Titanium karbida: produksi, komposisi, tujuan, sifat dan aplikasi

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-02 13:57

Titanium karbida adalah salah satu analog tungsten yang menjanjikan. Tidak kalah dengan yang terakhir dalam hal sifat fisik dan mekanik, dan pembuatan senyawa ini lebih ekonomis. Ini paling banyak digunakan dalam produksi alat pemotong karbida, serta dalam industri minyak dan teknik umum, penerbangan dan roket.

Deskripsi dan sejarah penemuan

Titanium karbida menempati tempat khusus di antara senyawa logam transisi dari Tabel Periodik Unsur Kimia. Ini dibedakan oleh kekerasan khusus, ketahanan panas dan kekuatannya, yang menentukan penggunaannya secara luas sebagai dasar untuk paduan keras yang tidak mengandung tungsten. Rumus kimia zat ini adalah TiC. Dari luar, itu adalah bubuk abu-abu muda.

Produksinya dimulai pada tahun 1920-an, ketika perusahaan yang memproduksi bola lampu pijar mencari alternatif teknologi mahal untuk pembuatan filamen tungsten. Akibatnya, metode untuk memproduksi karbida semen ditemukan. Teknologi ini lebih murah, karena bahan baku -titanium dioksida lebih terjangkau.

Pada tahun 1970, penggunaan titanium nitrit dimulai, yang memungkinkan untuk meningkatkan viskositas sambungan yang disemen, dan aditif kromium dan nikel memungkinkan untuk meningkatkan ketahanan korosi titanium karbida. Pada tahun 1980, sebuah proses dikembangkan untuk sintering bubuk di bawah pengaruh kompresi seragam (pengepresan). Ini meningkatkan kualitas bahan. Serbuk karbida sinter saat ini digunakan dalam aplikasi di mana suhu tinggi, ketahanan aus dan oksidasi diperlukan.

Karakteristik kimia

Sifat kimia titanium karbida menentukan kepentingan praktisnya dalam teknologi. Senyawa ini memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

• resistensi terhadap HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alkali;}
• ketahanan korosi yang tinggi dalam larutan basa dan asam;
• tidak ada interaksi dengan lelehan seng, jenis utama terak metalurgi;
• oksidasi aktif hanya pada suhu di atas 1100 °C;
• mampu lebur baja, besi tuang, nikel, kob alt, silikon;
• pembentukan TiCl_{4 dalam medium klorin pada t>40 °C.}

Sifat fisik dan mekanik

Karakteristik fisik dan mekanik utama zat ini adalah:

1. Termofisika: titik leleh – 3260±150 °C; titik didih - 4300 ° C; kapasitas panas - 50, 57 J/(K∙mol); konduktivitas termal pada 20 °C (tergantung pada kontenkarbon) - 6,5-7.1 W/(m∙K).
2. Kekuatan (pada 20 °C): kuat tekan - 1380 MPa; kekuatan tarik (karbida yang ditekan panas) - 500 MPa; kekerasan mikro - 15.000–31.500 MPa; kekuatan benturan - 9.5∙10⁴ kJ/m^{2; kekerasan pada skala Mohs - 8-9 unit.}
3. Teknologi: tingkat keausan (tergantung pada kandungan karbon) – 0,2-2 m/jam; koefisien gesekan - 0,4-0,5; kemampuan lasnya buruk.

Terima

Produksi titanium karbida dilakukan dengan beberapa metode:

• Metode karbon-termal dari titanium dioksida dan bahan karburasi padat (masing-masing 68 dan 32% dalam campuran). Sebagai yang terakhir, jelaga paling sering digunakan. Bahan baku pertama ditekan menjadi briket, yang kemudian ditempatkan dalam wadah. Saturasi karbon terjadi pada suhu 2000 °C dalam atmosfer pelindung hidrogen.
• Karbidisasi langsung serbuk titanium pada 1600 °C.
• Pseudo-melting - pemanasan serbuk logam dengan briket jelaga dalam skema dua tahap hingga 2050 °C. Jelaga larut dalam lelehan titanium, dan hasilnya adalah butiran karbida berukuran hingga 1 ribu mikron.
• Pengapian dalam ruang hampa dari campuran bubuk titanium dan karbon hitam (sebelumnya dibriket). Reaksi pembakaran berlangsung beberapa detik, kemudian komposisi didinginkan.
• Metode plasma-kimia dari halida. Metode ini memungkinkan untuk mendapatkan tidak hanya bubuk karbida, tetapi juga pelapis, serat, kristal tunggal. Campuran yang paling umum adalah titanium klorida, metana dan hidrogen. Proses dilakukan pada suhu1200-1500 °C. Aliran plasma dibuat menggunakan pelepasan busur atau generator frekuensi tinggi.
• Dari chip paduan titanium (hidrogenasi, penggilingan, dehidrogenasi, karbonasi atau karbidisasi karbon hitam).

Produk yang dibuat dengan salah satu metode ini diproses di unit penggilingan. Penggilingan menjadi bubuk dilakukan dengan ukuran partikel 1-5 mikron.

Serat dan kristal

Memperoleh titanium karbida dalam bentuk kristal tunggal dilakukan dengan beberapa cara:

1. Metode pencairan. Ada beberapa jenis teknologi ini: proses Verneuil; menggambar dari penangas cair yang dibentuk dengan melelehkan batang yang disinter; metode elektrotermal dalam tungku busur. Teknik ini tidak banyak digunakan karena membutuhkan biaya energi yang tinggi.
2. Metode solusi. Campuran senyawa titanium dan karbon, serta logam yang berperan sebagai pelarut (besi, nikel, kob alt, aluminium atau magnesium), dipanaskan dalam wadah grafit hingga 2000 ° C dalam ruang hampa. Lelehan logam disimpan selama beberapa jam, kemudian diolah dengan larutan asam klorida dan hidrogen fluorida, dicuci dan dikeringkan, diapungkan dalam campuran trikloretilen dan aseton untuk menghilangkan grafit. Teknologi ini menghasilkan kristal dengan kemurnian tinggi.
3. Sintesis kimia-plasma dalam reaktor selama interaksi jet plasma dengan titanium halida TiCl₄, TiI_{4. Metana, etilen, benzena, toluena dan lain-lain digunakan sebagai sumber karbon.hidrokarbon. Kerugian utama dari metode ini adalah kompleksitas teknologi dan toksisitas bahan baku.}

Serat diperoleh dengan pengendapan titanium klorida dalam medium gas (propana, karbon tetraklorida dicampur dengan hidrogen) pada suhu 1250-1350 °C.

Aplikasi titanium karbida

Senyawa ini digunakan sebagai komponen dalam pembuatan paduan tahan panas, tahan panas dan bebas tungsten keras, pelapis tahan aus, bahan abrasif.

Sistem titanium karbida karbida digunakan untuk produk berikut:

• alat untuk memotong logam;
• bagian mesin rolling;
• cawan lebur tahan panas, bagian termokopel;
• lapisan tungku;
• bagian mesin jet;
• elektroda las yang tidak habis pakai;
• elemen peralatan yang dirancang untuk memompa bahan agresif;
• pasta abrasif untuk memoles dan menyelesaikan permukaan.

Bagian dibuat dengan metalurgi serbuk:

• dengan sintering dan hot press;
• dengan slip casting dalam cetakan plester dan sintering dalam tungku grafit;
• dengan menekan dan sintering.

Pelapis

Lapisan titanium karbida memungkinkan Anda meningkatkan kinerja suku cadang dan pada saat yang sama menghemat bahan yang mahal. Mereka dicirikan oleh properti berikut:

• ketahanan aus dan kekerasan tinggi;
• stabilitas kimia;
• koefisien gesekan rendah;
• kecenderungan rendah untuk pengelasan dingin;
• resistensi skala.

Lapisan titanium karbida diaplikasikan pada bahan dasar dengan beberapa cara:

• Deposisi uap.
• Penyemprotan plasma atau detonasi.
• Laser cladding.
• Penyemprotan ion-plasma.
• Paduan percikan listrik.
• Saturasi difusi.

Cermet juga dibuat berdasarkan titanium karbida dan paduan tahan panas nikel - bahan komposit yang memungkinkan untuk meningkatkan ketahanan aus komponen dalam media cair sebanyak 10 kali lipat. Penggunaan komposit ini menjanjikan untuk meningkatkan masa pakai peralatan pompa dan peralatan lainnya, yang meliputi nozzle injeksi untuk menjaga tekanan reservoir, flare burner, mata bor, katup.

Baja Karbida

Tungsten dan titanium karbida digunakan untuk pembuatan baja karbida, yang menurut sifatnya menempati posisi menengah antara paduan keras dan baja kecepatan tinggi. Logam tahan api memberi mereka kekerasan, kekuatan dan ketahanan aus yang tinggi, dan matriks baja - ketangguhan dan keuletan. Fraksi massa titanium dan tungsten karbida bisa 20-70%. Bahan tersebut diperoleh dengan metode metalurgi serbuk yang ditunjukkan di atas.

Baja karbida digunakan untuk produksi alat pemotong, serta bagian-bagian mesin,bekerja dalam kondisi keausan mekanis dan korosif yang kuat (bantalan, roda gigi, busing, poros, dan lainnya).