Карбид вольфрама

Карбид вольфрама — это неорганическое химическое соединение вольфрама и углерода, представляющее собой твёрдый раствор внедрения. В промышленности и технике под термином «карбид вольфрама» чаще всего подразумевают композитный материал на основе монокарбида вольфрама (WC) с металлической связкой (обычно кобальтом), используемый для изготовления режущего инструмента, износостойких деталей и бронебойных боеприпасов. Материал отличается исключительной твёрдостью (8,5–9 по шкале Мооса для чистого WC, до 9,5 для спечённых марок), высокой температурой плавления (около 2870 °C для WC) и химической инертностью.

История открытия и развития

Первые синтезы

Впервые карбид вольфрама был получен в 1893 году французским химиком Анри Муассаном (Henri Moissan) при нагревании смеси вольфрама и угля в электрической дуговой печи. Муассан ошибочно принял полученное соединение за чистое железо из-за схожести цвета, но позже установил его состав. Однако промышленное значение материала оставалось незначительным до 1920-х годов.

Разработка технологии спекания

Ключевой прорыв произошёл в 1923 году в Германии. Инженеры компании Osram (Берлин) Карл Шрётер (Karl Schröter) и Генрих Баум (Heinrich Baum) разработали метод получения твёрдого сплава путём спекания порошков карбида вольфрама с кобальтом. Этот процесс, названный «кобальтовым связыванием», позволил создать материал, который не был хрупким, как чистый карбид, и сохранял высокую твёрдость. В 1926 году компания Krupp (Германия) начала промышленный выпуск сплава под торговой маркой Widia (от нем. Wie Diamant — «как алмаз»). В СССР аналогичные разработки велись с 1929 года в Московском институте твёрдых сплавов (ныне ВНИИТС), и в 1931 году был освоен выпуск сплава ВК (вольфрам-кобальт).

Распространение в мире

К 1930-м годам карбид вольфрама стал основным материалом для оснащения резцов, свёрл и фрез в металлообработке. В годы Второй мировой войны он активно применялся для производства бронебойных сердечников к снарядам и пулям, а также для деталей авиационных двигателей. После войны развитие порошковой металлургии позволило создавать сплавы с различными добавками (титан, тантал, ниобий) для улучшения свойств.

Химический состав и структура

Стехиометрия

Основные соединения в системе W–C:

Монокарбид вольфрама (WC) — наиболее распространённая фаза. Содержит 6,13 % углерода по массе. Кристаллическая решётка гексагональная (тип WC).
Полукарбид вольфрама (W₂C) — фаза с 3,16 % углерода, гексагональная решётка. Менее твёрдый, но более хрупкий, чем WC. В чистом виде используется редко, часто присутствует как примесь в спечённых сплавах.

Фазовые превращения

При нагреве выше 1250 °C WC может диссоциировать с образованием W₂C и графита. При быстром охлаждении возможно образование метастабильных фаз. В промышленных сплавах стремятся получить однофазную структуру WC, так как наличие W₂C снижает прочность.

Физико-механические свойства

Твёрдость и износостойкость

Карбид вольфрама занимает промежуточное положение между корундом (Al₂O₃) и алмазом по твёрдости. Микротвёрдость WC составляет 18–22 ГПа (по Виккерсу). Для спечённых сплавов с кобальтом твёрдость варьируется от 8 до 18 ГПа в зависимости от содержания связки. Материал обладает высокой абразивной износостойкостью — в 10–50 раз выше, чем у быстрорежущей стали.

Плотность

Плотность монокарбида — 15,63 г/см³. Плотность спечённых сплавов (WC–Co) составляет 14,5–15,2 г/см³, что делает их одними из самых тяжёлых конструкционных материалов.

Термические свойства

Температура плавления: WC — 2870 °C (разлагается), W₂C — 2860 °C.
Коэффициент теплового расширения: 4,5–5,5 × 10⁻⁶ K⁻¹ (близок к стали).
Теплопроводность: 80–120 Вт/(м·К) (высокая для керамики, но ниже, чем у металлов).

Электрические свойства

WC является проводником электричества с удельным сопротивлением около 0,2 мкОм·м (при 20 °C). Это свойство используется в электроискровой обработке и при изготовлении электродов.

Технология производства

Синтез порошка

Исходное сырьё — вольфрамовый ангидрид (WO₃) или паравольфрамат аммония. Процесс включает:

Восстановление водородом при 800–1000 °C до металлического вольфрама.
Карбидизация — нагрев смеси вольфрама с сажей (углеродом) в атмосфере водорода или в вакууме при 1400–1600 °C. Получается порошок WC с размером частиц 0,5–10 мкм.

Спекание

Изготовление изделий методом порошковой металлургии:

Смешивание порошка WC с кобальтом (обычно 3–30 % по массе) и пластификатором (парафин, ПВС).
Прессование заготовок под давлением 100–300 МПа.
Спекание в вакуумных или водородных печах при 1350–1500 °C. В процессе кобальт плавится и связывает частицы WC, образуя плотный композит.
Горячее изостатическое прессование (ГИП) — дополнительная обработка при 1300–1500 °C и давлении 100–200 МПа для устранения пор.

Альтернативные методы

Плазменное напыление — нанесение покрытий из WC–Co на детали.
СВС-синтез (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) — получение WC в режиме горения смеси вольфрама и углерода.

Классификация и марки

По составу связки

Вольфрамо-кобальтовые (ВК) — наиболее распространены. Марки: ВК3, ВК6, ВК8, ВК15 (цифра — % кобальта). Чем больше кобальта, тем выше вязкость, но ниже твёрдость.
Вольфрамо-титано-кобальтовые (ТК) — содержат TiC (карбид титана) для повышения твёрдости при высоких температурах. Марки: Т5К10, Т15К6, Т30К4.
Вольфрамо-титано-тантало-кобальтовые (ТТК) — с добавкой TaC (карбид тантала) для улучшения стойкости к ударным нагрузкам.
Безвольфрамовые твёрдые сплавы — на основе TiC, TiCN, TiN, но с меньшей износостойкостью.

По назначению

Режущие — для токарных, фрезерных, сверлильных инструментов (высокая твёрдость, низкая вязкость).
Штамповые — для штампов, пуансонов, волочильных фильер (повышенная вязкость).
Горнодобывающие — для буровых коронок, резцов по горной породе (высокая ударная вязкость).
Износостойкие — для деталей, работающих в абразивной среде (насосы, сопла, клапаны).

Применение

Металлообработка

Основная область — оснащение режущего инструмента:

Токарные резцы, фрезы, свёрла, развёртки, зенкеры.
Сменные многогранные пластины (СМП) — наиболее массовая продукция.
Инструмент для обработки чугуна, стали, цветных металлов, нержавеющих и жаропрочных сплавов.

Горное дело и строительство

Буровые коронки для шарошечного и алмазного бурения.
Резцы для проходческих комбайнов и дорожных фрез.
Наконечники для отбойных молотков и перфораторов.

Машиностроение

Детали, работающие на износ: сопла пескоструйных аппаратов, клапаны, седла клапанов, направляющие втулки.
Валки для прокатных станов (с наплавкой или вставками).
Фильеры для волочения проволоки.

Военная техника

Сердечники бронебойных подкалиберных снарядов (БОПС) и пуль. Высокая плотность и твёрдость обеспечивают пробитие брони.
Элементы защиты (бронеплиты, вставки в бронежилеты).

Ювелирное дело

Используется как заменитель алмаза в недорогих украшениях (кольца, серьги) благодаря высокой твёрдости и полируемости. Часто обрабатывается до зеркального блеска.

Научное оборудование

Наконечники для сканирующих зондовых микроскопов (атомно-силовая микроскопия).
Тигли и лодочки для высокотемпературных процессов.

Достоинства и недостатки

Преимущества

Исключительно высокая твёрдость и износостойкость.
Сохранение режущих свойств при нагреве до 800–900 °C (для сплавов с TiC — до 1000 °C).
Химическая стойкость к большинству кислот и щелочей (кроме плавиковой и смесей с HF).
Возможность получения сложных форм методом порошковой металлургии.

Недостатки

Высокая хрупкость при ударных нагрузках (особенно у марок с низким содержанием кобальта).
Сложность механической обработки (требуются алмазные или эльборовые инструменты).
Высокая стоимость (вольфрам — редкий и дорогой металл).
Ограниченная стойкость к окислению при температурах выше 600 °C.

Экологические аспекты

Производство карбида вольфрама связано с добычей вольфрамовых руд (шеелит, вольфрамит), что приводит к образованию отходов и загрязнению почв тяжёлыми металлами. Вторичная переработка (рециклинг) отходов твёрдых сплавов (стружка, лом инструмента) широко развита: извлечение вольфрама и кобальта химическими методами позволяет вернуть до 95 % материала в производство. В России действуют предприятия по переработке отходов твёрдых сплавов (например, завод «Победит» в Орле).

Интересные факты

Название «победит» (от слова «победа») в СССР дали твёрдому сплаву ВК8, который в 1930-е годы позволил резко повысить производительность труда в машиностроении.
Карбид вольфрама используется в качестве материала для изготовления эталонов массы (гирь) из-за высокой плотности и коррозионной стойкости.
В 2010-х годах разработаны наноструктурированные сплавы WC–Co с размером зёрен WC менее 100 нм, что увеличило твёрдость на 20–30 % по сравнению с традиционными.

Источники

Киффер Р., Бенезовский Ф. Твёрдые сплавы. — М.: Металлургия, 1971.
Третьяков В. И. Основы металловедения и технологии производства спечённых твёрдых сплавов. — М.: Металлургия, 1976.
Лоладзе Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. — М.: Машиностроение, 1982.
Справочник по твёрдым сплавам / Под ред. В. И. Третьякова. — М.: Металлургия, 1985.
Панов В. С., Чувилин А. М., Фальковский В. А. Технология и свойства спечённых твёрдых сплавов. — М.: МИСИС, 2004.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →