Свойства карбидов металлов (гафния, хрома, титана, вольфрама и др.)
Представлены сведения о химических и физических свойствах карбидов металлов: таких, как гафний, хром, титан, вольфрам и других. Физические свойства карбидов сведены в отдельные таблицы, в которых указана их плотность, твердость, температура плавления и кипения, а также электрические и тепловые свойства.
Карбид гафния GfC
В таблице приведены свойства карбида металла гафния. Карбид гафния представляет собой соединение серого цвета с температурой плавления 3890°С и высокой плотностью, которая при комнатной температуре составляет 12600 кг/м3. Энергия кристаллической решетки GfC равна 117,2·105 кДж/кмоль.
Карбид гафния полностью растворяется в ортофосфорной, азотной и серной кислотах. При температуре около 2000°С он начинает взаимодействовать с тугоплавкими металлами — такими, как молибден, вольфрам, тантал и ниобий.
| Молекулярная масса | 190,5 |
| Тип решетки | Кубическая |
| Плотность, кг/м3 | 12600 |
| Температура плавления, °С | 3890±150 |
| Температура кипения, °С | 4160 |
| Средний ТКЛР в интервале 20-1200°С, α·106, град-1 | 6,1 |
| Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град) | 35,3 |
Теплопроводность карбида гафния с нулевой пористостью при температуре 300°С равна 9,2 Вт/(м·град). При нагревании коэффициент теплопроводности GfC увеличивается. Удельная теплоемкость карбида гафния относительно невысока и при росте температуры слабо увеличивается.
| 300 | 400 | 600 | 800 | 1000 | 1200 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг·град) | 251 | 251 | 255 | 268 | 281 | 297 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град) | 9,2 | 10 | 11,7 | 13,8 | 15,9 | 17,2 |
Карбиды хрома
Таблица содержит физические свойства карбидов хрома различного состава. Соединения с формулой Cr23C6 и Cr3C2 имеют серый цвет; Cr7C3 — серебристый.
Карбиды хрома Cr23C6 и Cr7C3 нерастворимы в царской водке. После длительного нагрева при 730…870°С карбид Cr7C3 превращается в Cr23C6. Карбид Cr3C2 нерастворим в воде. Изделия из него также практически нерастворимы в кислотах, их смесях и растворах щелочей. Однако, он может взаимодействовать с цинком при температуре 940°С. Температура начала окисления Cr3C2 составляет 900…1000°С.
| Свойства/карбид | Cr4C | Cr23C6 | Cr7C3 | Cr3C2 |
|---|---|---|---|---|
| Молекулярная масса | 220 | 1265 | 400 | 180 |
| Тип решетки | Кубическая | Кубическая | Гексагональная | Ромбическая |
| Плотность, кг/м3 | — | 6970 | 6920 | 6680 |
| Температура плавления, °С | 1520 | 1550 | 1700±50 | 1890 (разлаг.) |
| Средний ТКЛР в интервале 20-800°С, α·106, град-1 | — | 10,1 | 10 | 10,3 |
| Удельная массовая теплоемкость при 20°С, Дж/(кг·град) | — | 493 | 523 | 546 |
| Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град) | — | 84 | 209 | 98 |
| Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град) | — | 18,7 | 16,6 | 16,2 |
Карбид титана TiC
Карбид титана TiC представляет собой соединение светло-серого цвета с металлическим блеском. Он химически инертен при комнатной температуре: плохо растворяется в кислотах, их смесях и некоторых щелочах в холодном и нагретом состояниях.
При высоких температурах (выше 2500°С) начинает реагировать с азотом. При взаимодействии с водородом обезуглероживается. Кроме того, окисляется углекислым газом при температурах выше 1200°С. Температура активного окисления карбида титана составляет 1100…1200°С.
Область температурной устойчивости TiC достигает 3140°С, он высокостоек в расплавленных легкоплавких металлах и металлах типа меди, алюминия, латунях, чугунах и сталях. Степень черноты карбида титана равна 0,9 (при длине волны 0,655 мкм).
| Молекулярная масса | 59,9 |
| Тип решетки | Кубическая |
| Плотность, кг/м3 | 4930 |
| Температура плавления, °С | 3147±50 |
| Температура кипения, °С | 4305 |
| Твердость по шкале Мооса | 8-9 |
| Средний ТКЛР в интервале 20-2700°С, α·106, град-1 | 9,6 |
| Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град) | 33,7 |
| Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град) | 842 |
| Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град) | 34…39 |
| Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м | 60 |
Карбиды вольфрама W2C и WC
Карбиды вольфрама W2C и WC представляют собой соединения серого цвета. Область температурной устойчивости для W2C составляет до 2750°С; для WC — до 2600°С. Тонкий порошок WC быстро окисляется на воздухе при 500…520°С. Температура начала окисления грубого порошка WC составляет 595°С. При 700°С изменение массы карбида вольфрама WC в результате часового окисления составляет 8,3 мг/(см2·ч).
При комнатной температуре порошок карбида вольфрама практически не растворяется в сильных концентрированных кислотах. Однако он почти полностью растворим в кипящих H2SO4 и HNO3. При температуре 940°С WC слабо взаимодействует с расплавом цинка.
| Свойства/карбид | W2C | WC |
|---|---|---|
| Молекулярная масса | 379,7 | 195,9 |
| Тип решетки | Гексагональная | |
| Плотность, кг/м3 | 1720 | 1560 |
| Температура плавления, °С | 2730±15 | 2720 |
| Температура кипения, °С | 6000 | |
| Твердость по шкале Мооса | 9-10 | 9 |
| Средний ТКЛР в интервале 20-2000°С, α·106, град-1 | 5,8 | |
| Удельная массовая теплоемкость в интервале 0-100°С, Дж/(кг·град) | — | 184 |
| Молярная теплоемкость при 25°С, кДж/(кмоль·град) | — | 36 |
| Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град) | 29,3 | 197 |
Карбид кальция CaC2
В таблице приведены физические свойства карбида кальция CaC2. По своим оптическим свойствам химически чистый карбид кальция — большие, почти бесцветные кристаллы с голубоватым оттенком. Технический CaC2 в зависимости от степени чистоты имеет серый, коричнево-желтый или черный цвет.
Предел температурной устойчивости для карбида кальция равен 2300°С. При температуре 20°С он полностью растворяется в воде (с выделением ацетилена) и концентрированной соляной кислоте.
| Молекулярная масса | 64,1 |
| Тип решетки | Тетрагональная, кубическая |
| Плотность, кг/м3 | 2100 |
| Температура плавления, °С | 2300 (разлаг.) |
| Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град) | 960 |
| Молярная теплоемкость при 25°С, кДж/(кмоль·град) | 61,3 |
Карбид циркония ZrC
Карбид циркония представляет собой соединение серого цвета с металлическим блеском. Он химически инертен при комнатной температуре: плохо растворяется в концентрированных кислотах, их смесях и некоторых щелочах, как в холодном, так и нагретом состоянии. Карбид циркония нерастворим в воде, однако взаимодействует с азотом с образованием нитридов.
Температура активного окисления ZrC составляет 1100…1200°С, область температурной устойчивости — до 3530°С. Карбид циркония стоек в расплавах меди и медных сплавов, стали, чугуна и легкоплавких металлов.
| Молекулярная масса | 103,2 |
| Тип решетки | Кубическая |
| Плотность, кг/м3 | 6730 |
| Температура плавления, °С | 3530 |
| Температура кипения, °С | 5100 |
| Твердость по шкале Мооса | 8-9 |
| Средний ТКЛР в интервале 20-1100°С, α·106, град-1 | 6,74 |
| Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град) | 61,1 |
| Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град) | 456 |
| Коэффициент теплопроводности при 0°С, Вт/(м·град) | 42 |
| Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м | 50 |
Карбиды ниобия Nb2C и NbC
В таблице даны физические свойства карбидов ниобия Nb2C и NbC. Плотный карбид ниобия NbC имеет серовато-коричневый или бледно-лиловый металлический цвет. Порошок NbC имеет фиолетовый оттенок.
Карбиды ниобия при комнатной температуре химически инертны, обладают высокой химической стойкостью к действию кислот и их смесей даже в нагретом состоянии. Однако, они растворимы в смеси плавиковой и азотной кислоты.
При нагревании на воздухе NbC слегка обезуглероживается. До температуры 2500°С он устойчив в атмосфере азота. Температура активного окисления карбида ниобия составляет 900…1000°С. Область температурной устойчивости — до 3890°С. Он стоек в расплавах металлов (Cu, Al), имеет высокую твердость по шкале Мооса.
| Свойства/карбид | Nb2C | NbC |
|---|---|---|
| Молекулярная масса | 197,8 | 105 |
| Тип решетки | Гексагональная | Кубическая |
| Плотность, кг/м3 | 7860 | 7560 |
| Температура плавления, °С | 2927 | 3480 |
| Температура кипения, °С | — | 4500 |
| Твердость по шкале Мооса | — | 9-10 |
| Средний ТКЛР в интервале 20-1100°С, α·106, град-1 | 6,5 | |
| Удельная массовая теплоемкость при 20°С, Дж/(кг·град) | 315 | 355 |
| Молярная теплоемкость при 25°С, кДж/(кмоль·град) | 30,36 | 37,35 |
| Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град) | — | 19 |
| Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м | 55 | 46 |
Источники:
- Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967. — 474 с.
- Кржижановский Р. Е., Штерн З. Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов (карбиды). Справочник. Л.: Энергия, 1976. — 120 с.