Karbid titanu: výroba, složení, účel, vlastnosti a aplikace

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-02 13:51

Karbid titanu je jedním ze slibných analogů wolframu. Z hlediska fyzikálních a mechanických vlastností není horší než druhý a výroba této sloučeniny je ekonomičtější. Nejvíce se používá při výrobě tvrdokovových řezných nástrojů, stejně jako v ropném a všeobecném strojírenství, letectví a raketovém průmyslu.

Popis a historie objevu

Karbid titanu zaujímá zvláštní místo mezi sloučeninami přechodných kovů periodické tabulky chemických prvků. Vyznačuje se zvláštní tvrdostí, tepelnou odolností a pevností, což předurčuje jeho široké použití jako základ pro tvrdé slitiny, které neobsahují wolfram. Chemický vzorec této látky je TiC. Navenek je to světle šedý prášek.

Jeho výroba začala ve 20. letech 20. století, kdy společnosti vyrábějící žárovky hledaly alternativu k drahé technologii výroby wolframových vláken. V důsledku toho byl vynalezen způsob výroby slinutého karbidu. Tato technologie byla levnější, protože suroviny -oxid titaničitý byl cenově dostupnější.

V roce 1970 se začalo používat dusitan titanu, který umožnil zvýšit viskozitu cementovaných spojů a přísady chrómu a niklu umožnily zvýšit korozní odolnost karbidu titanu. V roce 1980 byl vyvinut postup pro slinování prášku pod vlivem rovnoměrného lisování (lisování). Tím se zlepšila kvalita materiálu. Prášky ze slinutého karbidu se v současnosti používají v aplikacích, kde je vyžadována vysoká teplota, odolnost proti opotřebení a oxidaci.

Chemické vlastnosti

Chemické vlastnosti karbidu titanu určují jeho praktický význam v technologii. Tato sloučenina má následující vlastnosti:

• odolnost vůči HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkálie;}
• vysoká odolnost proti korozi v alkalických a kyselých roztocích;
• žádná interakce se zinkovou taveninou, hlavními typy metalurgické strusky;
• aktivní oxidace pouze při teplotách nad 1100 °C;
• smáčivost taveniny oceli, litiny, niklu, kob altu, křemíku;
• tvorba TiCl_{4 v chlórovém médiu při t>40 °C.}

Fyzikální a mechanické vlastnosti

Hlavní fyzikální a mechanické vlastnosti této látky jsou:

1. Termofyzikální: bod tání – 3260±150 °C; bod varu - 4300 ° C; tepelná kapacita - 50, 57 J/(K∙mol); tepelná vodivost při 20 °C (v závislosti na obsahuuhlík) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Pevnost (při 20 °C): pevnost v tlaku - 1380 MPa; pevnost v tahu (karbid lisovaný za tepla) - 500 MPa; mikrotvrdost - 15 000–31 500 MPa; rázová houževnatost - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; tvrdost na Mohsově stupnici - 8-9 jednotek.}
3. Technologie: rychlost opotřebení (v závislosti na obsahu uhlíku) – 0,2-2 µm/h; koeficient tření - 0,4-0,5; svařitelnost je špatná.

Přijmout

Výroba karbidu titanu se provádí několika metodami:

• Uhlíková tepelná metoda z oxidu titaničitého a pevných nauhličovacích materiálů (68 a 32 % ve směsi). Jako poslední se nejčastěji používají saze. Surovina se nejprve lisuje do briket, které se následně vkládají do kelímku. Nasycení uhlíkem probíhá při teplotě 2000 °C v ochranné atmosféře vodíku.
• Přímá karbidizace titanového prášku při 1600 °C.
• Pseudotavení - ohřev kovového prášku sazovými briketami ve dvoustupňovém schématu až na 2050 °C. Saze se rozpouštějí v tavenině titanu a výstupem jsou karbidová zrna o velikosti až 1 tisíc mikronů.
• Vakuové zapálení směsi titanového prášku a sazí (dříve briketované). Spalovací reakce trvá několik sekund, poté se kompozice ochladí.
• Plazma-chemická metoda z halogenidů. Tato metoda umožňuje získat nejen karbidový prášek, ale také povlaky, vlákna, monokrystaly. Nejběžnější směsí je chlorid titaničitý, metan a vodík. Proces se provádí při teplotě1200-1500 °C. Proud plazmy se vytváří pomocí obloukového výboje nebo ve vysokofrekvenčních generátorech.
• Z třísek slitiny titanu (hydrogenace, broušení, dehydrogenace, karbonizace nebo karbidizace sazí).

Výrobek vyrobený jednou z těchto metod se zpracovává v mlecích jednotkách. Mletí na prášek se provádí na částice o velikosti 1-5 mikronů.

Vlákna a krystaly

Získání karbidu titanu ve formě monokrystalů se provádí několika způsoby:

1. Metoda tavení. Existuje několik druhů této technologie: proces Verneuil; čerpání z kapalné lázně vytvořené tavením slinutých tyčí; elektrotermální metoda v obloukových pecích. Tyto techniky nejsou široce používány, protože vyžadují vysoké náklady na energii.
2. Metoda řešení. Směs sloučenin titanu a uhlíku a také kovy, které hrají roli rozpouštědla (železo, nikl, kob alt, hliník nebo hořčík), se zahřívají v grafitovém kelímku na 2000 °C ve vakuu. Kovová tavenina se udržuje několik hodin, potom se zpracuje roztoky kyseliny chlorovodíkové a fluorovodíkem, promyje se a suší, plave ve směsi trichlorethylenu a acetonu, aby se odstranil grafit. Tato technologie produkuje krystaly vysoké čistoty.
3. Plazma-chemická syntéza v reaktoru při interakci plazmové trysky s halogenidy titanu TiCl₄, TiI_{4. Jako zdroj uhlíku se používá metan, etylen, benzen, toluen a další.uhlovodíky. Hlavní nevýhodou této metody je technologická náročnost a toxicita surovin.}

Vlákna se získávají depozicí chloridu titaničitého v plynném prostředí (propan, tetrachlormethan smíchaný s vodíkem) při teplotě 1250-1350 °C.

Použití karbidu titanu

Tato sloučenina se používá jako součást při výrobě žáruvzdorných, žáruvzdorných a tvrdých bezwolframových slitin, povlaků odolných proti opotřebení, abrazivních materiálů.

Systémy karbidu titanu se používají pro následující produkty:

• nástroje pro řezání kovů;
• části válcovacích strojů;
• teplu odolné kelímky, termočlánkové části;
• obložení pece;
• díly tryskového motoru;
• nekonzumovatelné svařovací elektrody;
• prvky zařízení určené pro čerpání agresivních materiálů;
• brusné pasty pro leštění a konečnou úpravu povrchů.

Díly jsou vyrobeny práškovou metalurgií:

• slinováním a lisováním za tepla;
• odléváním do sádrových forem a slinováním v grafitových pecích;
• lisováním a slinováním.

Nátěry

Povlaky z karbidu titanu umožňují zvýšit výkon dílů a zároveň ušetřit na drahých materiálech. Vyznačují se následujícími vlastnostmi:

• vysoká odolnost proti opotřebení a tvrdost;
• chemická stabilita;
• nízký koeficient tření;
• nízký sklon ke svařování za studena;
• odolnost proti vodnímu kameni.

Vrstva karbidu titanu je na základní materiál nanesena několika způsoby:

• Depozice páry.
• Plazmový nebo detonační nástřik.
• Laserové obložení.
• Iontový plazmový nástřik.
• Elektrojiskrové legování.
• Sytost difuze.

Cermet je také vyroben na bázi karbidu titanu a žáruvzdorných slitin niklu - kompozitního materiálu, který umožňuje 10krát zvýšit odolnost dílů v kapalných médiích proti opotřebení. Použití tohoto kompozitu je slibné pro zvýšení životnosti čerpacího zařízení a dalších zařízení, mezi které patří vstřikovací trysky pro udržování tlaku v zásobníku, hořáky, vrtáky, ventily.

Carbidesteel

K výrobě karbidových ocelí se používají karbidy wolframu a titanu, které svými vlastnostmi zaujímají mezipolohu mezi tvrdými slitinami a rychlořeznými oceli. Žáruvzdorné kovy jim poskytují vysokou tvrdost, pevnost a odolnost proti opotřebení a ocelová matrice - houževnatost a tažnost. Hmotnostní podíl titanu a karbidu wolframu může být 20-70%. Takové materiály se získávají metodami práškové metalurgie uvedenými výše.

Karbidové oceli se používají k výrobě řezných nástrojů, ale i součástí strojů,práce v podmínkách silného mechanického a korozního opotřebení (ložiska, ozubená kola, pouzdra, hřídele a další).