ტიტანის კარბიდი: წარმოება, შემადგენლობა, დანიშნულება, თვისებები და გამოყენება

2024 ავტორი: Howard Calhoun | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-02 13:57

ტიტანის კარბიდი არის ვოლფრამის ერთ-ერთი პერსპექტიული ანალოგი. ის ამ უკანასკნელს არ ჩამოუვარდება ფიზიკური და მექანიკური თვისებებით და ამ ნაერთის დამზადება უფრო ეკონომიურია. იგი ყველაზე ფართოდ გამოიყენება კარბიდის საჭრელი ხელსაწყოების წარმოებაში, ასევე ნავთობისა და ზოგად საინჟინრო, საავიაციო და სარაკეტო მრეწველობაში.

აღწერილობა და აღმოჩენის ისტორია

ტიტანის კარბიდს განსაკუთრებული ადგილი უჭირავს ქიმიური ელემენტების პერიოდული ცხრილის გარდამავალი ლითონის ნაერთებს შორის. გამოირჩევა განსაკუთრებული სიმტკიცით, თბოგამძლეობითა და სიმტკიცით, რაც განაპირობებს მის ფართო გამოყენებას, როგორც მყარი შენადნობების საფუძველს, რომლებიც არ შეიცავს ვოლფრამს. ამ ნივთიერების ქიმიური ფორმულა არის TiC. გარეგნულად ეს არის ღია ნაცრისფერი ფხვნილი.

მისი წარმოება დაიწყო 1920-იან წლებში, როდესაც ინკანდესენტური ნათურების მწარმოებელი კომპანიები ვოლფრამის ძაფების წარმოების ძვირადღირებული ტექნოლოგიის ალტერნატივას ეძებდნენ. შედეგად, გამოიგონეს ცემენტირებული კარბიდის წარმოების მეთოდი. ეს ტექნოლოგია ნაკლებად ძვირი იყო, რადგან ნედლეული -ტიტანის დიოქსიდი უფრო ხელმისაწვდომი იყო.

1970 წელს დაიწყო ტიტანის ნიტრიტის გამოყენება, რამაც შესაძლებელი გახადა ცემენტირებული სახსრების სიბლანტის გაზრდა, ხოლო ქრომის და ნიკელის დანამატებმა შესაძლებელი გახადა ტიტანის კარბიდის კოროზიის წინააღმდეგობის გაზრდა. 1980 წელს შემუშავდა პროცესი ფხვნილის აგლომერაციისთვის ერთიანი შეკუმშვის (დაჭერის) გავლენის ქვეშ. ამან გააუმჯობესა მასალის ხარისხი. აგლომერირებული კარბიდის ფხვნილები ამჟამად გამოიყენება აპლიკაციებში, სადაც საჭიროა მაღალი ტემპერატურა, ცვეთა და დაჟანგვის წინააღმდეგობა.

ქიმიური მახასიათებლები

ტიტანის კარბიდის ქიმიური თვისებები განსაზღვრავს მის პრაქტიკულ მნიშვნელობას ტექნოლოგიაში. ამ ნაერთს აქვს შემდეგი მახასიათებლები:

• რეზისტენტობა HCl, HSO₄, H₃PO_{4, ტუტე;}
• მაღალი კოროზიის წინააღმდეგობა ტუტე და მჟავე ხსნარებში;
• არ არის ურთიერთქმედება თუთიის დნობასთან, მეტალურგიული წიდის ძირითადი ტიპებით;
• აქტიური დაჟანგვა მხოლოდ 1100 °C-ზე მაღალ ტემპერატურაზე;
• ფოლადის, თუჯის, ნიკელის, კობალტის, სილიკონის დნობის დატენიანება;
• TiCl_{4წარმოქმნა ქლორულ გარემოში t>40 °C-ზე.}

ფიზიკური და მექანიკური თვისებები

ამ ნივთიერების ძირითადი ფიზიკური და მექანიკური მახასიათებლებია:

1. თერმოფიზიკური: დნობის წერტილი – 3260±150 °C; დუღილის წერტილი - 4300 ° C; თბოტევადობა - 50, 57 ჯ/(კ∙მოლი); თბოგამტარობა 20 °C-ზე (დამოკიდებულია შინაარსზენახშირბადი) - 6,5-7,1 ვტ/(მ∙K).
2. სიძლიერე (20 °C-ზე): კომპრესიული ძალა - 1380 მპა; დაჭიმვის სიმტკიცე (ცხელი დაჭერით კარბიდი) - 500 მპა; მიკროსიმტკიცე - 15000–31500 მპა; დარტყმის ძალა - 9,5∙10⁴ კჯ/მ^{2; სიხისტე მოჰსის შკალაზე - 8-9 ერთეული.}
3. ტექნოლოგიური: აცვიათ სიჩქარე (დამოკიდებულია ნახშირბადის შემცველობაზე) – 0,2-2 μm/სთ; ხახუნის კოეფიციენტი - 0,4-0,5; შედუღება ცუდია.

მიიღე

ტიტანის კარბიდის წარმოება ხორციელდება რამდენიმე მეთოდით:

• ნახშირბადის თერმული მეთოდი ტიტანის დიოქსიდისა და მყარი ნახშირბადის მასალებისგან (68 და 32% ნარევში, შესაბამისად). როგორც ეს უკანასკნელი, ჭვარტლს ყველაზე ხშირად იყენებენ. ნედლეულს ჯერ აწნევენ ბრიკეტებად, რომლებსაც შემდეგ ათავსებენ ჭურჭელში. ნახშირბადის გაჯერება ხდება 2000 °C ტემპერატურაზე წყალბადის დამცავ ატმოსფეროში.
• ტიტანის ფხვნილის პირდაპირი კარბიდიზაცია 1600 °C-ზე.
• ფსევდოდნობა - ლითონის ფხვნილის გათბობა ჭვარტლის ბრიკეტებით ორეტაპიანი სქემით 2050 °C-მდე. ჭვარტლი იხსნება ტიტანის დნობაში და გამომავალი არის კარბიდის მარცვლები 1000 მიკრონამდე ზომის.
• ანთება ტიტანის ფხვნილისა და ნახშირბადის ნარევის ვაკუუმში (ადრე ბრიკეტში). წვის რეაქცია გრძელდება რამდენიმე წამი, შემდეგ შემადგენლობა გაგრილდება.
• პლაზმურ-ქიმიური მეთოდი ჰალოიდებისგან. ეს მეთოდი საშუალებას იძლევა მიიღოთ არა მხოლოდ კარბიდის ფხვნილი, არამედ საიზოლაციო, ბოჭკოები, ერთკრისტალები. ყველაზე გავრცელებული ნაზავია ტიტანის ქლორიდი, მეთანი და წყალბადი. პროცესი ტარდება ტემპერატურაზე1200-1500°C. პლაზმური ნაკადი იქმნება რკალის გამონადენის გამოყენებით ან მაღალი სიხშირის გენერატორებში.
• ტიტანის შენადნობის ჩიპებიდან (ჰიდროგენაცია, დაფქვა, დეჰიდროგენაცია, კარბონაცია ან ნახშირბადის კარბიდიზაცია).

ერთ-ერთი ამ მეთოდით დამზადებული პროდუქტი მუშავდება დაფქვის ერთეულებში. ფხვნილად დაფქვა ხორციელდება ნაწილაკების ზომით 1-5 მიკრონი.

ბოჭკოები და კრისტალები

ტიტანის კარბიდის მიღება ერთკრისტალების სახით ხდება რამდენიმე გზით:

1. დნობის მეთოდი. ამ ტექნოლოგიის რამდენიმე სახეობა არსებობს: ვერნოს პროცესი; დახატვა თხევადი აბაზანიდან, რომელიც წარმოიქმნება აგლომერირებული ღეროების დნობის შედეგად; ელექტროთერმული მეთოდი რკალის ღუმელებში. ეს ტექნიკა ფართოდ არ გამოიყენება, რადგან ისინი საჭიროებენ ენერგიის მაღალ ხარჯებს.
2. მოხსნის მეთოდი. ტიტანისა და ნახშირბადის ნაერთების ნარევი, ისევე როგორც ლითონები, რომლებიც ასრულებენ გამხსნელის როლს (რკინა, ნიკელი, კობალტი, ალუმინი ან მაგნიუმი), თბება გრაფიტის ჭურჭელში 2000 ° C-მდე ვაკუუმში. ლითონის დნობა ინახება რამდენიმე საათის განმავლობაში, შემდეგ მუშავდება მარილმჟავას ხსნარებით და წყალბადის ფტორიდით, გარეცხილია და აშრობს, ცურავს ტრიქლორეთილენისა და აცეტონის ნარევში გრაფიტის მოსაშორებლად. ეს ტექნოლოგია აწარმოებს მაღალი სისუფთავის კრისტალებს.
3. პლაზმურ-ქიმიური სინთეზი რეაქტორში პლაზმური ჭავლის ურთიერთქმედების დროს ტიტანის ჰალოიდებთან TiCl₄, TiI_{4. ნახშირბადის წყაროდ გამოიყენება მეთანი, ეთილენი, ბენზოლი, ტოლუოლი და სხვა.ნახშირწყალბადები. ამ მეთოდის მთავარი მინუსი არის ნედლეულის ტექნოლოგიური სირთულე და ტოქსიკურობა.}

ბოჭკოები მიიღება ტიტანის ქლორიდის დეპონირებით აიროვან გარემოში (პროპანი, ნახშირბადის ტეტრაქლორიდი შერეული წყალბადით) 1250-1350 °C ტემპერატურაზე.

ტიტანის კარბიდის გამოყენება

ეს ნაერთი გამოიყენება როგორც კომპონენტი თბოგამძლე, თბოგამძლე და მყარი ვოლფრამის გარეშე შენადნობების, აცვიათ მდგრადი საფარების, აბრაზიული მასალების წარმოებაში.

ტიტანის კარბიდის კარბიდის სისტემები გამოიყენება შემდეგი პროდუქტებისთვის:

• იარაღები ლითონის ჭრისთვის;
• მოძრავი მანქანების ნაწილები;
• თბოგამძლე ჭურჭელი, თერმოწყვილების ნაწილები;
• ღუმელის უგულებელყოფა;
• რეაქტიული ძრავის ნაწილები;
• არამოხმარებადი შედუღების ელექტროდები;
• აღჭურვილობის ელემენტები, რომლებიც განკუთვნილია აგრესიული მასალების გადატუმბვისთვის;
• აბრაზიული პასტები ზედაპირების გასაპრიალებლად და დასასრულებლად.

ნაწილები დამზადებულია ფხვნილის მეტალურგიით:

• შედუღებით და ცხელი დაჭერით;
• თაბაშირის ფორმებში ჩამოსხმის გზით და გრაფიტის ღუმელებში შედუღებით;
• დაჭერით და შედუღებით.

საფარები

ტიტანის კარბიდის საფარი საშუალებას გაძლევთ გაზარდოთ ნაწილების შესრულება და ამავდროულად დაზოგოთ ძვირადღირებული მასალები. ისინი ხასიათდებიან შემდეგი თვისებებით:

• მაღალი აცვიათ წინააღმდეგობა და სიმტკიცე;
• ქიმიური სტაბილურობა;
• ხახუნის დაბალი კოეფიციენტი;
• ცივი შედუღების დაბალი მიდრეკილება;
• მასშტაბის წინააღმდეგობა.

ტიტანის კარბიდის ფენა გამოიყენება საბაზისო მასალაზე რამდენიმე გზით:

• ორთქლის დეპონირება.
• პლაზმის ან დეტონაციური შესხურება.
• ლაზერული მოპირკეთება.
• იონ-პლაზმური შესხურება.
• ელექტრო-ნაპერწკალი შენადნობი.
• დიფუზიური გაჯერება.

კერმეტი ასევე მზადდება ტიტანის კარბიდისა და ნიკელის თბოგამძლე შენადნობების საფუძველზე - კომპოზიციური მასალა, რომელიც საშუალებას იძლევა 10-ჯერ გაზარდოს ნაწილების აცვიათ წინააღმდეგობა თხევად გარემოში. ამ კომპოზიტის გამოყენება პერსპექტიულია სატუმბი აღჭურვილობისა და სხვა აღჭურვილობის მომსახურების ხანგრძლივობის გაზრდისთვის, რომელიც მოიცავს საინექციო საქშენებს რეზერვუარში წნევის შესანარჩუნებლად, ცეცხლმოკიდებულ სანთურებს, საბურღი ბიტებს, სარქველებს.

Carbidesteel

ვოლფრამის და ტიტანის კარბიდები გამოიყენება კარბიდური ფოლადების დასამზადებლად, რომლებიც თავიანთი თვისებებით იკავებენ შუალედურ ადგილს მყარ შენადნობებსა და მაღალსიჩქარიან ფოლადებს შორის. ცეცხლგამძლე ლითონები უზრუნველყოფენ მათ მაღალ სიმტკიცეს, სიმტკიცეს და აცვიათ წინააღმდეგობას, ხოლო ფოლადის მატრიცა - სიმტკიცე და გამტარიანობა. ტიტანისა და ვოლფრამის კარბიდის მასური წილი შეიძლება იყოს 20-70%. ასეთი მასალები მიიღება ზემოთ მითითებული ფხვნილის მეტალურგიის მეთოდებით.

კარბიდური ფოლადები გამოიყენება საჭრელი ხელსაწყოების, აგრეთვე მანქანების ნაწილების წარმოებისთვის,მუშაობა ძლიერი მექანიკური და კოროზიული ცვეთის პირობებში (საკისრები, მექანიზმები, ბუჩქები, ლილვები და სხვა).