Menu treści
● Skład i właściwości
● Surowce do produkcji węglika wolframowego
● Synteza węglika wolframowego
● Kontrola wielkości ziarna
● Cementowany węglika wolframowy
● Zastosowania węglika wolframowego
● Zalety węglika wolframowego
● Wniosek
● FAQ
>> 1. Co to jest węglika wolframu?
>> 2. Jak zsyntetyzuje się węglika wolframu?
>> 3. Jakie są podstawowe surowce do produkcji węglika wolframowego?
>> 4. Jakie są kluczowe właściwości węglików wolframowych?
>> 5. Jakie są powszechne zastosowania węglika wolframowego?
● Cytaty:
Węglenie wolframowe (WC) to związek chemiczny zawierający atomy wolframu i węgla. W swojej podstawowej formie istnieje drobny szary proszek, ale można go wcisnąć i uformować w kształcie poprzez spiekanie do użytku w maszynach przemysłowych. Znany z wyjątkowej twardości, odporności na zużycie i właściwości termicznych, Węglenie wolframowe jest niezbędne do trwałości przemysłowej i jest szeroko stosowany w różnych zastosowaniach, w tym narzędzia tnące, części odporne na zużycie i powłoki.
Skład i właściwości
Węglenie wolframowe (WC) składa się z atomów wolframu i węgla ułożonych w sześciokątnej strukturze krystalicznej. Najczęstsza forma stosowana w zastosowaniach przemysłowych zawiera około 94% wolframu i 6% węgla. Jego wzorem chemicznym jest WC o masie cząsteczkowej 195,85. Specyficzny układ tych atomów powoduje powstanie jego unikalnych i pożądanych właściwości.
Kluczowe właściwości:
- Twardość: Węglenie wolframowe ma twardość porównywalną z Diamond, często mierzoną w skali Vickers z wartościami przekraczającymi 2000 HV. Ta ekstremalna twardość sprawia, że idealnie nadaje się do zastosowań, w których odporność na ścieranie i penetracja jest kluczowa.
- Gęstość: Przy gęstości około 15,6 g/cm3 jest znacznie gęstsza niż inne węgliki, takie jak węglik krzemowy (około 3,2 g/cm3), a nawet gęstsza niż wiele stali (około 7,8 g/cm3). Ta wysoka gęstość przyczynia się do jego stabilności i niezawodności w wymagających środowiskach.
- Siła: Ma bardzo wysoką wytrzymałość na twardy i sztywny materiał. Jego wytrzymałość na ściskanie jest wyższa niż praktycznie wszystkie stopione, rzucane lub kute metale i stopy, umożliwiając wytrzymanie znacznego ciśnienia i deformacji.
- Sztywność: węglika wolframowa jest dwa do trzech razy tak sztywna jak stal i cztery do sześciu razy tak sztywna jak żeliwa i mosiądz. Ta sztywność jest kluczowym czynnikiem w zastosowaniach, w których wymagana jest stabilność wymiarowa i minimalne ugięcie, takie jak precyzyjne obróbka.
- Właściwości termiczne: Utrzymuje integralność strukturalną i wydajność od temperatury pokojowej do ekstremalnego ciepła, z jedną z najwyższych punktów topnienia wśród materiałów inżynierskich (2780-2830 ℃). Ta wysoka temperatura topnienia i odporność na deformację termiczną sprawiają, że jest to nieocenione w zastosowaniach o wysokiej temperaturze.
- Odporność na zużycie: Węglenie wolframowe jest znane z wyjątkowej odporności na zużycie, dzięki czemu nadaje się do wymagających zastosowań przemysłowych, takich jak narzędzia tnące, w których materiał jest stale poddawany tarciu i ścieraniu.
- Newa chemiczne: jest nierozpuszczalny w wodzie, kwasie solnym i kwasie siarkowym, ale rozpuszczalna w mieszaninie kwasu azotowego i kwasu hydrofluorowego. Ta chemiczna bezwładność sprawia, że nadaje się do stosowania w środowiskach korozyjnych, w których inne materiały degradowałyby się.
Surowce do produkcji węglika wolframowego
Produkcja węglików wolframowych obejmuje kilka kluczowych surowców, z których każdy przyczynia się do właściwości produktu końcowego:
- Ruda wolframu: Ruda Czarna, taka jak Wolframit ((Fe, Mn) WO4) i scheelite (Cawo4), jest głównym źródłem wolframu. Rury te są wydobywane i przetwarzane w celu wydobycia związków zawierających wolfr i wolfram.
- Paratungstate amonu (APT): Oczyszczony związek chemiczny pochodzący z rudy wolframu służy jako pośredni w produkcji metalu wolframu i węgliku wolframu. APT jest wytwarzany przez szereg procesów chemicznych obejmujących wymywanie, ekstrakcję rozpuszczalnika i krystalizację.
- Tlenek wolframu: wytwarzany przez APT APT w wysokich temperaturach, który następnie jest redukowany do proszku metalu wolframu w atmosferze wodoru. Proces kalcynacji usuwa amoniak i wodę, pozostawiając tlenek wolframowy.
- Źródła węgla: Sadza lub grafit są używane do przekształcania proszku z metalu wolframu na węglik wolframowy w procesie gaźnika o wysokiej temperaturze. Te źródła węgla muszą mieć dużą czystość, aby uniknąć wprowadzania zanieczyszczeń do produktu końcowego.
Synteza węglika wolframowego
Węglenie wolframowe można zsyntetyzować za pomocą kilku metod, każda z jego zaletami i ograniczeniami. Metody te mają kluczowe znaczenie dla kontrolowania jakości i właściwości produktu końcowego.
1. Reakcja produkująca wolfram i węgiel: meta metalu wolframowy (lub proszek) i węgla reaguje się w wysokich temperaturach, zwykle między 1400 ° C a 2000 ° C
2. Proces złoża napływowego: Proces złoża płynu o niższej temperaturze reaguje albo metal wolframowy (lub proszek) lub niebieski WO3 z mieszaniną gazu CO/CO2 i gazem H2 między 900 ° C a 1200 ° C
3. Reakcja tlenku wolframu za pomocą grafitu: TRIOROKED TRIOFTEN (WO3) jest podgrzewany grafitem bezpośrednio w 900 ° C lub w wodorze w 670 ° C, a następnie gaźność w argonie w 1000 ° C
4. Chemiczne osadzanie pary (CVD): heksachorek wolframowy jest reakcji z wodorem (jako środek redukujący) i metan (jako źródło węgla) w 670 ° C (943 K)
Kontrola wielkości ziarna
Rozmiar ziaren węglika znacząco określa właściwości mechaniczne produktu końcowego. Rozmiary drobniejszych ziaren generalnie prowadzą do wyższej twardości i siły, podczas gdy grubsze rozmiary ziarna mogą oferować lepszą wytrzymałość. Wielkość ziarna zależy od wielkości cząstek tlenku wolframu oraz czasu trwania i temperatury przetwarzania mieszanki tlenku/węgla. Techniki takie jak kontrolowanie szybkości zarodkowania i stosowanie dodatków spiekania można również zastosować do wpływu na wzrost ziarna.
Cementowany węglika wolframowy
Aby poprawić jego wytrzymałość i użyteczność, węgliek wolframowy jest często używany w formie „cementowanej”. Obejmuje to wiązanie ziaren węglików wolframowych wraz z metalicznym spoiwa, zwykle kobalt. Metaliczny spoiwo zapewnia plastyczność i wytrzymałość, rekompensując nieodłączną kruchość węglika wolframowego.
Proces:
1. Mieszanie: sproszkowany węglik wolframowy jest mieszany z sproszkowanym metalowym spoiwa (zwykle kobalt, ale alternatywy obejmują nikiel, żelazo i wosk parafinowy). Proces mieszania ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia jednorodnego rozkładu spoiwa w całej matrycy węgla wolframu.
2. Naciskanie: mieszanina jest wciśnięta w pożądany kształt. Naciskanie można wykonać przy użyciu różnych technik, w tym nacisku jednoosiowego, nacisku izostatycznego i wytłaczania, w zależności od pożądanego kształtu i gęstości.
3. Spiekanie: Nacisany kompakt jest następnie spiekany przez ogrzewanie go do temperatur między 1400 ° C (2550 ° F) a 1600 ° C (2910 ° F). Podczas spiekania segregator topi się, nuty i częściowo rozpuszcza ziarna węglików wolframowych, łącząc je ze sobą. Proces spiekania jest przeprowadzany w kontrolowanej atmosferze, aby zapobiec utlenianiu i utrzymania pożądanej mikrostruktury.
4. Wynik: Powstały materiał kompozytowy, znany jako cementowany węglik, łączy twardość węglika wolframowego z wytrzymałością metalicznego spoiwa. Właściwości cementowanego węglika można dostosować poprzez dostosowanie składu, wielkości ziarna i parametrów spiekania.
Zastosowania węglika wolframowego
Wyjątkowe właściwości Węglaczy Tungsten sprawiają, że nadaje się do szerokiej gamy zastosowań w różnych branżach. Jego twardość, odporność na zużycie i stabilność termiczna są szczególnie cenione w wymagających środowiskach.
- Narzędzia tnące: używane do szybkiego obracania cięcia, frezarki, bitów wiertniczych i wkładek. Wysoka twardość i odporność na zużycie węglika wolframowego pozwala tym narzędziom na utrzymanie ostrych krawędzi tnące przez dłuższy czas, co prowadzi do poprawy wydajności i precyzji obróbki.
- Części odporne na zużycie: Wykorzystane w komponentach wymagających wysokiej odporności na zużycie, takich jak uszczelki, dysze, łożyska i matryce. Części te są poddawane ciągłym tarciu i ścieraniu, a doskonały odporność na zużycie węglików wolframowych zapewnia długą żywotność.
- Materiały konstrukcyjne pieca pieca: zastosowane w środowiskach o wysokiej temperaturze ze względu na jego stabilność termiczną i odporność na deformację. Elementy węglików wolframowych mogą wytrzymać ekstremalne temperatury i korozyjne atmosferę występujące w piecach przemysłowych.
- Składniki silnika strumienia: stosowane w zastosowaniach lotniczych ze względu na jego stabilność termiczną i wytrzymałość w wysokiej temperaturze. Elementy węglików wolframowych mogą wytrzymać ekstremalne temperatury i naprężenia napotkane w silnikach odrzutowych, przyczyniając się do lepszej wydajności i trwałości.
- Materiały Cermet: Stosowane w materiałach kompozytowych łączących właściwości ceramiczne i metaliczne. Cermets oferują unikalną kombinację wysokiej twardości, odporności na zużycie i wytrzymałości, dzięki czemu nadają się do różnych wymagających zastosowań.
- Elementy ogrzewania oporności: zastosowane w elementach grzewczych ze względu na przewodność elektryczną i opór cieplny. Elementy ogrzewania węglików wolframowych mogą skutecznie i niezawodnie generować wysokie temperatury, dzięki czemu są odpowiednie do przemysłowych zastosowań ogrzewania.
- Mieczające tygle: używane do metali takich jak miedź, kobalt i bizmut. Krzyczostwo z węglików wolframowych mogą wytrzymać wysokie temperatury i środowiska korozyjne zaangażowane w wytapanie metali, zapewniając minimalne zanieczyszczenie stopionego metalu.
- Odporne na zużycie folii półprzewodników: stosowane w produkcji półprzewodnikowej w celu ochrony wrażliwych elementów przed zużyciem i korozją. Filmy z węglika wolframowego można osadzać za pomocą technik CVD, zapewniając cienką, jednolitą powłokę o doskonałej odporności na zużycie.
-Materiały lotnicze: jako zmodyfikowany dodatek węglików NBC-C i TAC-C trójskładnikowych. Węglenie wolframowe może zwiększyć wytrzymałość na wysoką temperaturę i odporność na utlenianie tych materiałów kompozytowych, co czyni je odpowiednimi do ekstremalnych zastosowań lotniczych.
Zalety węglika wolframowego
Węglenie Tungsten oferuje kilka zalet, które czynią go preferowanym materiałem w wielu branżach. Zalety te wynikają z unikalnej kombinacji nieruchomości, dzięki czemu nadaje się do wymagających zastosowań, w których inne materiały zawodzą.
- Wysoka twardość: zapewnia doskonałą odporność na zużycie i ścieranie, przedłużając żywotność komponentów i zmniejszając koszty utrzymania.
- Wysoka wytrzymałość: oferuje doskonałą wydajność w warunkach wysokiej stresu, zapewniając integralność strukturalną i zapobiegając awarii.
- Wysoka sztywność: Zapewnia minimalne odkształcenie i ugięcie w wymagających zastosowaniach, utrzymując dokładność i precyzję wymiarów.
- Stabilność termiczna: Utrzymuje integralność strukturalną w wysokich temperaturach, umożliwiając stosowanie w ekstremalnych środowiskach bez degradacji.
- Odporność chemiczna: odporna na wiele substancji żrących, zapewniając trwałość i zapobiegając awarii związanym z korozją.
- Doskonała maszyna: chociaż twardy, cementowany węglika wolframowy można obrabiać za pomocą specjalistycznych technik, takich jak obróbka elektryczna (EDM) i szlifowanie, umożliwiając tworzenie złożonych kształtów i precyzyjnych wymiarów.
Wniosek
Węglenie wolframowe jest wszechstronnym i niezbędnym materiałem we współczesnym przemyśle, ze względu na wyjątkową twardość, odporność na zużycie i stabilność termiczną. Jest on syntetyzowany różnymi metodami, w tym bezpośredniej reakcji, procesów złoża płynnego i chemicznego osadzania pary, każde oferuje unikalne zalety pod względem kontroli i skalowalności. Cementowany węglik wolframowy, łączący węglik wolframowy z metalicznymi spoiwami, zwiększa jego wytrzymałość i możliwość zastosowania, dzięki czemu nadaje się do szerokiego zakresu wymagających zastosowań. Jego powszechne zastosowanie w narzędziach tnącach, częściach odpornych na zużycie i komponentach lotniczych podkreśla jego znaczenie w wymagających środowiskach przemysłowych. Trwające badania i rozwój materiałów węglika wolframowego nadal rozszerzają swoje zastosowania i poprawia jego wyniki, zapewniając jego dalsze znaczenie w przyszłości.
FAQ
1. Co to jest węglika wolframu?
Węglenie wolframowe (WC) to związek chemiczny składający się z atomów wolframu i węgla. Jest znany z wyjątkowej twardości, odporności na zużycie i stabilności termicznej, dzięki czemu nadaje się do różnych zastosowań przemysłowych. Jest często stosowany w postaci cementowanego węglika, w którym ziarna węglika wolframowego są łączone ze sobą metalowym spoiwa, zwykle kobaltu.
2. Jak zsyntetyzuje się węglika wolframu?
Węglenie wolframowe można zsyntetyzować za pomocą kilku metod, w tym bezpośredniej reakcji wolframu i węgla w wysokich temperaturach, procesach złoża płynnego z użyciem tlenku wolframu oraz technik odkładania pary chemicznej z udziałem halogenków wolframu. Każda metoda oferuje różne zalety pod względem kontroli wielkości ziarna, czystości i skalowalności.
3. Jakie są podstawowe surowce do produkcji węglika wolframowego?
Podstawowe surowce obejmują rudy wolframu, takie jak Wolframit i Scheelite, które są przetwarzane w celu wydobycia związków zawierających wolfram. Związki te są następnie przekształcane w paratunki amonu (APT), tlenek wolframu, a wreszcie proszek z metalu wolframu. Źródła węgla, takie jak sada lub grafit, służą do reakcji z proszkiem z metalu wolframu w celu utworzenia węglika wolframowego.
4. Jakie są kluczowe właściwości węglików wolframowych?
Kluczowe właściwości obejmują wysoką twardość, często porównywalną z Diamond; wysoka gęstość, czyniąc go gęstszym niż większość metali; wysoka wytrzymałość, pozwalając mu wytrzymać znaczne ciśnienie; wysoka sztywność, zapewniając minimalne odkształcenie; stabilność termiczna, utrzymując swoje właściwości w wysokich temperaturach; i noś odporność, dzięki czemu jest odpowiedni dla środowisk ściernych.
5. Jakie są powszechne zastosowania węglika wolframowego?
Węglenie wolframowe jest powszechnie stosowane w narzędziach tnącach do obróbki metali i innych materiałów, części odporne na zużycie, takie jak uszczelki i łożyska, materiały konstrukcyjne pieca pieca do środowisk w wysokiej temperaturze, elementy silnika strumieniowego do zastosowań lotniczych, materiały do czułości CERMET łączące ceramiczne i metalowe właściwości Filmy na urządzenia elektroniczne i materiały lotnicze do zastosowań o wysokiej wydajności.
Cytaty:
[1] https://todaysmachiningworld.com/magazine/how-it-works-making-tungsten-carbide-cutting-tools/
[2] https://www.linde-amt.com/resource-library/articles/tungsten-carbide
[3] https://scienceinfo.com/tungsten-carbide-properties-applications/
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[5] https://www.refractorymetal.org/tungsten-carbide-uses-properties.html
[6] https://www.vedantu.com/chemistry/tungsten-carbide
[7] https://repository.up.ac.za/bitstream/handle/2263/24896/03chapter3.pdf?SeSence=4
[8] https://carbideprocessors.com/pages/carbide-parts/tungsten-carbide-properties.html
[9] https://heegermaterials.com/blog/90_how-is-tungsten-carbide-made-.html
