Węglik chromu jest związkiem ceramicznym występującym w kilku różnych składach chemicznych: Cr3 C2, Cr7 C3 i Cr23 C6. W standardowych warunkach istnieje jako istota szara. Chrom jest bardzo twardym i odpornym na korozję metalem. Jest również trudnopalny, co oznacza, że pozostaje wytrzymały nawet w wysokich temperaturach.
Te właściwości chromu sprawiają, że jest on przydatny jako dodatek do stopów metali. Gdy kryształy węglika są zintegrowane z powierzchnią materiału, poprawia to odporność na zużycie i korozję, a także zachowuje te właściwości w podwyższonych temperaturach. Najbardziej złożonym i najczęściej używanym związkiem do tego celu jest Cr3 C2.
Powiązane minerały to tongbait i izowit (Cr, Fe) 23 C6, oba niezwykle rzadkie. Innym bogatym minerałem węglikowym jest jarlongit Cr4 Fe4 NiC4.
Właściwości chromu
Sątrzy różne struktury krystaliczne węglika odpowiadające trzem różnym składom chemicznym:
- Cr23 C6 ma strukturę sześcienną i twardość Vickersa 976 kg/mm2.
- Cr7 C3 ma heksagonalną strukturę krystaliczną i mikrotwardość 1336 kg/mm2.
- Cr3 C2 jest najbardziej wytrzymałym z trzech składów i ma strukturę rombową o mikrotwardości 2280 kg/mm2.
Z tego powodu Cr3 C2 jest główną formułą węglika chromu stosowanego w obróbce powierzchni.
Synteza
Sklejanie węglików można uzyskać poprzez mechaniczne dodawanie stopów. W tego typu procesie metaliczny chrom i węgiel w postaci grafitu są podawane do młyna kulowego i mielone na drobny proszek. Po zmiażdżeniu składników łączy się je w granulki i poddaje prasowaniu izostatycznemu na gorąco. Ta operacja wykorzystuje gaz obojętny, głównie argon w zamkniętym piecu.
Ta substancja pod ciśnieniem wywiera nacisk na próbkę ze wszystkich stron podczas nagrzewania się pieca. Ciepło i ciśnienie powodują, że grafit i metal reagują ze sobą i tworzą węglik chromu. Spadek zawartości procentowej węgla w mieszaninie wyjściowej prowadzi do wzrostu wydajności form Cr7 C3 i Cr23 C6.
Inna metoda syntezy węglika chromu wykorzystuje tlenek, czysty glin i grafit w samorozprzestrzeniającej się reakcji egzotermicznej, która przebiega w następujący sposób:
3Cr2O3 + 6Al + 4C → 2Cr3C2 + 3Al 2O3
W tej metodzie odczynnikikruszony i mieszany w młynie kulowym. Jednorodny proszek jest następnie prasowany w tabletkę i umieszczany w atmosferze obojętnego argonu. Próbka jest następnie podgrzewana. Gorący drut, iskra, laser lub piekarnik mogą dostarczać ciepło. Rozpoczyna się reakcja egzotermiczna, a uzyskana para rozprowadza efekt na resztę próbki.
Produkcja węglików chromu
Wiele firm tworzy tę substancję, łącząc redukcję aluminotermiczną i obróbkę próżniową w temperaturach 1500°C i wyższych. Mieszanina metalicznego chromu, tlenku i węgla jest przygotowywana, a następnie ładowana do pieca próżniowego. Ciśnienie w piecu zostaje obniżone, a temperatura wzrasta do 1500°C. Węgiel reaguje następnie z tlenkiem, tworząc metal i tlenek gazowy, który jest odprowadzany do pomp próżniowych. Chrom łączy się następnie z pozostałym węglem, tworząc węglik.
Dokładna równowaga między tymi składnikami określa zawartość powstałej substancji. Jest to dokładnie kontrolowane, aby zapewnić, że jakość produktu jest odpowiednia dla wymagających rynków, takich jak przemysł lotniczy.
Produkcja metalicznego chromu
- Naukowcy odkrywają nową klasę węglików, które czerpią stabilność z nieuporządkowanej struktury.
- Wyniki badania kładą podwaliny pod przyszłe badania nowych węglików przydatnych w praktycznych zastosowaniach.
- Tworzenie azotków 2D właśnie stało się łatwiejsze.
Metal, którystosowany w wielu firmach, wytwarzany metodą redukcji aluminotermicznej, w której powstaje mieszanina tlenku chromu i proszku aluminiowego. Następnie są ładowane do naczynia do prażenia, gdzie mieszanina jest zapalana. Aluminium redukuje tlenek chromu do metalu i żużla z tlenku glinu w temperaturze 2000–2500°C. Substancja ta tworzy stopioną kałużę na dnie komory wypalania, gdzie może być zebrana, gdy temperatura wystarczająco spadnie. W przeciwnym razie kontakt będzie trudny i bardzo niebezpieczny. Następnie substancja wyjściowa zamieniana jest w proszek i wykorzystywana jako surowiec do produkcji węglika chromu.
Dalsze szlifowanie
Kruszenie węglika chromu i jego wyjściowej substancji odbywa się w młynach. Podczas mielenia drobnych proszków metali zawsze istnieje ryzyko wybuchu. Dlatego młyny są specjalnie zaprojektowane do radzenia sobie z takimi potencjalnymi zagrożeniami. Chłodzenie kriogeniczne (najczęściej ciekły azot) jest również stosowane w obiekcie w celu ułatwienia mielenia.
Powłoki odporne na zużycie
Węgliki są twarde, dlatego powszechnym zastosowaniem chromu jest zapewnienie mocnych, odpornych na zużycie powłok na częściach, które wymagają ochrony. W połączeniu z ochronną metalową osnową można opracować zarówno środki antykorozyjne, jak i odporne na zużycie, które są łatwe w aplikacji i opłacalne. Powłoki te wykonuje się metodą spawania lub natryskiwania cieplnego. W połączeniu z innymi odpornymi substancjami, węglik chromu może być stosowany doformowanie narzędzi skrawających.
Elektrody spawalnicze
Te pręty z węglika chromu są coraz częściej używane w miejsce starych elementów zawierających żelazochrom lub węgiel. Dają lepsze i bardziej spójne rezultaty. W tych elektrodach spawalniczych podczas procesu spajania powstaje węglik chromu II, który zapewnia warstwę ścieralną. Jednak tworzenie węglików zależy od dokładnych warunków w gotowym spoinie. Dlatego mogą wystąpić między nimi zmiany, które nie są widoczne dla elektrod zawierających węglik chromu. Znajduje to odzwierciedlenie w odporności na zużycie napawanej spoiny.
Podczas testowania koła wykonanego z suchej gumy piaskowej stwierdzono, że szybkość zużycia związku nałożonego na elektrody ferrochromowe lub węglowe była o 250% wyższa. W porównaniu z węglikiem chromu.
Tendencja w branży spawalniczej od elektrod samoprzylepnych do drutów proszkowych jest korzystna dla tej substancji. Węglik chromu jest stosowany prawie wyłącznie w sproszkowanym elemencie zamiast wysokowęglowego żelazochromu, ponieważ nie ulega rozcieńczeniu spowodowanemu nadmiarem żelaza.
Oznacza to, że można uzyskać powłokę zawierającą większą ilość twardych cząstek, która ma wysoką odporność na zużycie. W związku z tym, ponieważ następuje przejście z elektrod topliwych na drut proszkowy ze względu na zalety automatyzacji i wyższą wydajność związaną z tą ostatnią technologią spawania materiałów, rynek węglików spiekanych rośnie.
Typowe zastosowaniato: napawanie ślimaków przenośników, łopatek mieszalnika paliwa, wirników pomp oraz ogólne zastosowania chromu, gdzie wymagana jest odporność na zużycie.
Natrysk termiczny
Podczas natryskiwania cieplnego węglik chromu łączy się z metalową osnową, taką jak nikiel-chrom. Zazwyczaj stosunek tych substancji wynosi odpowiednio 3:1. Obecna jest metalowa osnowa, która wiąże węglik z powleczonym podłożem i zapewnia wysoki stopień odporności na korozję.
Połączenie tej właściwości i odporności na zużycie oznacza, że natryskiwane cieplnie powłoki CrC-NiCr są odpowiednie jako bariera chroniąca przed zużyciem w wysokich temperaturach. Z tego powodu są coraz częściej wykorzystywane na rynku lotniczym. Typowe zastosowania to powłoki na trzpienie prętów, matryce do tłoczenia na gorąco, zawory hydrauliczne, części maszyn, ochrona elementów aluminiowych przed zużyciem oraz ogólne zastosowania o dobrej odporności na korozję i ścieranie w temperaturach do 700-800°C.
Alternatywna dla chromowania
Nowe zastosowanie powłok natryskiwanych cieplnie jako zamiennika nasycania twardym produktem. Twarde chromowanie zapewnia odporną na zużycie powłokę o dobrej jakości powierzchni przy niskich kosztach. Chromowanie uzyskuje się poprzez zanurzenie przedmiotu przeznaczonego do nasycenia w pojemniku z roztworem chemicznym zawierającym chrom. Następnie przez zbiornik przepływa prąd elektryczny, co powoduje osadzanie się materiału na częściach itworzenie spójnej powłoki. Jednak rosnące obawy o środowisko są związane z usuwaniem ścieków ze zużytego roztworu galwanicznego, a problemy te spowodowały wzrost kosztów procesu.
Powłoki z węglika chromu mają od dwóch i pół do pięciu razy lepszą odporność na zużycie niż twarde chromowanie i nie stwarzają problemów z usuwaniem ścieków. Dlatego są coraz częściej stosowane do chromowania twardego, zwłaszcza gdy ważna jest odporność na zużycie lub wymagana jest gruba powłoka dla dużej części. Jest to interesujący i szybko rozwijający się obszar, który stanie się ważniejszy w miarę wzrostu kosztów przestrzegania przepisów dotyczących ochrony środowiska.
Narzędzia do cięcia
Dominującym materiałem jest tutaj proszek węglika wolframu, który jest spiekany z kob altem w celu uzyskania niezwykle twardych przedmiotów. Aby poprawić wytrzymałość tych narzędzi skrawających, do materiału dodaje się węgliki tytanu, niobu i chromu. Rolą tego ostatniego jest zapobieganie wzrostowi ziarna podczas spiekania. W przeciwnym razie podczas procesu powstaną nadmiernie duże kryształy, które mogą obniżyć wytrzymałość narzędzia tnącego.
