Kromov karbid: lastnosti, proizvodnja, uporaba

Kromov karbid je keramična spojina, ki obstaja v več različnih kemijskih sestavah: Cr3 C2, Cr7 C3 in Cr23 C6. Pod standardnimi pogoji obstaja kot siva snov. Krom je zelo trda in proti koroziji odporna kovina. Ima tudi ognjevzdržno sestavo, kar pomeni, da ohrani svojo trdnost tudi pri visokih temperaturah.

Zaradi teh lastnosti je krom uporaben kot dodatek v kovinskih zlitinah. Če so kristali karbida vgrajeni v površino snovi, to izboljša odpornost proti obrabi in koroziji ter ohranja te lastnosti tudi pri povišanih temperaturah. Najbolj kompleksna in najpogosteje uporabljena spojina za ta namen je Cr3 C2.

Sorodna minerala sta tongbait in izovit (Cr, Fe) 23 C6, oba izjemno redka. Drug bogat karbidni mineral je yarlongit Cr4 Fe4 NiC4.

Lastnosti kroma

Obstajajo tri različne kristalne strukture karbida, ki ustrezajo trem različnim kemičnim sestavam:

• Cr23 C6 ima kubično strukturo in Vickersovo trdoto 976 kg/mm².
• Cr7 C3 ima heksagonalno kristalno strukturo in mikrotrdoto 1336 kg/mm².
• Cr3 C2 je najbolj trpežna od treh formulacij in ima rombično strukturo z mikrotrdoto 2280 kg/mm².

Zato je Cr3 C2 osnovna formulacija kromovega karbida, ki se uporablja pri površinski obdelavi.

Sinteza

Karbidno vezavo lahko dosežemo z mehanskim legiranjem. В ta vrsta Kovinski krom in ogljik v obliki grafita se naložita v kroglični mlin in zmeljeta v fin prah. Ko so sestavine zmlete, se združijo v pelete in se vroče izostatično stisnejo. Pri tem se v zaprti pečici uporablja inertni plin, zlasti argon.

Ta snov pod pritiskom pritiska na vzorec z vseh strani, medtem ko se peč segreva. Vročina in stres povzročita, da grafit in kovina reagirata drug z drugim in nastane kromov karbid. Zmanjšanje odstotka ogljika v začetni zmesi vodi v povečanje izkoristka oblik Cr7 C3 in Cr23 C6.

Druga metoda za sintezo kromovega karbida uporablja oksid, čisti aluminij in grafit v samopropagativni eksotermični reakciji, ki poteka na naslednji način

3Cr₂O3 + 6Al + 4C → 2Cr₃C₂ + 3Al₂O₃

Pri tej metodi se reagenti zmeljejo in zmešajo v krogličnem mlinu. Homogeni prašek se nato stisne v tableto in postavi v inertno atmosfero z argonom. Vzorec se nato segreje. Vroča žica, iskra, laser ali peč lahko zagotovijo toploto. Sproži se eksotermna reakcija in nastala para se razširi po preostalem delu vzorca.

Proizvodnja kromovih karbidov

Številna podjetja izdelujejo snov s kombinacijo termične redukcije aluminija in vakuumske obdelave pri 1500 °C ali več. Pripravi se mešanica kovinskega kroma, oksida in ogljika, ki se nato polni v vakuumsko peč. Tlak v pečici se zmanjša, temperatura pa poveča na 1500 °C. Ogljik nato reagira z oksidom v kovino in plinasti monoksid, ki se odvaja v vakuumske črpalke. Krom se nato združi s preostalim ogljikom in tvori karbid.

Natančno ravnovesje med temi sestavinami določa kakovost izdelka. To je skrbno nadzorovano, da se zagotovi kakovost, primerna za zahtevne trge, kot so letalski in vesoljski.

Proizvodnja kovinskega kroma

• Raziskovalci odkrili nov razred karbidov, ki pridobijo stabilnost zaradi neurejene strukture.
• Rezultati so zabeleženi v mlinih podlaga za prihodnjih študij novih karbidov, ki so uporabni v praktičnih aplikacijah.
• Ustvarjanje dvodimenzionalnih nitridov je postalo lažje.

Kovina, ki se uporablja v številnih podjetjih, se proizvaja z aluminotermično redukcijo, pri kateri nastane mešanica kromovega oksida in aluminijevega prahu. Nato se naložijo v posodo za vžig, kjer se mešanica vžge. Aluminij pri 2000-2500 °C reducira kromov oksid v kovinsko in aluminijevo žlindro. Ta snov tvori staljeno lužo na dnu peči, kjer se lahko zbira, ko se temperatura dovolj zniža. V nasprotnem primeru bi bil stik težaven in zelo nevaren. Izhodiščna snov se nato pretvori v prah in uporabi kot surovina za proizvodnjo kromovega karbida.

Nadaljnje mletje

Kromov karbid in njegova matična snov se zdrobita v mlinih. Pri mletju finih kovinskih praškov vedno obstaja nevarnost eksplozije. Zato so mlini posebej zasnovani za boj proti tem potencialnim nevarnostim. Za lažje rezkanje strukture se uporabi tudi kriogeno hlajenje (najpogosteje s tekočim dušikom).

Premazi, odporni proti obrabi

Karbidi so trdi, zato se krom pogosto uporablja za izdelavo trdih premazov, odpornih proti obrabi, na delih, ki jih je treba zaščititi. V kombinaciji z zaščitno kovinsko matrico je mogoče razviti premaze, ki so odporni proti koroziji in abraziji ter jih je enostavno uporabljati in so stroškovno učinkoviti. Ti premazi se izvajajo z varjenjem ali termičnim brizganjem. Kromov karbid se lahko v kombinaciji z drugimi kalilnimi sredstvi uporablja za izdelavo rezalnih orodij.

Varilne elektrode

Te kromove karbidne palice se vse pogosteje uporabljajo namesto starih komponent, ki vsebujejo ferohrom ali ogljik. dajejo odlične in bolj dosledne rezultate. V teh varilnih elektrodah se med postopkom spajanja tvori kromov karbid II, ki tvori obrabno plast. Vendar je nastanek karbidov odvisen od natančnih pogojev v končnem zvaru. Zato lahko med njima obstajajo razlike, ki pri elektrodah, ki vsebujejo kromov karbid, niso očitne. To se odraža v odpornosti zvara proti obrabi.

Pri preskusu suhega gumijastega kolesa s peskom je bilo ugotovljeno, da je stopnja obrabe spoja, ki je bil uporabljen na železovih ali ogljikovih elektrodah, za 250 % višja. V primerjavi s kromovim karbidom.

Trend v varilni industriji, ki se od paličnih elektrod preusmerja k žici s fluksusnim jedrom, je v korist snovi. Kromov karbid se uporablja skoraj izključno v prahu namesto ferokroma z visoko vsebnostjo ogljika, saj nima učinka redčenja, ki ga povzroča presežek železa v njem.

To pomeni, da lahko dobimo premaz, ki vsebuje večjo količino trdnih delcev in je zelo odporen proti obrabi. Ker se je zaradi prednosti avtomatizacije in večje produktivnosti, povezane s tehnologijo varjenja, prešlo s paličnih elektrod na žico s tokom, se trg za karbid povečuje.

Tipične uporabe vključujejo oblaganje vijakov transporterjev, lopatic mešalnikov goriva, lopatic črpalk in splošne uporabe kroma, pri katerih se zahteva odpornost proti eroziji in abraziji.

Toplotno pršenje

Med termičnim brizganjem se kromov karbid združi s kovinsko matriko, kot je nikelj-krom. Običajno je razmerje teh snovi 3:1. prisotna je kovinska matrica, ki veže karbid na prevlečeno podlago in zagotavlja visoko stopnjo korozijske odpornosti.

Kombinacija te lastnosti in odpornosti proti obrabi pomeni, da so termično brizgani premazi CrC-NiCr primerni kot ovira za obrabo pri visokih temperaturah. Zato se vse pogosteje uporabljajo na letalskem in vesoljskem trgu. Tipične aplikacije so premazi za trne, matrice za vročo obdelavo, hidravlične ventile, strojne dele, zaščito pred obrabo aluminijastih komponent in splošne aplikacije z dobro odpornostjo proti koroziji in abraziji pri temperaturah do 700-800 °C.

Alternativa kromiranju

Nova uporaba termično razpršenih premazov kot nadomestka za trdo kromiranje. S trdim kromiranjem se po nizkih stroških ustvarijo premazi, odporni proti obrabi, z dobro kakovostjo površine. Kromiranje poteka tako, da se predmet, ki ga je treba nasičiti, potopi v posodo s kemično raztopino, ki vsebuje krom. Skozi rezervoar nato teče električni tok, zaradi česar se snov obori na delu in tvori koherentno prevleko. Vendar pa so z odstranjevanjem odpadne vode iz uporabljene raztopine za galvanizacijo povezani vse večji okoljski pomisleki, ki so povzročili povečanje stroškov postopka.

Prevleke na osnovi kromovega karbida imajo dvainpol- do petkrat boljšo odpornost proti obrabi kot prevleke iz trdega kroma in nimajo težav z odstranjevanjem odpadne vode. Zato se vse pogosteje uporabljajo skupaj s trdo kromirano prevleko, zlasti če je pomembna odpornost proti obrabi ali če je potrebna debela prevleka na velikem delu. To je zanimivo in hitro razvijajoče se področje, ki bo postalo še pomembnejše, saj se stroški usklajevanja z okoljsko zakonodajo povečujejo.

Rezalna orodja

Pri tem prevladuje volframov karbid v prahu, ki se sintra s kobaltom, tako da nastanejo izjemno trdi predmeti. Da bi izboljšali odpornost teh rezalnih orodij proti udarcem, so snovi dodani titanovi, niobijevi in kromovi karbidi. Naloga slednjega je preprečiti rast zrn med sintranjem. V nasprotnem primeru bi v procesu nastali preveliki kristali, ki bi lahko poslabšali udarno žilavost rezalnega orodja.