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

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

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.

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, H₃PO_{4, 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 TiCl_{4 w środowisku chloru w temperaturze t>40 °C.}

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/m^{2; 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).

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, TiI_{4. Jako źródło węgla stosuje się metan, etylen, benzen, toluen i inne.węglowodory. Główne wady tej metody to złożoność technologiczna i toksyczność surowców.}

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.

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.

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.

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).