Титан карбиді: өндірісі, құрамы, мақсаты, қасиеттері және қолданылуы

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-02 13:58

Титан карбиді вольфрамның перспективті аналогтарының бірі болып табылады. Физика-механикалық қасиеттері бойынша соңғысынан кем түспейді, ал бұл қосылысты өндіру үнемді. Ол карбидті кескіш құралдарды өндіруде, сондай-ақ мұнай және жалпы машина жасау, авиация және зымыран өнеркәсібінде кеңінен қолданылады.

Сипаттамасы мен ашылу тарихы

Титан карбиді химиялық элементтердің периодтық жүйесінің өтпелі металл қосылыстары арасында ерекше орын алады. Ол өзінің ерекше қаттылығымен, ыстыққа төзімділігімен және беріктігімен ерекшеленеді, бұл оның құрамында вольфрам жоқ қатты қорытпалар үшін негіз ретінде кеңінен қолданылуын анықтайды. Бұл заттың химиялық формуласы TiC. Сыртынан бұл ашық сұр түсті ұнтақ.

Оның өндірісі 1920 жылдары, қыздыру шамдарын шығаратын компаниялар вольфрам жіптерін өндірудің қымбат технологиясына балама іздеген кезде басталды. Нәтижесінде цементтелген карбид алу әдісі ойлап табылды. Бұл технология арзан болды, өйткені шикізат -титан диоксиді арзанырақ болды.

1970 жылы титан нитриті қолданыла бастады, бұл цементтелген қосылыстардың тұтқырлығын арттыруға мүмкіндік берді, ал хром және никель қоспалары титан карбидінің коррозияға төзімділігін арттыруға мүмкіндік берді. 1980 жылы біркелкі қысу (пресстеу) әсерінен ұнтақты агломерациялау процесі жасалды. Бұл материалдың сапасын жақсартты. Агломерленген карбид ұнтақтары қазіргі уақытта жоғары температура, тозуға және тотығуға төзімділік қажет қолданбаларда қолданылады.

Химиялық сипаттамалары

Титан карбидінің химиялық қасиеттері оның технологиядағы практикалық маңыздылығын анықтайды. Бұл қосылыс келесі сипаттамаларға ие:

• HCl, HSO₄, H₃PO_{4, сілтіге төзімділік;}
• сілтілі және қышқыл ерітінділеріндегі коррозияға төзімділігі жоғары;
• мырыш балқымаларымен әрекеттесу жоқ, металлургиялық шлактардың негізгі түрлері;
• тек 1100 °C жоғары температурада белсенді тотығу;
• болаттың, шойынның, никельдің, кобальттың, кремнийдің балқыманың сулануы;
• t>40 °C температурада хлорлы ортада TiCl_{4түзілуі.}

Физикалық және механикалық қасиеттері

Бұл заттың негізгі физикалық және механикалық сипаттамалары:

1. Термофизикалық: балқу температурасы – 3260±150 °C; қайнау температурасы - 4300 ° C; жылу сыйымдылығы - 50, 57 Дж/(К∙моль); 20 °C температурада жылу өткізгіштік (мазмұнына байланыстыкөміртек) - 6,5-7,1 Вт/(м∙К).
2. Беріктік (20 °C кезінде): қысу күші - 1380 МПа; созылу беріктігі (ыстық басылған карбид) - 500 МПа; микроқаттылық - 15 000–31 500 МПа; соққы күші - 9,5∙10⁴ кДж/м^{2; Mohs шкаласы бойынша қаттылық - 8-9 бірлік.}
3. Технологиялық: тозу жылдамдығы (көміртек құрамына байланысты) – 0,2-2 мкм/сағ; үйкеліс коэффициенті - 0,4-0,5; дәнекерлеу қабілеті нашар.

Алу

Титан карбидін өндіру бірнеше әдістермен жүзеге асырылады:

• Титан диоксидінен және қатты көміртекті материалдардан көміртегі-термиялық әдіс (қоспада тиісінше 68 және 32%). Соңғысы ретінде күйе жиі қолданылады. Шикізат алдымен брикеттерге сығымдалады, содан кейін олар тигельге салынады. Көміртектің қанығуы 2000 °C температурада сутегінің қорғаныс атмосферасында жүреді.
• 1600 °C температурада титан ұнтағын тікелей карбидизациялау.
• Псевдобалқыту – металл ұнтағын күйе брикеттерімен екі сатылы схемада 2050 °С дейін қыздыру. Күйе титан балқымасында ериді, ал көлемі 1 мың микронға дейінгі карбид түйіршіктері шығарылады.
• Титан ұнтағы мен қара көміртегі қоспасының вакуумында тұтану (бұрын брикеттелген). Жану реакциясы бірнеше секундқа созылады, содан кейін композиция салқындатылады.
• Галогенидтерден плазмалық-химиялық әдіс. Бұл әдіс тек карбид ұнтағын ғана емес, сонымен қатар жабындарды, талшықтарды, монокристалдарды алуға мүмкіндік береді. Ең көп таралған қоспасы - титан хлориді, метан және сутегі. Процесс температурада жүзеге асырылады1200-1500°C. Плазма ағыны доғалық разряд арқылы немесе жоғары жиілікті генераторларда жасалады.
• Титан қорытпасынан жасалған чиптерден (гидрлеу, ұнтақтау, дегидрлеу, карбондау немесе көміртегі қара карбидизация).

Осы әдістердің бірімен жасалған өнім ұнтақтау қондырғыларында өңделеді. Ұнтақтау 1-5 мкм бөлшектердің өлшемдеріне дейін жүзеге асырылады.

Талшықтар мен кристалдар

Титан карбидін монокристалдар түрінде алу бірнеше жолмен жүзеге асырылады:

1. Еріту әдісі. Бұл технологияның бірнеше сорттары бар: Верней процесі; агломерацияланған өзекшелерді балқыту арқылы түзілген сұйық ваннадан сурет салу; доғалық пештердегі электротермиялық әдіс. Бұл әдістер кеңінен қолданылмайды, себебі олар жоғары қуат шығындарын қажет етеді.
2. Шешім әдісі. Титан және көміртегі қосылыстарының қоспасы, сондай-ақ еріткіш рөлін атқаратын металдар (темір, никель, кобальт, алюминий немесе магний) графит тигельде вакуумде 2000 ° C дейін қыздырылады. Металл балқымасын бірнеше сағат ұстайды, содан кейін тұз қышқылының ерітінділерімен және фторид сутегімен өңделеді, жуылады және кептіріледі, графитті кетіру үшін трихлорэтилен мен ацетон қоспасында жүзеді. Бұл технология жоғары тазалықтағы кристалдарды шығарады.
3. Плазмалық ағынның титан галогенидтерімен әрекеттесуі кезіндегі реактордағы плазмалық-химиялық синтез TiCl₄, TiI_{4. Көміртек көзі ретінде метан, этилен, бензол, толуол және т.б.көмірсутектер. Бұл әдістің негізгі кемшіліктері шикізаттың технологиялық күрделілігі мен уыттылығы болып табылады.}

Талшықтарды 1250-1350 °C температурада газ тәрізді ортаға (пропан, төрт хлорлы көміртек) титан хлоридін тұндыру арқылы алады.

Титан карбидін қолдану

Бұл қосылыс ыстыққа төзімді, ыстыққа төзімді және қатты вольфрамсыз қорытпаларды, тозуға төзімді жабындарды, абразивті материалдарды өндіруде компонент ретінде пайдаланылады.

Титан карбиді карбиді жүйелері келесі өнімдер үшін пайдаланылады:

• металл кесуге арналған құралдар;
• прокат машиналарының бөлшектері;
• ыстыққа төзімді тигельдер, термопардың бөліктері;
• пештің төсемі;
• реактивті қозғалтқыш бөлшектері;
• тұтынылмайтын дәнекерлеу электродтары;
• агрессивті материалдарды айдауға арналған жабдық элементтері;
• беттерді жылтыратуға және әрлеуге арналған абразивті пасталар.

Бөлшектер ұнтақ металлургиямен жасалған:

• агломерлеу және ыстық престеу арқылы;
• гипс қалыптарға сырғанақ құю және графит пештерінде агломерациялау арқылы;
• басу және күйдіру арқылы.

Қаптамалар

Титан карбиді жабындары бөлшектердің өнімділігін арттыруға және сонымен бірге қымбат материалдарды үнемдеуге мүмкіндік береді. Олар келесі қасиеттермен сипатталады:

• тозуға төзімділігі мен қаттылығы жоғары;
• химиялық тұрақтылық;
• төмен үйкеліс коэффициенті;
• суық дәнекерлеуге төмен бейімділік;
• шкала кедергісі.

Титан карбиді қабаты негізгі материалға бірнеше жолмен қолданылады:

• Бу тұндыру.
• Плазма немесе детонациялық бүрку.
• Лазерлік қаптама.
• Ион-плазмалық бүрку.
• Электро-ұшқынды легирлеу.
• Диффузиялық қанықтығы.

Cermet сонымен қатар титан карбиді мен никельдің ыстыққа төзімді қорытпалары негізінде дайындалған - композициялық материал, сұйық ортадағы бөлшектердің тозуға төзімділігін 10 есе арттыруға мүмкіндік береді. Бұл композитті пайдалану сорғы жабдығының және басқа жабдықтың қызмет ету мерзімін ұзарту үшін перспективалы болып табылады, оның ішінде қабат қысымын ұстап тұруға арналған бүрку саптамалары, алау оттықтары, бұрғылау қашаулары, клапандар бар.

Карбидболат

Вольфрам және титан карбидтері карбидті болаттарды өндіру үшін қолданылады, олардың қасиеттері бойынша қатты қорытпалар мен жоғары жылдамдықты болаттар арасында аралық орын алады. Отқа төзімді металдар оларды жоғары қаттылықпен, беріктікпен және тозуға төзімділікпен, ал болат матрицасы – қаттылық пен иілгіштікпен қамтамасыз етеді. Титан мен вольфрам карбидінің массалық үлесі 20-70% болуы мүмкін. Мұндай материалдар жоғарыда көрсетілген ұнтақты металлургия әдістерімен алынады.

Карбидті болаттар кескіш құралдарды, сонымен қатар станок бөлшектерін,күшті механикалық және коррозиялық тозу жағдайында жұмыс (мойынтіректер, тісті доңғалақтар, төлкелер, біліктер және т.б.).