Хромов карбид: свойства, получаване, употреба

Хромовият карбид е керамично съединение, което съществува в няколко различни химични състава: Cr3 C2, Cr7 C3 и Cr23 C6. При стандартни условия то съществува под формата на сиво вещество. Хромът е изключително твърд и устойчив на корозия метал. Освен това има огнеупорен състав, което означава, че запазва здравината си дори при високи температури.

Тези свойства на хрома го правят полезен като добавка в метални сплави. Когато карбидните кристали са интегрирани в повърхността на материала, това подобрява устойчивостта на износване и корозия, а също така запазва тези свойства при повишени температури. Най-твърдото и най-често използваното съединение за тази цел е Cr3 C2.

Сродните минерали включват тонгбаит и изовит (Cr, Fe) 23 C6, и двата изключително редки. Друг богат карбиден минерал е джарлондитът Cr4 Fe4 NiC4.

Свойства на хрома

Съществуват три различни кристални структури на карбида, съответстващи на три различни химични състава:

• Cr23 C6 има кубична структура и твърдост по Викерс от 976 kg/mm².
• Cr7 C3 има хексагонална кристална структура и микротвърдост от 1336 kg/mm².
• Cr3 C2 е най-издръжливият от трите композита и има ромбична структура с микротвърдост 2280 kg/mm².

Поради тази причина Cr3 C2 е основната формула на хромовия карбид, използван за повърхностна обработка.

Синтез

Свързването на карбид може да се постигне чрез механично легиране. В този тип При този процес метален хром и въглерод под формата на графит се подават в топкова мелница и се смилат на фин прах. След като компонентите са натрошени, те се комбинират в пелети и се подлагат на горещо изостатично пресоване. При този процес се използва инертен газ, особено аргон, в затворена пещ.

Това вещество се подава под налягане от всички страни на пробата, докато фурната се нагрява. В резултат на топлината и налягането графитът и металът влизат в реакция помежду си и образуват хромов карбид. Намаляването на процентното съдържание на въглерод в първоначалната смес води до по-високи добиви на формите Cr7 C3 и Cr23 C6.

Друг метод за синтез на хромов карбид използва оксид, чист алуминий и графит в саморазвиваща се екзотермична реакция, която протича по следния начин:

3Cr₂O3 + 6Al + 4C → 2Cr₃C₂ + 3Al₂O₃

При този метод реагентите се смилат и смесват в топкова мелница. След това хомогенният прах се пресова в таблетка и се поставя в инертна атмосфера от аргон. След това пробата се нагрява. Гореща тел, искра, лазер или пещ могат да осигурят топлината. Започва екзотермична реакция и получената пара се разпространява в останалата част на пробата.

Производство на хромови карбиди

Много компании създават веществото чрез комбинация от термична редукция на алуминий и вакуумна обработка при 1500°C и повече. Приготвя се смес от хромов метал, оксид и въглерод, която се зарежда във вакуумна пещ. Налягането в пещта се намалява, а температурата се повишава до 1500°C. Въглеродът реагира с оксида, образувайки метал и газообразен монооксид, който се подава към вакуумните помпи. След това хромът се съединява с останалия въглерод и образува карбид.

Точният баланс между тези компоненти определя съдържанието на полученото вещество. Това се контролира внимателно, за да се гарантира, че качеството на продукта е подходящо за взискателни пазари като космическия.

Производство на метален хром

• Изследователите откриват нов клас карбиди, които получават стабилност от разбъркана структура.
• Резултатите от това проучване създават предпоставки за основа за бъдещи проучвания на нови карбиди, полезни за практически приложения.
• Създаването на двуизмерни нитриди стана по-лесно.

Металът, който се използва в много фирми, се произвежда чрез алуминотермична редукция, при която се образува смес от хромов оксид и алуминиев прах. След това те се зареждат в резервоар за печене, където сместа се изгаря. Хромовият оксид се редуцира до метална и алуминиева шлака при температура 2000-2500°C. Веществото образува разтопена локва на дъното на горивната камера, където може да се събере, когато температурата спадне достатъчно. В противен случай контактът ще бъде труден и много опасен. След това изходното вещество се превръща в прах и се използва като суровина за производството на хромов карбид.

Допълнително смилане

Раздробяването на хромовия карбид и неговия прекурсор се извършва в мелници. При смилането на фини метални прахове винаги съществува риск от експлозия. Ето защо мелниците са специално проектирани да се справят с тези потенциални опасности. За улесняване на раздробяването върху структурата се прилага и криогенно охлаждане (най-често с течен азот).

Износоустойчиви покрития

Карбидите са твърди и затова общата употреба на хрома е за нанасяне на твърди износоустойчиви покрития върху части, които трябва да бъдат защитени. В комбинация със защитна метална матрица могат да се разработят лесни за прилагане и икономически ефективни средства за защита от корозия и износване. Тези покрития се изработват чрез заваряване или термично пръскане. Хромовият карбид може да се използва в комбинация с други закаляващи агенти за създаване на режещи инструменти.

Електроди за заваряване

Тези пръти от хром карбид все повече заместват старите ферохромни или въглеродни компоненти. Те дават отлични и по-постоянни резултати. В тези заваръчни електроди по време на процеса на свързване се образува карбид от хром II, който осигурява износващ слой. Образуването на карбидите обаче се определя от точните условия в готовата заварка. Поради това между тях могат да се наблюдават разлики, които не са видими при електродите, съдържащи хром карбид. Това се отразява на износоустойчивостта на заваръчния материал.

При изпитване на гумено колело със сух пясък е установено, че степента на износване на съединението, нанесено върху ферохромни или въглеродни електроди, е с 250 % по-висока. В сравнение с хромовия карбид.

Тенденцията в заваръчната индустрия да се преминава от прътови електроди към флукс-въглеродна тел е от полза за веществото. Хромовият карбид се използва почти изключително като фрезован елемент вместо ферохром с високо съдържание на въглерод, тъй като не страда от ефекта на разреждане, причинен от излишъка на желязо в него.

Това означава, че може да се получи покритие, съдържащо по-голямо количество твърди частици, което има по-висока устойчивост на износване. Следователно, тъй като се преминава от прътови електроди към едра тел поради предимствата на автоматизацията и по-високата производителност, свързани с технологията на заваряване, пазарът на карбид се увеличава.

Типични области на употреба на хром са: облицовка на транспортни винтове, лопатки на смесители за гориво, работни колела на помпи и обща употреба на хром, когато се изисква устойчивост на ерозивно износване.

Термично пръскане

Хромовият карбид се комбинира с метална матрица, например никел-хром, по време на термично пръскане. Обикновено съотношението на тези вещества е съответно 3:1. Налице е метална матрица, която свързва карбида с покрития субстрат и осигурява висока степен на устойчивост на корозия.

Комбинацията от това свойство и износоустойчивост означава, че термично напръсканите покрития от CrC-NiCr са подходящи като високотемпературна бариера срещу износване. Това е причината те да се използват все по-често на авиационния пазар. Типични приложения са покритията за дорници, матрици за гореща обработка, хидравлични клапани, машинни части, защита от износване на алуминиеви компоненти и общи приложения с добра устойчивост на корозия и абразия при температури до 700-800°C.

Алтернативата на хромирането

Ново приложение на термично напръсканите покрития като заместител на продукти с твърда повърхност. С твърдото хромиране се получават износоустойчиви покрития с добро качество на повърхността при ниска цена. Хромовото покритие се получава чрез потапяне на обекта, който трябва да бъде наситен, в резервоар с химически разтвор, съдържащ хром. След това през резервоара преминава електрически ток, в резултат на което веществото се утаява върху детайла и образува цялостно покритие. Въпреки това, нарастващите екологични проблеми са свързани с отстраняването на отпадъчните води от използвания галваничен разтвор и тези проблеми са довели до увеличаване на разходите за процеса.

Покритията на основата на хром карбид имат устойчивост на износване, която е два и половина до пет пъти по-добра от твърдото хромиране, и нямат проблеми с изхвърлянето отпадъчни води. Ето защо твърдото хромиране става все по-популярно, особено когато е важна износоустойчивостта или когато се изисква дебело покритие върху голяма част от. Това е интересна и бързо развиваща се област, която ще става все по-важна с увеличаването на разходите за спазване на екологичните разпоредби.

Режещи инструменти

Преобладаващият материал тук е волфрамов карбид на прах, който се синтерова с кобалт, за да се получат изключително твърди предмети. За да се подобри ударната якост на тези режещи инструменти, към материала се добавят титанови, ниобиеви и хромови карбиди. Ролята на последния е да предотвратява нарастването на зърната по време на синтероване. В противен случай в процеса ще се образуват прекалено едри кристали, които могат да влошат ударната якост на режещия инструмент.