Карбид — виды, свойства, внешний вид¶
Карбид — неорганическое соединение, состоящее из атомов углерода и одного или нескольких металлов (или полуметаллов), характеризующееся высокой твёрдостью, жаропрочностью и химической инертностью. Термин «карбид» объединяет сотни соединений: от промышленно значимых карбидов кремния, вольфрама и кальция до множества интерметаллидных карбидов, изучаемых в материаловедении. Внешний вид карбидов существенно различается в зависимости от конкретного соединения — от чёрных кристаллических масс до металлически блестящих зёрен.
¶Основные типы карбидов
Карбиды классифицируют по химической природе связи и составу:
| Тип | Примеры | Характер связи |
|---|---|---|
| Ионные карбиды | CaC₂, Al₄C₃, BaC₂ | Ионная, с анионами C₂²⁻ или C⁴⁻ |
| Ковалентные карбиды | SiC, B₄C | Преимущественно ковалентная |
| Интерметаллидные карбиды | WC, TiC, VC, Cr₃C₂ | Металлическая с примесью ковалентности |
Ионные карбиды реагируют с водой с выделением газообразных углеводородов. Наиболее известен карбид кальция CaC₂ — твёрдое вещество серого цвета, при контакте с водой дающее ацетилен. Карбид алюминия Al₄C₃ — твёрдый кристаллический порошок белого или желтоватого цвета, разлагающийся водой с образованием метана.
Ковалентные карбиды отличаются исключительной твёрдостью. Карбид бора B₄C — третий по твёрдости после алмаза и нитрида бора материал. Карбид кремния SiC (карборунд) — чёрный блестящий кристаллический порошок или кристаллы с металлическим отливом, широко применяемый как абразив и полупроводниковый материал.
Интерметаллидные карбиды составляют основу твёрдых сплавов. Карбид вольфрама WC — плотное вещество тёмно-серого цвета с металлическим блеском, твёрдость по Виккерсу около 2200 HV. Карбид титана TiC — серо-чёрные кристаллы с металлическим блеском, твёрдость около 3000 HV.
¶Как выглядит карбид кальция
Карбид кальция (CaC₂) — наиболее распространённый в быту и промышленности карбид. В чистом виде это бесцветные кристаллы тетрагональной сингонии, однако технический продукт содержит примеси (карбиды железа, кремния, фосфора) и имеет вид неправильных зёрен тёмно-серого до чёрного цвета с фиолетовым или бурым отливом. Поверхность зёрен часто покрыта налётом пыли. При погружении в воду карбид бурно шипит, выделяя ацетилен, который при поджигании горит коптящим пламенем.
¶Карбид вольфрама и твёрдые сплавы
Карбид вольфрама входит в состав твёрдых сплавов марок ВК (вольфрам-кобальтовые), ТК (титано-вольфрам-кобальтовые) и ТТК. Сплав ВК6, например, содержит 94 % карбида вольфрама и 6 % кобальта в качестве связки. Внешне изделия из твёрдых сплавов выглядят как металлически блестящие серые пластинки, пластинки, свёрла, резцы с гладкой или матовой поверхностью. Сколы на изломе имеют зернистую структуру с металлическим отливом.
Карбид вольфрама получают восстановлением оксида вольфрама WO₃ углеродом при температурах 1500–2000 °C либо карбонизацией вольфрама. Полученный порошок прессуют и спекают при 1400–1600 °C в присутствии кобальтовой связки.
¶Карбид кремния
Карбид кремния SiC синтезируют из смеси кремнезёма и кокса при 2000–2500 °C по реакции SiO₂ + 3C → SiC + 2CO. Продукт — кристаллы чёрного цвета с сильным металлическим блеском, твёрдостью около 2500 HV. В промышленности карбид кремния выпускают в виде абразивных зёрен, шлифовальных кругов, огнеупорных изделий, а также в виде пластин для силовой электроники (так называемый «силовой SiC»).
¶Карбид бора
Карбид бора B₄C — твёрдое вещество тёмно-серого цвета, образующее кристаллы ромбической сингонии. Твёрдость по Виккерсу превышает 3000 HV, что делает его третьим по твёрдости среди известных материалов. Применяется для броневых плит, бронежилетов, абразивных инструментов, а также как поглотитель нейтронов в ядерной технике.
¶Карбиды железа и сталь
В чугунах и сталях присутствуют карбиды железа — цементит Fe₃C (твёрдость около 800 HV) и ледебурит — эвтектическая смесь цементита и аустенита. Цементит имеет вид серебристо-белых пластинчатых или пластинчатых кристаллов. Именно наличие цементита определяет твёрдость и износостойкость инструментальных и конструкционных сталей. В бытовых наблюдениях цементит проявляется как светлые включения в структуре отшлифованного и протравленного образца стали.
¶Применение
Карбиды применяются в широком спектре областей:
- Металлообработка — резцы, свёрла, фрезы из твёрдых сплавов ВК и ТК.
- Абразивная индустрия — круги и порошки из карбида кремния и бора.
- Сварка и резка металлов — карбид кальция как источник ацетилена.
- Электроника — карбид кремния в силовых транзисторах, диодах, светодиодах.
- Бронезащита — карбид бора в бронеплитках класса защиты.
- Ядерная техника — карбид бора как поглотитель нейтронов.
- Производство стали — легирование ванадием, титаниом, хромом с образованием износостойких карбидов.
¶Хранение и обращение
Карбид кальция гигроскопичен и хранится в герметичной таре, так как контакт с влажным воздухом приводит к постепенному разложению с выделением ацетилена. Твёрдые сплавы и карбид кремния химически инертны и не требуют особых условий хранения.
Источники:
- Таблицы физических констант / Справочник химика. Том 2. Химические свойства.
- Гуревич Л. Г. Технология твёрдых сплавов. — М.: Металлургия.
- Карбид кремния: получение, свойства, применение / Справочник по абразивным материалам.
- Кутепов Н. С. Основы химии и технологии силикатов. — М.: Высшая школа.