Карбид вольфрама магнитится или нет

Применение высокой температуры плавления вольфрама

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:

• 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.

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.

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:

• 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.

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:

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.

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:

• 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.

Применение сплавов

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.

Именно благодаря синтезу свойств тугоплавкого вольфрама и твердого углерода появилась возможность создать широко востребованный сплав с новыми техническими характеристиками.

Чем режут в XXI веке?

Нож, как одно из первых орудий труда человека, пережил каменный и бронзовый века и прочно закрепился в железном. Со времен первых стальных ножей многое изменилось, но принцип реза остался прежний.

Карбид вольфрама очень износостойкий, но лезвия ножей из него не изготавливают. Его напыляют на режущие кромки, используют в точильных инструментах.

Нож — это полоса стали с клиновидным сечением, заостренным кончиком с одной стороны и рукоятью с другой. Но в наши дни ножи можно делать не только из стали. Давайте посмотрим, из чего и как делают редкие ножи в наши дни.

ДАМАСК
Технология изготовления дамасской стали появилась за несколько веков до нашей эры в нескольких уголках мира независимо друг от друга. Но свое название сталь почему-то получила от города Дамаска, хотя исторически это не совсем оправданно. Дамасская сталь представляет собой смесь нескольких сталей с разным содержанием углерода, в результате чего после травления клинка на нем проступает узор: более темные слои стали (как правило, с большим содержанием углерода) контрастно выделяются на фоне тех, что посветлее. Для получения такого узора кузнец раскаляет в горне несколько пластин сталей разных марок и сковывает их вместе, перекручивает и расплющивает, складывает раскаленную добела заготовку пополам и снова расковывает. Кроме красоты, это имеет и практическую ценность: стали, обладающие отличным резом, зачастую хрупки, а в дамаске они соединены с более вязкими и упругими сталями. Еще более сложным в изготовлении является мозаичный дамаск, при создании которого отдельные кусочки или разные виды дамаска соединяются между собой методом горновой сварки. Опытные кузнецы умудряются таким способом создавать на лезвиях ножей целые картины.

Чтобы получить мозаичный дамаск, кузнец режет на «осколки» уже готовый пакет дамасской стали, собирает из них новую композицию и соединяет кузнечной сваркой в горне.

На любой ножевой выставке-ярмарке найти дамаск несложно. Но как узнать, насколько он хорош? Некоторые мастера позволяют построгать сухую деревяшку тестовым образцом, чтобы покупатель понял, как сталь держит заточку. Плохо, когда кузнец не может сказать, на какую твердость закалена сталь, или назвать ее состав. Добросовестный мастер, если использует стали со своим собственным экспериментальным составом, всегда может назвать ближайшие аналоги марок по содержанию углерода и легирующих добавок или даже предоставит небольшой «паспорт» своего изделия. Кузнецы, дорожащие добрым именем, клеймят свои работы во избежание подделок. Если же ничего этого нет, покупатель рискует взять «дамаск» из перекованной рессоры, гвоздей и гаечных ключей, который едва ли будет лучше советского «кухонника».

БУЛАТ
Булат часто путают с дамаском, но хоть они и идут бок о бок, это разные материалы. Если в дамаске смешивается несколько слоев, то булат имеет более-менее однородный состав. Иногда, правда, в нем могут быть декоративные сегменты, которые добавляются методом горновой сварки, но на режущую кромку они не влияют. Если в дамаске или ножах из обычной инструментальной стали используются привычные составы, то в булате кузнец изобретает свой состав и не может его отлить в большой лист, который потом разрежет на пластины нужной формы. Булат содержит большое количество углерода, и, если такую сталь отлить в форму, она «распадется», углерод «всплывет» на поверхность с частью легирующих добавок, а еще часть осядет на дно. Атомы углерода, соединяясь с атомами железа, образуют цементиты — карбиды железа. В итоге после травления уже готового клинка можно увидеть рисунок на его поверхности: места повышенного содержания углерода имеют другой оттенок. Иногда на клинке проявляется рисунок в виде сетки, иногда видны просто волнообразные линии. Это зависит от того, как расковывали заготовку. Кузнецы между собой даже спорят, какой рисунок практичнее и как лучше ковать заготовку, чтобы вывести к режущей кромке побольше цементита. Его твердость в чистом виде — 74 HRC, что на десяток–полтора единиц выше хорошо закаленной «углеродки». Именно высокое содержание цементита добавляет клинку твердость и «резучесть».

И при этом клинок зачастую обладает пружинными свойствами.
Чтобы получить такие соединения, кузнецы идут на различные хитрости: чередуют нагрев и медленное охлаждение, меняют температуру нагрева и продолжительность, экспериментируют с количеством углерода в заготовке. А поскольку булат на Руси был известен давно, то большинство кузнецов хранят технологии его изготовления в секрете как родовую тайну. В одних случаях это маркетинг, в других — чистая правда. Кузнецы без каких-либо лабораторий и химических анализов, делая все чуть ли не на глаз, по дедушкиному рецепту, получают клинки с твердостью после закалки в 62–64 HRC. Если кузнец действительно талантлив, он никогда не упустит возможности продемонстрировать, на что способно его творение, и измерит твердость клинка при свидетелях.

ТИТАН
Этот ракетный металл, грубо говоря, вдвое легче стали и вдвое тяжелее алюминия, широко используемого в авиации. Абсолютно устойчив к коррозии, хотя на воздухе окисляется и приобретает красивый серый оттенок. Оксид титана защищает поверхность ножа от износа и царапин, подобно какому-либо напылению. Из-за своей устойчивости к повреждениям используется в бронепластинах. Не магнитится, благодаря чему инструменты из него используются саперами. Безусловно, титановые ножи довольно редки и обладают рядом интересных качеств. Но как они режут?

Твердомер Роквелла можно увидеть на оружейных выставках: он позволяет оценить твердость стали по специальной шкале.

Титан для ножей калят до твердости примерно 40–47 HRC, в то время как инструментальные стали закаливаются до 58 HRC. Кроме того, титан очень вязкий металл, и затачивать его проблематично: за точильным камнем постоянно тянется заусенец, из-за которого трудно получить идеально острую режущую кромку (если это и удастся, держаться она будет недолго). Тем не менее из титана делают дайверские ножи. Небольшой вес, устойчивость к поперечным нагрузкам (титановую пластину с большим трудом можно согнуть, но вряд ли она лопнет), антикоррозионные свойства во всем подходят дайверам. При минусовой температуре у титана меньше шансов лопнуть, чем у стали. А при максимальной ножами из титана можно переворачивать дрова в костре, не боясь нарушить закалку. Но режут они все-таки не ахти.

Впрочем, есть один способ заставить титан резать. В США некоторые мастера используют для этого различного рода карбиды, которыми покрывают клинок ножа полоской в несколько миллиметров по всей длине режущей кромки. Точится клинок (а скорее, неспешно правится) лишь с одной стороны. На выходе получается дорогое изделие, рез которого обладает некой шероховатостью и «сухостью». Под микроскопом режущая кромка такого ножа очень напоминает микропилу. По похожему принципу ножи из титана делали и в России.
—Наши мастера в отличие от заокеанских коллег не просто карбидизировали поверхность ножа, а использовали так называемое «глубокое внедрение» их в слой титана, — поделился Алексей Кукин, основатель столичной «Ножевой мастерской». — В итоге карбиды проникали в слой титана на глубину 0,5 мм. Эту сложную процедуру проделывали в лаборатории при институте имени Бочвара. Спуски у ножа были симметричными, двухсторонними. Естественно, были и проблемы с правильной заточкой ножа с заусенцем на кромке. И хоть слой карбидов в 0,5 мм — это большой показатель для титановых ножей, он все же рассчитан на небольшое количество затачиваний. А создание одного такого ножа обходилось в массу времени, усилий и денежных средств. В итоге это был лишь небольшой побочный эксперимент, и вскоре мы полностью вернулись к традиционным материалам.

КЕРАМИКА
Керамические ножи можно встретить сейчас в любом супермаркете или интернет-магазине, чаще всего это кухонные ножи. Заточку они держат средненько, на излом хрупкие, кости рубить ими нельзя — кромка тут же выкрошится. Но из керамики можно делать и хорошие ножи. Так, американский мастер Кевин МакКланг добился потрясающих результатов в изучении керамики. Долгое время он работал старшим материаловедом в American Rocket Company. Позже он основал свою компанию Mad Dog knives (по одной из легенд это произошло после укуса бешеной собаки). ВМС США для спецотрядов закупали ножи Мэд Дог, и в какой-то момент МакКланг предложил военным свой новый продукт — ножи из керамики, которые обладали твердостью около 60 HRC, точились стандартными камнями для заточки, обладали прочностью и даже минимальной гибкостью, чуть уступая пружинной стали, не боялись коррозии, низкой или высокой температуры, химических реагентов, а главное, металлодетекторов. Кроме того, эти ножи не магнитились и были абсолютным диэлектриком. Они неплохо держали заточку, ими можно было рубить древесину, резать, наносить колющие удары. МакКланг посчитал, что такие ножи пригодятся саперам или каким-либо спецотрядам для скрытного ношения. Над таким керамическим композитом он работал без малого семь лет и держал в тайне его состав и способ изготовления. Ему удалось добиться того, что керамика почти не крошилась и лезвие давало сколы лишь при критических нагрузках. По некоторым данным, военные заказали у него несколько монтировок из такого материала и протестировали их с крайней жестокостью: разбивали ими кирпичи, забивали их молотком в дерево, бросали с большой высоты. Монтировки все выдержали, но военные все же не решились закупать их массово — слишком дорого. В результате несколько небольших партий ножей МакКланг продал военным, а еще несколько пустил «гулять» по миру, выставив их на условно-свободную продажу. Купить их по-прежнему могли только представители правоохранительных органов или вооруженных сил при предоставлении удостоверения. Но после такой покупки нож принадлежал покупателю, а не армии. В конце концов МакКевин перестал заниматься керамическими ножами и полностью вернулся к традиционным материалам.

Ножи Уоррена Томаса сделаны из титана и стекловолокна. Ни один даже самый мелкий винт он не делает из стали.

КАРБИД ВОЛЬФРАМА
Карбид вольфрама — один из самых твердых видов керамики, до 90 HRC (даже легендарную японскую высокоуглеродистую сталь ZDP-189 после многоступенчатой термообработки закаливают до твердости около 67 HRC, а твердость алмаза — 100 HRC). Этот материал проявляет недюжинную износостойкость, имеет крайне высокую температуру плавления, мало подвержен окислению. Из него делают бронебойные снаряды и сердечники бронебойных пуль, режущие инструменты для металлообработки, ювелирные украшения или покрытия для дорогих часов (их сложно поцарапать и со временем они не теряют вида недавно купленных часов). Но в чистом виде для изготовления ножей он не используется. Его добавляют в виде порошка во время перековки заготовки. О том, как создаются ножи с повышенным содержанием карбида вольфрама, мы попросили рассказать Владислава Матвеева, потомственного кузнеца.

ЗАКАЛИТЬ ХОЛОДОМ? Помимо материала, состава сплавов, геометрии клинка, большое значение имеет и закалка. Современные методы ушли далеко вперед по сравнению с нагревом в печи и охлаждением в масле. Мастера чередуют нагрев с замораживанием стали, совершают это в аргонной среде, делают зонную закалку. И таких чередований может быть до десяти; но если не знать свойств и состава дамаска, его можно испортить — ведь в нем смешаны разные стали, и методы термообработки у них различны.

— Карбид вольфрама в том виде, который я использую, — это серый порошок, по размеру частиц сопоставимый с обычной мукой, — пояснил Владислав. — Лучше всего для работы с карбидом подходит пружинная сталь, такая как 65Г или 60С2. Она перековывается в кузнице до получения 1500, а то и 3000 слоев. Но в отличие от создания дамаска или просто слоеной стали, заготовку при перековках «на себя» нужно покрывать слоем этого порошка. Тщательно перековав, я процедуру повторяю до тех пор, пока карбид не будет распределен равномерно в металле. Этот материал правильнее будет называть композитом, ведь в нем и карбид, и сталь выполняют определенную роль. Карбид сам по себе дает хрупкость и в чистом виде мало подходит на роль материала для ножа. А в сочетании с пружинной сталью и правильной термообработкой мы получаем довольно гибкий клинок, который при этом неплохо режет.

Самозата­чива­ющийся титановый нож с односторонним напылением карбида вольфрама на режущую кромку.

Механизм реза у таких ножей схож с резом титановых, которые описаны выше. Но есть и различия. Из несущественных — клинок подвержен коррозии, тяжелее титанового, магнитится. Из весомых — его можно точить хоть до самого обуха, но и заточка занимает больше времени по сравнению с обычным ножом. С этими материалами работает мало мастеров, и порой за их изделиями выстраивается очередь.

Вольфрам и карбид вольфрама: что вы должны знать о них.

Вольфрам и карбид вольфрама становятся все более популярными вариантами украшений, особенно когда дело доходит до колец. Давайте взглянем на характеристики этих двух материалов, и посмотрим, что вы должны знать о них при покупке ювелирных изделий.

Что такое вольфрам?

Это — металл, который очень тверд, и плавится при очень высокой температуре. Он также очень плотный, и драгоценности, сделанные из него, на удивление довольно тяжелые.

Благодаря своей долговечности, он является предпочтительным материалом для покупателей, ищущих изделие, которое прослужит очень долго.

Однако физические свойства, делающие этот металл настолько прочным, также являются причиной, по которой ювелиры находят, что с ним относительно трудно работать.

Что такое карбид вольфрама?

Когда вольфрам смешивается с углеродом, получающийся состав называют карбидом вольфрама. Этот материал является даже более прочным.

Карбид вольфрама, используемый в ювелирном деле, обычно смешивается с небольшим количеством никеля.

Мало того, что он является тверже вольфрама, из него также еще более трудно изготавливать кольца или другие ювелирные изделия.

Давайте посмотрим на наиболее важные характеристики этого материала, о которых вы должны знать при покупке:

Гипоаллергенный: не вызывает аллергические реакции при ношении. Несмотря на то, что он обычно содержит немного никеля, этот металл обычно составляет небольшую часть конечного сплава.

Вот почему вы не должны беспокоиться о раздражение кожи, если у вас аллергия на никель и вы планируете носить ювелирные изделия из карбида вольфрама.

Тем не менее, убедитесь, что продавец гарантирует, что ювелирные изделия, которые он предлагает, являются гипоаллергенными. Разные производители имеют различные стандарты того, что их продукты содержат, поэтому никогда не помешает проверить.

Отсутствие царапин: один из самых больших коммерческих аргументов при продаже карбида вольфрама — то, что он защищен от царапин. Очень трудно сделать вмятину или отметку на вольфрамовом кольце при нормальных обстоятельствах.

Чрезвычайная прочность карбида вольфрама означает, что если у вас есть украшение, изготовленное из этого материала, ему очень долго не потребуется полировка, и оно не потеряет свой блеск с течением времени, в отличие от золота или серебра.

Многие компании, продающие драгоценности из этого сплава, гарантируют, что их продукция не поцарапается, и предлагают заменить ее, если вы заметите какие-либо царапины.

Не может быть изменен: кольца из этого материала не могут быть изменены.

Вот почему вы должны тщательно выбирать свой размер, чтобы убедиться, что кольцо сидит не слишком плотно или слишком свободно.

Если, однако, размер вашего пальца изменился со временем, вы можете обменять свое вольфрамовое кольцо на кольцо другого размера: некоторые производители предлагают такой вариант, так что не забудьте проверить это при покупке.

Карбид вольфрама по сравнению с вольфрамом.

Люди часто используют термины вольфрам и карбид вольфрама взаимозаменяемо. Однако есть различия в свойствах этих двух материалов.

Во-первых, вольфрам легче царапается.

Кольца, изготовленные только из него, не очень устойчивы к царапинам, так что вы не должны ожидать, что они со временем останутся такими же блестящими.

Во-вторых, вольфрамовые ювелирные изделия часто содержит кобальт, в то время как карбид вольфрама, как правило, смешан с никелем. Проблема заключается в том, что, когда кобальт вступает в контакт с кожей, металл может вызвать раздражение.

Кроме того, кобальт может окислиться и заставить ваши драгоценности изменить цвет.

Советы при покупке украшений.

Первое, что вы должны сделать при покупке вольфрамовых ювелирных изделий, это убедиться, что вы знаете, из чего состоит изделие, которое вам предлагают.

Как вы уже видели, эти два материала отличаются по прочности и химическому составу. Если вы ищете долговечность, убедитесь, что ювелирные изделия, которые вы покупаете, сделаны именно из карбида вольфрама.

Вы должны также спросить о всех других металлах, которые содержит определенное вольфрамовое изделие.

Существуют некоторые драгоценности, которые являются более дешевыми, и часто причиной является то, что они содержат кобальт вместо никеля (мы уже говорили, почему кобальт не является предпочтительным).

Даже если драгоценности маркированы как «карбид вольфрама», вы все равно должны это проверить, поскольку некоторые изделия могут быть сделаны с кобальтом: необычно низкая цена — один из признаков того, что это так.

В целом, избегайте покупать вольфрамовые драгоценности, если нет указания, что они содержат. Между прочим, это правило распространяется на любые украшения, которые вы покупаете.

Карбид вольфрама

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/см 3 .

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.

Получение

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.

1. Его применяют для выпуска деталей большой коррозионной и износоустойчивости и твердости: фрез, абразивных материалов, резцов, сверл, долот и т. д.
2. Рассматриваемое соединение применяют для наплавки и газотермического напыления с целью повышения износостойкости путем создания твердой поверхности.
3. Карбид вольфрама служит материалом для часовых браслетов, пулевых и снарядных сердечников, ювелирных изделий и т. д.

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.