Wolfram karbid

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 17. dubna 2021; kontroly vyžadují 3 úpravy .

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 .

Získání

Karbid wolframu lze získat jedním z následujících způsobů.

Přímé nasycení wolframu uhlíkem

Proces získávání karbidu wolframu je založen na přímé reakci:

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

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:

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

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

V přítomnosti oxidu uhelnatého v médiu proces probíhá podle reakce

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

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

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] .

Fyzikální vlastnosti

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] .

Rockwellova tvrdost 92−94 HRA [6]
Modul pružnosti 710 GPa
Standardní entropie 8,5 ± 1,5 cal/(mol °C)
Entropie vzniku z prvků −0,31 cal/(mol °C)
Součinitel lineární tepelné roztažnosti 3,84−3,9 10 −6 1/K
Charakteristická teplota ( Debyeova teplota ) 493 K
Elektrický odpor 19,2 ± 0,3 µΩ cm při 20 °C
Elektrická vodivost 52200 Ω −1 cm −1
Tepelný koeficient elektrického odporu +0,495 10 −3 1/K při 20−1500 °C
Tepelný koeficient EMF −23,3 µV/K
Pracovní funkce 3,6 eV
Richardsonova konstanta 2,7 A / (cm 2 K 2 )
Hallova konstanta (−21,8 ± 0,3) 10 4 cm 3 / Kl
Elektronický koeficient tepelné kapacity 0,79 mJ/(mol K 2 ) [7]

Chemické vlastnosti

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]

{\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 ^))

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]

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

Podle stejné reakce v kapalném kyslíku hoří karbid wolframu a podobně hoří diamant.

Aplikace

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 .

Jako materiál pro jádra prorážející pancéřování

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.

Další použití

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 .

Toxicita

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] .

Literatura

A. S. Kurlov, A. I. Gusev Karbidy wolframu: struktura, vlastnosti a aplikace v tvrdých slitinách. — Springer, 2013.

Poznámky

↑ 1 2 3 Kosolapová T. Ya. Karbidy . - Hutnictví, 1968. - S. 300 .
↑ 1 2 3 Treťjakov V.I. Základy metalurgie a technologie výroby slinutých tvrdých slitin. - Hutnictví, 1976. - S. 24-268. — 528 s.
↑ Toth L. Karbidy a nitridy přechodných kovů. - Mir, 1974. - S. 21-23. — 296 s.
↑ Editorial: Knunyants I. L. (šéfredaktor). Chemická encyklopedie: v 5 dílech - M .: Sovětská encyklopedie, 1988. - T. 1. - S. 420-421. — 623 s. — 100 000 výtisků.
↑ 1 2 Samsonov GV Fyzikální materiálová nauka o karbidech. - Naukova Dumka, 1974. - S. 79-397. — 454 s.
↑ Kieffer R., Benezovský F. Tvrdé slitiny . - Hutnictví, 1971. - S. 47 . — 392 s.
↑ 1 2 Samsonov G. V., Vinitsky I. M. Refrakterní sloučeniny (příručka). - Hutnictví, 1976. - S. 560.
↑ Lidin R. A., Molochko V. A., Andreeva L. L. Chemické vlastnosti anorganických látek. - Chemie, 2000. - S. 330. - 480 s.
↑ Písmeno H ( německy Hartkern ) v označení německé munice z 2. světové války znamená "s pevným cermetovým jádrem."
↑ Takže 20mm BPS značky DM43 při střelbě z kanónu MK 20 RH 202 (počáteční rychlost 1100 m/s) na vzdálenost 1000 m je schopen prorazit 35 mm ocelového pancíře pod úhlem dopadu 0 °, ale pouze 8 mm pancíře pod úhlem 60 °. Jane's Infantry Weapons 1996-97, 456.
↑ Dmitrij Safin. Je prezentován levný způsob elektrolytické výroby vodíku (nedostupný odkaz) . Compulenta (15. října 2010). - Převzato z Wileyho. Získáno 16. října 2010. Archivováno z originálu 18. října 2010. (Ruština)
↑ 15. 4. 2009 Je nanoprach karbidu wolframu zdraví nebezpečný? Archivováno 21. května 2009 na Wayback Machine . Ruský elektronický nanočasopis (nanotechnologie a jejich aplikace).
↑ Wolfram. W. _ Archivováno 27. července 2009 na Wayback Machine .