كربيد التيتانيوم: الإنتاج والتكوين والغرض والخصائص والتطبيقات

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-02 13:49

كربيد التيتانيوم هو أحد نظائر التنغستن الواعدة. إنه ليس أدنى من الأخير من حيث الخصائص الفيزيائية والميكانيكية ، وتصنيع هذا المركب أكثر اقتصادا. يستخدم على نطاق واسع في إنتاج أدوات القطع المصنوعة من الكربيد ، وكذلك في صناعة النفط والهندسة العامة والطيران والصواريخ.

وصف وتاريخ الاكتشاف

يحتل كربيد التيتانيوم مكانة خاصة بين المركبات المعدنية الانتقالية في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية. تتميز بصلابتها الخاصة ومقاومتها للحرارة وقوتها ، مما يحدد استخدامها على نطاق واسع كأساس للسبائك الصلبة التي لا تحتوي على التنجستن. الصيغة الكيميائية لهذه المادة هي TiC. ظاهريا هو مسحوق رمادي فاتح

بدأ إنتاجه في عشرينيات القرن الماضي ، عندما كانت الشركات المنتجة للمصابيح المتوهجة تبحث عن بديل للتقنية الباهظة الثمن لتصنيع خيوط التنجستن. نتيجة لذلك ، تم اختراع طريقة لإنتاج كربيد الأسمنت. كانت هذه التكنولوجيا أقل تكلفة ، حيث أن المواد الخام -كان ثاني أكسيد التيتانيوم أكثر بأسعار معقولة.

في عام 1970 ، بدأ استخدام نتريت التيتانيوم ، مما جعل من الممكن زيادة لزوجة الوصلات الأسمنتية ، كما أن إضافات الكروم والنيكل جعلت من الممكن زيادة مقاومة كربيد التيتانيوم للتآكل. في عام 1980 ، تم تطوير عملية لتلبيد المسحوق تحت تأثير الضغط المنتظم (الضغط). أدى هذا إلى تحسين جودة المواد. تستخدم مساحيق الكربيد الملبدة حاليًا في التطبيقات التي تتطلب مقاومة درجات الحرارة العالية والتآكل والأكسدة.

الخصائص الكيميائية

تحدد الخصائص الكيميائية لكربيد التيتانيوم أهميته العملية في التكنولوجيا. هذا المركب له الخصائص التالية:

• مقاومة HCl ، HSO₄، H₃PO_{4، قلوي ؛}
• مقاومة عالية للتآكل في المحاليل القلوية والحمضية ؛
• لا يوجد تفاعل مع ذوبان الزنك ، الأنواع الرئيسية من الخبث المعدني ؛
• أكسدة نشطة فقط عند درجات حرارة أعلى من 1100 درجة مئوية ؛
• قابلية ذوبان الفولاذ والحديد الزهر والنيكل والكوبالت والسيليكون ؛
• تشكيل TiCl_{4في وسط الكلور عند t>40 ° C.}

الخصائص الفيزيائية والميكانيكية

الخصائص الفيزيائية والميكانيكية الرئيسية لهذه المادة هي:

1. الفيزيائية الحرارية: نقطة الانصهار - 3260 ± 150 درجة مئوية ؛ نقطة الغليان - 4300 درجة مئوية ؛ السعة الحرارية - 50 ، 57 جول / (K mol) ؛ الموصلية الحرارية عند 20 درجة مئوية (حسب المحتوىالكربون) 6.5-7.1 واط / (م ∙ كلفن)
2. القوة (عند 20 درجة مئوية): قوة الضغط - 1380 ميجا باسكال ؛ قوة الشد (كربيد الضغط الساخن) - 500 ميجا باسكال ؛ صلابة دقيقة - 15000 - 31500 ميجا باسكال ؛ قوة التأثير - 9.5 10⁴kJ / م^{2؛ صلابة على مقياس موس - 8-9 وحدات.}
3. التكنولوجي: معدل التآكل (حسب محتوى الكربون) - 0.2-2 ميكرومتر / ساعة ؛ معامل الاحتكاك - 0.4-0.5 ؛ ضعف اللحام.

تلقي

يتم إنتاج كربيد التيتانيوم بعدة طرق:

• طريقة الكربون الحرارية من ثاني أكسيد التيتانيوم والمواد الكربونية الصلبة (68 و 32٪ في الخليط ، على التوالي). كالأخير ، يتم استخدام السخام في أغلب الأحيان. يتم ضغط المواد الخام أولاً في قوالب ، ثم يتم وضعها في بوتقة. يحدث التشبع بالكربون عند درجة حرارة 2000 درجة مئوية في جو وقائي من الهيدروجين.
• carbidization المباشر لمسحوق التيتانيوم عند 1600 درجة مئوية
• الانصهار الزائف - تسخين مسحوق المعدن بقوالب السخام في مخطط من مرحلتين حتى 2050 درجة مئوية. يذوب السخام في صهر التيتانيوم ، ويكون الناتج عبارة عن حبيبات كربيد يصل حجمها إلى ألف ميكرون.
• اشتعال في فراغ من خليط من مسحوق التيتانيوم وكربون أسود (مقولب مسبقًا). يستمر تفاعل الاحتراق بضع ثوانٍ ، ثم يتم تبريد التركيبة.
• طريقة البلازما الكيميائية من الهاليدات. تتيح هذه الطريقة الحصول ليس فقط على مسحوق الكربيد ، ولكن أيضًا على الطلاءات والألياف والبلورات المفردة. الخليط الأكثر شيوعًا هو كلوريد التيتانيوم والميثان والهيدروجين. تتم العملية عند درجة حرارة1200-1500 درجة مئوية. يتم إنشاء تدفق البلازما باستخدام تفريغ القوس أو في مولدات عالية التردد.
• من رقائق سبائك التيتانيوم (الهدرجة ، الطحن ، نزع الهيدروجين ، الكربنة أو كربيد الكربون الأسود).

تتم معالجة المنتج المصنوع بإحدى هذه الطرق في وحدات طحن. يتم الطحن إلى مسحوق بأحجام جسيمات تتراوح من 1 إلى 5 ميكرون.

ألياف وبلورات

يتم الحصول على كربيد التيتانيوم على شكل بلورات مفردة بعدة طرق:

1. طريقة الذوبان. هناك عدة أنواع من هذه التقنية: عملية Verneuil ؛ الرسم من حمام سائل يتكون عن طريق ذوبان القضبان الملبدة ؛ الطريقة الكهروحرارية في أفران القوس. لا يتم استخدام هذه التقنيات على نطاق واسع لأنها تتطلب تكاليف طاقة عالية.
2. طريقة الحل. خليط من التيتانيوم ومركبات الكربون ، وكذلك المعادن التي تلعب دور المذيب (الحديد والنيكل والكوبالت والألمنيوم أو المغنيسيوم) ، يتم تسخينها في بوتقة الجرافيت حتى 2000 درجة مئوية في فراغ. يتم الاحتفاظ بالصهر المعدني لعدة ساعات ، ثم معالجته بمحلول حمض الهيدروكلوريك وفلوريد الهيدروجين ، وغسله وتجفيفه ، وتطفو في خليط من ثلاثي كلورو إيثيلين والأسيتون لإزالة الجرافيت. تنتج هذه التقنية بلورات عالية النقاء.
3. التوليف الكيميائي للبلازما في مفاعل أثناء تفاعل نفاثة البلازما مع هاليدات التيتانيوم TiCl 4_{، TiI}4_{. يستخدم الميثان والإيثيلين والبنزين والتولوين وغيرها كمصدر للكربون.الهيدروكربونات. العيوب الرئيسية لهذه الطريقة هي التعقيد التكنولوجي وسمية المواد الخام.}

يتم الحصول على الألياف عن طريق ترسيب كلوريد التيتانيوم في وسط غازي (البروبان ورابع كلوريد الكربون الممزوج بالهيدروجين) عند درجة حرارة 1250-1350 درجة مئوية

تطبيق كربيد التيتانيوم

يستخدم هذا المركب كمكون في تصنيع السبائك المقاومة للحرارة والمقاومة للحرارة والخالية من التنجستن الصلب والطلاء المقاوم للاهتراء والمواد الكاشطة.

تُستخدم أنظمة كربيد التيتانيوم للمنتجات التالية:

• أدوات لقطع المعادن ؛
• أجزاء من آلات الدرفلة ؛
• بوتقات مقاومة للحرارة ، أجزاء مزدوجة حرارية ؛
• بطانة الفرن
• أجزاء المحرك النفاث
• أقطاب لحام غير قابلة للاستهلاك ؛
• عناصر المعدات المصممة لضخ المواد العدوانية ؛
• معاجين جلخ لتلميع وتشطيب الأسطح.

الأجزاء مصنوعة بواسطة مسحوق ميتالورجيا:

• عن طريق التلبيد والضغط الساخن ؛
• عن طريق الصب الانزلاقي في قوالب الجص والتلبيد في أفران الجرافيت ؛
• بالضغط والتلبيد.

عوازل

تسمح لك طلاءات كربيد التيتانيوم بزيادة أداء الأجزاء وفي نفس الوقت توفير المواد باهظة الثمن. وتتميز بالخصائص التالية:

• مقاومة تآكل عالية وصلابة ؛
• الاستقرار الكيميائي
• معامل احتكاك منخفض
• ميل منخفض للحام البارد ؛
• مقياس المقاومة.

يتم تطبيق طبقة من كربيد التيتانيوم على المادة الأساسية بعدة طرق:

• ترسب البخار.
• الرش بالبلازما أو التفجير
• كسوة ليزر
• رش بلازما ايون
• صناعة السبائك الكهربائية.
• تشبع الانتشار.

Cermet مصنوع أيضًا على أساس كربيد التيتانيوم وسبائك النيكل المقاومة للحرارة - وهي مادة مركبة تسمح بزيادة مقاومة التآكل للأجزاء في الوسائط السائلة بمقدار 10 مرات. يعد استخدام هذا المركب واعدًا لزيادة العمر التشغيلي لمعدات الضخ وغيرها من المعدات ، والتي تشمل فوهات الحقن للحفاظ على ضغط الخزان ، وحرق التوهج ، ومثقاب الحفر ، والصمامات.

Carbidesteel

يستخدم التنجستن وكربيدات التيتانيوم لتصنيع فولاذ الكربيد ، والذي يحتل في خصائصه موقعًا وسيطًا بين السبائك الصلبة والفولاذ عالي السرعة. توفر لهم المعادن المقاومة للحرارة صلابة عالية وقوة ومقاومة للتآكل ، ومصفوفة الصلب - المتانة والليونة. يمكن أن يكون الجزء الكتلي من التيتانيوم وكربيد التنجستن 20-70٪. يتم الحصول على هذه المواد بطرق ميتالورجيا المساحيق الموضحة أعلاه.

الفولاذ الكربيد يستخدم لإنتاج أدوات القطع ، وكذلك أجزاء الماكينة ،العمل في ظروف تآكل ميكانيكي قوي ومسبب للتآكل (المحامل ، التروس ، البطانات ، الأعمدة وغيرها).