| 名前 | |
|---|---|
| IUPAC名
タングステンカーバイド
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| その他の名前
炭化タングステン(IV) 炭化
タングステン | |
| 識別子 | |
3Dモデル(JSmol)
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.031.918 |
| EC番号 |
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パブケム CID
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| RTECS番号 |
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| ユニ | |
| 国連番号 | 3178 |
CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| トイレ | |
| モル質量 | 195.85 グラムモル−1 |
| 外観 | 灰色がかった黒色の光沢のある固体 |
| 密度 | 15.6 g/cm3 [ 1] |
| 融点 | 2,785〜2,830 °C (5,045〜5,126 °F; 3,058〜3,103 K) [3] [2] |
| 沸点 | 760 mmHgで6,000 °C (10,830 °F; 6,270 K) [2] |
| 不溶性 | |
| 溶解度 | HNOに可溶 3、HF [3] |
磁化率(χ)
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1·10 −5 cm 3 /モル[3] |
| 熱伝導率 | 110 W/(m·K) [4] |
| 構造 | |
| 六角形、hP2 [5] | |
| P 6 m2、No. 187 [5] | |
| 6平方メートル[5] | |
a = 2.906 Å、c = 2.837 Å [5] α=90°、β=90°、γ=120°
| |
| 三角柱(中心はC)[6] | |
| 熱化学 | |
熱容量 ( C )
|
39.8 J/(モル·K) [4] |
標準モル
エントロピー ( S ⦵ 298 ) |
32.1 J/モル·K |
| 関連化合物 | |
その他の陰イオン
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ホウ化タングステン 窒化 タングステン |
その他の陽イオン
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モリブデンカーバイド チタンカーバイド シリコンカーバイド |
特に記載がない限り、データは標準状態(25 °C [77 °F]、100 kPa)の材料に関するものです。
インフォボックス参照
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炭化タングステン(化学式:WC)は、タングステンと炭素原子を等量含む化合物(具体的には炭化物)です。最も基本的な形態では、炭化タングステンは細かい灰色の粉末ですが、焼結[7]によって圧縮成形することができ、産業機械、切削工具、ノミ、研磨剤、徹甲弾、宝飾品などに使用されます。
タングステンは鋼鉄の約3倍の剛性を持ち、ヤング率は約530~700GPaである[4] [8] [9] [10] 。密度は鋼鉄の2倍である。コランダム(α- Al
2お
3タングステンカーバイドの硬度はダイヤモンドに近く、[7]立方晶窒化ホウ素やダイヤモンド粉末、ホイール、化合物などの硬度の高い研磨剤でのみ研磨および仕上げが可能です。タングステンカーバイド工具は、高速度鋼(切削工具用の特殊な鋼のブレンド)よりもはるかに高い切削速度で動作できます。 [7]
炭化タングステン粉末は1893年にH.モアッサンによって初めて合成され、その20~25年後(1913~1918年)に焼結炭化物の工業生産が開始されました。[8]
ネーミング
機械加工などのさまざまな業界の労働者の間では、口語的にタングステンは単にカーバイドと呼ばれることがよくあります。
合成
粉
タングステンカーバイド粉末は、1,400~2,000℃でタングステン金属(または粉末)と炭素を反応させることによって製造される。[11]他の方法としては、タングステン金属(または粉末)または青色WOのいずれかを反応させる低温流動床法がある。
3CO / CO 2 ガス混合物とH
2900~1,200℃のガス。[12]
WCは、WO 3をグラファイトと直接900℃で加熱するか、水素中で670℃で加熱した後、アルゴン中で1,000℃で炭化することによっても製造できます。 [13]研究されている化学蒸着法には以下のものがあります。 [11]
- 六塩化タングステンを水素(還元剤として)およびメタン(炭素源として)と670℃(943 K)で反応させる
- WCl
6+ H
2+ CH
4→ WC + 6 HCl
- 六フッ化タングステンを水素(還元剤として)およびメタノール(炭素源として)と350℃(623 K)で反応させる
- WF
6+ 2 時間
2+ CH
3OH → WC + 6 HF + H
2お
セメント型
固体のタングステンカーバイドは、 1920年代に開発された粉末冶金の技術を使用して製造されます。 [7]粉末状のタングステンカーバイドは、結合剤として機能する別の粉末状の金属、通常はコバルト(代替としてニッケル、鉄、パラフィンワックス[8]など)と混合されます。[7]混合物を圧縮し、 1,400 °C(2,550 °F)から1,600 °C(2,910 °F)の温度に加熱して焼結します。結合剤がタングステン粒子を溶かし、湿らせ、部分的に溶解させ、それらを結合します。[7]コバルトタングステン複合材料は、具体的にはウィディアやカーボロイなど、いくつかの商標で知られています。[7]
化学的性質
タングステンと炭素のよく特徴づけられた化合物には、炭化タングステン(WC )と半炭化タングステン(W)の2つがある。
2C.両方の化合物がコーティング中に存在する可能性があり、その割合はコーティング方法によって異なります。[14]
タングステンと炭素の別の準安定化合物は、WC相をプラズマを使用して高温に加熱し、不活性ガスで急冷することによって生成できます(プラズマ球状化)。[15]このプロセスにより、マクロ結晶WC粒子が球状化し、非化学量論的な高温相WCが生成されます。
1-x室温では準安定状態で存在する。この相の微細構造は、他の炭化タングステン化合物と比較して、高い硬度(2800~3500 HV)と優れた靭性を兼ね備えている。この化合物の準安定状態は、高温安定性を低下させる。[要出典]
高温ではWCはタングステンと炭素に分解し、これは例えば高速酸素燃料(HVOF)法や高エネルギープラズマ(HEP)法などの高温熱噴射中に発生する可能性がある。 [16]
WCの酸化は500~600℃(773~873 K)で始まる。[11] WCは酸に対して耐性があり、フッ化水素酸/硝酸(HF/ HNO
3)混合物と反応する。[11]室温ではフッ素ガスと反応し、 400℃(673 K)以上では塩素と反応し、乾燥Hとは反応しない。
2融点まで加熱すると、WCは容易に酸化されます。 [11] WCの微粉末は過酸化水素水溶液中で容易に酸化されます。[17]高温高圧下では炭酸ナトリウム水溶液と反応してタングステン酸ナトリウムを形成します。この方法は選択性が高いため、スクラップの超硬合金の回収に使用されます。[要出典]
物理的特性
タングステンは、融点が2,870℃(3,140 K)と高く、1標準気圧(101.325キロパスカル)に相当する圧力下での沸点は6,000℃(6,270 K)です[2] 。熱伝導率は110 W/m·K、[4]熱膨張係数は5.5 μm/m·Kです。[8]
タングステンカーバイドは非常に硬く、モース硬度は約9~9.5 、ビッカース数は約2600です。[9]ヤング率は約530~700 GPa、[4] [8] [9] [10]体積弾性率は379~381 GPa、[18]剪断弾性率は274 GPaです。[19]引張強度は344 MPa、[10]圧縮強度は約2.7 GPa、ポアソン比は0.31です。[19]
タングステンの細い棒を通る縦波の速度(音速)は6220m/sである。[20]
タングステンの電気抵抗率は約 0.2μΩ ·mと低く、これはいくつかの金属(例えばバナジウム0.2μΩ ·m)の抵抗率と匹敵します。[11] [21]
WCは溶融ニッケルとコバルトの両方に容易に濡れる。[22] WC-Co系の状態図の調査では、WCとCoが擬似二元共晶を形成することが示されている。状態図はまた、組成が(W,Co)のいわゆるη炭化物が存在することを示している。
6Cが形成される可能性があり、これらの相の脆さにより、WC-Co焼結炭化物中の炭素含有量の制御が重要になります。[22]コバルトなどの溶融相が存在すると、炭化タングステンの焼結時に異常な粒成長が発生することが知られており、これが製品材料の性能に大きな影響を与えます。[引用が必要]
構造


WC には 2 つの形態、六方晶 α-WC ( hP2、空間群P 6 m2、No. 187) [5] [6]と岩塩構造を持つ立方晶の高温形態 β-WCの 2 つがある。[23]六方晶は、金属原子の層が互いに直接重なり合って (つまり密に詰まっていない) 単純な六角格子で構成されていると視覚化でき、炭素原子が隙間の半分を埋めて、タングステンと炭素の両方に規則的な三角柱の 6配位を与えている。[6]単位格子の寸法[24]から、次の結合長を決定できる。六方詰まった層内のタングステン原子間の距離は 291 pm、隣接する層内のタングステン原子間の最短距離は 284 pm、タングステンと炭素の結合長は 220 pm である。したがって、タングステン-炭素結合長はW( CH
3)
6(218 pm)タングステンの三方柱状配位が強く歪んでいる。[25]
分子WCが研究されており、この気相種は171pmの結合長を持ちます。184
わ12
C. [26 ]
アプリケーション
機械加工用切削工具

焼結タングステンカーバイド-コバルト切削工具は耐摩耗性に優れ、標準的な高速度鋼(HSS)工具よりも高い温度にも耐えることができます。 超硬切削面は、炭素鋼やステンレス鋼などの強靭な材料の加工や、大量生産や高精度生産など鋼製工具では摩耗が早い用途によく使用されます。 超硬工具は鋼製工具よりも鋭い刃先を維持するため、一般的に部品の仕上がりが良く、耐熱性により加工が速くなります。 この材料は通常、超硬合金、固体超硬合金、ハードメタル、またはタングステンカーバイドコバルトと呼ばれます。 これは金属マトリックス複合材料であり、タングステンカーバイド粒子が骨材であり、金属コバルトがマトリックスとして機能します。[27] [28]コバルトを鉄アルミナイドに置き換えると、超硬合金の摩耗特性と酸化特性を改善できることがわかっています。[29] [30] [31]炭化タングステン切削工具は、チタンアルミニウム窒化物やチタンクロム窒化物などのコーティングを施すことでさらに強化され、熱安定性が向上し、工具寿命が延びます。[要出典]
弾薬
タングステンは、モノリシック焼結形態、またはより一般的には焼結タングステンカーバイドコバルト複合材料(上記参照)として、特に劣化ウランが入手できない、または政治的に受け入れられない場合に、徹甲弾によく使用されます。
2C弾は、第二次世界大戦でドイツ空軍の 戦車猟兵中隊によって初めて使用されました。しかし、ドイツのタングステンの備蓄が限られていたため、W
2C材は工作機械や少数の弾丸の製造に使用されました。非常に高い硬度と高密度を併せ持つため、効果的な貫通弾です。[32] [33]
タングステンカーバイド弾は現在、一般的にサボ型である。SLAP(サボ付き軽装甲貫通弾)は、プラスチック製のサボが銃口から排出される弾頭で、サボ付き小火器弾の主要タイプの一つである。ジャケットの材質にかかわらず、非排出ジャケットはサボではなく弾丸として認識される。しかし、どちらの設計も、指定された軽装甲貫通小火器弾では一般的である。M1A1エイブラムスの主砲で使用されるような排出サボは、精密な高速度砲弾ではより一般的である。[34] [35]
採鉱および基礎掘削
炭化タングステンは、採掘において、トップハンマー削岩機ビット、ダウンホールハンマー、ローラーカッター、長壁プラウチゼル、長壁シアラーピック、レイズボーリングリーマー、トンネル掘削機などに広く使用されています。これらの用途では、油井スクリーンの入口制御、サブアセンブリ、シールリング、石油およびガス掘削で一般的なブッシングなどの耐摩耗性および耐腐食性コンポーネントにも使用されています。[36]一般的にはボタンインサートとして使用され、ビットの本体を形成する周囲の鋼鉄マトリックスに取り付けられています。炭化タングステンボタンが摩耗すると、それを含むより柔らかい鋼鉄マトリックスも摩耗し、さらに多くのボタンインサートが露出します。[要出典]
核

タングステンカーバイドは効果的な中性子反射体でもあり、核連鎖反応、特に兵器の初期の調査に使用されました。1945年8月21日、ロスアラモス国立研究所で臨界事故が発生しました。ハリー・ダリアンが誤ってタングステンカーバイドの塊をプルトニウム球(悪魔の核)の上に落とし、反射した中性子によって臨界未満の質量が超臨界状態になったのです。彼は昏睡状態に陥り、事故の25日後に亡くなりました。[37] [38] [39]
スポーツでの使用

多くのハイカーがバランスをとったり、脚の関節への圧力を軽減したりするために使用するトレッキングポールは、一般的に硬い表面(岩など)に置いたときに牽引力を得るためにカーバイドチップを使用しています。カーバイドチップは他のタイプのチップよりもはるかに長持ちします。[40]
スキーポールの先端は、氷の層を突き破るのにそれほど硬くする必要がないため、通常はカーバイド製ではありませんが、ローラースキーの先端は通常カーバイド製です。ローラースキーはクロスカントリースキーを模倣したもので、多くのスキーヤーが暖かい季節にトレーニングに利用しています。[要出典]
尖ったカーバイドの先端のスパイク(スタッドと呼ばれる)をスノーモービルのドライブトラックに挿入することができます。これらのスタッドは氷の路面での牽引力を高めます。長いV字型のセグメントは、各スノーモービルのスキーの下にある摩耗ロッドと呼ばれる溝付きのロッドにフィットします。比較的鋭いカーバイドのエッジは、より硬い氷の路面での操縦性を高めます。カーバイドの先端とセグメントは、スノーモービルが道路やその他の摩耗しやすい路面を横断するときに発生する摩耗を軽減します。[41]
タングステンカーバイドスタッドを備えた自動車、オートバイ、自転車のタイヤは、氷上でのトラクションが向上します。耐摩耗性に優れているため、一般的にスチールスタッドよりも好まれています。[42]
タングステンは、馬の蹄鉄工、つまり馬の蹄鉄を装着する際に、道路や氷のような滑りやすい表面での牽引力を向上させるために使用されることがあります。蹄鉄を取り付けるために、炭化物の先端が付いた蹄釘が使用されることがあります。[43]米国では、ボリウム(青銅や軟鋼などのより柔らかい金属のマトリックス内のタングステンカーバイドのチップ)を、蹄鉄を装着する前に蹄鉄の裏側の小さな領域に溶接することがあります。[44] : 73
手術器具および医療
タングステンカーバイドは、開腹手術用の手術器具(はさみ、鉗子、止血鉗子、刃の柄など)や腹腔鏡手術用の手術器具(把持器、はさみ/カッター、針ホルダー、焼灼器など)の製造にも使用されます。これらはステンレス鋼製のものよりもはるかに高価で、取り扱いに細心の注意が必要ですが、性能は優れています。[45]
ジュエリー

タングステンカーバイドは、通常、超硬合金(炭化物粒子を金属でろう付けしたもの)の形で使用され、その極めて高い硬度と高い耐傷性から、ブライダルジュエリー業界で人気の素材となっている。 [46] [47]耐衝撃性は高いが、極めて硬いため、特定の状況下では時折粉々になってしまうこともある。[48]衝撃を受けるとタングステン製の指輪は粉々になり、すぐに外れるが、貴金属は平らに曲がって切断が必要になるため、この点は有用であると考える人もいる。タングステンカーバイドは、18金の約10倍の硬度がある。デザインと光沢に加え、その技術的な性質も消費者にとって魅力的である。[46]このような指輪をすぐに外さなければならない場合(手の怪我による腫れなどの緊急医療処置が必要な場合など)は、ロックペンチなどの特殊な工具が必要になることがある。[49]
他の

タングステンは、筆記時にインクを分散させるボールペンの先端の回転ボールの製造に広く使用されています。 [50]
イギリスのギタリスト、マーティン・シンプソンは特注のタングステンカーバイド製ギタースライドを使用しています。[51] [より適切な出典が必要]スライドの硬度、重量、密度により、標準的なガラス、スチール、セラミック、真鍮のスライドに比べて優れたサスティンと音量が得られます。 [出典が必要]
タングステンは触媒としての可能性が研究されており、室温での水素と酸素からの水の生成、水の存在下での水素による三酸化タングステンの還元、 2,2-ジメチルプロパンの2-メチルブタンへの異性化の触媒作用において白金に似ていることがわかっています。[ 52 ]ヒドラジン駆動の衛星スラスタのイリジウム触媒の代替として提案されています。[53]
高性能自動車用途のブレーキディスクには、性能向上、サービス間隔の延長、ブレーキダストの低減を目的としたタングステンカーバイドコーティングが利用されている。[54]
毒性
タングステンカーバイドに関連する主な健康リスクは、粉塵の吸入による珪肺様肺線維症につながることです。[55]コバルトセメントタングステンカーバイドは、アメリカ国立毒性学プログラムによってヒトに対する発がん性物質であるとも予想されています。[56]
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引用元
- Kurlov, Alexey S.; Gusev, Aleksandr I. (2013). タングステンカーバイド: 構造、特性、および硬質金属への応用。Springer Science & Business Media。doi : 10.1007/ 978-3-319-00524-9。ISBN 978-3-319-00524-9. LCCN 2013942113. S2CID 136700223.
外部リンク
- 国際化学物質安全性カード 1320
- NIOSH 化学物質の危険性に関するポケットガイド
