Carbura de titan: producție, compoziție, scop, proprietăți și aplicații

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-02 14:01

Carbura de titan este unul dintre analogii promițători ai wolframului. Nu este inferior celui din urmă în ceea ce privește proprietățile fizice și mecanice, iar fabricarea acestui compus este mai economică. Este utilizat pe scară largă în producția de scule de tăiere cu carbură, precum și în industria petrolului și a ingineriei generale, a aviației și a rachetelor.

Descrierea și istoria descoperirii

Carbura de titan ocupă un loc special printre compușii metalelor de tranziție din Tabelul periodic al elementelor chimice. Se remarcă prin duritatea sa deosebită, rezistența la căldură și rezistența, ceea ce determină utilizarea sa pe scară largă ca bază pentru aliajele dure care nu conțin wolfram. Formula chimică a acestei substanțe este TiC. În exterior, este o pulbere gri deschis.

Producția sa a început în anii 1920, când companiile producătoare de becuri cu incandescență căutau o alternativă la tehnologia costisitoare de fabricare a filamentelor de wolfram. Ca urmare, a fost inventată o metodă de producere a carburii cimentate. Această tehnologie a fost mai puțin costisitoare, deoarece materiile prime -dioxidul de titan era mai accesibil.

În 1970, a început utilizarea nitritului de titan, care a făcut posibilă creșterea vâscozității îmbinărilor cimentate, iar aditivii de crom și nichel au făcut posibilă creșterea rezistenței la coroziune a carburii de titan. În 1980, a fost dezvoltat un proces de sinterizare a pulberilor sub influența compresiei uniforme (presare). Acest lucru a îmbunătățit calitatea materialului. Pulberile de carbură sinterizată sunt utilizate în prezent în aplicații în care este necesară rezistență la temperaturi ridicate, la uzură și la oxidare.

Caracteristici chimice

Proprietățile chimice ale carburii de titan determină importanța sa practică în tehnologie. Acest compus are următoarele caracteristici:

• rezistență la HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alcalii;}
• rezistență mare la coroziune în soluții alcaline și acide;
• fără interacțiune cu topiturile de zinc, principalele tipuri de zgură metalurgică;
• oxidare activă numai la temperaturi peste 1100 °C;
• umectare la topire a oțelului, fontei, nichelului, cob altului, siliciului;
• formarea de TiCl_{4 în mediu clor la t>40 °C.}

Proprietăți fizice și mecanice

Principalele caracteristici fizice și mecanice ale acestei substanțe sunt:

1. Termofizic: punct de topire – 3260±150 °C; punctul de fierbere - 4300 ° C; capacitatea termică - 50, 57 J/(K∙mol); conductivitate termică la 20 °C (în funcție de conținutcarbon) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Rezistență (la 20 °C): rezistență la compresiune - 1380 MPa; rezistență la tracțiune (carbură presată la cald) - 500 MPa; microduritate - 15.000–31.500 MPa; rezistența la impact - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; duritate pe scara Mohs - 8-9 unități.}
3. Tehnologic: rata de uzură (în funcție de conținutul de carbon) – 0,2-2 µm/h; coeficient de frecare - 0,4-0,5; sudabilitatea este slabă.

Primire

Producția de carbură de titan se realizează prin mai multe metode:

• Metoda carbon-termică din dioxid de titan și materiale solide de cementare (68 și, respectiv, 32% în amestec). Ca acesta din urmă, funinginea este cel mai des folosită. Materia primă este mai întâi presată în brichete, care sunt apoi plasate într-un creuzet. Saturația cu carbon are loc la o temperatură de 2000 °C într-o atmosferă protectoare de hidrogen.
• Carbidizarea directă a pulberii de titan la 1600 °C.
• Pseudotopire - încălzirea pulberii metalice cu brichete de funingine într-o schemă în două etape până la 2050 °C. Funinginea se dizolvă în topitura de titan și rezultă granule de carbură de până la 1 mie de microni.
• Aprinderea în vid a unui amestec de pulbere de titan și negru de fum (brichetat anterior). Reacția de ardere durează câteva secunde, apoi compoziția este răcită.
• Metoda plasma-chimică din halogenuri. Această metodă face posibilă obținerea nu numai de pulbere de carbură, ci și de acoperiri, fibre, monocristale. Cel mai comun amestec este clorura de titan, metanul și hidrogenul. Procesul se desfășoară la o temperatură1200-1500°C. Fluxul de plasmă este creat folosind o descărcare cu arc sau în generatoare de în altă frecvență.
• Din așchii de aliaj de titan (hidrogenare, măcinare, dehidrogenare, carbonatare sau carburare de negru de fum).

Produsul realizat prin una dintre aceste metode este prelucrat în unități de măcinare. Măcinarea în pulbere se realizează la dimensiunile particulelor de 1-5 microni.

Fibre și cristale

Obținerea carburii de titan sub formă de monocristale se realizează în mai multe moduri:

1. Metoda de topire. Există mai multe varietăți ale acestei tehnologii: procesul Verneuil; tragere dintr-o baie de lichid formată prin topirea tijelor sinterizate; metoda electrotermală în cuptoare cu arc. Aceste tehnici nu sunt utilizate pe scară largă deoarece necesită costuri mari de energie.
2. Metoda de soluție. Un amestec de compuși de titan și carbon, precum și metale care joacă rolul unui solvent (fier, nichel, cob alt, aluminiu sau magneziu), sunt încălzite într-un creuzet de grafit la 2000 ° C în vid. Topitura metalică se menține câteva ore, apoi se tratează cu soluții de acid clorhidric și fluorură de hidrogen, se spală și se usucă, se plutește într-un amestec de tricloretilenă și acetonă pentru a îndepărta grafitul. Această tehnologie produce cristale de în altă puritate.
3. Sinteza chimică plasmatică într-un reactor în timpul interacțiunii unui jet de plasmă cu halogenuri de titan TiCl₄, TiI_{4. Metanul, etilena, benzenul, toluenul și altele sunt folosite ca sursă de carbon.hidrocarburi. Principalele dezavantaje ale acestei metode sunt complexitatea tehnologică și toxicitatea materiilor prime.}

Fibrele se obțin prin depunerea clorurii de titan într-un mediu gazos (propan, tetraclorură de carbon amestecată cu hidrogen) la o temperatură de 1250-1350 °C.

Aplicarea carburii de titan

Acest compus este utilizat ca componentă la fabricarea aliajelor rezistente la căldură, rezistente la căldură și fără tungsten dure, acoperiri rezistente la uzură, materiale abrazive.

Sistemele cu carbură de titan sunt utilizate pentru următoarele produse:

• instrumente pentru tăierea metalelor;
• piese ale mașinilor de rulare;
• creuzete rezistente la căldură, piese de termocuplu;
• căptușeală cuptor;
• piese pentru motor cu reacție;
• electrozi de sudare neconsumabile;
• elemente ale echipamentelor concepute pentru pomparea materialelor agresive;
• paste abrazive pentru lustruirea și finisarea suprafețelor.

Piesele sunt fabricate prin metalurgia pulberilor:

• prin sinterizare și presare la cald;
• prin turnare slip în forme de ipsos și sinterizare în cuptoare de grafit;
• prin apăsare și sinterizare.

Acoperiri

Acoperirile cu carbură de titan vă permit să creșteți performanța pieselor și, în același timp, să economisiți materiale scumpe. Acestea sunt caracterizate de următoarele proprietăți:

• rezistență mare la uzură și duritate;
• stabilitate chimică;
• coeficient scăzut de frecare;
• predispoziție scăzută pentru sudarea la rece;
• rezistență la scară.

Un strat de carbură de titan este aplicat pe materialul de bază în mai multe moduri:

• Depunerea de vapori.
• Pluverizare cu plasmă sau detonație.
• Placare cu laser.
• Stropire cu plasmă ionică.
• Aliere electro-scânteie.
• Saturația difuziei.

Cermet este realizat și pe baza de aliaje termorezistente de carbură de titan și nichel - un material compozit care permite creșterea rezistenței la uzură a pieselor în medii lichide de 10 ori. Utilizarea acestui compozit este promițătoare pentru creșterea duratei de viață a echipamentelor de pompare și a altor echipamente, care includ duze de injecție pentru menținerea presiunii din rezervor, arzătoare, burghie, supape.

Carbidesteel

Carburele de wolfram și titan sunt folosite pentru fabricarea oțelurilor cu carbură, care în proprietățile lor ocupă o poziție intermediară între aliajele dure și oțelurile rapide. Metalele refractare le oferă duritate mare, rezistență și rezistență la uzură, iar matricea de oțel - duritate și ductilitate. Fracția de masă a carburii de titan și tungsten poate fi de 20-70%. Astfel de materiale sunt obținute prin metodele de metalurgie a pulberilor indicate mai sus.

Oțelurile cu carbură sunt utilizate pentru producția de scule așchietoare, precum și piese de mașini,lucru în condiții de uzură mecanică și corozivă puternică (rulmenți, angrenaje, bucșe, arbori și altele).