Titaniumkarbid: produksjon, sammensetning, formål, egenskaper og bruksområder

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2024-01-02 14:00

Titaniumkarbid er en av de lovende analogene til wolfram. Det er ikke dårligere enn sistnevnte når det gjelder fysiske og mekaniske egenskaper, og produksjonen av denne forbindelsen er mer økonomisk. Den er mest brukt i produksjon av skjærende verktøy i hardmetall, samt i olje- og generell ingeniør-, luftfarts- og rakettindustri.

Beskrivelse og oppdagelseshistorie

Titankarbid inntar en spesiell plass blant overgangsmetallforbindelsene i det periodiske systemet for kjemiske grunnstoffer. Den utmerker seg ved sin spesielle hardhet, varmebestandighet og styrke, som bestemmer dens utbredte bruk som grunnlag for harde legeringer som ikke inneholder wolfram. Den kjemiske formelen til dette stoffet er TiC. Utad er det et lysegråt pulver.

Produksjonen startet på 1920-tallet, da selskaper som produserte glødepærer lette etter et alternativ til den dyre teknologien for produksjon av wolframfilamenter. Som et resultat ble det oppfunnet en metode for å produsere sementert karbid. Denne teknologien var rimeligere, siden råvarer -titandioksid var rimeligere.

I 1970 startet bruken av titannitritt, som gjorde det mulig å øke viskositeten til sementerte fuger, og krom- og nikkeltilsetninger gjorde det mulig å øke korrosjonsbestandigheten til titankarbid. I 1980 ble det utviklet en prosess for pulversintring under påvirkning av jevn kompresjon (pressing). Dette forbedret kvaliteten på materialet. Sintret karbidpulver brukes for tiden i applikasjoner der høy temperatur, slitasje og oksidasjonsmotstand er nødvendig.

Kjemiske egenskaper

De kjemiske egenskapene til titankarbid bestemmer dets praktiske betydning i teknologi. Denne forbindelsen har følgende egenskaper:

• motstand mot HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkali;}
• høy korrosjonsbestandighet i alkaliske og sure løsninger;
• ingen interaksjon med sinksmelter, hovedtypene metallurgisk slagg;
• aktiv oksidasjon kun ved temperaturer over 1100 °C;
• smeltefuktbarhet av stål, støpejern, nikkel, kobolt, silisium;
• dannelse av TiCl_{4 i klormedium ved t>40 °C.}

Fysiske og mekaniske egenskaper

De viktigste fysiske og mekaniske egenskapene til dette stoffet er:

1. Termofysisk: smeltepunkt – 3260±150 °C; kokepunkt - 4300 ° C; varmekapasitet - 50, 57 J/(K∙mol); termisk ledningsevne ved 20 °C (avhengig av innholdetkarbon) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Styrke (ved 20 °C): trykkstyrke - 1380 MPa; strekkstyrke (varmpresset karbid) - 500 MPa; mikrohardhet - 15 000–31 500 MPa; slagstyrke - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; hardhet på Mohs-skalaen - 8-9 enheter.}
3. Teknologisk: slitasjehastighet (avhengig av karboninnhold) – 0,2-2 µm/t; friksjonskoeffisient - 0,4-0,5; sveisbarheten er dårlig.

Motta

Titankarbidproduksjon utføres på flere måter:

• Karbon-termisk metode fra titandioksid og faste karboniserende materialer (henholdsvis 68 og 32 % i blandingen). Som sistnevnte brukes sot oftest. Råvaren presses først til briketter, som deretter legges i en digel. Karbonmetning finner sted ved en temperatur på 2000 °C i en beskyttende atmosfære av hydrogen.
• Direkte karbidisering av titanpulver ved 1600 °C.
• Pseudosmelting - oppvarming av metallpulver med sotbriketter i et to-trinns opplegg opp til 2050 °C. Sot løses opp i titansmelten, og produksjonen er karbidkorn opp til 1 tusen mikron i størrelse.
• Tenning i vakuum av en blanding av titanpulver og kjønrøk (tidligere brikettert). Forbrenningsreaksjonen varer noen sekunder, deretter avkjøles sammensetningen.
• Plasma-kjemisk metode fra halogenider. Denne metoden gjør det mulig å oppnå ikke bare karbidpulver, men også belegg, fibre, enkeltkrystaller. Den vanligste blandingen er titanklorid, metan og hydrogen. Prosessen utføres ved en temperatur1200-1500°C. Plasmastrømmen skapes ved hjelp av en lysbueutladning eller i høyfrekvente generatorer.
• Fra titanlegeringsflis (hydrogenering, sliping, dehydrogenering, karbonatisering eller kjønrøkkarbidisering).

Produktet laget med en av disse metodene behandles i slipeenheter. Maling til pulver utføres til partikkelstørrelser på 1-5 mikron.

Fiber og krystaller

Å oppnå titankarbid i form av enkeltkrystaller utføres på flere måter:

1. Smeltingmetode. Det finnes flere varianter av denne teknologien: Verneuil-prosessen; trekke fra et væskebad dannet ved å smelte de sintrede stengene; elektrotermisk metode i lysbueovner. Disse teknikkene er ikke mye brukt fordi de krever høye energikostnader.
2. Løsningsmetode. En blanding av titan- og karbonforbindelser, samt metaller som spiller rollen som løsemiddel (jern, nikkel, kobolt, aluminium eller magnesium), varmes opp i en grafittdigel til 2000 ° C i vakuum. Metallsmelten holdes i flere timer, behandles deretter med s altsyreløsninger og hydrogenfluorid, vaskes og tørkes, flyter i en blanding av trikloretylen og aceton for å fjerne grafitt. Denne teknologien produserer krystaller med høy renhet.
3. Plasma-kjemisk syntese i en reaktor under interaksjonen av en plasmastråle med titanhalogenider TiCl₄, TiI_{4. Metan, etylen, benzen, toluen og andre brukes som karbonkilde.hydrokarboner. De største ulempene med denne metoden er den teknologiske kompleksiteten og toksisiteten til råvarer.}

Fiber oppnås ved avsetning av titanklorid i et gassformig medium (propan, karbontetraklorid blandet med hydrogen) ved en temperatur på 1250-1350 °C.

Påføring av titankarbid

Denne forbindelsen brukes som en komponent i produksjon av varmebestandige, varmebestandige og harde wolframfrie legeringer, slitesterke belegg, slipende materialer.

Titankarbidkarbidsystemer brukes for følgende produkter:

• verktøy for metallskjæring;
• deler av valsemaskiner;
• varmebestandige digler, termoelementdeler;
• ovnsfôr;
• jetmotordeler;
• ikke-forbrukbare sveiseelektroder;
• elementer av utstyr designet for å pumpe aggressive materialer;
• slipepasta for polering og etterbehandling av overflater.

Delene er laget av pulvermetallurgi:

• ved sintring og varmpressing;
• ved glidestøping i gipsformer og sintring i grafittovner;
• ved å trykke og sintre.

Coatings

Titaniumkarbidbelegg lar deg øke ytelsen til deler og samtidig spare på dyre materialer. De er preget av følgende egenskaper:

• høy slitestyrke og hardhet;
• kjemisk stabilitet;
• lav friksjonskoeffisient;
• lav tilbøyelighet til kaldsveising;
• skalamotstand.

Et lag med titankarbid påføres grunnmaterialet på flere måter:

• Dampavsetning.
• Plasma- eller detonasjonssprøyting.
• Laserkledning.
• Ion-plasma-spraying.
• Elektrisk gnistlegering.
• Diffusjonsmetning.

Cermet er også laget på basis av titankarbid og nikkel varmebestandige legeringer - et komposittmateriale som gjør det mulig å øke slitestyrken til deler i flytende medier med 10 ganger. Bruken av denne kompositten er lovende for å øke levetiden til pumpeutstyr og annet utstyr, som inkluderer injeksjonsdyser for å opprettholde reservoartrykket, fakkelbrennere, borkroner, ventiler.

Carbisteel

Tungsten og titankarbider brukes til fremstilling av karbidstål, som i sine egenskaper inntar en mellomposisjon mellom harde legeringer og høyhastighetsstål. Ildfaste metaller gir dem høy hardhet, styrke og slitestyrke, og stålmatrisen - seighet og duktilitet. Massefraksjonen av titan og wolframkarbid kan være 20-70%. Slike materialer oppnås ved metodene for pulvermetallurgi angitt ovenfor.

Hårdmetallstål brukes til produksjon av skjærende verktøy, samt maskindeler,arbeider under forhold med sterk mekanisk og korrosiv slitasje (lager, gir, foringer, aksler og andre).