Titanyum karbür: üretim, bileşim, amaç, özellikler ve uygulamalar

2024 Yazar: Howard Calhoun | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-02 14:04

Titanyum karbür, tungstenin gelecek vaat eden analoglarından biridir. Fiziksel ve mekanik özellikler açısından ikincisinden daha düşük değildir ve bu bileşiğin üretimi daha ekonomiktir. En yaygın olarak karbür kesici takımların üretiminde olduğu kadar petrol ve genel mühendislik, havacılık ve roket endüstrilerinde de kullanılmaktadır.

Keşfin açıklaması ve tarihçesi

Titanyum karbür, Kimyasal Elementlerin Periyodik Tablosunun geçiş metali bileşikleri arasında özel bir yere sahiptir. Tungsten içermeyen sert alaşımların temeli olarak yaygın kullanımını belirleyen özel sertliği, ısı direnci ve gücü ile ayırt edilir. Bu maddenin kimyasal formülü TiC'dir. Dıştan, açık gri bir tozdur.

Üretimi 1920'lerde, akkor ampul üreten şirketlerin pahalı tungsten filaman üretimi teknolojisine bir alternatif aradığı zaman başladı. Sonuç olarak, semente karbür üretmek için bir yöntem icat edildi. Bu teknoloji daha ucuzdu, çünkü hammaddeler -titanyum dioksit daha uygun fiyatlıydı.

1970 yılında, çimentolu bağlantıların viskozitesini artırmayı mümkün kılan titanyum nitrit kullanımı başladı ve krom ve nikel katkı maddeleri titanyum karbürün korozyon direncini artırmayı mümkün kıldı. 1980 yılında, tek tip sıkıştırmanın (presleme) etkisi altında toz sinterleme için bir işlem geliştirildi. Bu, malzemenin kalitesini artırdı. Sinterlenmiş karbür tozları şu anda yüksek sıcaklık, aşınma ve oksidasyon direncinin gerekli olduğu uygulamalarda kullanılmaktadır.

Kimyasal özellikler

Titanyum karbürün kimyasal özellikleri, teknolojideki pratik önemini belirler. Bu bileşik aşağıdaki özelliklere sahiptir:

• HCl direnci, HSO₄, H₃PO_{4, alkali;}
• alkali ve asit çözeltilerinde yüksek korozyon direnci;
• Metalürjik cürufun ana türleri olan çinko eriyikleriyle etkileşim yok;
• sadece 1100 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda aktif oksidasyon;
• çelik, dökme demir, nikel, kob alt, silikonun eriyik ıslanabilirliği;
• TiCl'nin oluşumu_{4 klor ortamında t>40 °C'de.}

Fiziksel ve mekanik özellikler

Bu maddenin temel fiziksel ve mekanik özellikleri şunlardır:

1. Termofizik: erime noktası – 3260±150 °C; kaynama noktası - 4300 ° C; ısı kapasitesi - 50, 57 J/(K∙mol); 20 °C'de termal iletkenlik (içeriğe bağlı olarakkarbon) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Dayanım (20 °C'de): basınç dayanımı - 1380 MPa; çekme mukavemeti (sıcak preslenmiş karbür) - 500 MPa; mikrosertlik - 15.000–31.500 MPa; darbe gücü - 9.5∙10⁴ kJ/m^{2; Mohs ölçeğinde sertlik - 8-9 birim.}
3. Teknolojik: aşınma hızı (karbon içeriğine bağlı olarak) – 0,2-2 µm/h; sürtünme katsayısı - 0.4-0.5; kaynaklanabilirlik zayıf.

Al

Titanyum karbür üretimi birkaç yöntemle gerçekleştirilir:

• Titanyum dioksit ve katı karbonlama malzemelerinden karbon-termal yöntem (sırasıyla karışımda %68 ve %32). İkincisi olarak, kurum en sık kullanılır. Hammadde önce briketlere preslenir ve daha sonra bir potaya yerleştirilir. Karbon doygunluğu, koruyucu bir hidrojen atmosferinde 2000 °C sıcaklıkta gerçekleşir.
• 1600 °C'de titanyum tozunun doğrudan karbidizasyonu.
• Sahte eritme - 2050 °C'ye kadar iki aşamalı bir şemada metal tozunun kurum briketleriyle ısıtılması. Kurum titanyum eriyik içinde çözülür ve çıktı boyutu 1 bin mikrona kadar olan karbür taneleridir.
• Titanyum tozu ve karbon siyahı (önceden briketlenmiş) karışımının vakumda tutuşması. Yanma reaksiyonu birkaç saniye sürer, ardından bileşim soğutulur.
• Halojenürlerden plazma-kimyasal yöntem. Bu yöntem, sadece karbür tozu değil, aynı zamanda kaplamalar, lifler, tek kristaller elde etmeyi mümkün kılar. En yaygın karışım titanyum klorür, metan ve hidrojendir. İşlem bir sıcaklıkta gerçekleştirilir.1200-1500°C. Plazma akışı, bir ark deşarjı kullanılarak veya yüksek frekanslı jeneratörlerde oluşturulur.
• Titanyum alaşımlı yongalardan (hidrojenasyon, öğütme, hidrojen giderme, karbonasyon veya karbon karası karbidizasyon).

Bu yöntemlerden biri ile yapılan ürün öğütme ünitelerinde işlenir. Toz halinde öğütme, 1-5 mikron partikül boyutlarına kadar gerçekleştirilir.

Elyaflar ve kristaller

Titanyum karbürün tek kristaller şeklinde elde edilmesi birkaç yolla gerçekleştirilir:

1. Ergitme yöntemi. Bu teknolojinin birkaç çeşidi vardır: Verneuil süreci; sinterlenmiş çubukların eritilmesiyle oluşturulan bir sıvı banyosundan çekme; ark fırınlarında elektrotermal yöntem. Bu teknikler, yüksek enerji maliyetleri gerektirdiğinden yaygın olarak kullanılmamaktadır.
2. Çözüm yöntemi. Titanyum ve karbon bileşiklerinin yanı sıra bir çözücü rolü oynayan metallerin (demir, nikel, kob alt, alüminyum veya magnezyum) bir karışımı, bir vakumda 2000 ° C'ye kadar bir grafit pota içinde ısıtılır. Metal eriyik birkaç saat tutulur, daha sonra hidroklorik asit çözeltileri ve hidrojen florür ile işlenir, yıkanır ve kurutulur, grafiti çıkarmak için bir trikloretilen ve aseton karışımı içinde yüzdürülür. Bu teknoloji, yüksek saflıkta kristaller üretir.
3. Plazma jetinin titanyum halojenürler TiCl₄, TiI_{4 ile etkileşimi sırasında bir reaktörde plazma-kimyasal sentez. Karbon kaynağı olarak metan, etilen, benzen, toluen ve diğerleri kullanılır.hidrokarbonlar. Bu yöntemin ana dezavantajları, teknolojik karmaşıklık ve hammaddelerin zehirliliğidir.}

Elyaflar, titanyum klorürün gazlı bir ortamda (propan, hidrojenle karıştırılmış karbon tetraklorür) 1250-1350 °C sıcaklıkta biriktirilmesiyle elde edilir.

Titanyum karbür uygulaması

Bu bileşik, ısıya dayanıklı, ısıya dayanıklı ve sert tungstensiz alaşımların, aşınmaya dayanıklı kaplamaların, aşındırıcı malzemelerin üretiminde bir bileşen olarak kullanılır.

Titanyum karbür karbür sistemleri aşağıdaki ürünler için kullanılmaktadır:

• metal kesme aletleri;
• haddeleme makinelerinin parçaları;
• ısıya dayanıklı potalar, termokupl parçaları;
• fırın astarı;
• jet motoru parçaları;
• sarf malzemesi olmayan kaynak elektrotları;
• agresif malzemeleri pompalamak için tasarlanmış ekipman elemanları;
• yüzeyleri cilalamak ve bitirmek için aşındırıcı pastalar.

Parçalar toz metalurjisi ile yapılır:

• sinterleme ve sıcak presleme ile;
• alçı kalıplarda slip döküm ve grafit fırınlarda sinterleme ile;
• basarak ve sinterleyerek.

Kaplamalar

Titanyum karbür kaplamalar, parçaların performansını artırmanıza ve aynı zamanda pahalı malzemelerden tasarruf etmenize olanak tanır. Aşağıdaki özelliklerle karakterize edilirler:

• yüksek aşınma direnci ve sertlik;
• kimyasal kararlılık;
• düşük sürtünme katsayısı;
• soğuk kaynak için düşük eğilim;
• ölçek direnci.

Taban malzemeye çeşitli şekillerde bir titanyum karbür tabakası uygulanır:

• Buhar biriktirme.
• Plazma veya patlamalı püskürtme.
• Lazer kaplama.
• İyon-plazma püskürtme.
• Elektro-kıvılcım alaşımlama.
• Difüzyon doygunluğu.

Sermet ayrıca titanyum karbür ve nikel ısıya dayanıklı alaşımlar temelinde yapılır - sıvı ortamdaki parçaların aşınma direncini 10 kat artırmaya izin veren bir kompozit malzeme. Bu kompozitin kullanımı, pompalama ekipmanının ve rezervuar basıncını korumak için enjeksiyon nozulları, parlama brülörleri, matkap uçları, valfler gibi diğer ekipmanların hizmet ömrünü uzatmak için umut vericidir.

Karbür çelik

Tungsten ve titanyum karbürler, özelliklerinde sert alaşımlar ve yüksek hız çelikleri arasında bir orta konum işgal eden karbür çeliklerin imalatında kullanılır. Refrakter metaller onlara yüksek sertlik, mukavemet ve aşınma direnci ve çelik matris - tokluk ve süneklik sağlar. Titanyum ve tungsten karbürün kütle oranı %20-70 olabilir. Bu tür malzemeler yukarıda belirtilen toz metalurjisi yöntemleriyle elde edilir.

Karbür çelikler, kesici takımların yanı sıra makine parçalarının üretiminde kullanılır,güçlü mekanik ve aşındırıcı aşınma koşullarında çalışma (yataklar, dişliler, burçlar, miller ve diğerleri).