחת, מכיוון שהשלבים הנוכחיים שונים בהרכבם.
ערכי צפיפות אופייניים לפי כיתה
מכיוון שהסגסוגת היא תערובת, צפיפותה נעה בין הצפיפות של טונגסטן טהור, כ-19.25 גרם/ס"מ³, לבין הצפיפות של ברזל טהור, כ-7.87 גרם\\ס"מ³. כלל התערובת לצפיפות אינו ממוצע משוקלל פשוט של שתי הדמויות, שכן מה שנשמר הוא נפח ולא צפיפות:
1 / ρalloy=(w(W) / ρ(W)) + (w(Fe) / ρ(Fe)), כאשר w מציין שבר מסה.
| צִיוּן | תוכן טונגסטן | צפיפות מחושבת (g/cm³) |
|---|---|---|
| כמה W70 | 70 אחוז | 13.43 |
| כמה W75 | 75 אחוז | 14.14 |
| כמה W80 | 80 אחוז | 14.93 |
| FeW85 | 85 אחוז | 15.82 |
לכן הערכים המחושבים עולים מכ-13.4 לכ-15.8 גרם/ס"מ³ על פני הטווח המסחרי. חומר מסחרי מוצק בחלון הרגיל של FeW75 עד FeW80 נקוב בדרך כלל ב-14.0 עד 15.5 גרם/ס"מ³ בקירוב, כאשר הנתון המחושב מייצג סגסוגת נטולת נקבוביות- בהרכב המוצהר בדיוק. לצורך ההקשר, פחמן רגיל ופלדה מסגסוגת נמוכה עומדים על 7.75 עד 8.05 גרם/ס"מ³ ועופרת על בערך 11.34 גרם/ס"מ³, כך שסגסוגת ראש הנושאת-טונגסטן צפופה בערך פי 1.8 מפלדה ודחוסה יותר מעופרת.
גורמים שמשנים את הצפיפות הנמדדת
נתון מעבדה שנלקח ממגרש שנמסר לעתים רחוקות תואם בדיוק את הערך המחושב. ההבדלים ניתנים להסבר, וכל אחד מהם מצביע על נכס שכדאי לציין בהזמנת הרכש:
יחס טונגסטן לברזל:הגורם הדומיננטי. כל נקודת אחוז נוספת של טונגסטן מעלה את צפיפות הסגסוגת.
תכולת פחמן:תוספות פחמן מורידות מעט את הצפיפות, גם בגלל שפחמן קל וגם בגלל שפחמן משנה את הפרופורציה של הפאזות הנוכחיות.
אלמנטים שיוריים:מוליבדן ושאריות כבדות אחרות יכולים להחליף את הטונגסטן ולהעביר את התוצאה לכל כיוון, כך שציונים נרכשים לפי מפרט כימיה ולא בשם נומינלי.
נקבוביות והתכווצות:מטילי יציקה וגושים מכילים חללים, כך שצפיפות חתיכה מדודה יכולה לרדת מתחת לערך המחושב גם כשהכימיה נכונה.
סיגים כלואים ותכלילים לא-מתכתיים:קל יותר מהסגסוגת, אלה מורידים את הצפיפות הממוצעת וגם מפחיתים את התאוששות הטונגסטן במצקת.
צפיפות בתפזורת של חלקים מרוסקים:כאשר המוצר נמעך ומסונן, המסה לכל נפח יצוק של המצע הארוז תמיד נמוכה מצפיפות המוצק של החלקיקים, והיא תלויה בהתפלגות הגודל ובצורת החלקיקים ולא בכימיה.
מסיבה אחרונה זו נתון צפיפות חסר משמעות אלא אם כן צוין הבסיס. על הקונים לדרוש שהתעודה תבחין בין צפיפות חלקיקים מוצקים לצפיפות בצובר, ועליהם לתקן את שבר הגודל בו-זמנית, מכיוון ששבר דק ושבר גס של כימיה זהה לא יתנהגו באותה צורה בהמסה.
מדוע צפיפות חשובה בפועל
במצקת לייצור פלדה ובכבשן, צפיפות גבוהה היא יתרון תפעולי. תוספת צפופה חודרת לשכבת הסיגים, מגיעה למתכת הנוזלית במהירות ומתמוססת שם, בעוד שתוספת קלה יכולה לצוף, להתחמצן על פני השטח וללכת לאיבוד לסיג. זו הסיבה שטונגסטן נטען כטונגסטן ברזל ולא כתחמוצת או כאבקה דקה, ומדוע הגודל מותאם לפרקטיקה: גוש לטעינת תנור, שברים עדינים לחוטי ליבה שבהם יש צורך בקצב הוספה מבוקר.
מחוץ לחנות ההיתוך, צפיפות הסגסוגת היא הסיבה שהיא בכלל נבחרה:
נטל ומשקל נגד:המסה הגבוהה ביותר בנפח הקטן ביותר, עבור משטחי בקרת מטוסים, משקלי הרמה ומנוף, ויישומי מירוץ.
אינרציה מסתובבת:רוטורי ג'ירו וחישוקי גלגל תנופה, שבהם נדרשת מסה קומפקטית בצפיפות- גבוהה.
מיגון קרינה:חומר נושא-טונגסטן מציע ביצועי מיגון קרוב לעופרת בעובי קטן בהרבה, ללא הגבלות רעילות והטיפול של עופרת.
חלקי שיפוע צפיפות:רכיבים שנבנו בכוונה עם מעטפת חיצונית קלה יותר וליבה צפופה, או הפוך, כדי למקם מסה במקום שבו היא שולטת ברטט או באיזון.
עיבוד ועיבוד פועלים לפי אותו היגיון. סגסוגת צפופה, קשיחה ושבירה היא איטית לחיתוך, ולכן היא מסתיימת בדרך כלל על ידי שחיקה בדרגות שוחקות המתאימות לחלקי עבודה קשים, בעלי משיכות- נמוכה, ולעתים רחוקות היא מרותכת. כאשר נדרש חלק מוגמר, נתון הצפיפות ניזון ישירות לחישובי המשקל, ולכן לגודל הבילט שהוזמן.
שאלות נפוצות
ש: מהי הצפיפות של טונגסטן ברזל?
חומר מסחרי מוצק נקוב בדרך כלל בכ-14.0 עד 15.5 גרם/ס"מ³ עבור תכולת טונגסטן של 70 עד 85 אחוזים. ערכי החופשיות-מחושבים של נקבוביות עבור אותן דרגות נעים בין כ-13.4 ל-15.8 גרם/ס"מ³.
ש: מדוע הצפיפות של טונגסטן ברזל אינה הממוצעת של טונגסטן וברזל?
צפיפות היא מסה ליחידת נפח, ולכן נפחים משתלבים ולא צפיפות. כלל התערובת מוסיף את הנפח שכל רכיב תופס, וזו הסיבה שהסגסוגת קלה יותר מהטונגסטן שהיא מכילה.
ש: האם טונגסטן ברזל כבד יותר מעופרת?
כֵּן. עופרת היא בערך 11.34 גרם/ס"מ³ לעומת בערך 14 גרם/ס"מ³ או יותר עבור הסגסוגת, וזו הסיבה שחומר הנושא-טונגסטן מועדף למשקלים קומפקטיים ולמיגון.
ש: האם תכולת טונגסטן גבוהה יותר אומרת תמיד צפיפות גבוהה יותר?
בטווח FeW70 עד FeW85, כן. חלקים אמיתיים יכולים לסטות אם קיימים נקבוביות, תכלילי סיגים או אלמנטים שיוריים כבדים, כך שהצפיפות מאומתת לצד ניתוח כימי.
ש: מה ההבדל בין צפיפות מוצק לצפיפות בתפזורת של טונגסטן ברזל?
צפיפות מוצק מתארת את החומר של החלקיק עצמו. צפיפות הצבר מתארת ערימה ארוזה של מוצר מרוסק והיא נמוכה יותר, מכיוון שהחללים בין החלקיקים נספרים בנפח.
ש: מדוע חייבים לכתוש טונגסטן ברז לגודל מדורג?
קצב הפירוק, שיטת הטעינה והתאוששות תלויים בגודל החלקיקים. טעינת תנור סובלת גושים, בעוד שתוספות של מצקת וחוטי ליבה צריכות חלק בגודל צר ועדין יותר.
