Carbură de tungsten
| Carbură de tungsten | |
|---|---|
 | |
| Caracteristici generale | |
| Formula moleculară sau brută | toaleta |
| Masa moleculară ( u ) | 195,86 |
| Aspect | solid lucios negru-gri |
| numar CAS | Numărul CAS nu este valid |
| Numărul EINECS | 235-123-0 |
| PubChem | 2724274 |
| ZÂMBETE | [C-]#[W+] |
| Proprietăți fizico-chimice | |
| Densitate (g / cm 3 , în cs ) | 15,63 [1] |
| Solubilitate în apă | practic insolubil [1] |
| Temperatură de topire | 2 785 ° C (3 058 K) [1] |
| Temperatura de fierbere | 6 000 ° C (6 273 K) [1] |
| Informații de siguranță | |
Carbură de tungsten este anorganic carburii cu formula WC. În condiții normale, acest compus apare ca o pulbere gri-neagră inodoră, utilizată industrial pentru sinterizarea carburilor cimentate . Aceste materiale se numără printre cele mai greu cunoscute substanțe [2] [3] și sunt utilizate în mașini industriale, unelte de tăiat , abrazive , alte unelte și instrumente, gloanțe și bijuterii . Tungstenul și carbonul pot forma, de asemenea, subcarbura W 2 C și alte faze nestechiometrice.
fundal
Carbura de tungsten a fost obținută pentru prima dată de Henri Moissan în 1893 prin reacția acidului tungstic și a cărbunelui în cuptorul său cu arc electric. [4] Producția industrială de scule pe bază de carbură de tungsten a început aproximativ douăzeci de ani mai târziu [3] și primul brevet a fost emis în 1925. [5]
Sinteză
Carbura de tungsten se prepară în principal prin carburare, prin reacția tungstenului metalic cu negru de fum sau grafit la 1400-2000 ° C, într-o atmosferă de hidrogen sau sub vid. Mărimea boabelor din produsul final depinde atât de condițiile utilizate, cât și de materia primă ( acid tungstic sau paratungstat de amoniu ) utilizate pentru obținerea tungstenului metalic. [6] [7]
Alte procese mai puțin importante includ reacția WO 3 și procesele de carbon, [8] și gaz-solide, în care carbonul este furnizat de monoxid de carbon sau metan . [6]
Au fost de asemenea descrise metode care utilizează depunerea chimică a vaporilor începând de la WCl 6 și WF 6 : [9]
- WCI 6 + H 2 + CH 4 → WC + 6 HCI
- WF 6 + 2 H 2 + CH 3 OH → WC + 6 HF + H 2 O
Structura
Cea mai comună structură cristalină a WC din carbură de tungsten este cea hexagonală prezentă la temperatura camerei, numită α-WC: grup spațial P 6 m2, cu constante de rețea a = 291 pm și c = 284 pm . [6] Această formă hexagonală poate fi vizualizată ca straturi de rețele hexagonale simple de atomi de tungsten suprapuse unul pe celălalt (adică nu cu ambalaje compacte ), în timp ce atomii de carbon ocupă jumătate din interstiții, astfel încât atât tungstenul, cât și carbonul au o trigonală de 6 coordonări prisma. [10]
La temperaturi mai ridicate, WC dă naștere la alte forme cristaline stabile. Subcarbura W 2 C există, de asemenea, în diferite modificări structurale. [3]
Proprietăți fizice
Carbura de tungsten are un punct de topire de 2 785 ° C (3 058 K) [1] o conductivitate termică de 121 W m −1 K −1 [6] și un coeficient de expansiune termică de 5,2x10 - 6 K −1 . [6]
Carbura de tungsten este un material extrem de dur, clasându-se în jurul valorii de 9 pe scara Mohs și în jur de 2600 pe scara Vickers . [11] Are un modul Young de aproximativ 700 GPa, [6] un modul de compresibilitate de 630-655 GPa [3] și un modul de forfecare de 274 GPa. [3]
Din punctul de vedere al utilizării în carburi cimentate, cele mai relevante proprietăți fizice ale WC sunt duritatea, modulul Young și coeficientul de dilatare termică, precum și mărimea granulelor materialului. [3] [6]
Reactivitate
Carbura de tungsten apare ca o pulbere de culoare gri cu un luciu metalic, practic insolubil în apă și acizi diluați, dar solubil în amestecuri de acid azotic și fluorhidric . [6] În soluție apoasă este ușor oxidat de peroxid de hidrogen . [12] WC-urile solide sunt atacate de fluor la temperatura camerei și de clor peste 400 ° C. În aer se oxidează la peste 600 ºC. [6]
Aplicații
Carbura de tungsten este prea fragilă și necesită temperaturi de topire sau de sinterizare prea mari pentru a fi folosite pure. [3] Pentru utilizări practice, este combinat cu metale de tranziție, în principal cobalt sau nichel, prelucrându-l din pulberi, cu tehnici de sinterizare la temperaturi între 1200-1500 ºC. Compusul rezultat este un material ceramic-metalic numit carbură cimentată, metal dur sau widia (din germanul wie diamant , ca diamant, datorită caracteristicii sale speciale de duritate). Aproximativ 50% din carburile cimentate sunt fabricate din carbură de tungsten și cobalt și conțin 70-95% WC. [6]
Pentru a obține metal dur, pot fi adăugate și alte elemente precum cromul sau tantalul , pentru a preveni creșterea boabelor de carbură, acționând ca inhibitori. Carburile de tungsten și pulberile metalice sunt supuse în trei etape:
- Măcinare, pentru a amesteca împreună pulberi de diferite calități și a crea un amestec omogen de pulberi.
- Încălzirea la 100 ° C cu adăugarea de liant ( cobalt ) pentru a forma o masă solidă grație unirii boabelor.
- Sinterizare între 1200 și 1600 ° C, pentru a permite cobaltului să se topească, să sudeze boabele și să elimine porozitatea .
Informații privind toxicitatea / siguranța
Carbidul solid de tungsten nu este considerat periculos în conformitate cu reglementarea CLP . Riscurile pentru sănătate sunt legate de inhalarea prafului care poate provoca fibroza pulmonară. Datele disponibile sugerează că daunele se datorează în principal cobaltului prezent în carbura cimentată. [1]
Notă
- ^ a b c d e f GESTIS 2018
- ^ Housecroft și Sharpe 2008
- ^ a b c d e f g h Kurlov și Gusev 2013
- ^ Moissan 1893
- ^ Schröter și Jenssen 1925
- ^ a b c d e f g h i j Tulhoff și Stark 2002
- ^ Lengauer și Eder 2006
- ^ Lassner și Schubert 2002
- ^ Pierson 1992
- ^ Wells 2012
- ^ Groover 2010 , p. 56 .
- ^ Nakajima și colab. 1999
Bibliografie
- GESTIS, Carbide de tungsten , pe gestis-en.itrust.de , 2018. Accesat la 5 septembrie 2018 . Pagina de carbură de tungsten din baza de date GESTIS.
- (EN) MP Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems , ediția a IV-a, John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-0470-467008 .
- ( EN ) CE Housecroft și AG Sharpe, Chimie anorganică , ediția a III-a, Harlow (Anglia), Pearson Education Limited, 2008, ISBN 978-0-13-175553-6 .
- ( EN ) AS Kurlov și AI Gusev, Carburi de tungsten: structură, proprietăți și aplicații în metalele dure , Cham, Springer, 2013, ISBN 978-3-319-00524-9 .
- ( FR ) H. Moissan, Preparation au four électrique de quelches métaux réfractares: tungstène, molybdène, vanadium , in Compt. Rupe. , vol. 116, 1893, pp. 1125-1227.
- ( EN ) E. Lassner și W.-D. Schubert, tungsten, aliaje de tungsten și compuși de tungsten , în Enciclopedia Ullmann de chimie industrială , Wiley-VCH, 2002, DOI : 10.1002 / 14356007.a27_229 .
- ( EN ) W. Lengauer și A. Eder, Carbides: Transition Metal Solid-state Chemistry , în Encyclopedia of Inorganic Chemistry , ediția a II-a, John Wiley & Sons, 2006, DOI : 10.1002 / 9781119951438.eibc0032.pub2 , ISBN 9780470862100 .
- ( EN ) H. Nakajima, T. Kudo și N. Mizuno, Reacția metalului, carburii și azoturii de tungsten cu peroxid de hidrogen caracterizat prin rezonanță magnetică nucleară de 183 W și spectroscopie Raman , în Chem. Mater. , vol. 11, n. 3, 1999, pp. 691–697, DOI : 10.1021 / cm980544o .
- (EN) HO Pierson, Handbook of Chemical Vapor Deposition (CVD): Principles, Technology, and Applications, Noyes, 1992, ISBN 0-8155-1300-3 .
- ( EN ) K. Schröter și W. Jenssen, Tool and die ( PDF ), în brevetul SUA , 1.551.333. , brevetat la 25 august 1925.
- ( EN ) H. Tulhoff și HC Stark, Carbides , în Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry , Wiley-VCH, 2002, DOI : 10.1002 / 14356007.a05_061 .
- ( EN ) AF Wells, Structural Inorganic Chemistry , ed. A V-a, Oxford University Press, 2012, ISBN 0199657637 .
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe Tungsten Carbide
