Titancarbid: Herstellung, Zusammensetzung, Zweck, Eigenschaften und Anwendungen

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-02 13:52

Titancarbid ist eines der vielversprechenden Analoga von Wolfram. Es steht letzterem hinsichtlich physikalischer und mechanischer Eigenschaften nicht nach, und die Herstellung dieser Verbindung ist wirtschaftlicher. Es wird am häufigsten bei der Herstellung von Hartmetall-Schneidwerkzeugen sowie in der Öl- und allgemeinen Maschinenbau-, Luftfahrt- und Raketenindustrie verwendet.

Beschreibung und Fundgeschichte

Titancarbid nimmt unter den Übergangsmetallverbindungen des Periodensystems der chemischen Elemente eine Sonderstellung ein. Es zeichnet sich durch seine besondere Härte, Hitzebeständigkeit und Festigkeit aus, was seine weite Verbreitung als Basis für wolframfreie Hartlegierungen bestimmt. Die chemische Formel dieser Substanz ist TiC. Äußerlich ist es ein hellgraues Pulver.

Die Produktion begann in den 1920er Jahren, als Unternehmen, die Glühlampen herstellten, nach einer Alternative zur teuren Technologie zur Herstellung von Wolframfilamenten suchten. Als Ergebnis wurde ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetall erfunden. Diese Technologie war kostengünstiger, da Rohstoffe -Titandioxid war günstiger.

1970 begann die Verwendung von Titannitrit, wodurch die Zähigkeit von Zementverbindungen erhöht werden konnte, und Chrom- und Nickelzusätze ermöglichten es, die Korrosionsbeständigkeit von Titancarbid zu erhöhen. 1980 wurde ein Verfahren zum Pulversintern unter dem Einfluss gleichmäßiger Verdichtung (Pressen) entwickelt. Dadurch verbesserte sich die Qualität des Materials. Gesinterte Hartmetallpulver werden derzeit in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Temperatur-, Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit erforderlich sind.

Chemische Eigenschaften

Die chemischen Eigenschaften von Titancarbid bestimmen seine praktische Bedeutung in der Technik. Diese Verbindung hat die folgenden Eigenschaften:

• Beständigkeit gegen HCl, HSO₄, H₃PO_{4, Alkali;}
• hohe Korrosionsbeständigkeit in alkalischen und sauren Lösungen;
• keine Wechselwirkung mit Zinkschmelzen, den Hauptarten metallurgischer Schlacken;
• aktive Oxidation erst bei Temperaturen über 1100 °C;
• Schmelzbenetzbarkeit von Stahl, Gusseisen, Nickel, Kob alt, Silizium;
• Bildung von TiCl_{4 in Chlormedium bei t>40 °C.}

Physikalische und mechanische Eigenschaften

Die wichtigsten physikalischen und mechanischen Eigenschaften dieser Substanz sind:

1. Thermophysikalisch: Schmelzpunkt – 3260±150 °C; Siedepunkt - 4300 ° C; Wärmekapazität - 50, 57 J/(K∙mol); Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C (je nach Inh altKohle) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Festigkeit (bei 20 °C): Druckfestigkeit - 1380 MPa; Zugfestigkeit (heißgepresstes Hartmetall) - 500 MPa; Mikrohärte - 15.000–31.500 MPa; Schlagfestigkeit - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; Härte auf der Mohs-Skala - 8-9 Einheiten.}
3. Technologisch: Verschleißrate (je nach Kohlenstoffgeh alt) – 0,2-2 µm/h; Reibungskoeffizient - 0,4-0,5; Schweißbarkeit ist schlecht.

Empfangen

Die Herstellung von Titancarbid erfolgt auf verschiedene Weise:

• Kohlenstoffthermisches Verfahren aus Titandioxid und festen Aufkohlungsstoffen (68 bzw. 32 % in der Mischung). Als letzteres wird am häufigsten Ruß verwendet. Der Rohstoff wird zunächst zu Briketts gepresst, die dann in einen Tiegel gegeben werden. Die Kohlenstoffsättigung findet bei einer Temperatur von 2000 °C in einer Schutzatmosphäre aus Wasserstoff statt.
• Direkte Carbidisierung von Titanpulver bei 1600 °C.
• Pseudoschmelzen - Erhitzen von Metallpulver mit Rußbriketts in einem zweistufigen Schema bis auf 2050 °C. Ruß löst sich in der Titanschmelze auf und das Ergebnis sind Karbidkörner mit einer Größe von bis zu 1000 Mikrometern.
• Zündung im Vakuum einer Mischung aus Titanpulver und Ruß (zuvor brikettiert). Die Verbrennungsreaktion dauert einige Sekunden, dann wird die Zusammensetzung abgekühlt.
• Plasmachemische Methode aus Halogeniden. Dieses Verfahren ermöglicht es, nicht nur Karbidpulver, sondern auch Beschichtungen, Fasern und Einkristalle zu erh alten. Die häufigste Mischung ist Titanchlorid, Methan und Wasserstoff. Das Verfahren wird bei einer Temperatur durchgeführt1200-1500°C. Der Plasmastrom wird mit einer Bogenentladung oder in Hochfrequenzgeneratoren erzeugt.
• Aus Spänen aus Titanlegierungen (Hydrieren, Mahlen, Dehydrieren, Karbonisieren oder Karbidisieren mit Ruß).

Das nach einem dieser Verfahren hergestellte Produkt wird in Mahlanlagen verarbeitet. Das Mahlen zu Pulver erfolgt bis zu Partikelgrößen von 1-5 Mikron.

Fasern und Kristalle

Die Gewinnung von Titancarbid in Form von Einkristallen erfolgt auf verschiedene Weise:

1. Schmelzmethode. Es gibt mehrere Varianten dieser Technologie: das Verneuil-Verfahren; Ziehen aus einem Flüssigkeitsbad, das durch Schmelzen der gesinterten Stäbe gebildet wurde; Elektrothermisches Verfahren in Lichtbogenöfen. Diese Techniken sind nicht weit verbreitet, da sie hohe Energiekosten erfordern.
2. Lösungsmethode. Eine Mischung aus Titan- und Kohlenstoffverbindungen sowie Metallen, die die Rolle eines Lösungsmittels spielen (Eisen, Nickel, Kob alt, Aluminium oder Magnesium), werden in einem Graphittiegel im Vakuum auf 2000 ° C erhitzt. Die Metallschmelze wird mehrere Stunden aufbewahrt, dann mit Salzsäurelösungen und Fluorwasserstoff behandelt, gewaschen und getrocknet, in einem Gemisch aus Trichlorethylen und Aceton flotiert, um Graphit zu entfernen. Diese Technologie erzeugt Kristalle von hoher Reinheit.
3. Plasmachemische Synthese in einem Reaktor während der Wechselwirkung eines Plasmastrahls mit Titanhalogeniden TiCl₄, TiI_{4. Als Kohlenstoffquelle werden Methan, Ethylen, Benzol, Toluol und andere verwendet. Kohlenwasserstoffe. Die Hauptnachteile dieser Methode sind die technologische Komplexität und die Toxizität der Rohstoffe.}

Fasern werden durch Abscheidung von Titanchlorid in einem gasförmigen Medium (Propan, Tetrachlorkohlenstoff gemischt mit Wasserstoff) bei einer Temperatur von 1250-1350 °C erh alten.

Anwendung von Titankarbid

Diese Verbindung wird als Komponente bei der Herstellung von hitzebeständigen, hitzebeständigen und harten wolframfreien Legierungen, verschleißfesten Beschichtungen, abrasiven Materialien verwendet.

Titancarbid-Carbid-Systeme werden für folgende Produkte eingesetzt:

• Werkzeuge für die Metallzerspanung;
• Teile von Walzmaschinen;
• hitzebeständige Tiegel, Thermoelemente;
• Ofenauskleidung;
• Strahltriebwerksteile;
• nicht verbrauchbare Schweißelektroden;
• Ausrüstungselemente zum Pumpen von aggressiven Stoffen;
• Schleifpasten zum Polieren und Veredeln von Oberflächen.

Teile werden pulvermetallurgisch hergestellt:

• durch Sintern und Heißpressen;
• durch Schlickerguss in Gipsformen und Sintern in Graphitöfen;
• durch Pressen und Sintern.

Beschichtungen

Titancarbid-Beschichtungen ermöglichen es Ihnen, die Leistung von Teilen zu steigern und gleichzeitig teure Materialien einzusparen. Sie zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

• hohe Verschleißfestigkeit und Härte;
• chemische Stabilität;
• niedriger Reibungskoeffizient;
• geringe Neigung zum K altverschweißen;
• Kalkwiderstand.

Eine Titancarbidschicht wird auf verschiedene Arten auf das Grundmaterial aufgebracht:

• Dampfabscheidung.
• Plasma- oder Detonationssprühen.
• Laserauftragschweißen.
• Ionen-Plasma-Spritzen.
• Elektro-Funken-Legierung.
• Diffusionssättigung.

Cermet wird ebenfalls auf der Basis von Titankarbid und hitzebeständigen Nickellegierungen hergestellt - ein Verbundwerkstoff, der es ermöglicht, die Verschleißfestigkeit von Teilen in flüssigen Medien um das 10-fache zu erhöhen. Die Verwendung dieses Verbundwerkstoffs ist vielversprechend für die Verlängerung der Lebensdauer von Pumpanlagen und anderen Geräten, zu denen Einspritzdüsen zur Aufrechterh altung des Reservoirdrucks, Fackelbrenner, Bohrer und Ventile gehören.

Hartmetall

Wolfram- und Titankarbide werden zur Herstellung von Hartmetallstählen verwendet, die in ihren Eigenschaften eine Zwischenstellung zwischen Hartlegierungen und Schnellarbeitsstählen einnehmen. Refraktäre Metalle verleihen ihnen eine hohe Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit und die Stahlmatrix - Zähigkeit und Duktilität. Der Massenanteil von Titan und Wolframcarbid kann 20–70 % betragen. Solche Materialien werden durch die oben angegebenen Verfahren der Pulvermetallurgie erh alten.

Hartmetallstähle werden zur Herstellung von Schneidwerkzeugen sowie Maschinenteilen verwendet,Arbeiten unter Bedingungen starken mechanischen und korrosiven Verschleißes (Lager, Zahnräder, Buchsen, Wellen und andere).