Karbid titánu: výroba, zloženie, účel, vlastnosti a aplikácie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-02 14:02

Karbid titánu je jedným zo sľubných analógov volfrámu. Z hľadiska fyzikálnych a mechanických vlastností nie je nižšia ako druhá a výroba tejto zlúčeniny je ekonomickejšia. Najviac sa používa pri výrobe tvrdokovových rezných nástrojov, ako aj v ropnom a všeobecnom strojárstve, letectve a raketovom priemysle.

Popis a história objavu

Karbid titánu zaujíma osobitné miesto medzi zlúčeninami prechodných kovov periodickej tabuľky chemických prvkov. Vyznačuje sa špeciálnou tvrdosťou, tepelnou odolnosťou a pevnosťou, čo predurčuje jeho široké použitie ako základ pre tvrdé zliatiny, ktoré neobsahujú volfrám. Chemický vzorec tejto látky je TiC. Navonok je to svetlosivý prášok.

Jeho výroba sa začala v 20. rokoch 20. storočia, keď spoločnosti vyrábajúce žiarovky hľadali alternatívu k drahej technológii výroby volfrámových vlákien. V dôsledku toho bol vynájdený spôsob výroby slinutého karbidu. Táto technológia bola lacnejšia, pretože suroviny -oxid titaničitý bol cenovo dostupnejší.

V roku 1970 sa začalo používať dusitan titánu, ktorý umožnil zvýšiť viskozitu cementovaných spojov a prísady chrómu a niklu umožnili zvýšiť koróznu odolnosť karbidu titánu. V roku 1980 bol vyvinutý postup na spekanie prášku pod vplyvom rovnomerného lisovania (lisovania). Tým sa zlepšila kvalita materiálu. Prášky zo spekaného karbidu sa v súčasnosti používajú v aplikáciách, kde sa vyžaduje odolnosť voči vysokej teplote, opotrebovaniu a oxidácii.

Chemické vlastnosti

Chemické vlastnosti karbidu titánu určujú jeho praktický význam v technológii. Táto zlúčenina má nasledujúce vlastnosti:

• odolnosť voči HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkálie;}
• vysoká odolnosť proti korózii v alkalických a kyslých roztokoch;
• žiadna interakcia so zinkovou taveninou, hlavnými typmi metalurgickej trosky;
• aktívna oxidácia len pri teplotách nad 1100 °C;
• zmáčavosť taveniny ocele, liatiny, niklu, kob altu, kremíka;
• tvorba TiCl_{4 v chlórovom médiu pri t>40 °C.}

Fyzikálne a mechanické vlastnosti

Hlavné fyzikálne a mechanické vlastnosti tejto látky sú:

1. Termofyzikálne: bod topenia – 3260±150 °C; bod varu - 4300 ° C; tepelná kapacita - 50, 57 J/(K∙mol); tepelná vodivosť pri 20 °C (v závislosti od obsahuuhlík) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Pevnosť (pri 20 °C): pevnosť v tlaku - 1380 MPa; pevnosť v ťahu (karbid lisovaný za tepla) - 500 MPa; mikrotvrdosť - 15 000–31 500 MPa; rázová húževnatosť - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; tvrdosť na Mohsovej stupnici - 8-9 jednotiek.}
3. Technológia: rýchlosť opotrebovania (v závislosti od obsahu uhlíka) – 0,2-2 µm/h; koeficient trenia - 0,4-0,5; zvárateľnosť je zlá.

Prijať

Výroba karbidu titánu sa vykonáva niekoľkými spôsobmi:

• Uhlíková tepelná metóda z oxidu titaničitého a pevných nauhličovacích materiálov (68 a 32 % v zmesi). Ako posledné sa najčastejšie používajú sadze. Surovina sa najskôr lisuje do brikiet, ktoré sa potom vložia do téglika. Nasýtenie uhlíkom prebieha pri teplote 2000 °C v ochrannej atmosfére vodíka.
• Priama karbidizácia titánového prášku pri 1600 °C.
• Pseudotavenie - ohrev kovového prášku sadzovými briketami v dvojstupňovom režime až do 2050 °C. Sadze sa rozpúšťajú v titánovej tavenine a výstupom sú zrná karbidu s veľkosťou až 1 tisíc mikrónov.
• Vakuové zapálenie zmesi titánového prášku a sadzí (predtým briketované). Reakcia horenia trvá niekoľko sekúnd, potom sa kompozícia ochladí.
• Plazma-chemická metóda z halogenidov. Táto metóda umožňuje získať nielen karbidový prášok, ale aj povlaky, vlákna, monokryštály. Najbežnejšou zmesou je chlorid titaničitý, metán a vodík. Proces sa uskutočňuje pri teplote1200-1500 °C. Prúd plazmy sa vytvára pomocou oblúkového výboja alebo vo vysokofrekvenčných generátoroch.
• Z triesok zo zliatiny titánu (hydrogenácia, brúsenie, dehydrogenácia, karbonizácia alebo karbidizácia sadzí).

Produkt vyrobený jednou z týchto metód sa spracováva v mlecích jednotkách. Mletie na prášok sa vykonáva na častice s veľkosťou 1-5 mikrónov.

Vlákna a kryštály

Získanie karbidu titánu vo forme monokryštálov sa uskutočňuje niekoľkými spôsobmi:

1. Metóda tavenia. Existuje niekoľko odrôd tejto technológie: proces Verneuil; čerpanie z kvapalného kúpeľa vytvoreného roztavením spekaných tyčí; elektrotermická metóda v oblúkových peciach. Tieto techniky nie sú široko používané, pretože si vyžadujú vysoké náklady na energiu.
2. Metóda riešenia. Zmes zlúčenín titánu a uhlíka, ako aj kovy, ktoré zohrávajú úlohu rozpúšťadla (železo, nikel, kob alt, hliník alebo horčík), sa zahrievajú v grafitovom tégliku na 2000 °C vo vákuu. Kovová tavenina sa udržiava niekoľko hodín, potom sa spracuje s roztokmi kyseliny chlorovodíkovej a fluorovodíkom, premyje sa a suší, nechá sa plaviť v zmesi trichlóretylénu a acetónu, aby sa odstránil grafit. Táto technológia produkuje kryštály vysokej čistoty.
3. Plazma-chemická syntéza v reaktore počas interakcie plazmového prúdu s halogenidmi titánu TiCl₄, TiI_{4. Ako zdroj uhlíka sa používa metán, etylén, benzén, toluén a iné.uhľovodíkov. Hlavnými nevýhodami tejto metódy sú technologická náročnosť a toxicita surovín.}

Vlákna sa získavajú nanášaním chloridu titaničitého v plynnom médiu (propán, tetrachlórmetán zmiešaný s vodíkom) pri teplote 1250-1350 °C.

Aplikácia karbidu titánu

Táto zlúčenina sa používa ako komponent pri výrobe žiaruvzdorných, žiaruvzdorných a tvrdých bezwolfrámových zliatin, povlakov odolných voči opotrebovaniu, abrazívnych materiálov.

Systémy karbidu titánu sa používajú pre nasledujúce produkty:

• nástroje na rezanie kovov;
• časti valcovacích strojov;
• teplotuvzdorné tégliky, časti termočlánkov;
• obloženie pece;
• diely prúdového motora;
• nespotrebovateľné zváracie elektródy;
• prvky zariadenia určené na čerpanie agresívnych materiálov;
• brúsne pasty na leštenie a konečnú úpravu povrchov.

Súčiastky sú vyrobené práškovou metalurgiou:

• spekaním a lisovaním za tepla;
• odlievaním do sadrových foriem a spekaním v grafitových peciach;
• lisovaním a spekaním.

Nátery

Povlaky z karbidu titánu umožňujú zvýšiť výkon dielov a zároveň ušetriť na drahých materiáloch. Vyznačujú sa nasledujúcimi vlastnosťami:

• vysoká odolnosť proti opotrebovaniu a tvrdosť;
• chemická stabilita;
• nízky koeficient trenia;
• nízky sklon k zváraniu za studena;
• odolnosť voči vodnému kameňu.

Vrstva karbidu titánu sa nanáša na základný materiál niekoľkými spôsobmi:

• Usadzovanie pár.
• Plazmový alebo detonačný nástrek.
• Laserové obloženie.
• Rozprašovanie iónovou plazmou.
• Elektroiskrové legovanie.
• Sýtosť difúzie.

Cermet sa vyrába aj na báze karbidu titánu a niklových žiaruvzdorných zliatin - kompozitný materiál, ktorý umožňuje 10-násobne zvýšiť odolnosť dielov v tekutom médiu proti opotrebovaniu. Použitie tohto kompozitu je sľubné pre zvýšenie životnosti čerpacej techniky a ďalších zariadení, medzi ktoré patria vstrekovacie trysky na udržiavanie tlaku v nádrži, horáky, vrtáky, ventily.

Carbidesteel

Na výrobu tvrdokovových ocelí sa používajú karbidy volfrámu a titánu, ktoré svojimi vlastnosťami zaujímajú medzipolohu medzi tvrdými zliatinami a rýchloreznými oceľami. Žiaruvzdorné kovy im poskytujú vysokú tvrdosť, pevnosť a odolnosť proti opotrebeniu a oceľová matrica - húževnatosť a ťažnosť. Hmotnostný podiel titánu a karbidu volfrámu môže byť 20-70%. Takéto materiály sa získavajú metódami práškovej metalurgie uvedenými vyššie.

Karbidové ocele sa používajú na výrobu rezných nástrojov, ako aj častí strojov,práca v podmienkach silného mechanického a korozívneho opotrebovania (ložiská, ozubené kolesá, puzdrá, hriadele a iné).