Что такое карбид вольфрама
Карбид вольфрама
| Карбид вольфрама | |
 | |
 | |
| Общие | |
|---|---|
| Химическая формула | WC |
| Физические свойства | |
| Состояние (ст. усл.) | твёрдое |
| Молярная масса | 195.86 г/моль |
| Плотность | 15.8 г/см³ |
| Термические свойства | |
| Температура плавления | 2870 °C |
| Температура кипения | 6000 °C |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | 12070-12-1 |
Благодаря исключительно высокой твёрдости активно используется для изготовления сердечников бронебойных снарядов и режущего инструмента.
Содержание
Физические свойства
Структура
Известны две формы WC, гексагональная, α-WC, и кубическая, высокотемпературная форма, β-WC.
Применение
Карбид вольфрама активно применяется в технике для изготовления инструментов, требующих высокой твёрдости и коррозионной стойкости, а также для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания с умеренными ударными нагрузками. Этот материал находит применение в изготовлении различных резцов, абразивных дисков, свёрл, фрез, долот для бурения и другого режущего инструмента. Твёрдый сплав, известный как «победит», «рэлит», на 90 % состоит из карбида вольфрама.
Активно применяется в газотермическом напылении и наплавке в виде порошкового материала для создания износостойких покрытий. Один из основных материалов, использующихся для замены гальванического хромирования методом высокоскоростного газопламенного напыления.
Особо следует выделить использование карбида вольфрама для изготовления сердечников бронебойных пуль и снарядов. Сейчас этот материал является доминирующим в данном применении, однако в последнее время в ряде стран он вытесняется обеднённым ураном.
Применяется при производстве сверхпрочных шариков для шариковых ручек размером 1 мм. Полировка этих шариков проводится в специальной машине на протяжении нескольких дней с использованием малого количества алмазной пасты.
Применяется для изготовления браслетов для дорогих швейцарских часов. Также карбид вольфрама приобрёл большую популярность при изготовлении ювелирных изделий — колец, кулонов — в которых его износостойкость позволяет гарантировать «вечный» блеск изделий.
Также используется при изготовлении торцевых уплотнений валов механизмов (например в насосах) в случаях, когда контактирующая среда имеет высокую абразивность и/или вязкость.
Токсичность
Карбид вольфрама химически инертен, поэтому изделия из него не представляют опасности для человека при нормальных условиях. Летальная доза карбида вольфрама для человека не определена.
«Что такое карбид вольфрама?» Спрашивали? Отвечаем!
Что общего у дорог, по которым мы ездим, бутылки кетчупа, банки колы и сделанного на заказ обручального кольца?
Помимо вышеперечисленного почти все, чем мы пользуемся, а в некоторых случаях даже одежда, попадает под разряд вещей, создание которых так или иначе связано с инструментами из карбида вольфрама. Начиная от пресс-форм и резцов, используемых для изготовления таких вещей, как туалетные принадлежности, бутылки и банки с колой, до износостойких предметов, применяемых при производстве продуктов – кетчупа, соуса для спагетти и т.д. Сюда также входят дорожно-строительные буры для вскрытия асфальта и цемента на дорогах, сверла и концевые фрезы для резания металла при изготовлении автомобильных деталей, например, блоков цилиндров, поршней, тормозов, колес и т.д. Все эти вещи связывает карбид вольфрама.
Что такое карбид вольфрама?
«Карбид вольфрама» часто используется как общий термин для обозначения композитного материала, содержащего твердые частицы карбида вольфрама в сочетании с более мягким металлическим связующим материалом, служащим для удержания частиц на месте. Это очень твердый и плотный материал, применяемый в основном для придания формы другим материалам в процессе ковки, механической обработки и т.д.
Слева (карбид вольфрама и кобальт), справа (бетон)
Карбид вольфрама широко известен под названием «цементированный карбид» за схожесть по внешнему виду с бетоном (см. рисунок).
На рисунке можно видеть, что камни (смесь) напоминают карбид вольфрама, в то время как цемент, удерживающий эту смесь, напоминает кобальт, никель или железо, используемые для связывания карбида вольфрама.
Знаете ли Вы, что… прочность карбида вольфрама при сжатии, когда под воздействием силы атомы прижимаются друг к другу, является самой высокой по сравнению с любым известным нам материалом?
Карбид вольфрама коренным образом изменил возможность механической обработки металлов, таких как сталь, титан и никелевые сплавы, для создания сложных деталей, которые помогли проложить путь для технической революции последних 100 с лишним лет.
Каковы свойства карбида вольфрама?
В сочетании с высокой теплопроводностью, чрезвычайно высокой прочностью (особенно при сжатии), и невероятно высокой жесткостью карбид вольфрама является лучшим материалом для всех типов инструментов для обработки металлов давлением и резанием.
Свойства карбида вольфрама также придают необходимые характеристики изнашиваемым деталям, таким как крупногабаритные матрицы и штампы, которые используются при создании синтетических алмазов. Этот процесс требует чрезвычайно высокого давления и не менее высоких температур, что делает карбид вольфрама единственным подходящим материалом.
Знаете ли Вы, что… компания Kennametal была основана в 1938 году в связи с изобретением технологии по улучшению свойств карбида вольфрама, позволившей значительно увеличить производительность обработки стали?
Выдающиеся свойства карбида вольфрама включают твердость, приближенную к твердости алмаза – самого твердого материала, известного человеку. Помните, мы приводили в пример обручальное кольцо, сделанное на заказ? Обручальные кольца и другие виды вольфрамовых ювелирных изделий на самом деле состоят именно из карбида вольфрама. Обладая высокой стойкостью к деформации, кольцо из карбида вольфрама отличается не только непревзойденной прочностью, но и защитой от царапин.
Как же формируется карбид вольфрама?
Вам интересно, из чего же на самом деле состоит этот редкий, чрезвычайно плотный металлокерамический материал с очень высокой температурой плавления? Хорошие новости: мы разберем этот вопрос в следующий раз.
Мы рассмотрим шаг за шагом весь процесс изготовления карбида вольфрама:
Вольфрам и карбид вольфрама: что вы должны знать о них.
Вольфрам и карбид вольфрама становятся все более популярными вариантами украшений, особенно когда дело доходит до колец. Давайте взглянем на характеристики этих двух материалов, и посмотрим, что вы должны знать о них при покупке ювелирных изделий.
Что такое вольфрам?
Это — металл, который очень тверд, и плавится при очень высокой температуре. Он также очень плотный, и драгоценности, сделанные из него, на удивление довольно тяжелые.
Благодаря своей долговечности, он является предпочтительным материалом для покупателей, ищущих изделие, которое прослужит очень долго.
Однако физические свойства, делающие этот металл настолько прочным, также являются причиной, по которой ювелиры находят, что с ним относительно трудно работать.
Что такое карбид вольфрама?
Когда вольфрам смешивается с углеродом, получающийся состав называют карбидом вольфрама. Этот материал является даже более прочным.
Карбид вольфрама, используемый в ювелирном деле, обычно смешивается с небольшим количеством никеля.
Мало того, что он является тверже вольфрама, из него также еще более трудно изготавливать кольца или другие ювелирные изделия.
Давайте посмотрим на наиболее важные характеристики этого материала, о которых вы должны знать при покупке:
Гипоаллергенный: не вызывает аллергические реакции при ношении. Несмотря на то, что он обычно содержит немного никеля, этот металл обычно составляет небольшую часть конечного сплава.
Вот почему вы не должны беспокоиться о раздражение кожи, если у вас аллергия на никель и вы планируете носить ювелирные изделия из карбида вольфрама.
Тем не менее, убедитесь, что продавец гарантирует, что ювелирные изделия, которые он предлагает, являются гипоаллергенными. Разные производители имеют различные стандарты того, что их продукты содержат, поэтому никогда не помешает проверить.
Отсутствие царапин: один из самых больших коммерческих аргументов при продаже карбида вольфрама — то, что он защищен от царапин. Очень трудно сделать вмятину или отметку на вольфрамовом кольце при нормальных обстоятельствах.
Чрезвычайная прочность карбида вольфрама означает, что если у вас есть украшение, изготовленное из этого материала, ему очень долго не потребуется полировка, и оно не потеряет свой блеск с течением времени, в отличие от золота или серебра.
Многие компании, продающие драгоценности из этого сплава, гарантируют, что их продукция не поцарапается, и предлагают заменить ее, если вы заметите какие-либо царапины.
Не может быть изменен: кольца из этого материала не могут быть изменены.
Вот почему вы должны тщательно выбирать свой размер, чтобы убедиться, что кольцо сидит не слишком плотно или слишком свободно.
Если, однако, размер вашего пальца изменился со временем, вы можете обменять свое вольфрамовое кольцо на кольцо другого размера: некоторые производители предлагают такой вариант, так что не забудьте проверить это при покупке.
Карбид вольфрама по сравнению с вольфрамом.
Люди часто используют термины вольфрам и карбид вольфрама взаимозаменяемо. Однако есть различия в свойствах этих двух материалов.
Во-первых, вольфрам легче царапается.
Кольца, изготовленные только из него, не очень устойчивы к царапинам, так что вы не должны ожидать, что они со временем останутся такими же блестящими.
Во-вторых, вольфрамовые ювелирные изделия часто содержит кобальт, в то время как карбид вольфрама, как правило, смешан с никелем. Проблема заключается в том, что, когда кобальт вступает в контакт с кожей, металл может вызвать раздражение.
Кроме того, кобальт может окислиться и заставить ваши драгоценности изменить цвет.
Советы при покупке украшений.
Первое, что вы должны сделать при покупке вольфрамовых ювелирных изделий, это убедиться, что вы знаете, из чего состоит изделие, которое вам предлагают.
Как вы уже видели, эти два материала отличаются по прочности и химическому составу. Если вы ищете долговечность, убедитесь, что ювелирные изделия, которые вы покупаете, сделаны именно из карбида вольфрама.
Вы должны также спросить о всех других металлах, которые содержит определенное вольфрамовое изделие.
Существуют некоторые драгоценности, которые являются более дешевыми, и часто причиной является то, что они содержат кобальт вместо никеля (мы уже говорили, почему кобальт не является предпочтительным).
Даже если драгоценности маркированы как «карбид вольфрама», вы все равно должны это проверить, поскольку некоторые изделия могут быть сделаны с кобальтом: необычно низкая цена — один из признаков того, что это так.
В целом, избегайте покупать вольфрамовые драгоценности, если нет указания, что они содержат. Между прочим, это правило распространяется на любые украшения, которые вы покупаете.
Карбид вольфрама
Карбиды представляют один из классов углеродных неорганических соединений. Они весьма распространены, а наибольшее применение имеют карбиды тугоплавких металлов, в том числе карбид вольфрама (формула WC либо W2C). Данный материал представлен углеродно-вольфрамовым соединением с массовой долей первого элемента 6,1%.
Свойства
Рассматриваемое вещество представлено серым порошком в двух кристаллографических вариантах: с кубической (полукарбид) и гексагональной (монокарбид) решетками. Обе модификации встречаются в температурном диапазоне 2525 — 2755°С. Вторая фаза ввиду отсутствия области гомогенности при отклонении от стехиометрического состава образует графит или переходит в W2C, а при температуре более 2755°С разлагается до углерода и первой фазы. Последняя отличается обширной областью гомогенности, сокращающейся при снижении температуры.
Монокарбид вольфрама менее тверд в сравнении с полукарбидом, но способен формировать кристаллы. Второй вариант значительно более температуро- и износоустойчив. К тому же он способен к внедрению в твердые растворы.
Карбид вольфрама отличается хрупкостью, но под влиянием нагрузки проявляет пластичность полосами скольжения.
Кристаллы рассматриваемого вещества характеризуются анизотропией твердости от 13 до 22 ГПа на разных кристаллографических плоскостях.
По сравнению со сталями карбид вольфрама прочнее, но более хрупок и менее подвержен обработке.
Несмотря на то, что температура плавления большая, термостойкость рассматриваемого материала низка. Это обусловлено отсутствием термического расширения ввиду жесткой структуры. При этом карбид вольфрама характеризуется высокой теплопроводностью. С повышением температуры данный параметр у монокарбида возрастает вдвое быстрее, чем у полукарбида.
Кольцо из карбида вольфрама
Рассматриваемые материалы имеют хорошую электропроводность, особенно полукарбид (в 4 раза выше, чем монокарбид). Удельное электросопротивление возрастает с повышением температуры, но при этом снижается упругость. Это обуславливает обрабатываемость электрофизическими методами. Так, при введении источника тепла в области обработки возрастает температура, способствуя размеренному разрушению структуры материала.
Твердость определяется температурой формирования карбидов в вольфрамовом порошке и (в меньшей степени) их пористостью. С ростом температуры увеличивается подвижность атомов составляющих соединения элементов, вследствие чего устраняются дефекты в зернах. Анизотропия параметров карбидов вольфрама меньше, чем для металлов. К тому же данные материалы отличаются наилучшей для тугоплавких металлов упругостью, которая увеличивается с ростом пористости. Однако пластичность низкая (до 0,015%).
Микроструктура карбида вольфрама
Карбид вольфрама характеризуется стойкостью к многим кислотам, а также их смесям при обычной температуре, но растворим в некоторых кислотах при кипении. Не подвержен растворению в 20% и 10% гидроксиде натрия. Ввиду высокой летучести оксида вольфрама начинает окисляться при 500 — 700°C и завершает окисление при более 800°C.
Наконец, ввиду химической инертности данное соединение нетоксично.
Получение
Существует несколько методов получения рассматриваемого соединения.
Первый — углеродное насыщение вольфрама. В результате на поверхности вольфрамовых частиц образуется монокарбид. Из него диффундирует углерод, формируя слой полукарбидного состава.
Для данных работ применяют вольфрамовый порошок и сажу. Данные материалы смешивают в определенном соотношении, наполняют ими, утрамбовывая, емкости и ставят в печь. Во избежание окисления операцию производят в водородной среде, так как в результате взаимодействия данного элемента с углеродом при 1300°С формируется ацетилен. Рассматриваемая технология предполагает формирование карбида вольфрама преимущественно за счет углерода. Температурный режим определяется гранулометрическим составом порошка. Так, для мелкозернистого используется температурный интервал 1300 — 1350°С, для крупнозернистого — 1600°С. Длительность выдержки равна 1 — 2 ч. В завершении получается карбид вольфрама, представленный немного спекшимися блоками.
Второй вариант — углеродное восстановление вольфрамового оксида с карбидизацией. Данный метод предполагает совмещение карбидизации и восстановления. Процесс идет в среде CO и водорода.
Кроме того, карбид вольфрама получают из газовой фазы путем осаждения. Такое производство предполагает разложение при 1000°С карбонила вольфрама.
Восстановление вольфрамовых соединений с карбидизацией. Данную операцию осуществляют путем нагрева в водородной среде смеси паравольфрамата аммония либо вольфрамового ангидрида и вольфрамовой кислоты при 850 — 1000°С.
Наконец, выращивают кристаллы данного соединения из расплава. При этом используют смесь из Co и 40% монокарбида. Ее расплавляют при 1600°С в тигле из оксида алюминия. После гомогенизации температуру постепенно (1 — 3°С/мин) снижают до 1500°С и выдерживают 12 ч. Далее материал охлаждают и в кипящей соляной кислоте растворяют матрицу.
Кроме того, большие монокристаллы (до 1 см) выращивают по методу Чохральского.
Применение
Благодаря приведенным выше свойствам, существует несколько сфер применения карбида вольфрама.
Применение карбида вольфрама
Оптимальным температурным режимом для предметов из него считают диапазон 200 — 300°С. Упругость данного материала обеспечивает его применение при знакопеременных нагрузках.
Сплавы
Ввиду плохой обрабатываемости карбид вольфрама применяют не в чистом виде, а создают сплавы с ним. Наиболее распространены твердые варианты с кобальтом. Также встречаются более сложные сплавы, включающие карбид тантала и титана. При этом вольфрам в любом случае преобладает, составляя 70 — 98%.
Ввиду высокой температуры плавления при создании сплавов рассматриваемого материала не используют такие технологии, как легирование, плавление и смешение, так как они нерентабельны. Вместо этого применяется порошковая металлургия. Принцип данного метода состоит в использовании порошков основного металла и примеси. При этом они значительно отличаются температурой плавления. Их смешивают барабанно-шаровой мельницей и прессуют в близкую к целевой форму. Ей придают монолитность путем спекания при температуре, меньшей точки плавления основного металла. Далее приведена последовательность выполнения.
Порошок карбида вольфрама измельчают до гранул целевого размера, предварительно увлажнив. Данный параметр определяется назначением материала, так как обуславливает конечные параметры изделий. Далее порошок смешивают со связующим веществом, представленным, например, кобальтом либо прочими металлами, и восковой мягкой смазкой, служащей для скрепления гранул после брикетирования.
После этого порошок сушат в распылительной или вакуумной сушилке, удаляя большую часть влаги. С целью улучшения текучести полученных гранул производят пеллетизацию, придавая им шарообразную форму.
Существует несколько технологий придания порошку формы. Наиболее распространены среди них литье под давлением и прессование. Новейшим методом является 3D-печать. В завершении формирования частицы скреплены связующим восковым веществом.
Далее форму подвергают нагреву. В результате удаляется восковый загуститель, а гранулы тугоплавкого металла скрепляются частицами расплавленного связующего металла после охлаждения. В рассматриваемом случае тугоплавким металлом является карбид вольфрама. Параметры конечного материала определяются долей связующего вещества: чем его больше, тем выше износостойкость и прочность, чем меньше — тем больше твердость и хрупкость.
По завершении спекания предмет подвергают конечной обработке в виде шлифовки и т. д. К тому же на изделия из карбида вольфрама нередко наносят дополнительное защитное покрытие.
Вольфрамокобальтовые сплавы характеризуются минимальным напряжением на срез, значительной зависимостью параметров от доли кобальта, плохой обрабатываемостью. Первая особенность обуславливает неуместность таких материалов для применения в условиях сдвиговых деформаций. Из-за плохой подверженности обработке перед использованием заготовки из них пластифицируют либо спекают. Наличие кобальта повышает эксплуатационные температуры карбидов вольфрама до 700 — 800°С. По данному параметру они превосходят все марки сталей, кроме жаропрочных. Следует отметить, что, в отличие от чистого карбида вольфрама, его соединения в некоторых соотношениях с кобальтом токсичны.
Украшения из вольфрама: преимущества и недостатки
Вольфрам начал применяться в ювелирном деле совсем недавно, однако успел завоевать публику необычайной прочностью и износостойкостью. Однако так ли «вечен» необычный металл и стоит ли отдавать ему предпочтение перед серебром и золотом? Давайте разбираться.
Свойства карбида вольфрама
Металл вольфрам был открыт в 1783 году и применяется в основном в промышленности. Вольфрам необычайно тверд, а плотность его вдвое больше, чем у свинца. В соединении с углеродом металл превращается в карбид вольфрама: материал по твердости сравнимый с алмазом, износостойкий и почти не реагирующий на окисление. По Моосу его твердость достигает 8,5−9 единиц.
Среди прочих металлов, используемых для производства украшений максимально близко к нему расположился тистен — сплав из смеси вольфрама и титана: он может похвастать 7 единицами по Моосу.
В результате именно карбид вольфрама, помимо изготовления режущих деталей и сердечников снарядов, стал использоваться в ювелирном деле.
Главные причины популярности вольфрама — его долговечность и устойчивость к деформации. Даже через много лет ношения на изделии не появляется царапин, трещин, украшение сохраняет свою первоначальную форму. К тому же нельзя забывать о еще одном важном и ценном качестве этого металла — вольфрам крайне редко вызывает аллергию, что позволяет носить его практически всем без исключения.
По биосовместимости его превосходит разве что титан, который многим знаком в первую очередь из медицины, т.к. очень популярен в протезировании. Однако, если обратить внимание, последние годы титан стал невероятен как металл для изготовления драгоценностей.
К слову еще одним крайне устойчивым к износу материалом для производства украшений является керамика. Довольно много мировых брендов включились в тренд и представили собственные керамические изделия: часы, кольца, подвески
Благородный блеск вольфрама
Украшения из вольфрама — чаще всего это кольца — пользуются особой популярностью у мужчин. Они прочны, их стальной блеск элегантен и ненавязчив. Кроме того, такие изделия считаются самополирующимися.
В украшениях из вольфрама может использоваться дополнительное покрытие. Так, например, покрытие цирконием придает готовому изделию золотой тон, метод осаждения ионов зачерняет украшение, а серебристый оттенок является естественным для вольфрама. Последний факт позволяет вольфраму составить достойную конкуренцию серебру, платине и белому золоту.
Кольцо из вольфрама. Фото: rnbjewellery.net
Женские украшения из вольфрама предпочитают уверенные в себе девушки. Сочетать такое украшение с другими непросто, для этого потребуется недюжинное чувство стиля. Однако кольцо или браслет из вольфрама и не требует соседства — такое украшение само по себе выглядит весомо и завершенно.
В вольфрамовые украшения также вставляют различные камни и покрывают гравировкой. Но все это проделывают в производственных условиях. В простой ювелирной мастерской нельзя уменьшить или увеличить кольцо из вольфрама, починить замок на браслете или нанести гравировку. Будучи очень твердым и плотным материалов, вольфрам требует особого оборудования и инструментов.
Применение в ювелирном деле
Впервые вольфрам был использован за пределами промышленной и военной деятельности менее десяти лет назад — в браслетах швейцарских часов. Чистый блеск, благородный серебристый оттенок и физические характеристики необычного материала покорили ценителей ювелирных изделий.
На сегодняшний день вольфрам является эффективной альтернативой золоту, серебру и платине, поскольку эти драгоценные металлы гораздо мягче и легко повреждаются в процессе носки украшений из них.
Брутальные сверхпрочные украшения из вольфрама сегодня выпускают многие ювелирные марки. Carraji радует своих поклонников массивными кольцами и браслетами с различными вставками и оригинальной гравировкой. Марка Spikes предлагает кольца с разноцветным покрытием, среди которых встречаются не только массивные и тяжелые изделия, но и довольно тонкие и изящные, которые легко подойдут и представительницам прекрасного пола.
Кольца Spikes из карбида вольфрама
Демократичная стоимость украшений из вольфрама (от 1500 рублей), их долговечность и стильный дизайн привлекают все больше покупателей. Производители выпускают как «чистые» вольфрамовые изделия, так и комбинированные с золотом и полудрагоценными камнями.
При всех своих бесспорных преимуществах у карбида вольфрама есть лишь один явный недостаток: не подверженный царапинам и потускнению металл может расколоться при сильном ударе о твердую или острую поверхность, поэтому хранить украшения из вольфрама все же следует бережно.
Также владельцу кольца из вольфрама стоит знать, что если вдруг украшение стало так мало, что снять обычными способами (с мылом или обернув палец плотными рядами нитки) его не выходит, помочь в этом случае способны специальные тиски. Кольцо медленно сжимают до тех пор, пока оно не лопнет от давления. Вероятность травмы, несмотря на несколько пугающий процесс, минимальна.
Подписывайтесь на Jewellery Mag в Google Новости и Telegram-каналe, чтобы первыми узнавать о новых публикациях. Самые интересные статьи за месяц ждут вас в нашей регулярной рассылке.