Карбид вольфрама способ получения

Как производится карбид вольфрама?

В предыдущей статье («Что такое карбид вольфрама?» Спрашивали? Отвечаем!) мы рассказали о таком материале, как карбид вольфрама. Сегодня вас ожидает рассказ о том, как создается этот важнейший материал.

Из всех металлов вольфрам отличается самой высокой температурой плавления – 3410 o C (6170 o F). Неудивительно, что обычные процессы, такие как плавление, смешение и легирование металлов, делают стоимость изготовления деталей из вольфрама или его сплавов запредельной.

Однако существует один метод, при котором расплавление основного металла не требуется. Он называется порошковая металлургия.

В основе порошковой металлургии лежит использование порошка основного металла и примеси другого металла, по меньшей мере одного, с гораздо более низкой температурой плавления. Эти порошки интенсивно смешиваются с использованием барабанно-шаровой мельницы и прессуются в форму, близкую к конечной. Затем для превращения спрессованных частиц в монолитное изделие или композитный материал производится спекание, причем при температуре гораздо ниже температуры плавления основного металла.

Пошаговое описание процесса представлено ниже:

Примерно 85% производимого в мире вольфрама поступает из Китая и получается из различных руд. Вольфрамовая руда очищается для получения оксида вольфрама или чистого вольфрамового порошка.

Для получения карбида вольфрама (аббревиатура WC) можно использовать несколько разных способов. Kennametal применяет для создания порошка уникальный метод, который представляет собой химическую реакцию с использованием получаемой при сгорании алюминия очень высокой температуры (более 2200 °C), при которой происходит соединение вольфрама с углеродом. По мере остывания порошок карбида вольфрама образует кристаллическую массу, которая подвергается дальнейшей очистке и переработке с целью извлечения порошка WC. Уникальный процесс высокотемпературной карбидизации обеспечивает оптимальное стехиометрическое соединение каждого атома вольфрама с атомом углерода в относительно большой по размерам кристалл (до 100 мкм и более).

Увлажненный порошок карбида вольфрама измельчается для получения гранул необходимого размера. Размер гранул зависит от назначения материала, поскольку он существенно влияет на физические свойства конечного продукта. Порошок карбида вольфрама также смешивается со связующим веществом, например, с кобальтом или другими материалами, а также с мягкой восковой смазкой, необходимой для временного скрепления гранул после брикетирования.

Влажный раствор порошка высушивается при помощи вакуумной или распылительной сушилки, большая часть влаги удаляется. Для придания полученным гранулам большей текучести может потребоваться операция пеллетизации (придания гранулам более обтекаемой шарообразной формы).

Для придания порошку различных форм может применяться несколько разных технологий. Среди наиболее распространенных – прессование и литье под давлением. Еще одной развивающейся технологией формования порошка карбида вольфрама является 3D-печать. По окончании стадии формования частицы еще не полностью уплотнены и находятся, как считается, в «зеленом» состоянии, скрепленные восковым связующим веществом.

«Зеленые» частицы порошка подвергаются воздействию высокой температуры, при этом временный восковый загуститель удаляется, а частицы связующего металла расплавляются и обволакивают твердые гранулы тугоплавкого металла. Затем смесь охлаждается, и частицы связующего металла, остывая, сжимают твердые частицы основного компонента.

Этот процесс чем-то напоминает приготовление козинаков. Твердые частицы карбида вольфрама похожи на кусочки орехов, а связующий элемент действует как растопленный мед или сахар. При увеличении количества связующего вещества – расплавленного меда или сахара в нашем примере – конечный продукт приобретает большую “износостойкость” или прочность, тогда как при меньшем его количестве получается более твердый, но вместе с тем более хрупкий продукт. Регулируя количество связующего металла, мы регулируем качество конечного продукта в соответствии с его назначением.

После спекания очень твердые, полностью уплотненные изделия проходят конечную обработку, которая может включать финальную стадию шлифовки, позволяющую достичь необходимых размеров изделия. Кроме того, компоненты, изготовленные из карбида вольфрама, часто защищаются дополнительным покрытием, которое увеличивает срок использования изделия потребителем.

Эта технология позволяет получить один из самых полезных материалов, которые когда-либо были открыты. Без него невозможно представить существование многих других вещей, которыми мы пользуемся ежедневно. На протяжении 100 лет, прошедших с того момента, когда впервые был получен карбид вольфрама, его использование, ставшее возможным благодаря порошковой металлургии, обеспечивало и продолжает обеспечивать успешное развитие экономики.

Источник материала: перевод статьи
How is Tungsten Carbide Formed?
Kennametal

Источник

Карбид вольфрама

Карбид вольфрама
Систематическое наименование	монокарбид вольфрама
Традиционные названия	карбид вольфрама
Хим. формула	WC
Состояние	твёрдое
Молярная масса	195,86 г/моль
Плотность	15,77 г/см³
Температура
• плавления	2780 °C
• кипения	6000 °C
Мол. теплоёмк.	35,74 Дж/(моль·К)
Теплопроводность	29,33 Вт/(м·K)
Энтальпия
• образования	-35,17 кДж/моль
Рег. номер CAS	12070-12-1
PubChem	2724274
Рег. номер EINECS	235-123-0
SMILES
RTECS	YO7350000 , YO7525000 и YO7700000
ChEBI	82283
ChemSpider	2006424
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Карбид вольфрама (монокарбид вольфрама) — химическое соединение углерода и вольфрама с формулой WC. Представляет собой фазу внедрения, которая содержит 6,1 % С (по массе) и не имеет области гомогенности. Имеет высокую твёрдость (9 по шкале Мооса) и износостойкость.

Содержание

Получение

Карбид вольфрама можно получить одним из следующих способов.

Непосредственным насыщением вольфрама углеродом

В основе процесса получения карбида вольфрама лежит прямая реакция:

Образование WC происходит с образованием на поверхности частиц вольфрама монокарбида вольфрама, из которого внутрь частицы диффундирует углерод и образует ниже лежащий слой состава W₂C.

При получении WC используют порошок вольфрама, восстановленный из его оксида, и сажу. Взятые в необходимом соотношении порошкообразные вещества смешивают, брикетируют или насыпают с утрамбовкой в графитовые контейнеры и помещают в печь. Для защиты порошка от окисления процесс синтеза ведут в среде водорода, который взаимодействуя с углеродом при температуре от 1300 °C образует ацетилен. Образование карбида вольфрама идёт в основном через газовую фазу за счёт углерода, содержащегося в газах. Протекают следующие реакции карбидизации:

При наличии в среде оксида углерода процесс идёт по реакции

C + CO₂ → 2 CO 2 CO + W → WC + CO₂

Обычно процесс получения карбида вольфрама ведут при температуре 1300−1350 °C для мелкозернистых порошков вольфрама и 1600 °C для крупнозернистых, а время выдержки составляет от 1 до 2 часов. Полученные слегка спёкшиеся блоки карбида вольфрама измельчают и просеивают через сита.

Восстановлением оксида вольфрама углеродом с последующей карбидизацией Этот метод в отличие от вышеописанного совмещает процесс восстановления и карбидизации вольфрама, при этом в шихту добавляют недостающее количество сажи для образования карбида. Восстановление оксида вольфрама WO₃ происходит через газовую фазу в среде CO и водорода. Восстановлением соединений вольфрама с последующей карбидизацией Ещё одним способом получения карбида вольфрама является нагрев смеси вольфрамовой кислоты, вольфрамового ангидрида (WO₃) или паравольфрамата аммония ((NH₄)₁₀·[H₂W₁₂O₄₂]·xH₂O) в среде водорода и метана при температуре 850−1000 °C. Осаждением из газовой фазы Получение карбида вольфрама из газовой фазы основано на разложении карбонила вольфрама при температуре 1000 °C. Электролизом расплавленных солей Электролиз смеси расплавленных бората натрия, карбоната натрия, фторида лития и вольфрамового ангидрида позволяет получить карбид вольфрама. Монокристаллы карбида вольфрама Монокристаллы WC могут быть получены выращиванием из расплава. Для этого смесь составом Co−40 %WC плавят в тигле из оксида алюминия при температуре 1600 °C и после гомогенизации расплава температуру снижают до 1500 °C со скоростью 1−3 °C/мин и выдерживают при этой температуре в течение 12 часов. После чего образец охлаждают и растворяют кобальтовую матрицу в кипящей соляной кислоте. Также может быть использован метод Чохральского для выращивания больших монокристаллов (до 1 см).

Физические свойства

Карбид вольфрама представляет собой порошок серого цвета. Имеет две кристаллографические модификации: α-WC с гексагональной решёткой (периоды решетки a = 0,2906 нм, c = 0,2839 нм), пространственная группа P6m2 и β-WC с кубической гранецентрированной решеткой (a = 0,4220 нм), пространственная группа Fm3m, которая устойчива свыше 2525 °C. При этом в интервале температур 2525−2755 °C существуют обе фазы. Фаза α-WC не имеет области гомогенности, поэтому отклонение от стехиометрического состава приводит к появлению W₂C или графита. При нагреве выше 2755 °C α-WC разлагается, образуя углерод и фазу β-WC. Фаза β-WC описывается формулой β-WC_1−x, где (0 ⩽ x ⩽ 0,41) и имеет широкую область гомогенности, которая с понижением температуры уменьшается.

Обычно карбид вольфрама считается хрупким соединением, однако обнаружено, что под нагрузкой он проявляет пластические свойства, которые проявляются в виде полос скольжения.

Кристаллы карбида вольфрама имеют анизотропию твёрдости в различных кристаллографических плоскостях. В зависимости от ориентации минимальное значение микротвёрдости составляет 13 ГПа, а максимальное — 22 ГПа.

• Твёрдость по Роквеллу 92−94 HRA
• Модуль упругости 710 ГПа
• Стандартная энтропия 8,5 ± 1,5 кал/(моль·°C)
• Энтропия образования из элементов −0,31 кал/(моль·°C)
• Коэффициент линейного теплового расширения 3,84−3,9·10 −6 1/K
• Характеристическая температура (температура Дебая) 493 K
• Удельное электрическое сопротивление 19,2 ± 0,3 мкОм·см при 20 °C
• Удельная электропроводность 52200 Ом −1 ·см −1
• Термический коэффициент электросопротивления +0,495·10 −3 1/K при 20−1500 °C
• Коэффициент термо-ЭДС −23,3 мкВ/K
• Работа выхода 3,6 эВ
• Постоянная Ричардсона 2,7 А/(см 2 ·K 2 )
• Постоянная Холла (−21,8 ± 0,3)·10 4 см 3 /Kл
• Коэффициент электронной теплоёмкости 0,79 мДж/(моль·K 2 )

Химические свойства

Карбид вольфрама является химически стойким соединением при комнатной температуре по отношению к серной, соляной, ортофосфорной, хлорной, щавелевой кислотам и смесям серной и фосфорной, серной и щавелевой кислот. Не растворяется в 10 % и 20 % растворах гидроксида натрия. Растворяется в кипящих серной, соляной, азотной, хлорной кислотах и в смесях серной и ортофосфорной, серной и азотной кислот. При комнатной температуре хорошо растворяется в азотной кислоте и в царской водке по реакциям

Также растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот.

Значительное окисление карбида вольфрама на воздухе начинается при 500−700 °C, а выше 800 °C полностью окисляется в связи с большой летучестью окисла вольфрама. Окисление вольфрама идет по реакции

По этой же реакции карбид вольфрама горит в жидком кислороде, аналогично горит и алмаз.

Источник