Volframkarbid - Tungsten carbide

Volframkarbid
α-Tungsten carbide in the unit cell
Namn
IUPAC -namn
Volframkarbid
Andra namn
Volframkarbid
Volframtetrakarbid
Identifierare
3D -modell ( JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.031.918 Edit this at Wikidata
EG -nummer
RTECS -nummer
FN -nummer 3178
  • InChI = 1S/CW/q-1; +1 ☒N
    Nyckel: UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N ☒N
  • (W + ≡C - ): [C -] # [W ^]
Egenskaper
toalett
Molmassa 195,85  g · mol −1
Utseende Gråsvart glansigt fast ämne
Densitet 15,63 g / cm 3
Smältpunkt 2.785–2.830 ° C (5.045–5.126 ° F; 3.058–3.103 K)
Kokpunkt 6000 ° C (10 830 ° F; 6 270 K)
vid 760 mmHg
Olöslig
Löslighet Lösligt i HNO
3
, HF
1 · 10 −5 cm 3 /mol
Värmeledningsförmåga 110 W/(m · K)
Strukturera
Sexkantig , hP2
P 6 m2, nr 187
6 m2
a  = 2,906 Å, c  = 2,837 Å
α = 90 °, β = 90 °, γ = 120 °
Trigonal prismatisk (mitt vid C)
Termokemi
39,8 J/(mol · K)
Std molar
entropi
( S o 298 )
32,1 J/mol · K
Relaterade föreningar
Andra anjoner
Volframborid
Volframnitrid
Andra katjoner
Molybdenkarbid
Titankarbid
Kiselkarbid
Om inte annat anges, ges data för material i deras standardtillstånd (vid 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
☒N verifiera  ( vad är   ?) checkY☒N
Infobox -referenser

Volframkarbid ( kemisk formel : WC ) är en kemisk förening (specifikt, en karbid ) innehållande lika delar av volfram och kol atomer. I sin mest grundläggande form är volframkarbid ett fint grått pulver, men det kan pressas och formas till former genom en process som kallas sintring för användning i industrimaskiner , skärverktyg , slipmedel , rustningsgenomträngande skal och smycken .

Volframkarbid är ungefär dubbelt så stel som stål , med en Youngs modul på cirka 530–700 GPa (77 000 till 102 000 ksi) och är dubbelt så stor som stålets densitet - nästan mitt emellan bly och guld . Det är jämförbart med korund (α- Al
2
O
3
) i hårdhet och kan poleras och avslutas endast med slipmedel med överlägsen hårdhet, såsom kubisk bornitrid och diamantpulver, hjul och föreningar.

Namngivning

Historiskt kallat Wolfram, Wolf Rahm , wolframitmalm som upptäcktes av Peter Woulfe kolsyrades sedan och cementerades med ett bindemedel som skapade en komposit som nu kallas "volframkarbid". Volfram är svenska för "tung sten".

I volymen bland arbetare inom olika branscher (t.ex. bearbetning ) kallas volframkarbid ofta helt enkelt hårdmetall.

Syntes

Volframkarbid framställs genom reaktion av volframmetall och kol vid 1400–2000 ° C. Andra metoder inkluderar en lägre temperatur vätskebäddsprocess som reagerar antingen volframmetall eller blå WO
3
med CO/ CO
2
blandning och H
2
mellan 900 och 1200 ° C.

WC kan också produceras genom uppvärmning av WO
3
med grafit: direkt vid 900 ° C eller i väte vid 670 ° C följt av förkolning i argon vid 1000 ° C. Kemiska ångavsättningsmetoder som har undersökts inkluderar:

WCl
6
+ H
2
+ CH
4
→ WC + 6 HCl
WF
6
+ 2  H
2
+ CH
3
OH
→ WC + 6 HF + H
2
O

Kemiska egenskaper

Det finns två väl karakteriserade föreningar av volfram och kol, WC och volframhalvkarbid , W
2
C
. Båda föreningarna kan finnas i beläggningar och proportionerna kan bero på beläggningsmetoden.

En annan metastabil förening av volfram och kol kan skapas genom att värma WC-fasen till höga temperaturer med hjälp av plasma och sedan släcka inert gas (plasma sfäroidisering). Denna process får makrokristallina WC-partiklar att sfäroidisera och resulterar i den icke-stökiometriska högtemperaturfas- WC
1-x
finns i en metastabil form vid rumstemperatur. Den fina mikrostrukturen i denna fas ger hög hårdhet (2800-3500 HV) i kombination med god seghet jämfört med andra volframkarbidföreningar. Den metastabila naturen hos denna förening resulterar i minskad stabilitet vid hög temperatur.

Vid höga temperaturer bryts WC ner till volfram och kol och detta kan inträffa under högtemperatur termisk spray , t.ex. i syrebränsle med hög hastighet (HVOF) och hög energi plasma (HEP) metoder.

Oxidation av WC börjar vid 500–600 ° C (932–1 112 ° F). Den är resistent mot syror och attackeras endast av fluorvätesyra / salpetersyra (HF / HNO
3
) blandningar över rumstemperatur. Den reagerar med fluorgas vid rumstemperatur och klor över 400 ° C (752 ° F) och reagerar inte på torrt H
2
upp till dess smältpunkt. Fint pulveriserat WC oxiderar lätt i vattenhaltiga väteperoxidlösningar . Vid höga temperaturer och tryck reagerar den med vattenhaltig natriumkarbonat som bildar natriumvolframat , ett förfarande som används för återvinning av hårdmetallskrot på grund av dess selektivitet.

Fysikaliska egenskaper

Volframkarbid har en hög smältpunkt vid 2 870 ° C (5 200 ° F), en kokpunkt på 6 000 ° C (10 830 ° F) vid ett tryck som motsvarar 1 standardatmosfär (100 kPa), en värmeledningsförmåga på 110 W · m −1 · K −1 , och en termisk expansionskoefficient på 5,5  µ m · m −1 · K −1 .

Volframkarbid är extremt hård, rankad cirka 9 till 9,5 på Mohs -skala och med ett Vickers -tal på cirka 2600. Den har en Youngs modul på cirka 530–700 GPa, en bulkmodul på 630–655 GPa och en skjuvmodul på 274 GPa. Den har en slutlig draghållfasthet på 344 MPa, en slutlig tryckhållfasthet på cirka 2,7 GPa och ett Poissons förhållande på 0,31.

Hastigheten för en längsgående våg ( ljudets hastighet ) genom en tunn stav av volframkarbid är 6220 m/s.

Volframkarbids låga elektriska resistivitet på cirka 0,2  µ Ω · m är jämförbar med den för vissa metaller (t.ex. vanadin 0,2  µ Ω · m).

WC fuktas lätt av både smält nickel och kobolt . Undersökning av fasdiagrammet för WC-Co-systemet visar att WC och Co bildar en pseudobinär eutektik . Den fas diagram också visar att det finns så kallade r |-karbider med komposition (W, Co)
6
C
som kan bildas och sprödheten i dessa faser gör kontrollen över kolhalten i WC-Co-hårdmetaller viktig. I närvaro av en smält fas, såsom kobolt, är det känt onormal korntillväxt vid sintring av volframkarbid, vilket har betydande effekter på produktmaterialets prestanda.

Strukturera

α-WC-struktur, kolatomer är gråa.

Det finns två former av WC, en sexkantig form, α-WC ( hP2 , rymdgrupp P 6 m2, nr 187) och en kubisk högtemperaturform, β-WC, som har stensaltstrukturen . Den sexkantiga formen kan visualiseras som uppbyggd av ett enkelt sexkantigt galler av metallatomer i skikt som ligger direkt över varandra (dvs inte förpackade), med kolatomer som fyller halva mellanrummen vilket ger både volfram och kol en regelbunden trigonal prismatisk, 6 koordinering . Från enhetscellens dimensioner kan följande bindningslängder bestämmas: avståndet mellan volframatomerna i ett sexkantigt packat lager är 291 pm, det kortaste avståndet mellan volframatomer i angränsande lager är 284 pm och volframkolbindningslängden är 220 pm . Volfram-kolbindningslängden är därför jämförbar med enkelbindningen i W ( CH
3
)
6
(218 pm) där det finns starkt förvrängd trigonal prismatisk koordinering av volfram.

Molekylärt WC har undersökts och denna gasfasart har en bindningslängd på 171 pm för 184
W
12
C
.

Ansökningar

Skärverktyg för bearbetning

Hårdmetallborr och ändfräsar

Sintrade volframkarbid-kobolt- skärverktyg är mycket nötningsbeständiga och kan också stå emot högre temperaturer än standardhöghastighetsstål (HSS) verktyg. Hårdmetallskärytor används ofta för bearbetning genom material som kolstål eller rostfritt stål , och i applikationer där stålverktyg skulle slitas snabbt, till exempel hög kvantitet och högprecision. Eftersom hårdmetallverktygen håller en skarp skärkant bättre än stålverktyg, ger de i allmänhet en bättre finish på delar, och deras temperaturmotstånd möjliggör snabbare bearbetning. Materialet brukar kallas hårdmetall , fast hårdmetall, hårdmetall eller volframkarbidkobolt. Det är en metallmatriskomposit , där volframkarbidpartiklar är aggregatet, och metallisk kobolt fungerar som matrisen.

Ammunition

Volframkarbid, i sin monolitiska sintrade form, eller mycket oftare i cementerad volframkarbidkoboltkomposit (se ovan), används ofta i rustningsgenomborrande ammunition , särskilt när utarmat uran inte är tillgängligt eller är politiskt oacceptabelt. W
2
C-
projektiler användes först av tyska Luftwaffe- tankjägare- skvadroner under andra världskriget . På grund av de begränsade tyska volframreserverna har W
2
C
-material var reserverat för tillverkning av verktygsmaskiner och ett litet antal projektiler . Det är en effektiv penetrator på grund av dess kombination av stor hårdhet och mycket hög densitet.

Volframkarbidammunition är nu generellt av sabottypen . SLAP, eller saboterad lätt pansarpenetrator , där en sabot av plast kastas vid pipens nosparti, är en av de primära typerna av saboterad ammunition med handeldvapen. Icke-kasserade jackor, oavsett jackmaterial, uppfattas inte som saboter utan som kulor. Båda mönstren är emellertid vanliga i utsedd lättpansargenomträngande ammunition för handeldvapen. Kassering av saboter som används med M1A1 Abrams huvudpistol är mer vanligt vid precisionshög hastighet pistolammunition.

Gruvdrift och grundborrning

En Tricone -rullkegla från en höghöjdsreamer som visar de utskjutande volframkarbidknapparna infällda i rullarna

Volframkarbid används omfattande inom gruvdrift i topphammarbergborrkronor, downhole hammare , rull-fräsar , långa väggplog mejslar, långa vägg shearer mejselhammare, Raiseboring brotschar, och fullortsborrmaskin . Det används vanligtvis som en knappinsats, monterad i en omgivande matris av stål som bildar bitens substans. När volframkarbidknappen slits bort slits också den mjukare stålmatrisen som innehåller den, vilket avslöjar ännu mer knappinsatser.

Kärn

Volframkarbid är också en effektiv neutronreflektor och användes som sådan under tidiga undersökningar av kärnkedjereaktioner, särskilt för vapen. En kritikolycka inträffade vid Los Alamos National Laboratory den 21 augusti 1945 när Harry Daghlian av misstag tappade en volframkarbidsten på en plutoniumkula , känd som demonkärnan , vilket fick den subkritiska massan att bli superkritisk med de reflekterade neutronerna .

Sportanvändning

Ett Nokian cykeldäck med volframkarbidspikar. Spikarna är omgivna av aluminium.

Vandringsstavar , som används av många vandrare för balans och för att minska trycket på benfogar, använder vanligtvis hårdmetallspetsar för att få dragkraft när de placeras på hårda ytor (som sten); hårdmetallspetsar håller mycket längre än andra typer av spetsar.

Även om skidstavspetsar i allmänhet inte är gjorda av hårdmetall, eftersom de inte behöver vara särskilt hårda även för att bryta igenom islager, brukar rullskidspetsar vara det. Rullskidor efterliknar längdskidåkning och används av många åkare för att träna under varma vädermånader.

Slipade spikar av hårdmetall (känd som dubbar) kan sättas in i snöskotrarnas drivspår . Dessa dubbar förbättrar dragkraften på isiga ytor. Längre v-formade segment passar in i räfflade stavar som kallas slitstänger under varje skoter. De relativt skarpa hårdmetallkanterna förbättrar styrningen på hårdare isiga ytor. Hårdmetallspetsarna och segmenten minskar slitage när snöskotern måste korsa vägar och andra slipande ytor.

Bil, motorcykel och cykeldäck med volframkarbid dubbar ger bättre grepp på is. De är i allmänhet att föredra framför stålbultar på grund av deras överlägsna slitstyrka.

Volframkarbid kan användas i gårdar , skorning av hästar , för att förbättra dragkraften på hala ytor som vägar eller is. Hårspikar med hårdmetall kan användas för att fästa skorna ; i USA kan borium - flis av volframkarbid i en matris av mjukare metall, såsom brons eller mjukt stål - svetsas till små områden på skons undersida innan det monteras.

Kirurgiska instrument

Volframkarbid används också för att tillverka kirurgiska instrument avsedda för öppen kirurgi (sax, pincett, hemostater, bladhandtag, etc.) och laparoskopisk kirurgi (grepp, sax/skärare, nålhållare, cautery, etc.). De är mycket dyrare än sina motsvarigheter i rostfritt stål och kräver känslig hantering, men ger bättre prestanda.

Smycken

Volframkarbidring

Volframkarbid, vanligtvis i form av hårdmetall (hårdmetallpartiklar hårdlödda av metall), har blivit ett populärt material i brudsmycksindustrin på grund av dess extrema hårdhet och höga motståndskraft mot repor. Även med hög slagfasthet betyder denna extrema hårdhet också att den ibland kan krossas under vissa omständigheter. Vissa anser att detta är användbart, eftersom en påverkan skulle krossa en volframring, snabbt ta bort den, där ädelmetaller skulle böja sig platt och kräva skärning. Volframkarbid är ungefär 10 gånger hårdare än 18k guld. Förutom dess design och höga polering, är en del av attraktionen för konsumenter dess tekniska karaktär. Specialverktyg, till exempel låstång, kan behövas om en sådan ring måste tas bort snabbt (t.ex. på grund av medicinsk nödsituation efter en handskada åtföljd av svullnad).

Övrig

Sfäriskt volframkarbid under svepelektronmikroskop, förstoring x950, Materiallaboratorium

Volframkarbid används i stor utsträckning för att göra den roterande bollen i spetsarna på kulspetspennor som sprider bläck under skrivning.

Volframkarbid är ett vanligt material som används vid tillverkning av mätblock , som används som ett system för att producera precisionslängder i dimensionell metrologi .

Engelska gitarristen Martin Simpson är känd för att använda en skräddarsydd volframkarbid gitarr slide . Slidens hårdhet, vikt och densitet ger den överlägsen hållbarhet och volym jämfört med vanliga glas-, stål-, keramik- eller mässingsglas.

Volframkarbid har undersökts för dess potentiella användning som katalysator och det har visat sig likna platina i dess katalys av produktion av vatten från väte och syre vid rumstemperatur, minskning av volframtrioxid med väte i närvaro av vatten, och den isomerisering av 2,2-dimetylpropan till 2-metylbutan. Det har föreslagits som en ersättning för iridium katalysator i hydrazin drivna satellitraketer .

En volframkarbidbeläggning har använts på bromsskivor i högpresterande fordonsapplikationer för att förbättra prestanda, öka serviceintervallen och minska bromsdammet.

Giftighet

Den primära hälsorisker i samband med volframkarbid avser inandning av damm, vilket leder till silikos -liknande lungfibros . Kobolt-cementerad volframkarbid förväntas också vara ett cancerframkallande ämne av American National Toxicology Program .

Referenser

Citerade källor

externa länkar