Титанов карбид: производство, състав, предназначение, свойства и приложения

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 13:50

Титановият карбид е един от обещаващите аналози на волфрама. Той не отстъпва на последния по отношение на физико-механичните свойства, а производството на това съединение е по-икономично. Най-широко се използва в производството на карбидни режещи инструменти, както и в петролната и общото машиностроене, авиационната и ракетната промишленост.

Описание и история на откриването

Титановият карбид заема специално място сред съединенията на преходните метали от Периодичната таблица на химичните елементи. Отличава се със своята специална твърдост, устойчивост на топлина и здравина, което определя широкото му използване като основа за твърди сплави, които не съдържат волфрам. Химическата формула на това вещество е TiC. Външно е светлосив прах.

Производството му започва през 20-те години на миналия век, когато компаниите, произвеждащи крушки с нажежаема жичка, търсят алтернатива на скъпата технология за производство на волфрамови нишки. В резултат на това е изобретен метод за производство на циментиран карбид. Тази технология беше по-евтина, тъй като суровините -титановият диоксид беше по-достъпен.

През 1970 г. започва използването на титаниев нитрит, което прави възможно увеличаването на вискозитета на циментираните фуги, а добавките на хром и никел дават възможност за повишаване на корозионната устойчивост на титановия карбид. През 1980 г. е разработен процес за прахово синтероване под въздействието на равномерно компресиране (пресоване). Това подобри качеството на материала. Синтерованите карбидни прахове понастоящем се използват в приложения, където се изисква висока температура, устойчивост на износване и окисляване.

Химически характеристики

Химичните свойства на титановия карбид определят практическото му значение в технологията. Това съединение има следните характеристики:

• устойчивост на HCl, HSO₄, H₃PO_{4, алкален;}
• висока устойчивост на корозия в алкални и киселинни разтвори;
• без взаимодействие с цинкови стопилки, основните видове металургична шлака;
• активно окисление само при температури над 1100 °C;
• омокряемост на стомана, чугун, никел, кобалт, силиций;
• образуване на TiCl_{4 в хлорна среда при t>40 °C.}

Физични и механични свойства

Основните физични и механични характеристики на това вещество са:

1. Термофизични: точка на топене – 3260±150 °C; точка на кипене - 4300 ° C; топлинен капацитет - 50, 57 J/(K∙mol); топлопроводимост при 20 °C (в зависимост от съдържаниетовъглерод) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Якост (при 20 °C): якост на натиск - 1380 MPa; якост на опън (горещо пресован карбид) - 500 MPa; микротвърдост - 15 000–31 500 MPa; якост на удар - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; твърдост по скалата на Моос - 8-9 единици.}
3. Технологично: скорост на износване (в зависимост от съдържанието на въглерод) – 0,2-2 µm/h; коефициент на триене - 0,4-0,5; заваряемостта е лоша.

Получаване

Производството на титанов карбид се извършва по няколко метода:

• Въглеродно-термичен метод от титанов диоксид и твърди материали за карбуризиране (съответно 68 и 32% в сместа). Като последното най-често се използват сажди. Суровината първо се пресова в брикети, които след това се поставят в тигел. Насищането с въглерод се извършва при температура от 2000 °C в защитна атмосфера от водород.
• Директно карбидизиране на титанов прах при 1600 °C.
• Псевдотопене - нагряване на метален прах с брикети от сажди в двустепенна схема до 2050 °C. Саждите се разтварят в титаниевата стопилка, а изходът е карбид с размер до 1 хиляда микрона.
• Запалване във вакуум на смес от титанов прах и сажди (предишно брикетирани). Реакцията на горене продължава няколко секунди, след което съставът се охлажда.
• Плазмено-химичен метод от халогениди. Този метод дава възможност да се получи не само карбид на прах, но и покрития, влакна, монокристали. Най-често срещаната смес е титанов хлорид, метан и водород. Процесът се извършва при температура1200-1500°С. Плазменият поток се създава с помощта на дъгов разряд или във високочестотни генератори.
• От чипове от титаниева сплав (хидрогениране, смилане, дехидрогениране, карбонизация или карбидизация на сажди).

Продуктът, произведен по един от тези методи, се обработва в шлифовъчни единици. Смилането на прах се извършва до размери на частиците 1-5 микрона.

Влакна и кристали

Получаването на титанов карбид под формата на единични кристали се извършва по няколко начина:

1. Метод на топене. Има няколко разновидности на тази технология: процесът Verneuil; изтегляне от течна баня, образувана чрез топене на синтерованите пръти; електротермичен метод в дъгови пещи. Тези техники не се използват широко, защото изискват високи разходи за енергия.
2. Метод на решение. Смес от титаниеви и въглеродни съединения, както и метали, които играят ролята на разтворител (желязо, никел, кобалт, алуминий или магнезий), се нагряват в графитен тигел до 2000 ° C във вакуум. Металната стопилка се държи няколко часа, след това се обработва с разтвори на солна киселина и флуороводород, промива се и се суши, плава в смес от трихлоретилен и ацетон за отстраняване на графита. Тази технология произвежда кристали с висока чистота.
3. Плазмено-химичен синтез в реактор по време на взаимодействието на плазмена струя с титанови халиди TiCl₄, TiI_{4. Като източник на въглерод се използват метан, етилен, бензол, толуен и други.въглеводороди. Основните недостатъци на този метод са технологичната сложност и токсичността на суровините.}

Влакната се получават чрез отлагане на титаниев хлорид в газообразна среда (пропан, въглероден тетрахлорид, смесен с водород) при температура 1250-1350 °C.

Прилагане на титанов карбид

Това съединение се използва като компонент при производството на топлоустойчиви, топлоустойчиви и твърди сплави без волфрам, устойчиви на износване покрития, абразивни материали.

Системите от карбид от титанов карбид се използват за следните продукти:

• инструменти за рязане на метал;
• части от валцоващи машини;
• топлоустойчиви тигли, части за термодвойка;
• облицовка на пещта;
• части за реактивен двигател;
• заваръчни електроди без консумативи;
• елементи на оборудване, предназначени за изпомпване на агресивни материали;
• абразивни пасти за полиране и завършване на повърхности.

Частите са направени от прахова металургия:

• чрез синтероване и горещо пресоване;
• чрез хлъзгане леене в гипсови форми и синтероване в графитни пещи;
• чрез натискане и синтероване.

Покрития

Покритията от титанов карбид ви позволяват да увеличите производителността на частите и в същото време да спестите скъпи материали. Те се характеризират със следните свойства:

• висока устойчивост на износване и твърдост;
• химическа стабилност;
• нисък коефициент на триене;
• ниска склонност към студено заваряване;
• съпротивление на скалата.

Слой от титанов карбид се нанася върху основния материал по няколко начина:

• Отлагане на пара.
• Плазма или детонационно пръскане.
• Лазерна облицовка.
• Йонно-плазмено пръскане.
• Електроискрово легиране.
• Насищане на дифузия.

Cermet също се произвежда на базата на титаниев карбид и никелови топлоустойчиви сплави - композитен материал, който позволява да се увеличи износоустойчивостта на частите в течна среда с 10 пъти. Използването на този композит е обещаващо за увеличаване на експлоатационния живот на помпено оборудване и друго оборудване, което включва инжекционни дюзи за поддържане на налягането в резервоара, факелни горелки, свредла, клапани.

Carbidesteel

Волфрамовите и титанови карбиди се използват за производството на карбидни стомани, които по своите свойства заемат междинна позиция между твърди сплави и бързорежещи стомани. Огнеупорните метали им осигуряват висока твърдост, здравина и износоустойчивост, а стоманената матрица - издръжливост и пластичност. Масовата част на титана и волфрамовия карбид може да бъде 20-70%. Такива материали се получават по методите на праховата металургия, посочени по-горе.

Карбидните стомани се използват за производството на режещи инструменти, както и машинни части,работа в условия на силно механично и корозивно износване (лагери, зъбни колела, втулки, валове и други).