Menu treści
● Skład i struktura
● Właściwości węgliku wolframu
● Surowce do produkcji węglika wolframowego
● Procesy produkcyjne
● Zastosowania węglika wolframowego
● Cementowane węgliki
● Wniosek
● Często zadawane pytania (FAQ)
>> 1. Jaka jest chemiczna formuła węglika wolframowego?
>> 2. Jakie są podstawowe surowce stosowane w produkcji węglika wolframowego?
>> 3. Jak trudny jest węglik wolframowy w porównaniu z innymi materiałami?
>> 4. Jakie są wspólne zastosowania węglika wolframowego?
>> 5. Jaki jest proces wytwarzania cementowanego węglika?
● Cytaty:
Węglenie wolframowe (WC) to związek chemiczny zawierający równe części atomów wolframu i węgla [6] [7]. W najbardziej podstawowej formie, Węglenie wolframowe to drobny szary proszek, który można wcisnąć i uformować w kształcie poprzez proces zwany spiekaniem do użytku w wyposażeniu przemysłowym, narzędzi do tnącej, materiałach ściernych, skorupach przebijających zbroję i biżuterię [1] [6] [7]. Znany ze niezwykłej twardości i odporności na zużycie, jest kluczowym materiałem w różnych zastosowaniach przemysłowych [1] [3].
Skład i struktura
Węglenie wolframowe, o wzorze chemicznym WC, składa się z równych części wolframu (W) i węgla (C) [3]. Ma silne potrójne wiązanie między kationą wolframową IV (W⁴⁺) a anionem węglowym (C⁴⁻), tworząc strukturę sześciokątną lub sześcienną w zależności od warunków syntezy [3]. Masa molowa wynosi około 195,85 g/mol [3]. W przypadku węgla α-tungstenu stechiometryczny stosunek wolframu do węgla musi być prawie dokładny, zwykle w granicach 49,5-50,5 % molowych C [3] [4]. Ten precyzyjny skład przyczynia się do wyjątkowej twardości i odporności na wysokie temperatury i warunki ścierne [3].
Właściwości węgliku wolframu
Węglenie wolframowe znane jest z wyjątkowych właściwości fizycznych i chemicznych, dzięki czemu nadaje się do szerokiej gamy zastosowań.
- Twardość: Węglenie wolframowe jest wyjątkowo trudne, zajmując od 9 do 9,5 w skali twardości Mohsa, co czyni go jednym z najtrudniejszych dostępnych materiałów, drugie tylko Diamonds [3]. Ma twardość Vickersa około 2600, co wskazuje na jego doskonałą twardość w porównaniu do większości materiałów przemysłowych [3].
- Gęstość: z gęstością około 15,6 g/cm³, węglika wolframowa jest znacznie gęstsza niż węgliki, takie jak węgiel krzemowy, który ma gęstość około 3,21 g/cm³ [1].
- Sztywność: węglik wolframowy jest około trzykrotnie sztywniejszy niż stal, z modułem Younga między 530–700 GPa [3].
- Odporność na zużycie: wykazuje wyjątkową odporność na zużycie, trwa znacznie dłużej w warunkach ściernych [3]. Właściwości te sprawiają, że idealnie nadaje się do zastosowań o wysokiej stresu, takich jak narzędzia do cięcia i części odporne na zużycie, w których utrzymanie ostrej krawędzi jest kluczowe [3].
- Punktem topnienia: Carbide wolframu ma wysoką temperaturę topnienia, od 2780 do 2830 ℃ [1].
- Stabilność chemiczna: Węglenie wolframowe nie oddziałuje z chlorem, gdy jest poniżej 400 ° C. Reaguje gwałtownie fluorem w temperaturze pokojowej i jest utleniony do tlenku wolframu po podgrzewaniu w powietrzu [5].
Surowce do produkcji węglika wolframowego
Produkcja węglików wolframowych obejmuje kilka surowców, z których każdy odgrywa kluczową rolę w produkcie końcowym [1].
1. Ruda wolframu: Ruda czarna jest głównym źródłem wolframu [1].
2. Paratungstan amonu (APT): Oczyszczony związek chemiczny pochodzący z rudy wolframu, który służy jako pośredni w produkcji metalu wolframu i węgliku wolframu [1].
3. Tlenek wolframu: wytwarzany przez APT APT w wysokich temperaturach, który jest następnie redukowany do proszku metalu wolframowego w atmosferze wodoru [1].
4. Źródła węgla: Sado lub grafit są używane do przekształcania proszku metalu wolframowego w węglik wolframowy w procesie gaźnika o wysokiej temperaturze [1].
Procesy produkcyjne
Produkcja węglików wolframowych obejmuje kilka metod, z których każda zaprojektowana jest do wytwarzania materiałów o określonych właściwościach i zastosowaniach [4] [6].
1. Bezpośrednia gaźność: Metal wolframowy reaguje się z węglem w temperaturach od 1400 do 2000 stopni Celsjusza [6].
W + C → WC
2. Proces złoża płynnego: Proces złoża płynu niższej temperatury reaguje metalu wolframu lub niebieskiego WO3 z mieszaniną CO/CO2 i H2 między 900 a 1200 ° C [6].
3. Redukcja tlenku wolframu: WO3 jest podgrzewana grafitem w temperaturze 900 stopni Celsjusza bezpośrednio lub w wodorze w temperaturze 670 stopni Celsjusza, a następnie gaźność w argonie w temperaturze 1000 stopni Celsjusza [6].
WO3 + 4C → WC + 3CO
4. Chemiczne odkładanie pary (CVD): W 670 ° C sześciokachorek wolframowy reakcja reakcja z wodorem i metanem [6].
WCL6 + H2 + CH4 → WC + 6HCl
5. Kauralizacja tlenków i soli wolframowej: tlenki wolframu, kwas wolframowy, paratunki amonu i scheelicie można również bezpośrednio gaździć [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
Zastosowania węglika wolframowego
Unikalne nieruchomości z Carbide z Carbide sprawiają, że jest to niezbędne w wielu branżach [2] [5] [8]. Jego zastosowania obejmują różne pola ze względu na jego twardość, odporność na zużycie i stabilność termiczną [2] [3].
1. Narzędzia tnące: Znane z ekstremalnej twardości i trwałości, węgliek wolframowy jest wykorzystywany do produkcji odpornych na zużycia ścierni i narzędzi tnących, takich jak noże, ćwiczenia, piły okrągłe i narzędzia mielenia [2] [3] [8]. Narzędzia te są kluczowe w sektorach takich jak obróbka metali, obróbka drewna, wydobycie, ropa naftowa i konstrukcja [2] [8].
2. Części odporne na zużycie: Węglenie wolframowe stosuje się w komponentach wymagających wysokiej odporności na zużycie, takich jak dysz, łożyska i siedzenia zaworów [3] [5].
3. Biżuteria: Węglenie wolframowe znajduje zastosowania w branży biżuterii, wytwarzając trwałe i odporne na ścieranie pierścienie [2] [6]. Pierścienie z węglików wolframowych są znacznie bardziej trwałe niż pierścienie złota i srebrnych [6]. Pierścienie wolframowe są oceniane między 8 a 9 w skali twardości MoHS [6].
4. Zastosowania wojskowe: stopy wolframu, często w połączeniu z niklem, żelazem lub kobaltem, są wykorzystywane w penetratorach energii kinetycznej i innych pociskach wojskowych [2]. Stopy te są preferowane niż wyczerpane uran, ponieważ unikają radioaktywnych zagrożeń [2]. Tungsten jest również wykorzystywany w gęstych obojętnych materiałach wybuchowych metali, zaprojektowany w celu zminimalizowania uszkodzeń ubocznych przy jednoczesnym zwiększeniu śmiertelności w ograniczonym promieniu [2].
5. Elektronika i przemysł elektryczny: Wysoka temperatura topnienia i doskonała przewodność elektryczna sprawiają, że jest odpowiedni do różnych zastosowań o wysokiej temperaturze [2]. Jest powszechnie stosowany w żarówkach żarowych, starszych probówkach telewizyjnych (rurki katodowe), rurkach próżniowych i dyszach silnika rakiet [2]. Wolfr jest również niezbędny w procesach spawania gazu TIG (gazu wolframowego) [2]. W sektorze elektroniki wolfram jest stosowany w obwodach zintegrowanych i produkcji półprzewodników, rur rentgenowskich i innych instrumentów elektronicznych [2].
6. Ulepszanie właściwości stali: przez stopienie wolframu ze stalą, powstały materiał zyskuje zwiększoną wytrzymałość, twardość i odporność na zużycie [2]. Przykłady obejmują szybką stal, stal wolframową i stal magnetyczny kobaltowa wolframu [2]. Stopy te są używane do produkcji narzędzi, takich jak ćwiczenia, frezowanie noży i matryce z drutu, w których trwałość i precyzja są najważniejsze [2].
7. Zastosowania chemiczne: Związki wolframu są wykorzystywane w kilku zastosowaniach chemicznych ze względu na ich unikalne właściwości [2]. Siar blokowy (IV) służy jako smar o wysokiej temperaturze i jest stosowany w katalizatorach hydrodoarczowania [2]. Tlenki wolframu, takie jak trójtlenek wolframu (WO₃), są stosowane w glazurkach ceramicznych, oświetleniu fluorescencyjnym oraz jako składniki katalizatorów w elektrowniach węglowych w celu zmniejszenia tlenków azotu [2].
8. Pole medyczne: wolfram służy do osłonięcia promieniowania ze względu na jego wysoką gęstość i doskonałe możliwości absorpcji promieniowania [2]. Jest stosowany w celach rentgenowskich i urządzeniach do obrazowania gamma, zapewniając bezpieczeństwo pacjentowi i operatorowi w procedurach obrazowania medycznego [2]. Węglenie wolframowe jest często wykorzystywane do tworzenia instrumentów chirurgicznych, ponieważ poprawia ich wydajność i jest również odporny na korozję [8].
9. Aerospace and Automotive: W lotnisku wolfram jest używany jako materiał balastowy do zrównoważenia samolotów i statku kosmicznego [2]. Jego wysoka gęstość sprawia, że nadaje się również do aplikacji motoryzacyjnych, gdzie jest stosowany w komponentach zaprojektowanych do tłumienia wibracji i równoważenia [2].
Cementowane węgliki
Cementowany węglik jest materiałem wykonanym przez „cementowanie ziaren węglika wolframowego w matrycy spoiwa z metalu kobaltu przez spiekanie w fazie ciekłej [4]. Często nazywany „cementowany węglik, ” jest to materiał kompozytowy utworzony w procesie metalurgii proszkowej [3]. Proces ten polega na zmieszaniu proszku z węglika wolframowego z spoiwa, takim jak kobalt lub nikiel, a następnie zagęszczanie i spiekanie mieszaniny w wysokich temperaturach, aby osiągnąć silny, spójny materiał [3] [9]. Spiekanie jest zwykle przeprowadzane poniżej temperatury topnienia, tak że faza ciekła zwykle nie występuje [9]. Spiekanie jest często wybierane jako proces kształtowania materiałów o wyjątkowo wysokich temperaturach topnienia, takich jak wolfram, molibden lub ceramika dwutlenku uranu [9].
Wniosek
Węglenie wolframowe to niezwykły materiał o unikalnym składzie chemicznym i wyjątkowych właściwościach, które sprawiają, że jest niezbędny w różnych branżach. Jego wysoka twardość, odporność na zużycie i stabilność termiczna przyczyniają się do szerokiej gamy zastosowań, od narzędzi tnących i części odpornych na zużycie po biżuterię i pociski wojskowe. Trwające badania i rozwój procesów produkcji węglików wolframowych nadal rozszerzają swój potencjał, zapewniając jego znaczenie w nowoczesnej technologii i inżynierii.
Często zadawane pytania (FAQ)
1. Jaka jest chemiczna formuła węglika wolframowego?
Chemiczna wzór węglika wolframowego wynosi WC, co wskazuje, że składa się z równych części atomów wolframu i węgla [1] [3] [7].
2. Jakie są podstawowe surowce stosowane w produkcji węglika wolframowego?
Podstawowe surowce obejmują rudę wolframową, paratungstan amonu (APT), tlenek wolframu i źródła węgla, takie jak sadza lub grafit [1].
3. Jak trudny jest węglik wolframowy w porównaniu z innymi materiałami?
Węglowodanie wolframu plasuje się między 9 a 9,5 w skali twardości MoHS, co czyni go jednym z najtrudniejszych dostępnych materiałów, drugie tylko diamenty [3].
4. Jakie są wspólne zastosowania węglika wolframowego?
Typowe zastosowania obejmują narzędzia tnące, części odporne na zużycie, biżuterię, pociski wojskowe i komponenty w dziedzinie elektroniki i medycznej [2] [5] [6] [8].
5. Jaki jest proces wytwarzania cementowanego węglika?
Cementowany węglik jest wytwarzany przez „cementowanie” ziaren węglika wolframowego w matrycy spoiwa z metalu kobaltowego przez spiekanie w fazie ciekłej, obejmując mieszanie proszku z węglika wolframowego z metalem spoiwa, zagęszczanie i spiekanie mieszanki w wysokich temperaturach [3] [4] [9].
Cytaty:
[1] https://heegermaterials.com/blog/90_how-is-tungsten-carbide-made-.html
[2] https://shop.machinemfg.com/understanding-tungsten-properties-applications-and-t-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/
