ไททาเนียมคาร์ไบด์: การผลิต องค์ประกอบ วัตถุประสงค์ คุณสมบัติ และการใช้งาน

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 14:03

ไททาเนียมคาร์ไบด์เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ที่คล้ายคลึงกันของทังสเตน ไม่ด้อยไปกว่าคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลและการผลิตสารประกอบนี้ประหยัดกว่า มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเครื่องมือตัดคาร์ไบด์ เช่นเดียวกับในอุตสาหกรรมน้ำมันและวิศวกรรมทั่วไป การบินและจรวด

คำอธิบายและประวัติการค้นพบ

ไททาเนียมคาร์ไบด์ตรงบริเวณที่พิเศษท่ามกลางสารประกอบโลหะทรานซิชันของตารางธาตุขององค์ประกอบทางเคมี มีความโดดเด่นด้วยความแข็งพิเศษ ทนความร้อน และความแข็งแรง ซึ่งเป็นตัวกำหนดการใช้งานอย่างแพร่หลายเป็นพื้นฐานสำหรับโลหะผสมแข็งที่ไม่มีทังสเตน สูตรทางเคมีของสารนี้คือ TiC ภายนอกเป็นผงสีเทาอ่อน

การผลิตเริ่มขึ้นในปี ค.ศ. 1920 เมื่อบริษัทที่ผลิตหลอดไส้กำลังมองหาทางเลือกอื่นแทนเทคโนโลยีราคาแพงสำหรับการผลิตไส้หลอดทังสเตน ด้วยเหตุนี้จึงได้มีการคิดค้นวิธีการผลิตซีเมนต์คาร์ไบด์ เทคโนโลยีนี้มีราคาถูกลงเนื่องจากวัตถุดิบ -ไททาเนียมไดออกไซด์มีราคาไม่แพงมาก

ในปี 1970 เริ่มใช้ไททาเนียมไนไตรท์ ซึ่งทำให้เพิ่มความหนืดของข้อต่อซีเมนต์ได้ และสารเติมแต่งโครเมียมและนิกเกิลทำให้เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของไทเทเนียมคาร์ไบด์ได้ ในปีพ.ศ. 2523 ได้มีการพัฒนากระบวนการสำหรับการเผาผนึกด้วยผงภายใต้อิทธิพลของการบีบอัดสม่ำเสมอ (การกด) สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงคุณภาพของวัสดุ ปัจจุบันผงคาร์ไบด์ซินเตอร์ถูกใช้ในงานที่ต้องการทนต่ออุณหภูมิสูง การสึกหรอ และการเกิดออกซิเดชัน

ลักษณะทางเคมี

คุณสมบัติทางเคมีของไททาเนียมคาร์ไบด์เป็นตัวกำหนดความสำคัญในทางปฏิบัติในเทคโนโลยี สารประกอบนี้มีลักษณะดังต่อไปนี้:

• ต้านทาน HCl, HSO₄, H₃PO_{4, ด่าง;}
• ทนต่อการกัดกร่อนสูงในสารละลายด่างและกรด
• ไม่มีปฏิกิริยากับสังกะสีละลาย ตะกรันโลหะประเภทหลัก
• เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงกว่า 1100 °C เท่านั้น
• การละลายเปียกของเหล็ก เหล็กหล่อ นิกเกิล โคบอลต์ ซิลิกอน
• การก่อตัวของ TiCl_{4 ในคลอรีนกลางที่ t>40 °C.}

คุณสมบัติทางกายภาพและทางกล

ลักษณะทางกายภาพและทางกลหลักของสารนี้คือ:

1. อุณหพลศาสตร์: จุดหลอมเหลว – 3260±150 °C; จุดเดือด - 4300 ° C; ความจุความร้อน - 50, 57 J/(K∙mol); การนำความร้อนที่ 20 °C (ขึ้นอยู่กับเนื้อหาคาร์บอน) - 6.5-7.1 W/(m∙K).
2. ความแรง (ที่ 20 °C): กำลังอัด - 1380 MPa; ความต้านทานแรงดึง (คาร์ไบด์กดร้อน) - 500 MPa; ความแข็งระดับไมโคร - 15,000–31,500 MPa; แรงกระแทก - 9.5∙10⁴ kJ/m^{2; ความแข็งในระดับ Mohs - 8-9 หน่วย}
3. เทคโนโลยี: อัตราการสึกหรอ (ขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอน) – 0.2-2 µm/h; ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน - 0.4-0.5; ความสามารถในการเชื่อมไม่ดี

รับ

การผลิตไททาเนียมคาร์ไบด์ทำได้หลายวิธี:

• วิธีคาร์บอน-ความร้อนจากไททาเนียมไดออกไซด์และวัสดุคาร์ไบด์ที่เป็นของแข็ง (68 และ 32% ในส่วนผสมตามลำดับ) ส่วนใหญ่มักใช้เขม่า ขั้นแรก วัตถุดิบจะถูกกดลงในก้อน แล้ววางลงในเบ้าหลอม ความอิ่มตัวของคาร์บอนเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 2000 °C ในบรรยากาศป้องกันของไฮโดรเจน
• คาร์ไบด์โดยตรงของผงไทเทเนียมที่อุณหภูมิ 1600 °C
• การหลอมหลอก - การให้ความร้อนแก่ผงโลหะด้วยถ่านอัดแท่งแบบสองขั้นตอนที่อุณหภูมิสูงถึง 2050 °C เขม่าละลายในไทเทเนียมหลอมเหลว และผลผลิตคือเม็ดคาร์ไบด์ที่มีขนาดไม่เกิน 1,000 ไมครอน
• จุดไฟในสุญญากาศของส่วนผสมของผงไทเทเนียมและคาร์บอนแบล็ค (อัดก้อนก่อนหน้านี้) ปฏิกิริยาการเผาไหม้ใช้เวลาไม่กี่วินาที จากนั้นองค์ประกอบจะเย็นลง
• วิธีพลาสมาเคมีจากเฮไลด์ วิธีนี้ทำให้ได้ผงคาร์ไบด์ไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเคลือบ เส้นใย ผลึกเดี่ยว ส่วนผสมที่พบบ่อยที่สุดคือไททาเนียมคลอไรด์ มีเทน และไฮโดรเจน กระบวนการนี้ดำเนินการที่อุณหภูมิ1200-1500 องศาเซลเซียส กระแสพลาสม่าถูกสร้างขึ้นโดยใช้การปลดปล่อยอาร์คหรือในเครื่องกำเนิดความถี่สูง
• จากชิปไททาเนียมอัลลอยด์ (ไฮโดรจิเนชั่น, เจียร, ดีไฮโดรจีเนชัน, อัดลมหรือคาร์บอนแบล็คคาร์บิไดเซชั่น)

ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งเหล่านี้จะถูกประมวลผลในหน่วยการบด บดเป็นผงขนาดอนุภาค 1-5 ไมครอน

ไฟเบอร์และคริสตัล

การได้มาซึ่งไทเทเนียมคาร์ไบด์ในรูปของผลึกเดี่ยวนั้นทำได้หลายวิธี:

1. วิธีหลอมละลาย. เทคโนโลยีนี้มีหลายประเภท: กระบวนการ Verneuil; การวาดภาพจากอ่างของเหลวที่เกิดขึ้นจากการหลอมแท่งเผา วิธีความร้อนด้วยไฟฟ้าในเตาอาร์ค เทคนิคเหล่านี้ไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายเพราะต้องใช้พลังงานสูง
2. วิธีแก้ ส่วนผสมของไททาเนียมและสารประกอบคาร์บอน ตลอดจนโลหะที่ทำหน้าที่เป็นตัวทำละลาย (เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ อะลูมิเนียม หรือแมกนีเซียม) จะถูกทำให้ร้อนในเบ้าหลอมกราไฟท์ที่อุณหภูมิ 2,000 องศาเซลเซียสในสุญญากาศ การหลอมโลหะจะถูกเก็บไว้เป็นเวลาหลายชั่วโมง จากนั้นจึงบำบัดด้วยสารละลายกรดไฮโดรคลอริกและไฮโดรเจนฟลูออไรด์ ล้างและตากแห้ง ลอยในส่วนผสมของไตรคลอโรเอทิลีนและอะซิโตนเพื่อขจัดกราไฟท์ เทคโนโลยีนี้ผลิตคริสตัลที่มีความบริสุทธิ์สูง
3. พลาสมา-เคมีสังเคราะห์ในเครื่องปฏิกรณ์ระหว่างการทำงานร่วมกันของพลาสม่าเจ็ตกับไททาเนียมเฮไลด์ TiCl₄, TiI_{4 มีเทน เอทิลีน เบนซิน โทลูอีน และอื่นๆ ใช้เป็นแหล่งคาร์บอนไฮโดรคาร์บอน ข้อเสียเปรียบหลักของวิธีนี้คือความซับซ้อนทางเทคโนโลยีและความเป็นพิษของวัตถุดิบ}

เส้นใยได้มาจากการสะสมของไทเทเนียมคลอไรด์ในตัวกลางที่เป็นก๊าซ (โพรเพน คาร์บอนเตตระคลอไรด์ผสมกับไฮโดรเจน) ที่อุณหภูมิ 1250-1350 °C

การใช้ไททาเนียมคาร์ไบด์

สารประกอบนี้ใช้เป็นส่วนประกอบในการผลิตโลหะผสมที่ทนความร้อน ทนความร้อน และปราศจากทังสเตนชนิดแข็ง เคลือบที่ทนต่อการสึกหรอ วัสดุที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

ระบบคาร์ไบด์ไททาเนียมคาร์ไบด์ใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ต่อไปนี้:

• เครื่องมือตัดโลหะ
• ชิ้นส่วนเครื่องรีด;
• ถ้วยใส่ตัวอย่างทนความร้อน, ชิ้นส่วนเทอร์โมคัปเปิล;
• ซับในเตา;
• ชิ้นส่วนเครื่องยนต์เจ็ท;
• อิเล็กโทรดสำหรับการเชื่อมที่ไม่สิ้นเปลือง;
• อุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อสูบวัสดุที่มีฤทธิ์รุนแรง
• ผงขัดสำหรับขัดและเก็บผิวละเอียด

ชิ้นส่วนทำด้วยโลหะผง:

• โดยการเผาและกดร้อน
• โดยหล่อลื่นในแม่พิมพ์ปูนปลาสเตอร์และเผาในเตากราไฟท์;
• โดยกดและเผา

เคลือบ

การเคลือบไททาเนียมคาร์ไบด์ช่วยให้คุณสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของชิ้นส่วนและในขณะเดียวกันก็ประหยัดวัสดุราคาแพง มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• ทนต่อการสึกหรอและความแข็งสูง
• ความเสถียรทางเคมี
• สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ
• แนวโน้มต่ำสำหรับการเชื่อมเย็น
• ต้านทานสเกล

ชั้นของไทเทเนียมคาร์ไบด์ใช้กับวัสดุฐานได้หลายวิธี:

• การสะสมของไอ
• พลาสม่าหรือพ่นระเบิด
• หุ้มด้วยเลเซอร์
• พ่นไอออนพลาสม่า
• ผสมประกายไฟด้วยไฟฟ้า
• ความอิ่มตัวของการแพร่กระจาย

เซอร์เม็ทยังผลิตขึ้นจากไทเทเนียมคาร์ไบด์และโลหะผสมทนความร้อนนิกเกิล ซึ่งเป็นวัสดุคอมโพสิตที่ช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอของชิ้นส่วนในตัวกลางที่เป็นของเหลวได้ถึง 10 เท่า การใช้คอมโพสิตนี้มีแนวโน้มว่าจะช่วยเพิ่มอายุการใช้งานของอุปกรณ์สูบน้ำและอุปกรณ์อื่นๆ ซึ่งรวมถึงหัวฉีดสำหรับรักษาแรงดันในอ่างเก็บน้ำ หัวเผาแบบลุกเป็นไฟ ดอกสว่าน วาล์ว

คาร์ไบด์

ทังสเตนและไทเทเนียมคาร์ไบด์ใช้ในการผลิตเหล็กกล้าคาร์ไบด์ ซึ่งมีคุณสมบัติอยู่ตรงกลางระหว่างโลหะผสมแข็งและเหล็กกล้าความเร็วสูง โลหะทนไฟมีความแข็ง ความแข็งแรง และความทนทานต่อการสึกหรอสูง และเมทริกซ์เหล็ก - ความเหนียวและความเหนียว เศษส่วนมวลของไททาเนียมและทังสเตนคาร์ไบด์สามารถเป็น 20-70% วัสดุดังกล่าวได้มาจากวิธีการของผงโลหะวิทยาที่ระบุไว้ข้างต้น

เหล็กกล้าคาร์ไบด์ใช้สำหรับการผลิตเครื่องมือตัดเช่นเดียวกับชิ้นส่วนเครื่องจักรทำงานในสภาพการสึกหรอทางกลและการกัดกร่อนที่รุนแรง (แบริ่ง เกียร์ บูช เพลา และอื่นๆ)