Carburo di titanio: produzione, composizione, scopo, proprietà e applicazioni

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-02 13:57

Il carburo di titanio è uno degli analoghi promettenti del tungsteno. Non è inferiore a quest'ultimo in termini di proprietà fisiche e meccaniche e la produzione di questo composto è più economica. È ampiamente utilizzato nella produzione di utensili da taglio in metallo duro, nonché nelle industrie petrolifere e di ingegneria generale, aeronautica e missilistica.

Descrizione e storia della scoperta

Il carburo di titanio occupa un posto speciale tra i composti dei metalli di transizione della Tavola periodica degli elementi chimici. Si distingue per la sua particolare durezza, resistenza al calore e resistenza, che ne determinano l'uso diffuso come base per leghe dure che non contengono tungsteno. La formula chimica di questa sostanza è TiC. Esternamente, è una polvere grigio chiaro.

La sua produzione iniziò negli anni '20, quando le aziende produttrici di lampadine a incandescenza cercavano un' alternativa alla costosa tecnologia per la produzione di filamenti di tungsteno. Di conseguenza, è stato inventato un metodo per la produzione di carburo cementato. Questa tecnologia era meno costosa, poiché le materie prime -il biossido di titanio era più conveniente.

Nel 1970 iniziò l'uso del nitrito di titanio, che consentì di aumentare la viscosità dei giunti cementati e gli additivi di cromo e nichel consentirono di aumentare la resistenza alla corrosione del carburo di titanio. Nel 1980 è stato sviluppato un processo per la sinterizzazione delle polveri sotto l'influenza della compressione uniforme (pressatura). Ciò ha migliorato la qualità del materiale. Le polveri di carburo sinterizzato sono attualmente utilizzate in applicazioni in cui sono richieste alte temperature, resistenza all'usura e all'ossidazione.

Caratteristiche chimiche

Le proprietà chimiche del carburo di titanio determinano la sua importanza pratica nella tecnologia. Questo composto ha le seguenti caratteristiche:

• resistenza a HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alcali;}
• elevata resistenza alla corrosione in soluzioni alcaline e acide;
• nessuna interazione con lo zinco fuso, i principali tipi di scorie metallurgiche;
• ossidazione attiva solo a temperature superiori a 1100 °C;
• Bagnabilità allo stato fuso di acciaio, ghisa, nichel, cob alto, silicio;
• formazione di TiCl_{4 in mezzo di cloro a t>40 °C.}

Proprietà fisiche e meccaniche

Le principali caratteristiche fisiche e meccaniche di questa sostanza sono:

1. Termofisico: punto di fusione – 3260±150 °C; punto di ebollizione - 4300 ° C; capacità termica - 50, 57 J/(K∙mol); conducibilità termica a 20 °C (a seconda del contenutocarbonio) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Resistenza (a 20 °C): resistenza alla compressione - 1380 MPa; resistenza alla trazione (carburo pressato a caldo) - 500 MPa; microdurezza - 15.000–31.500 MPa; forza d'urto - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; durezza sulla scala di Mohs - 8-9 unità.}
3. Tecnologico: tasso di usura (a seconda del contenuto di carbonio) – 0,2-2 µm/h; coefficiente di attrito - 0,4-0,5; la saldabilità è scarsa.

Ricevi

La produzione del carburo di titanio viene effettuata con diversi metodi:

• Metodo carbonio-termico da biossido di titanio e materiali solidi da cementazione (rispettivamente 68 e 32% nella miscela). Come quest'ultimo, viene spesso utilizzata la fuliggine. La materia prima viene prima pressata in bricchette, che vengono poi poste in un crogiolo. La saturazione di carbonio avviene a una temperatura di 2000 °C in un'atmosfera protettiva di idrogeno.
• Carbidazione diretta di polvere di titanio a 1600 °C.
• Pseudo-fusione - riscaldamento di polvere di metallo con bricchetti di fuliggine in uno schema a due stadi fino a 2050 °C. La fuliggine si dissolve nella fusione di titanio e l'output è grani di carburo di dimensioni fino a 1 mille micron.
• Accensione sottovuoto di una miscela di polvere di titanio e nerofumo (precedentemente bricchettato). La reazione di combustione dura alcuni secondi, poi la composizione viene raffreddata.
• Metodo plasma-chimico da alogenuri. Questo metodo permette di ottenere non solo polvere di carburo, ma anche rivestimenti, fibre, cristalli singoli. La miscela più comune è cloruro di titanio, metano e idrogeno. Il processo viene eseguito a temperatura1200-1500°C. Il flusso di plasma viene creato utilizzando una scarica ad arco o in generatori ad alta frequenza.
• Da trucioli di leghe di titanio (idrogenazione, molatura, deidrogenazione, carbonatazione o carburazione con nerofumo).

Il prodotto ottenuto con uno di questi metodi viene lavorato in unità di macinazione. La macinazione in polvere viene eseguita con dimensioni delle particelle di 1-5 micron.

Fibre e cristalli

L'ottenimento del carburo di titanio sotto forma di cristalli singoli si effettua in diversi modi:

1. Metodo di fusione. Esistono diverse varietà di questa tecnologia: il processo Verneuil; prelievo da un bagno liquido formato dalla fusione delle bacchette sinterizzate; metodo elettrotermico nei forni ad arco. Queste tecniche non sono ampiamente utilizzate perché richiedono costi energetici elevati.
2. Metodo di soluzione. Una miscela di composti di titanio e carbonio, nonché di metalli che svolgono il ruolo di solvente (ferro, nichel, cob alto, alluminio o magnesio), vengono riscaldati in un crogiolo di grafite a 2000°C sotto vuoto. Il metallo fuso viene mantenuto per diverse ore, quindi trattato con soluzioni di acido cloridrico e acido fluoridrico, lavato ed essiccato, flottato in una miscela di tricloroetilene e acetone per rimuovere la grafite. Questa tecnologia produce cristalli di elevata purezza.
3. Sintesi plasma-chimica in un reattore durante l'interazione di un getto di plasma con alogenuri di titanio TiCl₄, TiI_{4. Metano, etilene, benzene, toluene e altri sono usati come fonti di carbonio.idrocarburi. I principali svantaggi di questo metodo sono la complessità tecnologica e la tossicità delle materie prime.}

Le fibre si ottengono per deposizione di cloruro di titanio in un mezzo gassoso (propano, tetracloruro di carbonio miscelato con idrogeno) ad una temperatura di 1250-1350 °C.

Applicazione di carburo di titanio

Questo composto viene utilizzato come componente nella produzione di leghe resistenti al calore, resistenti al calore e dure prive di tungsteno, rivestimenti resistenti all'usura, materiali abrasivi.

I sistemi al carburo di titanio vengono utilizzati per i seguenti prodotti:

• utensili per il taglio dei metalli;
• parti di macchine di laminazione;
• crogioli resistenti al calore, parti di termocoppie;
• rivestimento della fornace;
• parti del motore a reazione;
• elettrodi per saldatura non consumabili;
• elementi di apparecchiature progettate per il pompaggio di materiali aggressivi;
• Paste abrasive per lucidare e rifinire le superfici.

Le parti sono prodotte dalla metallurgia delle polveri:

• mediante sinterizzazione e pressatura a caldo;
• tramite colata in barbottina in stampi di gesso e sinterizzazione in forni di grafite;
• premendo e sinterizzando.

Rivestimenti

I rivestimenti in carburo di titanio consentono di aumentare le prestazioni delle parti e allo stesso tempo di risparmiare su materiali costosi. Sono caratterizzati dalle seguenti proprietà:

• elevata resistenza all'usura e durezza;
• stabilità chimica;
• basso coefficiente di attrito;
• bassa propensione alla saldatura a freddo;
• resistenza alla scala.

Uno strato di carburo di titanio viene applicato al materiale di base in diversi modi:

• Deposizione di vapore.
• Spruzzatura al plasma o detonazione.
• Rivestimento laser.
• Spruzzatura di plasma ionico.
• Leghe di elettroscintille.
• Saturazione diffusione.

Cermet è anche realizzato sulla base di carburo di titanio e leghe di nichel resistenti al calore, un materiale composito che consente di aumentare di 10 volte la resistenza all'usura delle parti in mezzi liquidi. L'uso di questo composito è promettente per aumentare la durata di servizio delle apparecchiature di pompaggio e di altre apparecchiature, che includono ugelli di iniezione per mantenere la pressione del serbatoio, bruciatori a torcia, punte da trapano, valvole.

Acciaio al carburo

I carburi di tungsteno e titanio vengono utilizzati per la produzione di acciai al carburo, che nelle loro proprietà occupano una posizione intermedia tra le leghe dure e gli acciai rapidi. I metalli refrattari forniscono loro un'elevata durezza, resistenza e resistenza all'usura e la matrice in acciaio: tenacità e duttilità. La frazione di massa del titanio e del carburo di tungsteno può essere del 20-70%. Tali materiali sono ottenuti con i metodi di metallurgia delle polveri sopra indicati.

Gli acciai al carburo sono utilizzati per la produzione di utensili da taglio, oltre a parti di macchine,lavorare in condizioni di forte usura meccanica e corrosiva (cuscinetti, ingranaggi, boccole, alberi e altro).