Carbur de titani: producció, composició, finalitat, propietats i aplicacions

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2024-01-02 13:51

El carbur de titani és un dels anàlegs prometedors del tungstè. No és inferior a aquest últim quant a propietats físiques i mecàniques, i la fabricació d'aquest compost és més econòmica. S'utilitza més en la producció d'eines de tall de carbur, així com en les indústries del petroli i l'enginyeria general, l'aviació i els coets.

Descripció i història del descobriment

El carbur de titani ocupa un lloc especial entre els compostos de metalls de transició de la Taula Periòdica dels Elements Químics. Es distingeix per la seva especial duresa, resistència a la calor i resistència, que determina el seu ús generalitzat com a base d'aliatges durs que no contenen tungstè. La fórmula química d'aquesta substància és TiC. Exteriorment, és una pols de color gris clar.

La seva producció va començar a la dècada de 1920, quan les empreses productores de bombetes incandescents buscaven una alternativa a la costosa tecnologia per a la fabricació de filaments de tungstè. Com a resultat, es va inventar un mètode per produir carbur cimentat. Aquesta tecnologia era menys costosa, ja que les matèries primeres -el diòxid de titani era més assequible.

L'any 1970 es va iniciar l'ús del nitrit de titani, que va permetre augmentar la viscositat de les juntes cimentades, i els additius de crom i níquel van permetre augmentar la resistència a la corrosió del carbur de titani. L'any 1980 es va desenvolupar un procés per a la sinterització de pols sota la influència de la compressió uniforme (premsament). Això va millorar la qualitat del material. Les pols de carbur sinteritzat s'utilitzen actualment en aplicacions on es requereix una resistència a alta temperatura, desgast i oxidació.

Característiques químiques

Les propietats químiques del carbur de titani determinen la seva importància pràctica en tecnologia. Aquest compost té les característiques següents:

• resistència a HCl, HSO₄, H₃PO_{4, àlcali;}
• alta resistència a la corrosió en solucions alcalines i àcides;
• sense interacció amb les foses de zinc, els principals tipus d'escòries metal·lúrgiques;
• oxidació activa només a temperatures superiors a 1100 °C;
• humectabilitat a la fusió d'acer, ferro colat, níquel, cob alt, silici;
• formació de TiCl_{4 en medi de clor a t>40 °C.}

Propietats físiques i mecàniques

Les principals característiques físiques i mecàniques d'aquesta substància són:

1. Termofísica: punt de fusió – 3260±150 °C; punt d'ebullició - 4300 ° C; capacitat calorífica - 50, 57 J/(K∙mol); conductivitat tèrmica a 20 °C (segons el contingutcarboni) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Resistència (a 20 °C): resistència a la compressió - 1380 MPa; resistència a la tracció (carbur premsat en calent) - 500 MPa; microduresa - 15.000–31.500 MPa; resistència a l'impacte - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; duresa a l'escala de Mohs: 8-9 unitats.}
3. Tecnològic: taxa de desgast (segons el contingut de carboni) – 0,2-2 µm/h; coeficient de fricció - 0,4-0,5; la soldabilitat és baixa.

Rebre

La producció de carbur de titani es realitza mitjançant diversos mètodes:

• Mètode tèrmic de carboni a partir de diòxid de titani i materials de cementació sòlids (68 i 32% a la mescla, respectivament). Com a últim, el sutge s'utilitza més sovint. La matèria primera es premsa primer en briquetes, que després es col·loquen en un gresol. La saturació de carboni té lloc a una temperatura de 2000 °C en una atmosfera protectora d'hidrogen.
• Carbidització directa de pols de titani a 1600 °C.
• Pseudo-fusió: escalfament de pols metàl·lica amb briquetes de sutge en un esquema de dues etapes fins a 2050 °C. El sutge es dissol a la fosa de titani i la sortida són grans de carbur de fins a 1.000 micres de mida.
• Ignició al buit d'una barreja de pols de titani i negre de carboni (prèviament briquetat). La reacció de combustió dura uns segons i després la composició es refreda.
• Mètode químic plasma a partir d'halogenurs. Aquest mètode permet obtenir no només pols de carbur, sinó també recobriments, fibres, monocristalls. La mescla més comuna és el clorur de titani, metà i hidrogen. El procés es realitza a una temperatura1200-1500 °C. El flux de plasma es crea mitjançant una descàrrega d'arc o en generadors d' alta freqüència.
• De xips d'aliatge de titani (hidrogenació, mòlta, deshidrogenació, carbonatació o carburació de negre de carboni).

El producte elaborat mitjançant un d'aquests mètodes es processa en unitats de mòlta. La mòlta en pols es porta a terme a mides de partícules d'1 a 5 micres.

Fibres i cristalls

L'obtenció de carbur de titani en forma de cristalls simples es realitza de diverses maneres:

1. Mètode de fusió. Hi ha diverses varietats d'aquesta tecnologia: el procés Verneuil; tret d'un bany líquid format per la fusió de les varetes sinteritzades; Mètode electrotèrmic en forns d'arc. Aquestes tècniques no s'utilitzen molt perquè requereixen uns costos energètics elevats.
2. Mètode de solució. Una barreja de compostos de titani i carboni, així com metalls que fan el paper de dissolvent (ferro, níquel, cob alt, alumini o magnesi), s'escalfen en un gresol de grafit a 2000 ° C al buit. El metall fos es manté durant diverses hores, després es tracta amb solucions d'àcid clorhídric i fluorur d'hidrogen, es renta i s'asseca, es deixa flotar en una barreja de tricloroetilè i acetona per eliminar el grafit. Aquesta tecnologia produeix cristalls d' alta puresa.
3. Síntesi química de plasma en un reactor durant la interacció d'un raig de plasma amb halogenurs de titani TiCl₄, TiI_{4. El metà, l'etilè, el benzè, el toluè i altres s'utilitzen com a font de carboni.hidrocarburs. Els principals desavantatges d'aquest mètode són la complexitat tecnològica i la toxicitat de les matèries primeres.}

Les fibres s'obtenen mitjançant la deposició de clorur de titani en un medi gasós (propà, tetraclorur de carboni barrejat amb hidrogen) a una temperatura de 1250-1350 °C.

Aplicació de carbur de titani

Aquest compost s'utilitza com a component en la fabricació d'aliatges resistents a la calor, resistents a la calor i sense tungstè durs, recobriments resistents al desgast i materials abrasius.

Els sistemes de carbur de carbur de titani s'utilitzen per als productes següents:

• eines per tallar metalls;
• parts de màquines de laminació;
• gresols resistents a la calor, peces de termoparell;
• revestiment del forn;
• peces del motor a reacció;
• elèctrodes de soldadura no consumibles;
• elements d'equips dissenyats per bombejar materials agressius;
• pastes abrasives per polir i acabar de superfícies.

Les peces estan fetes per la metal·lúrgia de pols:

• per sinterització i premsat en calent;
• per fosa lliscada en motlles de guix i sinterització en forns de grafit;
• prement i sinteritzant.

Revestiments

Els recobriments de carbur de titani permeten augmentar el rendiment de les peces i alhora estalviar en materials cars. Es caracteritzen per les propietats següents:

• alta resistència al desgast i duresa;
• estabilitat química;
• coeficient de fricció baix;
• poca propensió a la soldadura en fred;
• resistència a l'escala.

S'aplica una capa de carbur de titani al material base de diverses maneres:

• Deposició de vapor.
• Ruixa de plasma o detonació.
• Revestiment làser.
• Polvoització de plasma iònic.
• Aliatge d'electro-espurna.
• Saturació de la difusió.

Cermet també es fa a base d'aliatges resistents a la calor de carbur de titani i níquel, un material compost que permet augmentar 10 vegades la resistència al desgast de les peces en medis líquids. L'ús d'aquest compost és prometedor per augmentar la vida útil dels equips de bombeig i altres equips, que inclouen broquets d'injecció per mantenir la pressió del dipòsit, cremadors de bengala, broques i vàlvules.

Carbidesteel

Els carburs de tungstè i titani s'utilitzen per a la fabricació d'acers al carbur, que en les seves propietats ocupen una posició intermèdia entre els aliatges durs i els acers d' alta velocitat. Els metalls refractaris els proporcionen una gran duresa, força i resistència al desgast, i la matriu d'acer - tenacitat i ductilitat. La fracció de massa de titani i carbur de tungstè pot ser del 20-70%. Aquests materials s'obtenen mitjançant els mètodes de metal·lúrgia de pols indicats anteriorment.

Els acers de carbur s'utilitzen per a la producció d'eines de tall, així com peces de màquines,treballant en condicions de fort desgast mecànic i corrosiu (coixinets, engranatges, casquilles, eixos i altres).