Wolfram-karbidi

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 17. huhtikuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 3 muokkausta .

Wolfram-karbidi


Kenraali
Systemaattinen nimi	volframi monokarbidi
Perinteiset nimet	Wolfram-karbidi
Chem. kaava	WC
Fyysiset ominaisuudet
Osavaltio	kiinteä
Moolimassa	195,86 g/ mol
Tiheys	15,77 g/cm³
Lämpöominaisuudet
Lämpötila
• sulaminen	2780 °C
• kiehuva	6000°C
Mol. lämpökapasiteetti	35,74 J/(mol K)
Lämmönjohtokyky	29,33 W/(m K)
Entalpia
• koulutus	-35,17 kJ/mol
Luokitus
Reg. CAS-numero	12070-12-1
PubChem	2724274
Reg. EINECS-numero	235-123-0
Hymyilee	[C-]#[W+]
InChI	InChI = 1S/CW/q-1;+1UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N
RTECS	YO7350000 , YO7525000 ja YO7700000
CHEBI	82283
ChemSpider	2006424
Tiedot perustuvat standardiolosuhteisiin (25 °C, 100 kPa), ellei toisin mainita.
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa

Volframikarbidi (volframimonokarbidi) on hiilen ja volframin kemiallinen yhdiste, jonka kaava on WC. Se on tunkeutumisvaihe, joka sisältää 6,1 % C (massasta) ja jossa ei ole homogeenisuusaluetta [1] . Sillä on korkea kovuus (9 Mohsin asteikolla ) ja kulutuskestävyys .

Haetaan

Volframikarbidia voidaan saada jollakin seuraavista tavoista.

Volframin suora kyllästäminen hiilellä

Volframikarbidin valmistusprosessi perustuu suoraan reaktioon:

{\mathsf {W+C\rightarrow WC}}

WC:n muodostuminen tapahtuu, kun volframihiukkasten pinnalle muodostuu volframimonokarbidia, josta hiili diffundoituu hiukkaseen ja muodostaa alla olevan koostumuksen W 2 C kerroksen .

WC:n valmistuksessa käytetään sen oksidista pelkistettyä volframijauhetta ja hiilimustaa . Tarvittavassa suhteessa otetut jauhemaiset aineet sekoitetaan, briketoidaan tai kaadetaan tiivistämällä grafiittisäiliöihin ja asetetaan uuniin. Jauheen suojaamiseksi hapettumiselta synteesiprosessi suoritetaan vetyympäristössä , joka vuorovaikutuksessa hiilen kanssa 1300 °C:n lämpötilassa muodostaa asetyleeniä . Volframikarbidin muodostuminen tapahtuu pääasiassa kaasufaasin kautta kaasujen sisältämän hiilen ansiosta. Seuraavat karbidisaatioreaktiot tapahtuvat:

{\displaystyle {\mathsf {2C+H_{2}\rightarrow C_{2}H_{2))))

{\displaystyle {\mathsf {2W+C_{2}H_{2}\rightarrow 2WC+H_{2))))

Hiilimonoksidin läsnä ollessa väliaineessa prosessi etenee reaktion mukaisesti

{\mathsf {C+CO_{2}\rightarrow 2CO))

{\displaystyle {\mathsf {2CO+W\rightarrow WC+CO_{2))))

Yleensä volframikarbidin valmistusprosessi suoritetaan lämpötilassa 1300–1350 °C hienojakoisille volframijauheille ja 1600 °C karkearakeisille volframijauheille, ja pitoaika on 1–2 tuntia. Tuloksena olevat hieman sintratut volframikarbidilohkot murskataan ja seulotaan seulojen läpi.

Volframioksidin pelkistys hiilellä, jota seuraa karbidisointi Tämä menetelmä, toisin kuin edellä, yhdistää volframin pelkistys- ja karbidisointiprosessin, samalla kun puuttuva määrä nokea lisätään panokseen karbidin muodostamiseksi. Volframioksidin WO 3 talteenotto tapahtuu kaasufaasin kautta CO- ja vetyympäristössä [2] . Volframiyhdisteiden talteenotto, jota seuraa karbidisointi Toinen tapa saada volframikarbidia on lämmittää volframihapon , volframianhydridin (WO 3 ) tai ammoniumparatungstaatin ((NH 4 ) 10 [H 2 W 12 O 42 ] x H 2 O) seosta vedyssä ja metaanissa lämpötilassa 850 - 1000 °C. Höyrylaskeuma Volframikarbidin tuotanto kaasufaasista perustuu volframikarbonyylin hajoamiseen 1000 °C:n lämpötilassa. Sulien suolojen elektrolyysi Sulan natriumboraatin , natriumkarbonaatin , litiumfluoridin ja volframianhydridin seoksen elektrolyysi tuottaa volframikarbidia [1] . Yksittäisiä volframikarbidin kiteitä WC:n yksittäiskiteitä voidaan saada sulakasvattamalla. Tätä varten seos, jonka koostumus on Co–40% WC, sulatetaan alumiinioksidiupokkaassa 1600°C:n lämpötilassa ja sulahomogenoinnin jälkeen lämpötila lasketaan 1500°C:een nopeudella 1-3°. C/ min ja pidettiin tässä lämpötilassa 12 tuntia. Sitten näyte jäähdytetään ja kobolttimatriisi liuotetaan kiehuvaan kloorivetyhappoon. Czochralskin menetelmällä voidaan kasvattaa myös suuria yksittäiskiteitä (jopa 1 cm) [3] .

Fysikaaliset ominaisuudet

Volframikarbidi on harmaa jauhe. Siinä on kaksi kristallografista modifikaatiota: α-WC kuusikulmaisella hilalla ( hilajaksot a = 0,2906 nm, c = 0,2839 nm), avaruusryhmä P6m2 ja β-WC, jossa on kasvokeskeinen kuutiohila ( a = 0,4220 nm), spatiaalinen ryhmä Fm3m , joka on stabiili yli 2525 °C [4] . Tässä tapauksessa molemmat faasit ovat lämpötila-alueella 2525–2755 °C. α-WC-faasissa ei ole homogeenisuusaluetta, joten poikkeama stökiömetrisestä koostumuksesta johtaa W 2 C :n tai grafiitin ilmaantumiseen. Kuumennettaessa yli 2755 °C:een α-WC hajoaa muodostaen hiiltä ja β-WC-faasin. β-WC-faasi kuvataan kaavalla β-WC 1 − x , jossa (0 ⩽ x ⩽ 0,41) ja sillä on laaja homogeenisuusalue, joka pienenee lämpötilan laskeessa [5] .

Yleensä volframikarbidia pidetään hauraana yhdisteenä, mutta on havaittu, että kuormitettuna sillä on plastisia ominaisuuksia, jotka näkyvät liukunauhoina [2] .

Volframikarbidikiteillä on kovuuden anisotropia eri kristallografisissa tasoissa. Suuntauksesta riippuen mikrokovuuden minimiarvo on 13 GPa ja maksimi 22 GPa [5] [2] .

Rockwell-kovuus 92–94 HRA [6]
Kimmomoduuli 710 GPa
Vakioentropia 8,5 ± 1,5 cal/(mol °C)
Alkuaineista muodostumisen entropia −0,31 cal/(mol °C)
Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin 3,84−3,9 10 −6 1/K
Ominainen lämpötila ( Debyen lämpötila ) 493 K
Sähkövastus 19,2 ± 0,3 µΩ cm 20 °C:ssa
Sähkönjohtavuus 52200 Ω −1 cm −1
Sähkövastuksen lämpökerroin +0,495 10 −3 1/K lämpötilassa 20−1500 °C
Terminen EMF - kerroin −23,3 µV/K
Työtoiminto 3,6 eV
Richardsonin vakio 2,7 A / (cm 2 K 2 )
Hall-vakio (−21,8 ± 0,3) 10 4 cm 3 / Kl
Elektroninen lämpökapasiteettikerroin 0,79 mJ/(mol K 2 ) [7]

Kemialliset ominaisuudet

Volframikarbidi on kemiallisesti stabiili yhdiste huoneenlämpötilassa suhteessa rikki- , kloori- , ortofosfori- , perkloori- , oksaalihappoihin ja rikki- ja fosfori-, rikki- ja oksaalihapon seoksiin. Liukenematon 10 % ja 20 % natriumhydroksidiliuoksiin . Se liukenee kiehuvaan rikki-, suola-, typpi- , perkloorihappoon sekä rikki- ja ortofosfori-, rikki- ja typpihapon seoksiin. Huoneenlämmössä se liukenee hyvin typpihappoon ja vesistöihin reaktioiden mukaan [8]

{\ce {WC + 10 HNO3 ->[\tau] WO3 v + CO2 ^ + 10 NO2 ^ + 5 H2O))

{\ce {WC + 4 HCl + 10 HNO3 -> H2[WCl4O2] + 10 NO2 ^ + 6 H2O + CO2 ^))

Se liukenee myös typpi- ja fluorivetyhapon seokseen [1] .

Volframikarbidin merkittävä hapettuminen ilmassa alkaa 500–700 °C:ssa ja yli 800 °C:ssa se hapettuu täysin volframioksidin suuren haihtuvuuden vuoksi. Volframin hapettuminen etenee reaktion mukaisesti [7]

{\ce {WC + 2 O2 -> WO3 + CO))

Saman reaktion mukaan volframikarbidi palaa nestemäisessä hapessa ja timantti palaa samalla tavalla.

Sovellus

Volframikarbidia käytetään aktiivisesti tekniikassa sellaisten työkalujen valmistukseen, jotka vaativat suurta kovuutta ja korroosionkestävyyttä, sekä kulutusta kestävien osien pinnoittamiseen, jotka toimivat intensiivisen hankaavan kulumisen olosuhteissa kohtuullisilla iskukuormilla. Tätä materiaalia käytetään erilaisten jyrsinten, hiomalaikkojen, porien, jyrsinten, poranterien ja muiden leikkaustyökalujen valmistukseen. Karbidi , joka tunnetaan nimellä " win ", on 90 % volframikarbidia.

Sitä käytetään aktiivisesti lämpöruiskutuksessa ja pintakäsittelyssä jauhemateriaalin muodossa kulutusta kestävien pinnoitteiden luomiseksi. Siten reliittiä, joka on WC−W 2 C eutektiikkaa , käytetään poraustyökalujen ja muiden kulutusta joutuvien tuotteiden pinnoittamiseen. Yksi tärkeimmistä materiaaleista, joita käytetään korvaamaan galvanoitu kromipinnoitus nopealla liekkiruiskutuksella .

Materiaalina panssarinlävistysytimille

Erityisen huomionarvoista on volframikarbidin käyttö panssaria lävistävien ytimien valmistukseen luoteja ja ammuksia varten . Alkoi kovametallisten (kobolttisidoksella oleva WC-pohja, tyypit RE-6 (7,62 mm:n patruuna BS-40), VK6, VK8 ja vastaavat) panssarinlävistyssydänten laajalle levinneelle karkaistujen hylsyjen tilalle. teräs osuu 1940-luvulle ja johtui kiireellisestä tarpeesta parantaa ampumatarvikkeiden panssaria lävistävän vaikutuksen tehokkuutta nykyisissä pienaseiden ja tykistöaseiden kaliipereissa, mikä johtui lähes kaikentyyppisten maaperän suojan nopeasta muodostumisesta. varusteet aseita. Tällaisia ampumatarvikkeita pienaseissa ja pienikaliiperisissa tykistökaliipereissa käyttivät laajimmin Saksan asevoimat ( 7,92 mm :n patruuna SmK(H)-luodilla [9] ) ja Neuvostoliiton ( 14,5 mm :n patruuna BS-luotilla). Erityisesti maajoukot ja Saksan ilmavoimat aseistettiin kovametallisydänammuksilla kaliipereissa 15 × 96 mm / MG 151, luodin paino 0,052 kg; 20x138mm/S-18/1100, 30x184mm/MK-101, MK-103 ja enemmän, mukaan lukien 50mm H-Pzgr ja suuremmat panssarintorjuntatykistökaliiperit.

Sodan jälkeisellä kaudella, 1960-1970-luvuilla, Sveitsissä ja Saksassa kehitettiin ja otettiin käyttöön uusia alikaliiperisiä kovametallisydämisiä ammuksia, mukaan lukien pienikaliiperinen tykistö kaliipereissa 20 × 128 mm Oerlikon-Kontraves ja 20 × 139 mm " Hispano-Siusa, lisensoitu useissa maissa. Kokemuksen kertyessä niiden soveltamisesta tuli myös ymmärrys metallikeraamisten ytimien puutteista, mikä liittyi ensinnäkin niiden taipumukseen tuhoutua taivutusjännitysten vuoksi, kun ne ovat vuorovaikutuksessa panssarisuojan kanssa suurissa kulmissa normaalista. Kun vuorovaikutuskulma panssarin kanssa kasvoi (normaalista), keraamisella metalliytimellä varustetun ammuksen panssaria lävistävän toiminnan tehokkuus laski [10] . Lisäksi tällaiset ammukset osoittivat huomattavaa tehokkuuden laskua ammuttaessa erillään olevia ja suojattuja panssaroituja esteitä, koska ne tuhoutuivat puristusjännitysten jyrkän vapautumisen seurauksena ensimmäisen esteen (näytön) läpimurron jälkeen. 1970-luvun toisella puoliskolla volframiseosten tekniikan kehityksen ansiosta, joka mahdollisti niiden sitkeyden nostamisen 5-7 prosenttiin, kehitettiin uuden sukupolven alikaliiperiset ammukset, jonka aktiivinen osa oli jo valmistettu raskaasta seoksesta, joka perustuu volframiin (W-Ni, Co) tai köyhdytettyyn uraaniin (U-0,75 % Ti), jolla oli tietty plastisuusmarginaali. Uudet BPS-laukaukset irrotettavilla osilla soveltuivat paremmin 1980-2000-luvun panssaroituja kohteita vastaan.

Muut käyttötarkoitukset

Sitä käytetään 1 mm :n kokoisten kuulakärkikynien kuulaiden valmistukseen . Näiden pallojen kiillotus suoritetaan erikoiskoneessa useiden päivien ajan käyttämällä pientä määrää timanttitahnaa.

Sitä käytetään kalliiden sveitsiläisten kellojen rannerenkaiden valmistukseen. Myös volframikarbidi on saavuttanut suuren suosion korujen - sormusten, riipuksien - valmistuksessa, jossa sen kulutuskestävyyden avulla voit taata tuotteiden "ikuisen" kiillon.

Volframikarbidia käytetään platinakatalyytin kantajana [11] .

Sitä käytetään myös mekaanisten akselitiivisteiden valmistuksessa mekanismeja varten (esimerkiksi pumpuissa ) tapauksissa, joissa kosketusväliaineella on korkea hankauskyky ja/tai viskositeetti .

Myrkyllisyys

Volframikarbidi on kemiallisesti inerttiä, joten siitä valmistetut tuotteet eivät aiheuta vaaraa ihmisille normaaleissa olosuhteissa. Volframikarbidin tappavaa annosta ihmisille ei ole määritetty.

Tutkimuksen teki Dresdenin teknillinen yliopisto, Leipzigin keskus. Helmholtz ympäristöongelmista ja Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems osoittivat, että volframikarbidin nanopöly voi tunkeutua elävien organismien soluihin. Samanaikaisesti volframihiukkaset itse [ selventää ] ovat myrkyllisiä, mutta yhdistettynä koboltin kanssa tietyissä pitoisuuksissa ne voivat olla vaarallisia solujen terveydelle [12] . Pitkäaikainen säännöllinen volframikarbidin ja kobolttipölyn saanti kehoon voi aiheuttaa fibroosia [13] .

Kirjallisuus

A.S. Kurlov, A.I. Gusev Volframikarbidit: rakenne, ominaisuudet ja sovellukset kovissa seoksissa. - Springer, 2013.

Muistiinpanot

↑ 1 2 3 Kosolapova T. Ya. Carbides . - Metallurgy, 1968. - S. 300 .
↑ 1 2 3 Tretyakov V.I. Metallurgian perusteet ja sintrattujen kovien metalliseosten tuotantotekniikka. - Metallurgy, 1976. - S. 24-268. — 528 s.
↑ Toth L. Siirtymämetallien karbidit ja nitridit. - Mir, 1974. - S. 21-23. — 296 s.
↑ Pääkirjoitus: Knunyants I. L. (päätoimittaja). Chemical Encyclopedia: 5 osassa - M .: Soviet Encyclopedia, 1988. - T. 1. - S. 420-421. — 623 s. - 100 000 kappaletta.
↑ 1 2 Samsonov GV Karbidien fysikaalinen materiaalitiede. - Naukova Dumka, 1974. - S. 79-397. — 454 s.
↑ Kieffer R., Benezovsky F. Kovat seokset . - Metallurgy, 1971. - S. 47 . — 392 s.
↑ 1 2 Samsonov G. V., Vinitsky I. M. Tulenkestävät yhdisteet (viitekirja). - Metallurgia, 1976. - S. 560.
↑ Lidin R. A., Molochko V. A., Andreeva L. L. Epäorgaanisten aineiden kemialliset ominaisuudet. - Kemia, 2000. - S. 330. - 480 s.
↑ Kirjain H ( saksalainen Hartkern ) saksalaisten toisen maailmansodan ammusten nimityksessä tarkoittaa "kiinteällä kermettiytimellä".
↑ Joten DM43-merkkinen 20 mm:n BPS, kun ammutaan MK 20 RH 202 -tykistä (alkunopeus 1100 m/s) 1000 m:n etäisyydeltä, pystyy läpäisemään 35 mm teräspanssaria iskukulmalla 0 °, mutta vain 8 mm panssaria 60 ° kulmassa. Janen jalkaväen aseet 1996-97, 456.
↑ Dmitri Safin. Edullinen menetelmä vedyn elektrolyyttiseen tuotantoon on esitetty (pääsemätön linkki) . Compulenta (15. lokakuuta 2010). - Muokattu Wileystä. Haettu 16. lokakuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 18. lokakuuta 2010. (Venäjän kieli)
↑ 15.04.2009 Onko volframikarbidin nanopöly terveydelle vaarallinen? Arkistoitu 21. toukokuuta 2009 Wayback Machinessa . Venäjän elektroninen nanojournal (nanoteknologia ja niiden sovellus).
↑ Wolfram. W. _ Arkistoitu 27. heinäkuuta 2009 Wayback Machinessa .