Carbeto de titânio: produção, composição, finalidade, propriedades e aplicações

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2024-01-02 14:01

Carbeto de titânio é um dos análogos promissores do tungstênio. Não é inferior a este em termos de propriedades físicas e mecânicas, sendo a fabricação deste composto mais econômica. É mais amplamente utilizado na produção de ferramentas de corte de metal duro, bem como nas indústrias de petróleo e engenharia geral, aviação e foguetes.

Descrição e história da descoberta

O carboneto de titânio ocupa um lugar especial entre os compostos de metais de transição da Tabela Periódica dos Elementos Químicos. Distingue-se por sua dureza especial, resistência ao calor e força, o que determina seu amplo uso como base para ligas duras que não contêm tungstênio. A fórmula química desta substância é TiC. Externamente, é um pó cinza claro.

Sua produção começou na década de 1920, quando empresas produtoras de lâmpadas incandescentes buscavam uma alternativa à cara tecnologia de fabricação de filamentos de tungstênio. Como resultado, foi inventado um método para a produção de metal duro. Esta tecnologia era menos dispendiosa, uma vez que as matérias-primas -o dióxido de titânio era mais acessível.

Em 1970, iniciou-se o uso do nitrito de titânio, que possibilitou aumentar a viscosidade das juntas cimentadas, e os aditivos de cromo e níquel possibilitaram aumentar a resistência à corrosão do carboneto de titânio. Em 1980, foi desenvolvido um processo de sinterização do pó sob a influência da compressão uniforme (prensagem). Isso melhorou a qualidade do material. Pós de carboneto sinterizado são usados atualmente em aplicações onde são necessárias altas temperaturas, resistência ao desgaste e à oxidação.

Características químicas

As propriedades químicas do carboneto de titânio determinam sua importância prática na tecnologia. Este composto tem as seguintes características:

• resistência a HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alcalino;}
• alta resistência à corrosão em soluções alcalinas e ácidas;
• nenhuma interação com zinco fundido, principais tipos de escórias metalúrgicas;
• oxidação ativa somente em temperaturas acima de 1100 °C;
• molhabilidade por fusão de aço, ferro fundido, níquel, cob alto, silício;
• formação de TiCl_{4 em meio de cloro a t>40 °C.}

Propriedades físicas e mecânicas

As principais características físicas e mecânicas desta substância são:

1. Termofísico: ponto de fusão – 3260±150 °C; ponto de ebulição - 4300 ° C; capacidade calorífica - 50, 57 J/(K∙mol); condutividade térmica a 20 °C (dependendo do conteúdocarbono) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Resistência (a 20 °C): resistência à compressão - 1380 MPa; resistência à tração (carboneto prensado a quente) - 500 MPa; microdureza - 15.000–31.500 MPa; resistência ao impacto - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; dureza na escala de Mohs - 8-9 unidades.}
3. Tecnológico: taxa de desgaste (dependendo do teor de carbono) – 0,2-2 µm/h; coeficiente de atrito - 0,4-0,5; a soldabilidade é baixa.

Receber

A produção de carboneto de titânio é realizada por vários métodos:

• Método termo-carbono a partir de dióxido de titânio e materiais de cementação sólidos (68 e 32% na mistura, respectivamente). Como este último, a fuligem é mais usada. A matéria-prima é primeiro prensada em briquetes, que são então colocados em um cadinho. A saturação de carbono ocorre a uma temperatura de 2000 °C em uma atmosfera protetora de hidrogênio.
• Carbidização direta do pó de titânio a 1600 °C.
• Pseudofusão - aquecimento de pó metálico com briquetes de fuligem em esquema de dois estágios até 2050 °C. A fuligem se dissolve no titânio fundido e a saída são grãos de carboneto de até 1 mil mícrons de tamanho.
• Ignição a vácuo de uma mistura de pó de titânio e negro de fumo (previamente briquetado). A reação de combustão dura alguns segundos, então a composição é resfriada.
• Plasma-método químico a partir de haletos. Este método permite obter não apenas pó de carboneto, mas também revestimentos, fibras, monocristais. A mistura mais comum é cloreto de titânio, metano e hidrogênio. O processo é realizado a uma temperatura1200-1500°C. O fluxo de plasma é criado usando uma descarga de arco ou em geradores de alta frequência.
• De lascas de liga de titânio (hidrogenação, moagem, desidrogenação, carbonatação ou carbonização de negro de fumo).

O produto feito por um desses métodos é processado em unidades de moagem. A moagem em pó é realizada em tamanhos de partículas de 1-5 mícrons.

Fibras e cristais

A obtenção de carboneto de titânio na forma de monocristais é realizada de várias maneiras:

1. Método de fusão. Existem diversas variedades desta tecnologia: o processo Verneuil; extração de um banho líquido formado pela fusão das hastes sinterizadas; método eletrotérmico em fornos a arco. Essas técnicas não são amplamente utilizadas porque exigem altos custos de energia.
2. Método de solução. Uma mistura de compostos de titânio e carbono, bem como metais que desempenham o papel de solvente (ferro, níquel, cob alto, alumínio ou magnésio), são aquecidos em um cadinho de grafite a 2000 ° C no vácuo. O metal fundido é mantido por várias horas, depois tratado com soluções de ácido clorídrico e fluoreto de hidrogênio, lavado e seco, flutuado em uma mistura de tricloroetileno e acetona para remover o grafite. Esta tecnologia produz cristais de alta pureza.
3. Síntese química de plasma em um reator durante a interação de um jato de plasma com haletos de titânio TiCl₄, TiI_{4. Metano, etileno, benzeno, tolueno e outros são usados como fonte de carbono.hidrocarbonetos. As principais desvantagens deste método são a complexidade tecnológica e a toxicidade das matérias-primas.}

As fibras são obtidas por deposição de cloreto de titânio em meio gasoso (propano, tetracloreto de carbono misturado com hidrogênio) a uma temperatura de 1250-1350 °C.

Aplicação de carboneto de titânio

Este composto é usado como componente na fabricação de ligas resistentes ao calor, resistentes ao calor e sem tungstênio duro, revestimentos resistentes ao desgaste, materiais abrasivos.

Os sistemas de carboneto de titânio são usados para os seguintes produtos:

• ferramentas para corte de metal;
• peças de máquinas laminadoras;
• cadinhos resistentes ao calor, peças de termopar;
• revestimento do forno;
• peças de motores a jato;
• eletrodos de soldagem não consumíveis;
• elementos de equipamentos destinados ao bombeamento de materiais agressivos;
• pastas abrasivas para polimento e acabamento de superfícies.

As peças são feitas por metalurgia do pó:

• por sinterização e prensagem a quente;
• por deslizamento em moldes de gesso e sinterização em fornos de grafite;
• pressionando e sinterizando.

Revestimentos

Os revestimentos de carboneto de titânio permitem aumentar o desempenho das peças e, ao mesmo tempo, economizar em materiais caros. Eles são caracterizados pelas seguintes propriedades:

• alta resistência ao desgaste e dureza;
• estabilidade química;
• baixo coeficiente de atrito;
• baixa propensão para soldagem a frio;
• resistência de escala.

Uma camada de carboneto de titânio é aplicada ao material base de várias maneiras:

• Deposição de vapor.
• Plasma ou pulverização de detonação.
• Revestimento a laser.
• Pulverização de plasma iônico.
• Liga eletro-faísca.
• Saturação de difusão.

Cermet também é feito à base de carboneto de titânio e ligas resistentes ao calor de níquel - um material compósito que permite aumentar em 10 vezes a resistência ao desgaste das peças em meio líquido. O uso deste compósito é promissor para aumentar a vida útil de equipamentos de bombeamento e outros equipamentos, que incluem bicos injetores para manutenção da pressão do reservatório, queimadores de flare, brocas, válvulas.

Carbidesteel

Tungstênio e carbonetos de titânio são usados para a fabricação de aços carbonetos, que em suas propriedades ocupam uma posição intermediária entre ligas duras e aços rápidos. Os metais refratários lhes conferem alta dureza, resistência e resistência ao desgaste, e a matriz de aço - tenacidade e ductilidade. A fração de massa de titânio e carboneto de tungstênio pode ser de 20-70%. Tais materiais são obtidos pelos métodos de metalurgia do pó indicados acima.

Os aços carboneto são utilizados para a produção de ferramentas de corte, bem como peças de máquinas,trabalhando em condições de forte desgaste mecânico e corrosivo (rolamentos, engrenagens, buchas, eixos e outros).