ВОЛЬФРАМА КАРБИДЫ

Карбид вольфрама

ВОЛЬФРАМА КАРБИДЫ

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%.

Карбид вольфрама

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.

Монокарбид имеет температуру плавления 2870°C, кипения — 6000°C. Его молярная теплоемкость равна 35,74 Дж/(моль-*К), теплопроводность — 29,33 кДж/моль. Плотность карбида вольфрама данного типа составляет 15,77 г/см3.

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.

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.

Вольфрам

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.

  1. Его применяют для выпуска деталей большой коррозионной и износоустойчивости и твердости: фрез, абразивных материалов, резцов, сверл, долот и т. д.
  2. Рассматриваемое соединение применяют для наплавки и газотермического напыления с целью повышения износостойкости путем создания твердой поверхности.
  3. Карбид вольфрама служит материалом для часовых браслетов, пулевых и снарядных сердечников, ювелирных изделий и т. д.

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.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Состав карбидов вольфрама

Карбиды металлов считаются одними из наиболее тугоплавких веществ, причём с увеличением порядкового веса этот показатель возрастает. В частности, именно сочетание карбида вольфрама с кобальтом в различных процентных соотношениях образует целый класс инструментальных материалов особо высокой прочности и износостойкости – твёрдых сплавов.

Дело в том, что углерод образует с вольфрамом два разных химических соединения – монокарбид вольфрама WC и полукарбид вольфрама W2C.

Первый из них менее устойчив и твёрд, однако, обладая способностью образовывать кристаллы в расплаве вольфрама, уже с 1923 г. применяется как составляющая часть разнообразных минералокерамических композиций.

В противоположность монокарбиду вольфрама его двоюродный «брат» полукарбид вольфрама имеет значительно большую температурную стойкость, а также может легко внедряться в твёрдые растворы  WC с другими металлами – железом, кобальтом и др.

Кроме того, полукарбид вольфрама имеет чрезвычайно высокую износостойкость. Таким образом, в технике находят применение оба вида карбидов.

Физико-механические характеристики карбидов вольфрама определяются степенью их дисперсности, химической чистотой, а также способом получения, который, в свою очередь, зависит от области будущего применения.

В частности, основные свойства 98% -ного карбида вольфрама  следующие:

  1. Предел прочности на изгиб, МПа, не ниже – 1000.
  2. Предел прочности на сжатие, МПа, не ниже – 9500.
  3. Модуль упругости, ГПа – 69.
  4. Ударная вязкость, кГмсм2 – 1,2…1.3.
  5. Твёрдость по Роквеллу, HRA, не ниже — 90.
  6. Плотность, г/см2 – 15,0…15,5.
  7. Эрозионная стойкость, 10-6 моль – 0,3…0,8.

Таким образом, в сравнении с наиболее прочными сталями карбид вольфрама обладает значительно более высокими прочностными показателями, но, с другой стороны, он и более хрупок, а также отличается пониженной обрабатываемостью.

Поэтому в чистом виде рассматриваемые соединения не используются, а являются основной составляющей частью твёрдых сплавов.

Наиболее часто используются твёрдые сплавы, в состав которых, кроме карбида вольфрама, входит кобальт. Получили применение и более сложные сочетания, с карбидами титана и тантала.

  Тем не менее, составляющая карбида вольфрама во всех этих случаях остаётся преобладающей: от 98 до 70%.

Область применения

Твёрдые сплавы как основной вид использования карбидов вольфрама.

Специфическая область применения карбида вольфрама в составе твёрдых сплавов – наплавка слоя повышенной износостойкости на детали, испытывающие при своей эксплуатации повышенные нагрузки от сил трения.

Это имеет особое значение для  бурового, режущего и штампового инструмента.

Стойкость такого инструмента заметно увеличивается вследствие того, что карбид вольфрама, как твёрдая составляющая в менее прочной металлической матрице, способствует формированию микроструктуры с благоприятным сочетанием прочности и пластичности.

Объясняется это следующим. Карбидная фаза сглаживает перепады в механических характеристиках изготовленной детали.

Применительно к инструментальным материалам это означает, что при обработке сравнительно мягких материалов снижается уровень возникающих в инструменте напряжений, в то время как при обработке более хрупких изделий обеспечивается надёжное предохранение поверхностной кромки инструмента от абразивного воздействия откалывающихся микрочастиц.

Данная особенность сохраняется, независимо от температуры на контакте, поскольку карбид вольфрама образован двумя высокотемпературными составляющими – тугоплавким вольфрамом и самым тугоплавким из неметаллов – углеродом.

Твердые сплавы вольфрамокобальтовой группы характеризуются следующими особенностями:

  • Практически нулевыми значениями допустимого напряжения на срез, поэтому их нельзя применять в условиях значительных сдвиговых деформаций;
  • Резкой зависимостью исходных показателей от процентного содержания кобальта;
  • Низкой обрабатываемостью, в связи с чем на практике используются предварительно спечённые или пластифицированные исходные заготовки. Окончательная размерная доводка таких изделий проводится при помощи высокоэнергетических технологий: электродуговой, электроискровой, ультразвуковой  или анодно-механической обработкой.

Свойства карбидов вольфрама

При высоких значениях температуры плавления, термостойкость карбидов вольфрама – достаточно низкая.

Объясняется такое противоречие просто:  кристаллическая структура и WC, и  W2С – весьма жёсткая, поэтому термическое расширение практически отсутствует.

С другой стороны карбид вольфрама обладает значительной теплопроводностью, причём для WC этот параметр с повышением температуры возрастает вдвое интенсивнее, чем у W2С.

Оптимальным диапазоном температур эксплуатации деталей, изготовленных из карбидов вольфрама, считается 200…3000С. С увеличением процентного содержания кобальта в твёрдых сплавах (до 20…25%) допустимые температуры эксплуатации возрастают до 700…8000С, превышая температуростойкость всех известных марок сталей (за исключением жаропрочных).

Карбиды вольфрама – соединения с хорошей электропроводностью, причём для WC этот показатель выше, чем у W2C, практически в 4 раза. Удельное электросопротивление карбидов вольфрама растёт при повышении температуры. Пропорционально этому, кстати, падают показатели упругости.

Именно поэтому карбиды вольфрама хорошо обрабатываются электрофизическими методами: локальное введение  высококонцентрированного источника тепла (дуга, искра, электрический импульс)  повышает температуру в зоне обработки и способствует размерному разрушению структуры рассматриваемых соединений.

С точки зрения практического применения для карбидов вольфрама большее значение имеют их механические показатели – твёрдость и хрупкость. Получаемая в итоге микротвёрдость зависит в основном от температуры, при которой в вольфрамовом порошке формируются карбиды  (менее — от степени их пористости).

При повышении температуры дефекты в зёрнах залечиваются, поскольку возрастает подвижность атомов вольфрама и углерода. Поэтому конечная микротвёрдость соединений возрастает.  При этом анизотропия свойств выражается значительно меньше, чем аналогичный показатель для металлов.

Это упрощает предварительное ориентирование заготовки перед её обработкой.

Упругость карбидов вольфрама – максимальная для своего класса соединений тугоплавких металлов с углеродом, причём она возрастает с увеличением пористости. Это обстоятельство важно для изделий  (в химсоставе которых присутствуют карбиды вольфрама), работающих в условиях знакопеременных нагрузок.

Пластичность карбидов вольфрама крайне низка, и не превышает 0,015%.

Нанесение защитного слоя на деталь

Вследствие описанных выше факторов,  при покрытии карбидами вольфрама поверхности деталей возрастают не только их износостойкость, но также стойкость против эрозии и окалины.

Фактор хрупкости снимается за счёт чрезвычайно малой толщины наносимого карбидсодержащего слоя, который в большинстве случаев не превышает десятков микрон.

Такой способ применения карбидов вольфрама более целесообразен: наличие пластичной подложки основного металла снижает чувствительность поверхности от вредного воздействия циклически возникающих рабочих нагрузок, в то время, как высокая поверхностная твёрдость способствует стойкости против износа. Сокращается и расход металлов/сплавов.

Практический диапазон толщины покрытий, содержащих карбиды вольфрама – 100…250 мкм.

Применяются следующие методы нанесения поверхностных покрытий из карбида вольфрама:
  1. Газопламенное напыление.
  2. Плазменное напыление.
  3. Детонационное нанесение.

При газопламенном напылении мелкодисперсный порошок карбида расплавляется теплом кислородно-ацетиленового пламени, температура в факеле которого достигает 20000С.

Скорость движения частиц в газовом потоке достигает 150…200 м/с, вследствие чего они приобретают большую кинетическую энергию.

Она позволяет частицам легко внедряться в микропустоты на поверхности основного металла, а застывая там, образовывать прочное покрытие.

Технология  газопламенного напыления обладает существенным недостатком. Наличие кислорода в пламени способствует частичному выгоранию углерода. Поэтому более качественными процессами напыления, являются технологии с применением плазмы.

Высокотемпературная (более 50000С) плазма исключает попадания в зону обработки даже атомарного кислорода, поэтому химсостав конечного карбидсодержащего слоя полностью соответствует исходному. Кроме того, производительность плазменного напыления выше, чем газопламенного, т.к.

в последнем случае рабочую камеру периодически приходится очищать от остатков выделившегося углерода методом аргонной откачки.

При детонационном напылении деталь помещают в подвижную среду, где находятся взвешенные частицы карбидов вольфрама. Объём герметизируется, после чего среда поджигается. Возникающие в результате высокие температуры резко увеличивают скорость перемещения взвешенных частиц, которые равномерным слоем откладываются на поверхности детали.

Применение высокой температуры плавления вольфрама

ВОЛЬФРАМА КАРБИДЫ

Вольфрам — самый тугоплавкий металл

Вольфрам занимает первое место среди тугоплавких металлов. Температура плавления вольфрама достигает 3387ºС. Это дает возможность применять материал в тех случаях, когда условия работы включают повышенную температуру. Благодаря этому свойству вольфрам не начнет переходить в жидкое состояние тогда, когда другие металлы уже расплавятся.

Применение тугоплавкости вольфрама

Это качество металла широко используется для производства:

  • нитей накаливания в приборах освещения;
  • электродов в аргонно-дуговых сварках;
  • элементов нагрева для высокотемпературных вакуумных печей сопротивления;
  • электронно-лучевых трубок в мониторах, осциллографах, на радиолокационных станциях;
  • электронных ламп.

Вакуумные лампы в большинстве отраслей заменены на полупроводники, кроме производства высоковольтного, мощного, высокочастотного оборудования, а также космической техники. Наряду с преимуществами, тугоплавкий металл имеет и недостатки:

  • сложность механической обработки;
  • при температуре воздуха, превышающей 400°С, образуются оксидные пленки, а при наличии в среде серосодержащих веществ — сульфидные пленки;
  • требуются большие контактные давления для создания даже низкого сопротивления на участке электрического контакта.

Для нейтрализации описанных недостатков материал сплавляют с другими металлами, которые улучшают его свойство. Существует несколько таких соединений:

  1. Стеллит. В его состав, кроме вольфрама, входят кобальт и хром. Напылением или наплавлением он наносится на запчасти машин, инструментов, станков для увеличения износостойкости. Стеллит применяют для производства режущих инструментов.
  2. Быстрорежущие и инструментальные стали, из которых изготавливают сверла, фрезы, штампы. Кроме основных составляющих, указанные соединения могут содержать хром, марганец и кремний.
  3. Контактные сплавы. Легирующими металлами в них служат медь и серебро. Высокая электропроводимость этих материалов увеличивает данный показатель соединений, в которые они входят. Контактные сплавы вольфрама — материал, из которого производят выключатели, рубильники, электроды.
  4. Твердые сплавы. Их основой служит карбид вольфрама — соединение тугоплавкого металла с углеродом. Благодаря этим двум компонентам сплав отличается высокими твердостью и температурой плавления, износостойкостью. Перечисленные характеристики имеют значение для рабочих частей инструментов, используемых в бурении и резке. Массовая доля карбида вольфрама в твердом сплаве составляет 85–95%, оставшиеся проценты показывают содержание кобальта.

Карбиды вольфрама

Твердые сплавы рассмотрим более подробно. Тугоплавкий металл может образовывать разные карбиды: полукарбид и монокарбид. Они отличаются способностью растворять в себе тугоплавкие металлы и взаимодействием с разными кислотами.Вольфрам — металл имеющий разные карбиды

Также монокарбид уступает поликарбиду в устойчивости и твердости.

А к преимуществам монокарбида можно отнести способность к образованию кристаллов в расплавленном вольфраме, что дает возможность использовать его в минералокерамических изделиях.

 Полукарбид обладает большей устойчивостью к температурам, легкостью внедрения в твердые растворы монокарбида с другими металлами (феррумом, кобальтом), повышенной износоустойчивостью.

Свойства соединений

Сплавы на основе карбида вольфрама обладают следующими преимуществами:

  • устойчивость к окислению;
  • пластичность, проявляемая под нагрузкой;
  • не вступает в реакцию со многими кислотами;
  • химически малоактивный, поэтому относится к низкотоксичным веществам;
  • отполированный сплав невозможно поцарапать;
  • не бледнеет со временем;
  • тугоплавкость;
  • повышенная твердость, которая не снижается при высоких температурах.

Сплавы соединения металла вольфрама имеют множество преимуществ

Последние два свойства обусловлены сильными связями между атомами в кристаллах, из которых состоит соединение.

Технологии изготовления

Есть несколько способов получения твердых сплавов: восстановление оксида вольфрама углеродом с дальнейшей карбидизацией; электролиз расплавленных солей; осаждение из газовой фазы; восстановление соединений тугоплавкого металла с дальнейшей карбидизацией; выращивание из расплава монокристаллов карбида вольфрама; насыщение тугоплавкого металла углеродом. Наибольшее распространение получила последняя технология. Твердые сплавы бывают двух видов:

  1. Литые. Их получают с помощью отливки. Для этого применяют вольфрам (в виде порошка); соединения карбида или его смеси с тугоплавким металлом, содержащие низкий процент углерода. Образованный сплав отличается высокой твердостью и износостойкостью. Но для литых соединений характерна хрупкость, поэтому их не везде можно использовать. Основные сферы применения — производство инструментов для бурения и для волочильных станков, на которых производят проволоку.
  2. Спеченные. Они состоят из карбида вольфрама и соединяющего металла, который выполняет связывающую функцию. В роли последнего часто используют кобальтовый, никелевый, молибденовый материалы.

Сплавы на основе карбида вольфрама

Помимо значительной твердости, для указанных соединений характерна хрупкость и плохая обрабатываемость.

В связи с этим чистый карбид вольфрама применяется редко в основном он входит в состав твердых сплавов, в которых еще содержатся кобальт, титан, тантал, но массовая доля карбида при этом остается наибольшей — 70–98%. Технические характеристики твердого сплава, содержащего 98% карбида вольфрама:

  • предел прочности на изгиб — минимум 1 ГПа;
  • модуль Юнга составляет 969 ГПа;
  • предел прочности на сжатие — минимум 9,5 ГПа;
  • плотность достигает 15000–15500 кг/м³;
  • твердость по шкале Роквелла — минимум 90;
  • стойкость к эрозии составляет 0,3–0,8 мкмоль.

Изделия из сплавов карбида вольфрама обладают особой прочностью

Применение сплавов

Использование описанных соединений дает возможность изготовить детали, запчасти, инструменты с нужными техническими характеристиками. В зависимости от последних разнятся и сферы применения.

  1. Для деталей, подвергающихся во время работы большим нагрузкам со стороны сил трения. К ним относятся режущий, буровой и штамповый инструменты. Сплав наносится на поверхность детали. Таким образом, достигаются необходимые уровни прочности и пластичности за счет сглаживания перепадов механических параметров. Например, если материал инструмента мягкий, то уменьшаются механические напряжения в инструменте, а если хрупкий, то появляется защита от поверхностной кромки. Причиной последней служит истирающее воздействие откалывающихся частиц. Полученные с помощью сплава характеристики сохраняются и при высокой температуре. Это объясняется тугоплавкостью вольфрама и углерода.
  2. В качестве антикоррозийного покрытия. В этой технологии твердые сплавы вытесняют хром. Данное обстоятельство обусловлено легкостью нанесения твердых сплавов, возможностью применять их в тяжелых условиях, лучшей защитой от ударной нагрузки и износа по сравнению с хромированием.
  3. В ювелирных изделиях. Применению в этой отрасли сплав на основе карбида вольфрама обязан следующими своими свойствами: не тускнеет с течением времени; не ржавеет; после полировки на поверхности материала не появятся царапины, вмятины.

Вольфрам — металл сплав которого применяется в разных сферах жизни человека

Именно благодаря синтезу свойств тугоплавкого вольфрама и твердого углерода появилась возможность создать широко востребованный сплав с новыми техническими характеристиками.

Свойства карбидов металлов (гафния, хрома, титана, вольфрама и др.)

ВОЛЬФРАМА КАРБИДЫ

Представлены сведения о химических и физических свойствах карбидов металлов: таких, как гафний, хром, титан, вольфрам и других. Физические свойства карбидов сведены в отдельные таблицы, в которых указана их плотность, твердость, температура плавления и кипения, а также электрические и тепловые свойства.

Карбид гафния GfC

В таблице приведены свойства карбида металла гафния. Карбид гафния представляет собой соединение серого цвета с температурой плавления 3890°С и высокой плотностью, которая при комнатной температуре составляет 12600 кг/м3. Энергия кристаллической решетки GfC равна 117,2·105 кДж/кмоль.

Карбид гафния полностью растворяется в ортофосфорной, азотной и серной кислотах.  При температуре около 2000°С он начинает взаимодействовать с тугоплавкими металлами — такими, как молибден, вольфрам, тантал и ниобий.

Физические свойства карбида гафния GfC

Молекулярная масса190,5
Тип решеткиКубическая
Плотность, кг/м312600
Температура плавления, °С3890±150
Температура кипения, °С4160
Средний ТКЛР в интервале 20-1200°С, α·106, град-16,1
Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град)35,3

Теплопроводность карбида гафния с нулевой пористостью при температуре 300°С равна 9,2 Вт/(м·град). При нагревании коэффициент теплопроводности GfC увеличивается. Удельная теплоемкость карбида гафния относительно невысока и при росте температуры слабо увеличивается.

Удельная теплоемкость и теплопроводность карбида гафния при температуре от 300 до 1200°С

 30040060080010001200
Удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг·град)251251255268281297
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град)9,21011,713,815,917,2

Карбиды хрома

Таблица содержит физические свойства карбидов хрома различного состава. Соединения с формулой Cr23C6 и Cr3C2 имеют серый цвет; Cr7C3 — серебристый.

Карбиды хрома Cr23C6 и Cr7C3 нерастворимы в царской водке. После длительного нагрева при 730…870°С карбид Cr7C3 превращается в Cr23C6. Карбид Cr3C2 нерастворим в воде. Изделия из него также практически нерастворимы в кислотах, их смесях и растворах щелочей. Однако, он может взаимодействовать с цинком при температуре 940°С. Температура начала окисления Cr3C2 составляет 900…1000°С.

Физические свойства карбидов хрома Cr4C, Cr23C6, Cr7C3, Cr3C2

Свойства/карбидCr4CCr23C6Cr7C3Cr3C2
Молекулярная масса2201265400180
Тип решеткиКубическаяКубическаяГексагональнаяРомбическая
Плотность, кг/м3697069206680
Температура плавления, °С152015501700±501890 (разлаг.)
Средний ТКЛР в интервале 20-800°С, α·106, град-110,11010,3
Удельная массовая теплоемкость при 20°С, Дж/(кг·град)493523546
Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град)8420998
Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град)18,716,616,2

Карбид титана TiC

Карбид титана TiC представляет собой соединение светло-серого цвета с металлическим блеском. Он химически инертен при комнатной температуре: плохо растворяется в кислотах, их смесях и некоторых щелочах в холодном и нагретом состояниях.

При высоких температурах (выше 2500°С) начинает реагировать с азотом. При взаимодействии с водородом обезуглероживается. Кроме того, окисляется углекислым газом при температурах выше 1200°С. Температура активного окисления карбида титана составляет 1100…1200°С.

Область температурной устойчивости TiC достигает 3140°С, он высокостоек в расплавленных легкоплавких металлах и металлах типа меди, алюминия, латунях, чугунах и сталях. Степень черноты карбида титана равна 0,9 (при длине волны 0,655 мкм).

Физические свойства карбида титана TiC

Молекулярная масса59,9
Тип решеткиКубическая
Плотность, кг/м34930
Температура плавления, °С3147±50
Температура кипения, °С4305
Твердость по шкале Мооса8-9
Средний ТКЛР в интервале 20-2700°С, α·106, град-19,6
Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град)33,7
Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град)842
Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град)34…39
Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м60

Карбиды вольфрама W2C и WC

Карбиды вольфрама W2C и WC представляют собой соединения серого цвета. Область температурной устойчивости для W2C составляет до 2750°С; для WC — до 2600°С.

Тонкий порошок WC быстро окисляется на воздухе при 500…520°С. Температура начала окисления грубого порошка WC составляет 595°С.

При 700°С изменение массы карбида вольфрама WC в результате часового окисления составляет 8,3 мг/(см2·ч).

При комнатной температуре порошок карбида вольфрама практически не растворяется в сильных концентрированных кислотах. Однако он почти полностью растворим в кипящих H2SO4 и HNO3. При температуре 940°С WC слабо взаимодействует с расплавом цинка.
Физические свойства карбидов вольфрама W2C, WC

Свойства/карбидW2CWC
Молекулярная масса379,7195,9
Тип решеткиГексагональная
Плотность, кг/м317201560
Температура плавления, °С2730±152720
Температура кипения, °С6000
Твердость по шкале Мооса9-109
Средний ТКЛР в интервале 20-2000°С, α·106, град-15,8
Удельная массовая теплоемкость в интервале 0-100°С, Дж/(кг·град)184
Молярная теплоемкость при 25°С, кДж/(кмоль·град)36
Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град)29,3197

Карбид кальция CaC2

В таблице приведены физические свойства карбида кальция CaC2. По своим оптическим свойствам химически чистый карбид кальция — большие, почти бесцветные кристаллы с голубоватым оттенком. Технический CaC2 в зависимости от степени чистоты имеет серый, коричнево-желтый или черный цвет.

Предел температурной устойчивости для карбида кальция равен 2300°С. При температуре 20°С он полностью растворяется в воде (с выделением ацетилена) и концентрированной соляной кислоте.

Физические свойства карбида кальция CaC2

Молекулярная масса64,1
Тип решеткиТетрагональная, кубическая
Плотность, кг/м32100
Температура плавления, °С2300 (разлаг.)
Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град)960
Молярная теплоемкость при 25°С, кДж/(кмоль·град)61,3

Карбид циркония ZrC

Карбид циркония представляет собой соединение серого цвета с металлическим блеском. Он химически инертен при комнатной температуре: плохо растворяется в концентрированных кислотах, их смесях и некоторых щелочах, как в холодном, так и нагретом состоянии. Карбид циркония нерастворим в воде, однако взаимодействует с азотом с образованием нитридов.

Температура активного окисления ZrC составляет 1100…1200°С, область температурной устойчивости — до 3530°С. Карбид циркония стоек в расплавах меди и медных сплавов, стали, чугуна и легкоплавких металлов.

Физические свойства карбида циркония ZrC

Молекулярная масса103,2
Тип решеткиКубическая
Плотность, кг/м36730
Температура плавления, °С3530
Температура кипения, °С5100
Твердость по шкале Мооса8-9
Средний ТКЛР в интервале 20-1100°С, α·106, град-16,74
Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град)61,1
Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град)456
Коэффициент теплопроводности при 0°С, Вт/(м·град)42
Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м50

Карбиды ниобия Nb2C и NbC

В таблице даны физические свойства карбидов ниобия Nb2C и NbC. Плотный карбид ниобия NbC имеет серовато-коричневый или бледно-лиловый металлический цвет. Порошок NbC имеет фиолетовый оттенок.

Карбиды ниобия при комнатной температуре химически инертны, обладают высокой химической стойкостью к действию кислот и их смесей даже в нагретом состоянии. Однако, они растворимы в смеси плавиковой и азотной кислоты.

При нагревании на воздухе NbC слегка обезуглероживается. До температуры 2500°С он устойчив в атмосфере азота. Температура активного окисления карбида ниобия составляет 900…1000°С. Область температурной устойчивости — до 3890°С. Он стоек в расплавах металлов (Cu, Al), имеет высокую твердость по шкале Мооса.

Физические свойства карбидов ниобия Nb2C и NbC

Свойства/карбидNb2CNbC
Молекулярная масса197,8105
Тип решеткиГексагональнаяКубическая
Плотность, кг/м378607560
Температура плавления, °С29273480
Температура кипения, °С4500
Твердость по шкале Мооса9-10
Средний ТКЛР в интервале 20-1100°С, α·106, град-16,5
Удельная массовая теплоемкость при 20°С, Дж/(кг·град)315355
Молярная теплоемкость при 25°С, кДж/(кмоль·град)30,3637,35
Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град)19
Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м5546

Источники:

Покрытие карбида вольфрама, как альтернатива гальваническому хромированию

ВОЛЬФРАМА КАРБИДЫ

В течение более чем 70 лет хромированные покрытия оставались незаменимыми для защиты компонентов авиации, промышленных и потребительских изделий от износа, ударной нагрузки и коррозии.

Однако в последние годы недостатки хромированных поверхностей заставили инженерное сообщество искать более дешевые и эффективные способы защиты поверхностей как в военном и гражданском авиационном секторе, так и в промышленности. Наилучшей альтернативой хромированию сегодня считается высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF) карбида вольфрама.

Оценочные испытания и увеличение количества успешных промышленных применений HVOF покрытий карбида вольфрама для различных компонентов авиационных двигателей и планера доказывают их преимущество.

Эти покрытия применяются на шасси самолетов, гидравлических цилиндрах, подшипниках реактивных двигателей и корпусах подшипников, валах турбин и даже на таких элементах, как цепь привода вертолета и узлах пропеллера. Обеспечивающие лучшую защиту от износа, ударной нагрузки и усталости, лучшую или аналогичную защиту от коррозии, эти покрытия постепенно заменяют хромирование.

Помимо того, что HVOF покрытия карбида вольфрама имеют преимущество при работе в тяжелых условиях, эти покрытия гораздо легче наносятся по сравнению с традиционными электролитическими ваннами с хромом.

Действительно, большое количество опубликованных технологических оценок (как военной так и гражданской направленности) доказывают состоятельность HVOF покрытий для замены хромирования.

На сегодняшний день большое количество лабораторных и опытных испытаний, коммерческой эксплуатации продемонстрировали преимущества HVOF покрытий в защите от износа, коррозии и перегрева; трудоемкости нанесения; родолжительности жизненного цикла; экономической эффективности.

Лучший метод нанесения

HVOF покрытия наносятся с помощью газотермического напыления. В ходе этого процесса горючий газ и кислород перемешиваются и под высоким давлением подаются в камеру сгорания, где происходит горение и образуется газовый поток высокого давления. Частицы порошка карбида вольфрама автоматически подаются непосредственно в область горения.

Высокоскоростной газовый поток, содержащий расплавленные частицы порошка, направляется в сторону подложки, удар и осаждение частиц на поверхности образуют плотное покрытие с пористостью меньше чем 1% , содержанием оксидов меньше чем 1% и прочностью сцепления больше чем 80 МПа.

 HVOF покрытия наносятся в специальных роботизированных шумозащитных камерах.

Нанесение HVOF покрытия происходит быстрее по сравнению со стандартным хромированием. Обычно процесс напыления карбида вольфрама на шток занимает 1-2 часа, в то время как хромирование — более суток.

К тому же, в отличие от хромирования, HVOFпокрытия карбида вольфрама не подвержены водородному охрупчиванию.

Все эти рабочие факторы в тандеме с уменьшением частоты ремонта и сокращением времени на восстановление позволяют сократить время простоя деталей в эксплуатации и увеличить жизненный цикл важных компонентов промышленных двигателей и элементов авиации.

Как видно из таблицы 1, значение микротвердости покрытий карбида вольфрама превышает 70 Rc, в то время как хромированные покрытия дают твердость 60-70 Rc. Значения микротвердости HVOF покрытия карбида вольфрама и хромированного покрытия по Виккерсу составляют соответственно 1050 для HVOF и 750-850 для хромирования.

Как замечено выше, высокие показатели прочности сцепления и низкая пористость так же доказывают преимущество HVOF покрытий. Из таблицы 1 можно заметить превосходство HVOF покрытия по сравнению с хромированием по антикоррозионным свойствам температурной выносливости.

Коммерческая эксплуатация

HVOF покрытия карбида вольфрама уже наносятся на различный элементы самолетов и шасси. К примеру, компания Engelhard применяет HVOF покрытия на самолетах как гражданской так и военной авиации, включая шасси и силовые приводы.

Министерство обороны, военно-воздушные силы и флот Сооединенных Штатов, а так же растущий частный сектор авиастоения и производства реактивных двигателей признают превосходство HVOF покрытий карбида вольфрама над гальваническим хромированием по параметрам защиты от износа, усталости и коррозии.

Таблица 1. Характеристики покрытий.

СвойствоHVOF покрытие из карбида вольфрамаГальванический хром
Микротвердость, HRC>7060-70
Микротвердость, DPH 300>1050750-850
Прочность сцепления, МПа>8041
Пористость0,08
Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть