Μενού περιεχομένου
● Σύνθεση και δομή
● Ιδιότητες του καρβιδίου βολφραμίου
● Πρώτες ύλες για την παραγωγή καρβιδίου βολφραμίου
● Διαδικασίες παραγωγής
● Εφαρμογές καρβιδίου βολφραμίου
● Τσιμεντοειδή καρβίδια
● Σύναψη
● Συχνές ερωτήσεις (FAQ)
>> 1. Ποιος είναι ο χημικός τύπος καρβιδίου βολφραμίου;
>> 2. Ποιες είναι οι πρωταρχικές πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή καρβιδίου βολφραμίου;
>> 3. Πόσο δύσκολο είναι το καρβίδιο βολφραμίου σε σύγκριση με άλλα υλικά;
>> 4. Ποιες είναι μερικές κοινές εφαρμογές καρβιδίου βολφραμίου;
>> 5. Ποια είναι η διαδικασία κατασκευής τσιμεντοειδούς καρβιδίου;
● Αναφορές:
Το καρβίδιο βολφραμίου (WC) είναι μια χημική ένωση που περιλαμβάνει ίσα μέρη των ατόμων βολφραμίου και άνθρακα [6] [7]. Στην πιο βασική του μορφή, Το καρβίδιο του βολφραμίου είναι μια λεπτή γκρίζα σκόνη που μπορεί να πατηθεί και να σχηματιστεί σε σχήματα μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται Sintering για χρήση σε βιομηχανικό εξοπλισμό, εργαλεία κοπής, λειαντικά, κελύφη με θωράκιση και κοσμήματα [1] [6] [7]. Φημισμένος για την αξιοσημείωτη σκληρότητα και την αντίσταση της φθοράς, είναι ένα κρίσιμο υλικό σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές [1] [3].
Σύνθεση και δομή
Το καρβίδιο βολφραμίου, με τον χημικό τύπο WC, αποτελείται από ίσα μέρη του βολφραμίου (W) και του άνθρακα (C) [3]. Διαθέτει έναν ισχυρό τριπλό δεσμό μεταξύ του κατιόντος βολφραμίου IV (W⁴⁺) και του ανιόντος άνθρακα (C⁴⁻), σχηματίζοντας είτε μια εξαγωνική είτε μια κυβική δομή ανάλογα με τις συνθήκες σύνθεσης [3]. Η μοριακή μάζα είναι περίπου 195,85 g/mol [3]. Για το καρβίδιο α-Tungsten, η στοιχειομετρική αναλογία βολφραμίου προς άνθρακα πρέπει να είναι σχεδόν ακριβής, συνήθως εντός 49,5-50,5 mol % C [3] [4]. Αυτή η ακριβής σύνθεση συμβάλλει στην εξαιρετική σκληρότητα και την αντίσταση της σε υψηλές θερμοκρασίες και λειαντικές συνθήκες [3].
Ιδιότητες του καρβιδίου βολφραμίου
Το καρβίδιο βολφραμίου είναι γνωστό για τις εξαιρετικές φυσικές και χημικές του ιδιότητες, καθιστώντας την κατάλληλη για μια ευρεία ποικιλία εφαρμογών.
- Σκληρότητα: Το καρβίδιο βολφραμίου είναι εξαιρετικά σκληρή, κατατάσσοντας μεταξύ 9 και 9,5 στην κλίμακα σκληρότητας Mohs, καθιστώντας το ένα από τα πιο δύσκολα υλικά, δεύτερη μόνο στα διαμάντια [3]. Έχει σκληρότητα Vickers περίπου 2600, υποδεικνύοντας την ανώτερη σκληρότητα του σε σύγκριση με τα περισσότερα βιομηχανικά υλικά [3].
- Πυκνότητα: Με πυκνότητα περίπου 15,6 g/cm⊃3, καρβίδιο βολφραμίου είναι σημαντικά πυκνότερο από τα καρβίδια όπως το καρβίδιο του πυριτίου, η οποία έχει πυκνότητα περίπου 3,21 g/cm⊃3, [1].
- δυσκαμψία: Το καρβίδιο βολφραμίου είναι περίπου τρεις φορές πιο σκληρή από τον χάλυβα, με συντελεστή Young μεταξύ 530-700 GPA [3].
- Αντίσταση φθοράς: Εμφανίζει την εκκρεμή αντίσταση στη φθορά, διαρκεί σημαντικά μεγαλύτερη σε λειαντικές συνθήκες [3]. Αυτές οι ιδιότητες το καθιστούν ιδανικό για εφαρμογές υψηλής πίεσης, όπως εργαλεία κοπής και ανθεκτικά σε φθορά εξαρτήματα, όπου η διατήρηση μιας απότομης άκρης είναι κρίσιμη [3].
- Σημείο τήξης: Το καρβίδιο βολφραμίου έχει ένα υψηλό σημείο τήξης, που κυμαίνεται από 2780 έως 2830 ℃ [1].
- Χημική σταθερότητα: Το καρβίδιο βολφραμίου δεν αλληλεπιδρά με το χλώριο όταν είναι κάτω από τους 400 ° C. Αντιδρά βίαια με φθόριο σε θερμοκρασία δωματίου και οξειδώνεται σε οξείδιο βολφραμίου όταν θερμαίνεται στον αέρα [5].
Πρώτες ύλες για την παραγωγή καρβιδίου βολφραμίου
Η παραγωγή καρβιδίου βολφραμίου περιλαμβάνει αρκετές πρώτες ύλες, καθένα από τα οποία διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στο τελικό προϊόν [1].
1.
2. Paratungstate αμμωνίου (APT): Μια καθαρισμένη χημική ένωση που προέρχεται από μεταλλεύματα βολφραμίου που χρησιμεύει ως ενδιάμεσο στην παραγωγή μεταλλικού βολφραμίου και καρβιδίου βολφραμίου [1].
3. Οξείδιο βολφραμίου: παράγεται με υπολογισμό APT σε υψηλές θερμοκρασίες, οι οποίες στη συνέχεια μειώνονται σε σκόνη μεταλλικής βολφραμίου σε ατμόσφαιρα υδρογόνου [1].
4. Πηγές άνθρακα: Χρησιμοποιούνται αιθίτη ή γραφίτη για τη μετατροπή της μεταλλικής σκόνης βολφραμίου σε καρβίδιο βολφραμίου μέσω μιας διαδικασίας καρμπουργίας υψηλής θερμοκρασίας [1].
Διαδικασίες παραγωγής
Η κατασκευή καρβιδίου βολφραμίου περιλαμβάνει αρκετές μεθόδους, καθένα από τα οποία έχει σχεδιαστεί για να παράγει υλικά με συγκεκριμένες ιδιότητες και εφαρμογές [4] [6].
1. Απευθείας καρμπουργός: Το μέταλλο βολφραμίου αντιδρά με άνθρακα σε θερμοκρασίες μεταξύ 1400 και 2000 βαθμών Κελσίου [6].
W + C → WC
2. Διαδικασία υγρού κλίνης: Μια κατώτερη διαδικασία θερμοκρασίας ρευστού αντιδρά το μέταλλο βολφραμίου ή το μπλε WO3 με μίγμα CO/CO2 και H2 μεταξύ 900 και 1200 ° C [6].
3. Μείωση οξειδίου του βολφραμίου: Το WO3 θερμαίνεται με γραφίτη στους 900 βαθμούς Κελσίου απευθείας ή σε υδρογόνο στους 670 βαθμούς Κελσίου, ακολουθούμενη από καρμπουργία σε αργό σε 1000 βαθμούς Κελσίου [6].
WO3 + 4C → WC + 3CO
4. Απορρίμματα χημικών ατμών (CVD): στους 670 ° C, το εξαχλωρίδιο βολφραμίου αντιδρά με υδρογόνο και μεθάνιο [6].
WCL6 + H2 + CH4 → WC + 6HCL
5. Καρμπουργία των οξειδίων και των αλάτων βολφραμίου: οξείδια βολφραμίου, βολφραμικό οξύ, παραλλακτικό αμμώνιο και scheelite μπορούν επίσης να καρκινηθούν απευθείας [4].
WO3 + 4 C → WC + 3 CO
H2WO4 + 4 C → WC + 3 CO + H2O
(NH4) 10W12O41 x 5 H2O + 48 C → 12 WC + 10 NH3 + 10 H2O + 36 CO
CAWO4 + 4 C → WC + CAO + 3 CO
Εφαρμογές καρβιδίου βολφραμίου
Οι μοναδικές ιδιότητες του Tungsten Carbide καθιστούν απαραίτητη σε πολλές βιομηχανίες [2] [5] [8]. Οι εφαρμογές του καλύπτουν διάφορους τομείς λόγω της σκληρότητας, της αντίστασης φθοράς και της θερμικής σταθερότητας [2] [3].
1. Εργαλεία κοπής: γνωστά για την ακραία σκληρότητα και ανθεκτικότητα του, το καρβίδιο του βολφραμίου χρησιμοποιείται για την κατασκευή ανθεκτικών σε φθορά και εργαλεία κοπής, όπως μαχαίρια, τρυπάνια, κυκλικά πριόνια και εργαλεία άλεσης [2] [3] [8]. Αυτά τα εργαλεία είναι κρίσιμα σε τομείς όπως η μεταλλική εργασία, η ξυλουργική, η εξόρυξη, το πετρέλαιο και η κατασκευή [2] [8].
2. Ανθεκτικά σε φθορά μέρη: Το καρβίδιο βολφραμίου χρησιμοποιείται σε εξαρτήματα που απαιτούν υψηλή αντοχή στη φθορά, όπως ακροφύσια, ρουλεμάν και καθίσματα βαλβίδων [3] [5].
3. Οι δακτύλιοι καρβιδίου βολφραμίου είναι πολύ πιο ανθεκτικά από τα χρυσά και ασημένια δαχτυλίδια [6]. Οι δακτύλιοι βολφραμίου βαθμολογούνται μεταξύ 8 και 9 στην κλίμακα Mohs της σκληρότητας [6].
4. Στρατιωτικές εφαρμογές: τα κράματα βολφραμίου, συχνά σε συνδυασμό με το νικέλιο, το σίδηρο ή το κοβάλτιο, χρησιμοποιούνται σε διεισδυτές κινητικής ενέργειας και άλλα στρατιωτικά βλήματα [2]. Αυτά τα κράματα προτιμούνται έναντι του εξαντλημένου ουρανίου επειδή αποφεύγουν τους ραδιενεργούς κινδύνους [2]. Το Tungsten χρησιμοποιείται επίσης σε πυκνά αδρανή μεταλλικά εκρηκτικά, σχεδιασμένα για να ελαχιστοποιούν τις παράπλευρες βλάβες ενώ αυξάνουν τη θνησιμότητα μέσα σε μια περιορισμένη ακτίνα [2].
5. Ηλεκτρονικά και η ηλεκτρική βιομηχανία: το υψηλό σημείο τήξης του βολφραμίου και η εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα καθιστούν κατάλληλο για διάφορες εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας [2]. Χρησιμοποιείται συνήθως σε νημάτια λαμπτήρα πυρακτώσεως, παλαιότερους σωλήνες τηλεόρασης (σωλήνες καθόδου-ακτίνων), σωλήνες κενού και ακροφύσια πυραύλων [2]. Το Tungsten είναι επίσης απαραίτητο στις διαδικασίες συγκόλλησης TIG (Tungsten Inert Gas) [2]. Στον τομέα της ηλεκτρονικής, το βολφραμίδιο χρησιμοποιείται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα και στην παραγωγή ημιαγωγών, σωλήνων ακτίνων Χ και άλλων ηλεκτρονικών οργάνων [2].
6. Ενίσχυση των ιδιοτήτων χάλυβα: Με το κράμα βολφραμίου με χάλυβα, τα κέρδη υλικού που προκύπτουν αυξημένη αντοχή, σκληρότητα και αντίσταση στη φθορά [2]. Παραδείγματα περιλαμβάνουν χάλυβα υψηλής ταχύτητας, χάλυβα βολφραμίου και μαγνητικό χάλυβα κοβαλτίου βολφραμίου [2]. Αυτά τα κράματα χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εργαλείων όπως ασκήσεις, κόπτες φρεζαρίσματος και μήτρες συρμάτων, όπου η ανθεκτικότητα και η ακρίβεια είναι πρωταρχικά [2].
7. Χημικές εφαρμογές: Οι ενώσεις βολφραμίου χρησιμοποιούνται σε διάφορες χημικές εφαρμογές λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους [2]. Το σουλφίδιο του βολφραμίου (IV) χρησιμεύει ως λιπαντικό υψηλής θερμοκρασίας και χρησιμοποιείται σε καταλύτες υδραυλοποίησης [2]. Τα οξείδια βολφραμίου, όπως το τριοξείδιο βολφραμίου (WO₃), χρησιμοποιούνται σε κεραμικά υαλοπίνακες, φθορίζοντα φωτισμό και ως συστατικά των καταλυτών σε μονάδες ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα για τη μείωση των οξειδίων του αζώτου [2].
8. Ιατρικό πεδίο: Το βολφραμίδιο χρησιμοποιείται για την θωράκιση ακτινοβολίας λόγω της υψηλής πυκνότητας και των εξαιρετικών δυνατοτήτων απορρόφησης ακτινοβολίας [2]. Χρησιμοποιείται σε στόχους ακτίνων Χ και συσκευές απεικόνισης γάμμα, εξασφαλίζοντας την ασφάλεια των ασθενών και των χειριστών στις διαδικασίες ιατρικής απεικόνισης [2]. Το καρβίδιο βολφραμίου χρησιμοποιείται συχνά για τη δημιουργία χειρουργικών οργάνων επειδή ενισχύει την απόδοσή τους και είναι επίσης ανθεκτικό στη διάβρωση [8].
9. Αεροδιαστημική και αυτοκινητοβιομηχανία: Στην αεροδιαστημική, το βολφράμιο χρησιμοποιείται ως υλικό έρματος για την εξισορρόπηση των αεροσκαφών και του διαστημικού σκάφους [2]. Η υψηλή πυκνότητα του καθιστά επίσης κατάλληλο για εφαρμογές αυτοκινήτων, όπου χρησιμοποιείται σε εξαρτήματα που έχουν σχεδιαστεί για αποδέσμευση και εξισορρόπηση των κραδασμών [2].
Τσιμεντοειδή καρβίδια
Το τσιμεντοειδές καρβίδιο είναι ένα υλικό που κατασκευάζεται από τους κόκκους καρβιδίου Tungsten σε μια μήτρα συνδετικής μήτρας από μέταλλο κοβαλτίου με πυροσυσσωμάτωση υγρής φάσης [4]. Συχνά αναφέρεται ως 'τσιμέντο καρβίδιο,' είναι ένα σύνθετο υλικό που σχηματίζεται μέσω μιας διαδικασίας μεταλλουργίας σε σκόνη [3]. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την ανάμειξη σκόνης καρβιδίου βολφραμίου με ένα συνδετικό μέταλλο όπως το κοβάλτιο ή το νικέλιο, και στη συνέχεια τη συμπίεση και την πυροσυσσωμάτωση του μείγματος σε υψηλές θερμοκρασίες για να επιτευχθεί ένα ισχυρό, συνεκτικό υλικό [3] [9]. Η πυροσυσσωμάτωση πραγματοποιείται συνήθως κάτω από τη θερμοκρασία τήξης, έτσι ώστε να μην υπάρχει κανονικά μια υγρή φάση [9]. Η πυροσυσσωμάτωση επιλέγεται συχνά ως η διαδικασία διαμόρφωσης για υλικά με εξαιρετικά υψηλά σημεία τήξης, όπως κεραμικά βολφραμίου, μολυβδαινίου ή διοξειδίου του ουρανίου [9].
Σύναψη
Το καρβίδιο βολφραμίου είναι ένα αξιοσημείωτο υλικό με μοναδική χημική σύνθεση και εξαιρετικές ιδιότητες που το καθιστούν απαραίτητο σε διάφορες βιομηχανίες. Η υψηλή σκληρότητα, η αντίσταση στη φθορά και η θερμική σταθερότητα συμβάλλουν στο ευρύ φάσμα των εφαρμογών της, από τα εργαλεία κοπής και τα ανθεκτικά σε φθορά μέρη σε κοσμήματα και στρατιωτικά βλήματα. Η συνεχιζόμενη έρευνα και ανάπτυξη στις διαδικασίες παραγωγής καρβιδίου βολφραμίου συνεχίζει να επεκτείνει το δυναμικό της, εξασφαλίζοντας τη σημασία της στη σύγχρονη τεχνολογία και τη μηχανική.
Συχνές ερωτήσεις (FAQ)
1. Ποιος είναι ο χημικός τύπος καρβιδίου βολφραμίου;
Ο χημικός τύπος καρβιδίου βολφραμίου είναι WC, υποδεικνύοντας ότι αποτελείται από ίσα μέρη των ατόμων βολφραμίου και άνθρακα [1] [3] [7].
2. Ποιες είναι οι πρωταρχικές πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή καρβιδίου βολφραμίου;
Οι πρωταρχικές πρώτες ύλες περιλαμβάνουν μεταλλεύματα βολφραμίου, παραστατικό αμμωνίου (APT), οξείδιο του βολφραμίου και πηγές άνθρακα όπως η αιθάλη ή ο γραφίτης [1].
3. Πόσο δύσκολο είναι το καρβίδιο βολφραμίου σε σύγκριση με άλλα υλικά;
Το Tungsten Carbide κατατάσσεται μεταξύ 9 και 9,5 στην κλίμακα σκληρότητας MOHS, καθιστώντας το ένα από τα πιο δύσκολα υλικά που είναι διαθέσιμα, δεύτερη μόνο στα διαμάντια [3].
4. Ποιες είναι μερικές κοινές εφαρμογές καρβιδίου βολφραμίου;
Οι κοινές εφαρμογές περιλαμβάνουν εργαλεία κοπής, ανθεκτικά σε φθορά, κοσμήματα, στρατιωτικά βλήματα και εξαρτήματα στα ηλεκτρονικά και ιατρικά πεδία [2] [5] [6] [8].
5. Ποια είναι η διαδικασία κατασκευής τσιμεντοειδούς καρβιδίου;
Το τσιμεντοειδές καρβίδιο είναι κατασκευασμένο από τους κόκκους καρβιδίου Tungsten σε μια μήτρα συνδετικής μήτρας από καταιγισμό με υγρή φάση, που περιλαμβάνει ανάμιξη σκόνης καρβιδίου βολφραμίου με μεταλλικό συνδετικό υλικό, σύμπλεγμα και πυροσυσσωμάτωση του μίγματος σε υψηλές θερμοκρασίες [3] [4] [9].
Αναφορές:
[1] https://heegermaterials.com/blog/90_how-is-tungsten-carbide-made-.html
[2] https://shop.machinemfg.com/understanding-tungsten-properties-applications-and-stability/
[3] https://shop.machinemfg.com/tungsten-carbide-an-overview/
[4] https://hpvchemicals.oecd.org/ui/handler.axd?id=ed1c76bf-dad9-4baa-8d1b-70fed7f92862
[5] https://www.refractorymetal.org/tungsten-carbide-uses-properties.html
[6] https://www.vedantu.com/chemistry/tungsten-carbide
[7] https://www.insaco.com/material/tungsten-carbide/
[8] https://www.tungco.com/insights/blog/5-tungsten-carbide-applications/
[9] https://material-properties.org/tungsten-carbide-properties-application-price/
