Titanov karbid: proizvodnja, sestava, namen, lastnosti in uporaba

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 14:02

Titanov karbid je eden od obetavnih analogov volframa. Po fizikalnih in mehanskih lastnostih ni slabša od slednjega, izdelava te spojine pa je bolj ekonomična. Najpogosteje se uporablja v proizvodnji rezalnih orodij iz karbidne trdine, pa tudi v naftni in splošni tehniki, letalski in raketni industriji.

Opis in zgodovina odkritja

Titanov karbid zavzema posebno mesto med spojinami prehodnih kovin v periodnem sistemu kemijskih elementov. Odlikuje ga posebna trdota, toplotna odpornost in trdnost, kar določa njegovo široko uporabo kot osnovo za trde zlitine, ki ne vsebujejo volframa. Kemična formula te snovi je TiC. Navzven je svetlo siv prah.

Proizvodnja se je začela v dvajsetih letih prejšnjega stoletja, ko so podjetja, ki proizvajajo žarnice z žarilno nitko, iskala alternativo dragi tehnologiji za proizvodnjo volframovih filamentov. Kot rezultat, je bila izumljena metoda za proizvodnjo cementnega karbida. Ta tehnologija je bila cenejša, saj so surovine -titanov dioksid je bil cenovno ugodnejši.

Leta 1970 se je začela uporaba titanovega nitrita, ki je omogočil povečanje viskoznosti cementnih spojev, dodatki kroma in niklja pa so omogočili povečanje korozijske odpornosti titanovega karbida. Leta 1980 je bil razvit postopek prašnega sintranja pod vplivom enakomernega stiskanja (stiskanja). To je izboljšalo kakovost materiala. Sintrani karbidni prah se trenutno uporabljajo v aplikacijah, kjer so potrebne visoke temperature, odpornost proti obrabi in oksidaciji.

Kemične lastnosti

Kemične lastnosti titanovega karbida določajo njegov praktični pomen v tehnologiji. Ta spojina ima naslednje značilnosti:

• odpornost na HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkalna;}
• visoka odpornost proti koroziji v alkalnih in kislinskih raztopinah;
• brez interakcije s cinkovimi talinami, glavnimi vrstami metalurške žlindre;
• aktivna oksidacija samo pri temperaturah nad 1100 °C;
• omočljivost taline jekla, litega železa, niklja, kob alta, silicija;
• tvorba TiCl_{4 v klorovem mediju pri t>40 °C.}

Fizikalne in mehanske lastnosti

Glavne fizikalne in mehanske lastnosti te snovi so:

1. Termofizikalno: tališče – 3260±150 °C; vrelišče - 4300 ° C; toplotna zmogljivost - 50, 57 J/(K∙mol); toplotna prevodnost pri 20 °C (odvisno od vsebineogljik) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Trdnost (pri 20 °C): tlačna trdnost - 1380 MPa; natezna trdnost (vroče stiskani karbid) - 500 MPa; mikrotrdota - 15.000–31.500 MPa; udarna trdnost - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; trdota po Mohsovi lestvici - 8-9 enot.}
3. Tehnološki: stopnja obrabe (odvisno od vsebnosti ogljika) – 0,2-2 µm/h; koeficient trenja - 0,4-0,5; varivost je slaba.

Prejmi

Proizvodnja titanovega karbida se izvaja na več načinov:

• Ogljikovo-termična metoda iz titanovega dioksida in trdnih materialov za naogljičenje (68 oziroma 32% v mešanici). Kot slednje se najpogosteje uporabljajo saje. Surovino najprej stisnemo v brikete, ki jih nato damo v lonček. Nasičenje z ogljikom poteka pri temperaturi 2000 °C v zaščitni atmosferi vodika.
• Neposredna karbidizacija titanovega prahu pri 1600 °C.
• Psevdo-taljenje - segrevanje kovinskega prahu z briketi saj v dvostopenjski shemi do 2050 °C. Saje se raztopijo v titanovi talini, rezultat pa so zrna karbida do velikosti 1 tisoč mikronov.
• Vžig v vakuumu mešanice titanovega prahu in saj (prej briketirane). Reakcija zgorevanja traja nekaj sekund, nato se sestava ohladi.
• Plazemsko-kemijska metoda iz halogenidov. Ta metoda omogoča pridobivanje ne samo karbidnega prahu, temveč tudi premaze, vlakna, monokristale. Najpogostejša mešanica je titanov klorid, metan in vodik. Postopek se izvaja pri temperaturi1200-1500°C. Pretok plazme nastane z obločno razelektritvijo ali v visokofrekvenčnih generatorjih.
• Iz sekancev iz titanove zlitine (hidrogenacija, mletje, dehidrogenacija, karbonizacija ali karbidizacija saj).

Izdelek, izdelan po eni od teh metod, se obdeluje v enotah za mletje. Mletje v prah se izvede do velikosti delcev 1-5 mikronov.

Vlakna in kristali

Pridobivanje titanovega karbida v obliki monokristalov poteka na več načinov:

1. Metoda taljenja. Obstaja več različic te tehnologije: Verneuilov proces; vlečenje iz tekoče kopeli, ki nastane s taljenjem sintranih palic; elektrotermična metoda v obločnih pečeh. Te tehnike se ne uporabljajo široko, ker zahtevajo visoke stroške energije.
2. Način rešitve. Mešanico titanovih in ogljikovih spojin ter kovin, ki igrajo vlogo topila (železo, nikelj, kob alt, aluminij ali magnezij), segrejemo v grafitnem lončku na 2000 ° C v vakuumu. Kovinsko talino hranimo nekaj ur, nato obdelamo z raztopinami klorovodikove kisline in vodikovim fluoridom, speremo in posušimo, plavamo v mešanici trikloretilena in acetona, da odstranimo grafit. Ta tehnologija proizvaja kristale visoke čistosti.
3. Plazma-kemijska sinteza v reaktorju med interakcijo plazemskega curka s titanovimi halogenidi TiCl₄, TiI_{4. Kot vir ogljika se uporabljajo metan, etilen, benzen, toluen in drugi.ogljikovodiki. Glavne pomanjkljivosti te metode so tehnološka zapletenost in strupenost surovin.}

Vlakna se pridobivajo z nanašanjem titanovega klorida v plinast medij (propan, ogljikov tetraklorid, pomešan z vodikom) pri temperaturi 1250-1350 °C.

Nanos titanovega karbida

Ta spojina se uporablja kot sestavni del pri izdelavi toplotno odpornih, toplotno odpornih in trdih zlitin brez volframa, premazov, odpornih proti obrabi, abrazivnih materialov.

Sistemi iz karbida iz titanovega karbida se uporabljajo za naslednje izdelke:

• orodja za rezanje kovin;
• deli strojev za valjanje;
• topno odporni lončki, deli termoelementov;
• obloga peči;
• deli reaktivnega motorja;
• varilne elektrode, ki niso potrošne;
• elementi opreme za črpanje agresivnih materialov;
• abrazivne paste za poliranje in končno obdelavo površin.

Deli so izdelani v metalurgiji prahu:

• s sintranjem in vročim stiskanjem;
• z drsnim litjem v mavčne kalupe in sintranjem v grafitnih pečeh;
• s stiskanjem in sintranjem.

prevleke

Prevleke iz titanovega karbida vam omogočajo, da povečate zmogljivost delov in hkrati prihranite pri dragih materialih. Zanje so značilne naslednje lastnosti:

• visoka odpornost proti obrabi in trdota;
• kemijska stabilnost;
• nizek koeficient trenja;
• majhna nagnjenost k hladnemu varjenju;
• odpornost lestvice.

Sloj titanovega karbida se nanese na osnovni material na več načinov:

• Nalaganje hlapov.
• Plazma ali detonacijsko pršenje.
• Laserska obloga.
• Ionsko-plazemsko razprševanje.
• Legiranje z elektroiskricami.
• Difuzijska nasičenost.

Cermet je izdelan tudi na osnovi titanovega karbida in nikljevih toplotno odpornih zlitin - kompozitnega materiala, ki omogoča 10-kratno povečanje odpornosti proti obrabi delov v tekočih medijih. Uporaba tega kompozita je obetavna za podaljšanje življenjske dobe črpalne opreme in druge opreme, ki vključuje vbrizgalne šobe za vzdrževanje rezervoarskega tlaka, plamenske gorilnike, svedre, ventile.

Carbidesteel

Volframovi in titanovi karbidi se uporabljajo za izdelavo karbidnih jekel, ki po svojih lastnostih zasedajo vmesni položaj med trdimi zlitinami in hitroreznimi jekli. Ognjevarne kovine jim zagotavljajo visoko trdoto, trdnost in odpornost proti obrabi, jekleni matriki pa žilavost in duktilnost. Masni delež titanovega in volframovega karbida je lahko 20-70%. Takšne materiale pridobivamo z zgoraj navedenimi metodami prašne metalurgije.

Karbidna jekla se uporabljajo za proizvodnjo rezalnih orodij, pa tudi strojnih delov,delo v pogojih močne mehanske in korozivne obrabe (ležaji, zobniki, puše, gredi in drugo).