Карбидные огнеупорные материалы – от синтеза до готовой продукции

Карбид относится к соединению углерода и металла или неметалла. Основным огнеупорным сырьем являются тугоплавкие соединения, образованные некоторыми переходными металлическими элементами и неметаллическими элементами с углеродными элементами, включая карбид титана, карбид хрома, карбид циркония, карбид ниобия, карбид молибдена, карбид гафния, карбид тантала, карбид вольфрама, карбид ванадия и другие карбиды металлов, а также карбид кремния, карбид бора и другие карбиды неметаллов.

Существует три метода его синтеза:
(1) Прямое сочетание металлического и углеродного порошка, температура реакции составляет около 1200~2000℃;
(2) Металл реагирует с углеродсодержащим газом;
(3) Реакция углерода и оксида (метод восстановления углерода), то есть смесь оксида и углерода плавится и синтезируется при высокой температуре или в вакууме, водороде, инертном газе или другой восстановительной атмосфере при температуре ниже точки плавления оксида, оксид восстанавливается углеродом, и происходит твердофазная реакция для синтеза карбида. Синтезированный карбид используется в качестве сырья, а процесс порошковой металлургии применяется для производства огнеупорных изделий. Карбидные огнеупорные материалы можно разделить на чистые карбидные материалы, такие как SiC, B4C, Cr3C2 и TaC и т. д. в соответствии с их химическим составом; композитные карбидные материалы, такие как TiC-WC-TaC, WC-Co, система карбид-углерод и материалы «гиперевтектического карбида». 1. Характеристики карбидов Карбиды представляют собой группу материалов с самой высокой температурой плавления, а температура плавления многих карбидов превышает 3000 ℃. Как правило, карбиды обладают такими характеристиками, как высокая твердость, хорошая химическая стабильность, высокая стойкость к окислению, отличная температура плавления металлов, а также электро- и теплопроводность металлов.

Типичные свойства карбидного материала
Имя	Плотность/г·см -3	Температура плавления/℃	Коэффициент линейного расширения (20~1000℃)/С -1	Теплопроводность /Вт(м·К) -1	Удельное сопротивление /П.см	Микротвердость /МПа	Температура начала сильного окисления/C°
SiC	3.21	2600	(5~7) x10-6	8.37	50	33400	1100~1400 1500
Б 4 В	2.52	2450	4,5x10 -6	(100°С)121,4	(20°С)0,44 (500'С)0,02	33400
ТаС	14.3	3880	8,3x10 -6	(700℃)62.8	42,1x10 -6	16000
ГФС	12.2	3890	5,6x10 -6	22.19	45,0x10 -6	29600
Туалет	15.7	2700	5,2x10 -6	6.28	(20℃) 53x10-6	24000
ТиК	4.93	3107	7,74x10 -6	24.28	52,5x10 -6	30000

2. Синтез карбидов
Обычно углерод (или его соединения) и металлы (или их соединения) взаимодействуют при соответствующей температуре для получения, и при необходимости требуется защитный газ. Метод получения карбидов

Метод приготовления карбида
Метод	Реакция	Основное оборудование	Диапазон температур/℃	Типичные карбиды
Метод плавки	Ме+С->МеС MeO+C->MeC+CO	Электродуговая печь	>2000	Карбид бора
Метод спекания	Ме+С->МеС MeO+C->MeC+CO	Печь сопротивления с углеродистой трубкой	1200~2200	Карбид хрома, карбид тантала, карбид вольфрама, карбид гафния
Карбонизация углеродсодержащим газом	Me+CxHy->MeC+H2 Ме+С0->МеС+СО	Специальное оборудование	700~2900	Карбид титана, карбид молибдена и т.д.
Метод осаждения из паровой фазы	Me+CxH y ->MeC+H 2 Me+H2 + галоген+CmHm	Горизонтальная угольная трубчатая печь и специальное оборудование	300~2500	Карбид молибдена, карбид хрома, карбид высокой чистоты

3. Процесс производства твердосплавных изделий
(I) Отбор. В соответствии с различными методами синтеза для удаления избыточного углерода и других примесей можно использовать искусственный отбор, отбор воды и предварительное сжигание в вакууме или атмосфере H2.
(ii) Дробление: используйте твердосплавные шары в качестве мелющих тел, добавляйте шлифовальные добавки и используйте шаровую мельницу, чтобы довести тонкость помола сырья до нескольких микрон или десятков микрон.
(iii) Формование
(1) Машинное прессование: обычно в качестве связующих веществ используются раствор бензинового каучука, фенольная смола и т. д., а давление формования составляет 50~80 МПа;
(2) Прокатка пленки: используйте раствор поливинилового спирта в качестве связующего и многократно прокатывайте его на двухвалковой машине для прокатки пленки, чтобы сформировать пленку толщиной 0,5~1 мм. Этот метод подходит для подготовки карбидных материалов для плазменного напыления.
(3) Изостатическое прессование: Порошок помещают в резиновую форму и прессуют на изостатическом прессе. Обычно связующее вещество не добавляется или добавляется небольшое количество поливинилового спирта, когда сырье тонко измельчено. Давление формования составляет 250~350 МПа.
(4) Литье расплава: Этот метод подходит для приготовления изделий из «гиперэвтектического карбида». Порошок карбида смешивается с порошком графита в определенной пропорции, плавится в вакуумной дуговой печи и отливается под действием силы тяжести для получения желаемой формы.
(5) Горячее прессование: этот метод позволяет производить плотные высокопроизводительные карбидные изделия. Конкретный процесс заключается в следующем: порошок загружается в графитовую форму и нагревается в защитной атмосфере в печи горячего прессования с углеродной трубкой. Когда температура повышается до определенной заданной температуры, давление медленно увеличивается, и температура и давление одновременно повышаются до температуры спекания и заданного давления. Начинается сохранение тепла, и давление поддерживается в течение определенного периода времени (до тех пор, пока не будет завершен весь процесс горячего прессования и спекания). Этот метод объединяет формование и спекание вместе и является более часто используемым методом формования для карбидных огнеупорных материалов. Объемная плотность изделий, изготовленных этим методом, может быть близка к теоретической плотности. Общая температура горячего прессования составляет 1500~2600 ℃, а давление составляет 25~35 МПа. Например, плотность изделий из карбида титана достигает 4,90~4,93 г/см³.

(IV) После того, как изделия, сформированные прессованием в спекательной машине, прокаткой пленки и изостатическим прессованием, высушиваются, их спекают в горизонтальной угольной трубчатой ​​печи в защитной атмосфере. Температура спекания должна быть выше температуры горячего прессования, как правило, 1600~2700℃. Для приготовления плотных карбидных материалов необходимо добавлять спекающие добавки.

IV. Изделия из карбида титана производятся в промышленных масштабах путем реакции диоксида титана и технического углерода при высокой температуре 1700~2100℃ в течение короткого времени для получения карбида титана. Это можно сделать в инертной атмосфере, предпочтительно в вакууме. Карбид титана имеет высокую температуру плавления (3140℃) и высокую твердость (твердость по Моосу 9). Он в основном используется для производства металлокерамики на основе карбида титана, жаропрочных сплавов и твердых сплавов.

Изделия из карбида титана в основном изготавливаются методом горячего прессования, а плотность изделий близка к теоретической плотности 4,90∼4,93 г/см³. В особых случаях может использоваться метод осаждения карбида титана из паровой фазы, например, осаждение карбида титана на цементированный карбид или литейную сталь для повышения твердости и износостойкости (коэффициент трения между сталью и карбидом титана составляет 0,14, тогда как коэффициент трения между сталью и сталью составляет 0,7).

V. Изделия из карбида бора Карбид бора черный, очень твердый, с твердостью по Моосу 9,3. Это отличный шлифовальный материал и износостойкий материал. Температура плавления карбида бора составляет 2350 ℃ (разложение), коэффициент линейного расширения составляет 4,5 × 10-6/℃-1 (20~1000 ℃), прочность изделия на сжатие составляет 2250 МПа, он устойчив к кислотной и щелочной коррозии, не смачивает большинство металлов и имеет довольно высокую химическую стабильность.

В настоящее время отечественное массовое производство карбида бора заключается в использовании борной кислоты, нефтяного кокса и искусственного графита, расчете соотношения по формуле реакции и синтезе его методом дуговой плавки. Продукты этого метода содержат большое количество свободного углерода. Лучшим методом является его получение путем нагревания смеси борного ангидрида и углерода в печи сопротивления при температуре ниже температуры разложения карбида бора. Этот метод содержит очень мало свободного углерода и иногда свободный бор.

Формула реакции: Процесс производства продуктов из карбида бора незрелый, и продукты обычно изготавливаются методом горячего прессования. Обычно он осуществляется в печи горячего прессования с нагревом углеродной трубки под защитой аргона. Температура горячего прессования составляет 2050~2150℃, давление составляет 30МПа, а время изоляции составляет 30мин. Плотность продукта составляет 2,46~2,51г/см³, а пористость составляет 0,46%~0,62%.