碳化鎢

碳化鎢

由鎢和碳組成的化合物
碳化鎢(Tungsten Carbide)是一種由鎢和碳組成的化合物,為黑色六方晶體,有金屬光澤,硬度與金剛石相近,為電、熱的良好導體。碳化鎢不溶于水、鹽酸和硫酸,易溶于硝酸-氫氟酸的混合酸中。純的碳化鎢易碎,若摻入少量钛、钴等金屬,就能減少脆性。用作鋼材切割工具的碳化鎢,常加入碳化钛、碳化钽或它們的混合物,以提高抗爆能力。碳化鎢的化學性質穩定,主要應用于硬質合金生産材料,大量用作高速切削車刀、窯爐結構材料、噴氣發動機部件、金屬陶瓷材料、電阻發熱元件等制得。
    中文名:碳化鎢 外文名:Tungsten Carbide 别名: 化學式:WC 分子量:195.85 CAS登錄号: EINECS登錄号: 熔點:2870℃℃ 沸點:6000℃℃ 水溶性: 密度:15.63(18℃) 外觀:黑色六方晶體 閃點: 應用: 安全性描述: 危險性符号: 危險性描述: UN危險貨物編号: CN危險貨物編号: 英文名:Wolfram Carbide

發展簡史

從1893年以來,德國科學家就利用三氧化鎢和糖在電爐中一起加熱到高溫的方法制取出碳化鎢,并試圖利用其高熔點、高硬度等特性來制取拉絲模等,以便取代金剛石材料。但由于碳化鎢脆性大,易開裂和韌性低等原因,一直未能得到工業應用。進入二十世紀二十年代,德國科學家Karl Schroter研究發現純碳化鎢不能适應拉拔過程中所形成的激烈的應力變化,隻有把低熔點金屬加入WC中才能在不降低硬度的條件下,使毛坯具有一定的韌性。Schroter于1923年首先提出了用粉末冶金的方法,即将碳化鎢與少量的鐵族金屬(鐵、鎳、钴)混合,然後壓制成型并在高于1300℃溫度下于氫氣中燒結來生産硬度合金的專利。

生産方法

以金屬鎢和碳為原料,将平均粒徑為3~5μm的鎢粉與等物質的量的碳黑用球磨機幹混,充分混合後,加壓成型後放入石墨盤,再在石墨電阻爐或感應電爐中加熱至1400~1700℃,最好控制在1550~1650℃。在氫氣流中,最初生成WC,繼續在高溫下反應生成WC。或者首先将六羰基鎢在650~1000℃、CO氣氛中熱分解制得鎢粉,然後與一氧化碳于1150℃反應得到WC,溫度高于該溫度可生成WC。

化學反應式:

2W+C=WC

W+C=WC

将三氧化鎢WO加氫還原制得鎢粉(平均粒度3~5μm)。再把鎢粉與炭黑按等摩爾比的混合物(用球磨機幹混約10h),在1t/cm左右的壓力下加壓成型。将該加壓成型料塊放進石墨盤或坩埚内,用石墨電阻爐或感應電爐在氫氣流中(使用露點為-35℃的純氫)加熱至1400~1700℃(最好是1550~1650℃),使之滲碳則生成WC。反應從鎢粒周圍開始進行,因為在反應初期生成WC,由于反應不完全(主要是反應溫度低)除WC之外尚殘存有未反應的W及中間産物WC。所以必須加熱到上述高溫。應該根據原料鎢的粒度大小來确定最高溫度。如平均粒度為150μm 左右的粗粒,則在1550~1650℃的高溫下進行反應。

化學反應式:

WO + 3H → W + 3HO

2WO + 3C → 2W + 3CO

2W+C=WC

W+C=WC

硬質合金對碳化鎢WC粒度的要求,根據不同用途的硬質合金,采用不同粒度的碳化鎢;硬質合金切削刀具,比如切腳機刀片V-CUT刀等,精加工合金采用超細亞細細顆粒碳化鎢;粗加工合金采用中顆粒碳化鎢;重力切削和重型切削的合金采用中粗顆粒碳化鎢做原料;礦山工具岩石硬度高沖擊負荷大采用粗顆粒碳化鎢;岩石沖擊小沖擊負荷小,采用中顆粒碳化鎢做原料耐磨零件;當強調其耐磨性抗壓和表面光潔度時,采用超細亞細細中顆粒碳化鎢做原料;耐沖擊工具采用中粗顆粒碳化鎢原料為主。

碳化鎢理論含碳量為6.128%(原子50%),當碳化鎢含碳量大于理論含碳量則碳化鎢中出現遊離碳(WC+C),遊離碳的存在燒結時使其周圍的碳化鎢晶粒長大,緻使硬質合金晶粒不均勻;碳化鎢一般要求化合碳高(≥6.07%)遊離碳(≤0.05%),總碳則決定于硬質合金的生産工藝和使用範圍。

正常情況下石蠟工藝真空燒結用碳化鎢總碳主要決定于燒結前壓塊内的化合氧含量含一份氧要增加0.75份碳即WC總碳=6.13%+含氧量%×0.75(假設燒結爐内為中性氣氛實際上多數真空爐為滲碳氣氛所用碳化鎢總碳小于計算值)。

中國碳化鎢的總碳含量大緻分為三種石蠟工藝真空燒結用碳化鎢的總碳約為6.18±0.03%(遊離碳将增大)石蠟工藝氫氣燒結用碳化鎢的總碳含量為6.13±0.03%橡膠工藝氫氣燒結用碳化鎢總碳=5.90±0.03%上述工藝有時交叉進行因此确定碳化鎢總碳要根據具體情況。

不同使用範圍、不同钴含量、不同晶粒度的合金所用WC總碳可做一些小的調整。低钴合金可選用總碳偏高的碳化鎢,高钴合金則可選用總碳偏低的碳化鎢。總之,硬質合金的具體使用需求不同對碳化鎢粒度的要求也不同。

應用領域

大量用作高速切削車刀、窯爐結構材料、噴氣發動機部件、金屬陶瓷材料、電阻發熱元件等制得。

用于制造切削工具、耐磨部件,銅、钴、铋等金屬的熔煉坩埚,耐磨半導體薄膜。

用作超硬刀具材料、耐磨材料。它能與許多碳化物形成固溶體。WC-TiC-Co硬質合金刀具已獲得廣泛應用。它還能作為NbC-C 及TaC-C 三元體系碳化物的改性添加物,既可降低燒結溫度,又能保持優良性能,可用作宇航材料。

采用鎢酐(WO)與石墨在還原氣氛中1400~1600℃高溫下合成碳化鎢(WC)粉末。再經熱壓燒結或熱等靜壓燒結可制得緻密陶瓷制品。

注意事項

健康危害:鎢粉塵

能引起支氣管周炎、細支氣管周炎、閉鎖性細支氣管炎和萎縮性氣腫。碳化鎢會引起肺髒的淋巴組織細胞的增生性反應,并逐漸出現硬化。血管壁增厚并均勻化。工作中接觸碳化鎢粉塵的人員胃腸道功能紊亂,腎受到刺激,上呼吸道出現卡他性炎症。碳化鎢的最高容許濃度為6mg/m。在美國可溶性鎢化合物(按鎢計)的最高容許濃度為1mg/m,不溶性鎢化合物(按鎢計)為5mg/m。

安全防護:使用符合要求的防毒口罩、防塵服、手套、眼鏡。在生産的各個階段都要防止粉塵洩露。工人要做就業前身體檢查,每年要定期檢查一次。上呼吸道出現明顯症狀時,要暫時調動工作,脫離與鎢接觸。出現肺硬化或者外呼吸功能失調時,要調離工作。

儲存:應貯存在陰涼、幹燥的庫房中,運輸中要注意包裝容器完好,防雨淋和防日光曝曬。

包裝儲運:産品采用鐵桶(塑料桶),内襯聚乙烯塑料袋封口包裝,每袋淨重不得超過50kg。外包裝桶上應有“防潮”和“向上”等字樣。産品應貯存在陰涼、幹燥的庫房中,運輸中要注意包裝容器完好,防雨淋和防日光曝曬。

安全術語:

Do not breathe dust.

切勿吸入粉塵。

Avoid contact with skin and eyes.

避免與皮膚和眼睛接觸。

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