Карбид вольфрама

Карбид вольфрама (монокарбид вольфрама, WC) — бинарное соединение вольфрама с углеродом. Содержание углерода — 6,13 % по массе, состав строго стехиометрический: при нормальных условиях область гомогенности отсутствует. Внешне — серый порошок с металлическим блеском, нерастворимый в воде. По совокупности твёрдости, жёсткости и тугоплавкости WC занимает одно из ведущих мест среди карбидных материалов.

Состав, кристаллическая структура и способы получения

Монокарбид вольфрама кристаллизуется в гексагональной сингонии (пространственная группа P–6m2). Параметры элементарной ячейки: a ≈ 0,290 нм, c ≈ 0,284 нм. Кристаллы WC проявляют анизотропию твёрдости в различных кристаллографических плоскостях — это учитывают при проектировании режущего инструмента. При высоких температурах существует метастабильная кубическая модификация (γ-WC), которая в промышленных порошках не встречается. Параллельно в системе W–C существует полукарбид W₂C с несколько иными свойствами и температурным диапазоном устойчивости.

Промышленный способ получения WC — восстановление оксида вольфрама до металлического порошка с последующим карбидированием сажей или углеводородными газами при 1300–1600 °C в среде водорода. Реже применяют прямое насыщение вольфрама углеродом, газофазное химическое осаждение (CVD) и электролиз расплавов солей — эти методы используются для специальных применений.

Физические и механические свойства карбида вольфрама

Основные физические характеристики

Параметр	Значение
Молярная масса	195,85 г/моль
Плотность (теоретическая)	15,63 г/см³
Температура перитектического разложения	~2720 °C
Коэффициент линейного теплового расширения	3,84–3,9 · 10⁻⁶ K⁻¹
Температура Дебая	493 К

Пояснение по температуре плавления. WC не имеет конгруэнтной точки плавления в обычном смысле: при ~2720 °C происходит перитектическое разложение на жидкую фазу и W₂C. Эвтектическая смесь WC + W₂C (литой карбид вольфрама, или релит) плавится при 2735 °C — именно этот состав используют в наплавочных технологиях.

Твёрдость и механические характеристики карбида вольфрама

Параметр	Значение
Твёрдость по Виккерсу (HV)	~2000–2200 HV
Твёрдость по Роквеллу	92–94 HRA
Твёрдость по Моосу	9
Модуль упругости (Юнга)	530–700 ГПа
Прочность на сжатие	5–7 ГПа

Модуль упругости WC — один из наиболее высоких среди карбидных материалов, что обеспечивает исключительную жёсткость изделий при циклических нагрузках. Твёрдость WC значительно превышает твёрдость закалённой инструментальной стали и карбидов хрома и железа, сохраняясь в широком диапазоне температур.

Электрические свойства

Параметр	Значение
Удельное электрическое сопротивление (20 °C)	19,2 ± 0,3 мкОм·см
Удельная электропроводность	~52 200 Ом⁻¹·см⁻¹
Температурный коэффициент сопротивления (20–1500 °C)	+0,495 · 10⁻³ K⁻¹
Работа выхода электрона (поликристалл)	3,5–4,0 эВ

По электропроводности WC приближается к металлам: удельное сопротивление сопоставимо с рядом металлических сплавов. Это позволяет применять карбид вольфрама при электроэрозионной обработке и в составе контактных и эмиссионных материалов.

Химическая стойкость карбида вольфрама

При комнатной температуре WC устойчив к серной, соляной, ортофосфорной и хлорной кислотам, а также к их смесям. Вместе с тем порошок монокарбида вольфрама практически полностью растворяется в кипящей концентрированной азотной кислоте и кипящей серной кислоте. Смесь HF/HNO₃ разрушает WC при комнатной температуре — это необходимо учитывать при выборе сред эксплуатации. Щелочи умеренной концентрации при комнатной температуре WC не разрушают.

Окисление на воздухе начинается при 500–520 °C для тонкодисперсного порошка и около 595 °C — для крупнофракционного материала. При 700 °C скорость окисления составляет порядка 8,3 мг/(см²·ч); при 800 °C процесс становится интенсивным с образованием летучего оксида вольфрама WO₃ и CO. При температурах эксплуатации выше 500 °C карбид вольфрама требует защитной атмосферы или применяется в составе сплавов с защитной матрицей (например, WC–Co или WC–Cr).

Применение карбида вольфрама в промышленности

Твёрдые сплавы и металлорежущий инструмент

Основное направление потребления WC — производство металлокерамических твёрдых сплавов методом порошковой металлургии. Порошок монокарбида вольфрама смешивается со связующим металлом (кобальт, никель, хром), прессуется и спекается при температурах 1300–1500 °C. Полученный композит сочетает твёрдость WC с вязкостью металлической матрицы. Основные изделия: пластины и монолитный инструмент для точения, фрезерования и сверления, буровые коронки и долота. Подробнее о порошковых смесях на основе вольфрама и кобальта — в разделе вольфрам-кобальтовая смесь.

Износостойкие покрытия и наплавка

Порошок WC и литой карбид вольфрама (релит — эвтектика WC + W₂C) применяют для нанесения износостойких покрытий методами газотермического напыления (HVOF, HVAF) и наплавки. Покрытия на основе WC–Co устойчивы к абразивному износу, скольжению и ударным нагрузкам при температурах до ~510 °C. Метод HVAF позволяет получать более плотные покрытия с меньшим содержанием оксидов: температура горения ниже 2000 °C, частицы нагреваются, не расплавляясь полностью, что сохраняет фазовый состав.

Типичная область применения — торцевые уплотнения валов насосов, работающих в абразивных средах, а также детали, подверженные интенсивному истиранию при умеренных ударных нагрузках.

Прочие области применения

Военная техника. Сердечники бронебойных снарядов и крупнокалиберных пуль: высокая плотность (~15,6 г/см³) в сочетании с твёрдостью обеспечивает пробивную способность.

Потребительские изделия. Шарики шариковых ручек высокого класса, корпуса и браслеты часов, кольца и иные изделия — за счёт твёрдости, стойкости к царапинам и характерного металлического вида.

Химическая промышленность. WC используется в качестве носителя и активного компонента каталитических систем в ряде реакций гидрирования и электрохимического синтеза.

Среди карбидов переходных металлов WC выделяется сочетанием высокой жёсткости и металлической электропроводности. Для сравнения, карбид титана TiC термически устойчив до ~3140 °C, однако имеет меньшую плотность и уступает WC по твёрдости в реальных технических условиях эксплуатации.

Формы поставки карбида вольфрама

Карбид вольфрама поставляется в виде порошка различной дисперсности — от субмикронного (менее 1 мкм) до крупнозернистого (десятки микрон). Гранулометрический состав выбирается исходя из технологических требований: мелкодисперсный порошок используют для спекания плотных изделий с минимальной пористостью, крупнозернистый — для наплавки и термического напыления. Возможна поставка литого карбида вольфрама (релита) в виде крошки.

Запрашивайте по e-mail.