Titano karbidas: gamyba, sudėtis, paskirtis, savybės ir pritaikymas

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-02 13:59

Titano karbidas yra vienas iš perspektyviausių volframo analogų. Jis fizinėmis ir mechaninėmis savybėmis nenusileidžia pastarajam, o šio junginio gamyba yra ekonomiškesnė. Jis plačiausiai naudojamas karbido pjovimo įrankių gamyboje, taip pat naftos ir bendrosios inžinerijos, aviacijos ir raketų pramonėje.

Aprašymas ir atradimo istorija

Titano karbidas užima ypatingą vietą tarp cheminių elementų periodinės lentelės pereinamųjų metalų junginių. Jis išsiskiria ypatingu kietumu, atsparumu karščiui ir stiprumu, o tai lemia platų jo naudojimą kaip pagrindą kietiems lydiniams, kuriuose nėra volframo. Šios medžiagos cheminė formulė yra TiC. Išoriškai tai yra šviesiai pilkos spalvos milteliai.

Jis pradėtas gaminti XX a. 2 dešimtmetyje, kai kaitinamąsias lemputes gaminančios įmonės ieškojo alternatyvos brangiai volframo gijų gamybos technologijai. Dėl to buvo išrastas cementinio karbido gamybos būdas. Ši technologija buvo pigesnė, nes žaliavos -titano dioksidas buvo pigesnis.

1970 m. pradėtas naudoti titano nitritas, dėl kurio buvo galima padidinti cementuotų siūlių klampumą, o chromo ir nikelio priedai leido padidinti titano karbido atsparumą korozijai. 1980 m. buvo sukurtas miltelių sukepinimo procesas vienodo suspaudimo (presavimo) įtakoje. Tai pagerino medžiagos kokybę. Sukepinto karbido milteliai šiuo metu naudojami ten, kur reikalingas aukštas temperatūros, nusidėvėjimo ir oksidacijos atsparumas.

Cheminės charakteristikos

Titano karbido cheminės savybės lemia jo praktinę svarbą technologijose. Šis junginys turi šias charakteristikas:

• atsparumas HCl, HSO₄, H₃PO_{4, šarmams;}
• didelis atsparumas korozijai šarminiuose ir rūgštiniuose tirpaluose;
• nėra sąveikos su cinko lydalais, pagrindiniais metalurgijos šlako tipais;
• aktyvi oksidacija tik aukštesnėje nei 1100 °C temperatūroje;
• plieno, ketaus, nikelio, kob alto, silicio sudrėkinamumas iš lydalo;
• TiCl susidarymas_{4 chloro terpėje esant t>40 °C.}

Fizikinės ir mechaninės savybės

Pagrindinės šios medžiagos fizinės ir mechaninės savybės yra:

1. Termofizinė: lydymosi temperatūra – 3260±150 °C; virimo temperatūra - 4300 ° C; šiluminė talpa - 50, 57 J/(K∙mol); šilumos laidumas esant 20 °C (priklauso nuo turinioanglis) – 6,5–7,1 W/(m∙K).
2. Stiprumas (esant 20 °C): stipris gniuždant - 1380 MPa; atsparumas tempimui (karštas spaudimas karbidas) - 500 MPa; mikrokietumas - 15 000–31 500 MPa; smūgio stiprumas - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; kietumas pagal Moso skalę – 8-9 vienetai.}
3. Technologinis: susidėvėjimo greitis (priklausomai nuo anglies kiekio) – 0,2-2 µm/h; trinties koeficientas - 0,4-0,5; suvirinamumas prastas.

Gauti

Titano karbido gamyba atliekama keliais būdais:

• Anglies terminis metodas iš titano dioksido ir kietų karbiuruojančių medžiagų (atitinkamai 68 ir 32 % mišinyje). Kaip pastarasis, dažniausiai naudojami suodžiai. Iš pradžių žaliava suspaudžiama į briketus, kurie vėliau dedami į tiglį. Anglies prisotinimas vyksta 2000 °C temperatūroje apsauginėje vandenilio atmosferoje.
• Tiesioginis titano miltelių karbidizavimas 1600 °C temperatūroje.
• Pseudolydymas – metalo miltelių kaitinimas suodžių briketais dviejų pakopų schemoje iki 2050 °C. Suodžiai ištirpsta titano lydaloje ir išeina iki 1 tūkst. mikronų dydžio karbido grūdeliai.
• Uždegimas vakuume iš titano miltelių ir suodžių mišinio (anksčiau briketuoto). Degimo reakcija trunka kelias sekundes, tada kompozicija atšaldoma.
• Plazmos cheminis metodas iš halogenidų. Šis metodas leidžia gauti ne tik karbido miltelius, bet ir dangas, pluoštus, pavienius kristalus. Labiausiai paplitęs mišinys yra titano chloridas, metanas ir vandenilis. Procesas atliekamas esant temperatūrai1200-1500°C. Plazmos srautas sukuriamas naudojant lankinį išlydį arba aukšto dažnio generatoriuose.
• Iš titano lydinio drožlių (hidrinimas, šlifavimas, dehidrinimas, karbonizavimas arba suodžių karbidizavimas).

Gaminys, pagamintas vienu iš šių metodų, yra apdorojamas šlifavimo įrenginiuose. Sumalama į miltelius iki 1–5 mikronų dalelių.

Pluoštai ir kristalai

Titano karbidas pavienių kristalų pavidalu gaunamas keliais būdais:

1. Lydymo būdas. Yra keletas šios technologijos atmainų: Verneuil procesas; traukimas iš skysčio vonios, suformuotos lydant sukepintus strypus; elektroterminis metodas lankinėse krosnyse. Šie metodai nėra plačiai naudojami, nes jiems reikia didelių energijos sąnaudų.
2. Sprendimo metodas. Titano ir anglies junginių mišinys, taip pat metalai, kurie atlieka tirpiklio vaidmenį (geležis, nikelis, kob altas, aliuminis ar magnis), kaitinami grafito tiglyje iki 2000 ° C vakuume. Metalo lydalas laikomas keletą valandų, tada apdorojamas druskos rūgšties tirpalais ir vandenilio fluoridu, nuplaunamas ir išdžiovinamas, plukdomas trichloretileno ir acetono mišinyje, kad būtų pašalintas grafitas. Ši technologija gamina labai grynus kristalus.
3. Plazmos cheminė sintezė reaktoriuje plazmos srovei sąveikaujant su titano halogenidais TiCl₄, TiI_{4. Kaip anglies š altinis naudojami metanas, etilenas, benzenas, toluenas ir kt.angliavandeniliai. Pagrindiniai šio metodo trūkumai yra technologinis sudėtingumas ir žaliavų toksiškumas.}

Pluoštai gaunami nusodinant titano chloridą dujinėje terpėje (propanas, anglies tetrachloridas, sumaišytas su vandeniliu) 1250–1350 °C temperatūroje.

Titano karbido taikymas

Šis junginys naudojamas kaip komponentas gaminant karščiui atsparius, karščiui atsparius ir kietus be volframo lydinius, dilimui atsparias dangas, abrazyvines medžiagas.

Titano karbido karbido sistemos naudojamos šiems produktams:

• metalo pjovimo įrankiai;
• valcavimo mašinų dalys;
• karščiui atsparūs tigliai, termoporos dalys;
• krosnies pamušalas;
• reaktyvinio variklio dalys;
• nenaudojami suvirinimo elektrodai;
• įrangos elementai, skirti siurbti agresyvias medžiagas;
• abrazyvinės pastos paviršiams poliruoti ir apdailai.

Dalys pagamintos miltelinės metalurgijos būdu:

• sukepinant ir karštuoju presavimu;
• išliejant gipso formomis ir sukepinant grafito krosnyse;
• paspaudus ir sukepinant.

Dangos

Titano karbido dangos leidžia padidinti dalių našumą ir tuo pačiu sutaupyti brangių medžiagų. Jie pasižymi šiomis savybėmis:

• didelis atsparumas dilimui ir kietumas;
• cheminis stabilumas;
• mažas trinties koeficientas;
• mažas š altojo suvirinimo polinkis;
• atsparumas mastui.

Titano karbido sluoksnis ant pagrindinės medžiagos padengiamas keliais būdais:

• Garinis nusodinimas.
• Plazma arba detonacija.
• Lazerinis apvalkalas.
• Jonų plazmos purškimas.
• Elektro kibirkštinis lydinys.
• Difuzinis sodrumas.

Kermetas taip pat gaminamas titano karbido ir nikelio karščiui atsparių lydinių pagrindu – kompozicinė medžiaga, leidžianti 10 kartų padidinti dalių atsparumą dilimui skystoje terpėje. Šio kompozito naudojimas yra perspektyvus siekiant pailginti siurbimo įrangos ir kitos įrangos, įskaitant įpurškimo antgalius rezervuaro slėgiui palaikyti, degiklius, grąžtus, vožtuvus, tarnavimo laiką.

Karbidinis plienas

Volframo ir titano karbidai naudojami karbidiniam plienui gaminti, kuris pagal savo savybes užima tarpinę padėtį tarp kietųjų lydinių ir greitaeigių plienų. Ugniai atsparūs metalai suteikia jiems didelį kietumą, stiprumą ir atsparumą dilimui, o plieno matrica – tvirtumą ir lankstumą. Titano ir volframo karbido masės dalis gali būti 20-70%. Tokios medžiagos gaunamos aukščiau nurodytais miltelinės metalurgijos metodais.

Karbidinis plienas naudojamas pjovimo įrankių, taip pat mašinų dalių gamybai,dirbant stipriai mechaninio ir korozinio susidėvėjimo sąlygomis (guoliai, krumpliaračiai, įvorės, velenai ir kt.).