Titán-karbid: gyártás, összetétel, cél, tulajdonságok és alkalmazások

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-02 13:56

A titán-karbid a volfrám egyik ígéretes analógja. Fizikai és mechanikai tulajdonságait tekintve nem rosszabb, mint az utóbbi, és ennek a vegyületnek a gyártása gazdaságosabb. A legszélesebb körben használják keményfém vágószerszámok gyártásában, valamint az olaj- és az általános gépiparban, a repülés- és rakétaiparban.

A felfedezés leírása és története

A titán-karbid különleges helyet foglal el a kémiai elemek periódusos rendszerének átmenetifém-vegyületei között. Különleges keménysége, hőállósága és szilárdsága jellemzi, ami meghatározza széleskörű felhasználását a volfrámot nem tartalmazó keményötvözetek alapjaként. Ennek az anyagnak a kémiai képlete a TiC. Külsőleg világosszürke por.

Gyártása az 1920-as években kezdődött, amikor az izzólámpákat gyártó vállalatok alternatívát kerestek a volfrámszálak gyártása során alkalmazott drága technológia helyett. Ennek eredményeként feltaláltak egy módszert a cementált karbid előállítására. Ez a technológia olcsóbb volt, mivel a nyersanyagok -a titán-dioxid megfizethetőbb volt.

1970-ben megkezdődött a titán-nitrit alkalmazása, amely lehetővé tette a cementált kötések viszkozitásának növelését, a króm és nikkel adalékok pedig lehetővé tették a titán-karbid korrózióállóságának növelését. 1980-ban egy eljárást dolgoztak ki porszinterezésre, egyenletes tömörítés (préselés) hatására. Ez javította az anyag minőségét. A szinterezett karbid porokat jelenleg olyan alkalmazásokban használják, ahol magas hőmérséklet, kopás és oxidációállóság szükséges.

Kémiai jellemzők

A titán-karbid kémiai tulajdonságai meghatározzák gyakorlati jelentőségét a technológiában. Ez a vegyület a következő jellemzőkkel rendelkezik:

• HCl-rezisztencia, HSO₄, H₃PO_{4, lúg;}
• nagy korrózióállóság lúgos és savas oldatokban;
• nincs kölcsönhatás a cinkolvadékokkal, a kohászati salak fő típusaival;
• aktív oxidáció csak 1100 °C feletti hőmérsékleten;
• acél, öntöttvas, nikkel, kob alt, szilícium olvadéknedvesíthetősége;
• TiCl képződése_{4 klóros közegben t>40 °C-on.}

Fizikai és mechanikai tulajdonságok

Ennek az anyagnak a fő fizikai és mechanikai jellemzői a következők:

1. Termofizikai: olvadáspont – 3260±150 °C; forráspont - 4300 ° C; hőkapacitás - 50, 57 J/(K∙mol); hővezető képesség 20 °C-on (a tartalomtól függőenszén) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Szilárdság (20 °C-on): nyomószilárdság - 1380 MPa; szakítószilárdság (melegen sajtolt keményfém) - 500 MPa; mikrokeménység - 15 000-31 500 MPa; ütőszilárdság - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; keménység a Mohs-skálán - 8-9 egység.}
3. Technológiai: kopási sebesség (a széntartalomtól függően) – 0,2-2 µm/h; súrlódási együttható - 0,4-0,5; rossz a hegeszthetőség.

Fogadás

A titán-karbid gyártása többféle módszerrel történik:

• Szén-termikus módszer titán-dioxidból és szilárd karburáló anyagokból (68 és 32% a keverékben). Ez utóbbiként a kormot használják leggyakrabban. A nyersanyagot először brikettté sajtolják, majd tégelybe helyezik. A széntelítés 2000 °C hőmérsékleten, hidrogén védőatmoszférában megy végbe.
• Titánpor közvetlen karbidizálása 1600 °C-on.
• Álolvasztás - fémpor hevítése korombrikettel kétlépcsős rendszerben 2050 °C-ig. A korom feloldódik a titánolvadékban, és a kilépő karbidszemcsék legfeljebb 1000 mikron méretűek.
• Titánpor és korom (korábban brikettezett) keverékéből vákuumban begyújtjuk. Az égési reakció néhány másodpercig tart, majd a kompozíció lehűl.
• Plazmakémiai módszer halogenidekből. Ezzel a módszerrel nemcsak karbidpor, hanem bevonatok, szálak, egykristályok is előállíthatók. A leggyakoribb keverék a titán-klorid, metán és hidrogén. Az eljárást hőmérsékleten végezzük1200-1500 °C. A plazmaáramlást ívkisüléssel vagy nagyfrekvenciás generátorokkal hozzák létre.
• Titánötvözet forgácsából (hidrogénezés, őrlés, dehidrogénezés, karbonizálás vagy korom keményítése).

Az ezen eljárások egyikével készült terméket őrlőegységekben dolgozzák fel. A porrá őrlést 1-5 mikron szemcseméretűre kell elvégezni.

Szálak és kristályok

A titán-karbid monokristályok formájában történő kinyerése többféleképpen történik:

1. Olvadási módszer. Ennek a technológiának többféle változata létezik: a Verneuil-eljárás; a szintereit rudak megolvasztásával kialakított folyadékfürdőből való húzás; elektrotermikus módszer ívkemencékben. Ezeket a technikákat nem használják széles körben, mert magas energiaköltséget igényelnek.
2. Megoldásmód. A titán- és szénvegyületek, valamint az oldószer szerepét betöltő fémek (vas, nikkel, kob alt, alumínium vagy magnézium) keverékét grafittégelyben vákuumban 2000 °C-ra hevítik. A fémolvadékot több órán át tartjuk, majd sósavoldattal és hidrogén-fluoriddal kezeljük, mossuk és szárítjuk, majd triklór-etilén és aceton elegyében úsztatjuk a grafit eltávolítására. Ez a technológia nagy tisztaságú kristályokat állít elő.
3. Plazmakémiai szintézis reaktorban plazmasugár titánhalogenidekkel való kölcsönhatása során TiCl₄, TiI_{4. Szénforrásként metánt, etilént, benzolt, toluolt és másokat használnak.szénhidrogének. Ennek a módszernek a fő hátránya a technológiai összetettség és a nyersanyagok toxicitása.}

A szálakat titán-klorid gázhalmazállapotú közegben (propán, szén-tetraklorid hidrogénnel kevert) leválasztásával állítják elő 1250-1350 °C hőmérsékleten.

Titán-karbid alkalmazása

Ezt a vegyületet komponensként használják hőálló, hőálló és kemény volfrámmentes ötvözetek, kopásálló bevonatok, csiszolóanyagok gyártásához.

Titán-karbid-keményfém rendszereket a következő termékekhez használnak:

• szerszámok fémvágáshoz;
• hengergépek alkatrészei;
• hőálló tégelyek, hőelem alkatrészek;
• kemence bélés;
• sugárhajtómű-alkatrészek;
• nem fogyó hegesztőelektródák;
• agresszív anyagok szivattyúzására tervezett berendezés elemei;
• dörzsölő paszták felületek polírozására és befejezésére.

Az alkatrészek porkohászattal készülnek:

• szintereléssel és melegsajtolással;
• gipszformákban csúszós öntéssel és grafitkemencében történő szintereléssel;
• préssel és szintereléssel.

Bevonatok

A titán-karbid bevonatok lehetővé teszik az alkatrészek teljesítményének növelését, ugyanakkor költséges anyagok megtakarítását. A következő tulajdonságok jellemzik őket:

• nagy kopásállóság és keménység;
• kémiai stabilitás;
• alacsony súrlódási tényező;
• alacsony hajlam a hideghegesztésre;
• skálás ellenállás.

A titán-karbid réteget többféleképpen is felviszik az alapanyagra:

• Gőzleválasztás.
• Plazma- vagy detonációs permetezés.
• Lézeres burkolat.
• Ion-plazma permetezés.
• Elektromos szikraötvözés.
• Diffúziós telítettség.

A cermet titán-karbid és nikkel hőálló ötvözetekből is készül – egy olyan kompozit anyagból, amely lehetővé teszi a folyékony közegben lévő alkatrészek kopásállóságának 10-szeres növelését. Ennek a kompozitnak a használata ígéretes a szivattyúberendezések és egyéb berendezések élettartamának növelésére, beleértve a tartály nyomását fenntartó befecskendező fúvókákat, fáklyás égőket, fúrószárakat, szelepeket.

Karbidacél

A volfrám- és titán-karbidokat keményfém acélok gyártására használják, amelyek tulajdonságaikban a keményötvözetek és a gyorsacélok között köztes helyet foglalnak el. A tűzálló fémek nagy keménységet, szilárdságot és kopásállóságot, az acélmátrix pedig szívósságot és hajlékonyságot biztosítanak számukra. A titán és a volfrámkarbid tömeghányada 20-70% lehet. Az ilyen anyagokat a fent leírt porkohászati módszerekkel állítják elő.

A keményfém acélokat vágószerszámok, valamint gépalkatrészek gyártásához használják,erős mechanikai és korrozív kopás (csapágyak, fogaskerekek, perselyek, tengelyek és egyebek) használata.