טיטניום קרביד: ייצור, הרכב, מטרה, תכונות ויישומים

2025 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2025-01-24 13:16

טיטניום קרביד הוא אחד האנלוגים המבטיחים של טונגסטן. זה לא נחות מהאחרון במונחים של תכונות פיזיות ומכאניות, וייצור התרכובת הזו חסכוני יותר. הוא נמצא בשימוש נרחב ביותר בייצור כלי חיתוך קרביד, כמו גם בתעשיות הנפט וההנדסה הכללית, התעופה והרקטות.

תיאור והיסטוריית הגילוי

טיטניום קרביד תופס מקום מיוחד בין תרכובות מתכת המעבר של הטבלה המחזורית של יסודות כימיים. הוא מובחן בקשיותו המיוחדת, בעמידות החום ובחוזקו, הקובעים את השימוש הנרחב בו כבסיס לסגסוגות קשות שאינן מכילות טונגסטן. הנוסחה הכימית של חומר זה היא TiC. כלפי חוץ, זו אבקה אפורה בהירה.

ייצורו החל בשנות ה-20 של המאה ה-20, כאשר חברות המייצרות נורות ליבון חיפשו אלטרנטיבה לטכנולוגיה היקרה לייצור חוטי טונגסטן. כתוצאה מכך הומצאה שיטה לייצור קרביד צמנט. טכנולוגיה זו הייתה פחות יקרה, שכן חומרי גלם -טיטניום דו חמצני היה סביר יותר.

בשנת 1970 החל השימוש בניטריט טיטניום, שאיפשר להגביר את הצמיגות של חיבורים מוצקים, ותוספי כרום וניקל אפשרו להגביר את העמידות בפני קורוזיה של טיטניום קרביד. בשנת 1980 פותח תהליך לסינטר אבקה בהשפעת דחיסה אחידה (לחיצה). זה שיפר את איכות החומר. אבקות קרביד מסונטרות משמשות כיום ביישומים שבהם נדרשת עמידות בטמפרטורה גבוהה, בלאי ועמידות חמצון.

מאפיינים כימיים

התכונות הכימיות של טיטניום קרביד קובעות את חשיבותו המעשית בטכנולוגיה. לתרכובת זו המאפיינים הבאים:

• התנגדות ל-HCl, HSO₄, H₃PO_{4, אלקלי;}
• עמידות גבוהה בפני קורוזיה בתמיסות אלקליות וחומצות;
• אין אינטראקציה עם נמסי אבץ, הסוגים העיקריים של סיגים מתכתיים;
• חימצון פעיל רק בטמפרטורות מעל 1100 מעלות צלזיוס;
• יכולת הרטבה של פלדה, ברזל יצוק, ניקל, קובלט, סיליקון;
• היווצרות TiCl_{4 במדיום כלור ב-t>40 °C.}

מאפיינים פיזיים ומכאניים

המאפיינים הפיזיים והמכניים העיקריים של חומר זה הם:

1. תרמופיזי: נקודת התכה – 3260±150 מעלות צלזיוס; נקודת רתיחה - 4300 מעלות צלזיוס; קיבולת חום - 50, 57 J/(K∙mol); מוליכות תרמית ב-20 מעלות צלזיוס (תלוי בתוכןפחמן) - 6.5-7.1 W/(m∙K).
2. חוזק (ב-20 מעלות צלזיוס): חוזק לחיצה - 1380 MPa; חוזק מתיחה (קרביד בכבישה חמה) - 500 MPa; מיקרו קשיות - 15,000–31,500 MPa; חוזק השפעה - 9.5∙10⁴ kJ/m^{2; קשיות בסולם Mohs - 8-9 יחידות.}
3. טכנולוגי: קצב בלאי (בהתאם לתכולת פחמן) – 0.2-2 מיקרומטר/שעה; מקדם חיכוך - 0.4-0.5; יכולת הריתוך גרועה.

קבל

ייצור טיטניום קרביד מתבצע במספר שיטות:

• שיטת פחמן-תרמית מטיטניום דו-חמצני וחומרי קרבורציה מוצקים (68 ו-32% בתערובת, בהתאמה). כמו האחרון, פיח משמש לרוב. חומר הגלם נדחס תחילה לבריקטים, אשר מונחים לאחר מכן בכור היתוך. ריווי הפחמן מתרחש בטמפרטורה של 2000 מעלות צלזיוס באווירה מגנה של מימן.
• קרבידיזציה ישירה של אבקת טיטניום ב-1600 מעלות צלזיוס.
• המסה פסאודו - חימום אבקת מתכת עם לבני פיח בתכנית דו-שלבית עד 2050 מעלות צלזיוס. פיח מתמוסס בהמסת הטיטניום, והתפוקה היא גרגרי קרביד בגודל של עד 1,000 מיקרון.
• הצתה בוואקום של תערובת של אבקת טיטניום ופחמן שחור (קודם לכן לבנית). תגובת הבעירה נמשכת כמה שניות, ואז ההרכב מתקרר.
• שיטה כימית פלזמה מהלידים. שיטה זו מאפשרת להשיג לא רק אבקת קרביד, אלא גם ציפויים, סיבים, גבישים בודדים. התערובת הנפוצה ביותר היא טיטניום כלוריד, מתאן ומימן. התהליך מתבצע בטמפרטורה1200-1500 מעלות צלזיוס. זרימת הפלזמה נוצרת באמצעות פריקת קשת או במחוללים בתדר גבוה.
• משבבי סגסוגת טיטניום (הידרוג, טחינה, דה-הידרוגנציה, פחמן או פחמן שחור קרבידיזציה).

המוצר המיוצר באחת מהשיטות הללו מעובד ביחידות טחינה. הטחינה לאבקה מתבצעת לגודל חלקיקים של 1-5 מיקרון.

סיבים וקריסטלים

השגת טיטניום קרביד בצורה של גבישים בודדים מתבצעת בכמה דרכים:

1. שיטת ההתכה. ישנם מספר סוגים של טכנולוגיה זו: תהליך Verneuil; ציור מאמבט נוזלי שנוצר על ידי התכת המוטות המוטבעים; שיטה אלקטרו-תרמית בתנורי קשת. טכניקות אלו אינן בשימוש נרחב מכיוון שהן דורשות עלויות אנרגיה גבוהות.
2. שיטת הפתרון. תערובת של תרכובות טיטניום ופחמן, כמו גם מתכות הממלאות תפקיד של ממס (ברזל, ניקל, קובלט, אלומיניום או מגנזיום), מחוממות בכור היתוך גרפיט ל-2000 מעלות צלזיוס בוואקום. התכת המתכת נשמרת במשך מספר שעות, ואז מטופלת בתמיסות חומצה הידרוכלורית ומימן פלואוריד, שוטפת ומייבשת, צפה בתערובת של טריכלורואתילן ואצטון כדי להסיר גרפיט. טכנולוגיה זו מייצרת גבישים בעלי טוהר גבוה.
3. סינתזה של פלזמה-כימית בכור במהלך האינטראקציה של סילון פלזמה עם הלידי טיטניום TiCl₄, TiI_{4. מתאן, אתילן, בנזן, טולואן ואחרים משמשים כמקור פחמן.פחמימנים. החסרונות העיקריים של שיטה זו הם המורכבות הטכנולוגית והרעילות של חומרי הגלם.}

סיבים מתקבלים על ידי שקיעה של טיטניום כלוריד בתווך גזי (פרופאן, פחמן טטרכלוריד מעורבב עם מימן) בטמפרטורה של 1250-1350 מעלות צלזיוס.

יישום של טיטניום קרביד

תרכובת זו משמשת כרכיב בייצור סגסוגות עמידות חום, עמידות חום וללא טונגסטן קשיחות, ציפויים עמידים בפני שחיקה, חומרים שוחקים.

מערכות טיטניום קרביד קרביד משמשות למוצרים הבאים:

• כלים לחיתוך מתכת;
• חלקים של מכונות גלגול;
• כורים עמידים בחום, חלקי צמד תרמי;
• בטנת תנור;
• חלקי מנוע סילון;
• אלקטרודות ריתוך שאינן מתכלות;
• אלמנטים של ציוד המיועדים לשאיבת חומרים אגרסיביים;
• משחות שוחקות לליטוש וגימור משטחים.

חלקים מיוצרים על ידי מתכת אבקה:

• על ידי סינטר וכבישה חמה;
• על ידי יציקה החלקה בתבניות גבס וסינטרינג בתנורי גרפיט;
• על ידי לחיצה וסינטר.

ציפויים

ציפוי טיטניום קרביד מאפשרים לך להגביר את הביצועים של חלקים ובו זמנית לחסוך בחומרים יקרים. הם מאופיינים במאפיינים הבאים:

• התנגדות שחיקה גבוהה וקשיות;
• יציבות כימית;
• מקדם חיכוך נמוך;
• נטייה נמוכה לריתוך קר;
• התנגדות לקנה מידה.

שכבה של טיטניום קרביד מוחלת על חומר הבסיס בכמה דרכים:

• תצהיר אדים.
• ריסוס פלזמה או פיצוץ.
• חיפוי לייזר.
• ריסוס יון-פלזמה.
• סגסוגת אלקטרו-ניצוץ.
• רווית דיפוזיה.

Cermet מיוצר גם על בסיס סגסוגות טיטניום קרביד וניקל עמידות בחום - חומר מרוכב המאפשר להגדיל את עמידות הבלאי של חלקים במדיה נוזלית פי 10. השימוש בקומפוזיט זה מבטיח להגדלת חיי השירות של ציוד שאיבה וציוד אחר, הכוללים חרירי הזרקה לשמירה על לחץ המאגר, מבערי התלקחות, מקדחים, שסתומים.

Carbisteel

טונגסטן וטיטניום קרבידים משמשים לייצור פלדות קרביד, אשר בתכונותיהן תופסות עמדת ביניים בין סגסוגות קשות לפלדות מהירות. מתכות עקשנות מספקות להן קשיות גבוהה, חוזק ועמידות בפני שחיקה, ומטריצת הפלדה - קשיחות וגמישות. חלק המסה של טיטניום וטונגסטן קרביד יכול להיות 20-70%. חומרים כאלה מתקבלים בשיטות של מתכות אבקה המצוינות לעיל.

פלדות קרביד משמשות לייצור כלי חיתוך, כמו גם חלקי מכונות,עבודה בתנאים של בלאי מכני וקורוזיבי חזק (מיסבים, גלגלי שיניים, תותבים, צירים ואחרים).