Что такое карбид вольфрама?

Карбид вольфрама (твердый сплав)

Спеченные карбиды, или твердые сплавы, как их часто называют, представляют собой материалы, изготовленные путем «цементирования» очень твердых зерен монокарбида вольфрама (WC) в связующей матрице из прочного кобальтового или никелевого сплава методом жидкофазного спекания. Спеченные карбиды сочетают в себе высокую твердость и прочность металлических карбидов (WC, TiC, TaC) или карбонитридов (например, TiCN) с прочностью и пластичностью связующего металлического сплава (Co, Ni, Fe), в котором твердые частицы равномерно распределены, образуя металлический композит. Карбид вольфрама является наиболее металлическим из карбидов и, безусловно, наиболее важной твердой фазой. Чем больше твердых частиц карбида находится в материале, тем он тверже, но тем менее прочным он ведет себя при нагрузке; и, наоборот, значительное увеличение прочности достигается за счет большего количества металлического связующего за счет твердости.

В области инженерных материалов спеченные карбиды играют решающую роль, поскольку они сочетают в себе высокую твердость и прочность с хорошей прочностью в широком диапазоне свойств и, таким образом, представляют собой наиболее универсальную группу твердых материалов для инженерных и инструментальных применений.

Обычно твердый сплав на основе карбида вольфрама может иметь твердость 1600 HV, тогда как мягкая сталь будет в районе 160 HV, что в 10 раз меньше.

Хотя карбид вольфрама называют твердым сплавом, на самом деле это композитный материал с твердыми частицами карбида вольфрама, заключенными в более мягкую матрицу из металлического кобальта.

Химическая формула карбида вольфрама — WC.

Карбид вольфрама получают реакцией металлического вольфрама и углерода при температуре 1400–2000 °C. Другие методы включают запатентованный низкотемпературный процесс в псевдоожиженном слое, который реагирует либо с металлическим вольфрамом, либо с синим WO3 с CO/CO2 смесью и H2 при температуре от 900 до 1200 °C.

Каковы свойства твердого сплава?

Механические свойства:

Механические свойства отражают способность материала выдерживать силу определенного типа, которая, однако, при приложении требует более точного определения. Для ясности существуют различные типы сил, которым оказывается сопротивление, в зависимости от условий нагрузки; для твердых сплавов наиболее важными сопротивлениями в пределах механических свойств являются сопротивление сжатию, растяжению, истиранию, усталости и поперечному разрушению при ударе.

  Физические свойства:

Карбид вольфрама имеет высокую температуру плавления 2870 °C (5200 °F), температуру кипения 6000 °C (10 830 °F) при давлении, эквивалентном 1 стандартной атмосфере (100 кПа), теплопроводность 110 Вт·м⁻¹·К⁻¹ и коэффициент теплового расширения 5,5 мкм·м⁻¹·К⁻¹.

Карбид вольфрама чрезвычайно твердый, его твердость составляет около 9 по шкале Мооса и около 2600 по Виккерсу. Он имеет модуль Юнга приблизительно 530–700 ГПа, объемный модуль 630–655 ГПа и модуль сдвига 274 ГПа. Предел прочности при растяжении составляет 344 МПа, предел прочности при сжатии около 2,7 ГПа, а коэффициент Пуассона — 0,31.

Скорость продольной волны (скорость звука) через тонкий стержень из карбида вольфрама составляет 6220 м/с.

Низкое удельное электрическое сопротивление карбида вольфрама, составляющее около 0,2 мкОм·м, сопоставимо с удельным электрическим сопротивлением некоторых металлов (например, ванадия 0,2 мкОм·м).

WC легко смачивается как расплавленным никелем, так и кобальтом. Исследование фазовой диаграммы системы W-C-Co показывает, что WC и Co образуют псевдобинарную эвтектику. Фазовая диаграмма также показывает, что существуют так называемые η-карбиды с составом (W,Co)6C, которые могут образовываться, и хрупкость этих фаз делает важным контроль содержания углерода в твердых сплавах WC-Co.

Химические свойства:

Существуют два хорошо охарактеризованных соединения вольфрама и углерода, WC и полукарбид вольфрама, W2C. Оба соединения могут присутствовать в покрытиях, и их пропорции могут зависеть от метода нанесения покрытия.

При высоких температурах WC разлагается на вольфрам и углерод, и это может происходить во время высокотемпературного термического напыления, например, в методах высокоскоростного кислородного топлива (HVOF) и высокоэнергетической плазмы (HEP).Окисление WC начинается при температуре 500–600 °C (932–1112 °F). Он устойчив к кислотам и подвергается воздействию только смесей плавиковой кислоты/азотной кислоты (HF/HNO3) выше комнатной температуры. Он реагирует с газообразным фтором при комнатной температуре и хлором выше 400 °C (752 °F) и не реагирует с сухим H2 до температуры плавления. Мелкодисперсный WC легко окисляется в водных растворах перекиси водорода. При высоких температурах и давлениях он реагирует с водным карбонатом натрия с образованием вольфрамата натрия, процедура, используемая для извлечения отработанного спеченного карбида.