Карбид для сварки: что это такое и как его использовать?

Физические свойства, особенности

Карбидные материалы обладают рядом характерных свойств, особенностей. Перечислим их:

  1. Высокая твердость. Атомы углерода и металлов образуют твердую кристаллическую решётку, для разрушения которой потребуется большое механическое усилие. Поэтому с помощью ударов разрушить карбидные вещества будет крайне сложно. Благодаря высокой твердости материалы нашли широкое распространение в различных технических сферах (от военного машиностроения до строительства).
  2. Высокая температура плавления. Плотная кристаллическая решетка обеспечивает устойчивость вещества при сильном нагреве или охлаждении. Средняя температура плавления карбидов находится в пределах от 1500 до 2000 градусов. Поэтому такой материал без проблем выдержит длительное воздействие экстремальных температур (скажем, его можно использовать в печах, металлургических ковшах для расплавления других материалов).
  3. Устойчивость к химическим веществам и коррозии. Внешние электронные оболочки веществ-карбидов являются полностью заполненными. Поэтому такой материал будет редко вступать в химические реакции с другими веществами (он устойчив к воздействию кислот, щелочей, солей). Вещества не вступают в реакцию с водой и атмосферным кислородом, поэтому они не покрываются ржавчиной, что обеспечивает их высокий срок годности.
  4. Повышенная износоустойчивость. Изделия на основе карбидов долгое время сохраняют свою форму даже в случае удара, деформации или воздействия высоких температур. Поэтому они обладают повышенной износоустойчивостью, что делает их срок годности большим. Благодаря повышенной устойчивости материал часто применяют для изготовления абразивных и шлифовальных изделий, которыми можно пользоваться в течение большого срока.

Стоит обратить внимание, что далеко не все карбидные соединения обладают перечисленными свойствами. Скажем, карбид золота (I) чрезвычайно взрывоопасен (тогда как большинство других карбидов металлов — нет). Он может взорваться даже в случае неаккуратного пересыпания вещества на бумажную поверхность. Поэтому при рассмотрении физических и химических свойства карбидов нужно по отдельности рассматривать каждое соединение, поскольку карбидные материалы могут обладать уникальными необычными свойствами.carbidi-2.jpg

Основные металлические карбиды

На практике широко применяется множество карбидных соединений. Рассмотрим основные из них.

Карбид гафния

Встречается в виде только одного вещества — HfC. В нормальных условиях обладает кристаллической структурой, окрашено в серый цвет. плавится при температуре 3900 градусов — интересно, что его закипание происходит уже при температуре 4160 градусов. Поэтому к расплавлению нужно подходить аккуратно, чтобы не испарить его. При нагреве до 2000 градусов начинает взаимодействовать с металлами (молибден, вольфрам). Вещество не обладает полной химической инертностью — оно вступает в реакцию с кислотами (в азотной или серной кислоте оно способно полностью раствориться).carbidi-4.jpg

Карбиды хрома

Встречается в виде нескольких веществ; основные — Cr23C6, Cr3C2, Cr7C3. Отличаются высокой химической инертностью (хотя могут реагировать с цинком при сильном нагреве). Не вступают в контакт с водой, атмосферным воздухом, кислотами, щелочами, солями, другими карбидными соединениями. Температура плавления не слишком высокое — большинство соединений плавятся уже при температуре 1500-1700 градусов. У соединения Cr7C3 при нагреве до 800 градусов происходит ряд эндотермических реакций и превращений, что приводит к превращению вещества в Cr23C6.

Карбид титана

Встречается в виде одного стабильного соединения — TiC. При нормальных условиях обладает серым цветом с характерным металлическим блеском. Плавится при температуре 3100 градусов, кипит — при 4305 градусах. Обладает высокой устойчивостью, прочностью. Химическая инертность средняя — в нормальном состоянии может вступать в реакцию с кислотами и щелочами (хотя реакция идет слабо). При нагреве до 2500 градусов может вступать в реакцию с азотом (в том числе — атмосферным). При нагреве до 1200 градусов может окисляться и/или вступать в реакцию с углекислым газом.

Карбиды вольфрама

Встречается в виде двух устойчивых соединений — WC и W2C. Оба карбида отличаются приблизительно одинаковыми химико-физическими свойствами. Вид — мелкий порошок серовато-черного цвета (со слабым металлическим блеском или без него). Вещества плавятся при температуре около 2720 градусов, однако при более низких температурах начинается их активных контакт с атмосферным воздухом, азотом или углекислым газом. Соединения легко растворяются в разогретых до температуре кипения серных и азотных кислотах.

Карбид кальция

Основное устойчивое соединение — CaC2. Вид — крупные прозрачные кристаллы, которые могут обладать светло-голубым оттенком. При наличии примесей может окрашиваться в другие цвета — серый, желтый, коричневый, черный и другие (в зависимости от типа примеси и ее концентрации). Соединение плавится при температуре порядка 2500 градусов, однако при комнатной температуре оно активно вступает в реакцию с водой с активным выделением ацетилена. Поэтому вещество нуждается в особых безопасных способах хранения (ацетилен является токсичным для человека).

Карбид циркония

Основное соединение — ZrC. Стандартное состояние — небольшие кристаллы серого цвета, обладающие металлическим блеском. Температура плавления — 3530 градусов, однако при нагреве до 1200 градусов вещество начинает активно вступать в реакцию с атмосферным кислородом, что приводит к образованию оксидов. Вещество слабо реагирует с кислотами, щелочами и солями, однако может вступать в реакцию с атомизированным азотом в составе сложных веществ, что приводит к образованию нитритов. Поэтому вещество нуждается в особых способах хранения.carbidi-5.jpg

Свойства соединений

Как и другие элементы, карбиды обладают определенным набором свойств, которые делают их популярным материалом на рынке строительства и машиностроения.

  1. Высокая твердость — в отличие от чистого металла соединения являются наиболее твердыми, что позволяет использовать их в самых разных областях;
  2. Высокая температура плавления — они существенно выше, чем температуры плавления аналогичных металлов;
  3. Устойчивость к коррозиям. Некоторые варианты довольно устойчивы к кислотам и внешним факторам.
  4. Хорошая теплопроводимость и термостойкость, позволяющие использовать смесь и при высоких, и при низких температурах;
  5. Повышенная износоустойчивость не дает деталям из материала испортиться раньше времени.

В зависимости от металла и неметалла элементы обладают разнообразными свойствами, которые меняются в зависимости от начальных данных.

Химическая классификация карбидов

Карбиды обычно можно классифицировать по типу химических связей следующим образом: (i) солеподобные (ионные), (ii) ковалентные соединения , (iii) межузельные соединения и (iv) «промежуточные» карбиды переходных металлов . Примеры включают карбид кальция (CaC 2 ), карбид кремния (SiC), карбид вольфрама (WC; часто называют просто карбидом, когда речь идет о станках) и цементит (Fe 3 C), каждый из которых используется в ключевых промышленных приложениях. Ионные карбиды не имеют систематического названия.

Солевидные / солевые / ионные карбиды

Солевидные карбиды состоят из высоко электроположительных элементов, таких как щелочные металлы , щелочноземельные металлы и металлы 3-й группы, включая скандий , иттрий и лантан . Алюминий из группы 13 образует карбиды , а галлий , индий и таллий — нет. Эти материалы имеют изолированные углеродные центры, часто описываемые как «C 4– » в метанидах или метидах; двухатомные единицы, » 2- 2 «в ацетилидах и трехатомных единицах» C 4- 3 «в аллилидах. Соединение КС 8

интеркалирования графита<fo> 60 обычно не классифицируются как карбиды. </fo>

Метаниды

Метаниды — это подмножество карбидов, которые отличаются своей склонностью к разложению в воде с образованием метана . Три примера — карбид алюминия Al 4 C 3 , карбид магния Mg 2 C и карбид бериллия Be 2 C .

Карбиды переходных металлов не являются соляными карбидами, но их реакция с водой очень медленная, и ею обычно пренебрегают. Например, в зависимости от пористости поверхности 5–30 атомных слоев карбида титана гидролизуются с образованием метана в течение 5 минут в условиях окружающей среды, после чего происходит насыщение реакции.

Обратите внимание, что метанид в этом контексте — банальное историческое название. Согласно правилам систематического наименования IUPAC такое соединение, как NaCH 3 , будет называться «метанидом», хотя это соединение часто называют метилнатрием.

Ацетилиды / Этиниды

220px-Carbid.jpg Карбид кальция .

Предполагается, что несколько карбидов являются солями ацетилид-аниона C 2 2– (также называемого перкарбидом), который имеет тройную связь между двумя атомами углерода. Щелочные металлы, щелочноземельные металлы и лантаноиды металлы образуют ацетилениды, например, карбид натрия Na 2 C 2 , карбид кальция СаС 2 и LAC 2 . Лантаноиды также образуют карбиды (сесквикарбиды, см. Ниже) с формулой M 2 C 3 . Металлы из группы 11 , также имеют тенденцию к образованию ацетиленидов, такому как медь (I) ацетилиду и серебро ацетилиду . Карбиды актинидных элементов , которые имеют стехиометрию MC 2 и M 2 C 3 , также описываются как солеподобные производные C 2- 2 .

Длина тройной связи CC варьируется от 119,2 пм в CaC 2 (аналогично этину) до 130,3 пм в LaC 2 и 134 пм в UC 2 . Связывание в LaC 2 было описано в терминах La III с дополнительным электроном, делокализованным на антисвязывающую орбиталь на C 2- 2 , объясняя металлическую проводимость.

Аллилиды

Многоатомные ионы С 4- 3 , иногда называемый аллилидом , содержится в Li 4 C 3 и Mg 2 C 3 . Ион является линейным и изоэлектронным с CO 2 . Расстояние CC в Mg 2 C 3 составляет 133,2 пм. Mg 2 C 3 дает метилацетилен , CH 3 CCH, и пропадиен , CH 2 CCH 2 , при гидролизе, что было первым признаком того, что он содержит C 4- 3 .

Ковалентные карбиды

Карбиды кремния и бора описываются как «ковалентные карбиды», хотя практически все соединения углерода проявляют некоторый ковалентный характер. Карбид кремния имеет две похожие кристаллические формы, обе связаны со структурой алмаза. Карбид бора , B 4 C, с другой стороны, имеет необычную структуру, которая включает икосаэдрические звенья бора, связанные атомами углерода. В этом отношении карбид бора похож на бориды, богатые бором . И карбид кремния (также известный как карборунд ), и карбид бора — очень твердые и тугоплавкие материалы . Оба материала важны в промышленном отношении. Бор также образует другие ковалентные карбиды, например B 25 C.

Молекулярные карбиды

220px-Au6C%28PPh3%296.png Комплекс [Au 6 C (PPh 3 ) 6 ] 2+ , содержащий углеродно-золотое ядро.

Комплексы металлов, содержащие C, известны как карбидокомплексы металлов . Наиболее распространены октаэдрические кластеры с углеродным центром, такие как [Au 6 C (PPh 3 ) 6 ] 2+ и [Fe 6 C (CO) 6 ] 2– . Подобные разновидности известны для карбонилов металлов и ранних галогенидов металлов. Было выделено несколько концевых карбидов, например [CRuCl 2 {P (C 6 H 11 ) 3 } 2 ].

Металлокарбоэдрины (или «меткары») представляют собой стабильные кластеры с общей формулой M 8 C 12 где M — переходный металл (Ti, Zr, V и др.).

Историческая справка

Первое необычное углеродное соединение, похожее на карбид, было получено в начале XIX века англичанином Дэви. Это был карбид калия. Далее в 1863 году был найден неустойчивый карбид меди, через 15 лет — карбид железа.

Официально соединения «появились» только в конце XIX века — к ним приложил руку француз Анри Муассон. Он получал соединения при помощи вольтовой дуги в электрической печи, которую он сам и придумал. Для этого использовались нагретый до раскаленного состояния древесный уголь, чистые металлы и их оксиды.

Однако за несколько лет до Муассона в метеоритах был обнаружен минерал когенит — смесь карбидов кобальта, железа и никеля. В некотором смысле эта находка помогла ответить на вопрос «Что такое карбиды?».

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий