Карбид вольфрама ( химическая формула : WC ) — это химическое соединение (в частности, карбид ), содержащее равные части атомов вольфрама и углерода . В своей самой базовой форме карбид вольфрама представляет собой мелкий серый порошок, но его можно прессовать и формовать в формы посредством спекания [7] для использования в промышленных машинах , режущих инструментах , зубилах , абразивах , бронебойных пулях и ювелирных изделиях .
Карбид вольфрама примерно в три раза жестче стали , с модулем Юнга около 530–700 ГПа, [4] [8] [9] [10] и в два раза плотнее стали . Он сопоставим с корундом (α- Al
2О
3) по твердости , приближаясь к твердости алмаза, [7] и может быть отполирован и обработан только абразивами с превосходной твердостью, такими как кубический нитрид бора и алмазный порошок, круги и соединения. Инструменты из карбида вольфрама могут работать на скоростях резания, намного превышающих скорости резания быстрорежущей стали (специальная стальная смесь для режущих инструментов). [7]
Порошок карбида вольфрама был впервые синтезирован Х. Муассаном в 1893 году, а промышленное производство цементированной формы началось 20–25 лет спустя (между 1913 и 1918 годами). [8]
В разговорной речи среди рабочих различных отраслей промышленности (например, машиностроения ) карбид вольфрама часто называют просто карбидом.
Порошок карбида вольфрама получают путем реакции металлического вольфрама (или порошка) и углерода при температуре 1400–2000 °C. [11] Другие методы включают процесс в псевдоожиженном слое с более низкой температурой, в котором реагирует либо металлический вольфрам (или порошок), либо синий WO3с газовой смесью CO / CO 2 и H
2газ между 900 и 1200 °C. [12]
WC также можно получить путем нагревания WO3 с графитом , либо непосредственно при 900 °C, либо в водороде при 670 °C, с последующей цементацией в аргоне при 1000 °C. [13] Были исследованы следующие методы химического осаждения из паровой фазы : [11]
Твердый карбид вольфрама изготавливается с использованием методов порошковой металлургии, разработанных в 1920-х годах. [7] Порошкообразный карбид вольфрама смешивается с другим порошкообразным металлом, обычно кобальтом (альтернативы включают никель , железо и парафиновый воск [8] ), который действует как связующее вещество . [7] Смесь прессуется, затем спекается путем нагревания ее до температур от 1400 °C (2550 °F) до 1600 °C (2910 °F); связующее вещество плавится, смачивает и частично растворяет зерна вольфрама, связывая их вместе. [7] Композиты кобальт-вольфрам известны под рядом торговых наименований, включая Widia и Carboloy. [7]
Существуют два хорошо охарактеризованных соединения вольфрама и углерода: карбид вольфрама, WC , и полукарбид вольфрама , W.
2C. Оба соединения могут присутствовать в покрытиях, а пропорции могут зависеть от метода покрытия. [14]
Другое метастабильное соединение вольфрама и углерода может быть создано путем нагрева фазы WC до высоких температур с использованием плазмы, а затем закалки в инертном газе (плазменная сфероидизация). [15] Этот процесс приводит к сфероидизации макрокристаллических частиц WC и приводит к нестехиометрической высокотемпературной фазе WC.
1-xсуществующий в метастабильной форме при комнатной температуре. Тонкая микроструктура этой фазы обеспечивает высокую твердость (2800–3500 HV) в сочетании с хорошей прочностью по сравнению с другими соединениями карбида вольфрама. Метастабильная природа этого соединения приводит к снижению стабильности при высоких температурах. [ необходима цитата ]
При высоких температурах WC разлагается на вольфрам и углерод, и это может происходить во время высокотемпературного термического напыления , например, в методах высокоскоростного кислородного топлива (HVOF) и высокоэнергетической плазмы (HEP). [16]
Окисление WC начинается при 500–600 °C (773–873 K). [11] Он устойчив к кислотам и подвергается воздействию только плавиковой кислоты / азотной кислоты (HF/ HNO
3) смесей выше комнатной температуры. [11] Он реагирует с газообразным фтором при комнатной температуре и хлором выше 400 °C (673 K) и не реагирует с сухим H
2до точки плавления. [11] Тонкоизмельченный WC легко окисляется в водных растворах перекиси водорода . [17] При высоких температурах и давлениях он реагирует с водным раствором карбоната натрия , образуя вольфрамат натрия , процедура, используемая для восстановления лома цементированного карбида из-за его селективности. [ необходима цитата ]
Карбид вольфрама имеет высокую температуру плавления 2870 °C (3140 K), температуру кипения 6000 °C (6270 K) при давлении, эквивалентном 1 стандартной атмосфере (101,325 килопаскаля), [2] теплопроводность 110 Вт/м·К, [4] и коэффициент теплового расширения 5,5 мкм/м·К. [8]
Карбид вольфрама чрезвычайно твёрд, его твёрдость по шкале Мооса составляет от 9 до 9,5 , а число Виккерса — около 2600. [9] Он имеет модуль Юнга приблизительно 530–700 ГПа, [4] [8] [9] [10] объёмный модуль упругости 379–381 ГПа, [18] и модуль сдвига 274 ГПа. [19] Он имеет предел прочности на растяжение 344 МПа, [10] предел прочности на сжатие около 2,7 ГПа и коэффициент Пуассона 0,31. [19]
Скорость продольной волны ( скорость звука ) через тонкий стержень из карбида вольфрама составляет 6220 м/с. [20]
Низкое электрическое сопротивление карбида вольфрама , около 0,2 мкОм ·м, сопоставимо с сопротивлением некоторых металлов (например, ванадия 0,2 мкОм ·м). [11] [21]
WC легко смачивается как расплавленным никелем , так и кобальтом . [22] Исследование фазовой диаграммы системы WC-Co показывает, что WC и Co образуют псевдобинарную эвтектику . Фазовая диаграмма также показывает, что существуют так называемые η-карбиды с составом (W,Co)
6C , который может быть образован, и хрупкость этих фаз делают важным контроль содержания углерода в цементированных карбидах WC-Co. [22] Известно, что в присутствии расплавленной фазы, такой как кобальт, при спекании карбида вольфрама происходит аномальный рост зерен , что оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики материала продукта. [ необходима цитата ]
Существует две формы WC: гексагональная форма, α-WC ( hP2 , пространственная группа P6m2 , № 187) [5] [6] и кубическая высокотемпературная форма, β-WC, которая имеет структуру каменной соли . [23] Гексагональную форму можно представить как состоящую из простой гексагональной решетки атомов металла слоев, лежащих непосредственно друг над другом (т.е. не плотноупакованных), с атомами углерода, заполняющими половину промежутков, что дает как вольфраму, так и углероду правильную тригонально-призматическую, 6 координацию . [6] Из размеров элементарной ячейки [24] можно определить следующие длины связей: расстояние между атомами вольфрама в гексагонально упакованном слое составляет 291 пм, кратчайшее расстояние между атомами вольфрама в соседних слоях составляет 284 пм, а длина связи вольфрама с углеродом составляет 220 пм. Длина связи вольфрам-углерод, таким образом, сопоставима с одинарной связью в W( CH
3)
6(218 пм), в котором наблюдается сильно искаженная тригонально-призматическая координация вольфрама. [25]
Молекулярный WC был исследован, и этот вид газовой фазы имеет длину связи 171 пм для184
Вт12
С. [26 ]
Спеченные режущие инструменты из карбида вольфрама и кобальта очень устойчивы к истиранию и также могут выдерживать более высокие температуры, чем стандартные инструменты из быстрорежущей стали (HSS). Твердосплавные режущие поверхности часто используются для обработки прочных материалов, таких как углеродистая сталь или нержавеющая сталь , а также в приложениях, где стальные инструменты быстро изнашиваются, таких как крупносерийное и высокоточное производство. Поскольку твердосплавные инструменты сохраняют острую режущую кромку лучше, чем стальные инструменты, они, как правило, обеспечивают лучшую отделку деталей, а их термостойкость позволяет выполнять более быструю обработку. Материал обычно называют цементированным карбидом , твердым карбидом, твердым сплавом или карбидом вольфрама-кобальта. Это композит с металлической матрицей , где частицы карбида вольфрама являются агрегатом, а металлический кобальт служит матрицей. [27] [28] Было обнаружено, что износостойкость и окислительные свойства цементированного карбида можно улучшить, заменив кобальт алюминидом железа. [29] [30] [31] Режущие инструменты из карбида вольфрама могут быть дополнительно улучшены с помощью покрытий, таких как нитрид титана-алюминия или нитрид титана-хрома, для повышения их термостойкости и продления срока службы инструмента. [ необходима цитата ]
Карбид вольфрама в его монолитной спеченной форме или, что гораздо чаще, в виде цементированного композита карбида вольфрама и кобальта (см. выше) часто используется в бронебойных боеприпасах , особенно там, где обедненный уран недоступен или политически неприемлем .
2Снаряды C впервые были использованы немецкими истребителями танков Люфтваффе во время Второй мировой войны . Однако из-за ограниченных немецких запасов вольфрама, W
2Материал C был зарезервирован для изготовления станков и небольшого количества снарядов . Он является эффективным проникающим веществом благодаря сочетанию большой твердости и очень высокой плотности. [32] [33]
В настоящее время боеприпасы из карбида вольфрама в основном относятся к подкалиберному типу. SLAP, или подкалиберный легкий бронебойный пенетратор , где пластиковый подкалиберный снаряд отделяется у дула ствола, является одним из основных типов подкалиберных боеприпасов для стрелкового оружия. Неотделяющиеся оболочки, независимо от материала оболочки, воспринимаются не как подкалиберные снаряды, а как пули. Однако обе конструкции распространены в боеприпасах для легкого бронебойного стрелкового оружия. Отделяющиеся подкалиберные снаряды, такие как те, что используются с основным орудием M1A1 Abrams, более распространены в боеприпасах для высокоточного высокоскоростного оружия. [34] [35]
Карбид вольфрама широко используется в горнодобывающей промышленности в буровых коронках с верхним ударником, погружных молотах , шарошечных резцах , долотах для плугов с длинными стенками , резцах для широких стенок , расширителях восстающих и машинах для бурения туннелей . В этих применениях он также используется для износостойких и коррозионностойких компонентов в управлении входом для фильтров скважин, подузлов, уплотнительных колец и втулок, распространенных в нефтяном и газовом бурении. [36] Он обычно используется в качестве вставки кнопки, установленной в окружающую матрицу из стали, которая образует вещество долота. По мере того, как вставка из карбида вольфрама изнашивается, более мягкая стальная матрица, содержащая ее, также изнашивается, обнажая еще больше вставки кнопки. [ необходима цитата ]
Карбид вольфрама также является эффективным отражателем нейтронов и как таковой использовался во время ранних исследований ядерных цепных реакций, особенно для оружия. Авария критичности произошла в Лос-Аламосской национальной лаборатории 21 августа 1945 года, когда Гарри Даглиан случайно уронил кирпич карбида вольфрама на плутониевую сферу, известную как ядро демона , в результате чего подкритическая масса стала сверхкритической с отраженными нейтронами . Он впал в кому и умер через 25 дней после аварии. [37] [38] [39]
Трекинговые палки , используемые многими туристами для равновесия и снижения давления на суставы ног, обычно имеют твердосплавные наконечники, чтобы обеспечить сцепление при размещении на твердых поверхностях (например, на камнях); твердосплавные наконечники служат намного дольше, чем другие типы наконечников. [40]
В то время как наконечники лыжных палок обычно не изготавливаются из карбида, поскольку им не нужно быть особенно твердыми даже для того, чтобы пробивать слои льда, наконечники лыжероллерных лыж обычно изготавливаются из карбида. Катание на лыжероллерах имитирует беговые лыжи и используется многими лыжниками для тренировок в теплые месяцы. [ необходима цитата ]
Заостренные карбидные наконечники (известные как шипы) можно вставлять в приводные гусеницы снегоходов . Эти шипы улучшают сцепление на обледенелых поверхностях. Более длинные V-образные сегменты вставляются в рифленые стержни, называемые стержнями износа, под каждой лыжей снегохода. Относительно острые карбидные края улучшают управляемость на более твердых обледенелых поверхностях. Твердосплавные наконечники и сегменты уменьшают износ, возникающий, когда снегоход должен пересекать дороги и другие абразивные поверхности. [41]
Автомобильные, мотоциклетные и велосипедные шины с шипами из карбида вольфрама обеспечивают лучшее сцепление на льду. Их обычно предпочитают стальным шипам из-за их превосходной износостойкости. [42]
Карбид вольфрама может использоваться в кузнечном деле , при подковывании лошадей , для улучшения сцепления на скользких поверхностях, таких как дороги или лед. Копытные гвозди с карбидным наконечником могут использоваться для крепления подков ; [ 43] в Соединенных Штатах бор — крошка карбида вольфрама в матрице из более мягкого металла, такого как бронза или мягкая сталь — может быть приварен к небольшим участкам нижней стороны подковы перед подгонкой. [44] : 73
Карбид вольфрама также используется для изготовления хирургических инструментов, предназначенных для открытой хирургии (ножницы, щипцы, кровоостанавливающие зажимы, рукоятки лезвий и т. д.) и лапароскопической хирургии (захваты, ножницы/резаки, иглодержатели, прижигатели и т. д.). Они намного дороже своих аналогов из нержавеющей стали и требуют деликатного обращения, но обеспечивают лучшую производительность. [45]
Карбид вольфрама, обычно в форме цементированного карбида (частицы карбида, спаянные вместе металлом), стал популярным материалом в индустрии свадебных украшений из-за его чрезвычайной твердости и высокой устойчивости к царапинам. [46] [47] Даже при высокой ударопрочности эта чрезвычайная твердость также означает, что он может иногда быть разбит при определенных обстоятельствах. [48] Некоторые считают это полезным, так как удар разрушит вольфрамовое кольцо, быстро сняв его, тогда как драгоценные металлы согнутся и потребуют резки. Карбид вольфрама примерно в 10 раз тверже 18-каратного золота. Помимо его дизайна и высокой полировки, частью его привлекательности для потребителей является его техническая природа. [46] Специальные инструменты, такие как фиксирующие плоскогубцы, могут потребоваться, если такое кольцо необходимо быстро снять (например, из-за неотложной медицинской помощи после травмы руки, сопровождающейся отеком). [49]
Карбид вольфрама широко используется для изготовления вращающихся шариков в кончиках шариковых ручек , которые распыляют чернила во время письма. [50]
Английский гитарист Мартин Симпсон использует изготовленный на заказ гитарный слайд из карбида вольфрама . [51] [ требуется лучший источник ] Твердость, вес и плотность слайда обеспечивают ему превосходную устойчивость и громкость по сравнению со стандартными стеклянными, стальными, керамическими или латунными слайдами. [ необходима цитата ]
Карбид вольфрама исследовался на предмет его потенциального использования в качестве катализатора , и было обнаружено, что он напоминает платину в своем катализе производства воды из водорода и кислорода при комнатной температуре, восстановления триоксида вольфрама водородом в присутствии воды и изомеризации 2,2-диметилпропана в 2-метилбутан. [52] Он был предложен в качестве замены иридиевого катализатора в спутниковых двигателях, работающих на гидразине . [53]
Покрытие из карбида вольфрама используется на тормозных дисках в высокопроизводительных автомобильных устройствах для улучшения производительности, увеличения интервалов технического обслуживания и уменьшения образования тормозной пыли. [54]
Основные риски для здоровья, связанные с карбидом вольфрама, связаны с вдыханием пыли, что приводит к силикозоподобному фиброзу легких . [55] Американская национальная токсикологическая программа также предполагает, что карбид вольфрама, сцементированный кобальтом, является канцерогеном для человека . [56]
{{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: unfit URL (link)