Titāna karbīds: ražošana, sastāvs, mērķis, īpašības un pielietojums

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-02 13:59

Titāna karbīds ir viens no daudzsološākajiem volframa analogiem. Fizikālo un mehānisko īpašību ziņā tas nav zemāks par pēdējo, un šī savienojuma ražošana ir ekonomiskāka. To visplašāk izmanto karbīda griezējinstrumentu ražošanā, kā arī naftas un vispārējās mašīnbūves, aviācijas un raķešu rūpniecībā.

Apraksts un atklāšanas vēsture

Titāna karbīds ieņem īpašu vietu starp ķīmisko elementu periodiskās tabulas pārejas metālu savienojumiem. Tas izceļas ar savu īpašo cietību, karstumizturību un izturību, kas nosaka tā plašo izmantošanu kā pamatu cietajiem sakausējumiem, kas nesatur volframu. Šīs vielas ķīmiskā formula ir TiC. Ārēji tas ir gaiši pelēks pulveris.

Tā ražošana sākās 20. gadsimta 20. gados, kad uzņēmumi, kas ražo kvēlspuldzes, meklēja alternatīvu dārgajai volframa pavedienu ražošanas tehnoloģijai. Tā rezultātā tika izgudrota metode cementēta karbīda ražošanai. Šī tehnoloģija bija lētāka, jo izejvielas -titāna dioksīds bija lētāks.

1970. gadā sāka izmantot titāna nitrītu, kas ļāva palielināt cementēto savienojumu viskozitāti, un hroma un niķeļa piedevas ļāva palielināt titāna karbīda izturību pret koroziju. 1980. gadā tika izstrādāts process pulvera saķepināšanai vienmērīgas kompresijas (presēšanas) ietekmē. Tas uzlaboja materiāla kvalitāti. Saķepināta karbīda pulveri pašlaik tiek izmantoti lietojumos, kur nepieciešama augsta temperatūra, nodilumizturība un oksidēšanās izturība.

Ķīmiskās īpašības

Titāna karbīda ķīmiskās īpašības nosaka tā praktisko nozīmi tehnoloģijā. Šim savienojumam ir šādas īpašības:

• izturība pret HCl, HSO₄, H₃PO_{4, sārmi;}
• augsta izturība pret koroziju sārmainos un skābos šķīdumos;
• nav mijiedarbības ar cinka kausējumiem, galvenajiem metalurģijas izdedžu veidiem;
• aktīvā oksidēšana tikai temperatūrā virs 1100 °C;
• tērauda, čuguna, niķeļa, kob alta, silīcija kausējuma mitrināmība;
• TiCl veidošanās_{4 hlora vidē pie t>40 °C.}

Fizikālās un mehāniskās īpašības

Šīs vielas galvenās fizikālās un mehāniskās īpašības ir:

1. Termofizikālais: kušanas temperatūra – 3260±150 °C; viršanas temperatūra - 4300 ° C; siltuma jauda - 50, 57 J/(K∙mol); siltumvadītspēja pie 20 °C (atkarībā no saturaogleklis) - 6,5–7,1 W/(m∙K).
2. Izturība (pie 20 °C): spiedes izturība - 1380 MPa; stiepes izturība (karsti presēts karbīds) - 500 MPa; mikrocietība - 15 000–31 500 MPa; triecienizturība - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; cietība pēc Mosa skalas - 8-9 vienības.}
3. Tehnoloģiski: nodiluma ātrums (atkarībā no oglekļa satura) – 0,2-2 µm/h; berzes koeficients - 0,4-0,5; metināmība ir slikta.

Saņemt

Titāna karbīda ražošana tiek veikta ar vairākām metodēm:

• Oglekļa-termiskā metode no titāna dioksīda un cietiem karburēšanas materiāliem (attiecīgi 68 un 32% maisījumā). Kā pēdējo, visbiežāk tiek izmantoti kvēpi. Izejvielu vispirms saspiež briketēs, kuras pēc tam ievieto tīģelī. Oglekļa piesātinājums notiek 2000 °C temperatūrā aizsargājošā ūdeņraža atmosfērā.
• Titāna pulvera tieša karbidizācija 1600 °C temperatūrā.
• Pseidokausēšana - metāla pulvera karsēšana ar kvēpu briketēm divpakāpju shēmā līdz 2050 °C. Kvēpi izšķīst titāna kausējumā, un iznāk karbīda graudi, kuru izmērs ir līdz 1 tūkstotim mikronu.
• Aizdedze vakuumā no titāna pulvera un ogļu maisījuma (iepriekš briketēta). Degšanas reakcija ilgst dažas sekundes, pēc tam sastāvs tiek atdzesēts.
• Plazmas ķīmiskā metode no halogenīdiem. Šī metode ļauj iegūt ne tikai karbīda pulveri, bet arī pārklājumus, šķiedras, monokristālus. Visizplatītākais maisījums ir titāna hlorīds, metāns un ūdeņradis. Process tiek veikts temperatūrā1200-1500°C. Plazmas plūsma tiek radīta, izmantojot loka izlādi vai augstfrekvences ģeneratorus.
• No titāna sakausējuma šķembām (hidrogenēšana, slīpēšana, dehidrogenēšana, karbonizācija vai ogļu karbidizācija).

Izstrādājums, kas izgatavots ar kādu no šīm metodēm, tiek apstrādāts slīpēšanas vienībās. Sasmalcināšana pulverī tiek veikta līdz daļiņu izmēram 1-5 mikroni.

Šķiedras un kristāli

Titāna karbīda iegūšana monokristālu veidā tiek veikta vairākos veidos:

1. Kausēšanas metode. Šai tehnoloģijai ir vairākas šķirnes: Verneuil process; vilkšana no šķidruma vannas, kas izveidota, kausējot saķepinātos stieņus; elektrotermiskā metode loka krāsnīs. Šīs metodes netiek plaši izmantotas, jo tām ir vajadzīgas lielas enerģijas izmaksas.
2. Risinājuma metode. Titāna un oglekļa savienojumu maisījums, kā arī metāli, kas spēlē šķīdinātāja lomu (dzelzs, niķelis, kob alts, alumīnijs vai magnijs), tiek karsēti grafīta tīģelī līdz 2000 ° C vakuumā. Metāla kausējumu notur vairākas stundas, pēc tam apstrādā ar sālsskābes šķīdumiem un fluorūdeņradi, mazgā un žāvē, peld trihloretilēna un acetona maisījumā, lai noņemtu grafītu. Šī tehnoloģija rada augstas tīrības kristālus.
3. Plazmas ķīmiskā sintēze reaktorā plazmas strūklas mijiedarbības laikā ar titāna halogenīdiem TiCl₄, TiI_{4. Kā oglekļa avots tiek izmantots metāns, etilēns, benzols, toluols un citi.ogļūdeņraži. Šīs metodes galvenie trūkumi ir tehnoloģiskā sarežģītība un izejvielu toksicitāte.}

Šķiedras tiek iegūtas, nogulsnējot titāna hlorīdu gāzveida vidē (propāns, tetrahlorogleklis, kas sajaukts ar ūdeņradi) 1250–1350 °C temperatūrā.

Titāna karbīda uzklāšana

Šo savienojumu izmanto kā sastāvdaļu karstumizturīgu, karstumizturīgu un cietu bezvolframa sakausējumu, nodilumizturīgu pārklājumu, abrazīvu materiālu ražošanā.

Titāna karbīda karbīda sistēmas tiek izmantotas šādiem produktiem:

• instrumenti metāla griešanai;
• velmēšanas mašīnu daļas;
• karstumizturīgi tīģeļi, termopāra daļas;
• krāsns uzliku;
• reaktīvo dzinēju daļas;
• nelietojami metināšanas elektrodi;
• iekārtu elementi, kas paredzēti agresīvu materiālu sūknēšanai;
• abrazīvās pastas virsmu pulēšanai un apdarei.

Detaļas izgatavotas pulvermetalurģijā:

• ar saķepināšanu un karsto presēšanu;
• ar slīdlešanu ģipša veidnēs un saķepināšanu grafīta krāsnīs;
• nospiežot un saķepinot.

Pārklājumi

Titāna karbīda pārklājumi ļauj palielināt detaļu veiktspēju un tajā pašā laikā ietaupīt uz dārgiem materiāliem. Tos raksturo šādas īpašības:

• augsta nodilumizturība un cietība;
• ķīmiskā stabilitāte;
• zems berzes koeficients;
• zema tieksme uz auksto metināšanu;
• mēroga pretestība.

Titāna karbīda slānis tiek uzklāts uz pamatmateriāla vairākos veidos:

• Tvaika pārklāšana.
• Plazmas vai detonācijas izsmidzināšana.
• Lāzera apšuvums.
• Jonu-plazmas izsmidzināšana.
• Elektrodzirksteļu sakausējums.
• Difūzijas piesātinājums.

Kermets ir izgatavots arī uz titāna karbīda un niķeļa karstumizturīgu sakausējumu bāzes - kompozītmateriāls, kas ļauj 10 reizes palielināt detaļu nodilumizturību šķidrā vidē. Šī kompozīta izmantošana ir daudzsološa, lai palielinātu sūknēšanas iekārtu un citu iekārtu kalpošanas laiku, tostarp iesmidzināšanas sprauslas rezervuāra spiediena uzturēšanai, degļus, urbjus, vārstus.

Karbīdstērauds

Volframa un titāna karbīdus izmanto karbīda tēraudu ražošanā, kas pēc savām īpašībām ieņem starpstāvokli starp cietajiem sakausējumiem un ātrgaitas tēraudiem. Ugunsizturīgie metāli nodrošina tiem augstu cietību, izturību un nodilumizturību, bet tērauda matrica - stingrību un elastību. Titāna un volframa karbīda masas daļa var būt 20-70%. Šādus materiālus iegūst ar iepriekš norādītajām pulvermetalurģijas metodēm.

Karbīda tēraudus izmanto griezējinstrumentu, kā arī mašīnu detaļu ražošanā,strādājot spēcīga mehāniskā un korozīvā nodiluma apstākļos (gultņi, zobrati, bukses, vārpstas un citi).