Titaankarbiid: tootmine, koostis, eesmärk, omadused ja rakendused

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-02 13:53

Titaankarbiid on üks volframi paljulubavamaid analooge. Füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste poolest ei jää see viimasele alla ning selle ühendi valmistamine on säästlikum. Seda kasutatakse kõige laialdasem alt karbiidist lõikeriistade tootmisel, samuti nafta- ja üldinseneri-, lennundus- ja raketitööstuses.

Kirjeldus ja avastamise ajalugu

Titaankarbiidil on keemiliste elementide perioodilise tabeli siirdemetalliühendite hulgas eriline koht. Seda eristab eriline kõvadus, kuumuskindlus ja tugevus, mis määrab selle laialdase kasutamise volframit mittesisaldavate kõvasulamite alusena. Selle aine keemiline valem on TiC. Väliselt on see helehall pulber.

Selle tootmine algas 1920. aastatel, kui hõõglampe tootvad ettevõtted otsisid alternatiivi kallile volframkiudude valmistamise tehnoloogiale. Selle tulemusena leiutati meetod tsementeeritud karbiidi tootmiseks. See tehnoloogia oli odavam, kuna tooraine -titaandioksiid oli soodsam.

1970. aastal hakati kasutama titaannitritit, mis võimaldas tõsta tsementliidete viskoossust ning kroomi ja nikli lisandid võimaldasid tõsta titaankarbiidi korrosioonikindlust. 1980. aastal töötati välja protsess pulbri paagutamiseks ühtlase kokkusurumise (pressimise) mõjul. See parandas materjali kvaliteeti. Paagutatud karbiidi pulbreid kasutatakse praegu rakendustes, kus on nõutav kõrge temperatuuri-, kulumis- ja oksüdatsioonikindlus.

Keemilised omadused

Titaankarbiidi keemilised omadused määravad selle praktilise tähtsuse tehnoloogias. Sellel ühendil on järgmised omadused:

• resistentsus HCl, HSO₄, H₃PO_{4, leelise suhtes;}
• kõrge korrosioonikindlus leeliselistes ja happelistes lahustes;
• puudub koostoime tsingisulamitega, mis on peamised metallurgilise räbu liigid;
• aktiivne oksüdatsioon ainult temperatuuril üle 1100 °C;
• terase, malmi, nikli, koob alti, räni sulamismärgutavus;
• TiCl tekkimine_{4 kloorikeskkonnas temperatuuril t>40 °C.}

Füüsikalised ja mehaanilised omadused

Selle aine peamised füüsikalised ja mehaanilised omadused on järgmised:

1. Termofüüsikaline: sulamistemperatuur – 3260±150 °C; keemistemperatuur - 4300 ° C; soojusmahtuvus - 50, 57 J/(K∙mol); soojusjuhtivus 20 °C juures (olenev alt sisaldusestsüsinik) – 6,5–7,1 W/(m∙K).
2. Tugevus (20 °C juures): survetugevus - 1380 MPa; tõmbetugevus (kuumpressitud karbiid) - 500 MPa; mikrokõvadus - 15 000–31 500 MPa; löögitugevus - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; kõvadus Mohsi skaalal – 8-9 ühikut.}
3. Tehnoloogiline: kulumiskiirus (olenev alt süsinikusisaldusest) – 0,2-2 µm/h; hõõrdetegur - 0,4-0,5; keevitatavus on halb.

Võta vastu

Titaankarbiidi tootmine toimub mitmel viisil:

• Süsiniktermiline meetod titaandioksiidist ja tahketest karbureerivatest materjalidest (segus vastav alt 68 ja 32%). Viimasena kasutatakse kõige sagedamini tahma. Tooraine pressitakse esm alt brikettideks, mis seejärel asetatakse tiiglisse. Süsinikküllastumine toimub temperatuuril 2000 °C kaitsvas vesinikuatmosfääris.
• Titaanipulbri otsene karbidiseerimine temperatuuril 1600 °C.
• Pseudosulatus - metallipulbri kuumutamine tahmabrikettiga kaheastmelises skeemis kuni 2050 °C. Tahm lahustub titaani sulatis ja väljundiks on kuni 1000 mikroni suurused karbiiditerad.
• Süütamine titaanipulbri ja tahma (varem briketeeritud) segust vaakumis. Põlemisreaktsioon kestab paar sekundit, seejärel segu jahutatakse.
• Plasmakeemiline meetod halogeniididest. See meetod võimaldab saada mitte ainult karbiidipulbrit, vaid ka katteid, kiude, monokristalle. Levinuim segu on titaankloriid, metaan ja vesinik. Protsess viiakse läbi temperatuuril1200-1500°C. Plasma vool luuakse kaarlahendusega või kõrgsagedusgeneraatorites.
• Titaanisulamist laastudest (hüdrogeenimine, jahvatamine, dehüdrogeenimine, karboniseerimine või tahma karbidiseerimine).

Ühel neist meetoditest valmistatud toodet töödeldakse jahvatusseadmetes. Pulbriks jahvatamine toimub osakeste suurusega 1-5 mikronit.

Kiud ja kristallid

Titaankarbiidi saamine üksikkristallidena toimub mitmel viisil:

1. Sulamismeetod. Sellel tehnoloogial on mitu sorti: Verneuili protsess; tõmbamine vedelikuvannist, mis on moodustatud paagutatud varraste sulatamisel; elektrotermiline meetod kaarahjudes. Neid tehnikaid ei kasutata laialdaselt, kuna need nõuavad suuri energiakulusid.
2. Lahendusmeetod. Titaani- ja süsinikuühendite ning lahusti rollis olevate metallide (raud, nikkel, koob alt, alumiinium või magneesium) segu kuumutatakse grafiittiiglis vaakumis temperatuurini 2000 °C. Metalli sulatist hoitakse mitu tundi, seejärel töödeldakse vesinikkloriidhappe lahuste ja vesinikfluoriidiga, pestakse ja kuivatatakse, grafiidi eemaldamiseks ujutatakse trikloroetüleeni ja atsetooni segus. See tehnoloogia toodab kõrge puhtusastmega kristalle.
3. Plasmakeemiline süntees reaktoris plasmajoa interaktsiooni ajal titaanhalogeniididega TiCl₄, TiI_{4. Süsinikuallikana kasutatakse metaani, etüleeni, benseeni, tolueeni jt.süsivesinikud. Selle meetodi peamised puudused on toormaterjalide tehnoloogiline keerukus ja toksilisus.}

Kiud saadakse titaankloriidi sadestamisel gaasilises keskkonnas (propaan, süsiniktetrakloriid, segatud vesinikuga) temperatuuril 1250–1350 °C.

Titaankarbiidi pealekandmine

Seda ühendit kasutatakse komponendina kuumuskindlate, kuumakindlate ja kõvade volframivabade sulamite, kulumiskindlate kattekihtide ja abrasiivsete materjalide valmistamisel.

Titaankarbiidkarbiidi süsteeme kasutatakse järgmiste toodete jaoks:

• tööriistad metalli lõikamiseks;
• v altsimismasinate osad;
• kuumuskindlad tiiglid, termopaari osad;
• ahjuvooder;
• reaktiivmootori osad;
• mittekuluvad keevituselektroodid;
• agressiivsete materjalide pumpamiseks mõeldud seadmete elemendid;
• abrasiivsed pastad pindade poleerimiseks ja viimistlemiseks.

Osad on valmistatud pulbermetallurgias:

• paagutamise ja kuumpressimise teel;
• kipsvormidesse libiseva valamise ja grafiitahjudes paagutamise teel;
• vajutades ja paagutades.

Katted

Titaankarbiidkatted võimaldavad teil suurendada osade jõudlust ja samal ajal säästa kallite materjalide arvelt. Neid iseloomustavad järgmised omadused:

• kõrge kulumiskindlus ja kõvadus;
• keemiline stabiilsus;
• madal hõõrdetegur;
• madal kalduvus külmkeevitamiseks;
• mastaabitakistus.

Titaankarbiidi kiht kantakse alusmaterjalile mitmel viisil:

• Aurusadestamine.
• Plasma- või detonatsioonipihustus.
• Laserkatted.
• Ioon-plasma pihustamine.
• Elektrosädemega legeerimine.
• Difusiooniküllastus.

Keraamikat valmistatakse ka titaankarbiidi ja nikli kuumuskindlate sulamite baasil – komposiitmaterjal, mis võimaldab tõsta detailide kulumiskindlust vedelas keskkonnas 10 korda. Selle komposiidi kasutamine on paljutõotav pumpamisseadmete ja muude seadmete, sealhulgas reservuaari rõhu säilitamiseks mõeldud sissepritsepihustite, põletite, puuriterade, ventiilide tööea pikendamiseks.

Karbiidteras

Volfram- ja titaankarbiide kasutatakse karbiidteraste tootmiseks, mis oma omaduste poolest on kõvasulamite ja kiirteraste vahel. Tulekindlad metallid tagavad neile suure kõvaduse, tugevuse ja kulumiskindluse ning terasmaatriks - sitkuse ja elastsuse. Titaani ja volframkarbiidi massiosa võib olla 20-70%. Sellised materjalid saadakse ülalnimetatud pulbermetallurgia meetoditega.

Karbiidteraseid kasutatakse nii lõikeriistade kui ka masinaosade tootmiseks,töötamine tugeva mehaanilise ja korrodeeriva kulumise tingimustes (laagrid, hammasrattad, puksid, võllid ja muud).