Титана карбид

Карбид титана: производство, состав, назначение, свойства и применение

Карбид титана является одним из перспективных аналогов вольфрама. Он не уступает последнему по физико-механическим свойствам, а изготовление этого соединения является более экономичным. Наиболее широко он применяется при производстве твердосплавного режущего инструмента, а также в нефтяном и общем машиностроении, авиационной и ракетной промышленности.

Описание и история открытия

Карбид титана занимает особое место среди соединений переходных металлов периодической системы химических элементов. Он отличается особой твердостью, жаростойкостью и прочностью, что и определяет его широкое применение в качестве основы для твердых сплавов, не содержащих вольфрам. Химическая формула этого вещества – TiC. Внешне оно представляет собой порошок светло-серого цвета.

Его производство началось в 20-е годы XX в., когда компании, занимающиеся выпуском лампочек накаливания, искали альтернативу дорогостоящей технологии изготовления вольфрамовых нитей. В результате был изобретен способ получения цементированного карбида. Данная технология была менее затратной, так как сырье – двуокись титана, было более доступным.

В 1970 г. началось применение нитрита титана, что дало возможность увеличить вязкость цементированных соединений, а добавки из хрома и никеля позволили повысить коррозионную стойкость карбида титана. В 1980 г.

был разработан процесс спекания порошка под воздействием равномерного сжатия (прессования). Это позволило улучшить качество материала.

Спеченные твердосплавные порошки в настоящее время применяются в тех областях техники, где требуется высокая устойчивость к температурам, износу и окислению.

Химические свойства карбида титана определяют его практическое значение в технике. Это соединение обладает следующими характерными особенностями:

• устойчивость к воздействию HCl, HSO4, H3PO4, щелочей;
• высокая коррозионная стойкость в щелочных и кислых растворах;
• отсутствие взаимодействия с расплавами цинка, основными видами металлургического шлака;
• активное окисление только при температурах свыше 1100 °C;
• смачиваемость расплавами стали, чугуна, никеля, кобальта, кремния;
• образование TiCl4 в среде хлора при t>40 °C.

Физико-механические свойства

Основными физико-механическими характеристиками данного вещества являются:

1. Теплофизические: температура плавления – 3260±150 °C; температура кипения – 4300 °C; теплоемкость – 50,57 Дж/(К∙моль); теплопроводность при 20 °C (в зависимости от содержания углерода) – 6,5-7,1 Вт/(м∙К).
2. Прочностные (при 20 °C): предел прочности на сжатие – 1380 МПа; предел прочности на разрыв (горячепрессованный карбид) – 500 МПа; микротвердость – 15 000–31 500 МПа; ударная вязкость – 9,5∙104 кДж/м2; твердость по шкале Мооса – 8–9 единиц.
3. Технологические: скорость износа (в зависимости от содержания углерода) – 0,2-2 мкм/ч; коэффициент трения – 0,4-0,5; свариваемость – плохая.

Получение

Производство карбида титана осуществляется несколькими методами:

• Углетермическим способом из диоксида титана и твердых науглероживающих материалов (68 и 32 % в смеси соответственно). В качестве последних чаще всего используют сажу. Сырье сначала спрессовывают в брикеты, которые затем помещают в тигель. Насыщение углеродом протекает при температуре 2000 °C в защитной атмосфере водорода.
• Прямой карбидизацией порошка титана при температуре 1600 °C.
• Псевдоплавлением – нагрев порошка металла с брикетами сажи по двухступенчатой схеме до 2050 °C. Сажа растворяется в расплаве титана, а на выходе получаются зерна карбида размером до 1 тыс. мкм.
• Воспламенением в вакууме смеси порошка титана и сажи (предварительно брикетированных). Реакция горения длится несколько секунд, затем состав охлаждают.
• Плазмохимическим способом из галогенидов. Этот метод позволяет получить не только твердосплавный порошок, но и покрытия, волокна, монокристаллы. Наиболее распространенной смесью является хлорид титана, метан и водород. Процесс ведется при температуре 1200-1500 °C. Поток плазмы создают с помощью дугового разряда или в высокочастотных генераторах.
• Из стружки титановых сплавов (гидрирование, измельчение, дегидрирование, насыщение углеродом или карбидизация с сажей).

Продукт, изготовленный одним из этих способов, обрабатывают в размольных агрегатах. Измельчение в порошок производится до размеров частиц 1-5 мкм.

Волокна и кристаллы

Получение карбида титана в виде монокристаллов проводится несколькими способами:

1. Методом плавления. Существует несколько разновидностей этой технологии: процесс Вернейля; вытягивание из жидкой ванны, сформированной в результате расплавления спеченных стержней; электротермический способ в дуговых печах. Эти методики не получили широкого распространения, так как они требуют высоких энергетических затрат.
2. Растворный способ. Смесь соединений титана и углерода, а также металлы, играющие роль растворителя (железо, никель, кобальт, алюминий или магний), нагревают в графитовом тигле до 2000 °C в вакууме. Металлический расплав выдерживают в течение нескольких часов, затем обрабатывают растворами соляной кислоты и фтороводородом, промывают и сушат, производят флотацию в смеси трихлорэтилена и ацетона для удаления графита. Эта технология позволяет получить кристаллы высокой чистоты.
3. Плазмохимический синтез в реакторе при взаимодействии струи плазмы с галогенидами титана TiCl4, TiI4. В качестве источника углерода используют метан, этилен, бензол, толуол и другие углеводороды. Основными недостатками данного способа являются технологическая сложность и токсичность сырья.

Волокна получают путем осаждения хлорида титана в газовой среде (пропан, тетрахлорметан в смеси с водородом) при температуре 1250-1350 °C.

Применение карбида титана

Данное соединение используется в качестве компонента при изготовлении жаропрочных, жаростойких и твердых безвольфрамовых сплавов, износостойких покрытий, абразивных материалов.

Твердосплавные системы с карбидом титана применяются для производства следующих изделий:

• инструменты для обработки металлов резанием;
• детали прокатных станков;
• жаростойкие тигли, детали термопар;
• футеровка печей;
• детали реактивных двигателей;
• неплавящиеся сварочные электроды;
• элементы оборудования, предназначенного для перекачки агрессивных материалов;
• абразивные пасты для полировки и доводки поверхностей.

Детали изготавливают методами порошковой металлургии:

• спеканием и горячим прессованием;
• шликерным литьем в гипсовые формы и спеканием в графитовых печах;
• прессованием и спеканием.

Покрытия

Покрытия из карбида титана позволяют увеличить эксплуатационные характеристики деталей и одновременно сэкономить на дорогостоящих материалах. Для них характерны следующие свойства:

• высокая износостойкость и твердость;
• химическая стабильность;
• малый коэффициент трения;
• низкая склонность к холодной сварке;
• окалиностойкость.

Слой карбида титана наносится на основной материал несколькими способами:

• Осаждением из газовой фазы.
• Плазменным или детонационным напылением.
• Лазерной наплавкой.
• Ионно-плазменным напылением.
• Электроискровым легированием.
• Диффузионным насыщением.

На основе карбида титана и никелевых жаропрочных сплавов делают также кермет – композиционный материал, который позволяет увеличить износостойкость деталей в жидких средах в 10 раз.

Использование этого композита перспективно для увеличения срока службы насосного оборудования и другой техники, к которым относятся нагнетательные штуцеры для поддержания пластового давления, факельные горелки, буровые долота, запорная арматура.

Карбидостали

Карбиды вольфрама и титана применяются для изготовления карбидосталей, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между твердыми сплавами и быстрорежущими сталями.

Тугоплавкие металлы обеспечивают им высокую твердость, прочность и износо­стойкость, а стальная матрица – вязкость и пластичность. Массовая доля карбида титана и вольфрама может составлять 20-70 %.

Такие материалы получают методами порошковой металлургии, указанными выше.

Карбидостали используются для производства режущего инструмента, а также деталей машин, работающих в условиях сильного механического и коррозионного износа (подшипники, зубчатые колеса, втулки, валы и другие).

Свойства карбидов металлов (гафния, хрома, титана, вольфрама и др.)

Представлены сведения о химических и физических свойствах карбидов металлов: таких, как гафний, хром, титан, вольфрам и других. Физические свойства карбидов сведены в отдельные таблицы, в которых указана их плотность, твердость, температура плавления и кипения, а также электрические и тепловые свойства.

Карбид гафния GfC

В таблице приведены свойства карбида металла гафния. Карбид гафния представляет собой соединение серого цвета с температурой плавления 3890°С и высокой плотностью, которая при комнатной температуре составляет 12600 кг/м3. Энергия кристаллической решетки GfC равна 117,2·105 кДж/кмоль.

Карбид гафния полностью растворяется в ортофосфорной, азотной и серной кислотах.  При температуре около 2000°С он начинает взаимодействовать с тугоплавкими металлами — такими, как молибден, вольфрам, тантал и ниобий.

Физические свойства карбида гафния GfC

Молекулярная масса	190,5
Тип решетки	Кубическая
Плотность, кг/м3	12600
Температура плавления, °С	3890±150
Температура кипения, °С	4160
Средний ТКЛР в интервале 20-1200°С, α·106, град-1	6,1
Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град)	35,3

Теплопроводность карбида гафния с нулевой пористостью при температуре 300°С равна 9,2 Вт/(м·град). При нагревании коэффициент теплопроводности GfC увеличивается. Удельная теплоемкость карбида гафния относительно невысока и при росте температуры слабо увеличивается.

Удельная теплоемкость и теплопроводность карбида гафния при температуре от 300 до 1200°С

 30040060080010001200

Удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг·град)	251	251	255	268	281	297
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град)	9,2	10	11,7	13,8	15,9	17,2

Карбиды хрома

Таблица содержит физические свойства карбидов хрома различного состава. Соединения с формулой Cr23C6 и Cr3C2 имеют серый цвет; Cr7C3 — серебристый.

Карбиды хрома Cr23C6 и Cr7C3 нерастворимы в царской водке. После длительного нагрева при 730…870°С карбид Cr7C3 превращается в Cr23C6. Карбид Cr3C2 нерастворим в воде. Изделия из него также практически нерастворимы в кислотах, их смесях и растворах щелочей. Однако, он может взаимодействовать с цинком при температуре 940°С. Температура начала окисления Cr3C2 составляет 900…1000°С.

Физические свойства карбидов хрома Cr4C, Cr23C6, Cr7C3, Cr3C2

Свойства/карбидCr4CCr23C6Cr7C3Cr3C2

Молекулярная масса	220	1265	400	180
Тип решетки	Кубическая	Кубическая	Гексагональная	Ромбическая
Плотность, кг/м3	—	6970	6920	6680
Температура плавления, °С	1520	1550	1700±50	1890 (разлаг.)
Средний ТКЛР в интервале 20-800°С, α·106, град-1	—	10,1	10	10,3
Удельная массовая теплоемкость при 20°С, Дж/(кг·град)	—	493	523	546
Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град)	—	84	209	98
Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град)	—	18,7	16,6	16,2

Карбид титана TiC

Карбид титана TiC представляет собой соединение светло-серого цвета с металлическим блеском. Он химически инертен при комнатной температуре: плохо растворяется в кислотах, их смесях и некоторых щелочах в холодном и нагретом состояниях.

При высоких температурах (выше 2500°С) начинает реагировать с азотом. При взаимодействии с водородом обезуглероживается. Кроме того, окисляется углекислым газом при температурах выше 1200°С. Температура активного окисления карбида титана составляет 1100…1200°С.

Область температурной устойчивости TiC достигает 3140°С, он высокостоек в расплавленных легкоплавких металлах и металлах типа меди, алюминия, латунях, чугунах и сталях. Степень черноты карбида титана равна 0,9 (при длине волны 0,655 мкм).

Физические свойства карбида титана TiC

Молекулярная масса	59,9
Тип решетки	Кубическая
Плотность, кг/м3	4930
Температура плавления, °С	3147±50
Температура кипения, °С	4305
Твердость по шкале Мооса	8-9
Средний ТКЛР в интервале 20-2700°С, α·106, град-1	9,6
Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град)	33,7
Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град)	842
Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град)	34…39
Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м	60

Карбиды вольфрама W2C и WC

Карбиды вольфрама W2C и WC представляют собой соединения серого цвета. Область температурной устойчивости для W2C составляет до 2750°С; для WC — до 2600°С.

Тонкий порошок WC быстро окисляется на воздухе при 500…520°С. Температура начала окисления грубого порошка WC составляет 595°С.

При 700°С изменение массы карбида вольфрама WC в результате часового окисления составляет 8,3 мг/(см2·ч).

При комнатной температуре порошок карбида вольфрама практически не растворяется в сильных концентрированных кислотах. Однако он почти полностью растворим в кипящих H2SO4 и HNO3. При температуре 940°С WC слабо взаимодействует с расплавом цинка.

Физические свойства карбидов вольфрама W2C, WC

Свойства/карбидW2CWC

Молекулярная масса	379,7	195,9
Тип решетки	Гексагональная
Плотность, кг/м3	1720	1560
Температура плавления, °С	2730±15	2720
Температура кипения, °С	6000
Твердость по шкале Мооса	9-10	9
Средний ТКЛР в интервале 20-2000°С, α·106, град-1	5,8
Удельная массовая теплоемкость в интервале 0-100°С, Дж/(кг·град)	—	184
Молярная теплоемкость при 25°С, кДж/(кмоль·град)	—	36
Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град)	29,3	197

Карбид кальция CaC2

В таблице приведены физические свойства карбида кальция CaC2. По своим оптическим свойствам химически чистый карбид кальция — большие, почти бесцветные кристаллы с голубоватым оттенком. Технический CaC2 в зависимости от степени чистоты имеет серый, коричнево-желтый или черный цвет.

Предел температурной устойчивости для карбида кальция равен 2300°С. При температуре 20°С он полностью растворяется в воде (с выделением ацетилена) и концентрированной соляной кислоте.

Физические свойства карбида кальция CaC2

Молекулярная масса	64,1
Тип решетки	Тетрагональная, кубическая
Плотность, кг/м3	2100
Температура плавления, °С	2300 (разлаг.)
Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град)	960
Молярная теплоемкость при 25°С, кДж/(кмоль·град)	61,3

Карбид циркония ZrC

Карбид циркония представляет собой соединение серого цвета с металлическим блеском. Он химически инертен при комнатной температуре: плохо растворяется в концентрированных кислотах, их смесях и некоторых щелочах, как в холодном, так и нагретом состоянии. Карбид циркония нерастворим в воде, однако взаимодействует с азотом с образованием нитридов.

Температура активного окисления ZrC составляет 1100…1200°С, область температурной устойчивости — до 3530°С. Карбид циркония стоек в расплавах меди и медных сплавов, стали, чугуна и легкоплавких металлов.

Физические свойства карбида циркония ZrC

Молекулярная масса	103,2
Тип решетки	Кубическая
Плотность, кг/м3	6730
Температура плавления, °С	3530
Температура кипения, °С	5100
Твердость по шкале Мооса	8-9
Средний ТКЛР в интервале 20-1100°С, α·106, град-1	6,74
Молярная теплоемкость при 20°С, кДж/(кмоль·град)	61,1
Удельная массовая теплоемкость при 25°С, Дж/(кг·град)	456
Коэффициент теплопроводности при 0°С, Вт/(м·град)	42
Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м	50

Карбиды ниобия Nb2C и NbC

В таблице даны физические свойства карбидов ниобия Nb2C и NbC. Плотный карбид ниобия NbC имеет серовато-коричневый или бледно-лиловый металлический цвет. Порошок NbC имеет фиолетовый оттенок.

Карбиды ниобия при комнатной температуре химически инертны, обладают высокой химической стойкостью к действию кислот и их смесей даже в нагретом состоянии. Однако, они растворимы в смеси плавиковой и азотной кислоты.

При нагревании на воздухе NbC слегка обезуглероживается. До температуры 2500°С он устойчив в атмосфере азота. Температура активного окисления карбида ниобия составляет 900…1000°С. Область температурной устойчивости — до 3890°С. Он стоек в расплавах металлов (Cu, Al), имеет высокую твердость по шкале Мооса.

Физические свойства карбидов ниобия Nb2C и NbC

Свойства/карбидNb2CNbC

Молекулярная масса	197,8	105
Тип решетки	Гексагональная	Кубическая
Плотность, кг/м3	7860	7560
Температура плавления, °С	2927	3480
Температура кипения, °С	—	4500
Твердость по шкале Мооса	—	9-10
Средний ТКЛР в интервале 20-1100°С, α·106, град-1	6,5
Удельная массовая теплоемкость при 20°С, Дж/(кг·град)	315	355
Молярная теплоемкость при 25°С, кДж/(кмоль·град)	30,36	37,35
Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт/(м·град)	—	19
Удельное электрическое сопротивление при 20°С, ρ·108, Ом·м	55	46

Источники:

Карбид титана — Юмэкс

Данное вещество представляет собой соединение углерода и металлического титана (хим.формула TiC).

  Титана карбид — это порошок, имеющий светло-серый оттенок и отличающийся особыми прочностными характеристиками, жаропрочностью и стойкостью к действию некоторых кислот (серной и соляной).

Однако карбид титана растворим в «царской водке», а также в смесях плавиковой (HF) и азотной (HNO3) кислот и расплавах щелочей.

Впервые это вещество было получено еще в 1887 году путем обработки титанистого чугуна в соляной кислоте. Как выяснилось, образовавшийся материал был очень хрупким и твердым, с хорошей электропроводностью и жаропрочностью.

Причем по последнему параметру карбид титана превосходит все известные тугоплавкие карбиды, поскольку плавится при температуре более 3000°С.

В настоящее время это вещество получают при прокаливании титана диоксида с сажей в особых индукционных печах.

Применяют титана карбид в качестве составного элемента твердых металлокерамических сплавов, при производстве режущих инструментов, в качестве электродного материала и для изготовления абразивных паст.

Технические характеристики

Данное вещество — одно из самых химически устойчивых, способно выдерживать резкие температурные скачки. Плавится титана карбид без разложения, а при нагревании в вакуумной среде свыше 3000°С выделяет пары, содержащие повышенное количество титана. Понижение же электропроводности при увеличении температуры указывает на явный металлический характер этого соединения.

Процентное содержание составляющих элементов материала может несколько варьироваться, но наиболее распространенное вещество, используемое для получения электродного сплава, имеет следующие значения.

Вещество Количество

Титана,min	79,5%
Углерода свободного, max	0,5%
Углерода связанного, min	19,1%
Железа, max	0,05%

Можно выделить такие основные технико-эксплуатационные параметры титана карбида, как:

• высокая прочность;
• хорошая электропроводность;
• особая жаростойкость;
• малая скорость испарения;
• стойкость к температурным перепадам;
• стойкость к абразивному износу;
• стойкость к агрессивным эксплуатационным средам.

Основные физико-химические показатели титана карбида:

• температура плавления — 3140°C;
• плотность — 4,92 г/см³ при 20°C;
• температура кипения — 4300°C;
• средняя теплопроводность — 0,068Вт/(см·К);
• среднее удельное сопротивление — 2·10-6 (Ом·м);
• не растворим в воде;
• не растворим в серной и соляной кислотах;
• реагирует с расплавами щелочей и смесью азотной (HNO3) и плавиковой (HF) кислот.

Производственные характеристики этого соединения, как и других сплавов титана, регламентируются ГОСТом 19807–74 и ТУ 6-09-492-75.

Сферы применения

Особые твердость и жаропрочность позволяют успешно использовать титана карбид при получении сплавов, из которых изготавливаются лопасти газовых турбин, детали авиационных двигателей, особые защитные покрытия реактивных сопел и других частей ракет.

Добавление этого вещества значительно увеличивает прочность и долговечность нержавеющих и жаропрочных стальных сплавов, существенно повышает их свариваемость. А из сплава титана карбида и вольфрама делают разного рода детали оборудования для перекачки расплавов натрия, выдерживающие повышенные значения давления (более 8 атм.

) и температуры. Кроме того, этот материал широко применяется в производстве абразивных паст для обработки полупроводников, металлов и диэлектриков, в шлифовании и при разработке режущих инструментов для вязких соединений.

Изготовленное из титана карбида оборудование позволяет в несколько раз ускорить обработку разного рода сталей и увеличить производительность труда горной, металлообрабатывающей и рудной промышленностях.

Помимо этого, таким инструментом можно без труда выполнять обработку вязких материалов, с которыми не справляются»классические» резцы.

Используют титана карбид и в инструментальной промышленности для производства защитных экранов, тиглей, электродов термопар и дуговых ламп, а также в оборудовании для электрокислородной подводной резки металлов, в частности — стали, и в качестве наполнителя для алмазных инструментов. Однако применение карбид-титановых нагревательных элементов при напылении, например, на разного рода пластмассы алюминиевых покрытий несколько затруднено в силу особенностей резки трубчатых электродов тугоплавкими соединениями.

Титана карбид как электродный материал

Особое значение имеет использование этого вещества в электродной отрасли. Электроды на основе данного материала применяют при электролизе всевозможных водных растворов, при испарении в вакууме и в подводной резке.

Титана карбид часто является специализированной добавкой к графиту или его полноценной заменой и комбинируется с ртутными электродами.

Он служит катализатором разложения амальгамы натрия, а при электрокислородном резании под толщей воды позволяет в несколько раз понизить удельный расход вещества электродов.

Резка титан-карбидными электродами дает возможность получить особо ровный срез высокого качества, что достигается за счет устойчивого горения и легкого дугового возбуждения.

При добавлении этого вещества в графитовые электроды значительно повышается их эффективность при электролизах водных растворов. А при повышении содержания титана карбида до 30% наблюдается существенное снижение перенапряжения, и выделяется не только кислород, но водород.

Однако если процентное содержание титана карбида будет выше тридцати процентов, дальнейшего снижения перенапряжения не последует.

Карбид-титановые электроды и тигли в основном применяют для испарения в вакуумной среде различных легкоплавких соединений без добавления иных материалов.