Μενού περιεχομένου
● Εισαγωγή στις στοιχειώδεις ουσίες
● Ιστορικό υπόβαθρο καρβιδίου βολφραμίου
● Σύνθεση καρβιδίου βολφραμίου
>> Κρυσταλλική δομή
● Σύνθεση καρβιδίου βολφραμίου
>> 1.
>> 2. Διαδικασία υγρού κρεβατιού
>> 3. Απορρίμματα χημικών ατμών (CVD)
● Ιδιότητες του καρβιδίου βολφραμίου
>> 1 Μηχανικές ιδιότητες
>> 2. Θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα
>> 3. Αντίσταση διάβρωσης
● Εφαρμογές καρβιδίου βολφραμίου
>> 1. Βιομηχανικά εργαλεία κοπής
>> 2. Αεροδιαστημική και άμυνα
>> 3. Ιατρικές συσκευές
>> 4.
● Περιβαλλοντικές και οικονομικές εκτιμήσεις
>> 1.
>> 2. Τεχνικές ανακύκλωσης
● Προκλήσεις και καινοτομίες
>> 1.
>> 2. 3D εκτύπωση
>> 3. Βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις
● Τάσεις της αγοράς και μελλοντικές προοπτικές
● Σύναψη
● Συχνές ερωτήσεις
>> 1. Πώς συγκρίνεται το καρβίδιο βολφραμίου με το Diamond in Hardness;
>> 2. Μπορεί να συγκολληθεί ή να επισκευαστεί το καρβίδιο βολφραμίου;
>> 3. Γιατί το κοβάλτιο χρησιμοποιείται ως συνδετικό υλικό σε καρβίδιο βολφραμίου;
>> 4 είναι μαγνητικό καρβίδιο βολφραμίου;
>> 5. Τι περιορίζει τη χρήση καρβιδίου βολφραμίου σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας;
● Αναφορές:
Το καρβίδιο βολφραμίου, με τον χημικό τύπο WC, είναι μια ένωση που αποτελείται από άτομα βολφραμίου και άνθρακα. Είναι γνωστό για την εξαιρετική σκληρότητα του, την αντίσταση στη φθορά και το υψηλό σημείο τήξης, καθιστώντας το κρίσιμο υλικό σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές. Ωστόσο, το ερώτημα αν Το καρβίδιο βολφραμίου είναι μια στοιχειώδη ουσία απαιτεί την κατανόηση του τι συνιστά μια στοιχειώδη ουσία και τη σύνθεση του ίδιου του καρβιδίου βολφραμίου.
Εισαγωγή στις στοιχειώδεις ουσίες
Μια στοιχειώδη ουσία είναι μια καθαρή χημική ουσία που αποτελείται μόνο από ένα είδος ατόμου, που διακρίνεται από τον ατομικό αριθμό του. Παραδείγματα περιλαμβάνουν στοιχεία όπως το οξυγόνο (O₂), ο άνθρακας (C) και το βολφραμίο (W). Αυτές οι ουσίες αποτελούνται από άτομα του ίδιου στοιχείου, τα οποία μπορεί να συνδεθούν μαζί σε μόρια ή να υπάρχουν ως ελεύθερα άτομα. Αντίθετα, μια ένωση όπως το καρβίδιο βολφραμίου περιέχει δύο ή περισσότερα στοιχεία που συνδέονται χημικά σε σταθερές αναλογίες.
Ιστορικό υπόβαθρο καρβιδίου βολφραμίου
Το Carbide βολφραμίου συντέθηκε για πρώτη φορά στα τέλη του 19ου αιώνα από τον Γάλλο χημικό Henri Moissan, ο οποίος συνδυάζει το βολφράμιο και τον άνθρακα σε ηλεκτρικό φούρνο. Ωστόσο, το βιομηχανικό της δυναμικό δεν πραγματοποιήθηκε μέχρι τη δεκαετία του 1920, όταν οι Γερμανοί επιστήμονες ανέπτυξαν μεθόδους για να υποστούν το καρβίδιο βολφραμίου με συνδετικά κοβαλτίου, δημιουργώντας ένα υλικό αρκετά σκληρό για τα εργαλεία κοπής. Μέχρι τη δεκαετία του 1930, επανάσταση στις βιομηχανίες μεταλλικών εργασιών, αντικαθιστώντας τα παραδοσιακά εργαλεία χάλυβα σε κατεργασία υψηλής ακρίβειας.
Σύνθεση καρβιδίου βολφραμίου
Το καρβίδιο βολφραμίου σχηματίζεται συνδυάζοντας άτομα βολφραμίου (W) και άνθρακα (C) σε μοριακή αναλογία 1: 1. Η πιο συνηθισμένη μορφή που χρησιμοποιείται στις βιομηχανικές εφαρμογές περιέχει περίπου 94% βολφράμιο και 6% άνθρακα κατά βάρος. Αυτή η σύνθεση επιβεβαιώνει ότι το καρβίδιο βολφραμίου είναι μια ένωση, όχι μια στοιχειώδη ουσία, καθώς αποτελείται από δύο ξεχωριστά στοιχεία που συνδέονται χημικά σε κρυσταλλική δομή.
Κρυσταλλική δομή
Το καρβίδιο βολφραμίου έχει ένα εξαγωνικό κρυσταλλικό πλέγμα (Εικόνα 2), όπου κάθε άτομο βολφραμίου περιβάλλεται από έξι άτομα άνθρακα. Αυτή η ρύθμιση συμβάλλει στην εξαιρετική σκληρότητα και σταθερότητα της.
Σύνθεση καρβιδίου βολφραμίου
1.
Η κύρια μέθοδος περιλαμβάνει τη θέρμανση μέταλλο βολφραμίου ή σκόνη με άνθρακα (π.χ. γραφίτη) στους 1.400-2.000 ° C σε ατμόσφαιρα υδρογόνου. Η αντίδραση είναι:
W+C → WC
Αυτή η διαδικασία παράγει λεπτή σκόνη καρβιδίου βολφραμίου, η οποία στη συνέχεια αναμιγνύεται με συνδετικά όπως το κοβάλτιο (6-12%) και έχει συσσωρευτεί υπό υψηλή πίεση.
2. Διαδικασία υγρού κρεβατιού
Μια εναλλακτική λύση χαμηλότερης θερμοκρασίας χρησιμοποιεί έναν αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης με μίγμα αερίου CO/CO₂ και υδρογόνο. Αυτή η μέθοδος μειώνει την κατανάλωση ενέργειας και παράγει ομοιόμορφα μεγέθη σωματιδίων.
3. Απορρίμματα χημικών ατμών (CVD)
Οι τεχνικές CVD καταθέτουν επιχρίσματα καρβιδίου βολφραμίου σε υποστρώματα, ιδανικά για τη δημιουργία επιφανειών ανθεκτικών στη φθορά για τα εξαρτήματα αεροδιαστημικής.
Ιδιότητες του καρβιδίου βολφραμίου
1 Μηχανικές ιδιότητες
- σκληρότητα: Mohs σκληρότητα ~ 9 (σε σύγκριση με το Diamond's 10).
- Σημείο τήξης: 2.870 ° C, υψηλότερο από τα περισσότερα μέταλλα.
- Συντηρητή Young: 530-700 GPA, τρεις φορές πιο σκληρή από τον χάλυβα.
- Πυκνότητα: 15,6 g/cm⊃3,, συγκρίσιμη με το ουράνιο.
2. Θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα
Παρά τη σκληρότητα του, το καρβίδιο βολφραμίου διεξάγει ηλεκτρική ενέργεια (παρόμοια με το χάλκινο) και τη θερμότητα αποτελεσματικά, καθιστώντας την κατάλληλη για ηλεκτρική κατεργασία εκκένωσης (EDM).
3. Αντίσταση διάβρωσης
Αντιμετωπίζει την οξείδωση σε θερμοκρασίες μέχρι 600 ° C και είναι αδρανής στα περισσότερα οξέα, εκτός από το υδροφθορικό οξύ και το νιτρικό οξύ σε υψηλές συγκεντρώσεις.
Εφαρμογές καρβιδίου βολφραμίου
1. Βιομηχανικά εργαλεία κοπής
- Διερεύνηση κομμάτια: τρυπάνια με καρβίδιο βολφραμίου (Εικόνα 5) Outlast Steel κατά 100x σε λειαντικά περιβάλλοντα.
- ένθετα άλεσης: που χρησιμοποιούνται για την κατεργασία του τιτανίου και της unconel στην αεροδιαστημική παραγωγή.
2. Αεροδιαστημική και άμυνα
- ακροφύσια πυραύλων: Αντέχει τις ακραίες θερμοκρασίες στα συστήματα πρόωσης.
- Πυρομαχικά για θωράκιση: Χρησιμοποιεί την πυκνότητα και τη σκληρότητα του WC για τους διεισδυτές.
3. Ιατρικές συσκευές
- Χειρουργικά νυστέρια: πιο έντονα και πιο ανθεκτικά από ανοξείδωτο χάλυβα.
- Ορθοπεδικά εμφυτεύματα: επικαλυμμένα με WC για αντίσταση στη φθορά σε αντικαταστάσεις άρθρωσης.
4.
-ένθετα γεώτρησης πετρελαίου: τα επικαλυμμένα με WC Bits μειώνουν το χρόνο διακοπής σε εξερεύνηση βαθέων φερειών.
- Ρυθμίσεις πυρηνικού ελέγχου: υψηλή απόδοση απορρόφησης νετρονίων.
Περιβαλλοντικές και οικονομικές εκτιμήσεις
1.
Η εξόρυξη βολφραμίου, κυρίως στην Κίνα (85% της παγκόσμιας προσφοράς), εγείρει ανησυχίες για την αποδάσωση και τη ρύπανση των υδάτων. Η ανακύκλωση του WC απορρίπτει το 95% του υλικού, μειώνοντας την εξάρτηση από το Virgin Ore.
2. Τεχνικές ανακύκλωσης
- Διαδικασία ψευδαργύρου: Διαλύει τα συνδετικά του κοβαλτίου για να διαχωρίσει τη σκόνη WC.
- Άμεση επαναχρησιμοποίηση: Το θρυμματισμένο WC απορρίπτεται ξανά σε νέα εργαλεία.
Προκλήσεις και καινοτομίες
1.
Η υψηλή σκληρότητα του WC έρχεται με ευγένεια. Οι καινοτομίες όπως το νανοδομημένο WC (μεγέθη κόκκων <100 nm) βελτιώνουν την ανθεκτικότητα του θραύσματος χωρίς να θυσιάζουν σκληρότητα.
2. 3D εκτύπωση
Η παραγωγή προσθέτων επιτρέπει σύνθετα μέρη WC, όπως δομές πλέγματος για ελαφριά αεροδιαστημικά εξαρτήματα.
3. Βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις
Οι ερευνητές αναπτύσσουν δεσμευτικά χωρίς κοβάλτιο (π.χ. νικέλιο, σίδηρο) για να αντιμετωπίσουν τις ανησυχίες τοξικότητας σε παραδοσιακά σύνθετα υλικά WC-Cobalt.
Τάσεις της αγοράς και μελλοντικές προοπτικές
Η παγκόσμια αγορά Carbide Carbide αναμένεται να αυξηθεί στο 6,2% CAGR (2023-2030), οδηγείται από τη ζήτηση από τομείς αυτοκινήτων και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Οι βασικοί παίκτες περιλαμβάνουν τα υλικά Sandvik AB, Kennametal και Mitsubishi.
Σύναψη
Το καρβίδιο βολφραμίου είναι αναμφισβήτητα μια ένωση, όχι μια στοιχειώδη ουσία. Οι ασύγκριτες ιδιότητές του έχουν τσιμπήσει το ρόλο της σε βιομηχανίες που κυμαίνονται από την κατασκευή έως την υγειονομική περίθαλψη. Ως εξελίξεις στη νανοτεχνολογία και την πρόοδο της βιωσιμότητας, το καρβίδιο του βολφραμίου θα παραμείνει απαραίτητη για την υπέρβαση των προκλήσεων της μηχανικής.
Συχνές ερωτήσεις
1. Πώς συγκρίνεται το καρβίδιο βολφραμίου με το Diamond in Hardness;
Ενώ το Diamond είναι το πιο δύσκολο φυσικό υλικό (MOHS 10), το καρβίδιο βολφραμίου κατατάσσεται στο ~ 9, καθιστώντας το κατάλληλο για τις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές χωρίς το απαγορευτικό κόστος των εργαλείων διαμαντιών.
2. Μπορεί να συγκολληθεί ή να επισκευαστεί το καρβίδιο βολφραμίου;
Όχι - η ακραία σκληρότητα καθιστά τη συγκόλληση ανέφικτη. Τα κατεστραμμένα εξαρτήματα WC συνήθως αντικαθίστανται ή ανακυκλώνονται.
3. Γιατί το κοβάλτιο χρησιμοποιείται ως συνδετικό υλικό σε καρβίδιο βολφραμίου;
Το κοβάλτιο ενισχύει την ανθεκτικότητα με την πλήρωση των κενών μεταξύ των κόκκων WC, αποτρέποντας τη διάδοση της ρωγμής. Ωστόσο, εναλλακτικές λύσεις όπως το νικέλιο κερδίζουν έλξη για την φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή.
4 είναι μαγνητικό καρβίδιο βολφραμίου;
Το καθαρό WC είναι μη μαγνητικό, αλλά οι παραλλαγές με δεσμευμένες κοβαλτίες παρουσιάζουν ελαφρύ μαγνητισμό λόγω της περιεκτικότητας σε κοβαλτίου.
5. Τι περιορίζει τη χρήση καρβιδίου βολφραμίου σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας;
Πάνω από 500 ° C, το WC οξειδώνεται σταδιακά. Οι επικαλύψεις όπως το καρβίδιο του χρωμίου εφαρμόζονται για τη βελτίωση της αντίστασης της οξείδωσης.
Αναφορές:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[2] https://www.linde-amt.com/resource-library/articles/tungsten-carbide
[3] https://www.allied-material.co.jp/en/techinfo/tungsten_carbide/features.html
[4] https://www.istockphoto.com/photos/tungsten-carbide
[5] https://www.alamy.com/stock-photo/tungsten-carbide.html
[6] https://www.gauthmath.com/solution/ 17447249284 67973/tungsten-carbide-can-be-to-to-make-the-tips-of-ballpoint-the-chemical-for; is_new_user = 1
[7] https://periodictable.com/elements/074/pictures.html
[8] https://www.freepik.com/free-photos-vectors/tungsten
[9] https://www.carbideprobes.com/wp-content/uploads/2019/07/tungstencarbidedatasheet.pdf
[10] https://www.vedantu.com/chemistry/tungsten-carbide
