Titanov karbid: proizvodnja, sastav, namjena, svojstva i primjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 13:56

Titanov karbid je jedan od obećavajućih analoga volframa. Nije inferioran u odnosu na potonje u pogledu fizičkih i mehaničkih svojstava, a proizvodnja ovog spoja je ekonomičnija. Najviše se koristi u proizvodnji reznih alata od tvrdog metala, kao iu naftnoj i općoj tehnici, zrakoplovnoj i raketnoj industriji.

Opis i povijest otkrića

Titanov karbid zauzima posebno mjesto među spojevima prijelaznih metala Periodnog sustava kemijskih elemenata. Odlikuje ga posebna tvrdoća, otpornost na toplinu i čvrstoća, što određuje njegovu široku upotrebu kao temelj za tvrde legure koje ne sadrže volfram. Kemijska formula ove tvari je TiC. Izvana je svijetlosivi prah.

Njegova proizvodnja započela je 1920-ih, kada su tvrtke koje proizvode žarulje sa žarnom niti tražile alternativu skupoj tehnologiji za proizvodnju volframovih niti. Kao rezultat toga, izumljena je metoda za proizvodnju cementnog karbida. Ova tehnologija je bila jeftinija, budući da su sirovine -titanov dioksid bio je pristupačniji.

Godine 1970. počela je upotreba titanovog nitrita, koji je omogućio povećanje viskoznosti cementnih spojeva, a aditivi kroma i nikla omogućili su povećanje otpornosti titanovog karbida na koroziju. Godine 1980. razvijen je postupak za sinteriranje praha pod utjecajem jednolikog kompresije (prešanja). To je poboljšalo kvalitetu materijala. Sinterirani karbidni prah trenutno se koristi u aplikacijama gdje je potrebna visoka temperatura, otpornost na habanje i oksidaciju.

Kemijske karakteristike

Kemijska svojstva titanovog karbida određuju njegovu praktičnu važnost u tehnologiji. Ovaj spoj ima sljedeće karakteristike:

• otpornost na HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkalna;}
• visoka otpornost na koroziju u alkalnim i kiselim otopinama;
• bez interakcije s talinama cinka, glavnim vrstama metalurške troske;
• aktivna oksidacija samo na temperaturama iznad 1100 °C;
• pokvašenje čelika, lijevanog željeza, nikla, kob alta, silicija;
• formiranje TiCl_{4 u mediju klora na t>40 °C.}

Fizička i mehanička svojstva

Glavne fizičke i mehaničke karakteristike ove tvari su:

1. Termofizički: točka taljenja – 3260±150 °C; vrelište - 4300 ° C; toplinski kapacitet - 50, 57 J/(K∙mol); toplinska vodljivost na 20 °C (ovisno o sadržajuugljik) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Čvrstoća (na 20 °C): tlačna čvrstoća - 1380 MPa; vlačna čvrstoća (vruće prešani karbid) - 500 MPa; mikrotvrdoća - 15 000–31 500 MPa; udarna čvrstoća - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; tvrdoća po Mohsovoj ljestvici - 8-9 jedinica.}
3. Tehnološki: stopa trošenja (ovisno o sadržaju ugljika) – 0,2-2 µm/h; koeficijent trenja - 0,4-0,5; zavarljivost je loša.

Primi

Proizvodnja titanovog karbida provodi se na nekoliko metoda:

• Termička metoda ugljika od titanovog dioksida i krutih materijala za naugljičenje (68 odnosno 32% u smjesi). Kao potonje, najčešće se koristi čađa. Sirovina se prvo preša u brikete, koji se potom stavljaju u lončić. Zasićenje ugljikom odvija se na temperaturi od 2000 °C u zaštitnoj atmosferi vodika.
• Izravna karbidizacija titanovog praha na 1600 °C.
• Pseudo-taljenje - zagrijavanje metalnog praha s briketima čađe u dvostupanjskoj shemi do 2050 °C. Čađa se otapa u talini titana, a rezultat su zrna karbida veličine do 1 tisuću mikrona.
• Paljenje u vakuumu mješavine titanovog praha i čađe (prethodno briketirane). Reakcija izgaranja traje nekoliko sekundi, zatim se kompozicija ohladi.
• Plazma-kemijska metoda iz halogenida. Ova metoda omogućuje dobivanje ne samo praha karbida, već i premaza, vlakana, monokristala. Najčešća mješavina je titan klorid, metan i vodik. Proces se provodi na temperaturi1200-1500°C. Protok plazme se stvara pomoću lučnog pražnjenja ili u visokofrekventnim generatorima.
• Od čipova od legure titana (hidrogenacija, mljevenje, dehidrogenacija, karbidizacija ili karbidizacija čađe).

Proizvod napravljen jednom od ovih metoda obrađuje se u jedinicama za mljevenje. Mljevenje u prah se vrši do veličine čestica od 1-5 mikrona.

Vlakna i kristali

Dobivanje titanovog karbida u obliku monokristala provodi se na nekoliko načina:

1. Metoda topljenja. Postoji nekoliko varijanti ove tehnologije: Verneuilov proces; izvlačenje iz tekuće kupelji nastalo topljenjem sinteriranih šipki; elektrotermalna metoda u lučnim pećima. Ove tehnike nisu široko korištene jer zahtijevaju visoke troškove energije.
2. Metoda rješenja. Mješavina spojeva titana i ugljika, kao i metali koji imaju ulogu otapala (željezo, nikal, kob alt, aluminij ili magnezij), zagrijavaju se u grafitnom lončiću na 2000 °C u vakuumu. Talina metala se drži nekoliko sati, zatim se tretira otopinama klorovodične kiseline i fluorovodika, ispere i osuši, pluta u smjesi trikloretilena i acetona da se ukloni grafit. Ova tehnologija proizvodi kristale visoke čistoće.
3. Plazma-kemijska sinteza u reaktoru tijekom interakcije mlaza plazme s titanovim halogenidima TiCl₄, TiI_{4. Kao izvor ugljika koriste se metan, etilen, benzen, toluen i drugi.ugljikovodici. Glavni nedostaci ove metode su tehnološka složenost i toksičnost sirovina.}

Vlakna se dobivaju taloženjem titanovog klorida u plinovitom mediju (propan, ugljični tetraklorid pomiješan s vodikom) na temperaturi od 1250-1350 °C.

Primjena titanovog karbida

Ovaj spoj se koristi kao komponenta u proizvodnji otpornih na toplinu, toplinu i tvrdih legura bez volframa, premaza otpornih na habanje, abrazivnih materijala.

Sustavi od karbida titanijuma koriste se za sljedeće proizvode:

• alati za rezanje metala;
• dijelovi strojeva za valjanje;
• lonci otporni na toplinu, dijelovi termoelementa;
• obstava peći;
• dijelovi mlaznog motora;
• elektrode za zavarivanje koje nisu potrošne;
• elementi opreme dizajnirani za pumpanje agresivnih materijala;
• abrazivne paste za poliranje i završnu obradu površina.

Dijelovi su izrađeni metalurgijom praha:

• sinteriranjem i vrućim prešanjem;
• lijevanjem u gipsane kalupe i sinteriranjem u grafitnim pećima;
• prešanjem i sinteriranjem.

premazi

Prevlake od titanovog karbida omogućuju vam povećanje performansi dijelova i istovremeno uštedu na skupim materijalima. Karakteriziraju ih sljedeća svojstva:

• visoka otpornost na habanje i tvrdoća;
• kemijska stabilnost;
• nizak koeficijent trenja;
• mala sklonost hladnom zavarivanju;
• otpor skale.

Sloj titanovog karbida nanosi se na osnovni materijal na nekoliko načina:

• Taloženje parom.
• Plazma ili detonacijsko raspršivanje.
• Lasersko oblaganje.
• Ion-plazma raspršivanje.
• Legiranje elektroiskri.
• Difuzijska zasićenost.

Cermet je također izrađen na bazi titanovog karbida i legura otpornih na toplinu nikla - kompozitnog materijala koji omogućuje povećanje otpornosti na habanje dijelova u tekućim medijima za 10 puta. Upotreba ovog kompozita obećava za produžavanje vijeka trajanja crpne opreme i druge opreme, što uključuje injektorske mlaznice za održavanje tlaka u rezervoaru, plamenike, bušilice, ventile.

Carbidesteel

Karbidi volframa i titana koriste se za proizvodnju karbidnih čelika, koji po svojim svojstvima zauzimaju međupoziciju između tvrdih legura i brzoreznih čelika. Vatrostalni metali daju im visoku tvrdoću, čvrstoću i otpornost na habanje, a čelična matrica - žilavost i duktilnost. Maseni udio titana i volfram karbida može biti 20-70%. Takvi se materijali dobivaju gore navedenim metodama metalurgije praha.

Karbidni čelici koriste se za proizvodnju reznih alata, kao i dijelova strojeva,rad u uvjetima jakog mehaničkog i korozivnog trošenja (ležajevi, zupčanici, čahure, osovine i ostalo).