Titanium karbida: pengeluaran, komposisi, tujuan, sifat dan aplikasi

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-02 14:00

Titanium karbida adalah salah satu analog tungsten yang menjanjikan. Ia tidak kalah dengan yang terakhir dari segi sifat fizikal dan mekanikal, dan pembuatan sebatian ini lebih menjimatkan. Ia paling banyak digunakan dalam pengeluaran alat pemotong karbida, serta dalam industri minyak dan kejuruteraan am, penerbangan dan roket.

Penerangan dan sejarah penemuan

Titanium karbida menduduki tempat istimewa di kalangan sebatian logam peralihan Jadual Berkala Unsur Kimia. Ia dibezakan oleh kekerasan khasnya, rintangan haba dan kekuatannya, yang menentukan penggunaannya yang meluas sebagai asas untuk aloi keras yang tidak mengandungi tungsten. Formula kimia bahan ini ialah TiC. Secara luaran, ia adalah serbuk kelabu muda.

Pengeluarannya bermula pada tahun 1920-an, apabila syarikat yang mengeluarkan mentol pijar sedang mencari alternatif kepada teknologi mahal untuk mengeluarkan filamen tungsten. Akibatnya, kaedah untuk menghasilkan karbida bersimen telah dicipta. Teknologi ini lebih murah, kerana bahan mentah -titanium dioksida lebih berpatutan.

Pada tahun 1970, penggunaan titanium nitrit bermula, yang memungkinkan untuk meningkatkan kelikatan sendi bersimen, dan bahan tambahan kromium dan nikel memungkinkan untuk meningkatkan rintangan kakisan titanium karbida. Pada tahun 1980, satu proses telah dibangunkan untuk pensinteran serbuk di bawah pengaruh mampatan seragam (menekan). Ini meningkatkan kualiti bahan. Serbuk karbida tersinter pada masa ini digunakan dalam aplikasi di mana suhu tinggi, rintangan haus dan pengoksidaan diperlukan.

Ciri-ciri kimia

Sifat kimia titanium karbida menentukan kepentingan praktikalnya dalam teknologi. Kompaun ini mempunyai ciri-ciri berikut:

• rintangan kepada HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkali;}
• rintangan kakisan tinggi dalam larutan alkali dan asid;
• tiada interaksi dengan zink cair, jenis utama sanga metalurgi;
• pengoksidaan aktif hanya pada suhu melebihi 1100 °C;
• kebolehbasahan cair keluli, besi tuang, nikel, kob alt, silikon;
• pembentukan TiCl_{4 dalam medium klorin pada t>40 °C.}

Sifat fizikal dan mekanikal

Ciri-ciri fizikal dan mekanikal utama bahan ini ialah:

1. Termofizik: takat lebur – 3260±150 °C; takat didih - 4300 ° C; kapasiti haba - 50, 57 J/(K∙mol); kekonduksian terma pada 20 °C (bergantung kepada kandungankarbon) - 6.5-7.1 W/(m∙K).
2. Kekuatan (pada 20 °C): kekuatan mampatan - 1380 MPa; kekuatan tegangan (karbida ditekan panas) - 500 MPa; kekerasan mikro - 15,000–31,500 MPa; kekuatan hentaman - 9.5∙10⁴ kJ/m^{2; kekerasan pada skala Mohs - 8-9 unit.}
3. Teknologi: kadar haus (bergantung pada kandungan karbon) – 0.2-2 µm/j; pekali geseran - 0.4-0.5; kebolehkimpalan adalah lemah.

Terima

Penghasilan titanium karbida dijalankan dengan beberapa kaedah:

• Kaedah karbon-terma daripada titanium dioksida dan bahan pengkarburan pepejal (masing-masing 68 dan 32% dalam campuran). Sebagai yang terakhir, jelaga paling kerap digunakan. Bahan mentah mula-mula ditekan ke dalam briket, yang kemudiannya diletakkan di dalam mangkuk pijar. Ketepuan karbon berlaku pada suhu 2000 °C dalam suasana pelindung hidrogen.
• Pengkarbidan langsung serbuk titanium pada 1600 °C.
• Pseudo-melting - pemanasan serbuk logam dengan briket jelaga dalam skema dua peringkat sehingga 2050 °C. Jelaga larut dalam cair titanium, dan keluarannya adalah bijirin karbida sehingga saiz 1 ribu mikron.
• Pencucuhan dalam vakum campuran serbuk titanium dan karbon hitam (sebelum ini dibriket). Tindak balas pembakaran berlangsung beberapa saat, kemudian komposisi disejukkan.
• Kaedah kimia plasma daripada halida. Kaedah ini memungkinkan untuk mendapatkan bukan sahaja serbuk karbida, tetapi juga salutan, gentian, kristal tunggal. Campuran yang paling biasa ialah titanium klorida, metana dan hidrogen. Proses ini dijalankan pada suhu1200-1500°C. Aliran plasma dibuat menggunakan nyahcas arka atau dalam penjana frekuensi tinggi.
• Dari cip aloi titanium (penghidrogenan, pengisaran, penyahhidrogenan, pengkarbonan atau pengkarbidan karbon hitam).

Produk yang dibuat melalui salah satu kaedah ini diproses dalam unit pengisaran. Pengisaran menjadi serbuk dijalankan kepada saiz zarah 1-5 mikron.

Serat dan kristal

Mendapatkan titanium karbida dalam bentuk kristal tunggal dijalankan dalam beberapa cara:

1. Kaedah lebur. Terdapat beberapa jenis teknologi ini: proses Verneuil; melukis daripada mandi cecair yang terbentuk dengan mencairkan batang tersinter; kaedah elektroterma dalam relau arka. Teknik ini tidak digunakan secara meluas kerana memerlukan kos tenaga yang tinggi.
2. Kaedah penyelesaian. Campuran sebatian titanium dan karbon, serta logam yang memainkan peranan sebagai pelarut (besi, nikel, kob alt, aluminium atau magnesium), dipanaskan dalam mangkuk grafit hingga 2000 ° C dalam vakum. Leburan logam disimpan selama beberapa jam, kemudian dirawat dengan larutan asid hidroklorik dan hidrogen fluorida, dibasuh dan dikeringkan, diapungkan dalam campuran trichlorethylene dan aseton untuk menghilangkan grafit. Teknologi ini menghasilkan kristal dengan ketulenan tinggi.
3. Sintesis kimia plasma dalam reaktor semasa interaksi jet plasma dengan titanium halida TiCl₄, TiI_{4. Metana, etilena, benzena, toluena dan lain-lain digunakan sebagai sumber karbon.hidrokarbon. Kelemahan utama kaedah ini ialah kerumitan teknologi dan ketoksikan bahan mentah.}

Serat diperoleh melalui pemendapan titanium klorida dalam medium gas (propana, karbon tetraklorida dicampur dengan hidrogen) pada suhu 1250-1350 °C.

Aplikasi titanium karbida

Kompaun ini digunakan sebagai komponen dalam pembuatan aloi tahan haba, tahan haba dan bebas tungsten keras, salutan tahan haus, bahan kasar.

Sistem karbida titanium karbida digunakan untuk produk berikut:

• alat untuk memotong logam;
• bahagian mesin penggulung;
• periuk pijar tahan haba, bahagian termokopel;
• lapik relau;
• bahagian enjin jet;
• elektrod kimpalan tidak boleh digunakan;
• elemen peralatan yang direka untuk mengepam bahan yang agresif;
• tampalan kasar untuk menggilap dan kemasan permukaan.

Bahagian dibuat oleh metalurgi serbuk:

• dengan mensinter dan menekan panas;
• dengan tuangan gelincir dalam acuan plaster dan pensinteran dalam relau grafit;
• dengan menekan dan mensinter.

Salutan

Salutan karbida titanium membolehkan anda meningkatkan prestasi bahagian dan pada masa yang sama menjimatkan bahan mahal. Ia dicirikan oleh sifat berikut:

• rintangan haus dan kekerasan yang tinggi;
• kestabilan kimia;
• pekali geseran rendah;
• kecenderungan rendah untuk kimpalan sejuk;
• rintangan skala.

Lapisan titanium karbida digunakan pada bahan asas dalam beberapa cara:

• Pemendapan wap.
• Semburan plasma atau letupan.
• Lapisan laser.
• Semburan ion-plasma.
• Aloi percikan elektrik.
• Tepu resapan.

Cermet juga dibuat berdasarkan aloi tahan haba titanium karbida dan nikel - bahan komposit yang membolehkan meningkatkan rintangan haus bahagian dalam media cecair sebanyak 10 kali ganda. Penggunaan komposit ini menjanjikan untuk meningkatkan hayat perkhidmatan peralatan pam dan peralatan lain, yang termasuk muncung suntikan untuk mengekalkan tekanan takungan, penunu suar, mata gerudi, injap.

Karbidakel

Tungsten dan titanium karbida digunakan untuk pembuatan keluli karbida, yang dalam sifatnya menduduki kedudukan pertengahan antara aloi keras dan keluli berkelajuan tinggi. Logam refraktori memberikan kekerasan, kekuatan dan rintangan haus yang tinggi, dan matriks keluli - keliatan dan kemuluran. Pecahan jisim titanium dan tungsten karbida boleh menjadi 20-70%. Bahan sedemikian diperolehi dengan kaedah metalurgi serbuk yang ditunjukkan di atas.

Keluli karbida digunakan untuk pengeluaran alat pemotong, serta bahagian mesin,bekerja dalam keadaan haus mekanikal dan menghakis yang kuat (bearing, gear, sesendal, aci dan lain-lain).