Карбиды и их применение в промышленных целях

Карбиды (от лат. carbo – уголь) – химические вещества, образуемые путем соединения с углеродом ряда металлов или таких неметаллических элементов таблицы Менделеева, как бор (B) и кремний (Si). Важнейшими физико-химическими свойствами карбидов являются твердость, способность противостоять механическим деформациям и тугоплавкость. Так, например, карбид вольфрама (WC), карбид тантала (TaC), карбид титана (TiC), карбид молибдена (MoC), карбид циркония (ZrC), а также карбид бора (B₄C) и карбид кремния (SiC) не подвержены разложению даже при белом калении и нейтральны в химическом отношении, имеют степень твердости, близкую к твердости алмазов.

Рисунок 1. Фрезы из карбида вольфрама

Карбиды – вещества нелетучие и не растворяющиеся в самых агрессивных растворителях, включая “царскую водку” (смесь серной и соляной кислот). Их получают как непосредственно из чистых элементов, так и с применением метода восстановления оксидов углеродом. Промышленные партии карбидов выпускаются в виде порошков (спеченные карбиды) и специальных отливок (литые карбиды).

Классификация по группам

Согласно современной классификации карбиды, исходя из особенностей межатомной связи в молекулярной решетке, подразделяют на 3 группы, существенно различающиеся по набору функциональных характеристик.

В состав 1-й группы входят так называемые карбиды солеобразного типа с ионной связью. Их основой служат щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий, редкоземельные элементы, а также актиниды – торий (Th), уран (U), плутоний (Pu) и другие. Многие из таких карбидов вступают с Н₂О и кислотами в бурную реакцию и начинают разлагаться с обильным выделением газообразной фракции в виде метана (метаниды) или ацетилена (ацетилениды) и осаждением металлических гидроксидов. Карбиды данной группы используют для управления химическими реакциями как раскислители, восстановители, катализаторы и т.д. Наиболее востребованными метанидами являются карбиды магния (MgС₂, Mg₂C), алюминия (Al₄C₃) и бериллия (Be₂C). Среди ацителенидов самым известным считается карбид кальция CaC₂, широко используемый в газосварочных технологиях.

Ко 2-й группе причисляют ряд карбидов, именуемых металлоподобными. Их образуют в связке с углеродом переходные металлы IV–VII гр. Периодической таблицы Д.И. Менделева, а также кобальт, железо и никель. Карбиды металлоподобной группы, помимо твердости и тугоплавкости, имеют высокие показатели электропроводности и устойчивости к воздействию химически активных реагентов. Вот почему, в частности, карбиды железа (Fe₃C), хрома (Cr₃C₂), молибдена (MoC) востребованы для цементации чугунных и стальных поверхностей, а карбиды вольфрама (WC), титана (TiC), тантала (TaC), ванадия (VC) – для производства твердых сплавов, для изготовления полупроводниковых диодов, различных жаростойких покрытий, рабочих кромок металлорежущего инструмента и породоразрушающего оборудования.

3-ю группу составляют так называемые ковалентные карбиды кремния (SiC) и бора (B₄C, B₁₂C₃), отличающиеся высочайшей твердостью и используемые для выпуска сверхтвердых сплавов, не уступающих по твердости корундам. Из них также производят абразивы для шлифовки и полировки поверхностей металлических изделий, огнеупоры и нагревательные элементы для высокотемпературных производственных процессов.

Карбиды тугоплавких металлов в производстве твердосплавных материалов

И все же самой обширной сферой применения является использование карбидов тугоплавких металлов для изготовления металлокерамических сплавов.

К категории твердых сплавов относят ряд износостойких металломатериалов на основе карбидов WC, TiC, VC, TaC, NbC, CrC и других металлов, имеющих Т° плавления от 860 до 1320°C, прочность связи которых в молекулярной структуре обеспечивают включения более мягких кобальта, никеля, железа с гораздо меньшей температурой плавления. Сплав становится менее хрупким и более упругим и пластичным, чем выше в нем процентное содержание связующего включения.

Для регламентации химического состава и эксплуатационных параметров твердых сплавов служат, в частности, ТУ 48-19-60-78, ТУ 48-19-154-92 и прочие нормативные документы.

По технологическому критерию твердые сплавы подразделяют на спеченные (металлокерамику) и литые (наплавляемые).

Изготовление спеченных твердых сплавов осуществляется методом порошковой металлургии. Техпроцесс включает в себя три последовательных этапа.

1. Сначала в определенных соотношениях тщательно смешиваются дисперсные порошки тугоплавких металлов и металлов-связок (кобальтовый порошок, никелевый порошок и др.), а по мере необходимости – также порошков легирующих добавок.
2. Затем готовую смесь подвергают прессованию под высоким давлением (1250-4550 кгс/см² и выше).
3. На заключительном этапе производится спекание получаемого полуфабриката в специальной электропечи в температурном режиме, близком к Т плавления металлического связующего, до тех пор, пока не будет сформирован сплав, имеющий показатель твердости не ниже HRA = 86 и термостойкости до 1320°C.

Твердые сплавы практически не поддаются традиционным способам механической обработки (резание, давление, строгание, шлифовка и др.). С этой целью применяют такие современные методы, как лазерное/ультразвуковое шлифование либо кислотное травление.

Производство литых твердых сплавов базируется на таких технологических методах, как плавка и литье. Их применяют для наплавления защитного покрытия на быстроизнашиваемые поверхности и, сообразно химическому составу, подразделяют на 3 типа.

К первому типу относят релит – композицию вольфрамовых карбидов (WC и W₂C), характеризуемую особенно высокими значениями показателей твердости и стойкости к износу. Т° плавления релита составляет 3520°C, что также является ценным критерием.

К группе релитов относятся:

• литые карбиды вольфрама зерновые марок ЛКВ-«З» (ТУ У24.6-33876998-001-2006);
• карбиды вольфрама сферические марок КВС (ТУ У24.1-19482355-001:2010;
• ленточные релиты марок ЛЗ, ЛС, ЛСЗ (ТУ У28.7-19482355-002:2014).

Ко второму типу причисляют стеллиты – литые сплавы, являющие собой карбидную композицию W-Co-Cr. Им присуща более низкая, чем у релита, Т° плавления (близкая к Т° плавления сталей) на фоне, стойкости к износу и коррозии – качеств, обусловленных высокой твердостью. Изготавливаются в виде прутков. В России выпускаются стеллиты марок ПР-В3К и ПР-В3К-Р (ГОСТ 21449-75).

Третий тип литых твердосплавных материалов представлен сормайтами – соединениями композиции Fe-Cr-Mn-Ni, имеющие более низкую твердость и Т° плавления в сравнении со стеллитами. Отечественная промышленность производит прутки сормайта марки Пр-С (ГОСТ 21449-75). Сормайт бывает 2-х типов: сормайт №1 и сормайт №2, характеризующийся способностью подвергаться термообработке, а также более высокими характеристиками прочности и вязкости по сравнению с сормайтом №1. Торцевые оконечности прутков сормайта №1 окрашивают в зеленый цвет, а сормайта №2 – в красный.

Применение твердых сплавов в промышленных целях

В настоящее время трудно представить себе промышленную отрасль, в которой не использовались бы твердосплавные материалы на основе карбидов тугоплавких металлов и связующих металлокомпонентов.

Карбидо-содержащие сплавы необходимы, в частности, для:

• производства металлорежущего и породоразрушающего инструмента в металлообрабатывающей и горнодобывающей отраслях;
• изготовления штамповочного оборудования;
• изготовления хирургических инструментов;
• обустройства точных поверхностей в различном измерительном инструментарии;
• маркирования рабочей поверхности клейм;
• производства рабочих элементов подшипников качения;
• других целей, когда использование твердосплавных материалов является целесообразным либо вовсе не имеет альтернатив.

Промышленная значимость карбидов в развитии технического прогресса побуждает исследователей и инженеров-практиков к созданию все новых продуктов на их основе. Так, сегодня особенно пристальное внимание уделяется разработке новейших типов карбидо-содержащих твердосплавных материалов с широким спектром полезных свойств для авиакосмической, судостроительной, радиоэлектронной отраслей и ядерной энергетики.