Synthesis of titanium carbide and titanium diboride for metal processing and ceramics production

Abstract

Introduction. Titanium carbide and diboride are characterized by high values of hardness, chemical inertness and for this reason are widely used in modern technology. This paper provides information on the synthesis of titanium carbide and diboride by carbothermal and carbide-boron methods, respectively, on the use of titanium carbide as an abrasive and in the manufacture of tungsten-free hard alloys, carbide steels, wear-resistant coatings, as well as titanium diboride in the production of cutting tools and ceramics based on boron carbide The aim of this work is to study the processes of synthesis of highly dispersed powders of titanium carbide and diboride, which are promising for the manufacture of cutting tools, wear-resistant coatings, abrasives and ceramics. Research methods. Titanium oxide TiO2, nanofibrous carbon (NFC), and highly dispersed boron carbide were used as reagents for the synthesis of titanium carbide and diboride. Experiments to obtain titanium carbide were carried out in a resistance furnace, and titanium diboride in an induction furnace. X-ray studies of the phase composition of titanium carbide and diboride samples were carried out on an ARL X-TRA diffractometer (Thermo Electron SA). The determination of the content of titanium and impurities in the samples of titanium carbide and diboride was carried out by the X-ray spectral fluorescence method on an ARL-Advant'x analyzer. The total carbon content in the titanium carbide samples was determined on an S-144 device from LECO. The content of boron and other elements for titanium diboride samples was determined by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP AES) on an IRIS Advantage spectrometer (Thermo Jarrell Ash Corporation). The surface morphology and particle sizes of the samples were studied using a Carl Zeiss Sigma scanning electron microscope (Carl Zeiss). The determination of the particle/aggregate size distribution was performed on a MicroSizer 201 laser analyzer (BA Instruments). Results. The paper proposes technological processes for obtaining highly dispersed powders of titanium carbide and diboride. The optimum synthesis temperature for titanium carbide is 2,000…2,100 oC, and for titanium diboride 1,600…1,700 oC. The content of the basic substance is at the level of 97.5…98.0 wt. %. Discussion. A possible mechanism for the formation of titanium carbide and diboride is proposed, which consists in the transfer of vapors of titanium oxides to the surface of solid carbon (synthesis of titanium carbide) and vapors of boron and titanium oxides to the surface of solid carbon (synthesis of titanium diboride). Due to the high purity and dispersion values, the resulting titanium carbide powder can be used as an abrasive material and for the manufacture of tungsten-free hard alloys, carbide steels, wear-resistant coatings, and titanium diboride powder can be used for the preparation of cutting tools and ceramics based on boron carbide.

About the authors

Y. L. Krutskii

Email: krutskii@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, krutskii@yandex.ru

E. A. Maximovskiy

Email: eugene@niic.nsc.ru
Ph.D. (Chemical), Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry of the Siberian Branch of the RAS, 3 Academician Lavrentiev avenue, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, eugene@niic.nsc.ru

R. V. Petrov

Email: petrov@catalysis.ru
Ph.D. (Engineering), Boreskov Institute of Catalysis SB RAS, 5, Academician Lavrentiev avenue, Novosibirsk, 630090, Russian Federation, petrov@catalysis.ru

O. V. Netskina

Email: netskina@catalysis.ru
Ph.D. (Chemical), 1. Boreskov Institute of Catalysis SB RAS, 5, Academician Lavrentiev avenue, Novosibirsk, 630090, Russian Federation; 2. Novosibirsk State University, 1 Pirogova str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation; netskina@catalysis.ru

A. V. Ukhina

Email: auhina181@gmail.com
Ph.D. (Chemical), Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS, 18 Kutateladze st., Novosibirsk, 630128, Russian Federation, auhina181@gmail.com

T. M. Krutskaya

Email: t.krutskaya@mail.ru
Ph.D. (Chemical), Associate Professor, Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, 113 Leningradskaya st., Novosibirsk, 630008, Russian Federation, t.krutskaya@mail.ru

T. S. Gudyma

Email: gudymatan@mail.ru
Novosibirsk Chemical Engineering College named after D.I. Mendeleev, 26 Sadovaya st., Novosibirsk, 630102, Russian Federation, gudymatan@mail.ru

References

  1. Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана: получение, свойства, применение. – М.: Металлургия, 1987. – 216 с.
  2. Серебрякова Т.И., Неронов В.А., Пешев П.Д. Высокотемпературные бориды. – М.: Металлургия, Челябинское отделение, 1991. – 368 с.
  3. Mroz C. Annual minerals review: titanium diboride // American Ceramic Society Bulletin. – 1995. – Vol. 74. – P. 158–159.
  4. Доронькин Е.Д. Безвольфрамовые твердые сплавы // Цветные металлы. – 1983. – № 7. – С. 45–46.
  5. Reactive hot pressing of Ti–B–C and Ti–C at 1200 oC / L. Rangaraj, K. Barman, C. Divacar, V. Jayaram // Ceramics International. – 2013. – Vol. 39. – P. 5955–5961. – doi: 10.1016/j.ceramint.2012.12.016.
  6. Mechanical properties and microstructure of TiB2–TiC composite ceramic cutting tool material / B. Zou, C. Huang, J. Song, Z. Liu, L. Liu, Y. Zhao // International Journal of Refractory Metals and Hard materials. – 2012. – Vol. 35. – P. 1–9. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2012.02.011.
  7. Effect of superfine refractory carbide additives on microstructure and mechanical properties of TiB2–TiC+Al2O3 composite ceramic cutting tool materials / B. Zou, W. Ji, C. Huang, J. Wang, S. Li, K. Xu // Jourmal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 585. – P. 192–202. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.09.119.
  8. Fretting wear analysis of TiC/VC multilayered hard coatings: experiments and modeling approaches / S. Fouvry, B. Wendler, T. Liskiewits, M. Dudek, L. Kolodziejczyk // Wear. – 2004. – Vol. 257. – P. 641–653. – doi: 10.1016/j.wear.2004.02.009.
  9. Wang X.-h., Zou Z.-d., Qu S.-y. Microstructure of Fe-based alloy hardfacing coating reinforced by TiC-VC particles // Journal of Iron and Steel Research, International. – 2006. – Vol. 13 (4). – P. 51–55. – doi: 10.1016/S1006-706X(06)60078-2.
  10. Адамовский А.А. Абразивные материалы из металлоподобных тугоплавких соединений // Порошковая металлургия. – 1974. – № 5. – С. 49–56.
  11. Карбид титана, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза – высокоэффективный абразивный материал / А.Г. Мержанов, Г.Г. Карюк, И.П. Боровинская, С.Ю. Шаривкер, Е.И. Мошковский, В.К. Прокудина, Е.Г. Дядько // Порошковая металлургия. – 1981. – № 10. – С. 50–55.
  12. Кульков С.Н., Гнюсов С.Ф. Карбидостали на основе карбидов титана и вольфрама. – Томск: Изд-во науч.-техн. лит., 2006. – 240 с.
  13. Свистун Л.И. Карбидостали конструкционного назначения: изготовление, свойства, применение (обзор) // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2009. – № 3. – С. 41–50.
  14. Карбид бора / П.С. Кислый, М.А. Кузенкова, Н.И. Боднарук, Б.Л. Грабчук. – Киев: Наукова думка, 1988. – 216 с.
  15. Zhang W., Yamashita S., Kita H. Progress in pressureless sintering of boron carbide ceramics – a review // Advances of Applied Ceramics. – 2019. – Vol. 118 (4). – P. 222–239. – doi: 10.1080/17436753.2019.1574285.
  16. Influence of TiB2 content on microstructure and hardness of TiB2–B4C composite / T.S. Srivatsan, G. Gurupsarad, D. Black, R. Radhakrishnan, T.S. Sudarshan // Powder Technology. – 2005. – Vol. 159. – P. 161–167. – doi: 10.1016/j.powtec.2005.08.003.
  17. Heydari M.S., Baharvandi H.R. Comparing the effect of different sintering methods for ceramics on the physical and mechanical properties of B4C–TiB2 nanocomposites // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2015. – Vol. 51. – P. 224–232. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2015.04.003.
  18. Microstructure and mechanical properties of pulsed electric current sintered B4C-TiB2 composite / S. Huang, K. Vanmeensel, O. Malek, O. Van der Biest, J. Vleugels // Materials Science and Engineering A. – 2011. – Vol. 528 (3). – P. 1302–1309. – doi: 10.1016/j.msea.2010.10.022.
  19. Effects of carbon and silicon on microstructure and mechanical properties of pressureless sintered B4C/TiB2 composites / Y. Zhu, H. Cheng, Y. Wang, R. An // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 772. – P. 537–545. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.09.129.
  20. Mechanism of porous filamentous carbon granule formation on catalytic hydrocarbon decomposition / G.G. Kuvshinov, Yu.L. Mogilnykh, D.G. Kuvshinov, D.Yu. Yermakov, M.A. Yermakova, A.N. Salanov, N.A. Rudina // Carbon. – 1999. – Vol. 37. – P. 1239–1246.
  21. Синтез полидисперсного карбида бора и получение керамики на его основе / Ю.Л. Крутский, Ю.К. Непочатов, А.Н. Пель, И.Н. Сковородин, К.Д. Дюкова, Т.М. Крутская, И.Д. Кучумова, О.Э. Матц, А.Г. Тюрин, Ю.Ю. Эмурлаева, С.И. Подрябинкин // Журнал прикладной химии. – 2019. – Т. 92, вып. 6. – С. 719–727. – doi: 10.1134/S0044461819060045.
  22. Blott S.J., Pye K. Gradistat: A grain size distribution and statistics package for the analysis of unconsolidated sediments // Earth Surface Processes and Landforms. – 2001. – Vol. 26. – P. 1237–1248.
  23. Свойства элементов. Ч. 1: справ. изд. / под ред. Г.В. Самсонова. – М.: Металлургия, 1976. – 600 с.
  24. Казенас Е.К., Цветков Ю.В. Термодинамика испарения оксидов. – М.: ЛКИ, 2008. – 480 с.
  25. Болгар А.С., Турчанин А.Г., Фесенко В.В. Термодинамические свойства карбидов. – Киев: Наукова думка, 1973. – 272 с.
  26. Determination of the optimal temperature range for synthesis of B4C–TiB2 and B4C–ZrB2 powder composite materials / V.A. Shestakov, T.S. Gudyma, Yu.L. Krutskii, N.F. Uvarov // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 31. – P. 56–58. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.05.822.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».