Применение сплавов

Это качество металла широко используется для производства:

  • нитей накаливания в приборах освещения;
  • электродов в аргонно-дуговых сварках;
  • элементов нагрева для высокотемпературных вакуумных печей сопротивления;
  • электронно-лучевых трубок в мониторах, осциллографах, на радиолокационных станциях;
  • электронных ламп.

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:

  • сложность механической обработки;
  • при температуре воздуха, превышающей 400°С, образуются оксидные пленки, а при наличии в среде серосодержащих веществ — сульфидные пленки;
  • требуются большие контактные давления для создания даже низкого сопротивления на участке электрического контакта.

Для нейтрализации описанных недостатков материал сплавляют с другими металлами, которые улучшают его свойство. Существует несколько таких соединений:

  1. Стеллит. В его состав, кроме вольфрама, входят кобальт и хром. Напылением или наплавлением он наносится на запчасти машин, инструментов, станков для увеличения износостойкости. Стеллит применяют для производства режущих инструментов.
  2. Быстрорежущие и инструментальные стали, из которых изготавливают сверла, фрезы, штампы. Кроме основных составляющих, указанные соединения могут содержать хром, марганец и кремний.
  3. Контактные сплавы. Легирующими металлами в них служат медь и серебро. Высокая электропроводимость этих материалов увеличивает данный показатель соединений, в которые они входят. Контактные сплавы вольфрама — материал, из которого производят выключатели, рубильники, электроды.
  4. Твердые сплавы. Их основой служит карбид вольфрама — соединение тугоплавкого металла с углеродом. Благодаря этим двум компонентам сплав отличается высокими твердостью и температурой плавления, износостойкостью. Перечисленные характеристики имеют значение для рабочих частей инструментов, используемых в бурении и резке. Массовая доля карбида вольфрама в твердом сплаве составляет 85–95%, оставшиеся проценты показывают содержание кобальта.

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:

  • предел прочности на изгиб — минимум 1 ГПа;
  • модуль Юнга составляет 969 ГПа;
  • предел прочности на сжатие — минимум 9,5 ГПа;
  • плотность достигает 15000–15500 кг/м³;
  • твердость по шкале Роквелла — минимум 90;
  • стойкость к эрозии составляет 0,3–0,8 мкмоль.
сплавы из карбида вольфрама

Изделия из сплавов карбида вольфрама обладают особой прочностью

Использование описанных соединений дает возможность изготовить детали, запчасти, инструменты с нужными техническими характеристиками. В зависимости от последних разнятся и сферы применения.

  1. Для деталей, подвергающихся во время работы большим нагрузкам со стороны сил трения. К ним относятся режущий, буровой и штамповый инструменты. Сплав наносится на поверхность детали. Таким образом, достигаются необходимые уровни прочности и пластичности за счет сглаживания перепадов механических параметров. Например, если материал инструмента мягкий, то уменьшаются механические напряжения в инструменте, а если хрупкий, то появляется защита от поверхностной кромки. Причиной последней служит истирающее воздействие откалывающихся частиц. Полученные с помощью сплава характеристики сохраняются и при высокой температуре. Это объясняется тугоплавкостью вольфрама и углерода.
  2. В качестве антикоррозийного покрытия. В этой технологии твердые сплавы вытесняют хром. Данное обстоятельство обусловлено легкостью нанесения твердых сплавов, возможностью применять их в тяжелых условиях, лучшей защитой от ударной нагрузки и износа по сравнению с хромированием.
  3. В ювелирных изделиях. Применению в этой отрасли сплав на основе карбида вольфрама обязан следующими своими свойствами: не тускнеет с течением времени; не ржавеет; после полировки на поверхности материала не появятся царапины, вмятины.
применение сплавов вольфрама

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.

Предлагаем ознакомиться  Твердость минералов по Шкале Мооса

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.

Именование

Исторически сложилось так называют Вольфрам, Wolf Rahm , вольфрамитового руды , открытой Питер Вулф был потом цементации и сцементированных связующее создание композиционного материала теперь называется «цементированный карбид вольфрама». Вольфрам Швеции «тяжелый камень».

Colloquially среди работников в различных отраслях промышленности (например, обработка и плотницкий ), карбид вольфрама часто называют просто карбидом , несмотря на неточность использования. Среди широкой публики, растущая популярность карбида вольфрама кольца также привела к потребителям призывающих материала вольфрама .

Свойства соединений

Сплавы на основе карбида вольфрама обладают следующими преимуществами:

  • устойчивость к окислению;
  • пластичность, проявляемая под нагрузкой;
  • не вступает в реакцию со многими кислотами;
  • химически малоактивный, поэтому относится к низкотоксичным веществам;
  • отполированный сплав невозможно поцарапать;
  • не бледнеет со временем;
  • тугоплавкость;
  • повышенная твердость, которая не снижается при высоких температурах.
Соединения вольфрама

Сплавы соединения металла вольфрама имеют множество преимуществ

Последние два свойства обусловлены сильными связями между атомами в кристаллах, из которых состоит соединение.

Синтез

Карбид вольфрама получают путем реакции вольфрама металла и углерода при 1400-2000 ° С. Другие способы включают в себя запатентованный процесс с псевдоожиженным слоем с более низкой температурой жидкости , которая реагирует либо металлический вольфрам или синий WO3 с СО / СО2смеси иН2 от 900 до 1200 ° С.

WCl
6
Н
2
СН
4
→ туалет 6 HCl
  • взаимодействие вольфрама гексафторида с водородом ( в качестве восстановителя) и метанола ( в качестве источника углерода) при температуре 350 ° C (662 ° F)
WF
6
2 Н
2
СН
3
ОН
→ WC 6 HF Н
2
O

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:

  1. Литые. Их получают с помощью отливки. Для этого применяют вольфрам (в виде порошка); соединения карбида или его смеси с тугоплавким металлом, содержащие низкий процент углерода. Образованный сплав отличается высокой твердостью и износостойкостью. Но для литых соединений характерна хрупкость, поэтому их не везде можно использовать. Основные сферы применения — производство инструментов для бурения и для волочильных станков, на которых производят проволоку.
  2. Спеченные. Они состоят из карбида вольфрама и соединяющего металла, который выполняет связывающую функцию. В роли последнего часто используют кобальтовый, никелевый, молибденовый материалы.
Предлагаем ознакомиться  Карбид вольфрама обозначение

Химические свойства

Есть два хорошо охарактеризованные соединения вольфрама и углерода, WC и вольфрама полукарбида , W2 С. Оба соединения могут присутствовать в покрытиях и пропорции могут зависеть от способа нанесения покрытия.

При высоких температурах WC разлагается до вольфрама и углерода , и это может происходить во время высокотемпературного термического напыления , например, в топливе высокой скорости кислорода (HVOF) и высокая энергия плазма (HEP) методы.

Окисление туалет начинается при температуре 500-600 ° C (932-1,112 ° F). Он устойчив к воздействию кислот и атакованы только плавиковой кислоты / азотной кислоты (HF / HNO3 ) смеситемпературе выше комнатной. Он вступаетреакцию сфторомгаза при комнатной температуре ихлоравыше 400 ° C (752 ° F) и инертенчтобы высушитьH2 вплоть до его температуры плавления.

Физические свойства

Карбид вольфрама имеет высокую температуру плавления при 2870 ° С (5200 ° F), точка кипения 6000 ° C (10830 ° F) , когда под давление , эквивалентное 1 стандартной атмосфере (100 кПа), теплопроводность 110 Вт · м -1 · К -1 , а коэффициент теплового расширения 5,5  μ м · м -1 · К -1 .

Карбид вольфрама чрезвычайно трудно, занимая около 9 по шкале Мооса , а также с Виккерсу числом около 2600. Она имеет модуль Юнга приблизительно 530-700 ГПа, модуль объемной упругости от 630-655 ГПа, и модуль сдвига 274 ГПа , Это имеет предел прочности на разрыв 344 МПа, предел прочности на сжатие около 2,7 ГПа и коэффициентом Пуассона 0,31.

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

Низкого карбида вольфрама в электрическое удельное сопротивление около 0,2  ц Ом · м сравнима с таковой некоторых металлов (например , ванадия 0,2  ц Ом · м).

WC легко смачиваемые обоими расплавленного никеля и кобальта . Исследование фазовой диаграммы WC-Co системы показывает , что WC и Со образуют псевдо бинарные эвтектики . Фазовая диаграмма также показывает , что существуют так называемые n-карбиды с составом (W, Со)6 Скоторые могут быть сформированы и хрупкость этих фаз делает контроль содержания углерода в WC-Co твердых сплавов важно.

Предлагаем ознакомиться  Карбид титана: производство, состав, назначение, свойства и применение

Состав

Твердость карбида вольфрама

α-WC структура, атомы углерода серого цвета.

Есть две формы туалет, шестиугольной формы, α-WC ( HP2 , пространственная группа Р 6 м2, № 187), а также кубической формы при высокой температуре, β-WC, который имеет структуру каменной соли . Шестиугольная форма может быть представлена как из простой гексагональной решетки из атомов металла слоев , лежащих непосредственно друг над другим (т.е.

не плотно упакованным), с атомами углерода , заполняющих половиной промежутков давая обоихам вольфрама и углерод регулярной тригональную призматическую, 6 координации , От размеров элементарной ячейки следующих длины связей могут быть определены: расстояние между атомами вольфрама в гексагональном упакованный слое составляет 291 мкм, самое короткое расстояние между атомами вольфрама в смежных слоях 284 мкм, а длина вольфрама углерода составляет 220 м , Длина вольфрам-углерод, следовательно , сравнимо с одинарной связью в W ( СН3 )6 (218 мкм)в которых сильно искажается тригональной призматической координации вольфрама.

Молекулярный туалет был исследован и этот газофазных вид имеет длину связи 171 часов для 184W 12C .

Приложения

Твердость карбида вольфрама

Металлокерамические сверла карбида и концевые фрезы

Спеченный карбид вольфрама – кобальт режущие инструменты очень устойчивый к истиранию , а также может выдерживать более высокие температуры , чем стандартный быстрорежущей стали (HSS) инструментов. Твердосплавные режущие поверхности часто используются для обработки с помощью таких материалов, как углеродистой стали или нержавеющей стали , а также в тех случаях , когда стальные инструменты будут быстро изнашиваются, например, высокого количества и производства высокоточного.

Поскольку твердосплавный инструмент поддержания острый режущий край лучше , чем стальные инструменты, они обычно производят более отделку деталей, и их термостойкость позволяет ускорить обработку. Материал обычно называют цементированный карбид , твердый карбидом, или твердосплавный карбид вольфрама-кобальтом. Это композит с металлической матрицей , где частицы карбида вольфрама агрегат, и металлический кобальт служит в качестве матрицы.

амуниция

Карбид вольфрама часто используется в бронебойных боеприпасов , особенно там , где обедненный уран отсутствует или является политически неприемлемым. Тем не менее, это также обычно используют порошок металлургических сплавы вольфрама (в котором порошок металлического вольфрама был сцементированным с металлическим связующим веществом).

W2 Cснаряды были впервые использованы немецкиелюфтваффетанк охотниковэскадрилийВторой мировой войны. Изза ограниченные немецкие запасы вольфрама,W2 Cматериал был зарезервирован для изготовления станков и небольшое количествоснарядов. Это эффективная проникающий благодаря сочетанию высокой твердости и очень высокой плотности.

токсичность

Риски , связанные со здоровьем первичного карбидом вольфрама относятся к вдыханию пыли, что приводят к фиброзу . Кобальт-закрепил карбид вольфрама Предполагается также быть человеком канцерогеном американской Национальной токсикологической программой .

внешняя ссылка