Titaniumcarbid: produktion, sammensætning, formål, egenskaber og anvendelser

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-02 13:52

Titaniumcarbid er en af de lovende analoger af wolfram. Det er ikke ringere end sidstnævnte med hensyn til fysiske og mekaniske egenskaber, og fremstillingen af denne forbindelse er mere økonomisk. Det er mest udbredt i produktionen af hårdmetal skærende værktøjer, såvel som i olie- og generel ingeniør-, luftfarts- og raketindustrien.

Beskrivelse og opdagelseshistorie

Titaniumcarbid indtager en særlig plads blandt overgangsmetalforbindelserne i det periodiske system for kemiske grundstoffer. Det udmærker sig ved sin specielle hårdhed, varmebestandighed og styrke, hvilket bestemmer dets udbredte anvendelse som grundlag for hårde legeringer, der ikke indeholder wolfram. Den kemiske formel for dette stof er TiC. Udadtil er det et lysegråt pulver.

Dens produktion begyndte i 1920'erne, da virksomheder, der producerede glødepærer, ledte efter et alternativ til den dyre teknologi til fremstilling af wolframfilamenter. Som et resultat blev en metode til fremstilling af hårdmetal opfundet. Denne teknologi var billigere, da råvarer -titaniumdioxid var mere overkommelig.

I 1970 begyndte man at bruge titaniumnitrit, hvilket gjorde det muligt at øge viskositeten af cementerede samlinger, og krom- og nikkeladditiver gjorde det muligt at øge korrosionsbestandigheden af titaniumcarbid. I 1980 blev der udviklet en proces til pulversintring under påvirkning af ensartet kompression (presning). Dette forbedrede kvaliteten af materialet. Sintret carbid pulvere bruges i øjeblikket i applikationer, hvor høj temperatur, slid og oxidationsbestandighed er påkrævet.

Kemiske egenskaber

Titaniumcarbids kemiske egenskaber bestemmer dets praktiske betydning inden for teknologi. Denne forbindelse har følgende egenskaber:

• modstand mod HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkali;}
• høj korrosionsbestandighed i alkaliske og sure opløsninger;
• ingen interaktion med zinksmelter, de vigtigste typer metallurgisk slagge;
• aktiv oxidation kun ved temperaturer over 1100 °C;
• smeltebefugtning af stål, støbejern, nikkel, kobolt, silicium;
• dannelse af TiCl_{4 i klormedium ved t>40 °C.}

Fysiske og mekaniske egenskaber

De vigtigste fysiske og mekaniske egenskaber ved dette stof er:

1. Termofysisk: smeltepunkt – 3260±150 °C; kogepunkt - 4300 ° C; varmekapacitet - 50, 57 J/(K∙mol); termisk ledningsevne ved 20 °C (afhængig af indholdetkulstof) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Styrke (ved 20 °C): trykstyrke - 1380 MPa; trækstyrke (varmpresset karbid) - 500 MPa; mikrohårdhed - 15.000-31.500 MPa; slagstyrke - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; hårdhed på Mohs-skalaen - 8-9 enheder.}
3. Teknologisk: slidhastighed (afhængig af kulstofindhold) – 0,2-2 µm/h; friktionskoefficient - 0,4-0,5; svejsbarheden er dårlig.

Modtag

Titaniumcarbid-produktion udføres på flere måder:

• Carbon-termisk metode fra titaniumdioxid og faste opkulningsmaterialer (henholdsvis 68 og 32 % i blandingen). Som sidstnævnte anvendes oftest sod. Råvaren presses først til briketter, som derefter lægges i en digel. Kulstofmætning finder sted ved en temperatur på 2000 °C i en beskyttende atmosfære af brint.
• Direkte karbidisering af titaniumpulver ved 1600 °C.
• Pseudo-smeltning - opvarmning af metalpulver med sodbriketter i en to-trins ordning op til 2050 °C. Sod opløses i titaniumsmelten, og outputtet er hårdmetalkorn på op til 1 tusind mikrometer.
• Antænding i et vakuum af en blanding af titaniumpulver og kønrøg (tidligere briketeret). Forbrændingsreaktionen varer et par sekunder, hvorefter sammensætningen afkøles.
• Plasma-kemisk metode fra halogenider. Denne metode gør det muligt at opnå ikke kun karbidpulver, men også belægninger, fibre, enkeltkrystaller. Den mest almindelige blanding er titaniumchlorid, methan og brint. Processen udføres ved en temperatur1200-1500°C. Plasmaflowet skabes ved hjælp af en lysbueudladning eller i højfrekvensgeneratorer.
• Fra titanlegeringsspåner (hydrogenering, formaling, dehydrogenering, carbonering eller carbon black carbidization).

Produktet fremstillet ved en af disse metoder forarbejdes i formalingsenheder. Formaling til pulver udføres til partikelstørrelser på 1-5 mikron.

Fibre og krystaller

Opnåelse af titaniumcarbid i form af enkeltkrystaller udføres på flere måder:

1. Metode til smeltning. Der er flere varianter af denne teknologi: Verneuil-processen; trække fra et væskebad dannet ved smeltning af de sintrede stænger; elektrotermisk metode i lysbueovne. Disse teknikker er ikke udbredt, fordi de kræver høje energiomkostninger.
2. Løsningsmetode. En blanding af titanium og kulstofforbindelser samt metaller, der spiller rollen som opløsningsmiddel (jern, nikkel, kobolt, aluminium eller magnesium), opvarmes i en grafitdigel til 2000 ° C i et vakuum. Metalsmelten holdes i flere timer, behandles derefter med s altsyreopløsninger og hydrogenfluorid, vaskes og tørres, flydes i en blanding af trichlorethylen og acetone for at fjerne grafit. Denne teknologi producerer krystaller af høj renhed.
3. Plasma-kemisk syntese i en reaktor under interaktionen af en plasmastråle med titaniumhalogenider TiCl₄, TiI_{4. Methan, ethylen, benzen, toluen og andre bruges som kulstofkilde.kulbrinter. De største ulemper ved denne metode er den teknologiske kompleksitet og toksicitet af råmaterialer.}

Fibre opnås ved aflejring af titaniumchlorid i et gasformigt medium (propan, kulstoftetrachlorid blandet med hydrogen) ved en temperatur på 1250-1350 °C.

Anvendelse af titaniumcarbid

Denne forbindelse bruges som en komponent til fremstilling af varmebestandige, varmebestandige og hårde wolfram-fri legeringer, slidbestandige belægninger, slibende materialer.

Titaniumcarbid-carbid-systemer bruges til følgende produkter:

• værktøj til metalskæring;
• dele til valsemaskiner;
• varmebestandige digler, termoelementdele;
• ovnforing;
• jetmotordele;
• ikke-forbrugbare svejseelektroder;
• elementer af udstyr designet til pumpning af aggressive materialer;
• slibende pastaer til polering og efterbehandling af overflader.

Dele er fremstillet af pulvermetallurgi:

• ved sintring og varmpresning;
• ved glidestøbning i gipsforme og sintring i grafitovne;
• ved at trykke og sintre.

Coatings

Titaniumcarbid-belægninger giver dig mulighed for at øge ydeevnen af dele og samtidig spare på dyre materialer. De er karakteriseret ved følgende egenskaber:

• høj slidstyrke og hårdhed;
• kemisk stabilitet;
• lav friktionskoefficient;
• lav tilbøjelighed til koldsvejsning;
• skalamodstand.

Et lag titaniumcarbid påføres basismaterialet på flere måder:

• Dampaflejring.
• Plasma- eller detonationssprøjtning.
• Laserbeklædning.
• Ion-plasma-sprøjtning.
• Electro-gnist legering.
• Diffusionsmætning.

Cermet er også fremstillet på basis af titaniumcarbid og nikkel varmebestandige legeringer - et kompositmateriale, der gør det muligt at øge slidstyrken af dele i flydende medier med 10 gange. Brugen af denne komposit er lovende for at øge levetiden for pumpeudstyr og andet udstyr, som omfatter injektionsdyser til opretholdelse af reservoirtryk, flare brændere, bor, ventiler.

Carbisteel

Tungsten og titaniumcarbider bruges til fremstilling af hårdmetalstål, som i deres egenskaber indtager en mellemposition mellem hårde legeringer og højhastighedsstål. Ildfaste metaller giver dem høj hårdhed, styrke og slidstyrke, og stålmatrixen - sejhed og duktilitet. Massefraktionen af titanium og wolframcarbid kan være 20-70%. Sådanne materialer opnås ved de ovenfor angivne pulvermetallurgimetoder.

Hårdmetalstål bruges til produktion af skærende værktøjer, såvel som maskindele,arbejder under forhold med stærkt mekanisk og korrosivt slid (lejer, gear, bøsninger, aksler og andre).