Взаимодействие карбид титана-углерод

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Взаимодействие карбид титана-углерод

05.01.2020

Изучение взаимодействия компактного графита с порошком карбида титана и рядом других тугоплавких карбидов, а также компактных образцов карбида с порошком графита показало, что карбид титана не взаимодействует с графитом в вакууме при остаточном давлении 1*10в-3 мм рт. ст. при температурах до 2200°С и времени выдержки до 10 ч. Как следует из результатов исследования, вес карбидных образцов после отжига сохраняется с точностью до сотых долей процента. Рентгеноструктурным анализом новых фаз не было обнаружено. Микротвердость сохранялась в пределах ошибок измерений, и изменения состава карбида или графита не обнаружено.

Исследование взаимодействия карбида титана и углерода при более высоких температурах показало, что сплавы системы С—TiC образуют эвтектику при содержании углерода 63% (ат.) с температурой плавления 2850°С. Ho в работе предложена гипотетическая диаграмма состояния участка системы С—TiC, по которой температура плавления эвтектики составляет 3080±50°С при 65% (ат.)С.

О процессах взаимодействия карбида титана с углеграфитовыми материалами, в частности с пирографитом, в некоторой степени можно судить по результатам работы, посвященной изучению некоторых свойств покрытий, состоящих из псевдосплава С—TiC в широком диапазоне концентраций; покрытия осаждались на графитовую подложку из паро-газовой смеси тетрахлорида титана и метана при 1700—2100°С.

В полученных псевдосплавах обнаружено существование двух фаз — графита и карбида титана. Сплавы с содержанием титана менее 50% (по массе) имеют однофазную пирографитоподобную конусную структуру. Видимая однофазность объясняется особенностями осаждения сплавов из парогазовой фазы — карбидная фаза выделяется в виде дисперсных включений в объеме пирографита. Косвенно это подтверждается повышением твердости лирографитовых кристаллитов. Микроструктура сплавов с большим содержанием титана подобна эвтектической, причем с увеличением его количества наблюдается рост карбидных зерен.

Исследованием температуры плавления псевдосплавов, полученных газофазным осаждением, обнаружено, что при содержании карбида титана менее 6% (по массе) сплавы возгоняются при температуре 3410±50°С. Сплав эвтектического состава образуется при 49% (по массе) углерода. Температура плавления эвтектики составляет 3010±50°С.

Из приведенных данных следует, что сведения по составу эвтектического сплава системы С—TiC и температуре его плавления весьма разноречивы.

Сопоставляя исследования по определению состава эвтектики и температуре ее плавления, следует учитывать, что отсутствие анализов расплавленного материала на содержание углерода, кислорода и азота затрудняет объяснение полученных результатов. Наиболее достоверным составом эвтектики следует считать TiC1,8 и температуру плавления 2776±6°С. Эта температура максимально допустима при контактном взаимодействии карбида титана с углеграфитовыми материалами.

Необходимо отметить, что при получении на графите карбидных покрытий из парогазовой смеси, состоящей из хлоридов металлов и углеродсодержащих соединений, трудно получить осадок, не загрязненный свободным углеродом. Карбидные покрытия более высокой чистоты могут быть получены при поступлении углерода в зону реакции путем диффузии его из графитовой подложки. Подобные исследования были проведены в работах, где в качестве исходных компонентов использовали хлорид титана и водород. По поводу кинетики образования карбидного покрытия при этих условиях имеются разногласия.
Взаимодействие карбид титана-углерод

Так, в исследовании показано, что для всех температур характерна линейная зависимость толщины карбидного осадка от длительности осаждения (рис. 28), т. е. диффузия углерода из подложки не лимитирует процесса образования карбида, а скорость осаждения определяется лишь скоростью химической реакции восстановления хлорида.

Однако по данным, рост карбидной пленки замедляется со временем и, таким образом, скорость роста осадка карбида титана лимитируется диффузией углерода из подложки через карбидный слой.

Наиболее достоверное объяснение процессов, происходящих на контактной поверхности графит — TiC при осаждении покрытия из парогазовой фазы, дано в работе, где указывается, что линейный рост карбидной пленки при осаждении титана на графит наблюдается только при низких температурах проведения процесса, когда скорость осаждения металла сопоставима со скоростью диффузии углерода. В противном случае при определенной температуре скорость роста карбидного слоя постепенно замедляется во времени, так как она лимитируется диффузией углерода.

Механизм образования и взаимодействие карбида титана с графитом при наличии большого избытка жидкого титана наиболее полно изучен в работах, где показано, что науглероживание титана в интервале температур 1800—1920°С происходит в две стадии. На первой стадии жидкий металл непосредственно соприкасается с поверхностью графита; карбидного слоя на границе между жидким титаном и графитом нет. Считают, что интенсивность науглероживания расплава зависит от скорости диффузии углерода в жидком металле. После достижения содержания углерода в металле, близкого к равновесной концентрации, на фазовой границе графит — жидкость начинает образовываться карбидный слой и процесс взаимодействия переходит во вторую стадию. На второй стадии фактором, лимитирующим науглероживание титана, является диффузия углерода через граничный карбидный слой.

Предположение о том, что карбидный слой тормозит процесс науглероживания жидкого титана в контакте с графитом, было впервые высказано в работе. Как показано в работах, толщина карбидного слоя не изменяется в процессе взаимодействия при выдержке до 20 мин и температурах 1800—2000°С и равна 7—10 мкм. Состав карбидного слоя со стороны, обращенной к жидкому металлу, далек от стехиометрического и отвечает формуле TiC0,5, что подтверждается результатами измерения микротвердости (1900—2150 кгс/мм2) и сопоставлением с составом карбидной фазы, выпадающей в объеме расплавленного титана.

В этих же работах было показано, что скорость растворения карбида титана стехиометрического состава в жидком титане на 2—3 порядка выше, чем углерода, а также, что карбид титана с дефицитом по углероду обладает более высокой стойкостью в расплавленном титане, чем карбид стехиометрического состава. Влияния химической активности и особенностей внутренней структуры графита на процесс взаимодействия не обнаружено. К этому выводу следует отнестись осторожно, так как структура графита — общая пористость и размер пор, степень совершенства кристаллической решетки, а также поверхностная пористость — должна оказывать заметное влияние на кинетику роста карбидного слоя и прочность его сцепления с графитом.

Образование сплошного плотного карбидного слоя на межфазной границе графит — расплав было обнаружено при электродуговой наплавке титана на поверхность образцов из плотного графита. Толщина образовавшегося слоя 3—5 мкм, микротвердость карбидной фазы 1500 кгс/мм2, т. е. образуется карбид с дефицитом по углероду.

Образующийся в начальный момент карбидный слой обладает высокой устойчивостью и служит барьером для дальнейшего проникновения углерода в металл.

Несколько отличные результаты получены при нанесении защитного покрытия из карбида титана путем расплавления в вакууме металлического титана на поверхности графита. Металл перегревался на 50—1000°C выше температуры плавления и давалась выдержка 5—7 мин, при этом образования карбидного слоя на межфазной границе графит — металл не наблюдалось, что противоречит указанным выше исследованиям и, по-видимому, связано с недостатками принятой методики исследования.

Таким образом, при взаимодействии расплавленного титана с графитом на контактной поверхности образуется карбидный слой, толщина которого при значительном избытке металла не превышает 10 мкм и не зависит от времени при выдержках до 30 мин. Состав карбида в зоне, контактирующей с графитом, близок к стехиометрическому, а в зоне контакта с металлом соответствует TiC0,5.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: