Wolfram-carbid

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 17. april 2021; checks kræver 3 redigeringer .

Wolfram-carbid


Generel
Systematisk navn	wolfram monocarbid
Traditionelle navne	Wolfram-carbid
Chem. formel	Toilet
Fysiske egenskaber
Stat	solid
Molar masse	195,86 g/ mol
Massefylde	15,77 g/cm³
Termiske egenskaber
Temperatur
• smeltning	2780°C
• kogning	6000°C
Mol. Varmekapacitet	35,74 J/(mol K)
Varmeledningsevne	29,33 W/(m K)
Entalpi
• uddannelse	-35,17 kJ/mol
Klassifikation
Reg. CAS nummer	12070-12-1
PubChem	2724274
Reg. EINECS nummer	235-123-0
SMIL	[C-]#[W+]
InChI	InChI=1S/CW/q-1;+1UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N
RTECS	YO7350000 , YO7525000 og YO7700000
CHEBI	82283
ChemSpider	2006424
Data er baseret på standardbetingelser (25 °C, 100 kPa), medmindre andet er angivet.
Mediefiler på Wikimedia Commons

Wolframcarbid (wolframmonocarbid) er en kemisk forbindelse af kulstof og wolfram med formlen WC. Det er en indtrængningsfase, der indeholder 6,1 % C (i vægt) og ikke har et område med homogenitet [1] . Den har høj hårdhed (9 på Mohs-skalaen ) og slidstyrke .

Henter

Wolframcarbid kan fås på en af følgende måder.

Direkte mætning af wolfram med kulstof

Processen med at opnå wolframcarbid er baseret på en direkte reaktion:

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

Dannelsen af WC sker med dannelsen af wolframmonocarbid på overfladen af wolframpartikler, hvorfra kulstof diffunderer ind i partiklen og danner et underliggende lag af sammensætning W 2 C .

Ved produktionen af toilettet anvendes wolframpulver, reduceret fra dets oxid , og kønrøg . Pulveriserede stoffer taget i det krævede forhold blandes, briketteres eller hældes med komprimering i grafitbeholdere og anbringes i en ovn. For at beskytte pulveret mod oxidation udføres synteseprocessen i et brintmiljø , som i vekselvirkning med kulstof ved en temperatur på 1300 ° C danner acetylen . Dannelsen af wolframcarbid foregår hovedsageligt gennem gasfasen på grund af kulstoffet indeholdt i gasserne. Følgende karbidiseringsreaktioner finder sted:

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

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

I nærvær af carbonmonoxid i mediet forløber processen i overensstemmelse med reaktionen

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

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

Normalt udføres processen med at opnå wolframcarbid ved en temperatur på 1300-1350 °C for finkornede wolframpulvere og 1600 °C for grovkornede, og holdetiden er fra 1 til 2 timer. De resulterende let sintrede wolframcarbidblokke knuses og sigtes gennem sigter.

Reduktion af wolframoxid med kul efterfulgt af karbidisering Denne metode, i modsætning til ovenstående, kombinerer processen med reduktion og karbidisering af wolfram, mens den manglende mængde sod tilsættes ladningen for at danne carbid. Genvinding af wolframoxid WO 3 sker gennem gasfasen i miljøet af CO og brint [2] . Genvinding af wolframforbindelser efterfulgt af karbidisering En anden måde at opnå wolframcarbid på er at opvarme en blanding af wolframsyre , wolframanhydrid (WO 3 ) eller ammoniumparawolframat ((NH 4 ) 10 [H 2 W 12 O 42 ] x H 2 O) i hydrogen og methan ved en temperatur på 850-1000°C. Dampaflejring Fremstillingen af wolframcarbid fra gasfasen er baseret på nedbrydning af wolframcarbonyl ved en temperatur på 1000 °C. Elektrolyse af smeltede salte Elektrolyse af en blanding af smeltet natriumborat , natriumcarbonat , lithiumfluorid og wolframanhydrid producerer wolframcarbid [1] . Enkeltkrystaller af wolframcarbid Enkeltkrystaller af WC kan opnås ved smeltevækst. For at gøre dette smeltes en blanding med sammensætningen Co–40% WC i en aluminiumoxiddigel ved en temperatur på 1600°C, og efter smeltehomogenisering reduceres temperaturen til 1500°C med en hastighed på 1-3° C/ min og holdt ved denne temperatur i 12 timer. Derefter afkøles prøven, og koboltmatrixen opløses i kogende saltsyre. Czochralski-metoden kan også bruges til at dyrke store enkeltkrystaller (op til 1 cm) [3] .

Fysiske egenskaber

Wolframcarbid er et gråt pulver. Den har to krystallografiske modifikationer: α-WC med et hexagonalt gitter ( gitterperioder a = 0,2906 nm, c = 0,2839 nm), rumgruppe P6m2 og β-WC med et fladecentreret kubisk gitter ( a = 0,4220 nm), Fm3m , som er stabilt over 2525 °C [4] . I dette tilfælde eksisterer begge faser i temperaturområdet 2525–2755°C. α-WC-fasen har ikke et område med homogenitet, så en afvigelse fra den støkiometriske sammensætning fører til fremkomsten af W 2 C eller grafit. Ved opvarmning til over 2755 °C nedbrydes α-WC og danner kulstof og β-WC-fasen. β-WC-fasen er beskrevet med formlen β-WC 1 − x , hvor (0 ⩽ x ⩽ 0,41) og har et bredt homogenitetsområde, som falder med faldende temperatur [5] .

Normalt anses wolframcarbid for at være en skør forbindelse, men det har vist sig, at det under belastning udviser plastiske egenskaber, som fremstår i form af glidebånd [2] .

Wolframcarbidkrystaller har hårdhedsanisotropi i forskellige krystallografiske planer. Afhængigt af orienteringen er minimumsværdien af mikrohårdhed 13 GPa, og maksimum er 22 GPa [5] [2] .

Rockwell hårdhed 92−94 HRA [6]
Elasticitetsmodul 710 GPa
Standardentropi 8,5 ± 1,5 cal/(mol °C)
Entropi af dannelse fra grundstoffer −0,31 cal/(mol °C)
lineær termisk udvidelseskoefficient 3,84−3,9 10 −6 1/K
Karakteristisk temperatur ( Debye-temperatur ) 493 K
Elektrisk resistivitet 19,2 ± 0,3 µΩ cm ved 20 °C
Elektrisk ledningsevne 52200 Ω −1 cm −1
Termisk koefficient for elektrisk modstand +0,495 10 −3 1/K ved 20−1500 °C
Termisk EMF - koefficient −23,3 µV/K
Arbejdsfunktion 3.6 eV
Richardsons konstant 2,7 A / (cm 2 K 2 )
Hall konstant (−21,8 ± 0,3) 10 4 cm 3 / Kl
Elektronisk varmekapacitetskoefficient 0,79 mJ/(mol K 2 ) [7]

Kemiske egenskaber

Wolframcarbid er en kemisk stabil forbindelse ved stuetemperatur med hensyn til svovlsyre , saltsyre , orthophosphorsyre , perchlorsyre , oxalsyre og blandinger af svovlsyre og phosphorsyre, svovlsyre og oxalsyre. Uopløseligt i 10% og 20% natriumhydroxidopløsninger . Det opløses i kogende svovlsyre, saltsyre, salpetersyre , perchlorsyre og i blandinger af svovlsyre og orthophosphorsyre, svovlsyre og salpetersyre. Ved stuetemperatur opløses det godt i salpetersyre og i aqua regia ifølge reaktionerne [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 ^))

Det opløses også i en blanding af salpeter- og flussyre [1] .

Betydelig oxidation af wolframcarbid i luft begynder ved 500-700 °C, og over 800 °C er det fuldstændigt oxideret på grund af den høje flygtighed af wolframoxid. Oxidationen af wolfram forløber i overensstemmelse med reaktionen [7]

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

Ifølge samme reaktion brænder wolframcarbid i flydende oxygen, og diamant brænder tilsvarende.

Ansøgning

Wolframcarbid bruges aktivt i teknik til fremstilling af værktøjer, der kræver høj hårdhed og korrosionsbestandighed, samt til slidbestandig overfladebehandling af dele, der arbejder under forhold med intenst slibende slid med moderate stødbelastninger. Dette materiale bruges til fremstilling af forskellige fræsere, slibeskiver, boremaskiner, fræsere, bor og andre skæreværktøjer. Karbiden kendt som " win " er 90% wolframcarbid.

Det bruges aktivt til termisk sprøjtning og overfladebehandling i form af pulvermateriale for at skabe slidbestandige belægninger. Således bruges relite, som er en WC−W 2 C eutektik , til overfladebehandling på boreværktøj og andre produkter, der er udsat for slibende slid. Et af de vigtigste materialer, der bruges til at erstatte elektropletteret forkromning med højhastigheds flammesprøjtning .

Som materiale til panserbrydende kerner

Særligt bemærkelsesværdigt er brugen af wolframcarbid til fremstilling af panserbrydende kerner til kugler og projektiler . Begyndelsen på den udbredte brug af hårdlegering (WC-base på en koboltbinding, type RE-6 (7,62 mm patron med en kugle BS-40), VK6, VK8 og lignende) panserbrydende kerner til erstatning for dem, der er lavet af hærdede kerner stål falder på 1940'erne og skyldtes det presserende behov for at forbedre effektiviteten af den panserbrydende effekt af ammunition i de eksisterende kalibre af håndvåben og artillerivåben, forårsaget af den hurtige opbygning af beskyttelse til næsten alle typer jord. udstyr våben. Sådan ammunition i håndvåben og artillerikalibre af lille kaliber blev mest brugt af de væbnede styrker i Tyskland ( 7,92 mm patron med SmK(H) kugle [9] ) og USSR ( 14,5 mm patron med BS-kugle). Især landstyrkerne og det tyske luftvåben var bevæbnet med ammunition af karbidkerne i kaliber 15 × 96 mm / MG 151, kuglevægt 0,052 kg; 20x138mm/S-18/1100, 30x184mm/MK-101, MK-103 og derover, inklusive 50mm H-Pzgr og større panserværnsartillerikalibre.

I efterkrigstiden, i 1960-1970'erne, blev der i Schweiz og Tyskland udviklet og taget i brug ny subkaliber ammunition med hårdmetalkerner, herunder småkaliberartilleri i kaliber 20 × 128 mm Oerlikon-Kontraves og 20 stk. × 139 mm " Hispano-Siusa, licenseret af en række lande. Med akkumulering af erfaring i deres anvendelse kom der også en forståelse af manglerne ved metalkeramiske kerner, først og fremmest forbundet med deres tendens til ødelæggelse fra bøjningsspændinger, når de interagerer med panserbeskyttelse i store vinkler fra det normale. Med en stigning i vinklen af interaktion med pansret (fra normalen), faldt effektiviteten af den panserbrydende handling af ammunition med en keramisk-metalkerne [10] . Derudover udviste sådan ammunition et mærkbart fald i effektivitet, når der blev skudt mod adskilte og afskærmede panserbarrierer på grund af deres ødelæggelse som et resultat af en skarp frigivelse af kompressionsspændinger efter gennembrud af den første barriere (skærm). I anden halvdel af 1970'erne, takket være fremskridt inden for teknologien af wolframlegeringer, som gjorde det muligt at øge deres duktilitet til 5-7%, blev der udviklet en ny generation af subkaliber ammunition, hvoraf den aktive del allerede var lavet af en tung legering baseret på wolfram (W-Ni, Co) eller forarmet uran (U-0,75% Ti), som havde en vis plasticitetsmargin. De nye BPS-skud med aftagelige dele var bedre egnet til aktion mod pansrede mål fra 1980-2000'erne.

Andre anvendelser

Det bruges til fremstilling af kraftige bolde til kuglepenne med en størrelse på 1 mm . Poleringen af disse kugler udføres i en speciel maskine i flere dage ved hjælp af en lille mængde diamantpasta.

Det bruges til at lave armbånd til dyre schweiziske ure. Også wolframcarbid har vundet stor popularitet ved fremstilling af smykker - ringe, vedhæng - hvor slidstyrken giver dig mulighed for at garantere produkternes "evige" glans.

Wolframcarbid bruges som støtte for en platinkatalysator [11] .

Det bruges også til fremstilling af mekaniske akseltætninger til mekanismer (for eksempel i pumper ) i tilfælde, hvor kontaktmediet har en høj slibeevne og/eller viskositet .

Toksicitet

Wolframcarbid er kemisk inert, så produkter fremstillet af det udgør ikke en fare for mennesker under normale forhold. Den dødelige dosis af wolframcarbid for mennesker er ikke blevet bestemt.

Forskning udført af Dresden University of Technology, Leipzig Center. Helmholtz om miljøproblemer og Fraunhofer-instituttet for keramiske teknologier og systemer viste, at wolframcarbid-nanostøv kan trænge ind i cellerne i levende organismer. Samtidig er wolframpartiklerne selv [ klarer ] ikke-toksiske, men når de kombineres med kobolt i visse koncentrationer, kan de være farlige for cellesundheden [12] . Ved langvarig regelmæssig indtagelse af wolframcarbid og koboltstøv i kroppen kan der opstå fibrose [13] .

Litteratur

A. S. Kurlov, A. I. Gusev Wolframcarbider: struktur, egenskaber og anvendelser i hårde legeringer. — Springer, 2013.

Noter

↑ 1 2 3 Kosolapova T. Ya. Carbides . - Metallurgi, 1968. - S. 300 .
↑ 1 2 3 Tretyakov V.I. Grundlæggende om metallurgi og teknologi til fremstilling af sintrede hårde legeringer. - Metallurgi, 1976. - S. 24-268. — 528 s.
↑ Toth L. Karbider og nitrider af overgangsmetaller. - Mir, 1974. - S. 21-23. — 296 s.
↑ Redaktionel: Knunyants I. L. (chefredaktør). Chemical Encyclopedia: i 5 bind - M .: Soviet Encyclopedia, 1988. - T. 1. - S. 420-421. — 623 s. — 100.000 eksemplarer.
↑ 1 2 Samsonov GV Fysisk materialevidenskab om karbider. - Naukova Dumka, 1974. - S. 79-397. — 454 s.
↑ Kieffer R., Benezovsky F. Hårde legeringer . - Metallurgi, 1971. - S. 47 . — 392 s.
↑ 1 2 Samsonov G. V., Vinitsky I. M. Ildfaste forbindelser (referencebog). - Metallurgi, 1976. - S. 560.
↑ Lidin R. A., Molochko V. A., Andreeva L. L. Uorganiske stoffers kemiske egenskaber. - Kemi, 2000. - S. 330. - 480 s.
↑ Bogstavet H ( tysk Hartkern ) i betegnelsen for tysk ammunition fra Anden Verdenskrig betyder "med en solid cermetkerne."
↑ Så en 20 mm BPS af mærket DM43, når der skydes fra en MK 20 RH 202 kanon (starthastighed 1100 m/s) i en afstand på 1000 m er i stand til at trænge igennem 35 mm stålpanser i en anslagsvinkel på 0 °, men kun 8 mm rustning i en vinkel på 60 °. Jane's Infantry Weapons 1996-97, 456.
↑ Dmitry Safin. En billig metode til elektrolytisk produktion af brint præsenteres (utilgængeligt link) . Compulenta (15. oktober 2010). - Tilpasset fra Wiley. Hentet 16. oktober 2010. Arkiveret fra originalen 18. oktober 2010. (Russisk)
↑ 15/04/2009 Er nanodstøv af wolframcarbid sundhedsfarligt? Arkiveret 21. maj 2009 på Wayback Machine . Russisk elektronisk nanojournal (nanoteknologier og deres anvendelse).
↑ Wolfram. W. _ Arkiveret 27. juli 2009 på Wayback Machine .