Titan cacbua: sản xuất, thành phần, mục đích, đặc tính và ứng dụng

2025 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2025-01-24 13:27

Titan cacbua là một trong những chất tương tự đầy hứa hẹn của vonfram. Nó không thua kém chất sau về các tính chất cơ lý, và việc chế tạo hợp chất này kinh tế hơn. Nó được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất các dụng cụ cắt cacbua, cũng như trong các ngành công nghiệp dầu mỏ và kỹ thuật chung, hàng không và tên lửa.

Mô tả và lịch sử khám phá

Titan cacbua chiếm một vị trí đặc biệt trong số các hợp chất kim loại chuyển tiếp của Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Nó được phân biệt bởi độ cứng đặc biệt, khả năng chịu nhiệt và sức mạnh, điều này quyết định việc sử dụng rộng rãi nó làm cơ sở cho các hợp kim cứng không chứa vonfram. Công thức hóa học của chất này là TiC. Bề ngoài, nó là một chất bột màu xám nhạt.

Việc sản xuất nó bắt đầu vào những năm 1920, khi các công ty sản xuất bóng đèn sợi đốt đang tìm kiếm một giải pháp thay thế cho công nghệ sản xuất dây tóc vonfram đắt tiền. Kết quả là, một phương pháp sản xuất cacbua xi măng đã được phát minh. Công nghệ này ít tốn kém hơn, vì nguyên liệu thô -titanium dioxide có giá cả phải chăng hơn.

Năm 1970, việc sử dụng titan nitrit bắt đầu có khả năng làm tăng độ nhớt của các mối nối bằng xi măng, và các chất phụ gia crom và niken có thể làm tăng khả năng chống ăn mòn của cacbua titan. Năm 1980, một quy trình được phát triển để thiêu kết bột dưới tác động của nén đồng nhất (ép). Điều này đã cải thiện chất lượng của vật liệu. Bột cacbua thiêu kết hiện đang được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ cao, chống mài mòn và oxy hóa.

Đặc điểm hóa học

Các tính chất hóa học của cacbua titan xác định tầm quan trọng thực tế của nó trong công nghệ. Hợp chất này có các đặc điểm sau:

• kháng HCl, HSO₄, H₃PO_{4, kiềm;}
• chống ăn mòn cao trong dung dịch kiềm và axit;
• không tương tác với kẽm nóng chảy, các loại xỉ luyện kim chính;
• chỉ oxy hóa hoạt động ở nhiệt độ trên 1100 ° C;
• tính thấm ướt của thép, gang, niken, coban, silicon;
• hình thành TiCl_{4trong môi trường clo ở t>40 ° C.}

Tính chất cơ lý

Các đặc tính cơ lý chính của chất này là:

1. Nhiệt lý: điểm nóng chảy - 3260 ± 150 ° C; điểm sôi - 4300 ° C; nhiệt dung - 50, 57 J / (K ∙ mol); độ dẫn nhiệt ở 20 ° C (tùy thuộc vào nội dungcarbon) - 6,5-7,1 W / (m ∙ K).
2. Sức mạnh (ở 20 ° C): cường độ nén - 1380 MPa; độ bền kéo (cacbua ép nóng) - 500 MPa; độ cứng siêu nhỏ - 15.000–31.500 MPa; cường độ va đập - 9,5 ∙ 10⁴kJ / m^{2; độ cứng trên thang Mohs - 8-9 đơn vị.}
3. Công nghệ: tốc độ mài mòn (tùy thuộc vào hàm lượng carbon) - 0,2-2 µm / h; hệ số ma sát - 0,4-0,5; khả năng hàn kém.

Nhận

Sản xuất titan cacbua được thực hiện bằng một số phương pháp:

• Phương pháp nhiệt carbon từ titanium dioxide và vật liệu thấm cacbon rắn (68 và 32% trong hỗn hợp, tương ứng). Như sau này, bồ hóng thường được sử dụng nhất. Đầu tiên, nguyên liệu thô được ép thành viên, sau đó được đưa vào nồi nấu. Quá trình bão hòa carbon diễn ra ở nhiệt độ 2000 ° C trong môi trường bảo vệ hydro.
• Bảo dưỡng trực tiếp bột titan ở 1600 ° C.
• Giả nóng chảy - làm nóng bột kim loại với bồ hóng trong một sơ đồ hai giai đoạn lên đến 2050 ° C. Muội hòa tan trong lớp titan tan chảy, và đầu ra là các hạt cacbua có kích thước lên đến 1 nghìn micromet.
• Đánh lửa trong chân không bằng hỗn hợp bột titan và muội than (đã đóng bánh trước đó). Phản ứng đốt cháy kéo dài vài giây, sau đó chế phẩm được làm lạnh.
• Phương pháp hóa plasma từ halogenua. Phương pháp này có thể thu được không chỉ bột cacbua mà còn cả lớp phủ, sợi, đơn tinh thể. Hỗn hợp phổ biến nhất là titan clorua, metan và hydro. Quá trình được thực hiện ở nhiệt độ1200-1500 ° C. Dòng plasma được tạo ra bằng cách sử dụng phóng điện hồ quang hoặc trong các máy phát tần số cao.
• Từ chip hợp kim titan (hydro hóa, mài, khử hydro, cacbon hóa hoặc cacbon hóa đen).

Sản phẩm được làm bằng một trong các phương pháp này được xử lý trong các đơn vị nghiền. Quá trình nghiền thành bột được thực hiện với kích thước hạt 1-5 micron.

Sợi và tinh thể

Việc thu nhận titan cacbua ở dạng đơn tinh thể được thực hiện theo một số cách:

1. Phương pháp nấu chảy. Có một số loại công nghệ này: quy trình Verneuil; vẽ từ một bể chất lỏng được hình thành bằng cách nấu chảy các thanh thiêu kết; phương pháp điện nhiệt trong lò hồ quang. Những kỹ thuật này không được sử dụng rộng rãi vì chúng đòi hỏi chi phí năng lượng cao.
2. Phương pháp giải. Một hỗn hợp các hợp chất titan và cacbon, cũng như các kim loại đóng vai trò dung môi (sắt, niken, coban, nhôm hoặc magiê), được nung trong chén nung bằng than chì đến 2000 ° C trong chân không. Kim loại nóng chảy được giữ trong vài giờ, sau đó được xử lý bằng dung dịch axit clohydric và hydro florua, rửa sạch và làm khô, nổi trong hỗn hợp tricloetylen và axeton để loại bỏ than chì. Công nghệ này tạo ra các tinh thể có độ tinh khiết cao.
3. Tổng hợp plasma-hóa học trong lò phản ứng trong quá trình tương tác của tia plasma với titan halogenua TiCl₄, TiI_{4. Mêtan, etylen, benzen, toluen và những chất khác được sử dụng làm nguồn cacbon.hiđrocacbon. Nhược điểm chính của phương pháp này là sự phức tạp về công nghệ và tính độc hại của nguyên liệu thô.}

Sợi thu được bằng cách lắng đọng titan clorua trong môi trường khí (propan, cacbon tetraclorua trộn với hydro) ở nhiệt độ 1250-1350 ° C.

Ứng dụng của cacbua titan

Hợp chất này được sử dụng như một thành phần trong sản xuất hợp kim chịu nhiệt, chịu nhiệt và cứng không chứa vonfram, lớp phủ chống mài mòn, vật liệu mài mòn.

Hệ thống cacbua titan cacbua được sử dụng cho các sản phẩm sau:

• dụng cụ để cắt kim loại;
• bộ phận của máy cán;
• nồi nấu kim loại chịu nhiệt, bộ phận cặp nhiệt điện;
• lót lò;
• bộ phận động cơ phản lực;
• điện cực hàn không tiêu hao;
• phần tử của thiết bị được thiết kế để bơm vật liệu xâm thực;
• bột nhão mài mòn để đánh bóng và hoàn thiện bề mặt.

Các bộ phận được làm bằng luyện kim bột:

• bằng cách nung kết và ép nóng;
• bằng cách đúc trượt trong khuôn thạch cao và nung kết trong lò than chì;
• bằng cách nhấn và thiêu kết.

Phủ

Lớp phủ titan cacbua cho phép bạn tăng hiệu suất của các bộ phận và đồng thời tiết kiệm các vật liệu đắt tiền. Chúng được đặc trưng bởi các thuộc tính sau:

• chống mài mòn và độ cứng cao;
• ổn định hoá học;
• hệ số ma sát thấp;
• thiên hướng hàn lạnh thấp;
• chống đóng cặn.

Một lớp cacbua titan được phủ lên vật liệu cơ bản theo một số cách:

• Lắng đọng hơi.
• Phun plasma hoặc kích nổ.
• Ốp laze.
• Phun môi-plasma.
• Hợp kim tia lửa điện.
• Bão hòa khuếch tán.

Cermet cũng được chế tạo trên cơ sở hợp kim chịu nhiệt titan cacbua và niken - một loại vật liệu tổng hợp cho phép tăng khả năng chống mài mòn của các bộ phận trong môi trường lỏng lên gấp 10 lần. Việc sử dụng vật liệu composite này hứa hẹn sẽ làm tăng tuổi thọ của thiết bị bơm và các thiết bị khác, bao gồm vòi phun để duy trì áp suất bể chứa, đầu đốt bùng phát, mũi khoan, van.

Carbidesteel

Cacbua vonfram và titan được sử dụng để sản xuất thép cacbua, về đặc tính của chúng chiếm vị trí trung gian giữa hợp kim cứng và thép tốc độ cao. Kim loại chịu lửa cung cấp cho chúng độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn cao, và ma trận thép - độ bền và độ dẻo. Phần khối lượng của titan và cacbua vonfram có thể là 20-70%. Những vật liệu như vậy thu được bằng các phương pháp luyện kim bột đã chỉ ra ở trên.

Thép cacbua được sử dụng để sản xuất dụng cụ cắt, cũng như các bộ phận máy móc,làm việc trong điều kiện mài mòn cơ học và ăn mòn mạnh (vòng bi, bánh răng, ống lót, trục và các loại khác).