Titaniumkarbid: tillverkning, sammansättning, syfte, egenskaper och tillämpningar

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-02 14:03

Titaniumkarbid är en av de lovande analogerna till volfram. Det är inte sämre än det senare när det gäller fysiska och mekaniska egenskaper, och tillverkningen av denna förening är mer ekonomisk. Det används mest vid tillverkning av skärande verktyg i hårdmetall, såväl som inom olje- och allmän verkstadsindustri, flyg- och raketindustri.

Beskrivning och upptäcktshistorik

Titaniumkarbid har en speciell plats bland övergångsmetallföreningarna i det periodiska systemet för kemiska grundämnen. Det kännetecknas av sin speciella hårdhet, värmebeständighet och styrka, vilket bestämmer dess utbredda användning som grund för hårda legeringar som inte innehåller volfram. Den kemiska formeln för detta ämne är TiC. Utåt är det ett ljusgrått pulver.

Dess produktion började på 1920-talet, när företag som tillverkade glödlampor letade efter ett alternativ till den dyra tekniken för tillverkning av volframfilament. Som ett resultat uppfanns en metod för att tillverka hårdmetall. Denna teknik var billigare, eftersom råvaror -titandioxid var mer överkomligt.

År 1970 började man använda titannitrit, vilket gjorde det möjligt att öka viskositeten hos cementerade fogar, och krom- och nickeltillsatser gjorde det möjligt att öka korrosionsbeständigheten hos titankarbid. 1980 utvecklades en process för pulversintring under inverkan av enhetlig kompression (pressning). Detta förbättrade kvaliteten på materialet. Sintrad hårdmetallpulver används för närvarande i applikationer där hög temperatur, slitage och oxidationsbeständighet krävs.

Kemiska egenskaper

Titaniumkarbids kemiska egenskaper avgör dess praktiska betydelse inom teknik. Denna förening har följande egenskaper:

• motstånd mot HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkali;}
• hög korrosionsbeständighet i alkaliska och sura lösningar;
• ingen interaktion med zinksmältor, de viktigaste typerna av metallurgisk slagg;
• aktiv oxidation endast vid temperaturer över 1100 °C;
• smältvätbarhet av stål, gjutjärn, nickel, kobolt, kisel;
• bildning av TiCl_{4 i klormedium vid t>40 °C.}

Fysiska och mekaniska egenskaper

De huvudsakliga fysiska och mekaniska egenskaperna hos detta ämne är:

1. Termofysisk: smältpunkt – 3260±150 °C; kokpunkt - 4300 ° C; värmekapacitet - 50, 57 J/(K∙mol); värmeledningsförmåga vid 20 °C (beroende på innehålletkol) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Styrka (vid 20 °C): tryckhållfasthet - 1380 MPa; draghållfasthet (varmpressad karbid) - 500 MPa; mikrohårdhet - 15 000–31 500 MPa; slaghållfasthet - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; hårdhet på Mohs-skalan - 8-9 enheter.}
3. Teknologisk: slitagehastighet (beroende på kolh alt) – 0,2-2 µm/h; friktionskoefficient - 0,4-0,5; svetsbarheten är dålig.

Receive

Titaniumkarbidtillverkning utförs på flera sätt:

• Koltermisk metod från titandioxid och fasta uppkolningsmaterial (68 respektive 32 % i blandningen). Som den senare används oftast sot. Råvaran pressas först till briketter som sedan placeras i en degel. Kolmättnad sker vid en temperatur av 2000 °C i en skyddande atmosfär av väte.
• Direkt karbidering av titanpulver vid 1600 °C.
• Pseudo-smältning - uppvärmning av metallpulver med sotbriketter i ett tvåstegsschema upp till 2050 °C. Sot löser sig i titansmältan, och resultatet är karbidkorn upp till 1 tusen mikron i storlek.
• Antändning i vakuum av en blandning av titanpulver och kolsvart (tidigare briketterad). Förbränningsreaktionen varar några sekunder, sedan kyls kompositionen.
• Plasmakemisk metod från halogenider. Denna metod gör det möjligt att erhålla inte bara karbidpulver, utan också beläggningar, fibrer, enkristaller. Den vanligaste blandningen är titanklorid, metan och väte. Processen utförs vid en temperatur1200-1500°C. Plasmaflödet skapas med hjälp av en ljusbågsurladdning eller i högfrekvensgeneratorer.
• Från titanlegeringsflis (hydrering, malning, dehydrering, karbonatisering eller kolsvartkarbidering).

Produkten som tillverkas med en av dessa metoder bearbetas i malningsenheter. Malning till pulver utförs till partikelstorlekar på 1-5 mikron.

Fibrer och kristaller

Att erhålla titankarbid i form av enkristaller går till på flera sätt:

1. Smältningsmetod. Det finns flera varianter av denna teknik: Verneuil-processen; dra från ett vätskebad bildat genom smältning av de sintrade stavarna; elektrotermisk metod i ljusbågsugnar. Dessa tekniker används inte i stor utsträckning eftersom de kräver höga energikostnader.
2. Lösningsmetod. En blandning av titan- och kolföreningar, såväl som metaller som spelar rollen som lösningsmedel (järn, nickel, kobolt, aluminium eller magnesium), värms upp i en grafitdegel till 2000 ° C i vakuum. Metallsmältan hålls i flera timmar, behandlas sedan med s altsyralösningar och vätefluorid, tvättas och torkas, flyter i en blandning av trikloretylen och aceton för att avlägsna grafit. Denna teknik producerar kristaller av hög renhet.
3. Plasmakemisk syntes i en reaktor under interaktionen av en plasmastråle med titanhalogenider TiCl₄, TiI_{4. Metan, eten, bensen, toluen och andra används som kolkälla.kolväten. De största nackdelarna med denna metod är den tekniska komplexiteten och toxiciteten hos råvaror.}

Fibrer erhålls genom avsättning av titanklorid i ett gasformigt medium (propan, koltetraklorid blandat med väte) vid en temperatur av 1250-1350 °C.

Applicering av titankarbid

Denna förening används som en komponent vid tillverkning av värmebeständiga, värmebeständiga och hårda volframfria legeringar, slitstarka beläggningar, slipande material.

Titaniumkarbidkarbidsystem används för följande produkter:

• verktyg för metallskärning;
• delar av valsmaskiner;
• värmebeständiga deglar, termoelementdelar;
• ugnsfoder;
• jetmotordelar;
• icke-förbrukningsbara svetselektroder;
• element av utrustning utformade för att pumpa aggressiva material;
• slippastor för polering och efterbehandling av ytor.

Delarna är gjorda av pulvermetallurgi:

• genom sintring och varmpressning;
• genom slipgjutning i gipsformar och sintring i grafitugnar;
• genom att trycka och sintra.

Beläggningar

Titaniumkarbidbeläggningar gör att du kan öka delarnas prestanda och samtidigt spara på dyra material. De kännetecknas av följande egenskaper:

• hög slitstyrka och hårdhet;
• kemisk stabilitet;
• låg friktionskoefficient;
• låg benägenhet för kallsvetsning;
• skalmotstånd.

Ett lager av titankarbid appliceras på basmaterialet på flera sätt:

• Vapor deposition.
• Plasma- eller detonationssprutning.
• Laserbeklädnad.
• jonplasmasprutning.
• Electro-gnist legering.
• Diffusionsmättnad.

Cermet är också tillverkat på basis av titankarbid och nickel värmebeständiga legeringar - ett kompositmaterial som gör det möjligt att öka slitstyrkan hos delar i flytande media med 10 gånger. Användningen av denna komposit är lovande för att öka livslängden på pumputrustning och annan utrustning, som inkluderar insprutningsmunstycken för att upprätthålla reservoartrycket, flare brännare, borrkronor, ventiler.

Carbisteel

Volfram och titankarbider används för tillverkning av hårdmetallstål, som till sina egenskaper intar en mellanposition mellan hårda legeringar och snabbstål. Eldfasta metaller ger dem hög hårdhet, styrka och slitstyrka, och stålmatrisen - seghet och duktilitet. Massfraktionen av titan och volframkarbid kan vara 20-70%. Sådana material erhålls med metoderna för pulvermetallurgi som anges ovan.

Hårdmetallstål används för tillverkning av skärande verktyg, såväl som maskindelar,arbetar under förhållanden med starkt mekaniskt och korrosivt slitage (lager, kugghjul, bussningar, axlar och andra).