Kromikarbidi on keraaminen yhdiste, jota on useissa eri kemiallisissa koostumuksissa: Cr3 C2, Cr7 C3 ja Cr23 C6. Normaaliolosuhteissa se esiintyy harmaana aineena. Kromi on erittäin kova ja korroosionkestävä metalli. Se on myös palonestoaine, mikä tarkoittaa, että se pysyy vahvana jopa korkeissa lämpötiloissa.
Nämä kromin ominaisuudet tekevät siitä hyödyllisen lisäaineena metalliseoksissa. Kun karbidikiteitä integroidaan materiaalin pintaan, se parantaa kulutuskestävyyttä ja korroosionkestävyyttä ja säilyttää nämä ominaisuudet myös korkeissa lämpötiloissa. Monimutkaisin ja yleisimmin käytetty yhdiste tähän tarkoitukseen on Cr3 C2.
Lähimäisiä mineraaleja ovat tongbiitti ja isoviitti (Cr, Fe) 23 C6, molemmat erittäin harvinaisia. Toinen rikas karbidimineraali on yarlongiitti Cr4 Fe4 NiC4.
Chromium-ominaisuudet
Onkolme erilaista karbidin kiderakennetta, jotka vastaavat kolmea erilaista kemiallista koostumusta:
- Cr23 C6 on kuutiorakenne ja Vickers-kovuus 976 kg/mm2.
- Cr7 C3:lla on kuusikulmainen kiderakenne ja mikrokovuus 1336 kg/mm2.
- Cr3 C2 on kestävin kolmesta koostumuksesta ja sen rombinen rakenne, jonka mikrokovuus on 2280 kg/mm2.
Tästä syystä Cr3 C2 on pintakäsittelyssä käytetyn kromikarbidin pääkaava.
Synteesi
Karbidiliitos voidaan saada aikaan mekaanisella seostamisella. Tämän tyyppisessä prosessissa kromimetalli ja grafiitin muodossa oleva hiili syötetään kuulamyllyyn ja jauhetaan hienoksi jauheeksi. Komponenttien murskaamisen jälkeen ne yhdistetään rakeiksi ja alistetaan kuumalle isostaattiselle puristimelle. Tässä toimenpiteessä käytetään inerttiä kaasua, pääasiassa argonia suljetussa uunissa.
Tämä paineistettu aine kohdistaa painetta näytteeseen joka puolelta, kun uuni lämpenee. Lämpö ja paine saavat grafiitin ja metallin reagoimaan keskenään ja muodostamaan kromikarbidia. Alkuseoksen hiilen prosenttiosuuden lasku johtaa Cr7 C3- ja Cr23 C6 -muotojen saannon kasvuun.
Toisessa menetelmässä kromikarbidin syntetisoimiseksi käytetään oksidia, puhdasta alumiinia ja grafiittia itsestään etenevässä eksotermisessä reaktiossa, joka etenee seuraavasti:
3Cr2O3 + 6Al + 4C → 2Cr3C2 + 3Al 2O3
Tässä menetelmässä reagenssitmurskataan ja sekoitetaan kuulamyllyssä. Tasainen jauhe puristetaan sitten tabletiksi ja asetetaan inerttiin argonatmosfääriin. Sitten näyte kuumennetaan. Kuuma lanka, kipinä, laser tai uuni voivat tuottaa lämpöä. Eksoterminen reaktio käynnistyy ja tuloksena oleva höyry levittää vaikutuksen koko näytteen loppuosaan.
Kromikarbidien tuotanto
Monet yritykset luovat aineen yhdistämällä aluminotermisen pelkistyksen ja tyhjiöprosessoinnin vähintään 1500 °C:n lämpötiloissa. Kromimetallin, oksidin ja hiilen seos valmistetaan ja ladataan sitten tyhjiöuuniin. Uunin painetta alennetaan ja lämpötila nostetaan 1500 asteeseen. Sitten hiili reagoi oksidin kanssa muodostaen metallia ja kaasumaista monooksidia, joka johdetaan tyhjiöpumppuihin. Kromi yhdistyy sitten jäljellä olevan hiilen kanssa muodostaen karbidia.
Näiden komponenttien välinen tarkka tasapaino määrittää tuloksena olevan aineen sisällön. Tätä valvotaan huolellisesti sen varmistamiseksi, että tuotteen laatu soveltuu vaativille markkinoille, kuten ilmailulle.
Metallisen kromin valmistus
- Tutkijat löytävät uuden luokan karbideja, jotka saavat vakauden epäjärjestyneestä rakenteesta.
- Tutkimuksen tulokset luovat perustan tuleville tutkimuksille uusista käytännön sovelluksista hyödyllisistä karbideista.
- 2D-nitridien luominen on nyt helpompaa.
Metalli tuokäytetään monissa yrityksissä, valmistettu aluminotermisellä pelkistyksellä, jossa muodostuu kromioksidin ja alumiinijauheen seos. Sitten ne ladataan paahtoastiaan, jossa seos sytytetään. Alumiini pelkistää kromioksidin metalliksi ja alumiinioksidikuonaksi lämpötilassa 2000–2500°C. Tämä aine muodostaa polttokammion pohjalle sulan altaan, johon se voidaan kerätä, kun lämpötila on laskenut riittävästi. Muuten yhteydenpito on vaikeaa ja erittäin vaarallista. Sitten alkuperäinen aine muutetaan jauheeksi ja sitä käytetään raaka-aineena kromikarbidin valmistuksessa.
Jatkohionta
Kromikarbidin ja sen alkuaineen murskaus tehdään tehtaissa. Hienojakoisia metallijauheita hiottaessa on aina olemassa räjähdysvaara. Siksi tehtaat on erityisesti suunniteltu käsittelemään tällaisia mahdollisia vaaroja. Laitteessa käytetään myös kryogeenistä jäähdytystä (yleisimmin nestemäistä typpeä) jauhamisen helpottamiseksi.
Kulutuksenkestävät pinnoitteet
Karbidit ovat kovia, joten kromin yleinen käyttötarkoitus on muodostaa vahvat kulutusta kestävät pinnoitteet suojattaviin osiin. Yhdessä suojaavan metallimatriisin kanssa voidaan kehittää sekä korroosionesto- että kulutusta kestäviä aineita, jotka ovat helposti levitettäviä ja kustannustehokkaita. Nämä pinnoitteet valmistetaan hitsaamalla tai lämpösumutuksella. Kromikarbidia voidaan käyttää yhdessä muiden kestävien aineiden kanssaleikkaustyökalut.
Hitsauselektrodit
Näitä kromikarbiditankoja käytetään yhä enemmän vanhojen ferrokromia tai hiiltä sisältävien komponenttien sijaan. Ne antavat ylivoimaisia ja johdonmukaisempia tuloksia. Näissä hitsauselektrodeissa muodostuu kromi II -karbidia sidosprosessin aikana kulutuskerroksen muodostamiseksi. Kuitenkin karbidien muodostuminen määräytyy valmiin liitoksen tarkan olosuhteiden mukaan. Ja siksi niiden välillä voi olla muutoksia, jotka eivät näy kromikarbidia sisältäville elektrodeille. Tämä heijastuu levitetyn hitsin kulutuskestävyyteen.
Kuivasta hiekkakumista valmistettua pyörää testattaessa havaittiin, että ferrokromi- tai hiilielektrodeihin levitetyn yhdisteen kulumisnopeus oli 250 % suurempi. Verrattuna kromikarbidiin.
Hitsausteollisuuden suuntaus puikkoelektrodeista täytelangoihin hyödyttää ainetta. Kromikarbidia käytetään lähes yksinomaan jauhetussa elementissä korkeahiilisen ferrokromin sijasta, koska se ei kärsi siinä olevan raudan ylimäärän aiheuttamasta laimennusvaikutuksesta.
Tämä tarkoittaa, että voidaan saada suurempi määrä kovia hiukkasia sisältävä pinnoite, jolla on korkea kulutuskestävyys. Siksi kovametallimarkkinat kasvavat, koska automaation etujen ja jälkimmäisen ainehitsaustekniikan korkeamman tuottavuuden vuoksi on siirrytty tankoelektrodeista täytelankaaseen.
Sen tyypillisiä käyttötarkoituksiaovat: kuljetinruuvien, polttoainesekoittimen siipien, pumpun juoksupyörien ja yleisten kromisovellusten kovapintainen pinnoitus, joissa vaaditaan kulutuskestävyyttä.
Lämpösuihke
Lämpösuihkutuksessa kromikarbidi yhdistetään metallimatriisiin, kuten nikkelikromiin. Tyypillisesti näiden aineiden suhde on vastaavasti 3:1. Mukana on metallimatriisi, joka sitoo karbidin päällystettyyn alustaan ja tarjoaa korkean korroosionkestävyyden.
Tämän ominaisuuden ja kulutuskestävyyden yhdistelmä tarkoittaa, että lämpösuihkutetut CrC-NiCr-pinnoitteet sopivat korkean lämpötilan kulumissuojaksi. Tästä syystä niitä käytetään yhä enemmän ilmailumarkkinoilla. Tyypillisiä käyttökohteita ovat tankokaran pinnoitteet, kuumaleimaussuuttimet, hydrauliventtiilit, koneenosat, alumiinikomponenttien kulumissuoja ja yleiset sovellukset, jotka kestävät hyvin korroosiota ja hankausta jopa 700-800°C:n lämpötiloissa.
Vaihtoehto kromipinnoitukselle
Uusi sovellus lämpösuihkutetuille pinnoitteille korvaamaan kovan tuotteen kylläisyyden. Kovakromaus tuottaa kulutusta kestävän kuoren, jolla on hyvä pintalaatu alhaisin kustannuksin. Kromipinnoitus saadaan kastamalla kyllästettävä esine kromia sisältävään kemialliseen liuokseen. Säiliön läpi johdetaan sitten sähkövirtaa, jolloin materiaali laskeutuu osiin jayhtenäisen pinnoitteen muodostuminen. Käytetyn galvanointiratkaisun jäteveden hävittämiseen liittyy kuitenkin kasvavaa ympäristöhuolia, ja nämä ongelmat ovat nostaneet prosessin kustannuksia.
Kromikarbidipinnoitteiden kulutuskestävyys on 2,5–5 kertaa parempi kuin kovakromipinnoite, eikä niissä ole jäteveden hävittämisongelmia. Siksi niitä käytetään yhä useammin kovakromipinnoitukseen, varsinkin kun kulutuskestävyys on tärkeää tai suurelle osalle tarvitaan paksu pinnoite. Tämä on mielenkiintoinen ja nopeasti kasvava alue, jonka merkitys tulee entistä tärkeämmäksi, kun ympäristövaatimusten noudattamisen kustannukset nousevat.
Leikkaustyökalut
Vallitseva materiaali tässä on volframikarbidijauhe, joka sintrataan koboltin kanssa erittäin kovien esineiden tuottamiseksi. Näiden leikkaustyökalujen sitkeyden parantamiseksi materiaaliin on lisätty titaania, niobia ja kromikarbidia. Jälkimmäisen tehtävänä on estää jyvien kasvu sintrauksen aikana. Muuten prosessin aikana muodostuu liian suuria kiteitä, jotka voivat heikentää leikkuutyökalun sitkeyttä.
