Titanijum karbid: proizvodnja, sastav, namena, svojstva i primena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 13:51

Titanijum 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. Najširu se koristi u proizvodnji karbidnih reznih alata, kao iu naftnoj i općoj inžinjerskoj, avijacijskoj i raketnoj industriji.

Opis i istorija otkrića

Titanijum karbid zauzima posebno mesto među spojevima prelaznih metala Periodnog sistema hemijskih elemenata. Odlikuje ga posebna tvrdoća, otpornost na toplinu i čvrstoća, što određuje njegovu široku upotrebu kao osnova za tvrde legure koje ne sadrže volfram. Hemijska formula ove supstance je TiC. Spolja je svijetlosivi prah.

Njegova proizvodnja počela je 1920-ih, kada su kompanije 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, jer su sirovine -titanijum dioksid je bio pristupačniji.

1970. godine počela je upotreba titanijum nitrita, koji je omogućio povećanje viskoziteta cementnih spojeva, a aditivi hroma i nikla omogućili su povećanje otpornosti titanijum karbida na koroziju. Godine 1980. razvijen je proces za sinterovanje praha pod uticajem ravnomerne kompresije (prešanja). To je poboljšalo kvalitetu materijala. Sinterovani karbidni prah se trenutno koristi u aplikacijama gdje je potrebna visoka temperatura, otpornost na habanje i oksidaciju.

Hemijske karakteristike

Hemijska svojstva titanijum karbida određuju njegovu praktičnu važnost u tehnologiji. Ovo jedinjenje ima sljedeće karakteristike:

• otpornost na HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkalna;}
• visoka otpornost na koroziju u alkalnim i kiselim rastvorima;
• bez interakcije sa talinama cinka, glavnim vrstama metalurške troske;
• aktivna oksidacija samo na temperaturama iznad 1100 °C;
• topljivost čelika, livenog gvožđa, nikla, kob alta, silicijuma;
• formiranje TiCl_{4 u mediju hlora na t>40 °C.}

Fizička i mehanička svojstva

Glavne fizičke i mehaničke karakteristike ove supstance su:

1. Termofizički: tačka topljenja – 3260±150 °C; tačka ključanja - 4300 ° C; toplotni kapacitet - 50,57 J/(K∙mol); toplotnu provodljivost na 20 °C (u zavisnosti od sadržajaugljenik) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Čvrstoća (na 20 °C): tlačna čvrstoća - 1380 MPa; vlačna čvrstoća (vruće presovani karbid) - 500 MPa; mikrotvrdoća - 15.000–31.500 MPa; udarna čvrstoća - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; tvrdoća po Mohsovoj skali - 8-9 jedinica.}
3. Tehnološki: stopa habanja (u zavisnosti od sadržaja ugljenika) – 0,2-2 µm/h; koeficijent trenja - 0,4-0,5; zavarljivost je loša.

Primi

Proizvodnja titanijum karbida se izvodi na nekoliko metoda:

• Ugljen-termalna metoda od titanijum dioksida i čvrstih materijala za karburizaciju (68 i 32% u smeši, respektivno). Kao potonje, najčešće se koristi čađ. Sirovina se prvo presuje u brikete, koji se potom stavljaju u lončić. Zasićenje ugljikom se odvija na temperaturi od 2000 °C u zaštitnoj atmosferi vodonika.
• Direktna karbidizacija titanovog praha na 1600 °C.
• Pseudo-topljenje - zagrevanje metalnog praha sa briketima čađi u dvostepenoj šemi do 2050 °C. Čađ se rastvara u talini titanijuma, a rezultat su zrna karbida veličine do 1.000 mikrona.
• Paljenje u vakuumu mješavine titanovog praha i čađe (prethodno briketirane). Reakcija sagorevanja traje nekoliko sekundi, zatim se kompozicija hladi.
• Plazma-hemijska metoda iz halogenida. Ova metoda omogućava dobijanje ne samo karbidnog praha, već i premaza, vlakana, monokristala. Najčešća mješavina je titan hlorid, metan i vodonik. Proces se izvodi na temperaturi1200-1500°C. Protok plazme se stvara pomoću lučnog pražnjenja ili u visokofrekventnim generatorima.
• Od čipova legure titanijuma (hidrogenacija, mlevenje, dehidrogenacija, karbonizacija 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

Dobijanje titanijum karbida u obliku monokristala izvodi se na nekoliko načina:

1. Metoda topljenja. Postoji nekoliko varijanti ove tehnologije: Verneuil proces; izvlačenje iz tečne kupke formirane topljenjem sinterovanih šipki; elektrotermalna metoda u lučnim pećima. Ove tehnike nisu u širokoj upotrebi jer zahtijevaju visoke troškove energije.
2. Metoda rješenja. Mješavina spojeva titana i ugljika, kao i metala koji imaju ulogu otapala (gvožđe, nikl, kob alt, aluminijum ili magnezijum), zagrijavaju se u grafitnom lončiću na 2000 °C u vakuumu. Talina metala se drži nekoliko sati, zatim tretira rastvorima hlorovodonične kiseline i fluorovodonika, ispere i osuši, lebdi u mešavini trihloretilena i acetona da bi se uklonio grafit. Ova tehnologija proizvodi kristale visoke čistoće.
3. Plazma-hemijska sinteza u reaktoru tokom interakcije mlaza plazme sa titanijum halogenidima TiCl₄, TiI_{4. Kao izvor ugljika koriste se metan, etilen, benzol, toluen i drugi.ugljovodonici. Glavni nedostaci ove metode su tehnološka složenost i toksičnost sirovina.}

Vlakna se dobijaju taloženjem titanijum hlorida u gasovitom mediju (propan, ugljen-tetrahlorid pomešan sa vodonikom) na temperaturi od 1250-1350 °C.

Primjena titanijum karbida

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

Sistemi od karbida titanijuma se koriste za sledeće proizvode:

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

Dijelovi su napravljeni metalurgijom praha:

• sinterovanjem i vrućim prešanjem;
• livenjem u gipsane kalupe i sinterovanjem u grafitnim pećima;
• prešanjem i sinterovanjem.

Premazi

Prevlake od titanijum karbida omogućavaju vam da povećate performanse delova i istovremeno uštedite na skupim materijalima. Karakteriziraju ih sljedeća svojstva:

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

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

• Taloženje parom.
• Plazma ili detonacijsko prskanje.
• Lasersko oblaganje.
• Ion-plazma sprej.
• Electro-spark legiranje.
• Difuzijska zasićenost.

Cermet je takođe napravljen na bazi titanijum karbida i legura otpornih na toplotu nikla - kompozitnog materijala koji omogućava povećanje otpornosti delova u tečnim medijima za 10 puta. Upotreba ovog kompozita je obećavajuća za produžavanje vijeka trajanja pumpne opreme i druge opreme, koja uključuje injektorske mlaznice za održavanje pritiska u rezervoaru, gorionike, burgije, 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 titanijuma i volfram karbida može biti 20-70%. Takvi materijali se dobijaju gore navedenim metodama metalurgije praha.

Karbidni čelici se koriste za proizvodnju reznih alata, kao i mašinskih delova,rad u uslovima jakog mehaničkog i korozivnog habanja (ležajevi, zupčanici, čaure, vratila i ostalo).