Węglik tytanu: produkcja, skład, przeznaczenie, właściwości i zastosowania

Spisu treści:

Węglik tytanu: produkcja, skład, przeznaczenie, właściwości i zastosowania
Węglik tytanu: produkcja, skład, przeznaczenie, właściwości i zastosowania

Wideo: Węglik tytanu: produkcja, skład, przeznaczenie, właściwości i zastosowania

Wideo: Węglik tytanu: produkcja, skład, przeznaczenie, właściwości i zastosowania
Wideo: Rachunek zysków i strat - ważne punkty +Q&A- Czwartkowa Kawa 2024, Marsz
Anonim

Węglik tytanu jest jednym z obiecujących analogów wolframu. Nie ustępuje temu drugiemu pod względem właściwości fizycznych i mechanicznych, a produkcja tego związku jest bardziej ekonomiczna. Jest on najczęściej stosowany w produkcji narzędzi skrawających z węglików spiekanych, a także w przemyśle naftowym i inżynierii ogólnej, lotnictwie i rakietach.

Opis i historia odkrycia

Węglik tytanu zajmuje szczególne miejsce wśród związków metali przejściowych Układu Okresowego Pierwiastków Chemicznych. Wyróżnia się szczególną twardością, żaroodpornością i wytrzymałością, co determinuje jego szerokie zastosowanie jako baza do twardych stopów nie zawierających wolframu. Wzór chemiczny tej substancji to TiC. Na zewnątrz jest to jasnoszary proszek.

produkcja węglika tytanu
produkcja węglika tytanu

Jego produkcja rozpoczęła się w latach 20. XX wieku, kiedy firmy produkujące żarówki szukały alternatywy dla drogiej technologii wytwarzania żarników wolframowych. W rezultacie wynaleziono sposób wytwarzania węglika spiekanego. Ta technologia była tańsza, ponieważ surowce -dwutlenek tytanu był tańszy.

W 1970 roku rozpoczęto stosowanie azotynu tytanu, który umożliwił zwiększenie lepkości połączeń cementowych, a dodatki chromu i niklu umożliwiły zwiększenie odporności na korozję węglika tytanu. W 1980 roku opracowano proces spiekania proszków pod wpływem równomiernego sprasowania (prasowania). Poprawiło to jakość materiału. Proszki z węglika spiekanego są obecnie używane w zastosowaniach, w których wymagana jest odporność na wysoką temperaturę, zużycie i utlenianie.

Właściwości chemiczne

Właściwości chemiczne węglika tytanu decydują o jego praktycznym znaczeniu w technologii. Ten związek ma następujące właściwości:

  • odporność na HCl, HSO4, H3PO4, zasady;
  • wysoka odporność na korozję w roztworach zasadowych i kwaśnych;
  • brak interakcji z roztopionym cynkiem, głównymi rodzajami żużli metalurgicznych;
  • aktywne utlenianie tylko w temperaturach powyżej 1100 °C;
  • zwilżalność topienia stali, żeliwa, niklu, kob altu, krzemu;
  • tworzenie TiCl4 w środowisku chloru w temperaturze t>40 °C.
właściwości węglika tytanu
właściwości węglika tytanu

Właściwości fizyczne i mechaniczne

Główne właściwości fizyczne i mechaniczne tej substancji to:

  1. Termofizyczne: temperatura topnienia – 3260±150 °C; temperatura wrzenia - 4300 ° C; pojemność cieplna - 50, 57 J/(K∙mol); przewodność cieplna w 20 °C (w zależności od zawartości)węgiel) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
  2. Wytrzymałość (w 20 °C): wytrzymałość na ściskanie - 1380 MPa; wytrzymałość na rozciąganie (węglik prasowany na gorąco) - 500 MPa; mikrotwardość - 15 000–31 500 MPa; udarność - 9,5∙104 kJ/m2; twardość w skali Mohsa - 8-9 jednostek.
  3. Technologiczne: szybkość zużycia (w zależności od zawartości węgla) – 0,2-2 µm/h; współczynnik tarcia - 0,4-0,5; spawalność jest słaba.

Odbierz

Produkcja węglika tytanu odbywa się kilkoma metodami:

  • Węglowo-termiczna metoda z dwutlenku tytanu i stałych materiałów nawęglających (odpowiednio 68 i 32% w mieszaninie). Jako ta ostatnia najczęściej używana jest sadza. Surowiec jest najpierw prasowany w brykiety, które następnie umieszczane są w tyglu. Nasycenie węglem następuje w temperaturze 2000 °C w ochronnej atmosferze wodoru.
  • Bezpośrednie nawęglanie sproszkowanego tytanu w temperaturze 1600 °C.
  • Pseudotopienie - podgrzewanie proszku metalowego za pomocą brykietów z sadzy w schemacie dwustopniowym do 2050 °C. Sadza rozpuszcza się w stopionym tytanie, a na wyjściu powstają ziarna węglika o wielkości do 1 tys. mikronów.
  • Zapalanie w próżni mieszaniny sproszkowanego tytanu i sadzy (wcześniej brykietowanej). Reakcja spalania trwa kilka sekund, po czym kompozycja jest schładzana.
  • Metoda plazmowo-chemiczna z halogenków. Metoda ta umożliwia otrzymanie nie tylko proszku karbidowego, ale także powłok, włókien, monokryształów. Najczęściej spotykaną mieszaniną jest chlorek tytanu, metan i wodór. Proces odbywa się w temperaturze1200-1500°C. Przepływ plazmy jest wytwarzany za pomocą wyładowania łukowego lub w generatorach wysokiej częstotliwości.
  • Z wiórów ze stopu tytanu (uwodornienie, szlifowanie, odwodornienie, karbonizacja lub nawęglanie sadzy).
powłoka z węglika tytanu
powłoka z węglika tytanu

Produkt wytworzony jedną z tych metod jest przetwarzany w jednostkach mielących. Mielenie na proszek odbywa się do wielkości cząstek 1-5 mikronów.

Włókna i kryształy

Pozyskiwanie węglika tytanu w postaci monokryształów odbywa się na kilka sposobów:

  1. Metoda topienia. Istnieje kilka odmian tej technologii: proces Verneuil; wyciąganie z kąpieli cieczy utworzonej przez stopienie spiekanych prętów; metoda elektrotermiczna w piecach łukowych. Techniki te nie są powszechnie stosowane, ponieważ wymagają wysokich kosztów energii.
  2. Metoda rozwiązania. Mieszanina związków tytanu i węgla, a także metali pełniących rolę rozpuszczalnika (żelazo, nikiel, kob alt, aluminium lub magnez) jest podgrzewana w tyglu grafitowym do temperatury 2000°C w próżni. Stopiony metal utrzymuje się przez kilka godzin, a następnie traktuje roztworami kwasu chlorowodorowego i fluorowodoru, przemywa i suszy, unosi się w mieszaninie trichloroetylenu i acetonu w celu usunięcia grafitu. Technologia ta wytwarza kryształy o wysokiej czystości.
  3. Synteza plazmowo-chemiczna w reaktorze podczas oddziaływania strumienia plazmy z halogenkami tytanu TiCl4, TiI4. Jako źródło węgla stosuje się metan, etylen, benzen, toluen i inne.węglowodory. Główne wady tej metody to złożoność technologiczna i toksyczność surowców.
węglik wolframu i tytanu
węglik wolframu i tytanu

Włókna są otrzymywane przez osadzanie chlorku tytanu w środowisku gazowym (propan, czterochlorek węgla zmieszany z wodorem) w temperaturze 1250-1350 °C.

Zastosowanie węglika tytanu

Ten związek jest używany jako składnik w produkcji żaroodpornych, żaroodpornych i twardych stopów bezwolframowych, odpornych na zużycie powłok, materiałów ściernych.

Systemy węglika tytanu są stosowane w następujących produktach:

  • narzędzia do cięcia metalu;
  • części maszyn walcujących;
  • tygle żaroodporne, części termopar;
  • wykładzina pieca;
  • części do silników odrzutowych;
  • nie zużywające się elektrody spawalnicze;
  • elementy wyposażenia przeznaczone do pompowania materiałów agresywnych;
  • pasty ścierne do polerowania i wykańczania powierzchni.
Zastosowanie węglika tytanu
Zastosowanie węglika tytanu

Części są wytwarzane metodą metalurgii proszków:

  • przez spiekanie i prasowanie na gorąco;
  • przez odlewanie z gęstwy w formach gipsowych i spiekanie w piecach grafitowych;
  • przez prasowanie i spiekanie.

Powłoki

Powłoki z węglika tytanu pozwalają zwiększyć wydajność części i jednocześnie zaoszczędzić na kosztownych materiałach. Charakteryzują się następującymi właściwościami:

  • wysoka odporność na zużycie i twardość;
  • stabilność chemiczna;
  • niski współczynnik tarcia;
  • niska skłonność do spawania na zimno;
  • odporność na kamień.
Powłoki z węglika tytanu
Powłoki z węglika tytanu

Warstwa węglika tytanu jest nakładana na materiał bazowy na kilka sposobów:

  • Osadzanie par.
  • Natryskiwanie plazmą lub detonacją.
  • Nakładanie laserowe.
  • Natryskiwanie plazmą jonową.
  • Stopy elektroiskrowe.
  • Nasycenie dyfuzyjne.

Cermet jest również wytwarzany na bazie żaroodpornych stopów węglika tytanu i niklu - materiału kompozytowego, który umożliwia 10-krotne zwiększenie odporności na zużycie części w ciekłych mediach. Zastosowanie tego kompozytu jest obiecujące dla wydłużenia żywotności sprzętu pompującego i innego sprzętu, który obejmuje dysze wtryskowe do utrzymywania ciśnienia w zbiorniku, palniki pochodni, wiertła, zawory.

Stal karbidowa

Węgliki wolframu i tytanu są wykorzystywane do produkcji stali węglikowych, które pod względem swoich właściwości zajmują pozycję pośrednią między stopami twardymi a stalami szybkotnącymi. Metale ogniotrwałe zapewniają im wysoką twardość, wytrzymałość i odporność na zużycie, a osnowa stalowa – ciągliwość i ciągliwość. Udział masowy tytanu i węglika wolframu może wynosić 20-70%. Materiały takie uzyskuje się wskazanymi powyżej metodami metalurgii proszków.

uzyskanie węglika tytanu
uzyskanie węglika tytanu

Stale węglikowe są używane do produkcji narzędzi skrawających, a także części maszyn,praca w warunkach silnego zużycia mechanicznego i korozyjnego (łożyska, koła zębate, tuleje, wały i inne).

Zalecana: