Карбид кальция

Разновидности

Карбиды могут быть образованы разными органическими соединениями, а могут не иметь аналогов среди органических веществ. Есть, например, ацетилениды, метаниды и другие.

Карбиды подразделяются на следующие виды:

• солеобразные (CaC₂, Al₄C₃),
• ковалентные (карборунд SiC),
• металлоподобные (имеющие нестехиометрический состав, например, цементит (Fe₃C)).

Солеобразные карбиды обычно разлагаются водой и кислотами с выделением углеводородов (некоторые очень бурно, например, карбиды натрия, калия, цезия). Ковалентные карбиды обычно химически инертны. Металлоподобные карбиды имеют промежуточную химическую активность.

Метаниды

Метаниды — ионные карбиды, являющиеся производными метана. В воде или разбавленных кислотах разлагаются с образованием метана. Примерами метанидов являются карбид алюминия (Al₄C₃), карбид бериллия (Be₂C) и карбид магния (Mg₂C). В чистом виде бесцветны и прозрачны.

Ацетилениды

Ацетилениды — ионные карбиды, являющиеся производными ацетилена (этина). Активно гидролизуются с образованием ацетилена, наибольшее практическое значение имеет карбид (ацетиленид) кальция CaC₂.

Сплавы

Ввиду плохой обрабатываемости карбид вольфрама применяют не в чистом виде, а создают сплавы с ним. Наиболее распространены твердые варианты с кобальтом. Также встречаются более сложные сплавы, включающие карбид тантала и титана. При этом вольфрам в любом случае преобладает, составляя 70 — 98%.

Ввиду высокой температуры плавления при создании сплавов рассматриваемого материала не используют такие технологии, как легирование, плавление и смешение, так как они нерентабельны. Вместо этого применяется порошковая металлургия. Принцип данного метода состоит в использовании порошков основного металла и примеси. При этом они значительно отличаются температурой плавления. Их смешивают барабанно-шаровой мельницей и прессуют в близкую к целевой форму. Ей придают монолитность путем спекания при температуре, меньшей точки плавления основного металла. Далее приведена последовательность выполнения.

Порошок карбида вольфрама измельчают до гранул целевого размера, предварительно увлажнив. Данный параметр определяется назначением материала, так как обуславливает конечные параметры изделий. Далее порошок смешивают со связующим веществом, представленным, например, кобальтом либо прочими металлами, и восковой мягкой смазкой, служащей для скрепления гранул после брикетирования.

После этого порошок сушат в распылительной или вакуумной сушилке, удаляя большую часть влаги. С целью улучшения текучести полученных гранул производят пеллетизацию, придавая им шарообразную форму.

Существует несколько технологий придания порошку формы. Наиболее распространены среди них литье под давлением и прессование. Новейшим методом является 3D-печать. В завершении формирования частицы скреплены связующим восковым веществом.

Далее форму подвергают нагреву. В результате удаляется восковый загуститель, а гранулы тугоплавкого металла скрепляются частицами расплавленного связующего металла после охлаждения. В рассматриваемом случае тугоплавким металлом является карбид вольфрама. Параметры конечного материала определяются долей связующего вещества: чем его больше, тем выше износостойкость и прочность, чем меньше — тем больше твердость и хрупкость.

По завершении спекания предмет подвергают конечной обработке в виде шлифовки и т. д. К тому же на изделия из карбида вольфрама нередко наносят дополнительное защитное покрытие.

Вольфрамокобальтовые сплавы характеризуются минимальным напряжением на срез, значительной зависимостью параметров от доли кобальта, плохой обрабатываемостью. Первая особенность обуславливает неуместность таких материалов для применения в условиях сдвиговых деформаций. Из-за плохой подверженности обработке перед использованием заготовки из них пластифицируют либо спекают. Наличие кобальта повышает эксплуатационные температуры карбидов вольфрама до 700 — 800°С. По данному параметру они превосходят все марки сталей, кроме жаропрочных. Следует отметить, что, в отличие от чистого карбида вольфрама, его соединения в некоторых соотношениях с кобальтом токсичны.

Техника безопасности при работе с карбидом кальция.

Как уже Вам известно, карбид кальций – это взрывоопасное вещество и для обеспечения безопасной работы с ним необходимо выполнять несколько обязательных правил при использовании карбида для сварки. Главные положения, которые необходимо выполнять при сварочных работах на основе карбида кальция:

Учитывайте, что карбид кальция активно взаимодействует с воздухом и водой, выделяя легковоспламеняющийся ацетиленовый газ
Место хранения карбида для сварки должно быть сухим и герметичным.
Карбид кальция также взрывоопасен, поэтому искры и открытый огонь рядом с веществом строго воспрещены.
Пыль карбида (куски менее 2 мм) вызывают раздражения, попадая на кожу, глаза и слизистую оболочку рта, и носа.
Регулярные сварочные работы с применением карбида кальция должны проводиться в специально оборудованном для сварки помещении, в котором нет горючих веществ, и присутствуют только несгораемые материалы

Жизненно важно, чтобы все оборудование, связанное с хранением и производством ацетилена было изолировано в отдельных отсеках сварочной мастерской, а само помещение для генераторов должно легко проветриваться и в случае чего деактивироваться.
Установка генераторов ацетилена строго запрещена в подвальных комнатах.
После завершения сварочных работ с применением карбида кальция как «топлива», в генераторах все оставшееся вещество дорабатывается, и полученные шлаки в виде известкового ила удаляем из генератора в специальную яму или бункер.
Напомним, что карбид и ацетилен – взрывоопасные вещества. Поэтому курение, открытый огонь на расстоянии до 10 метров от места хранения отработанного карбида строго воспрещено.
При перевозке и хранении ацетиленовых баллонов, на конструкцию клапанов должны быть навинчены предохранительные колпаки

Толчки и удары при транспортировке нескольких баллонов смертельно опасны. Хранение и перевозка ацетиленовых баллонов с другими веществами не допустима.

И напоследок отметим, что карбид кальция является высокоинтенсивным веществом для получения ацетиленового газа, что сводит к минимуму его расход. Кроме того, один килограмм ацетилена, полученного из карбида кальция, выделяет тепла около 8 тысяч кДж.   

Техника безопасности

Карбид для сварки относится к классу взрывоопасных веществ. Безопасное применение карбида обеспечивается учетом ряда условий:

• Ацетилен является легковоспламеняющимся газом, а сам сухой карбид также взрывоопасен, поэтому возле места проведения работ не должно быть источников открытого огня, даже таких незначительных, как зажигалки и зажженные сигареты.
• Запрещено использование карбида в гранулах до 2 мм или карбидной пыли, так как она растворяется очень быстро, что приводит к выделению большого количества газа. Из-за этого в генераторе образуется сверхвысокое давление и может произойти взрыв.
• Запрещена работа болгаркой или электросварочным аппаратом вблизи газосварочных работ и мест установки карбидных барабанов.
• Вещество должно храниться в сухом и герметичном месте, в котором нет водопроводов, канализационных труб и, тем более, газового оборудования.
• Карбидная пыль при попадании вызывает раздражение кожи, глаз, слизистых оболочек. Работа с этим веществом должна проходить с применением средств индивидуальной защиты – очков, перчаток и респиратора.
• При попадании карбида на кожу или в глаза его необходимо промыть большим количеством теплой воды, а затем аккуратно удалить остатки карбида пинцетом или влажным тампоном.
• При работе с карбидом в мастерской все сварочное оборудование должно быть размещено в отдельных частях помещения, система вентиляции помещения должна обеспечивать отвод горючих газов, а помещение должно быть освобождено от горючих материалов.

• Ацетиленовые генераторы запрещено устанавливать в подвальных помещениях и жилых зданиях.
• Перед запуском генератор следует осмотреть на предмет отсутствия видимых трещин и вмятин корпуса.
• Во время проведения работ генератор должен оставаться в вертикальном положении, манометр должен быть исправен и хорошо виден сварщику или его помощнику.
• По окончании работы оставшийся в генераторе раствор карбида должен быть выработан целиком, а образовавшаяся известь утилизирована.
• Повторное использование мокрых кусков карбида не допускается;
• Запрещено вскрывать генератор под давлением (во время продолжающейся реакции).
• Баллоны для ацетилена хранятся и перевозятся со специальными предохранительными колпаками на клапанах.

Если имеется необходимость в регулярном использовании оборудования для газовой сварки и резки, лучше купить профессиональное оборудование, изготовленное на промышленном предприятии. Применение самодельных генераторов чревато получением тяжелых травм и угрозой для жизни.

Свойства и состав

Чтобы получить этот камень, нужно, как минимум, два элемента. Во-первых, это углерод. Его наличие обязательно. А дальше уже есть выбор: металл, или неметалл. Главное, чтобы выполнялось правило: электроотрицательность (сила, с которой атомы элемента притягивают к себе чужие электроны) обязательного компонента выше, чем его «партнера». Иначе получатся совсем другие соединения.

Впервые об этом соединении заговорили в Англии еще в 19-м веке. Однако, слава первооткрывателя досталась французу, благодаря опытам которого вещество официально признали, случилось это лишь к концу столетия. А теперь от том, какие качества присущи этому соединению:

• Материал необычайно твердый. По этому показателю он почти догнал алмаз. Среди рекордсменов – карбид вольфрама (9 из 10 возможных баллов). Это открывает сотни путей его применения.
• Чтобы расплавить камень, нужно будет приложить немало усилий. Ведь для этого необходимо нагреть его до 2-х, или даже 3-х тысяч градусов Цельсия. Эта цифра будет выше значений, необходимых для того, чтобы изменить состояние металлических веществ, до того, как они оказались в составе карбида.
• Это очень «не контактное» соединение. Так, реакция карбида на очень многие вещества будет нулевой. Для этого нужны особые условия. Потому кислоты, и прочие вещества, способствующие коррозии, им не страшны.
• Но предыдущий пункт не касается воды. Как Вы уже поняли из рассказа выше, карбид и вода – часто идут рука об руку. В случае, к примеру, когда задействован карбид кальция, для этого подойдет абсолютно любая влага, не нужно никаких условностей. Если же в работе карбид кремния, то без нагрева никак – нужен раскаленный пар (1800 градусов).

Науке известны три разновидности таких соединений:

Что их отличает, так это очень прочные связи между атомами. Когда упоминается такой тип, то речь лишь о двух элементах, соседствующих с углеродом: первый – это бром, второй – кремний. Все вышеперечисленные свойства в этих соединениях «выставлены» на максимум. Это и небывалая твердость, и стойкость. Захотите растворить – не получится без участия едких кислот огромной концентрации. Тоже самое касается и взаимодействия с кислородом. Просто так не получится, нужен нагрев, и не хилый – до 1000 градусов.

Солеобразные, либо ионные

Здесь в контакт с углеродом вступает либо алюминий, или металл, но не абы какой, а только из 1-2 групп хим. таблицы. Придать такому соединению жидкую форму все еще не очень просто, нужен предельный нагрев. А вот кислота незамеченной не останется, в результате такой «встречи» карбид распадется.

Получаются они из металлов, относящихся к 4-8 группе, сюда же идут кобальт, а также никель, ну и, конечно, железо. Если рассматривать их химическое строение, увидим, что атомы углерода буквально разбросаны, между ними нет связей, они словно вкрапления в образовавшихся в металле пробелах. Потому то они весьма тугоплавкие, можно даже сказать, чемпионы в этом деле. Это позволяет применять их при изготовлении сверл (победитовые сверла).

Получение

Карбид вольфрама можно получить одним из следующих способов.

Непосредственным насыщением вольфрама углеродом

В основе процесса получения карбида вольфрама лежит прямая реакция:

W+C→WC{\displaystyle {\mathsf {W+C\rightarrow WC}}}

Образование WC происходит с образованием на поверхности частиц вольфрама монокарбида вольфрама, из которого внутрь частицы диффундирует углерод и образует ниже лежащий слой состава W₂C.

При получении WC используют порошок вольфрама, восстановленный из его оксида, и сажу. Взятые в необходимом соотношении порошкообразные вещества смешивают, брикетируют или насыпают с утрамбовкой в графитовые контейнеры и помещают в печь. Для защиты порошка от окисления процесс синтеза ведут в среде водорода, который взаимодействуя с углеродом при температуре от 1300 °C образует ацетилен. Образование карбида вольфрама идёт в основном через газовую фазу за счёт углерода, содержащегося в газах. Протекают следующие реакции карбидизации:

2C+H2→C2H2{\displaystyle {\mathsf {2C+H_{2}\rightarrow C_{2}H_{2}}}}

2W+C2H2→2WC+H2{\displaystyle {\mathsf {2W+C_{2}H_{2}\rightarrow 2WC+H_{2}}}}

При наличии в среде оксида углерода процесс идёт по реакции

C+CO2→2CO{\displaystyle {\mathsf {C+CO_{2}\rightarrow 2CO}}}

2CO+W→WC+CO2{\displaystyle {\mathsf {2CO+W\rightarrow WC+CO_{2}}}}

Обычно процесс получения карбида вольфрама ведут при температуре 1300−1350 °C для мелкозернистых порошков вольфрама и 1600 °C для крупнозернистых, а время выдержки составляет от 1 до 2 часов. Полученные слегка спёкшиеся блоки карбида вольфрама измельчают и просеивают через сита.

Восстановлением оксида вольфрама углеродом с последующей карбидизацией

Этот метод в отличие от вышеописанного совмещает процесс восстановления и карбидизации вольфрама, при этом в шихту добавляют недостающее количество сажи для образования карбида. Восстановление оксида вольфрама WO₃ происходит через газовую фазу в среде CO и водорода.

Восстановлением соединений вольфрама с последующей карбидизацией

Ещё одним способом получения карбида вольфрама является нагрев смеси вольфрамовой кислоты, вольфрамового ангидрида (WO₃) или паравольфрамата аммония ((NH₄)₁₀·[H₂W₁₂O₄₂]·xH₂O) в среде водорода и метана при температуре 850−1000 °C.

Осаждением из газовой фазы

Получение карбида вольфрама из газовой фазы основано на разложении карбонила вольфрама при температуре 1000 °C.

Электролизом расплавленных солей

Электролиз смеси расплавленных бората натрия, карбоната натрия, фторида лития и вольфрамового ангидрида позволяет получить карбид вольфрама.

Монокристаллы карбида вольфрама

Монокристаллы WC могут быть получены выращиванием из расплава. Для этого смесь составом Co−40 %WC плавят в тигле из оксида алюминия при температуре 1600 °C и после гомогенизации расплава температуру снижают до 1500 °C со скоростью 1−3  °C/мин и выдерживают при этой температуре в течение 12 часов. После чего образец охлаждают и растворяют кобальтовую матрицу в кипящей соляной кислоте. Также может быть использован метод Чохральского для выращивания больших монокристаллов (до 1 см).

Свойства

Рассматриваемое вещество представлено серым порошком в двух кристаллографических вариантах: с кубической (полукарбид) и гексагональной (монокарбид) решетками. Обе модификации встречаются в температурном диапазоне 2525 — 2755°С. Вторая фаза ввиду отсутствия области гомогенности при отклонении от стехиометрического состава образует графит или переходит в W₂C, а при температуре более 2755°С разлагается до углерода и первой фазы. Последняя отличается обширной областью гомогенности, сокращающейся при снижении температуры.

Монокарбид вольфрама менее тверд в сравнении с полукарбидом, но способен формировать кристаллы. Второй вариант значительно более температуро- и износоустойчив. К тому же он способен к внедрению в твердые растворы.

Карбид вольфрама отличается хрупкостью, но под влиянием нагрузки проявляет пластичность полосами скольжения.

Кристаллы рассматриваемого вещества характеризуются анизотропией твердости от 13 до 22 ГПа на разных кристаллографических плоскостях.

Монокарбид имеет температуру плавления 2870°C, кипения — 6000°C. Его молярная теплоемкость равна 35,74 Дж/(моль-*К), теплопроводность — 29,33 кДж/моль. Плотность карбида вольфрама данного типа составляет 15,77 г/см3.

Несмотря на то, что температура плавления большая, термостойкость рассматриваемого материала низка. Это обусловлено отсутствием термического расширения ввиду жесткой структуры. При этом карбид вольфрама характеризуется высокой теплопроводностью. С повышением температуры данный параметр у монокарбида возрастает вдвое быстрее, чем у полукарбида.

Кольцо из карбида вольфрама

Рассматриваемые материалы имеют хорошую электропроводность, особенно полукарбид (в 4 раза выше, чем монокарбид). Удельное электросопротивление возрастает с повышением температуры, но при этом снижается упругость. Это обуславливает обрабатываемость электрофизическими методами. Так, при введении источника тепла в области обработки возрастает температура, способствуя размеренному разрушению структуры материала.

Твердость определяется температурой формирования карбидов в вольфрамовом порошке и (в меньшей степени) их пористостью. С ростом температуры увеличивается подвижность атомов составляющих соединения элементов, вследствие чего устраняются дефекты в зернах. Анизотропия параметров карбидов вольфрама меньше, чем для металлов. К тому же данные материалы отличаются наилучшей для тугоплавких металлов упругостью, которая увеличивается с ростом пористости. Однако пластичность низкая (до 0,015%).

Микроструктура карбида вольфрама

Карбид вольфрама характеризуется стойкостью к многим кислотам, а также их смесям при обычной температуре, но растворим в некоторых кислотах при кипении. Не подвержен растворению в 20% и 10% гидроксиде натрия. Ввиду высокой летучести оксида вольфрама начинает окисляться при 500 — 700°C и завершает окисление при более 800°C.

Наконец, ввиду химической инертности данное соединение нетоксично.

Требования безопасности

В связи с тем, что это опасный материал, работать с ним нужно, строго соблюдая правила безопасности. Основные правила, которые обязательно должны выполнять при сварке с помощью карбида:

1. Не забывайте, что карбид очень активно реагирует на воздействие воды и воздуха.
2. Хранить вещество необходимо исключительно в герметичном и сухом месте.
3. Вещество является очень взрывоопасным, потому открытое пламя и искры возле него категорически запрещены.
4. Карбидная пыль может вызвать раздражение слизистых и кожного покрова, потому при работе с ней нужно обязательно пользоваться защитными очками, перчатками и респиратором.
5. Монтаж ацетиленовых генераторов запрещено в подвалах.
6. После окончания сварки с помощью карбидных кусочков, нужно «доработать» остатки вещества в генераторы. Полученные шлаки следует помещать в специальный бункер или яму.
7. Также запрещено курить при работе с этим материалом.
8. Точки и удары при перевозке баллонов с газом крайне опасны и могут привести к трагическим последствиям.

https://youtube.com/watch?v=D4WqARvRRVs

https://youtube.com/watch?v=95AB1hvBGtw