Wolfram keményfém

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. április 17-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 3 szerkesztést igényelnek .

Wolfram keményfém


Tábornok
Szisztematikus név	volfrám-monokarbid
Hagyományos nevek	Wolfram keményfém
Chem. képlet	WC
Fizikai tulajdonságok
Állapot	szilárd
Moláris tömeg	195,86 g/ mol
Sűrűség	15,77 g/cm³
Termikus tulajdonságok
Hőfok
• olvadás	2780 °C
• forralás	6000°C
Mol. hőkapacitás	35,74 J/(mol K)
Hővezető	29,33 W/(m K)
Entalpia
• oktatás	-35,17 kJ/mol
Osztályozás
Reg. CAS szám	12070-12-1
PubChem	2724274
Reg. EINECS szám	235-123-0
MOSOLYOK	[C-]#[W+]
InChI	InChI=1S/CW/q-1;+1UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N
RTECS	YO7350000 , YO7525000 és YO7700000
CHEBI	82283
ChemSpider	2006424
Az adatok standard körülményeken (25 °C, 100 kPa) alapulnak, hacsak nincs másképp jelezve.
Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon

A volfrám-karbid (volfrám-monokarbid) a szén és a wolfram kémiai vegyülete, amelynek képlete WC. Ez egy behatolási fázis, amely 6,1% C-t tartalmaz (tömeg szerint), és nem rendelkezik homogenitási régióval [1] . Nagy keménységű (9 a Mohs-skálán ) és kopásállósággal rendelkezik .

Getting

A volfrámkarbid a következő módok egyikével állítható elő.

A volfrám közvetlen telítése szénnel

A volfrám-karbid előállításának folyamata közvetlen reakción alapul:

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

A WC képződése a volfrám-monokarbid képződésével történik a volfrámrészecskék felületén, amelyből a szén a részecskékbe diffundál, és egy alatta lévő W 2 C összetételű réteget képez .

A WC gyártása során oxidjából redukált volfrámport és kormot használnak . A kívánt arányban felvett porított anyagokat összekeverjük, brikettáljuk vagy tömörítéssel grafittartályokba öntik és kemencébe helyezik. A por oxidációtól való megvédése érdekében a szintézis folyamatát hidrogénes környezetben hajtják végre , amely 1300 °C hőmérsékleten szénnel kölcsönhatásba lépve acetilént képez . A volfrám-karbid képződése főként a gázfázison keresztül megy végbe, a gázokban lévő szén miatt. A következő karbidizációs reakciók mennek végbe:

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

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

Szén-monoxid jelenlétében a közegben a folyamat a reakció szerint megy végbe

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

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

A volfrámkarbid előállítását általában 1300–1350 °C hőmérsékleten finomszemcsés volfrámporok, 1600 °C durvaszemcsés porok esetén végzik, és a tárolási idő 1-2 óra. A kapott enyhén szinterezett volfrám-karbid tömböket összetörik és szitán átszitálják.

A volfrám-oxid redukciója szénnel, majd karbidizálás Ez a módszer a fentiekkel ellentétben a volfrám redukcióját és karbidizálását kombinálja, miközben a hiányzó mennyiségű kormot hozzáadják a töltethez, hogy karbidot képezzenek. A WO 3 wolfram-oxid visszanyerése a gázfázison keresztül történik CO és hidrogén környezetben [2] . Volfrámvegyületek visszanyerése, majd karbidizálás A volfrámkarbid előállításának másik módja a volfrámsav , volfrám-anhidrid (WO 3 ) vagy ammónium-paravolframát ((NH 4 ) 10 [H 2 W 12 O 42 ] x H 2 O) keverékének hidrogénben és metánban való melegítése. 850-1000°C. Gőzlerakódás A wolfram-karbid gázfázisból történő előállítása a wolfram-karbonil 1000 °C hőmérsékleten történő lebontásán alapul. Olvadt sók elektrolízise Az olvadt nátrium-borát , nátrium- karbonát , lítium-fluorid és volfrám-anhidrid keverékének elektrolízise volfrám-karbidot eredményez [1] . Volfrám-karbid egyes kristályai A WC egykristályait olvadéknövesztéssel lehet előállítani. Ehhez a Co–40% WC összetételű keveréket alumínium-oxid tégelyben 1600 °C-on megolvasztják, majd az olvadékhomogenizálás után a hőmérsékletet 1-3 °C-os sebességgel 1500 °C-ra csökkentik. C/ perc , és ezen a hőmérsékleten tartjuk 12 órán át. Ezután a mintát lehűtjük, és a kobaltmátrixot forrásban lévő sósavban feloldjuk. A Czochralski-módszerrel nagyméretű (1 cm-es) egykristályok is nevelhetők [ 3] .

Fizikai tulajdonságok

A volfrám-karbid szürke por. Két krisztallográfiai módosulata van: α-WC hatszögletű ráccsal ( rácsperiódusok a = 0,2906 nm, c = 0,2839 nm), P6m2 tércsoport és β-WC arcközpontú köbös ráccsal ( a = 0,4220 nm térbeli csoport), Fm3m , amely 2525 °C felett stabil [4] . Ebben az esetben mindkét fázis a 2525–2755°C hőmérséklet-tartományban létezik. Az α-WC fázisnak nincs homogenitási tartománya, így a sztöchiometrikus összetételtől való eltérés W 2 C vagy grafit megjelenéséhez vezet. 2755 °C fölé melegítve az α-WC lebomlik, szén és β-WC fázis keletkezik. A β-WC fázist a β-WC 1 − x képlettel írjuk le , ahol (0 ⩽ x ⩽ 0,41) és széles homogenitási tartománya van, amely a hőmérséklet csökkenésével csökken [5] .

A volfrámkarbidot általában rideg vegyületnek tekintik, azonban azt találták, hogy terhelés alatt plasztikus tulajdonságokat mutat, amelyek csúszószalagok formájában jelennek meg [2] .

A volfrám-karbid kristályok keménységi anizotrópiája van különböző krisztallográfiai síkokban. A mikrokeménység minimális értéke orientációtól függően 13 GPa, maximum 22 GPa [5] [2] .

Rockwell keménység 92-94 HRA [6]
Rugalmassági modulus 710 GPa
Standard entrópia 8,5 ± 1,5 cal/(mol °C)
Az elemekből való képződés entrópiája -0,31 cal/(mol °C)
Lineáris hőtágulási együttható 3,84−3,9 10 −6 1/K
Jellegzetes hőmérséklet ( Debye hőmérséklet ) 493 K
Elektromos ellenállás 19,2 ± 0,3 µΩ cm 20 °C-on
Elektromos vezetőképesség 52200 Ω −1 cm −1
Az elektromos ellenállás termikus együtthatója +0,495 10 −3 1/K 20−1500 °C-on
Termikus EMF együttható -23,3 µV/K
Munkafunkció 3,6 eV
Richardson-állandó 2,7 A / (cm 2 K 2 )
Hall állandó (−21,8 ± 0,3) 10 4 cm 3 / Kl
Elektronikus hőkapacitási együttható 0,79 mJ/(mol K 2 ) [7]

Kémiai tulajdonságok

A volfrám-karbid kémiailag stabil vegyület szobahőmérsékleten a kénsav , sósav , ortofoszforsav , perklórsav , oxálsav , valamint kén- és foszforsav, kénsav és oxálsav keverékei tekintetében. 10%-os és 20%-os nátrium-hidroxid oldatban nem oldódik . Feloldódik forrásban lévő kénsavban, sósavban, salétromsavban , perklórsavban, valamint kénsav és ortofoszforsav, kénsav és salétromsav keverékében. Szobahőmérsékleten a reakciók szerint jól oldódik salétromsavban és vízben [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 ^))

Salétromsav és hidrogén-fluorid keverékében is oldódik [1] .

A volfrámkarbid levegőben jelentős oxidációja 500-700 °C-on kezdődik, 800 °C felett pedig a volfrám-oxid nagy illékonysága miatt teljesen oxidálódik. A wolfram oxidációja a reakció szerint megy végbe [7]

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

Ugyanezen reakció szerint a volfrám-karbid folyékony oxigénben ég, a gyémánt pedig hasonlóan ég.

Alkalmazás

A volfrámkarbidot a mérnöki iparban aktívan használják olyan szerszámok gyártására, amelyek nagy keménységet és korrózióállóságot igényelnek, valamint olyan alkatrészek kopásálló felületezésére, amelyek intenzív kopás és mérsékelt ütési terhelés mellett működnek. Ezt az anyagot különféle marók, csiszolókorongok, fúrók, marók, fúrószárak és egyéb vágószerszámok gyártásához használják. A " win " néven ismert keményfém 90%-ban volfrám-karbid.

Aktívan használják hőpermetezésben és por alakú felületképzésben , kopásálló bevonatok létrehozására. Így a relitet, amely egy WC−W 2 C eutektikum , fúrószerszámok és egyéb kopásnak kitett termékek felületkezelésére használják. Az egyik fő anyag, amelyet a galvanizált krómozás nagy sebességű lángpermetezéssel történő helyettesítésére használnak .

Páncéltörő magok anyagaként

Különösen figyelemre méltó a volfrám-karbid felhasználása golyók és lövedékek páncéltörő magjainak gyártásához . A keményötvözet (kobaltkötésű WC-alap, RE-6 típusok (7,62 mm-es töltény BS-40 golyóval), VK6, VK8 és hasonlók) páncéltörő magok széles körben elterjedésének kezdete az edzett anyagból készültek helyett az acél az 1940-es évekre esik, és annak sürgős szükségessége volt, hogy javítsák a lőszerek páncéltörő hatásának hatékonyságát a meglévő kézi lőfegyverek és tüzérségi fegyverek kaliberében, ami a szinte minden típusú talajon történő védelem gyors kiépítése miatt következett be. felszerelési fegyverek. A kézi lőfegyverekben és a kis kaliberű tüzérségi kaliberekben az ilyen lőszert legszélesebb körben Németország ( 7,92 mm -es töltény SmK(H) golyóval [9] ) és a Szovjetunió ( 14,5 mm -es töltény BS golyóval) fegyveres erői alkalmazták. A szárazföldi erők és a német légierő 15 × 96 mm / MG 151 kaliberű keményfém lőszerrel voltak felfegyverkezve, golyó súlya 0,052 kg; 20x138mm/S-18/1100, 30x184mm/MK-101, MK-103 és tovább, beleértve az 50 mm-es H-Pzgr-t és a nagyobb páncéltörő tüzérségi kalibereket.

A háború utáni időszakban, az 1960-1970-es években Svájcban és Németországban új, szubkaliberű, keményfém maggal ellátott lőszereket fejlesztettek ki és helyeztek üzembe, köztük kis kaliberű tüzérséget 20 × 128 mm-es Oerlikon-Kontraves és 20 kaliberben. × 139 mm " Hispano-Siusa, számos országban engedélyezett. Az alkalmazásuk során szerzett tapasztalatok felhalmozódásával a fém-kerámia magok hiányosságainak megértése is megtörtént, elsősorban azzal a tendenciával, hogy a páncélvédelemmel a normáltól nagy szögben kölcsönhatásba lépő hajlítási feszültségek miatt megsemmisülnek. A páncéllal való kölcsönhatási szög növekedésével (a normálhoz képest) a kerámia-fém maggal rendelkező lőszerek páncéltörő hatásának hatékonysága csökkent [10] . Ezenkívül az ilyen lőszerek hatékonysága észrevehető csökkenést mutatott, amikor az elhelyezett és árnyékolt páncélozott akadályokra lőttek, mivel azok megsemmisültek az első akadály (ernyő) áttörése utáni kompressziós feszültségek éles felszabadulása következtében. Az 1970-es évek második felében a volfrámötvözetek technológiai fejlődésének köszönhetően, amely lehetővé tette 5-7%-os hajlékonyságuk növelését, a szubkaliberű lőszerek új generációját fejlesztették ki, amelynek aktív része már Volfrám (W-Ni, Co) vagy szegényített urán (U-0,75% Ti) alapú nehézötvözetből készült, amelynek volt egy bizonyos plaszticitási határa. Az új, levehető részekkel ellátott BPS lövések jobban megfeleltek az 1980-2000-es évek páncélozott célpontjai elleni fellépéshez.

Egyéb felhasználások

1 mm -es golyóstollakhoz való nagy teherbírású golyók gyártásához használják . Ezeknek a golyóknak a polírozása speciális gépben történik néhány napon keresztül kis mennyiségű gyémántpasztával.

Drága svájci órák karkötőinek készítésére használják. Ezenkívül a volfrám-karbid nagy népszerűségre tett szert az ékszerek - gyűrűk, medálok - gyártásában, amelyben kopásállósága lehetővé teszi a termékek "örök" fényének garantálását.

A volfrámkarbidot platinakatalizátor hordozójaként használják [11] .

Mechanikus tengelytömítések gyártására is használják mechanizmusokhoz (például szivattyúkhoz ) olyan esetekben, amikor az érintkező közeg nagy koptatóképességű és/vagy viszkozitású .

Toxicitás

A volfrámkarbid kémiailag inert, ezért a belőle készült termékek normál körülmények között nem jelentenek veszélyt az emberre. A volfrámkarbid emberre halálos dózisát nem határozták meg.

A Drezdai Műszaki Egyetem, a Lipcsei Központ által végzett kutatás. Helmholtz a környezeti problémákról és a Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems kimutatta, hogy a volfrámkarbid nanopor képes behatolni az élő szervezetek sejtjeibe. Ugyanakkor maguk a volfrámrészecskék nem mérgezőek, azonban bizonyos koncentrációban kobalttal kombinálva veszélyesek lehetnek a sejtek egészségére [ 12 ] . Volfrámkarbid és kobaltpor hosszú távú rendszeres bevitele esetén fibrózis léphet fel [13] .

Irodalom

A. S. Kurlov, A. I. Gusev Volfrámkarbidok: szerkezet, tulajdonságok és alkalmazások keményötvözetekben. — Springer, 2013.

Jegyzetek

↑ 1 2 3 Kosolapova T. Ya. Karbidok . - Kohászat, 1968. - S. 300 .
↑ 1 2 3 Tretyakov V. I. A kohászat alapjai és a szinterezett keményötvözetek előállításának technológiája. - Kohászat, 1976. - S. 24-268. — 528 p.
↑ Toth L. Átmeneti fémek karbidjai és nitridjei. - Mir, 1974. - S. 21-23. — 296 p.
↑ Szerkesztőség: Knunyants I. L. (főszerkesztő). Chemical Encyclopedia: 5 kötetben - M .: Soviet Encyclopedia, 1988. - T. 1. - S. 420-421. — 623 p. — 100.000 példány.
↑ 1 2 Samsonov GV A karbidok fizikai anyagtudománya. - Naukova Dumka, 1974. - S. 79-397. — 454 p.
↑ Kieffer R., Benezovsky F. Keményötvözetek . - Kohászat, 1971. - S. 47 . — 392 p.
↑ 1 2 Samsonov G. V., Vinitsky I. M. Tűzálló vegyületek (referenciakönyv). - Kohászat, 1976. - S. 560.
↑ Lidin R. A., Molochko V. A., Andreeva L. L. Szervetlen anyagok kémiai tulajdonságai. - Kémia, 2000. - S. 330. - 480 p.
↑ A második világháborús német lőszer megjelölésében szereplő H betű ( német Hartkern ) azt jelenti, hogy "tömör cermet maggal".
↑ Tehát a DM43 márkájú 20 mm-es BPS MK 20 RH 202 ágyúból lőve (kezdeti sebesség 1100 m / s) 1000 m távolságból képes áthatolni 35 mm-es acélpáncélt 0 ütési szöggel. °, de csak 8 mm páncél 60 °-os szögben. Jane's Infantry Weapons 1996-97, 456.
↑ Dmitrij Szafin. Bemutatnak egy olcsó módszert a hidrogén elektrolitikus előállítására (hozzáférhetetlen kapcsolat) . Compulenta (2010. október 15.). - Wiley-ből adaptálva. Letöltve: 2010. október 16. Az eredetiből archiválva : 2010. október 18.. (Orosz)
↑ 2009.04.15. Veszélyes a volfrámkarbid nanopor az egészségre? Archiválva : 2009. május 21. a Wayback Machine -nél . Orosz elektronikus nanojournal (nanotechnológiák és alkalmazásuk).
↑ Wolfram. W. _ Archivált : 2009. július 27. a Wayback Machine -nél .

Linkek

Wolfram könyvek. Tudomány és technológia.
SHS volfrámkarbid por
Relit. Általános információ