Καρβίδιο του τιτανίου: παραγωγή, σύνθεση, σκοπός, ιδιότητες και εφαρμογές

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-02 13:52

Το καρβίδιο του τιτανίου είναι ένα από τα πολλά υποσχόμενα ανάλογα του βολφραμίου. Δεν είναι κατώτερο από το τελευταίο όσον αφορά τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες και η κατασκευή αυτής της ένωσης είναι πιο οικονομική. Χρησιμοποιείται ευρύτερα στην παραγωγή εργαλείων κοπής καρβιδίου, καθώς και στη βιομηχανία πετρελαίου και γενικής μηχανικής, αεροπορίας και πυραύλων.

Περιγραφή και ιστορία της ανακάλυψης

Το καρβίδιο του τιτανίου κατέχει μια ιδιαίτερη θέση μεταξύ των ενώσεων μετάλλων μετάπτωσης του Περιοδικού Πίνακα Χημικών Στοιχείων. Διακρίνεται για την ειδική του σκληρότητα, αντοχή στη θερμότητα και αντοχή, γεγονός που καθορίζει την ευρεία χρήση του ως βάση για σκληρά κράματα που δεν περιέχουν βολφράμιο. Ο χημικός τύπος αυτής της ουσίας είναι TiC. Εξωτερικά, είναι μια ανοιχτό γκρι σκόνη.

Η παραγωγή του ξεκίνησε τη δεκαετία του 1920, όταν οι εταιρείες που παράγουν λαμπτήρες πυρακτώσεως αναζητούσαν μια εναλλακτική λύση στην ακριβή τεχνολογία για την κατασκευή νημάτων βολφραμίου. Ως αποτέλεσμα, εφευρέθηκε μια μέθοδος για την παραγωγή καρβιδίου με τσιμέντο. Αυτή η τεχνολογία ήταν λιγότερο δαπανηρή, καθώς οι πρώτες ύλες -Το διοξείδιο του τιτανίου ήταν πιο προσιτό.

Το 1970 άρχισε η χρήση νιτρώδους τιτανίου, που επέτρεψε την αύξηση του ιξώδους των τσιμεντοειδών αρμών και τα πρόσθετα χρωμίου και νικελίου επέτρεψαν την αύξηση της αντοχής στη διάβρωση του καρβιδίου του τιτανίου. Το 1980, αναπτύχθηκε μια διαδικασία για πυροσυσσωμάτωση σκόνης υπό την επίδραση ομοιόμορφης συμπίεσης (πρεσάρισμα). Αυτό βελτίωσε την ποιότητα του υλικού. Οι σκόνες πυροσυσσωματωμένου καρβιδίου χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε εφαρμογές όπου απαιτείται υψηλή θερμοκρασία, αντοχή στη φθορά και στην οξείδωση.

Χημικά χαρακτηριστικά

Οι χημικές ιδιότητες του καρβιδίου του τιτανίου καθορίζουν την πρακτική σημασία του στην τεχνολογία. Αυτή η ένωση έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

• αντίσταση σε HCl, HSO₄, H₃PO_{4, αλκάλια;}
• υψηλή αντοχή στη διάβρωση σε αλκαλικά και όξινα διαλύματα;
• καμία αλληλεπίδραση με τήγματα ψευδαργύρου, τους κύριους τύπους μεταλλουργικής σκωρίας;
• ενεργή οξείδωση μόνο σε θερμοκρασίες πάνω από 1100 °C;
• διαβρεξιμότητα τήγματος χάλυβα, χυτοσίδηρου, νικελίου, κοβαλτίου, πυριτίου;
• σχηματισμός TiCl_{4σε μέσο χλωρίου στους t>40 °C.}

φυσικές και μηχανικές ιδιότητες

Τα κύρια φυσικά και μηχανικά χαρακτηριστικά αυτής της ουσίας είναι:

1. Θερμοφυσικό: σημείο τήξης – 3260±150 °C; σημείο βρασμού - 4300 ° C; θερμοχωρητικότητα - 50, 57 J/(K∙mol); θερμική αγωγιμότητα στους 20 °C (ανάλογα με το περιεχόμενοάνθρακα) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Αντοχή (στους 20 °C): αντοχή σε θλίψη - 1380 MPa; αντοχή σε εφελκυσμό (καρβίδιο θερμής συμπίεσης) - 500 MPa. μικροσκληρότητα - 15.000–31.500 MPa. αντοχή κρούσης - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; σκληρότητα στην κλίμακα Mohs - 8-9 μονάδες.}
3. Τεχνολογικά: ρυθμός φθοράς (ανάλογα με την περιεκτικότητα σε άνθρακα) – 0,2-2 μm/h. συντελεστής τριβής - 0,4-0,5; η συγκολλησιμότητα είναι κακή.

Λήψη

Η παραγωγή καρβιδίου τιτανίου πραγματοποιείται με διάφορες μεθόδους:

• Θερμική μέθοδος άνθρακα από διοξείδιο του τιτανίου και στερεά υλικά ενανθράκωσης (68 και 32% στο μείγμα, αντίστοιχα). Ως το τελευταίο, η αιθάλη χρησιμοποιείται συχνότερα. Η πρώτη ύλη συμπιέζεται αρχικά σε μπρικέτες, οι οποίες στη συνέχεια τοποθετούνται σε ένα χωνευτήριο. Ο κορεσμός άνθρακα λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία 2000 °C σε προστατευτική ατμόσφαιρα υδρογόνου.
• Άμεση καρβιδοποίηση σκόνης τιτανίου στους 1600 °C.
• Ψευτοτήξη - θέρμανση μεταλλικής σκόνης με μπρικέτες αιθάλης σε σχήμα δύο σταδίων έως 2050 °C. Η αιθάλη διαλύεται στο τήγμα τιτανίου και η έξοδος είναι κόκκοι καρβιδίου μεγέθους έως και 1.000 microns.
• Ανάφλεξη σε κενό από μείγμα σκόνης τιτανίου και αιθάλης (προηγουμένως μπρικετοποιημένο). Η αντίδραση καύσης διαρκεί λίγα δευτερόλεπτα και στη συνέχεια η σύνθεση ψύχεται.
• Χημική μέθοδος πλάσματος από αλογονίδια. Αυτή η μέθοδος καθιστά δυνατή τη λήψη όχι μόνο σκόνης καρβιδίου, αλλά και επικαλύψεων, ινών, μονοκρυστάλλων. Το πιο κοινό μείγμα είναι το χλωριούχο τιτάνιο, το μεθάνιο και το υδρογόνο. Η διαδικασία πραγματοποιείται σε θερμοκρασία1200-1500°C. Η ροή πλάσματος δημιουργείται χρησιμοποιώντας εκκένωση τόξου ή σε γεννήτριες υψηλής συχνότητας.
• Από τσιπ κράματος τιτανίου (υδρογόνωση, λείανση, αφυδρογόνωση, ενανθράκωση ή καρβιδοποίηση αιθάλης).

Το προϊόν που παράγεται με μία από αυτές τις μεθόδους επεξεργάζεται σε μονάδες λείανσης. Η άλεση σε σκόνη πραγματοποιείται σε μεγέθη σωματιδίων 1-5 microns.

Ίνες και κρύσταλλα

Η λήψη καρβιδίου του τιτανίου με τη μορφή μονοκρυστάλλων πραγματοποιείται με διάφορους τρόπους:

1. Μέθοδος τήξης. Υπάρχουν διάφορες ποικιλίες αυτής της τεχνολογίας: η διαδικασία Verneuil; αντλώντας από ένα λουτρό υγρού που σχηματίζεται από την τήξη των πυροσυσσωματωμένων ράβδων. ηλεκτροθερμική μέθοδος σε καμίνους τόξου. Αυτές οι τεχνικές δεν χρησιμοποιούνται ευρέως επειδή απαιτούν υψηλό κόστος ενέργειας.
2. Μέθοδος λύσης. Ένα μείγμα ενώσεων τιτανίου και άνθρακα, καθώς και μετάλλων που παίζουν το ρόλο ενός διαλύτη (σίδηρος, νικέλιο, κοβάλτιο, αλουμίνιο ή μαγνήσιο), θερμαίνονται σε ένα χωνευτήριο γραφίτη στους 2000 ° C σε κενό. Το τήγμα μετάλλου διατηρείται για αρκετές ώρες, στη συνέχεια επεξεργάζεται με διαλύματα υδροχλωρικού οξέος και υδροφθόριο, πλένεται και ξηραίνεται, επιπλέει σε ένα μείγμα τριχλωροαιθυλενίου και ακετόνης για την απομάκρυνση του γραφίτη. Αυτή η τεχνολογία παράγει κρυστάλλους υψηλής καθαρότητας.
3. Χημική σύνθεση πλάσματος σε αντιδραστήρα κατά την αλληλεπίδραση ενός πίδακα πλάσματος με αλογονίδια τιτανίου TiCl₄, TiI_{4. Ως πηγή άνθρακα χρησιμοποιούνται μεθάνιο, αιθυλένιο, βενζόλιο, τολουόλιο και άλλα.υδρογονάνθρακες. Τα κύρια μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι η τεχνολογική πολυπλοκότητα και η τοξικότητα των πρώτων υλών.}

Οι ίνες λαμβάνονται με εναπόθεση χλωριούχου τιτανίου σε αέριο μέσο (προπάνιο, τετραχλωράνθρακας αναμεμειγμένο με υδρογόνο) σε θερμοκρασία 1250-1350 °C.

Εφαρμογή καρβιδίου τιτανίου

Αυτή η ένωση χρησιμοποιείται ως συστατικό για την κατασκευή ανθεκτικών στη θερμότητα, ανθεκτικών στη θερμότητα και σκληρών κραμάτων χωρίς βολφράμιο, ανθεκτικών στη φθορά επιστρώσεων, λειαντικών υλικών.

Συστήματα καρβιδίου του τιτανίου χρησιμοποιούνται για τα ακόλουθα προϊόντα:

• εργαλεία για κοπή μετάλλων;
• εξαρτήματα μηχανών κύλισης;
• ανθεκτικά στη θερμότητα χωνευτήρια, μέρη θερμοστοιχείων;
• επένδυση φούρνου;
• εξαρτήματα κινητήρα τζετ;
• μη αναλώσιμα ηλεκτρόδια συγκόλλησης;
• στοιχεία εξοπλισμού σχεδιασμένα για άντληση επιθετικών υλικών;
• λειαντικές πάστες για γυάλισμα και φινίρισμα επιφανειών.

Τα εξαρτήματα κατασκευάζονται από μεταλλουργία σκόνης:

• με πυροσυσσωμάτωση και θερμή έκθλιψη;
• με χύτευση ολίσθησης σε καλούπια γύψου και πυροσυσσωμάτωση σε φούρνους γραφίτη,
• με πίεση και πυροσυσσωμάτωση.

Επικαλύψεις

Οι επικαλύψεις καρβιδίου τιτανίου σας επιτρέπουν να αυξήσετε την απόδοση των εξαρτημάτων και ταυτόχρονα να εξοικονομήσετε ακριβά υλικά. Χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες ιδιότητες:

• υψηλή αντοχή στη φθορά και σκληρότητα;
• χημική σταθερότητα;
• χαμηλός συντελεστής τριβής;
• χαμηλή τάση για ψυχρή συγκόλληση;
• αντίσταση κλίμακας.

Ένα στρώμα καρβιδίου τιτανίου εφαρμόζεται στο βασικό υλικό με διάφορους τρόπους:

• Εναπόθεση ατμού.
• Ψεκασμός πλάσματος ή έκρηξης.
• Επίστρωση λέιζερ.
• Ψεκασμός πλάσματος ιόντων.
• κράμα ηλεκτροσπινθήρων.
• Κορεσμός διάχυσης.

Το Cermet κατασκευάζεται επίσης με βάση το καρβίδιο του τιτανίου και τα ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα νικελίου - ένα σύνθετο υλικό που επιτρέπει την αύξηση της αντοχής στη φθορά των εξαρτημάτων σε υγρά μέσα κατά 10 φορές. Η χρήση αυτού του σύνθετου υλικού είναι πολλά υποσχόμενη για την αύξηση της διάρκειας ζωής του εξοπλισμού άντλησης και άλλου εξοπλισμού, ο οποίος περιλαμβάνει ακροφύσια έγχυσης για τη διατήρηση της πίεσης δεξαμενής, καυστήρες εκτόξευσης, τρυπάνια, βαλβίδες.

Carbidesteel

Καρβίδια βολφραμίου και τιτανίου χρησιμοποιούνται για την κατασκευή καρβιδικών χάλυβων, οι οποίοι στις ιδιότητές τους καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ σκληρών κραμάτων και χάλυβων υψηλής ταχύτητας. Τα πυρίμαχα μέταλλα τους παρέχουν υψηλή σκληρότητα, αντοχή και αντοχή στη φθορά, και η μήτρα χάλυβα - σκληρότητα και ολκιμότητα. Το κλάσμα μάζας του καρβιδίου του τιτανίου και του βολφραμίου μπορεί να είναι 20-70%. Τέτοια υλικά λαμβάνονται με τις μεθόδους μεταλλουργίας σκόνης που αναφέρονται παραπάνω.

Οι καρβιδικοί χάλυβες χρησιμοποιούνται για την παραγωγή κοπτικών εργαλείων, καθώς και εξαρτημάτων μηχανών,εργασία σε συνθήκες ισχυρής μηχανικής και διαβρωτικής φθοράς (ρουλεμάν, γρανάζια, δακτύλιοι, άξονες και άλλα).