Carburo de titanio: producción, composición, finalidad, propiedades y aplicaciones

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2024-01-02 13:53

El carburo de titanio es uno de los análogos prometedores del tungsteno. No es inferior a este último en términos de propiedades físicas y mecánicas, y la fabricación de este compuesto es más económica. Se utiliza principalmente en la producción de herramientas de corte de carburo, así como en las industrias del petróleo y de la ingeniería general, la aviación y los cohetes.

Descripción e historia del descubrimiento

El carburo de titanio ocupa un lugar especial entre los compuestos de metales de transición de la tabla periódica de elementos químicos. Se distingue por su especial dureza, resistencia al calor y resistencia, lo que determina su uso generalizado como base para aleaciones duras que no contienen tungsteno. La fórmula química de esta sustancia es TiC. Exteriormente, es un polvo gris claro.

Su producción comenzó en la década de 1920, cuando las empresas productoras de bombillas incandescentes buscaban una alternativa a la costosa tecnología de fabricación de filamentos de tungsteno. Como resultado, se inventó un método para producir carburo cementado. Esta tecnología era menos costosa, ya que las materias primas -el dióxido de titanio era más asequible.

En 1970 se inició el uso del nitrito de titanio, que permitió aumentar la viscosidad de las juntas cementadas, y los aditivos de cromo y níquel permitieron aumentar la resistencia a la corrosión del carburo de titanio. En 1980, se desarrolló un proceso para la sinterización de polvo bajo la influencia de una compresión uniforme (prensado). Esto mejoró la calidad del material. Los polvos de carburo sinterizado se utilizan actualmente en aplicaciones en las que se requiere resistencia a altas temperaturas, al desgaste y a la oxidación.

Características químicas

Las propiedades químicas del carburo de titanio determinan su importancia práctica en la tecnología. Este compuesto tiene las siguientes características:

• resistencia a HCl, HSO₄, H₃PO_{4, álcali;}
• alta resistencia a la corrosión en soluciones alcalinas y ácidas;
• sin interacción con fundidos de zinc, los principales tipos de escoria metalúrgica;
• oxidación activa solo a temperaturas superiores a 1100 °C;
• humectabilidad en fusión de acero, hierro fundido, níquel, cob alto, silicio;
• formación de TiCl_{4 en medio clorado a t>40 °C.}

Propiedades físicas y mecánicas

Las principales características físicas y mecánicas de esta sustancia son:

1. Termofísica: punto de fusión – 3260±150 °C; punto de ebullición - 4300 ° C; capacidad calorífica - 50, 57 J/(K∙mol); conductividad térmica a 20 °C (dependiendo del contenidocarbono) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Resistencia (a 20 °C): resistencia a la compresión - 1380 MPa; resistencia a la tracción (carburo prensado en caliente) - 500 MPa; microdureza - 15,000–31,500 MPa; resistencia al impacto - 9.5∙10⁴ kJ/m^{2; dureza en la escala de Mohs - 8-9 unidades.}
3. Tecnológico: tasa de desgaste (dependiendo del contenido de carbono) – 0,2-2 µm/h; coeficiente de fricción - 0.4-0.5; la soldabilidad es mala.

Recibir

La producción de carburo de titanio se lleva a cabo mediante varios métodos:

• Método térmico de carbono a partir de dióxido de titanio y materiales cementantes sólidos (68 y 32% en la mezcla, respectivamente). Como este último, el hollín se usa con mayor frecuencia. La materia prima se prensa primero en briquetas, que luego se colocan en un crisol. La saturación de carbono tiene lugar a una temperatura de 2000 °C en una atmósfera protectora de hidrógeno.
• Carbidización directa de polvo de titanio a 1600 °C.
• Pseudofusión: calentamiento de polvo metálico con briquetas de hollín en un esquema de dos etapas hasta 2050 °C. El hollín se disuelve en el titanio fundido y la salida son granos de carburo de hasta 1000 micras de tamaño.
• Ignición en vacío de una mezcla de polvo de titanio y negro de humo (previamente briqueteado). La reacción de combustión dura unos segundos, luego la composición se enfría.
• Método químico-plasmático a partir de haluros. Este método permite obtener no solo polvo de carburo, sino también recubrimientos, fibras, monocristales. La mezcla más común es cloruro de titanio, metano e hidrógeno. El proceso se lleva a cabo a una temperatura1200-1500°C. El flujo de plasma se crea utilizando una descarga de arco o en generadores de alta frecuencia.
• A partir de virutas de aleación de titanio (hidrogenación, molienda, deshidrogenación, carbonatación o carburización con negro de humo).

El producto fabricado por uno de estos métodos se procesa en unidades de molienda. La molienda en polvo se lleva a cabo con tamaños de partículas de 1 a 5 micras.

Fibras y cristales

La obtención del carburo de titanio en forma de monocristales se realiza de varias formas:

1. Método de fusión. Existen varias variedades de esta tecnología: el proceso Verneuil; extracción de un baño líquido formado por fusión de las varillas sinterizadas; Método electrotérmico en hornos de arco. Estas técnicas no se usan mucho porque requieren altos costos de energía.
2. Método de solución. Una mezcla de compuestos de titanio y carbono, así como metales que cumplen la función de disolvente (hierro, níquel, cob alto, aluminio o magnesio), se calientan en un crisol de grafito a 2000 °C en vacío. El metal fundido se mantiene durante varias horas, luego se trata con soluciones de ácido clorhídrico y fluoruro de hidrógeno, se lava y se seca, se flota en una mezcla de tricloroetileno y acetona para eliminar el grafito. Esta tecnología produce cristales de alta pureza.
3. Síntesis químico-plasmática en un reactor durante la interacción de un chorro de plasma con haluros de titanio TiCl₄, TiI_{4. El metano, el etileno, el benceno, el tolueno y otros se utilizan como fuente de carbono.hidrocarburos. Las principales desventajas de este método son la complejidad tecnológica y la toxicidad de las materias primas.}

Las fibras se obtienen por deposición de cloruro de titanio en un medio gaseoso (propano, tetracloruro de carbono mezclado con hidrógeno) a una temperatura de 1250-1350 °C.

Aplicación de carburo de titanio

Este compuesto se utiliza como componente en la fabricación de aleaciones resistentes al calor, resistentes al calor y duras sin tungsteno, revestimientos resistentes al desgaste y materiales abrasivos.

Los sistemas de carburo de carburo de titanio se utilizan para los siguientes productos:

• herramientas para corte de metales;
• partes de laminadoras;
• crisoles resistentes al calor, piezas de termopares;
• revestimiento del horno;
• piezas de motores a reacción;
• electrodos de soldadura no consumibles;
• elementos de equipos diseñados para el bombeo de materiales agresivos;
• pastas abrasivas para el pulido y acabado de superficies.

Las piezas se fabrican mediante pulvimetalurgia:

• por sinterización y prensado en caliente;
• por colada en barbotina en moldes de yeso y sinterización en hornos de grafito;
• prensado y sinterizado.

Revestimientos

Los recubrimientos de carburo de titanio le permiten aumentar el rendimiento de las piezas y, al mismo tiempo, ahorrar en materiales costosos. Se caracterizan por las siguientes propiedades:

• alta resistencia al desgaste y dureza;
• estabilidad química;
• bajo coeficiente de fricción;
• baja propensión a la soldadura en frío;
• resistencia a escala.

Se aplica una capa de carburo de titanio al material base de varias maneras:

• Deposición de vapor.
• Pulverización de plasma o detonación.
• Revestimiento láser.
• Rociado de plasma iónico.
• Aleación por electrochispa.
• Saturación de difusión.

Cermet también se fabrica sobre la base de aleaciones resistentes al calor de carburo de titanio y níquel, un material compuesto que permite aumentar 10 veces la resistencia al desgaste de las piezas en medios líquidos. El uso de este compuesto es prometedor para aumentar la vida útil de los equipos de bombeo y otros equipos, que incluyen boquillas de inyección para mantener la presión del depósito, quemadores de antorcha, brocas, válvulas.

carburo de acero

Los carburos de tungsteno y titanio se utilizan para la fabricación de aceros al carburo, que en sus propiedades ocupan una posición intermedia entre las aleaciones duras y los aceros rápidos. Los metales refractarios les proporcionan una alta dureza, resistencia y resistencia al desgaste, y la matriz de acero: tenacidad y ductilidad. La fracción de masa de titanio y carburo de tungsteno puede ser del 20 al 70%. Dichos materiales se obtienen por los métodos de pulvimetalurgia indicados anteriormente.

Los aceros al carburo se utilizan para la producción de herramientas de corte, así como piezas de máquinas,trabajando en condiciones de fuerte desgaste mecánico y corrosivo (cojinetes, engranajes, bujes, ejes y otros).