Titaanikarbidi: tuotanto, koostumus, tarkoitus, ominaisuudet ja sovellukset

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-02 13:54

Titaanikarbidi on yksi lupaavista volframin analogeista. Se ei ole huonompi kuin jälkimmäinen fysikaalisten ja mekaanisten ominaisuuksien suhteen, ja tämän yhdisteen valmistus on taloudellisempaa. Sitä käytetään laajimmin kovametallileikkaustyökalujen valmistuksessa sekä öljy- ja yleiskoneteollisuudessa, ilmailu- ja rakettiteollisuudessa.

Kuvaus ja löytöhistoria

Titaanikarbidilla on erityinen paikka kemiallisten elementtien jaksollisen järjestelmän siirtymämetalliyhdisteiden joukossa. Se erottuu sen erityisestä kovuudesta, lämmönkestävyydestä ja lujuudesta, mikä määrittää sen laajan käytön perustana koville seoksille, jotka eivät sisällä volframia. Tämän aineen kemiallinen kaava on TiC. Ulkoisesti se on vaaleanharmaa jauhe.

Sen tuotanto alkoi 1920-luvulla, kun hehkulamppuja valmistavat yritykset etsivät vaihtoehtoa kalliille volframifilamenttien valmistustekniikalle. Tämän seurauksena keksittiin menetelmä sementoidun karbidin valmistamiseksi. Tämä tekniikka oli halvempaa, koska raaka-aineet -titaanidioksidi oli edullisempi.

Vuonna 1970 aloitettiin titaaninitriitin käyttö, mikä mahdollisti sementoitujen liitosten viskositeetin lisäämisen, ja kromi- ja nikkelilisäaineet mahdollistivat titaanikarbidin korroosionkestävyyden lisäämisen. Vuonna 1980 kehitettiin menetelmä jauhesintraamiseksi tasaisen puristuksen (puristamisen) vaikutuksesta. Tämä paransi materiaalin laatua. Sintrattuja kovametallijauheita käytetään tällä hetkellä sovelluksissa, joissa vaaditaan korkeita lämpötiloja, kulutusta ja hapettumisenkestävyyttä.

Kemialliset ominaisuudet

Titaanikarbidin kemialliset ominaisuudet määräävät sen käytännön merkityksen tekniikassa. Tällä yhdisteellä on seuraavat ominaisuudet:

• HCl-resistenssi, HSO₄, H₃PO_{4, alkali;}
• korroosionkestävyys alkalisissa ja happamissa liuoksissa;
• ei vuorovaikutusta sinkkisulaiden, metallurgisen kuonan päätyyppien kanssa;
• aktiivinen hapetus vain yli 1100 °C:n lämpötiloissa;
• teräksen, valuraudan, nikkelin, koboltin, piin sulakostuvuus;
• TiCl:n muodostuminen_{4 klooriväliaineessa lämpötilassa t>40 °C.}

Fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet

Tämän aineen tärkeimmät fyysiset ja mekaaniset ominaisuudet ovat:

1. Termofysikaalinen: sulamispiste – 3260±150 °C; kiehumispiste - 4300 ° C; lämpökapasiteetti - 50, 57 J/(K∙mol); lämmönjohtavuus 20 °C:ssa (sisällöstä riippuenhiili) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Lujuus (20 °C:ssa): puristuslujuus - 1380 MPa; vetolujuus (kuumapuristettu kovametalli) - 500 MPa; mikrokovuus - 15 000–31 500 MPa; iskulujuus - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; kovuus Mohsin asteikolla - 8-9 yksikköä.}
3. Teknologinen: kulumisnopeus (riippuen hiilipitoisuudesta) – 0,2-2 µm/h; kitkakerroin - 0,4-0,5; hitsattavuus on huono.

Vastaanota

Titaanikarbidin tuotanto tapahtuu useilla menetelmillä:

• Hiililämpömenetelmä titaanidioksidista ja kiinteistä hiiletysmateriaaleista (68 % ja 32 % seoksessa, vastaavasti). Jälkimmäisenä käytetään useimmiten nokea. Raaka-aine puristetaan ensin briketteiksi, jotka asetetaan sitten upokkaaseen. Hiilen kyllästyminen tapahtuu 2000 °C:n lämpötilassa suojaavassa vetyatmosfäärissä.
• Titaanijauheen suora karbidointi 1600 °C:ssa.
• Pseudosulatus - metallijauheen lämmitys nokibriketeillä kaksivaiheisessa järjestelmässä 2050 °C:een asti. Noki liukenee titaanisulatteeseen ja ulostulona on jopa tuhannen mikronin kokoisia karbidirakeita.
• Sytytys tyhjiössä titaanijauheen ja hiilimustan (aiemmin briketoitu) seoksesta. Palamisreaktio kestää muutaman sekunnin, minkä jälkeen koostumus jäähdytetään.
• Plasmakemiallinen menetelmä halogenideista. Tämän menetelmän avulla on mahdollista saada karbidijauheen lisäksi myös pinnoitteita, kuituja, yksittäiskiteitä. Yleisin seos on titaanikloridi, metaani ja vety. Prosessi suoritetaan lämpötilassa1200-1500°C. Plasmavirtaus luodaan käyttämällä kaaripurkausta tai suurtaajuisia generaattoreita.
• Titaaniseoslastuista (hydraus, jauhatus, dehydraus, karbonointi tai hiilimustan karbidointi).

Jollakin näistä menetelmistä valmistettu tuote käsitellään jauhatusyksiköissä. Jauhaminen jauheeksi suoritetaan 1-5 mikronin hiukkaskokoon.

Kuituja ja kiteitä

Titaanikarbidin saaminen yksittäiskiteiden muodossa tapahtuu useilla tavoilla:

1. Sulatusmenetelmä. Tätä tekniikkaa on useita erilaisia: Verneuil-prosessi; ottaminen nestekylvystä, joka on muodostettu sulattamalla sintratut sauvat; sähköterminen menetelmä kaariuuneissa. Näitä tekniikoita ei käytetä laaj alti, koska ne vaativat korkeita energiakustannuksia.
2. Ratkaisumenetelmä. Titaani- ja hiiliyhdisteiden sekä liuottimena toimivien metallien (rauta, nikkeli, koboltti, alumiini tai magnesium) seos kuumennetaan grafiittiupokkaassa 2000 °C:seen tyhjiössä. Metallisulattetta pidetään useita tunteja, sitten käsitellään suolahappoliuoksilla ja fluorivetyllä, pestään ja kuivataan, vaahdotetaan trikloorietyleenin ja asetonin seoksessa grafiitin poistamiseksi. Tämä tekniikka tuottaa erittäin puhtaita kiteitä.
3. Plasmakemiallinen synteesi reaktorissa plasmasuihkun vuorovaikutuksessa titaanihalogenidien kanssa TiCl₄, TiI_{4. Hiilen lähteenä käytetään metaania, eteeniä, bentseeniä, tolueenia ja muita.hiilivedyt. Tämän menetelmän suurimmat haitat ovat teknologinen monimutkaisuus ja raaka-aineiden myrkyllisyys.}

Kuituja saadaan kerrostamalla titaanikloridia kaasumaiseen väliaineeseen (propaani, hiilitetrakloridi sekoitettuna vedyn kanssa) lämpötilassa 1250-1350 °C.

Titaanikarbidin käyttö

Tätä yhdistettä käytetään komponenttina kuumuutta kestävien, lämpöä kestävien ja kovien volframittomien metalliseosten, kulutusta kestävien pinnoitteiden ja hankaavien materiaalien valmistuksessa.

Titaanikarbidikarbidijärjestelmiä käytetään seuraavissa tuotteissa:

• työkalut metallin leikkaamiseen;
• valssauskoneiden osat;
• lämmönkestävät upokkaat, termoparin osat;
• uunin vuoraus;
• suihkumoottorin osat;
• ei-kuluvat hitsauselektrodit;
• agressiivisten materiaalien pumppaamiseen suunniteltujen laitteiden osat;
• hiomapastat pintojen kiillotukseen ja viimeistelyyn.

Osat valmistetaan jauhemetallurgialla:

• sintraamalla ja kuumapuristamalla;
• liukuvalulla kipsimuotteihin ja sintraamalla grafiittiuuneissa;
• painamalla ja sintraamalla.

Pinnoitteet

Titaanikarbidipinnoitteiden avulla voit parantaa osien suorituskykyä ja samalla säästää kalliissa materiaaleissa. Niille on ominaista seuraavat ominaisuudet:

• korkea kulutuskestävyys ja kovuus;
• kemiallinen stabiilius;
• pieni kitkakerroin;
• alhainen taipumus kylmähitsaukseen;
• asteikkovastus.

Titaanikarbidikerros levitetään perusmateriaaliin useilla tavoilla:

• Höyrypinnoitus.
• Plasma- tai räjähdyssumutus.
• Laserpinnoitus.
• Ioniplasmasumutus.
• Sähkökipinäseos.
• Diffuusiokyllästys.

Cermet valmistetaan myös titaanikarbidin ja nikkelin lämmönkestävästä metalliseoksesta - komposiittimateriaalista, jonka avulla osien kulutuskestävyyttä voidaan lisätä nestemäisissä väliaineissa 10 kertaa. Tämän komposiitin käyttö on lupaavaa pumppulaitteiden ja muiden laitteiden käyttöiän pidentämiseksi, mukaan lukien ruiskutussuuttimet säiliön paineen ylläpitämiseksi, polttimet, poranterät, venttiilit.

Karbiditeräs

Volframi- ja titaanikarbideja käytetään kovametalliterästen valmistukseen, jotka ominaisuuksiltaan ovat kovien metalliseosten ja pikaterästen välissä. Tulenkestävät metallit tarjoavat niille korkean kovuuden, lujuuden ja kulutuskestävyyden, ja teräsmatriisi - sitkeyden ja sitkeyden. Titaanin ja volframikarbidin massaosuus voi olla 20-70 %. Tällaisia materiaaleja saadaan edellä kuvatuilla jauhemetallurgian menetelmillä.

Karbiditeräksiä käytetään leikkaustyökalujen sekä koneenosien valmistukseen,työskentely voimakkaan mekaanisen ja syövyttävän kulumisen olosuhteissa (laakerit, vaihteet, holkit, akselit ja muut).