کاربید تیتانیوم: تولید، ترکیب، هدف، خواص و کاربردها

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 13:53

کاربید تیتانیوم یکی از آنالوگ های امیدوارکننده تنگستن است. از نظر خواص فیزیکی و مکانیکی از دومی کم ندارد و ساخت این ترکیب مقرون به صرفه تر است. بیشتر در تولید ابزارهای برش کاربید و همچنین در صنایع نفت و مهندسی عمومی، هوانوردی و موشک استفاده می شود.

شرح و تاریخچه کشف

کاربید تیتانیوم جایگاه ویژه ای در میان ترکیبات فلزات واسطه جدول تناوبی عناصر شیمیایی دارد. با سختی خاص، مقاومت در برابر حرارت و استحکام مشخص می شود، که استفاده گسترده آن را به عنوان پایه ای برای آلیاژهای سخت که حاوی تنگستن نیستند تعیین می کند. فرمول شیمیایی این ماده TiC است. از نظر ظاهری یک پودر خاکستری روشن است.

تولید آن در دهه 1920 آغاز شد، زمانی که شرکت های تولید کننده لامپ های رشته ای به دنبال جایگزینی برای فناوری گران قیمت برای تولید رشته های تنگستن بودند. در نتیجه روشی برای تولید کاربید سیمانی ابداع شد. این فناوری ارزان تر بود، زیرا مواد اولیه -دی اکسید تیتانیوم مقرون به صرفه تر بود.

در سال 1970 استفاده از نیتریت تیتانیوم آغاز شد که باعث افزایش ویسکوزیته اتصالات سیمانی شد و افزودنی های کروم و نیکل باعث افزایش مقاومت به خوردگی کاربید تیتانیوم شد. در سال 1980، فرآیندی برای تف جوشی پودر تحت تأثیر فشرده سازی یکنواخت (پرس) توسعه یافت. این باعث بهبود کیفیت مواد شد. پودرهای کاربید زینتر شده در حال حاضر در کاربردهایی استفاده می شود که در آن دما، سایش و مقاومت در برابر اکسیداسیون بالا مورد نیاز است.

ویژگی های شیمیایی

خواص شیمیایی کاربید تیتانیوم اهمیت عملی آن را در فناوری تعیین می کند. این ترکیب دارای ویژگی های زیر است:

• مقاومت در برابر HCl، HSO₄، H₃PO_{4، قلیایی؛}
• مقاومت در برابر خوردگی بالا در محلول های قلیایی و اسیدی؛
• بدون تعامل با مذاب روی، انواع اصلی سرباره متالورژیکی؛
• اکسایش فعال فقط در دماهای بالاتر از 1100 درجه سانتیگراد؛
• ترشوندگی ذوب فولاد، چدن، نیکل، کبالت، سیلیکون؛
• تشکیل TiCl_{4در محیط کلر در دمای ۶۴۳۳۳۴۵۲۴۰ درجه سانتی گراد.}

خواص فیزیکی و مکانیکی

مشخصات فیزیکی و مکانیکی اصلی این ماده عبارتند از:

1. ترموفیزیکی: نقطه ذوب - 3260±150 درجه سانتیگراد. نقطه جوش - 4300 درجه سانتیگراد؛ ظرفیت گرمایی - 50، 57 J/(K∙mol)؛ هدایت حرارتی در 20 درجه سانتیگراد (بسته به محتواکربن) - 6.5-7.1 W/(m∙K).
2. مقاومت (در 20 درجه سانتیگراد): مقاومت فشاری - 1380 مگاپاسکال. استحکام کششی (کاربید فشرده داغ) - 500 مگاپاسکال؛ ریزسختی - 15000-31500 مگاپاسکال؛ قدرت ضربه - 9.5∙10⁴ kJ/m^{2; سختی در مقیاس Mohs - 8-9 واحد.}
3. فناوری: نرخ سایش (بسته به محتوای کربن) - 0.2-2 میکرومتر در ساعت. ضریب اصطکاک - 0.4-0.5؛ جوش پذیری ضعیف است.

دریافت

تولید کاربید تیتانیوم با چندین روش انجام می شود:

• روش کربن حرارتی از دی اکسید تیتانیوم و مواد کربورکننده جامد (به ترتیب 68 و 32 درصد در مخلوط). به عنوان دومی، دوده بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. مواد خام ابتدا به شکل بریکت فشرده می شود و سپس در بوته قرار می گیرد. اشباع کربن در دمای 2000 درجه سانتیگراد در اتمسفر محافظ هیدروژن صورت می گیرد.
• کاربیداسیون مستقیم پودر تیتانیوم در دمای 1600 درجه سانتیگراد.
• شبه ذوب - حرارت دادن پودر فلز با بریکت های دوده در یک طرح دو مرحله ای تا دمای 2050 درجه سانتی گراد. دوده در مذاب تیتانیوم حل می شود و خروجی آن دانه های کاربید تا اندازه 1000 میکرون است.
• در خلاء مخلوطی از پودر تیتانیوم و کربن بلک (قبلاً بریکت شده) احتراق کنید. واکنش احتراق چند ثانیه طول می کشد، سپس ترکیب سرد می شود.
• روش شیمیایی پلاسما از هالیدها. این روش نه تنها پودر کاربید، بلکه پوشش ها، الیاف، تک کریستال ها را نیز ممکن می سازد. رایج ترین مخلوط کلرید تیتانیوم، متان و هیدروژن است. فرآیند در یک دما انجام می شود1200-1500 درجه سانتیگراد جریان پلاسما با استفاده از تخلیه قوس الکتریکی یا در ژنراتورهای فرکانس بالا ایجاد می شود.
• برگرفته از تراشه های آلیاژ تیتانیوم (هیدروژناسیون، آسیاب، هیدروژن زدایی، کربناته کردن یا کربن سیاه کربن).

محصول ساخته شده به یکی از این روش ها در واحدهای آسیاب فرآوری می شود. آسیاب کردن به پودر به اندازه ذرات 1-5 میکرون انجام می شود.

الیاف و کریستال

به دست آوردن کاربید تیتانیوم به صورت تک بلورها به روش های مختلفی انجام می شود:

1. روش ذوب. انواع مختلفی از این فناوری وجود دارد: فرآیند Verneuil. کشیدن از یک حمام مایع تشکیل شده از ذوب میله های متخلخل. روش الکتروترمال در کوره های قوس الکتریکی این تکنیک ها به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرند زیرا به هزینه های انرژی بالایی نیاز دارند.
2. روش حل. مخلوطی از ترکیبات تیتانیوم و کربن و همچنین فلزاتی که نقش حلال را ایفا می کنند (آهن، نیکل، کبالت، آلومینیوم یا منیزیم)، در یک بوته گرافیت تا دمای 2000 درجه سانتیگراد در خلاء گرم می شوند. مذاب فلز برای چند ساعت نگه داشته می شود، سپس با محلول های اسید کلریدریک و هیدروژن فلوراید درمان می شود، شسته و خشک می شود، در مخلوطی از تری کلرواتیلن و استون شناور می شود تا گرافیت حذف شود. این فناوری کریستال هایی با خلوص بالا تولید می کند.
3. سنتز پلاسما-شیمیایی در یک راکتور در طی برهمکنش جت پلاسما با هالیدهای تیتانیوم TiCl₄, TiI_{4. متان، اتیلن، بنزن، تولوئن و غیره به عنوان منبع کربن استفاده می شود.هیدروکربن ها معایب اصلی این روش پیچیدگی تکنولوژیکی و سمی بودن مواد اولیه است.}

الیاف از رسوب کلرید تیتانیوم در یک محیط گازی (پروپان، تتراکلرید کربن مخلوط با هیدروژن) در دمای 1250-1350 درجه سانتی گراد به دست می آیند.

کاربرد تیتانیوم کاربید

این ترکیب به عنوان یک جزء در ساخت آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت، مقاوم در برابر حرارت و بدون تنگستن سخت، پوشش‌های مقاوم در برابر سایش، مواد ساینده استفاده می‌شود.

سیستم های کاربید تیتانیوم برای محصولات زیر استفاده می شود:

• ابزار برای برش فلز؛
• قطعات ماشین آلات نورد؛
• بوته های مقاوم در برابر حرارت، قطعات ترموکوپل؛
• آستر کوره;
• قطعات موتور جت؛
• الکترودهای جوش غیر مصرفی؛
• عناصر تجهیزات طراحی شده برای پمپاژ مواد تهاجمی؛
• خمیرهای ساینده برای پرداخت و تکمیل سطوح.

قطعات توسط متالورژی پودر ساخته می شوند:

• با پخت و پرس داغ؛
• با ریخته‌گری لغزشی در قالب‌های گچ و تف جوشی در کوره‌های گرافیت؛
• با فشار دادن و تف جوشی.

پوشش

پوشش های کاربید تیتانیوم به شما امکان می دهد عملکرد قطعات را افزایش دهید و در عین حال در مواد گران قیمت صرفه جویی کنید. آنها با ویژگی های زیر مشخص می شوند:

• مقاومت در برابر سایش و سختی بالا؛
• پایداری شیمیایی؛
• ضریب اصطکاک کم؛
• تمایل کم برای جوش سرد؛
• مقاومت مقیاس.

لایه ای از کاربید تیتانیوم به روش های مختلفی روی ماده پایه اعمال می شود:

• رسوب بخار.
• پاشش پلاسما یا انفجار.
• روکش لیزری.
• پاشش یون پلاسما.
• آلیاژ الکترو جرقه.
• اشباع انتشار.

سرمت همچنین بر اساس کاربید تیتانیوم و آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت نیکل ساخته شده است - یک ماده کامپوزیتی که امکان افزایش مقاومت به سایش قطعات در محیط مایع را تا 10 برابر می کند. استفاده از این کامپوزیت برای افزایش طول عمر تجهیزات پمپاژ و سایر تجهیزات، که شامل نازل های تزریق برای حفظ فشار مخزن، مشعل های مشعل، مته ها، شیرها می شود، امیدوار کننده است.

Carbidesteel

کاربیدهای تنگستن و تیتانیوم برای ساخت فولادهای کاربید استفاده می شوند که در خواص خود جایگاهی میانی بین آلیاژهای سخت و فولادهای پرسرعت را اشغال می کنند. فلزات نسوز سختی، استحکام و مقاومت در برابر سایش را به آنها می دهد و ماتریس فولادی - چقرمگی و شکل پذیری را برای آنها فراهم می کند. کسر جرمی تیتانیوم و کاربید تنگستن می تواند 20-70٪ باشد. چنین موادی با روش های متالورژی پودر که در بالا ذکر شد به دست می آیند.

فولادهای کاربیدبرای تولید ابزارهای برش و همچنین قطعات ماشین آلات استفاده می شوند.کار در شرایط سایش مکانیکی و خورنده قوی (بلبرینگ، چرخ دنده، بوشینگ، شفت و غیره).