Carbură de Wolfram

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 17 aprilie 2021; verificările necesită 3 modificări .

Carbură de Wolfram


General
Nume sistematic	monocarbură de wolfram
Nume tradiționale	Carbură de Wolfram
Chim. formulă	toaleta
Proprietăți fizice
Stat	solid
Masă molară	195,86 g/ mol
Densitate	15,77 g/cm³
Proprietati termice
Temperatura
• topirea	2780°C
• fierbere	6000°C
Mol. capacitate termică	35,74 J/(mol K)
Conductivitate termică	29,33 W/(m K)
Entalpie
• educaţie	-35,17 kJ/mol
Clasificare
Reg. numar CAS	12070-12-1
PubChem	2724274
Reg. numărul EINECS	235-123-0
ZÂMBETE	[C-]#[W+]
InChI	InChl=1S/CW/q-1;+1UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N
RTECS	YO7350000 , YO7525000 și YO7700000
CHEBI	82283
ChemSpider	2006424
Datele se bazează pe condiții standard (25 °C, 100 kPa), dacă nu este menționat altfel.
Fișiere media la Wikimedia Commons

Carbura de wolfram (monocarbură de tungsten) este un compus chimic de carbon și tungsten cu formula WC. Este o fază de intruziune care conține 6,1% C (în masă) și nu are o regiune de omogenitate [1] . Are duritate mare (9 pe scara Mohs ) și rezistență la uzură .

Obținerea

Carbura de wolfram poate fi obținută într-unul din următoarele moduri.

Saturația directă a wolframului cu carbon

Procesul de obținere a carburii de tungsten se bazează pe o reacție directă:

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

Formarea WC are loc odată cu formarea monocarburei de wolfram pe suprafața particulelor de wolfram, din care carbonul difuzează în particule și formează un strat subiacent de compoziție W2C .

În producția de WC, se utilizează pulbere de wolfram, redusă din oxidul său , și negru de fum . Substanțele sub formă de pulbere luate în raportul necesar sunt amestecate, brichetate sau turnate cu compactare în recipiente de grafit și introduse într-un cuptor. Pentru a proteja pulberea de oxidare, procesul de sinteză se desfășoară într-un mediu cu hidrogen , care, interacționând cu carbonul la o temperatură de 1300 ° C, formează acetilenă . Formarea carburii de tungsten are loc în principal prin faza gazoasă datorită carbonului conținut în gaze. Au loc următoarele reacții de carburare:

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

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

În prezența monoxidului de carbon în mediu, procesul decurge conform reacției

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

{\mathsf {2CO+W\rightarrow WC+CO_{2}}}

De obicei, procesul de obținere a carburii de wolfram se realizează la o temperatură de 1300−1350 °C pentru pulberile de wolfram cu granulație fină și 1600 °C pentru cele cu granulație grosieră, iar timpul de păstrare este de la 1 la 2 ore. Blocurile de carbură de tungsten ușor sinterizate rezultate sunt zdrobite și cernute prin site.

Reducerea oxidului de wolfram cu carbon urmată de carburare Această metodă, spre deosebire de cele de mai sus, combină procesul de reducere și carburare a wolframului, în timp ce cantitatea de funingine lipsă este adăugată la încărcătură pentru a forma carbură. Recuperarea oxidului de wolfram WO 3 are loc prin faza gazoasă în mediul de CO și hidrogen [2] . Recuperarea compușilor de wolfram urmată de carburare O altă modalitate de a obține carbură de wolfram este încălzirea unui amestec de acid tungstic , anhidridă de wolfram (WO 3 ) sau paratungstat de amoniu ((NH 4 ) 10 [H 2 W 12 O 42 ] x H 2 O) în hidrogen și metan la o temperatură de 850 -1000°C. Depunerea de vapori Producția de carbură de tungsten din faza gazoasă se bazează pe descompunerea carbonilului de wolfram la o temperatură de 1000 °C. Electroliza sărurilor topite Electroliza unui amestec de borat de sodiu topit , carbonat de sodiu , fluorură de litiu și anhidridă de wolfram produce carbură de tungsten [1] . Monocristale de carbură de tungsten Monocristalele de WC pot fi obținute prin creșterea topiturii. Pentru a face acest lucru, un amestec cu compoziția Co–40% WC este topit într- un creuzet de oxid de aluminiu la o temperatură de 1600 ° C, iar după omogenizarea topiturii, temperatura este redusă la 1500 ° C cu o rată de 1-3 ° C. C/ min și ținut la această temperatură timp de 12 ore. Apoi proba este răcită și matricea de cobalt este dizolvată în acid clorhidric clocotit. Metoda Czochralski poate fi folosită și pentru a crește monocristale mari (până la 1 cm) [3] .

Proprietăți fizice

Carbura de tungsten este o pulbere gri. Are două modificări cristalografice: α-WC cu rețea hexagonală (perioade rețelei a = 0,2906 nm, c = 0,2839 nm), grup spațial P6m2 și β-WC cu rețea cubică centrată pe fețe ( a = 0,4220 nm), grup spațial Fm3m , care este stabil peste 2525 °C [4] . În acest caz, ambele faze există în intervalul de temperatură 2525–2755°C. Faza α-WC nu are o regiune de omogenitate, deci o abatere de la compoziția stoechiometrică duce la apariția W 2 C sau grafit. Când este încălzit peste 2755 °C, α-WC se descompune, formând carbon și faza β-WC. Faza β-WC este descrisă prin formula β-WC 1 − x , unde (0 ⩽ x ⩽ 0,41) și are o regiune largă de omogenitate, care scade odată cu scăderea temperaturii [5] .

De obicei, carbura de tungsten este considerată a fi un compus fragil, cu toate acestea, s-a constatat că sub sarcină prezintă proprietăți plastice, care apar sub formă de benzi de alunecare [2] .

Cristalele de carbură de tungsten au anizotropie de duritate în diferite planuri cristalografice. În funcție de orientare, valoarea minimă a microdurității este de 13 GPa, iar cea maximă este de 22 GPa [5] [2] .

Duritate Rockwell 92−94 HRA [6]
Modulul de elasticitate 710 GPa
Entropia standard 8,5 ± 1,5 cal/(mol °C)
Entropia formării din elemente -0,31 cal/(mol °C)
Coeficientul de dilatare termică liniară 3,84−3,9 10 −6 1/K
Temperatura caracteristică (temperatura Debye ) 493 K
Rezistivitate electrică 19,2 ± 0,3 µΩ cm la 20 °C
Conductivitate electrică 52200 Ω −1 cm −1
Coeficientul termic al rezistenței electrice +0,495 10 −3 1/K la 20−1500 °C
Coeficientul EMF termic −23,3 µV/K
Funcția de lucru 3,6 eV
Constanta lui Richardson 2,7 A / (cm 2 K 2 )
Constanta Hall (−21,8 ± 0,3) 10 4 cm 3 / Kl
Coeficient de capacitate termică electronică 0,79 mJ/(mol K 2 ) [7]

Proprietăți chimice

Carbura de wolfram este un compus stabil din punct de vedere chimic la temperatura camerei în ceea ce privește acizii sulfuric , clorhidric , ortofosforic , percloric , oxalic și amestecurile de acizi sulfuric și fosforic, sulfuric și oxalic. Insolubil în soluții de hidroxid de sodiu 10% și 20% . Se dizolvă în fierbere acizi sulfuric, clorhidric, azotic , percloric și în amestecuri de acizi sulfuric și ortofosforic, sulfuric și azotic. La temperatura camerei, se dizolvă bine în acid azotic și în acva regia conform reacțiilor [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 ^))

De asemenea, se dizolvă într-un amestec de acizi azotic și fluorhidric [1] .

Oxidarea semnificativă a carburii de tungsten în aer începe la 500–700 °C, iar peste 800 °C este complet oxidată din cauza volatilității ridicate a oxidului de tungsten. Oxidarea wolframului are loc conform reacției [7]

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

Conform aceleiași reacții, carbura de tungsten arde în oxigen lichid, iar diamantul arde în mod similar.

Aplicație

Carbura de tungsten este utilizată în mod activ în inginerie pentru fabricarea de scule care necesită duritate ridicată și rezistență la coroziune, precum și pentru suprafața rezistentă la uzură a pieselor care funcționează în condiții de uzură abrazivă intensă cu sarcini de impact moderate. Acest material este utilizat la fabricarea diferitelor freze, discuri abrazive, burghie, freze, burghie și alte unelte de tăiere. Carbura cunoscută sub numele de „ win ” este 90% carbură de tungsten.

Este utilizat în mod activ în pulverizarea termică și suprafața sub formă de material pulbere pentru a crea acoperiri rezistente la uzură. Astfel, relite, care este un eutectic WC−W 2 C , este utilizat pentru suprafața sculelor de găurit și a altor produse supuse uzurii abrazive. Unul dintre principalele materiale utilizate pentru a înlocui cromarea galvanizată prin pulverizare cu flacără de mare viteză .

Ca material pentru miezuri care perfora armura

De remarcat în mod special este utilizarea carburii de tungsten pentru fabricarea miezurilor perforatoare pentru gloanțe și proiectile . Începutul utilizării pe scară largă a miezurilor perforatoare din aliaj dur (bază WC pe o legătură de cobalt, tipurile RE-6 (cartuș de 7,62 mm cu un glonț BS-40), VK6, VK8 și similare) pentru a le înlocui pe cele din întărire. oțelul cade în anii 1940 și s-a datorat nevoii urgente de a îmbunătăți eficacitatea efectului de perforare a armurii al muniției în calibrele existente ale armelor de calibru mic și armelor de artilerie, cauzate de acumularea rapidă a protecției pentru aproape toate tipurile de sol. echipament de arme. O astfel de muniție în arme de calibru mic și calibre de artilerie de calibru mic a fost cea mai utilizată de forțele armate ale Germaniei ( cartuș de 7,92 mm cu glonț SmK(H) [9] ) și URSS ( cartuș de 14,5 mm cu glonț BS). În special, forțele terestre și forțele aeriene germane au fost înarmate cu muniție cu miez de carbură de calibre 15 × 96 mm / MG 151, greutatea glonțului 0,052 kg; 20x138mm/S-18/1100, 30x184mm/MK-101, MK-103 și nu numai, inclusiv 50mm H-Pzgr și calibrele de artilerie antitanc mai mari.

În perioada postbelică, în anii 1960-1970, în Elveția și Germania, au fost dezvoltate și puse în funcțiune noi muniții de subcalibru cu miezuri de carbură, inclusiv artilerie de calibru mic în calibrele de 20 × 128 mm Oerlikon-Kontraves și 20. × 139 mm " Hispano-Siusa, licențiat de mai multe țări. Odată cu acumularea experienței în aplicarea lor, a venit și o înțelegere a deficiențelor miezurilor metalo-ceramice, asociată, în primul rând, cu tendința lor de distrugere din cauza solicitărilor de încovoiere atunci când interacționează cu protecția blindajului la unghiuri mari față de normal. Odată cu creșterea unghiului de interacțiune cu armura (de la normal), eficacitatea acțiunii de perforare a armurii a muniției cu miez ceramic-metal a scăzut [10] . În plus, o astfel de muniție a arătat o scădere vizibilă a eficienței la tragerea la bariere blindate distanțate și ecranate din cauza distrugerii lor ca urmare a eliberării bruște a tensiunilor de compresie după spargerea primei bariere (ecran). În a doua jumătate a anilor 1970, datorită progreselor în tehnologia aliajelor de wolfram, care au făcut posibilă creșterea ductilității acestora la 5-7%, a fost dezvoltată o nouă generație de muniție de subcalibru, a cărei parte activă era deja realizat dintr-un aliaj greu pe bază de wolfram (W-Ni, Co) sau uraniu sărăcit (U-0,75% Ti), care avea o anumită marjă de plasticitate. Noile lovituri BPS cu părți detașabile erau mai potrivite pentru acțiunea împotriva țintelor blindate din anii 1980-2000.

Alte utilizări

Este utilizat în producția de bile pentru pixuri cu o dimensiune de 1 mm . Lustruirea acestor bile se efectuează într-o mașină specială timp de câteva zile folosind o cantitate mică de pastă de diamant.

Este folosit pentru a face brățări pentru ceasurile elvețiene scumpe. De asemenea, carbura de tungsten a câștigat o mare popularitate în fabricarea de bijuterii - inele, pandantive - în care rezistența sa la uzură vă permite să garantați strălucirea „eternă” a produselor.

Carbura de wolfram este folosită ca suport pentru un catalizator de platină [11] .

De asemenea, este utilizat la fabricarea etanșărilor mecanice de arbore pentru mecanisme (de exemplu, în pompe ) în cazurile în care mediul de contact are o abrazibilitate și/sau vâscozitate ridicată .

Toxicitate

Carbura de tungsten este inertă din punct de vedere chimic, astfel încât produsele fabricate din aceasta nu reprezintă un pericol pentru oameni în condiții normale. Doza letală de carbură de tungsten pentru oameni nu a fost determinată.

Cercetare efectuată de Universitatea de Tehnologie din Dresda, Centrul Leipzig. Helmholtz privind problemele de mediu și Institutul Fraunhofer pentru Tehnologii și Sisteme Ceramice au arătat că nanopraful de carbură de tungsten poate pătrunde în celulele organismelor vii. În același timp, particulele de wolfram în sine [ clarifică ] sunt netoxice, totuși, atunci când sunt combinate cu cobalt în anumite concentrații, pot fi periculoase pentru sănătatea celulelor [12] . Odată cu aportul regulat pe termen lung de carbură de tungsten și praf de cobalt în organism, poate apărea fibroza [13] .

Literatură

A. S. Kurlov, A. I. Gusev Carbure de wolfram: structură, proprietăți și aplicații în aliaje dure. — Springer, 2013.

Note

↑ 1 2 3 Kosolapova T. Ya. Carburi . - Metalurgie, 1968. - S. 300 .
↑ 1 2 3 Tretyakov V.I. Fundamentele metalurgiei și tehnologiei pentru producția de aliaje dure sinterizate. - Metalurgie, 1976. - S. 24-268. — 528 p.
↑ Toth L. Carbure și nitruri ale metalelor de tranziție. - Mir, 1974. - S. 21-23. — 296 p.
↑ Editorial: Knunyants I. L. (redactor-șef). Enciclopedia chimică: în 5 vol. - M .: Enciclopedia sovietică, 1988. - T. 1. - S. 420-421. — 623 p. — 100.000 de exemplare.
↑ 1 2 Samsonov GV Știința materialului fizic al carburilor. - Naukova Dumka, 1974. - S. 79-397. — 454 p.
↑ Kieffer R., Benezovsky F. Aliaje dure . - Metalurgie, 1971. - S. 47 . — 392 p.
↑ 1 2 Samsonov G. V., Vinitsky I. M. Compuși refractari (carte de referință). - Metalurgie, 1976. - S. 560.
↑ Lidin R. A., Molochko V. A., Andreeva L. L. Proprietăți chimice ale substanțelor anorganice. - Chimie, 2000. - S. 330. - 480 p.
↑ Litera H ( germană Hartkern ) în denumirea muniției germane din cel de-al doilea război mondial înseamnă „cu un miez solid de cermet”.
↑ Deci, un BPS de 20 mm al mărcii DM43 atunci când trage dintr-un tun MK 20 RH 202 (viteză inițială 1100 m / s) la o distanță de 1000 m este capabil să pătrundă 35 mm de armură de oțel la un unghi de impact de 0 °, dar doar 8 mm de armură la un unghi de 60 °. Jane's Infantry Weapons 1996-97, 456.
↑ Dmitri Safin. Este prezentată o metodă cu costuri reduse pentru producerea electrolitică a hidrogenului (link inaccesibil) . Compulenta (15 octombrie 2010). - Adaptare după Wiley. Consultat la 16 octombrie 2010. Arhivat din original pe 18 octombrie 2010. (Rusă)
↑ 15/04/2009 Este nanopraful de carbură de tungsten periculos pentru sănătate? Arhivat pe 21 mai 2009 la Wayback Machine . Nanojurnal electronic rusesc (nanotehnologii și aplicarea lor).
↑ Wolfram. W. _ Arhivat pe 27 iulie 2009 la Wayback Machine .