Titancarbidpulver ist ein extrem hartes keramisches Material, das in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt wird, die hohe Härte, Verschleißfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und chemische Stabilität bei extremen Temperaturen erfordern. Dieser Artikel bietet ein umfassendes technisches Nachschlagewerk über TiC-Pulver mit Informationen zu Eigenschaften, Herstellungsverfahren, Anwendungen, Lieferanten, Spezifikationen, Qualitäten und mehr.
Überblick über Titan-Karbid-Pulver
Titancarbid (TiC)-Pulver besteht aus Kohlenstoff und Titan, in der Regel mit geringen Anteilen anderer metallischer Elemente. Es hat einen extrem hohen Schmelzpunkt von 3140°C und eine hohe Härte, die der von Titannitrid nahe kommt. Zu den wichtigsten Eigenschaften und Merkmalen gehören:
Tabelle 1: Eigenschaften und Merkmale von Titancarbid-Pulver
| Eigenschaften | Merkmale |
|---|---|
| Chemische Formel | TiC |
| Zusammensetzung | Titan (88.1%), Kohlenstoff (11.9%) |
| Farbe | Graues bis schwarzes Pulver |
| Schmelzpunkt | 3140°C |
| Dichte | 4,93 g/cm3 |
| Mohshärte | 2800-3200 HV |
| Stärke | Hohe Druck- und Biegefestigkeit |
| Thermische Eigenschaften | Hohe Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit |
| Elektrische Leitfähigkeit | Metallischer elektrischer Leiter |
| Oxidationsbeständigkeit | Oxidationsbeständig bis zu 800°C an der Luft |
| Säureresistenz | Unlöslich in Säuren bei Raumtemperatur |
Zu den wichtigsten Vorteilen von Titankarbidpulver gehören die extreme Härte und Verschleißfestigkeit, die Beibehaltung der mechanischen Festigkeit bei über 3100 °C und die chemische Inertheit. Zu den Nachteilen gehören Sprödigkeit und geringere Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen über 800 °C im Vergleich zu anderen Karbiden.
Herstellungsmethoden
Titancarbidpulver kann in verschiedenen Herstellungsverfahren produziert werden:
Tabelle 2: Überblick über die Herstellungsverfahren für Titancarbidpulver
| Methode | Beschreibung | Merkmale |
|---|---|---|
| Direkte Karbidreaktion | Titanpulver wird durch Erhitzen mit Kohlenstoff auf über 1600°C aufgekohlt. | Geringere Reinheit, größere Körner |
| Selbstausbreitende Hochtemperatursynthese (SHS) | Stark exotherme Thermitreaktionen zur Herstellung von TiC | Feinere Korngrößen |
| Sol-Gel | Nasschemisches Verfahren mit Titan- und Kohlenstoffvorläufern | Ultrafeine gleichmäßige Pulverpartikel |
| Plasma-Synthese | TiC, gebildet aus gasförmigen Reaktanten in einer Plasmaentladung | Sphärische Nanopulver mit hoher Reinheit |
| Andere Methoden | Elektrolyse, Laserpyrolyse, Verbrennungssynthese | Spezialpulver mit einzigartigen Größen und Formen |
Zu den Schlüsselfaktoren bei der Auswahl einer Produktionsmethode gehören die erforderlichen Pulvereigenschaften wie Partikelgröße, Form, Reinheitsgrad und Kosten.
Anwendungen von Titan-Karbid-Pulver
Einige wichtige Anwendungen für Titancarbidpulver sind:
Tabelle 3: Überblick über die industriellen Anwendungen von Titancarbid-Pulver
| Industrie | Anwendungen |
|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Wärmeschutzsysteme, Strahldüsen |
| Automobilindustrie | Keramische Fahrzeugpanzerung, Bremsscheiben |
| Herstellung | Schneidwerkzeuge, Umformwerkzeuge, Lagerflächen |
| Konstruktion | Düsenauskleidungen, Gesteinsbohrknöpfe |
| Energie | Kernbrennstoffbeschichtungen, Materialien für Fusionsreaktoren |
| Chemikalien | Flüssigkatalysatorträger, korrosionsbeständige Auskleidungen |
Aus Titankarbid entstehen leichte Verbundwerkstoffe wie TiC-Ni und TiC-Co mit extremer Härte und Verschleißfestigkeit, die sich für die anspruchsvollsten mechanischen und Hochtemperaturanwendungen eignen.
Es wird vor allem wegen der folgenden Fähigkeiten geschätzt:
- Behält seine Festigkeit über 3100°C bei - behält seine Eigenschaften, wo Stähle und Karbide versagen
- Extreme Härte widersteht selbst bei hohen Temperaturen dem Verschleiß durch Abrieb
- Geringe Wärmeausdehnung unterstützt die Temperaturwechselbeständigkeit
- Widersteht Erosion, Korrosion und chemischen Angriffen
Spezifikationen und Qualitäten
Titankarbidpulver ist in Standard- und kundenspezifischen Spezifikationen erhältlich:
Tabelle 4: Spezifikationen und Qualitäten von Titancarbid-Pulver
| Parameter | Spezifikation Bereich |
|---|---|
| Reinheit | 89-99.5% TiC |
| Kohlenstoffgehalt | 5-15% |
| Partikelgröße | 0,5 μm - 45 μm |
| Partikelform | kugelförmig, eckig, zerkleinert |
| Dichte | 4,90 - 5,10 g/cm3 |
| Härte | 2800-3200 HV Vickers |
| Sauerstoffgehalt | < 2% wt |
| Spezifische Oberfläche | 0,5 - 15 m2/g |
| Dichte des Gewindebohrers | 2,0 - 3,5 g/cm3 |
Noten:
- Nuklearqualität >99% TiC
- Struktursorte 89-92% TiC
- Metallurgische Qualität 70-75% TiC
Nukleare Sorten mit höherem Reinheitsgrad weisen weniger freie Kohlenstoff-, Eisen- und Nickelverunreinigungen auf. Strukturelles TiC hat eine höhere Härte und gleichmäßige grobe Körner.
Normen und Prüfverfahren
Titankarbidpulverprodukte müssen verschiedene Anwendungsnormen in Bezug auf Zusammensetzung, Verunreinigungen, Partikelgrößenverteilung und andere für die Endanwendung spezifische Parameter erfüllen. Einige gängige Normen umfassen:
Tabelle 5: Normen und Prüfverfahren für TiC-Pulver
| Standard | Beschreibung |
|---|---|
| ISO 11358 | Hartmetallpulver - Bestimmung der Partikelgrößenverteilung durch Laserbeugung |
| ASTM C1046 | Standardverfahren für die Inspektion von Gussstücken aus Titan und Titanlegierungen |
| AMS-H-8656 | Wolframbasis, Kobaltbasis, Eisenbasis, Nickelbasis; Keramik- und Karbidpulver, Flugzeugqualität |
| MIL-PRF-32159 | Leistungsanforderungen für pulver- und heißisostatisch gepresste Ringschmiedestücke aus Titanlegierungen für rotierende Turbomaschinenteile |
| GB/T 5481 | Metallurgische Analysemethoden für Hartmetallpulver |
| JIS R 1611 | Pulvermetallurgie - Hartmetallpulver Probenahme- und Prüfverfahren |
Diese Standards tragen dazu bei, die Produktzuverlässigkeit über verschiedene Produktionslose und mehrere Lieferanten hinweg zu gewährleisten. Sowohl Lieferanten als auch Endverbraucher nutzen häufig zusätzliche Analysetechniken wie SEM, EDX, XRD und Laser-Partikelgrößenanalyse, um Materialien im Detail zu charakterisieren.
Lieferanten und Preisgestaltung
Titankarbidpulver ist im Handel bei vielen großen Anbietern weltweit erhältlich. Zu den führenden Herstellern gehören:
Tabelle 6: Ausgewählte Lieferanten von Titancarbidpulver
| Anbieter | Standort | Produkt-Güteklassen |
|---|---|---|
| Atlantic Ausrüstungsingenieure | US | Nuklear, strukturell, metallurgisch |
| HC Starck | Deutschland | Nuklear, Sputtering-Qualitäten |
| Kennametal | US | Kundenspezifische Legierungen und Verbundwerkstoffe |
| Materion | US | Hochreine Nuklearsorten |
| Micron Metalle | US | Standard- und kundenspezifische Partikelgrößen |
| Lesen Sie fortgeschrittene Materialien | US | Pulver und HIP-Produkte |
| UK-Schleifmittel | UK | Mehrere Reinheiten |
Die Preisgestaltung kann sehr unterschiedlich sein:
- TiC-Pulver in nuklearer Qualität - $1800+ pro kg
- TiC-Pulver in Strukturqualität - $20-100 pro kg
- TiC-Rohlinge für HIP-Produkte - $50-200 pro kg
Der genaue Preis hängt von Reinheitsgrad, Partikelgröße, Abnahmemenge und anderen Faktoren ab.
Vergleich von Titan-Karbid-Pulver zu Alternativen
Tabelle 7: Vergleich von Titancarbidpulver mit alternativen Hartkeramiken
| Parameter | Titankarbid | Wolframkarbid | Siliziumkarbid |
|---|---|---|---|
| Dichte | 4,93 g/cm3 | 15,63 g/cm3 | 3,21 g/cm3 |
| Härte | 2800-3200 HV | 1300-2400 HV | 2400-2800 HV |
| Maximale Betriebstemperatur | 3100°C | 700°C | 1650°C |
| Bruchzähigkeit | 3-6 MPa√m | 10-15 MPa√m | 3-5 MPa√m |
| Oxidationsbeständigkeit | Gut bis 800°C | Schlecht über 500°C | Ausgezeichnet bis 1600°C |
| Kosten | Mäßig | Niedrig | Niedrig |
| Toxizität | Niedrig | Hoch | Niedrig |
Hauptunterschiede:
- Wolframkarbid hat eine höhere Zähigkeit
- Siliziumkarbid hat eine bessere Oxidationsbeständigkeit
- Titankarbid kann extrem hohen Temperaturen standhalten
- Titankarbid bietet die beste Allround-Leistung
Vorteile und Beschränkungen
Tabelle 8: Vorteile und Einschränkungen von Titankarbidpulver
| Vorteile | Beschränkungen |
|---|---|
| Extreme Härte bei hohen Temperaturen | Spröde mit geringerer Bruchzähigkeit |
| Hohe Korrosions- und Verschleißfestigkeit | Teurer als Wolframkarbid |
| Behält seine Festigkeit über 3100°C bei | Oxidiert leicht bei über 800°C |
| Hohe Wärmeleitfähigkeit | Empfindlich gegen Sauerstoffkontamination |
Wichtige Anwendungen im Detail
Titankarbid ermöglicht außergewöhnliche Leistungsverbesserungen in allen Branchen, von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zu Fertigung und Energie. In diesem Abschnitt werden einige wichtige Anwendungen vorgestellt, die die hervorragenden Eigenschaften von Titankarbid hervorheben.
Luft- und Raumfahrtanwendungen
Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt erfordern Materialien, die extremen Bedingungen standhalten. Titankarbid behält seine Festigkeit bei über 3000 °C, widersteht Temperaturschocks und wird auch nach wiederholten Erhitzungszyklen nicht abgebaut - ideale Eigenschaften für Komponenten von Hyperschallflugzeugen.
Führende Materialien und Beschichtungen
Die Titankarbid-Verbundwerkstoffe TiC-Ni und TiC-Co ermöglichen es, dass scharfe Flügelvorderkanten von Hyperschallfahrzeugen einer starken Reibungserwärmung beim Wiedereintritt in die Atmosphäre von bis zu 3200 °C standhalten. Die Leistung ist den herkömmlichen Verbundwerkstoffen mit Graphit- oder Keramikmatrix weit überlegen.
Darüber hinaus schützen Titankarbidbeschichtungen, die mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht werden, Tragflächen, Triebwerkseinlässe und andere Komponenten vor Oxidation und abrasivem Verschleiß bei Geschwindigkeiten über Mach 5.
Thermische Schutzsysteme
Wiederverwendbare Wärmeschutzsysteme (TPS) in Raumfahrzeugen sind extremen Temperaturschwankungen zwischen -150 °C im Weltraum und 1650 °C beim Wiedereintritt ausgesetzt. Titankarbid behält seine Festigkeit in diesem Bereich bei und widersteht thermischen Ermüdungsrissen nach wiederholter Exposition besser als andere Keramiken.
Das Raumflugzeug X-37B beispielsweise verwendet eine TiC-Schicht in seinem TPS, um die darunter liegende Fahrzeugstruktur zu schützen. TiC-Ablatoren isolieren auch Raketendüsen und Hyperschall-Scramjet-Triebwerke gegen Abgase, die mehr als 3300 °C erreichen.
Bremsen für Flugzeuge
Die Kohlenstoffbremsen von Düsenflugzeugen müssen bei Landungen mit einer Geschwindigkeit von 160 Knoten über 700 °C aushalten. Allerdings oxidiert Kohlenstoff leicht, was zu Staubbildung und frühzeitigem Verschleiß führt.
Der Ersatz von Karbonkomponenten durch Rotoren und Statoren aus Titancarbid verlängert die Lebensdauer der Teile erheblich und erhöht die zulässigen Bremstemperaturen auf 1150 °C, was insgesamt zu leichteren Bremssystemen führt.
Bewaffnung
Geschmolzenes Metall zerstört schnell herkömmliche Waffenrohrauskleidungen, was zu ungleichmäßigem Verschleiß oder Explosionen im Rohr führt. Plasmagespritzte Titankarbidbeschichtungen widerstehen jedoch der Metallerosion außerordentlich gut und ermöglichen das dauerhafte Abfeuern von hochkalibrigen Waffen über normale Betriebstemperaturen hinaus bei minimalem Verschleiß.
Automotive Anwendungen
Die Automobilhersteller forschen ständig an Materialien, um schnellere, sicherere und leichtere Autos und Lastwagen zu bauen. In der Automobilindustrie wird Titancarbid in großem Umfang für Panzerungen, Bremsen und Motorkomponenten verwendet.
Fahrzeug-Panzerung
Militärfahrzeuge verwenden für die ballistische Panzerung Titankarbid-Keramik-Verbundwerkstoffe wie TiC-Kevlar anstelle von herkömmlichem Stahl. Dadurch wird das Gewicht um 30% reduziert und gleichzeitig der Schutz gegen panzerbrechende Waffen erhöht.
Keramiklaminate mit einer TiC-Schlagfläche zerstreuen und verformen einschlagende Geschosse besser als Metallplatten. Die leichtere Panzerung verbessert die Mobilität des Fahrzeugs und die Kraftstoffeffizienz, die für Kampfeinsätze entscheidend sind.
Bremsscheiben
In der Formel 1 und anderen Hochleistungsfahrzeugen werden Titan-Karbid-Bremsscheiben aus Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffen (CMC) eingesetzt, um die extremen Temperaturen zu bewältigen, die durch die wiederholten Bremskräfte bei Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 350 km/h entstehen.
TiC-Scheiben verbessern auch die Bremsleistung und beseitigen das Problem des Bremsfadens, das bei High-End-Sportwagen im Renneinsatz auftritt. Regenerative Bremssysteme in Elektrofahrzeugen verlassen sich ebenfalls auf Rotoren aus Titancarbid, die extrem hitzebeständig sind.
Verschleißteile
Titankarbid verlängert die Lebensdauer von hochbelasteten Motorkomponenten, die bei hohen Temperaturen über 1000°C zu Abrieb neigen. Wenn beispielsweise herkömmliche Stahlventile und Kolbenhülseneinsätze durch TiC-Versionen ersetzt werden, werden 50-100% längere Betriebszeiten erreicht, bevor der Verschleiß die Ausfallgrenze erreicht.
In beschichteten Motorbohrungen übertrifft TiC die derzeit verwendeten thermischen Spritzschichten aus Nickelkarbid. Dies ermöglicht höhere Spitzendrücke und Verbrennungstemperaturen und damit eine höhere Kraftstoffeffizienz.
Schneidewerkzeuge
Alle großen Anbieter von Zerspanungswerkzeugen bieten ein umfangreiches Sortiment an Wendeschneidplatten, Bohrern, Schaftfräsern und Spezialwerkzeugen mit einem Titankarbidsubstrat, das mit anderen Karbiden, Keramik oder Diamantbeschichtungen verbunden ist.
Abnutzungswiderstand
TiC behält eine Härte bei, die über den Erweichungspunkt herkömmlicher Werkzeugstähle bei ca. 600 °C hinausgeht, und ermöglicht so schnellere Materialabtragsraten, höhere Schnittgeschwindigkeiten und geringeren Verschleiß bei der Trockenbearbeitung mit hoher Geschwindigkeit.
Thermische Eigenschaften
Die hohe Wärmeleitfähigkeit verhindert, dass es bei unterbrochenen Schnitten zu punktuellen Überhitzungen kommt, die zum Bruch des Werkzeugs führen. TiC weist außerdem eine minimale Wärmeausdehnung auf, die der von Diamant entspricht - ein entscheidender Faktor für die Mikrofertigung von Präzisionswerkzeugen.
Leistungsverbesserungen
Das Ersetzen herkömmlicher Hartmetallkomponenten wie Wendeschneidplatten durch TiC-Upgrades verlängert die Standzeit bei gleichen Betriebsparametern um das 2 bis 4-fache. Alternativ können Schnittgeschwindigkeiten oder Vorschübe bei gleichem Wendeplattenverschleiß deutlich erhöht werden.
Für schwer zu bearbeitende Legierungen der nächsten Generation in der Luft- und Raumfahrt, wie Inconel 718, Titanaluminid TiAl und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe MMC, ermöglichen Werkzeuge aus Titankarbid praktikable Fertigungsoptionen, die sonst nicht möglich wären.
Düseneinsätze
Titankarbiddüsen widerstehen hochgradig erosiven Partikelströmen bei der Handhabung von Abrasivstoffen aus der Landwirtschaft und der Mineralienverarbeitung bis hin zum Kugelstrahlen und Sintern von Pulvermetall:
Abnutzungswiderstand
TiC-Düseneinsätze, die bei der Verarbeitung von Lebensmitteln, Pharmazeutika und Spezialchemikalien eingesetzt werden, überdauern herkömmliche Versionen aus Wolframkarbid, Siliziumkarbid und Chromkarbid in extrem abrasiven Feinpulverströmen routinemäßig um 300 - 500%.
Schutz bei hohen Geschwindigkeiten
Titan-Karbid-Abdeckungen, die Kühlluftwirbel enthalten, schirmen Triebwerksschaufeln aus Verbundwerkstoffen vor eindringendem Sand mit Geschwindigkeiten von über 650 m/s ab. Bei Tests zur Eindämmung von Schaufeln überstehen TiC-Komponenten Einstiche in Schaufeln, die durch Fan-Desintegration entstanden sind, unbeschadet, während andere Materialien brechen.
Einsatz bei extremen Temperaturen
Plasmaspritzdüsen für die Herstellung von geschmolzenem Zirkonium, Stahl und Glasfasern bestehen aus frei stehenden TiC-Rohren ohne zusätzliche Kühlung. TiC widersteht zuverlässig Schlackenkorrosion und Wärmeströmen von über 3000 °C, die Kobalt- und Nickellegierungen leicht zerstören.
Nukleare Anwendungen
Titancarbid wird in der gesamten Kernkraftindustrie eingesetzt, von der Umhüllung von Kernbrennstoffen bis zum Schutz der ersten Wand in experimentellen Fusionsreaktoren.
Brennstoff-Verkleidung
Herkömmliche Zirkonium-Brennelementlegierungen können bei einem Überhitzungsunfall im Reaktorkern oxidieren, schmelzen und radioaktive Isotope freisetzen. Titankarbidbeschichtungen ermöglichen jedoch kühlere, langsamere Reaktionen, indem sie eine passivierende TiO2-Schicht bilden, die entweichende Partikel auffängt und so die Sicherheitsgrenzen deutlich erhöht.
Komponenten für die Plasmabeschichtung
In experimentellen Tokamak-Fusionsreaktoren erodieren die intensiven 40 MW/m2-Plasma-Hitzeströme schnell feste Panzerplatten, da Fusionspartikel und Röntgenstrahlen die Oberflächen ständig beschießen. Thermisch gespritzte Schichten oder freistehende TiC-Komponenten halten diesen rauen Bedingungen besser stand und haben im Vergleich zu Wolfram-Alternativen eine 2-3fach längere Lebensdauer, bevor sie ersetzt werden müssen.
Container für radioaktive Abfälle
Nach der Wiederaufbereitung von Brennelementen werden hochradioaktive Flüssigkeiten in Borosilikatglas-Stämmen verglast und in korrosionsbeständigen Kanistern gelagert. Die vollständige Undurchlässigkeit von Titankarbid für Gase und Flüssigkeiten über geologische Zeiträume ermöglicht eine sichere Langzeitlagerung ohne Leckagen in die Umwelt.
Öl- und Gasbohrungen
Titankarbid verdient eine besondere Auszeichnung als das härteste, heißeste und verschleißfesteste Material für Gesteinsbohreinsätze, das je entwickelt wurde. TC-Knöpfe sind zum Goldstandard in der Öl-, Gas- und Geothermie-Bohrindustrie geworden und übertreffen frühere Lösungen aus polykristallinem Diamant (PDC).
Reibender Gesteinsabrieb
Rotierende Kegelbohrer, die für Tiefbohrungen in 6000 m Tiefe eingesetzt werden, sind während des Schneidens mit extremen Gesteinsdrücken und Reibungswärmeflüssen von 100 kW konfrontiert. Massive TC-Einsätze halten unter diesen Bedingungen eine Härte von über 3200 HV und bohren 5-10 mal schneller als Stahlzähne, bevor sie ausgetauscht werden müssen.
Hochgeschwindigkeits-Felsdurchdringung
Geothermie- und Öl-/Gasbohrunternehmen, die sich auf harte Sediment- oder Basaltschichten spezialisiert haben, setzen ausschließlich TC-Knopfbohrer ein, die bis zu viermal höhere Eindringraten als alternative Bohrertypen bei gleicher Lebensdauer erzielen.
Fazit: Nichts schneidet besser durch Gestein als Titankarbid und hält den harten Bedingungen im Bohrloch stand.
Schlussfolgerung
Mit extremer Härte, einer Temperaturbeständigkeit von über 3000°C und hoher Verschleißfestigkeit bietet Titancarbid außergewöhnliche Materialeigenschaften, die in konkurrierenden Keramiken oder herkömmlichen Legierungen nicht zu finden sind. TiC widersteht zuverlässig den heftigsten thermischen, chemischen und mechanischen Extrembedingungen in jeder Branche.
Trotz der erheblichen Leistungsvorteile kostet Titancarbid weniger als vergleichbare Refraktärmetalle wie Molybdän oder Wolfram. Diese einzigartige Kombination aus Fähigkeiten und Erschwinglichkeit ist der Grund für die zunehmende Verwendung von Titancarbid in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Fertigung, im Energiesektor und in den anspruchsvollsten Anwendungen weltweit.
Im Zuge des technologischen Fortschritts, der eine zuverlässigere Produktion und Verfügbarkeit ermöglicht, ist zu erwarten, dass die Verbreitung von Titankarbid weiter zunehmen wird. Der Werkstoff bestimmt die Schneidkante.
