Что такое цементированный карбид
«Что такое карбид вольфрама?» Спрашивали? Отвечаем!
Что общего у дорог, по которым мы ездим, бутылки кетчупа, банки колы и сделанного на заказ обручального кольца?
Помимо вышеперечисленного почти все, чем мы пользуемся, а в некоторых случаях даже одежда, попадает под разряд вещей, создание которых так или иначе связано с инструментами из карбида вольфрама. Начиная от пресс-форм и резцов, используемых для изготовления таких вещей, как туалетные принадлежности, бутылки и банки с колой, до износостойких предметов, применяемых при производстве продуктов – кетчупа, соуса для спагетти и т.д. Сюда также входят дорожно-строительные буры для вскрытия асфальта и цемента на дорогах, сверла и концевые фрезы для резания металла при изготовлении автомобильных деталей, например, блоков цилиндров, поршней, тормозов, колес и т.д. Все эти вещи связывает карбид вольфрама.
Что такое карбид вольфрама?
«Карбид вольфрама» часто используется как общий термин для обозначения композитного материала, содержащего твердые частицы карбида вольфрама в сочетании с более мягким металлическим связующим материалом, служащим для удержания частиц на месте. Это очень твердый и плотный материал, применяемый в основном для придания формы другим материалам в процессе ковки, механической обработки и т.д.
Слева (карбид вольфрама и кобальт), справа (бетон)
Карбид вольфрама широко известен под названием «цементированный карбид» за схожесть по внешнему виду с бетоном (см. рисунок).
На рисунке можно видеть, что камни (смесь) напоминают карбид вольфрама, в то время как цемент, удерживающий эту смесь, напоминает кобальт, никель или железо, используемые для связывания карбида вольфрама.
Знаете ли Вы, что… прочность карбида вольфрама при сжатии, когда под воздействием силы атомы прижимаются друг к другу, является самой высокой по сравнению с любым известным нам материалом?
Карбид вольфрама коренным образом изменил возможность механической обработки металлов, таких как сталь, титан и никелевые сплавы, для создания сложных деталей, которые помогли проложить путь для технической революции последних 100 с лишним лет.
Каковы свойства карбида вольфрама?
В сочетании с высокой теплопроводностью, чрезвычайно высокой прочностью (особенно при сжатии), и невероятно высокой жесткостью карбид вольфрама является лучшим материалом для всех типов инструментов для обработки металлов давлением и резанием.
Свойства карбида вольфрама также придают необходимые характеристики изнашиваемым деталям, таким как крупногабаритные матрицы и штампы, которые используются при создании синтетических алмазов. Этот процесс требует чрезвычайно высокого давления и не менее высоких температур, что делает карбид вольфрама единственным подходящим материалом.
Знаете ли Вы, что… компания Kennametal была основана в 1938 году в связи с изобретением технологии по улучшению свойств карбида вольфрама, позволившей значительно увеличить производительность обработки стали?
Выдающиеся свойства карбида вольфрама включают твердость, приближенную к твердости алмаза – самого твердого материала, известного человеку. Помните, мы приводили в пример обручальное кольцо, сделанное на заказ? Обручальные кольца и другие виды вольфрамовых ювелирных изделий на самом деле состоят именно из карбида вольфрама. Обладая высокой стойкостью к деформации, кольцо из карбида вольфрама отличается не только непревзойденной прочностью, но и защитой от царапин.
Как же формируется карбид вольфрама?
Вам интересно, из чего же на самом деле состоит этот редкий, чрезвычайно плотный металлокерамический материал с очень высокой температурой плавления? Хорошие новости: мы разберем этот вопрос в следующий раз.
Мы рассмотрим шаг за шагом весь процесс изготовления карбида вольфрама:
Цементированные карбиды
Основное применение вольфрама (в виде карбида вольфрама) находится в производстве твердых сплавов. После открытия Шееле «Вольфрама» в 1781 году, потребовалось еще 150 лет, прежде чем усилия его преемников привели к применению карбида вольфрама в промышленности.
Цементированные карбиды или тяжелые металлы, как их часто называют, являются материаламм, изготовленными «цементированием» твердых монокарбидных вольфрамовых зерен в связующей матрице металла кобальта посредством жидкофазного спекания.
Получаемый материал сочетает в себе высокую прочность, жесткость и высокую твердость.
Начало производства продукции из вольфрама можно отнести к ранним 1920-м годам, когда немецкая компания по производству электрических ламп нашла альтернативу в вольфрамовой проволоке для затратных алмазных волочильных матриц.
Так был получен твердый сплав. Особенно важна была его высокая износостойкость.
Благодаря добавлению карбида титана и тантала были улучшены износостойкость, стабильность к окислению.
Вскоре началась революция в производстве горнодобывающих инструментов. Вольфрамовые инструменты увеличили срок службы инструементов по сравнению со стальными раз в десять.
Параллельно с этим, новые фрезерные порошки, распылительная сушка и спекание привели к улучшению свойств твердосплавов. Следует отметить, что постоянное совершенствование вакуумной технологии спекания и, начиная с конца 1980-х, горячие изостатические спекания (SinterHIP) привели к новым стандартам в качестве твердосплавных материалах.
Спектр доступных размеров зерен WC колебался от 2,0 до 5,0 мкм в твердосплавной промышленности в середине 1920-х годов, в настоящее время размер зерна WC порошков находится в диапазоне от 0,15 мкм до 50 мкм, или даже 150 мкм для некоторых очень специальных применений.
Области применения цементированных карбидов
Первые субмикронные твердые сплавы были запущены на рынок в конце 1970-х, с этого времени, микроструктуры таких твердых сплавов стновились тоньше и тоньше. Твердость и износостойкость таких сплавов увеличивается с уменьшением размера зерна WC.
Основные применения: от горнодобывающей промышленности до электроники.
Основные данные для различных WC-Co и
WC-(W,Ti,Ta,Nb)C-Co классов жестких металлов
Класс
(wt%)
Твердость
HV30
Поперечная прочность на разрыв
(N × мм-2)
Цементированный карбид
СОДЕРЖАНИЕ
Состав [ править ]
Процесс соединения карбидных частиц со связующим называется спеканием или горячим изостатическим прессованием.(БЕДРО). Во время этого процесса связующее в конечном итоге перейдет в жидкую фазу, а зерна карбида (с гораздо более высокой температурой плавления) останутся в твердой фазе. В результате этого процесса связующее встраивает / скрепляет зерна карбида и, таким образом, создает композит с металлической матрицей с его отчетливыми свойствами материала. Металлическая связка с естественной пластичностью служит для компенсации характерного хрупкого поведения карбидной керамики, тем самым повышая ее прочность и долговечность. Контролируя различные параметры, включая размер зерна, содержание кобальта, дотацию (например, карбиды сплавов) и содержание углерода, производитель карбида может адаптировать характеристики карбида к конкретным применениям.
Физические свойства [ править ]
Приложения [ править ]
Вставки для резки металла [ править ]
Вставить покрытия [ править ]
Вставки для горных инструментов [ править ]
Валки для горячего и холодного проката [ править ]
С середины 1960-х годов сталелитейные заводы по всему миру применяли твердый сплав в валках своих прокатных станов как для горячей, так и для холодной прокатки труб, прутков и проката.
Другие промышленные применения [ править ]
Эта категория содержит бесчисленное количество приложений, но ее можно разделить на три основные области:
Некоторые ключевые области, в которых используются детали из цементированного карбида:
Непромышленное использование [ править ]
Ювелирные изделия [ править ]
Карбид вольфрама стал популярным материалом в индустрии свадебных украшений из-за его чрезвычайной твердости и высокой устойчивости к царапинам. Из-за своей хрупкости он склонен к сколам, трещинам или расколам в ювелирных изделиях. Однажды сломанная, не подлежит ремонту.
История [ править ]
Во время Второй мировой войны в Германии ощущалась нехватка вольфрама. Было обнаружено, что вольфрам в карбиде режет металл более эффективно, чем вольфрам в быстрорежущей стали, поэтому, чтобы сэкономить на использовании вольфрама, для резки металла в максимально возможной степени использовались карбиды.
То, что считалось «прекрасным» в одно десятилетие, считалось не таким уж хорошим в следующем. Таким образом, в первые годы размер зерна в диапазоне 0,5–3,0 мкм считался прекрасным, но к 1990-м годам наступила эра нанокристаллического материала с размером зерна 20–50 нм.
Победить [ править ]
Победит обычно получают методом порошковой металлургии в виде пластин разной формы и размеров. Производственный процесс заключается в следующем: мелкий порошок карбида вольфрама (или другого тугоплавкого карбида) и мелкий порошок связующего материала, такого как кобальт или никель, смешиваются, а затем прессуются в соответствующие формы. Прессованные пластины спекаются при температуре, близкой к температуре плавления связующего металла, что дает очень плотное и твердое вещество.
Пластины из этого сверхтвердого сплава применяются для изготовления металлорежущего и сверлильного инструмента; они обычно припаиваются к наконечникам режущих инструментов. Последующая термообработка не требуется. Вставки победита на концах сверл по-прежнему очень распространены в России.
Есть ли у вас базовые знания о материалах из цементированного карбида?
Марки простого цементированного карбида
Чистую марку можно разделить на C1-C4 в системе брендов C и на бренды K, N, s и H в системе брендов ISO. Простые марки с промежуточными характеристиками могут быть классифицированы как общие марки (такие как C2 или K20), которые могут использоваться для токарной, фрезерной, строгальной и резки в воке; марки с меньшим размером зерна или более низким содержанием кобальта и более высокой твердостью могут быть классифицированы как отделочные марки (такие как C4 или K01); марки с большим размером зерна или более высоким содержанием кобальта и лучшей вязкостью могут быть классифицированы как марки грубой обработки (такие как C1 или K30).
Марки микрокристаллического цементированного карбида
Благодаря строгой идентификации качества различных сырьевых материалов при производстве порошкового цементированного карбида и строгому контролю условий процесса спекания, чтобы предотвратить образование аномальных крупных зерен в микроструктуре материала, мы можем получить соответствующие свойства материала. Чтобы сохранить мелкий и однородный размер зерна, переработанный порошок можно использовать только тогда, когда сырье и процесс переработки могут полностью контролироваться и может проводиться тщательный контроль качества.
Микрокристаллическая марка может быть классифицирована по серии марок в системе ISO. Кроме того, другие методы классификации в системе брендов C и ISO соответствуют системам чистого бренда. Микрокристаллический сорт может быть использован для изготовления инструментов для резки более мягких материалов, потому что поверхность таких инструментов может быть обработана очень гладко и может поддерживать очень острую режущую кромку.
Микрокристаллические инструменты могут также использоваться для обработки суперсплавов на никелевой основе, поскольку они могут выдерживать температуру резания до 1200 ℃. Для обработки суперсплавов и других специальных материалов использование микрокристаллических резцов и рутенийсодержащих резцов чистого сорта может одновременно улучшить их износостойкость, сопротивление деформации и ударную вязкость. Микрокристаллические марки используются для создания вращающегося инструмента (например, бурового долота), который будет создавать напряжение сдвига. Один вид долота изготовлен из цементированного карбида композитного сорта. Содержание кобальта в материале отличается в определенной части одного и того же бита, поэтому твердость и ударная вязкость бита оптимизируются в соответствии с потребностями обработки.
Марки цементированного карбида
25% тенденция диффузии WC к поверхности стального стружки может быть снижается. При добавлении не более 25% карбида тантала (TAC) и карбина (NBC) можно повысить прочность, износостойкость и ударопрочность инструмента. Добавление такого кубического карбида также может улучшить красную твердость инструмента, что помогает избежать термической деформации инструмента при резке с большой нагрузкой или других процессах, где режущая кромка будет создавать высокую температуру. Кроме того, карбид титана может обеспечить зародышеобразование и улучшить равномерность распределения кубического карбида в заготовке.
Вообще говоря, диапазон твердости цементированного карбида легированного типа составляет 91 ～ 94HRA, а прочность на поперечное разрушение составляет 1 ～ 2 кПа (150 ÷ 300кси). По сравнению с чистым типом износостойкость типа сплава хуже, а прочность ниже, но износостойкость клея лучше. Оценки сплавов можно разделить на C5-C8 в системе оценок C и P и M в системе оценок ISO. Марки сплавов с промежуточными свойствами можно классифицировать как универсальные (например, C6 или P30), которые можно использовать для токарной обработки, нарезания резьбы, строгания и фрезерования. Высочайшие классы твердости могут быть классифицированы как чистовые (например, C8 и P01) для чистовой обработки и набивки. Эти марки обычно имеют меньший размер зерна и более низкое содержание кобальта для получения требуемой твердости и износостойкости. Однако аналогичные свойства материала могут быть получены путем добавления большего количества кубических карбидов. Сорта с лучшей ударной вязкостью можно классифицировать как грубой обработки (например, C5 или P50). Эти сорта обычно имеют средний размер частиц и высокое содержание кобальта, и добавление кубического карбида меньше, чтобы получить требуемую ударную вязкость путем ингибирования роста трещин. При прерывистом точении производительность резания может быть дополнительно улучшена за счет применения кобальтовой марки с высоким содержанием кобальта на поверхности режущего инструмента.
Чтобы соответствовать техническим и экономическим требованиям производителей инструментов, порошок цементированного карбида является ключевым элементом. Порошок, предназначенный для обрабатывающего оборудования и технологических параметров изготовителя инструмента, может обеспечить производительность готовой детали и привести к появлению сотен марок цементированного карбида. Характеристики переработки материалов из цементированного карбида и способность работать напрямую с поставщиками порошка позволяют производителям инструмента эффективно контролировать качество своей продукции и стоимость материалов.
Карбид вольфрама: свойства и обработка сплава
Карбиды представляют один из классов углеродных неорганических соединений. Они весьма распространены, а наибольшее применение имеют карбиды тугоплавких металлов, в том числе карбид вольфрама (формула WC либо W2C). Данный материал представлен углеродно-вольфрамовым соединением с массовой долей первого элемента 6,1%.
Свойства
Рассматриваемое вещество представлено серым порошком в двух кристаллографических вариантах: с кубической (полукарбид) и гексагональной (монокарбид) решетками. Обе модификации встречаются в температурном диапазоне 2525 — 2755°С.
Вторая фаза ввиду отсутствия области гомогенности при отклонении от стехиометрического состава образует графит или переходит в W2C, а при температуре более 2755°С разлагается до углерода и первой фазы.
Последняя отличается обширной областью гомогенности, сокращающейся при снижении температуры.
Монокарбид вольфрама менее тверд в сравнении с полукарбидом, но способен формировать кристаллы. Второй вариант значительно более температуро- и износоустойчив. К тому же он способен к внедрению в твердые растворы.
Карбид вольфрама отличается хрупкостью, но под влиянием нагрузки проявляет пластичность полосами скольжения.
Кристаллы рассматриваемого вещества характеризуются анизотропией твердости от 13 до 22 ГПа на разных кристаллографических плоскостях.
По сравнению со сталями карбид вольфрама прочнее, но более хрупок и менее подвержен обработке.
Монокарбид имеет температуру плавления 2870°C, кипения — 6000°C. Его молярная теплоемкость равна 35,74 Дж/(моль-*К), теплопроводность — 29,33 кДж/моль. Плотность карбида вольфрама данного типа составляет 15,77 г/см3.
Несмотря на то, что температура плавления большая, термостойкость рассматриваемого материала низка. Это обусловлено отсутствием термического расширения ввиду жесткой структуры. При этом карбид вольфрама характеризуется высокой теплопроводностью. С повышением температуры данный параметр у монокарбида возрастает вдвое быстрее, чем у полукарбида.
Кольцо из карбида вольфрама
Рассматриваемые материалы имеют хорошую электропроводность, особенно полукарбид (в 4 раза выше, чем монокарбид).
Удельное электросопротивление возрастает с повышением температуры, но при этом снижается упругость. Это обуславливает обрабатываемость электрофизическими методами.
Так, при введении источника тепла в области обработки возрастает температура, способствуя размеренному разрушению структуры материала.
Твердость определяется температурой формирования карбидов в вольфрамовом порошке и (в меньшей степени) их пористостью.
С ростом температуры увеличивается подвижность атомов составляющих соединения элементов, вследствие чего устраняются дефекты в зернах. Анизотропия параметров карбидов вольфрама меньше, чем для металлов.
К тому же данные материалы отличаются наилучшей для тугоплавких металлов упругостью, которая увеличивается с ростом пористости. Однако пластичность низкая (до 0,015%).
Микроструктура карбида вольфрама
Карбид вольфрама характеризуется стойкостью к многим кислотам, а также их смесям при обычной температуре, но растворим в некоторых кислотах при кипении. Не подвержен растворению в 20% и 10% гидроксиде натрия. Ввиду высокой летучести оксида вольфрама начинает окисляться при 500 — 700°C и завершает окисление при более 800°C.
Наконец, ввиду химической инертности данное соединение нетоксично.
Существует несколько методов получения рассматриваемого соединения.
Первый — углеродное насыщение вольфрама. В результате на поверхности вольфрамовых частиц образуется монокарбид. Из него диффундирует углерод, формируя слой полукарбидного состава.
Для данных работ применяют вольфрамовый порошок и сажу. Данные материалы смешивают в определенном соотношении, наполняют ими, утрамбовывая, емкости и ставят в печь. Во избежание окисления операцию производят в водородной среде, так как в результате взаимодействия данного элемента с углеродом при 1300°С формируется ацетилен.
Рассматриваемая технология предполагает формирование карбида вольфрама преимущественно за счет углерода. Температурный режим определяется гранулометрическим составом порошка. Так, для мелкозернистого используется температурный интервал 1300 — 1350°С, для крупнозернистого — 1600°С. Длительность выдержки равна 1 — 2 ч.
В завершении получается карбид вольфрама, представленный немного спекшимися блоками.
Второй вариант — углеродное восстановление вольфрамового оксида с карбидизацией. Данный метод предполагает совмещение карбидизации и восстановления. Процесс идет в среде CO и водорода.
Кроме того, карбид вольфрама получают из газовой фазы путем осаждения. Такое производство предполагает разложение при 1000°С карбонила вольфрама.
Восстановление вольфрамовых соединений с карбидизацией. Данную операцию осуществляют путем нагрева в водородной среде смеси паравольфрамата аммония либо вольфрамового ангидрида и вольфрамовой кислоты при 850 — 1000°С.
Наконец, выращивают кристаллы данного соединения из расплава. При этом используют смесь из Co и 40% монокарбида. Ее расплавляют при 1600°С в тигле из оксида алюминия. После гомогенизации температуру постепенно (1 — 3°С/мин) снижают до 1500°С и выдерживают 12 ч. Далее материал охлаждают и в кипящей соляной кислоте растворяют матрицу.
Кроме того, большие монокристаллы (до 1 см) выращивают по методу Чохральского.
Применение
Благодаря приведенным выше свойствам, существует несколько сфер применения карбида вольфрама.
Применение карбида вольфрама
Оптимальным температурным режимом для предметов из него считают диапазон 200 — 300°С. Упругость данного материала обеспечивает его применение при знакопеременных нагрузках.
Сплавы
Ввиду плохой обрабатываемости карбид вольфрама применяют не в чистом виде, а создают сплавы с ним. Наиболее распространены твердые варианты с кобальтом. Также встречаются более сложные сплавы, включающие карбид тантала и титана. При этом вольфрам в любом случае преобладает, составляя 70 — 98%.
Ввиду высокой температуры плавления при создании сплавов рассматриваемого материала не используют такие технологии, как легирование, плавление и смешение, так как они нерентабельны. Вместо этого применяется порошковая металлургия.
Принцип данного метода состоит в использовании порошков основного металла и примеси. При этом они значительно отличаются температурой плавления. Их смешивают барабанно-шаровой мельницей и прессуют в близкую к целевой форму.
Ей придают монолитность путем спекания при температуре, меньшей точки плавления основного металла. Далее приведена последовательность выполнения.
Порошок карбида вольфрама измельчают до гранул целевого размера, предварительно увлажнив. Данный параметр определяется назначением материала, так как обуславливает конечные параметры изделий. Далее порошок смешивают со связующим веществом, представленным, например, кобальтом либо прочими металлами, и восковой мягкой смазкой, служащей для скрепления гранул после брикетирования.
После этого порошок сушат в распылительной или вакуумной сушилке, удаляя большую часть влаги. С целью улучшения текучести полученных гранул производят пеллетизацию, придавая им шарообразную форму.
Существует несколько технологий придания порошку формы. Наиболее распространены среди них литье под давлением и прессование. Новейшим методом является 3D-печать. В завершении формирования частицы скреплены связующим восковым веществом.
Далее форму подвергают нагреву. В результате удаляется восковый загуститель, а гранулы тугоплавкого металла скрепляются частицами расплавленного связующего металла после охлаждения.
В рассматриваемом случае тугоплавким металлом является карбид вольфрама.
Параметры конечного материала определяются долей связующего вещества: чем его больше, тем выше износостойкость и прочность, чем меньше — тем больше твердость и хрупкость.
По завершении спекания предмет подвергают конечной обработке в виде шлифовки и т. д. К тому же на изделия из карбида вольфрама нередко наносят дополнительное защитное покрытие.
Вольфрамокобальтовые сплавы характеризуются минимальным напряжением на срез, значительной зависимостью параметров от доли кобальта, плохой обрабатываемостью. Первая особенность обуславливает неуместность таких материалов для применения в условиях сдвиговых деформаций.
Из-за плохой подверженности обработке перед использованием заготовки из них пластифицируют либо спекают. Наличие кобальта повышает эксплуатационные температуры карбидов вольфрама до 700 — 800°С. По данному параметру они превосходят все марки сталей, кроме жаропрочных.
Следует отметить, что, в отличие от чистого карбида вольфрама, его соединения в некоторых соотношениях с кобальтом токсичны.
Карбид вольфрама
Карбиды – класс неорганических соединений химических элементов с углеродом. И, хотя самым распространённым из карбидов является цементит – основная структурная составляющая любой стали, наибольшее практическое применение получили всё же карбиды тугоплавких металлов – тантала, титана, и особенно вольфрама.
Состав карбидов вольфрама
Карбиды металлов считаются одними из наиболее тугоплавких веществ, причём с увеличением порядкового веса этот показатель возрастает.
В частности, именно сочетание карбида вольфрама с кобальтом в различных процентных соотношениях образует целый класс инструментальных материалов особо высокой прочности и износостойкости – твёрдых сплавов.
Дело в том, что углерод образует с вольфрамом два разных химических соединения – монокарбид вольфрама WC и полукарбид вольфрама W2C. Первый из них менее устойчив и твёрд, однако, обладая способностью образовывать кристаллы в расплаве вольфрама, уже с 1923 г. применяется как составляющая часть разнообразных минералокерамических композиций. В противоположность монокарбиду вольфрама его двоюродный «брат» полукарбид вольфрама имеет значительно большую температурную стойкость, а также может легко внедряться в твёрдые растворы WC с другими металлами – железом, кобальтом и др. Кроме того, полукарбид вольфрама имеет чрезвычайно высокую износостойкость. Таким образом, в технике находят применение оба вида карбидов.
Таким образом, в сравнении с наиболее прочными сталями карбид вольфрама обладает значительно более высокими прочностными показателями, но, с другой стороны, он и более хрупок, а также отличается пониженной обрабатываемостью.
Поэтому в чистом виде рассматриваемые соединения не используются, а являются основной составляющей частью твёрдых сплавов. Наиболее часто используются твёрдые сплавы, в состав которых, кроме карбида вольфрама, входит кобальт. Получили применение и более сложные сочетания, с карбидами титана и тантала. Тем не менее, составляющая карбида вольфрама во всех этих случаях остаётся преобладающей: от 98 до 70%.
Область применения
Твёрдые сплавы как основной вид использования карбидов вольфрама.
С
пецифическая область применения карбида вольфрама в составе твёрдых сплавов – наплавка слоя повышенной износостойкости на детали, испытывающие при своей эксплуатации повышенные нагрузки от сил трения. Это имеет особое значение для бурового, режущего и штампового инструмента. Стойкость такого инструмента заметно увеличивается вследствие того, что карбид вольфрама, как твёрдая составляющая в менее прочной металлической матрице, способствует формированию микроструктуры с благоприятным сочетанием прочности и пластичности.
Объясняется это следующим. Карбидная фаза сглаживает перепады в механических характеристиках изготовленной детали.
Применительно к инструментальным материалам это означает, что при обработке сравнительно мягких материалов снижается уровень возникающих в инструменте напряжений, в то время как при обработке более хрупких изделий обеспечивается надёжное предохранение поверхностной кромки инструмента от абразивного воздействия откалывающихся микрочастиц.
Данная особенность сохраняется, независимо от температуры на контакте, поскольку карбид вольфрама образован двумя высокотемпературными составляющими – тугоплавким вольфрамом и самым тугоплавким из неметаллов – углеродом.
Твердые сплавы вольфрамокобальтовой группы характеризуются следующими особенностями:
Свойства карбидов вольфрама
При высоких значениях температуры плавления, термостойкость карбидов вольфрама – достаточно низкая.
Объясняется такое противоречие просто: кристаллическая структура и WC, и W2С – весьма жёсткая, поэтому термическое расширение практически отсутствует.
С другой стороны карбид вольфрама обладает значительной теплопроводностью, причём для WC этот параметр с повышением температуры возрастает вдвое интенсивнее, чем у W2С.
Оптимальным диапазоном температур эксплуатации деталей, изготовленных из карбидов вольфрама, считается 200…3000С. С увеличением процентного содержания кобальта в твёрдых сплавах (до 20…25%) допустимые температуры эксплуатации возрастают до 700…8000С, превышая температуростойкость всех известных марок сталей (за исключением жаропрочных).
Карбиды вольфрама – соединения с хорошей электропроводностью, причём для WC этот показатель выше, чем у W2C, практически в 4 раза. Удельное электросопротивление карбидов вольфрама растёт при повышении температуры. Пропорционально этому, кстати, падают показатели упругости.
Именно поэтому карбиды вольфрама хорошо обрабатываются электрофизическими методами: локальное введение высококонцентрированного источника тепла (дуга, искра, электрический импульс) повышает температуру в зоне обработки и способствует размерному разрушению структуры рассматриваемых соединений.
С точки зрения практического применения для карбидов вольфрама большее значение имеют их механические показатели – твёрдость и хрупкость. Получаемая в итоге микротвёрдость зависит в основном от температуры, при которой в вольфрамовом порошке формируются карбиды (менее — от степени их пористости). При повышении температуры дефекты в зёрнах залечиваются, поскольку возрастает подвижность атомов вольфрама и углерода. Поэтому конечная микротвёрдость соединений возрастает. При этом анизотропия свойств выражается значительно меньше, чем аналогичный показатель для металлов. Это упрощает предварительное ориентирование заготовки перед её обработкой.
Упругость карбидов вольфрама – максимальная для своего класса соединений тугоплавких металлов с углеродом, причём она возрастает с увеличением пористости. Это обстоятельство важно для изделий (в химсоставе которых присутствуют карбиды вольфрама), работающих в условиях знакопеременных нагрузок.
Пластичность карбидов вольфрама крайне низка, и не превышает 0,015%.
Нанесение защитного слоя на деталь
Вследствие описанных выше факторов, при покрытии карбидами вольфрама поверхности деталей возрастают не только их износостойкость, но также стойкость против эрозии и окалины.
Фактор хрупкости снимается за счёт чрезвычайно малой толщины наносимого карбидсодержащего слоя, который в большинстве случаев не превышает десятков микрон.
Такой способ применения карбидов вольфрама более целесообразен: наличие пластичной подложки основного металла снижает чувствительность поверхности от вредного воздействия циклически возникающих рабочих нагрузок, в то время, как высокая поверхностная твёрдость способствует стойкости против износа. Сокращается и расход металлов/сплавов.
Практический диапазон толщины покрытий, содержащих карбиды вольфрама – 100…250 мкм.
Применяются следующие методы нанесения поверхностных покрытий из карбида вольфрама:
При газопламенном напылении мелкодисперсный порошок карбида расплавляется теплом кислородно-ацетиленового пламени, температура в факеле которого достигает 20000С.
Скорость движения частиц в газовом потоке достигает 150…200 м/с, вследствие чего они приобретают большую кинетическую энергию.
Она позволяет частицам легко внедряться в микропустоты на поверхности основного металла, а застывая там, образовывать прочное покрытие.
Технология газопламенного напыления обладает существенным недостатком. Наличие кислорода в пламени способствует частичному выгоранию углерода. Поэтому более качественными процессами напыления, являются технологии с применением плазмы.
Высокотемпературная (более 50000С) плазма исключает попадания в зону обработки даже атомарного кислорода, поэтому химсостав конечного карбидсодержащего слоя полностью соответствует исходному. Кроме того, производительность плазменного напыления выше, чем газопламенного, т.к.
в последнем случае рабочую камеру периодически приходится очищать от остатков выделившегося углерода методом аргонной откачки.
При детонационном напылении деталь помещают в подвижную среду, где находятся взвешенные частицы карбидов вольфрама. Объём герметизируется, после чего среда поджигается. Возникающие в результате высокие температуры резко увеличивают скорость перемещения взвешенных частиц, которые равномерным слоем откладываются на поверхности детали.
Применение высокой температуры плавления вольфрама
Вольфрам — самый тугоплавкий металл
Вольфрам занимает первое место среди тугоплавких металлов. Температура плавления вольфрама достигает 3387ºС. Это дает возможность применять материал в тех случаях, когда условия работы включают повышенную температуру. Благодаря этому свойству вольфрам не начнет переходить в жидкое состояние тогда, когда другие металлы уже расплавятся.
Применение тугоплавкости вольфрама
Это качество металла широко используется для производства:
Вакуумные лампы в большинстве отраслей заменены на полупроводники, кроме производства высоковольтного, мощного, высокочастотного оборудования, а также космической техники. Наряду с преимуществами, тугоплавкий металл имеет и недостатки:
Для нейтрализации описанных недостатков материал сплавляют с другими металлами, которые улучшают его свойство. Существует несколько таких соединений:
Карбиды вольфрама
Твердые сплавы рассмотрим более подробно. Тугоплавкий металл может образовывать разные карбиды: полукарбид и монокарбид. Они отличаются способностью растворять в себе тугоплавкие металлы и взаимодействием с разными кислотами.
Вольфрам — металл имеющий разные карбиды
Также монокарбид уступает поликарбиду в устойчивости и твердости.
А к преимуществам монокарбида можно отнести способность к образованию кристаллов в расплавленном вольфраме, что дает возможность использовать его в минералокерамических изделиях.
Полукарбид обладает большей устойчивостью к температурам, легкостью внедрения в твердые растворы монокарбида с другими металлами (феррумом, кобальтом), повышенной износоустойчивостью.
Свойства соединений
Сплавы на основе карбида вольфрама обладают следующими преимуществами:
Сплавы соединения металла вольфрама имеют множество преимуществ
Последние два свойства обусловлены сильными связями между атомами в кристаллах, из которых состоит соединение.
Технологии изготовления
Есть несколько способов получения твердых сплавов: восстановление оксида вольфрама углеродом с дальнейшей карбидизацией; электролиз расплавленных солей; осаждение из газовой фазы; восстановление соединений тугоплавкого металла с дальнейшей карбидизацией; выращивание из расплава монокристаллов карбида вольфрама; насыщение тугоплавкого металла углеродом. Наибольшее распространение получила последняя технология. Твердые сплавы бывают двух видов:
Сплавы на основе карбида вольфрама
Помимо значительной твердости, для указанных соединений характерна хрупкость и плохая обрабатываемость.
В связи с этим чистый карбид вольфрама применяется редко в основном он входит в состав твердых сплавов, в которых еще содержатся кобальт, титан, тантал, но массовая доля карбида при этом остается наибольшей — 70–98%. Технические характеристики твердого сплава, содержащего 98% карбида вольфрама:
Изделия из сплавов карбида вольфрама обладают особой прочностью
Применение сплавов
Использование описанных соединений дает возможность изготовить детали, запчасти, инструменты с нужными техническими характеристиками. В зависимости от последних разнятся и сферы применения.
Вольфрам — металл сплав которого применяется в разных сферах жизни человека
Именно благодаря синтезу свойств тугоплавкого вольфрама и твердого углерода появилась возможность создать широко востребованный сплав с новыми техническими характеристиками.
Карбид вольфрама: как обрабатывается?
Что такое карбид вольфрама и для чего он вообще нужен? Это композит из твердых частиц, которые соединены более мягкими стальными элементами как связующим материалом. Это твердый сплав, и чаще всего он нужен для мехобработки или ковки других металлов.
Скажу несколько слов о главных свойствах материала: 
По свойствам карбид вольфрама находится на втором месте после алмаза.
Почему умение работать с таким сырьем является довольно востребованным навыком? Материал становится все более популярным в силу свой потрясающей устойчивости к износу. Его часто используют в качестве покрытий деталей или инструментов для металлообработки. Из сплава делают сердечники для снарядов.
Даже шарики для шариковых ручек бывают из карбида вольфрама.
Особенности обработки карбида вольфрама
Специальную жидкость можно применять только при шлифовании – это позволит избежать выщелачивания кобальта. Преимущество средства в универсальности. Оно подходит для всех дисков и типов шлифования.
Видео Инструмент из вольфрама
Карбид вольфрама: что это, где используется, как обрабатывается?
Что такое карбид вольфрама и для чего он вообще нужен? Это композит из твердых частиц, которые соединены более мягкими стальными элементами как связующим материалом. Это твердый сплав, и чаще всего он нужен для мехобработки или ковки других металлов.
Скажу несколько слов о главных свойствах материала:
По свойствам карбид вольфрама находится на втором месте после алмаза.
Почему умение работать с таким сырьем является довольно востребованным навыком? Материал становится все более популярным в силу свой потрясающей устойчивости к износу. Его часто используют в качестве покрытий деталей или инструментов для металлообработки. Из сплава делают сердечники для снарядов.
Даже шарики для шариковых ручек бывают из карбида вольфрама.
Особенности обработки карбида вольфрама
Специальную жидкость можно применять только при шлифовании – это позволит избежать выщелачивания кобальта. Преимущество средства в универсальности. Оно подходит для всех дисков и типов шлифования.
Видео Инструмент из вольфрама
«Что такое карбид вольфрама?» Спрашивали? Отвечаем!
Что общего у дорог, по которым мы ездим, бутылки кетчупа, банки колы и сделанного на заказ обручального кольца?
Помимо вышеперечисленного почти все, чем мы пользуемся, а в некоторых случаях даже одежда, попадает под разряд вещей, создание которых так или иначе связано с инструментами из карбида вольфрама. Начиная от пресс-форм и резцов, используемых для изготовления таких вещей, как туалетные принадлежности, бутылки и банки с колой, до износостойких предметов, применяемых при производстве продуктов – кетчупа, соуса для спагетти и т.д. Сюда также входят дорожно-строительные буры для вскрытия асфальта и цемента на дорогах, сверла и концевые фрезы для резания металла при изготовлении автомобильных деталей, например, блоков цилиндров, поршней, тормозов, колес и т.д. Все эти вещи связывает карбид вольфрама.
Что такое карбид вольфрама?
«Карбид вольфрама» часто используется как общий термин для обозначения композитного материала, содержащего твердые частицы карбида вольфрама в сочетании с более мягким металлическим связующим материалом, служащим для удержания частиц на месте. Это очень твердый и плотный материал, применяемый в основном для придания формы другим материалам в процессе ковки, механической обработки и т.д.
Слева (карбид вольфрама и кобальт), справа (бетон)
Карбид вольфрама широко известен под названием «цементированный карбид» за схожесть по внешнему виду с бетоном (см. рисунок).
Каковы свойства карбида вольфрама?
В сочетании с высокой теплопроводностью, чрезвычайно высокой прочностью (особенно при сжатии), и невероятно высокой жесткостью карбид вольфрама является лучшим материалом для всех типов инструментов для обработки металлов давлением и резанием.
Свойства карбида вольфрама также придают необходимые характеристики изнашиваемым деталям, таким как крупногабаритные матрицы и штампы, которые используются при создании синтетических алмазов. Этот процесс требует чрезвычайно высокого давления и не менее высоких температур, что делает карбид вольфрама единственным подходящим материалом.
Знаете ли Вы, что… компания Kennametal была основана в 1938 году в связи с изобретением технологии по улучшению свойств карбида вольфрама, позволившей значительно увеличить производительность обработки стали?
Выдающиеся свойства карбида вольфрама включают твердость, приближенную к твердости алмаза – самого твердого материала, известного человеку.
Помните, мы приводили в пример обручальное кольцо, сделанное на заказ? Обручальные кольца и другие виды вольфрамовых ювелирных изделий на самом деле состоят именно из карбида вольфрама.
Обладая высокой стойкостью к деформации, кольцо из карбида вольфрама отличается не только непревзойденной прочностью, но и защитой от царапин.
Как же формируется карбид вольфрама?
Вам интересно, из чего же на самом деле состоит этот редкий, чрезвычайно плотный металлокерамический материал с очень высокой температурой плавления? Хорошие новости: мы разберем этот вопрос в следующий раз.
Мы рассмотрим шаг за шагом весь процесс изготовления карбида вольфрама:
Не пропустите следующие статьи.
Источник материала: перевод статьи
“What is Tungsten Carbide?” You Asked, We Answered,
Kennametal
Свойства карбидов металлов (гафния, хрома, титана, вольфрама и др.)
Представлены сведения о химических и физических свойствах карбидов металлов: таких, как гафний, хром, титан, вольфрам и других. Физические свойства карбидов сведены в отдельные таблицы, в которых указана их плотность, твердость, температура плавления и кипения, а также электрические и тепловые свойства.
Карбид гафния GfC
В таблице приведены свойства карбида металла гафния. Карбид гафния представляет собой соединение серого цвета с температурой плавления 3890°С и высокой плотностью, которая при комнатной температуре составляет 12600 кг/м3. Энергия кристаллической решетки GfC равна 117,2·105 кДж/кмоль.
Карбид гафния полностью растворяется в ортофосфорной, азотной и серной кислотах. При температуре около 2000°С он начинает взаимодействовать с тугоплавкими металлами — такими, как молибден, вольфрам, тантал и ниобий.
| Молекулярная масса | 190,5 |
| Тип решетки | Кубическая |
| Плотность, кг/м3 | 12600 |
| Температура плавления, °С | 3890±150 |
| Температура кипения, °С | 4160 |
| Средний ТКЛР в интервале 20-1200°С, α·106, град-1 | 6,1 |
| Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град) | 35,3 |
Теплопроводность карбида гафния с нулевой пористостью при температуре 300°С равна 9,2 Вт/(м·град). При нагревании коэффициент теплопроводности GfC увеличивается. Удельная теплоемкость карбида гафния относительно невысока и при росте температуры слабо увеличивается.
| Удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг·град) | 251 | 251 | 255 | 268 | 281 | 297 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град) | 9,2 | 10 | 11,7 | 13,8 | 15,9 | 17,2 |
Карбиды хрома
Таблица содержит физические свойства карбидов хрома различного состава. Соединения с формулой Cr23C6 и Cr3C2 имеют серый цвет; Cr7C3 — серебристый.
Карбиды хрома Cr23C6 и Cr7C3 нерастворимы в царской водке. После длительного нагрева при 730…870°С карбид Cr7C3 превращается в Cr23C6. Карбид Cr3C2 нерастворим в воде. Изделия из него также практически нерастворимы в кислотах, их смесях и растворах щелочей. Однако, он может взаимодействовать с цинком при температуре 940°С. Температура начала окисления Cr3C2 составляет 900…1000°С.
| Молекулярная масса | 220 | 1265 | 400 | 180 |
| Тип решетки | Кубическая | Кубическая | Гексагональная | Ромбическая |
| Плотность, кг/м3 | — | 6970 | 6920 | 6680 |
| Температура плавления, °С | 1520 | 1550 | 1700±50 | 1890 (разлаг.) |
| Средний ТКЛР в интервале 20-800°С, α·106, град-1 | — | 10,1 | 10 | 10,3 |
| Удельная массовая теплоемкость при 20°С, Дж/(кг·град) | — | 493 | 523 | 546 |
| Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град) | — | 84 | 209 | 98 |
| Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град) | — | 18,7 | 16,6 | 16,2 |
Карбид титана TiC
Карбид титана TiC представляет собой соединение светло-серого цвета с металлическим блеском. Он химически инертен при комнатной температуре: плохо растворяется в кислотах, их смесях и некоторых щелочах в холодном и нагретом состояниях.
При высоких температурах (выше 2500°С) начинает реагировать с азотом. При взаимодействии с водородом обезуглероживается. Кроме того, окисляется углекислым газом при температурах выше 1200°С. Температура активного окисления карбида титана составляет 1100…1200°С.
Область температурной устойчивости TiC достигает 3140°С, он высокостоек в расплавленных легкоплавких металлах и металлах типа меди, алюминия, латунях, чугунах и сталях. Степень черноты карбида титана равна 0,9 (при длине волны 0,655 мкм).
| Молекулярная масса | 59,9 |
| Тип решетки | Кубическая |
| Плотность, кг/м3 | 4930 |
| Температура плавления, °С | 3147±50 |
| Температура кипения, °С | 4305 |
| Твердость по шкале Мооса | 8-9 |
| Средний ТКЛР в интервале 20-2700°С, α·106, град-1 | 9,6 |
| Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град) | 33,7 |
| Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град) | 842 |
| Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град) | 34…39 |
| Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м | 60 |
Карбиды вольфрама W2C и WC
Карбиды вольфрама W2C и WC представляют собой соединения серого цвета. Область температурной устойчивости для W2C составляет до 2750°С; для WC — до 2600°С.
Тонкий порошок WC быстро окисляется на воздухе при 500…520°С. Температура начала окисления грубого порошка WC составляет 595°С.
При 700°С изменение массы карбида вольфрама WC в результате часового окисления составляет 8,3 мг/(см2·ч).
При комнатной температуре порошок карбида вольфрама практически не растворяется в сильных концентрированных кислотах. Однако он почти полностью растворим в кипящих H2SO4 и HNO3. При температуре 940°С WC слабо взаимодействует с расплавом цинка.
W2C
WC
Карбид кальция CaC2
В таблице приведены физические свойства карбида кальция CaC2. По своим оптическим свойствам химически чистый карбид кальция — большие, почти бесцветные кристаллы с голубоватым оттенком. Технический CaC2 в зависимости от степени чистоты имеет серый, коричнево-желтый или черный цвет.
Предел температурной устойчивости для карбида кальция равен 2300°С. При температуре 20°С он полностью растворяется в воде (с выделением ацетилена) и концентрированной соляной кислоте.
| Молекулярная масса | 64,1 |
| Тип решетки | Тетрагональная, кубическая |
| Плотность, кг/м3 | 2100 |
| Температура плавления, °С | 2300 (разлаг.) |
| Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град) | 960 |
| Молярная теплоемкость при 25°С, кДж/(кмоль·град) | 61,3 |
Карбид циркония ZrC
Карбид циркония представляет собой соединение серого цвета с металлическим блеском. Он химически инертен при комнатной температуре: плохо растворяется в концентрированных кислотах, их смесях и некоторых щелочах, как в холодном, так и нагретом состоянии. Карбид циркония нерастворим в воде, однако взаимодействует с азотом с образованием нитридов.
Температура активного окисления ZrC составляет 1100…1200°С, область температурной устойчивости — до 3530°С. Карбид циркония стоек в расплавах меди и медных сплавов, стали, чугуна и легкоплавких металлов.
| Молекулярная масса | 103,2 |
| Тип решетки | Кубическая |
| Плотность, кг/м3 | 6730 |
| Температура плавления, °С | 3530 |
| Температура кипения, °С | 5100 |
| Твердость по шкале Мооса | 8-9 |
| Средний ТКЛР в интервале 20-1100°С, α·106, град-1 | 6,74 |
| Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град) | 61,1 |
| Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град) | 456 |
| Коэффициент теплопроводности при 0°С, Вт/(м·град) | 42 |
| Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м | 50 |
Карбиды ниобия Nb2C и NbC
В таблице даны физические свойства карбидов ниобия Nb2C и NbC. Плотный карбид ниобия NbC имеет серовато-коричневый или бледно-лиловый металлический цвет. Порошок NbC имеет фиолетовый оттенок.
Карбиды ниобия при комнатной температуре химически инертны, обладают высокой химической стойкостью к действию кислот и их смесей даже в нагретом состоянии. Однако, они растворимы в смеси плавиковой и азотной кислоты.
При нагревании на воздухе NbC слегка обезуглероживается. До температуры 2500°С он устойчив в атмосфере азота. Температура активного окисления карбида ниобия составляет 900…1000°С. Область температурной устойчивости — до 3890°С. Он стоек в расплавах металлов (Cu, Al), имеет высокую твердость по шкале Мооса.