Wolfram karbid | |
---|---|
Všeobecné | |
Systematický název |
monokarbid wolframu |
Tradiční jména | Wolfram karbid |
Chem. vzorec | toaleta |
Fyzikální vlastnosti | |
Stát | pevný |
Molární hmotnost | 195,86 g/ mol |
Hustota | 15,77 g/cm³ |
Tepelné vlastnosti | |
Teplota | |
• tání | 2780 °C |
• varu | 6000 °C |
Mol. tepelná kapacita | 35,74 J/(mol K) |
Tepelná vodivost | 29,33 W/(m K) |
Entalpie | |
• vzdělávání | -35,17 kJ/mol |
Klasifikace | |
Reg. Číslo CAS | 12070-12-1 |
PubChem | 2724274 |
Reg. číslo EINECS | 235-123-0 |
ÚSMĚVY | [C-]#[W+] |
InChI | InChI=lS/CW/q-l;+1UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N |
RTECS | YO7350000 , YO7525000 a YO7700000 |
CHEBI | 82283 |
ChemSpider | 2006424 |
Údaje jsou založeny na standardních podmínkách (25 °C, 100 kPa), pokud není uvedeno jinak. | |
Mediální soubory na Wikimedia Commons |
Karbid wolframu (monokarbid wolframu) je chemická sloučenina uhlíku a wolframu se vzorcem WC. Je to intruzní fáze, která obsahuje 6,1 % C (hmotnostně) a nemá oblast homogenity [1] . Má vysokou tvrdost (9 na Mohsově stupnici ) a odolnost proti opotřebení .
Karbid wolframu lze získat jedním z následujících způsobů.
Přímé nasycení wolframu uhlíkemProces získávání karbidu wolframu je založen na přímé reakci:
K tvorbě WC dochází za vzniku monokarbidu wolframu na povrchu částic wolframu, ze kterého uhlík difunduje do částice a tvoří podložní vrstvu o složení W 2 C .
Při výrobě WC se používá wolframový prášek redukovaný z jeho oxidu a saze . Práškové látky odebrané v požadovaném poměru se smíchají, briketují nebo s hutněním nasypou do grafitových nádob a vloží do pece. Aby byl prášek chráněn před oxidací, proces syntézy se provádí v prostředí vodíku , který při interakci s uhlíkem při teplotě 1300 ° C tvoří acetylen . Tvorba karbidu wolframu probíhá hlavně v plynné fázi díky uhlíku obsaženému v plynech. Probíhají následující karbidizační reakce:
V přítomnosti oxidu uhelnatého v médiu proces probíhá podle reakce
Obvykle se proces získávání karbidu wolframu provádí při teplotě 1300–1350 °C pro jemnozrnné wolframové prášky a 1600 °C pro hrubozrnné a doba výdrže je od 1 do 2 hodin. Výsledné lehce slinuté bloky karbidu wolframu se drtí a prosévají přes síta.
Redukce oxidu wolframu uhlíkem s následnou karbidizací Tato metoda na rozdíl od výše uvedeného kombinuje proces redukce a karbidizace wolframu, přičemž chybějící množství sazí se přidává do vsázky za vzniku karbidu. K obnově oxidu wolframu WO 3 dochází prostřednictvím plynné fáze v prostředí CO a vodíku [2] . Získávání sloučenin wolframu s následnou karbidizací Dalším způsobem, jak získat karbid wolframu, je zahřát směs kyseliny wolframové , anhydridu wolframu (WO 3 ) nebo parawolframanu amonného ((NH 4 ) 10 [H 2 W 12 O 42 ] x H 2 O) ve vodíku a methanu na teplotu 850-1000 °C. Napařování Výroba karbidu wolframu z plynné fáze je založena na rozkladu karbonylu wolframu při teplotě 1000 °C. Elektrolýza roztavených solí Elektrolýzou směsi roztaveného boritanu sodného , uhličitanu sodného , fluoridu lithného a anhydridu wolframu vzniká karbid wolframu [1] . Monokrystaly karbidu wolframu Monokrystaly WC lze získat růstem taveniny. K tomu se směs o složení Co–40% WC roztaví v kelímku z oxidu hlinitého při teplotě 1600°C a po homogenizaci taveniny se teplota sníží na 1500°C rychlostí 1–3°. C/ min a udržována při této teplotě po dobu 12 hodin. Poté se vzorek ochladí a kobaltová matrice se rozpustí ve vroucí kyselině chlorovodíkové. Czochralského metodu lze použít i k pěstování velkých monokrystalů (až 1 cm) [3] .Karbid wolframu je šedý prášek. Má dvě krystalografické modifikace: α-WC s hexagonální mřížkou (periody mřížky a = 0,2906 nm, c = 0,2839 nm), prostorová grupa P6m2 a β-WC s plošně centrovanou kubickou mřížkou ( a = 0,4220 nm), prostorová grupa Fm3m , který je stabilní nad 2525 °C [4] . V tomto případě existují obě fáze v teplotním rozmezí 2525–2755°C. Fáze α-WC nemá oblast homogenity, takže odchylka od stechiometrického složení vede ke vzniku W 2 C nebo grafitu. Při zahřátí nad 2755 °C se α-WC rozkládá za vzniku uhlíku a fáze β-WC. Fáze β-WC je popsána vzorcem β-WC 1 − x , kde (0 ⩽ x ⩽ 0,41) a má širokou oblast homogenity, která se snižuje s klesající teplotou [5] .
Obvykle je karbid wolframu považován za křehkou sloučeninu, nicméně bylo zjištěno, že při zatížení vykazuje plastické vlastnosti, které se projevují ve formě skluzových pásů [2] .
Krystaly karbidu wolframu mají anizotropii tvrdosti v různých krystalografických rovinách. V závislosti na orientaci je minimální hodnota mikrotvrdosti 13 GPa, maximální 22 GPa [5] [2] .
Karbid wolframu je chemicky stabilní sloučenina při pokojové teplotě s ohledem na kyselinu sírovou , chlorovodíkovou , ortofosforečnou , chloristou , šťavelovou a směsi kyselin sírové a fosforečné, sírové a šťavelové. Nerozpustný v 10% a 20% roztocích hydroxidu sodného . Rozpouští se ve vroucích kyselinách sírové, chlorovodíkové, dusičné , chloristé a ve směsích kyselin sírové a ortofosforečné, sírové a dusičné. Při pokojové teplotě se podle reakcí dobře rozpouští v kyselině dusičné a v aqua regia [8]
Rozpouští se také ve směsi kyseliny dusičné a fluorovodíkové [1] .
Významná oxidace karbidu wolframu na vzduchu začíná při 500–700 °C a nad 800 °C je díky vysoké těkavosti oxidu wolframu zcela oxidován. Oxidace wolframu probíhá podle reakce [7]
Podle stejné reakce v kapalném kyslíku hoří karbid wolframu a podobně hoří diamant.
Karbid wolframu se aktivně používá ve strojírenství pro výrobu nástrojů, které vyžadují vysokou tvrdost a odolnost proti korozi, a také pro povrchovou úpravu dílů odolných proti opotřebení pracující v podmínkách intenzivního abrazivního opotřebení s mírným rázovým zatížením. Tento materiál se používá při výrobě různých fréz, brusných kotoučů, vrtáků, fréz, vrtáků a dalších řezných nástrojů. Karbid známý jako „ výhra “ je z 90 % karbid wolframu.
Aktivně se používá při tepelném nástřiku a povrchové úpravě ve formě práškového materiálu k vytvoření povlaků odolných proti opotřebení. Relite, což je eutektikum WC−W 2 C , se tedy používá k navařování vrtacích nástrojů a dalších výrobků vystavených abrazivnímu opotřebení. Jeden z hlavních materiálů používaných k nahrazení galvanického chromování vysokorychlostním stříkáním plamenem .
Za zmínku stojí zejména použití karbidu wolframu pro výrobu jader prorážejících pancíř pro kulky a projektily . Začátek širokého používání tvrdých slitin (základ WC na kobaltové vazbě, typy RE-6 (náboj 7,62 mm se střelou BS-40), VK6, VK8 a podobně) průbojných jader nahrazujících jádra z tvrzených oceli připadá na 40. léta 20. století a byla způsobena naléhavou potřebou zlepšit účinnost pancéřového účinku munice ve stávajících rážích ručních palných a dělostřeleckých zbraní, způsobenou rychlým budováním ochrany pro téměř všechny typy pozemních vybavení zbraní. Takovou munici v ručních palných zbraních a malorážných dělostřeleckých rážích nejvíce využívaly ozbrojené síly Německa ( náboj 7,92 mm s nábojem SmK(H) [9] ) a SSSR ( náboj 14,5 mm s nábojem BS). Zejména pozemní síly a německé letectvo byly vyzbrojeny municí s karbidovým jádrem v rážích 15 × 96 mm / MG 151, hmotnost střely 0,052 kg; 20x138mm/S-18/1100, 30x184mm/MK-101, MK-103 a více, včetně 50mm H-Pzgr a větších protitankových dělostřeleckých ráží.
V poválečném období, v 60. – 70. letech 20. století, byla ve Švýcarsku a Německu vyvinuta a uvedena do provozu nová podkaliberní munice s karbidovými jádry, včetně malorážného dělostřelectva v rážích 20 × 128 mm Oerlikon-Kontraves a 20 × 139 mm " Hispano-Siusa, licencovaný řadou zemí. S nahromaděním zkušeností s jejich aplikací přišlo také pochopení nedostatků kovokeramických jader, spojených především s jejich tendencí k destrukci v důsledku ohybového napětí při interakci s pancéřovou ochranou ve velkých úhlech od normály. S nárůstem úhlu interakce s pancířem (od normálu) klesala účinnost pancéřového působení střeliva s keramicko-kovovým jádrem [10] . Navíc taková munice vykazovala znatelný pokles účinnosti při střelbě na odsazené a stíněné pancéřové překážky v důsledku jejich zničení v důsledku prudkého uvolnění tlakových pnutí po proražení první překážky (síta). Ve druhé polovině 70. let byla díky pokrokům v technologii wolframových slitin, které umožnily zvýšit jejich tažnost na 5-7 %, vyvinuta nová generace podkaliberní munice, jejíž aktivní část již byla vyrobené z těžké slitiny na bázi wolframu (W-Ni, Co) nebo ochuzeného uranu (U-0,75 % Ti), které měly určitou rezervu plasticity. Nové střely BPS s odnímatelnými částmi se lépe hodily pro akci proti obrněným cílům z let 1980-2000.
Používá se při výrobě těžkých kuliček pro kuličková pera o velikosti 1 mm . Leštění těchto kuliček se provádí ve speciálním stroji několik dní pomocí malého množství diamantové pasty.
Vyrábějí se z něj náramky na drahé švýcarské hodinky. Také karbid wolframu získal velkou oblibu při výrobě šperků - prstenů, přívěsků - ve kterých jeho odolnost proti opotřebení umožňuje zaručit "věčný" lesk výrobků.
Karbid wolframu se používá jako nosič pro platinový katalyzátor [11] .
Používá se také při výrobě mechanických hřídelových ucpávek pro mechanismy (například v čerpadlech ) v případech, kdy má kontaktní médium vysokou abrazivitu a/nebo viskozitu .
Karbid wolframu je chemicky inertní, takže výrobky z něj za normálních podmínek nepředstavují pro člověka nebezpečí. Smrtelná dávka karbidu wolframu pro člověka nebyla stanovena.
Výzkum provedený Technickou univerzitou v Drážďanech, Lipským centrem. Helmholtz o problémech životního prostředí a Fraunhoferův institut pro keramické technologie a systémy ukázaly, že nanoprašky karbidu wolframu mohou pronikat do buněk živých organismů. Přitom samotné částice wolframu [ objasnit ] jsou netoxické, avšak v kombinaci s kobaltem v určitých koncentracích mohou být nebezpečné pro zdraví buněk [12] . Při dlouhodobém pravidelném příjmu karbidu wolframu a kobaltového prachu do těla může dojít k fibróze [13] .