Карбид хрома: свойства, получение, применение

Карбид хрома представляет собой керамическое соединение, которое существует в нескольких различных химических составах: Cr3 C2, Cr7 C3 и Cr23 C6. В стандартных условиях он существует в виде серого вещества. Хром — это очень твердый и устойчивый к коррозии металл. Он также имеет огнеупорный состав, что означает сохранение прочности и при высоких температурах.

Эти свойства хрома делают его полезным в качестве добавки к металлическим сплавам. Когда кристаллы карбида интегрированы в поверхность вещества, это улучшает износостойкость и коррозионную выдержка, а также сохраняет эти свойства при повышенных температурах. Самым сложным и наиболее часто используемым составом для этой цели является Cr3 C2.

Родственные минералы включают тонгбаит и изовит (Cr, Fe) 23 C6, оба крайне редкие. Еще одним богатым карбидным минералом является ярлонгит Cr4 Fe4 NiC4.

Свойства хрома

Существуют три разные кристаллические структуры для карбида, соответствующие трем различным химическим составам:

• Cr23 C6 имеет кубическое строение и твердость по Виккерсу 976 кг/мм².
• Cr7 C3 имеет гексагональную кристаллическую структуру и микротвердость 1336 кг/мм².
• Cr3 C2 является наиболее долговечным из трех композиций и имеет ромбическое строение с микротвердостью 2280 кг/мм².

По этой причине Cr3 C2 является основной формулой карбида хрома, используемой при обработке поверхности.

Синтез

Соединение карбида может быть достигнуто путем механического легирования. В этом типе процесса металлический хром и углерод в форме графита загружаются в шаровую мельницу и измельчаются в мелкий порошок. После раздробления компонентов они соединяются в гранулы и подвергаются горячему изостатическому прессованию. Данное действие использует инертный газ, прежде всего аргон в запечатанной духовке.

Это вещество под давлением оказывает напор на образец со всех сторон, пока печь нагревается. Тепло и натиск заставляют графит и металл реагировать друг с другом и образовывать карбид хрома. Уменьшение процентного содержания углерода в исходной смеси приводит к увеличению выхода форм Cr7 C3 и Cr23 C6.

Другой метод синтеза карбида хрома использует оксид, чистый алюминий и графит в самораспространяющейся экзотермической реакции, которая протекает следующим образом:

3Cr₂O3 + 6Al + 4C → 2Cr₃C₂ + 3Al₂O₃

В этом методе реагенты измельчают и смешивают в шаровой мельнице. Однородный порошок затем прессуют в таблетку и помещают в инертную атмосферу аргона. Образец после этого нагревают. Горячий провод, искра, лазер или печь могут обеспечить тепло. Экзотермическая реакция инициируется, и результирующий пар распространяет воздействие по всей остальной части образца.

Производство карбидов хрома

Многие компании создают вещество путем сочетания алюминотермического восстановления и вакуумной обработки при температуре 1500°C и выше. Готовят смесь металлического хрома, оксида и углерода и затем загружают в вакуумную печь. Давление в духовке снижается, а температура повышается до 1500°С. После этого углерод реагирует с оксидом, с образованием металла и газообразного монооксида, который отводится в вакуумные насосы. Затем происходит соединение хрома с оставшимся углеродом с образованием карбида.

Точный баланс между этими компонентами определяет содержание получаемого вещества. Это тщательно контролируется, чтобы гарантировать, что качество продукции подходит для таких требовательных рынков, как аэрокосмическая.

Производство хрома металлического

• Исследователи открывают новый класс карбидов, которые получают стабильность из неупорядоченной структуры.
• Результаты изучения закладывают основу для будущих обследований новых карбидов, полезных в практических применениях.
• Создание двухмерных нитридов стало проще.

Металл, который используется во многих фирмах, производится путем алюминотермического восстановления, где образуется смесь оксида хрома и алюминиевого порошка. Затем их загружают в емкость для обжига, где смесь вспыхивает. Алюминий восстанавливает оксид хрома до металла и глиноземного шлака при температуре 2000–2500°C. Данное вещество образует расплавленную лужу на дне камеры обжига, где его можно собирать, когда температура достаточно упала. В ином случае, контакт будет затруднен и очень опасен. Затем начальное вещество превращается в порошок и используется в качестве сырья для производства карбида хрома.

Дальнейшее измельчение

Дробление карбида хрома и его начального вещества проводят на мельницах. При измельчении тонкодисперсных металлических порошков всегда существует риск взрыва. Именно поэтому мельницы специально разработаны для борьбы с такими потенциальными опасностями. Криогенное охлаждение (чаще всего это жидкий азот) также применяется к сооружению для облегчения измельчения.

Износостойкие покрытия

Карбиды являются твердыми, и поэтому общее применение хрома заключается в нанесении крепких износостойких покрытий на детали, которые необходимо предохранить. В сочетании с защитной металлической матрицей могут быть разработаны как антикоррозийные, так и износостойкие вещества, которые легко наносятся и экономически выгодны. Эти покрытия выполняются сваркой или термическим напылением. В сочетании с другими стойкими веществами карбид хрома может использоваться для формирования режущих инструментов.

Сварочные электроды

Данные стержни из карбида хрома все чаще используются вместо прежних феррохромов или углеродсодержащих компонентов. Они дают превосходные и более стабильные результаты. В данных сварочных электродах карбид хрома II создается во время процесса соединения для обеспечения износостойкого слоя. Однако образование карбидов определяется точными условиями в готовом шве. И поэтому между ними могут быть изменения, которые не видны для электродов, содержащих карбид хрома. Это отражается на износостойкости наплавленного сварного шва.

При испытании колеса из сухой песчаной резины было установлено, что скорость износа соединения, нанесенного на феррохром или углеродные электроды, на 250 % выше. Если сравнивать с карбидом хрома.

Тенденция в сварочной промышленности, которая переходит от использования стержневых электродов к порошковой проволоке, приносит пользу веществу. Карбид хрома применяется почти исключительно в размельченном элементе вместо высокоуглеродистого феррохрома, поскольку он не страдает от эффекта разбавления, вызванного избытком железа в нем.

Это означает, что может быть получено покрытие, содержащее большее количество твердых частиц, которое обладает высокой износостойкостью. Следовательно, поскольку происходит переход от стержневых электродов к порошковой проволоке из-за преимуществ автоматизации и более высокой производительности, связанной с технологией сварки последнего вещества, рынок карбида увеличивается.

Типичными областями использования для него являются: наплавка шнеков конвейера, лопастей топливного смесителя, рабочих колес насоса и общее применение хрома, в котором требуется стойкость к эрозионному истиранию.

Термический спрей

При тепловом распылении карбид хрома объединяется с металлической матрицей, такой как никель-хром. Обычно соотношение данных веществ составляет 3:1 соответственно. Металлическая матрица присутствует для связывания карбида с подложкой, на которую нанесено покрытие, и для обеспечения высокой степени коррозионной стойкости.

Комбинация данного свойства и износостойкости означает, что термически напыленные покрытия CrC-NiCr пригодны в качестве барьера для высокотемпературного износа. Именно по этой причине им находят все большее применение на аэрокосмическом рынке. Типичные области использования здесь — это покрытия для стержневых оправок, штампов для горячего производства, гидравлических клапанов, деталей машин, защиты от износа алюминиевых компонентов и общего применения с хорошей устойчивостью к коррозии и истиранию при температурах до 700–800°C.

Альтернатива хромирования

Новое применение для термически напыленных покрытий в качестве замены твердого насыщения изделий. Жесткое хромирование позволяет получить износостойкую оболочку с хорошим качеством поверхности при низких затратах. Хромированное покрытие получают погружением предмета, который необходимо насытить, в емкость с химическим раствором, содержащим хром. Электрический ток затем пропускается через резервуар, вызывая осаждение вещества на детали и образование когерентного покрытия. Однако растущие экологические проблемы связаны с удалением сточных вод из использованного гальванического раствора, и эти вопросы вызвали увеличение стоимости процесса.

Покрытия на основе карбида хрома имеют износостойкость, которая в два с половиной — пять раз лучше, чем твердое хромирование, и не имеют проблем с утилизацией сточных вод. Поэтому они находят все большее применение за счет твердого хромирования, особенно, если важна износостойкость или требуется толстое покрытие для большой части. Это интересная и быстро развивающаяся область, которая станет более важной, поскольку затраты на соблюдение природоохранного законодательства возрастают.

Режущие инструменты

Преобладающим материалом здесь является порошок карбида вольфрама, который спекается с кобальтом для производства чрезвычайно твердых предметов. Чтобы улучшить ударную вязкость этих режущих инструментов, к веществу добавляют карбид титана, ниобия и хрома. Роль последнего заключается в предотвращении роста зерна во время спекания. В противном случае в процессе будут образовываться чрезмерно крупные кристаллы, которые могут ухудшить ударную вязкость режущего инструмента.