Titaniumcarbide: productie, samenstelling, doel, eigenschappen en toepassingen

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 14:00

Titaniumcarbide is een van de veelbelovende analogen van wolfraam. Het is niet onderdoen voor de laatste in termen van fysieke en mechanische eigenschappen, en de vervaardiging van deze verbinding is zuiniger. Het wordt het meest gebruikt bij de productie van hardmetalen snijgereedschappen, maar ook in de olie- en algemene machinebouw, luchtvaart en raketindustrie.

Beschrijving en geschiedenis van ontdekking

Titaniumcarbide neemt een speciale plaats in tussen de overgangsmetaalverbindingen van het periodiek systeem van chemische elementen. Het onderscheidt zich door zijn speciale hardheid, hittebestendigheid en sterkte, wat het wijdverbreide gebruik bepa alt als basis voor harde legeringen die geen wolfraam bevatten. De chemische formule van deze stof is TiC. Uiterlijk is het een lichtgrijs poeder.

De productie begon in de jaren 1920, toen bedrijven die gloeilampen produceerden op zoek waren naar een alternatief voor de dure technologie voor het vervaardigen van wolfraamfilamenten. Als resultaat werd een methode uitgevonden om gecementeerd carbide te produceren. Deze technologie was goedkoper, omdat grondstoffen -titaandioxide was goedkoper.

In 1970 begon het gebruik van titaniumnitriet, waardoor de viscositeit van gecementeerde verbindingen kon worden verhoogd, en chroom- en nikkeladditieven maakten het mogelijk om de corrosieweerstand van titaniumcarbide te vergroten. In 1980 is een proces ontwikkeld voor poedersintering onder invloed van uniforme compressie (persen). Dit verbeterde de kwaliteit van het materiaal. Gesinterde carbidepoeders worden momenteel gebruikt in toepassingen waar weerstand tegen hoge temperaturen, slijtage en oxidatie vereist is.

Chemische kenmerken

De chemische eigenschappen van titaniumcarbide bepalen het praktische belang ervan in de technologie. Deze verbinding heeft de volgende kenmerken:

• weerstand tegen HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkali;}
• hoge corrosieweerstand in alkalische en zure oplossingen;
• geen interactie met zinksmelten, de belangrijkste soorten metallurgische slakken;
• actieve oxidatie alleen bij temperaturen boven 1100 °C;
• smeltbevochtigbaarheid van staal, gietijzer, nikkel, kob alt, silicium;
• vorming van TiCl_{4 in chloormedium bij t>40 °C.}

Fysische en mechanische eigenschappen

De belangrijkste fysieke en mechanische kenmerken van deze stof zijn:

1. Thermofysisch: smeltpunt – 3260±150 °C; kookpunt - 4300 ° C; warmtecapaciteit - 50, 57 J/(K∙mol); thermische geleidbaarheid bij 20 °C (afhankelijk van de inhoud)koolstof) - 6.5-7.1 W/(m∙K).
2. Sterkte (bij 20 °C): druksterkte - 1380 MPa; treksterkte (warmgeperst carbide) - 500 MPa; microhardheid - 15.000-31.500 MPa; slagvastheid - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; hardheid op de schaal van Mohs - 8-9 eenheden.}
3. Technologisch: slijtagesnelheid (afhankelijk van koolstofgeh alte) – 0,2-2 µm/h; wrijvingscoëfficiënt - 0,4-0,5; lasbaarheid is slecht.

Ontvangen

De productie van titaniumcarbide wordt op verschillende manieren uitgevoerd:

• Koolstof-thermische methode van titaniumdioxide en vaste carbonerende materialen (respectievelijk 68 en 32% in het mengsel). Als laatste wordt roet het meest gebruikt. De grondstof wordt eerst tot briketten geperst, die vervolgens in een smeltkroes worden geplaatst. Koolstofverzadiging vindt plaats bij een temperatuur van 2000 °C in een beschermende atmosfeer van waterstof.
• Directe carbidisatie van titaniumpoeder bij 1600 °C.
• Pseudo-smelten - verhitting van metaalpoeder met roetbriketten in een tweetraps schema tot 2050 °C. Roet lost op in de titaniumsmelt en de output is carbidekorrels tot 1000 micron groot.
• Ontsteking onder vacuüm van een mengsel van titaniumpoeder en roet (eerder gebriketteerd). De verbrandingsreactie duurt enkele seconden, daarna wordt de samenstelling afgekoeld.
• Plasma-chemische methode van halogeniden. Deze methode maakt het mogelijk om niet alleen carbidepoeder te verkrijgen, maar ook coatings, vezels, eenkristallen. Het meest voorkomende mengsel is titaanchloride, methaan en waterstof. Het proces wordt uitgevoerd bij een temperatuur1200-1500°C. De plasmastroom wordt gecreëerd met behulp van een boogontlading of in hoogfrequente generatoren.
• Van chips van titaniumlegeringen (hydrogenering, malen, dehydrogenering, carbonatatie of carbon black-carbidisatie).

Het product dat met een van deze methoden is gemaakt, wordt verwerkt in maaleenheden. Het vermalen tot poeder wordt uitgevoerd tot deeltjesgroottes van 1-5 micron.

Vezels en kristallen

Het verkrijgen van titaniumcarbide in de vorm van eenkristallen gebeurt op verschillende manieren:

1. Methode van smelten. Er zijn verschillende varianten van deze technologie: het Verneuil-proces; trekken uit een vloeistofbad gevormd door het smelten van de gesinterde staven; elektrothermische methode in boogovens. Deze technieken worden niet veel gebruikt omdat ze hoge energiekosten vereisen.
2. Oplossingsmethode. Een mengsel van titanium- en koolstofverbindingen, evenals metalen die de rol van oplosmiddel spelen (ijzer, nikkel, kob alt, aluminium of magnesium), worden in een grafietkroes onder vacuüm verwarmd tot 2000 ° C. De metaalsmelt wordt enkele uren bewaard, vervolgens behandeld met zoutzuuroplossingen en waterstoffluoride, gewassen en gedroogd, en in een mengsel van trichloorethyleen en aceton drijvend gehouden om grafiet te verwijderen. Deze technologie produceert kristallen van hoge zuiverheid.
3. Plasmachemische synthese in een reactor tijdens de interactie van een plasmastraal met titaniumhalogeniden TiCl₄, TiI_{4. Methaan, ethyleen, benzeen, tolueen en andere worden gebruikt als koolstofbron.koolwaterstoffen. De belangrijkste nadelen van deze methode zijn de technologische complexiteit en toxiciteit van grondstoffen.}

Vezels worden verkregen door afzetting van titaanchloride in een gasvormig medium (propaan, tetrachloorkoolstof gemengd met waterstof) bij een temperatuur van 1250-1350 °C.

Toepassing van titaniumcarbide

Deze verbinding wordt gebruikt als component bij de vervaardiging van hittebestendige, hittebestendige en harde wolfraamvrije legeringen, slijtvaste coatings, schurende materialen.

Titaniumcarbide carbide systemen worden gebruikt voor de volgende producten:

• gereedschap voor het snijden van metaal;
• onderdelen van walsmachines;
• hittebestendige smeltkroezen, thermokoppel onderdelen;
• ovenbekleding;
• straalmotor onderdelen;
• niet-verbruikbare laselektroden;
• apparatuur voor het verpompen van agressieve materialen;
• schuurpasta's voor het polijsten en afwerken van oppervlakken.

Onderdelen zijn gemaakt door poedermetallurgie:

• door sinteren en heet persen;
• door middel van slipgieten in gipsen mallen en sinteren in grafietovens;
• door te drukken en te sinteren.

Coatings

Titaniumcarbide coatings stellen u in staat om de prestaties van onderdelen te verbeteren en tegelijkertijd te besparen op dure materialen. Ze worden gekenmerkt door de volgende eigenschappen:

• hoge slijtvastheid en hardheid;
• chemische stabiliteit;
• lage wrijvingscoëfficiënt;
• lage neiging tot koud lassen;
• schaalweerstand.

Een laag titaniumcarbide wordt op verschillende manieren op het basismateriaal aangebracht:

• Dampafzetting.
• Plasma- of detonatiespuiten.
• Laserbekleding.
• Ionen-plasma spuiten.
• Electro-vonk legering.
• Diffusieverzadiging.

Cermet is ook gemaakt op basis van titaniumcarbide en hittebestendige nikkellegeringen - een composietmateriaal waarmee de slijtvastheid van onderdelen in vloeibare media 10 keer kan worden verhoogd. Het gebruik van dit composiet is veelbelovend voor het verlengen van de levensduur van pompapparatuur en andere apparatuur, waaronder injectiesproeiers voor het handhaven van de reservoirdruk, flare-branders, boren, kleppen.

Carbidesteel

Tungsten- en titaniumcarbiden worden gebruikt voor de vervaardiging van hardmetalen staalsoorten, die qua eigenschappen een tussenpositie innemen tussen harde legeringen en hogesnelheidsstaalsoorten. Vuurvaste metalen bieden ze een hoge hardheid, sterkte en slijtvastheid, en de stalen matrix - taaiheid en taaiheid. De massafractie van titanium en wolfraamcarbide kan 20-70% zijn. Dergelijke materialen worden verkregen door middel van de hierboven aangegeven methoden van poedermetallurgie.

Harbide staalsoorten worden gebruikt voor de productie van snijgereedschappen, evenals machineonderdelen,werken in omstandigheden van sterke mechanische en corrosieve slijtage (lagers, tandwielen, bussen, assen en andere).