Le carbure de titane : production, composition, objectif, propriétés et applications

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-02 13:54

Le carbure de titane est l'un des analogues prometteurs du tungstène. Il n'est pas inférieur à ce dernier en termes de propriétés physiques et mécaniques, et la fabrication de ce composé est plus économique. Il est le plus largement utilisé dans la production d'outils de coupe en carbure, ainsi que dans les industries du pétrole et de l'ingénierie générale, de l'aviation et des fusées.

Description et historique de la découverte

Le carbure de titane occupe une place particulière parmi les composés de métaux de transition du tableau périodique des éléments chimiques. Il se distingue par sa dureté particulière, sa résistance à la chaleur et sa résistance, ce qui détermine son utilisation généralisée comme base d'alliages durs ne contenant pas de tungstène. La formule chimique de cette substance est TiC. Extérieurement, c'est une poudre gris clair.

Sa production a commencé dans les années 1920, lorsque les entreprises produisant des ampoules à incandescence cherchaient une alternative à la technologie coûteuse de fabrication des filaments de tungstène. En conséquence, une méthode de production de carbure cémenté a été inventée. Cette technologie était moins chère, puisque les matières premières -le dioxyde de titane était plus abordable.

En 1970, l'utilisation du nitrite de titane a commencé, ce qui a permis d'augmenter la viscosité des joints collés, et les additifs de chrome et de nickel ont permis d'augmenter la résistance à la corrosion du carbure de titane. En 1980, un procédé a été développé pour le frittage de poudre sous l'influence d'une compression uniforme (pressage). Cela a amélioré la qualité du matériau. Les poudres de carbure frittées sont actuellement utilisées dans des applications nécessitant une résistance élevée à la température, à l'usure et à l'oxydation.

Caractéristiques chimiques

Les propriétés chimiques du carbure de titane déterminent son importance pratique dans la technologie. Ce composé a les caractéristiques suivantes:

• résistance à HCl, HSO₄, H₃PO_{4, alcali;}
• haute résistance à la corrosion dans les solutions alcalines et acides;
• pas d'interaction avec le zinc en fusion, les principaux types de scories métallurgiques;
• oxydation active uniquement à des températures supérieures à 1 100 °C;
• mouillabilité à l'état fondu de l'acier, de la fonte, du nickel, du cob alt, du silicium;
• formation de TiCl_{4 en milieu chloré à t>40 °C.}

Propriétés physiques et mécaniques

Les principales caractéristiques physiques et mécaniques de cette substance sont:

1. Thermophysique: point de fusion – 3260±150 °C; point d'ébullition - 4300 ° C; capacité calorifique - 50, 57 J/(K∙mol); conductivité thermique à 20 °C (en fonction du contenucarbone) - 6,5-7,1 W/(m∙K).
2. Résistance (à 20 °C): résistance à la compression - 1380 MPa; résistance à la traction (carbure pressé à chaud) - 500 MPa; microdureté - 15 000–31 500 MPa; résistance aux chocs - 9,5∙10⁴ kJ/m^{2; dureté sur l'échelle de Mohs - 8-9 unités.}
3. Technologique: taux d'usure (en fonction de la teneur en carbone) – 0,2-2 µm/h; coefficient de frottement - 0,4-0,5; la soudabilité est médiocre.

Recevoir

La production de carbure de titane est réalisée par plusieurs méthodes:

• Méthode carbone-thermique à partir de dioxyde de titane et de matériaux de cémentation solides (respectivement 68 et 32 % dans le mélange). Comme ce dernier, la suie est le plus souvent utilisée. La matière première est d'abord pressée en briquettes, qui sont ensuite placées dans un creuset. La saturation en carbone a lieu à une température de 2 000 °C dans une atmosphère protectrice d'hydrogène.
• Carbidisation directe de poudre de titane à 1600 °C.
• Pseudo-fusion - chauffage de poudre métallique avec des briquettes de suie dans un schéma en deux étapes jusqu'à 2050 °C. La suie se dissout dans le titane fondu et la sortie est constituée de grains de carbure d'une taille pouvant atteindre 1 000 microns.
• Allumage sous vide d'un mélange de poudre de titane et de noir de carbone (préalablement briqueté). La réaction de combustion dure quelques secondes, puis la composition est refroidie.
• Méthode plasma-chimique à partir d'halogénures. Ce procédé permet d'obtenir non seulement de la poudre de carbure, mais également des revêtements, des fibres, des monocristaux. Le mélange le plus courant est le chlorure de titane, le méthane et l'hydrogène. Le procédé est réalisé à une température1200-1500°C. Le flux de plasma est créé à l'aide d'une décharge en arc ou dans des générateurs à haute fréquence.
• Provenant de copeaux d'alliage de titane (hydrogénation, broyage, déshydrogénation, carbonatation ou carburation du noir de carbone).

Le produit fabriqué par l'une de ces méthodes est traité dans des unités de broyage. Le broyage en poudre est effectué à des tailles de particules de 1 à 5 microns.

Fibres et cristaux

L'obtention de carbure de titane sous forme de monocristaux s'effectue de plusieurs manières:

1. Méthode de fusion. Il existe plusieurs variétés de cette technologie: le procédé Verneuil; puiser dans un bain liquide formé par fusion des joncs frittés; méthode électrothermique dans les fours à arc. Ces techniques sont peu utilisées car elles nécessitent des coûts énergétiques élevés.
2. Méthode de résolution. Un mélange de composés de titane et de carbone, ainsi que des métaux jouant le rôle de solvant (fer, nickel, cob alt, aluminium ou magnésium), sont chauffés dans un creuset en graphite à 2000°C sous vide. Le métal en fusion est conservé plusieurs heures, puis traité avec des solutions d'acide chlorhydrique et de fluorure d'hydrogène, lavé et séché, flotté dans un mélange de trichloroéthylène et d'acétone pour éliminer le graphite. Cette technologie produit des cristaux d'une grande pureté.
3. Synthèse plasma-chimique dans un réacteur lors de l'interaction d'un jet de plasma avec des halogénures de titane TiCl₄, TiI_{4. Le méthane, l'éthylène, le benzène, le toluène et autres sont utilisés comme source de carbone.hydrocarbures. Les principaux inconvénients de cette méthode sont la complexité technologique et la toxicité des matières premières.}

Les fibres sont obtenues par dépôt de chlorure de titane en milieu gazeux (propane, tétrachlorure de carbone mélangé à de l'hydrogène) à une température de 1250-1350 °C.

Application de carbure de titane

Ce composé est utilisé comme composant dans la fabrication d'alliages résistants à la chaleur, résistants à la chaleur et durs sans tungstène, de revêtements résistants à l'usure, de matériaux abrasifs.

Les systèmes au carbure de titane sont utilisés pour les produits suivants:

• outils pour couper le métal;
• pièces de machines à rouler;
• creusets résistants à la chaleur, pièces de thermocouple;
• revêtement de four;
• pièces de moteur à réaction;
• électrodes de soudage non consommables;
• éléments d'équipements destinés au pompage de matériaux agressifs;
• pâtes abrasives pour le polissage et la finition des surfaces.

Les pièces sont fabriquées par métallurgie des poudres:

• par frittage et pressage à chaud;
• par coulée en barbotine dans des moules en plâtre et frittage dans des fours à graphite;
• par pressage et frittage.

Revêtements

Les revêtements en carbure de titane vous permettent d'augmenter les performances des pièces tout en économisant sur des matériaux coûteux. Ils sont caractérisés par les propriétés suivantes:

• haute résistance à l'usure et dureté;
• stabilité chimique;
• faible coefficient de frottement;
• faible propension au soudage à froid;
• résistance à l'échelle.

Une couche de carbure de titane est appliquée sur le matériau de base de plusieurs manières:

• Dépôt en phase vapeur.
• Projection plasma ou détonation.
• Revêtement laser.
• Pulvérisation plasma ionique.
• Alliage électro-étincelant.
• Saturation de diffusion.

Cermet est également fabriqué à base de carbure de titane et d'alliages de nickel résistants à la chaleur - un matériau composite qui permet de multiplier par 10 la résistance à l'usure des pièces en milieu liquide. L'utilisation de ce composite est prometteuse pour augmenter la durée de vie des équipements de pompage et autres équipements, notamment les buses d'injection pour le maintien de la pression du réservoir, les brûleurs de torche, les trépans, les vannes.

Acier au carbure

Les carbures de tungstène et de titane sont utilisés pour la fabrication d'aciers au carbure qui, de par leurs propriétés, occupent une position intermédiaire entre les alliages durs et les aciers rapides. Les métaux réfractaires leur confèrent une dureté, une résistance et une résistance à l'usure élevées, et la matrice en acier - ténacité et ductilité. La fraction massique de titane et de carbure de tungstène peut être de 20 à 70 %. De tels matériaux sont obtenus par les procédés de métallurgie des poudres indiqués ci-dessus.

Les aciers au carbure sont utilisés pour la production d'outils de coupe, ainsi que de pièces de machines,travailler dans des conditions de forte usure mécanique et corrosive (roulements, engrenages, bagues, arbres et autres).