炭化チタン粉末

目次

炭化チタン粉末は、高い硬度、耐摩耗性、熱伝導性、極端な温度での化学的安定性を必要とする様々な産業用途に使用される非常に硬いセラミック材料です。この記事では、特性、製造方法、用途、サプライヤー、仕様、グレードなどを網羅した、炭化チタン粉末に関する包括的な技術リファレンスを提供します。

概要 炭化チタン粉末

炭化チタン(TiC)粉末は炭素とチタンで構成され、一般的に少量の他の金属元素を含む。融点は3140℃と非常に高く、硬度は窒化チタンに近い。主な特性は以下の通り:

表1:炭化チタン粉末の特性と特徴

プロパティ特徴
化学式TiC
構成チタン(88.1%)、カーボン(11.9%)
カラー灰色から黒色の粉
融点3140°C
密度4.93 g/cm3
モース硬度2800-3200 HV
強さ高い圧縮強度と曲げ強度
熱特性高い熱伝導性と耐熱衝撃性
電気伝導度金属導電体
耐酸化性空気中で800℃までの耐酸化性
耐酸性常温の酸に不溶

炭化チタン粉末の主な長所としては、非常に高い硬度と耐摩耗性、3100℃以上での機械的強度の維持、化学的不活性が挙げられます。欠点としては、他の炭化物に比べ脆く、800℃以上の酸化に対する耐性が低いことが挙げられます。

炭化チタン粉

製造方法

炭化チタン粉末は、いくつかの製造工程を経て製造することができる:

表2:炭化チタン粉末製造法の概要

方法説明特徴
直接カーバイド反応チタン粉末はカーボンで1600℃以上に加熱して浸炭される。純度が低く、粒が大きい
自己増殖型高温合成(SHS)TiCの製造に使われる高熱のテルミット反応より細かい粒度
ゾルゲルチタンとカーボン前駆体を用いた湿式化学法超微粒子パウダー
血漿合成プラズマ放電のガス状反応物から生成したTiC高純度の球状ナノ粉末
その他の方法電解、レーザー熱分解、燃焼合成ユニークなサイズと形状の特殊パウダー

製造方法を選択する際の主な要因には、粒子径、形状、純度レベル、コストなど、要求される粉末特性が含まれる。

の応用 炭化チタン粉末

炭化チタン粉末の主な用途には以下のようなものがある:

表3:炭化チタン粉末の工業用途の概要

産業アプリケーション
航空宇宙熱保護システム、ブラストノズル
自動車セラミック車両装甲、ブレーキディスク
製造業切削工具、成形金型、ベアリング表面
工事ノズルライナー、削岩ボタン
エネルギー核燃料コーティング、核融合炉材料
化学物質流体触媒担体、耐食ライニング

炭化チタンは、TiC-NiやTiC-Coのような軽量複合材料を作り出し、最も要求の厳しい機械的用途や高温用途に適した、極めて高い硬度と耐摩耗性を備えています。

最も評価されているのは、以下の能力である:

  • 3100℃以上の高温でも強度を維持 - 鋼や炭化物が破壊する特性を保持
  • 非常に硬く、高温下でも磨耗しにくい。
  • 低熱膨張が耐熱衝撃性を助ける
  • 耐浸食性、耐腐食性、耐ケミカル・アタック性

仕様とグレード

炭化チタン粉末は標準仕様とカスタマイズ仕様があります:

表4:炭化チタン粉末の仕様とグレード

パラメータ仕様範囲
純度89-99.5% TiC
炭素含有量5-15%
粒子径0.5 μm - 45 μm
粒子形状球状、角状、破砕
密度4.90 - 5.10 g/cm3
硬度2800-3200 HV ビッカース
酸素含有量< 2% wt
比表面積0.5 - 15 m2/g
タップ密度2.0 - 3.5 g/cm3

成績だ:

  • 核グレード >99% TiC
  • 構造用材種 89-92% TiC
  • 冶金グレード 70-75% TiC

高純度の核グレードは、遊離炭素、鉄、ニッケルの混入が少ない。構造用TiCは硬度が高く、粒子が粗い。

規格と試験方法

炭化チタン粉末製品は、組成、不純物、粒度分布、および最終用途に特有のその他のパラメーターに関する様々な用途基準を満たす必要があります。一般的な規格には以下のようなものがあります:

表5:TiC粉末の規格と試験方法

スタンダード説明
ISO 11358超硬合金粉末 - レーザー回折法による粒度分布測定
ASTM C1046チタンおよびチタン合金鋳物の検査に関する標準実施例
AMS-H-8656タングステンベース、コバルトベース、鉄ベース、ニッケルベース;セラミックおよびカーバイドパウダー、航空機品質
MIL-PRF-32159回転ターボ機械部品用チタン合金粉末および熱間静水圧プレス(HIP)リング鍛造品の性能要件
GB/T 5481炭化物粉末の冶金分析法
JIS R 1611粉末冶金 - 超硬合金粉末 サンプリングと試験方法

これらの標準は、異なる製造ロットや複数のサプライヤーにまたがる製品の信頼性を確保するのに役立ちます。サプライヤーもエンドユーザーも、SEM、EDX、XRD、レーザー粒度分析などの追加分析技術を頻繁に利用して、材料の詳細な特性評価を行っている。

サプライヤーと価格

炭化チタン粉末は、世界中の多くの大手サプライヤーから市販されています。代表的なメーカーは以下の通りです:

表6:炭化チタン粉末の厳選サプライヤー

サプライヤー所在地製品グレード
アトランティック・エクイップメント・エンジニア米国原子力、構造物、冶金
H.C.スタルクドイツ原子力、スパッタリンググレード
ケナメタル米国カスタム合金と複合材料
マテリオン米国高純度原子力グレード
ミクロン金属米国標準およびカスタム粒子サイズ
リード・アドバンスト・マテリアルズ米国パウダーとHIP製品
英国研磨材英国複数の純度

価格には幅がある:

  • 原子力グレードTiC粉末 - $1800+/kg
  • 構造用グレードのTiC粉末 - kgあたり$20-100
  • HIP製品用TiCインゴット - $50〜200/kg

正確な価格は、純度レベル、粒度規格、購入数量などによって異なります。

比較 炭化チタン粉末 代替案へ

表7:炭化チタン粉末と代替硬質セラミックとの比較

パラメータ炭化チタン炭化タングステン炭化ケイ素
密度4.93 g/cm315.63 g/cm33.21 g/cm3
硬度2800-3200 HV1300-2400 HV2400-2800 HV
最大使用温度3100°C700°C1650°C
破壊靭性3-6 MPa√m10-15 MPa√m3-5 MPa√m
耐酸化性800℃まで良好500℃以上では不良1600℃まで良好
コスト中程度低い低い
毒性低い高い低い

主な違い

  • タングステンカーバイドはより高い靭性を持つ
  • 炭化ケイ素は耐酸化性に優れる
  • 炭化チタンは非常に高い温度に耐えられる
  • チタンカーバイドが最高のオールラウンド性能を発揮

利点と限界

表8:炭化チタン粉末の利点と限界

メリット制限事項
高温下での極めて高い硬度破壊靭性が低く脆い
高い耐食性と耐摩耗性タングステンカーバイドより高価
3100℃以上で強度を維持800℃以上で容易に酸化する
高い熱伝導性酸素汚染に敏感

主要アプリケーションの詳細

炭化チタンは、航空宇宙、自動車から製造、エネルギーに至るまで、あらゆる産業において卓越した性能向上を可能にします。このセクションでは、炭化チタンの優れた特性を際立たせる主な用途をご紹介します。

航空宇宙用途

航空宇宙用途では、過酷な環境に耐える材料が求められます。炭化チタンは、3000℃以上の高温でも強度を維持し、熱衝撃に強く、加熱サイクルを繰り返しても劣化しない、極超音速航空機の部品に理想的な特性を持っています。

最先端の素材とコーティング

炭化チタン複合材料TiC-NiおよびTiC-Coは、極超音速機の鋭い主翼端が、大気圏再突入時の3200℃までの激しい摩擦熱に耐えることを可能にする。その性能は、従来のグラファイトやセラミックマトリックス複合材料よりもはるかに優れています。

さらに、化学気相成長法(CVD)や物理気相成長法(PVD)で施された炭化チタンコーティングは、マッハ5以上の速度で翼表面やエンジンインテーク、その他の部品を酸化や摩耗から保護する。

熱保護システム

宇宙船の再利用可能な熱保護システム(TPS)は、宇宙空間での-150℃から再突入時の1650℃までの極端な温度変化に耐える。炭化チタンは、この範囲にわたって強度を維持し、他のセラミックよりも繰り返し曝露された後の熱疲労亀裂に抵抗します。

例えば、X-37Bスペースプレーンでは、TPSにTiC層が使用され、機体下部の構造を保護している。TiCアブレーターはまた、3300℃以上に達する排気ガスからロケットノズルや極超音速スクラムジェットエンジンを絶縁する。

航空機用ブレーキ

ジェット機のカーボンブレーキは、160ノットの速度での着陸時に700℃以上の温度に耐える必要がある。しかし、カーボンは容易に酸化するため、ダストが発生し、早期に摩耗する。

カーボン製部品を炭化チタン製ローターとステーターに置き換えることで、部品寿命が劇的に延び、許容制動温度は1150℃まで上昇し、ブレーキシステム全体が軽量化されます。

軍備

溶融金属は従来の銃身ライニングを急速に破壊し、不均一な摩耗や銃身の爆発を引き起こします。しかし、プラズマ溶射された炭化チタンコーティングは、金属浸食に非常によく抵抗し、摩耗を最小限に抑えながら、通常の使用温度を超えて大口径兵器の持続的な発射を可能にします。

自動車用

自動車メーカーは、より速く、より安全で、より軽量な自動車やトラックを製造するために、常に素材を研究している。自動車産業は、装甲、ブレーキ、エンジン部品に炭化チタンを多用している。

ビークルアーマー

軍用車両は、弾道装甲に従来の鋼鉄ではなく、TiC-Kevlarのような炭化チタン・セラミック複合材を使用している。これは、実際に徹甲弾の脅威に対する保護レベルを増加させながら、30%によって重量を減らす。

TiCストライクフェイスを持つセラミックラミネートは、金属プレートと比較して、着弾した弾丸をよりよく分散させ、変形させる。より軽量な装甲は、戦闘任務に不可欠な車両の機動性と燃料効率を向上させる。

ブレーキディスク

フォーミュラ1やその他の高性能車両は、最高時速350キロで繰り返されるブレーキングGによる極端な温度に対応するため、炭化チタンセラミックマトリックスコンポジット(CMC)ブレーキディスクを使用している。

TiCディスクはまた、制動力を向上させ、レース使用時に高級スポーツカーを悩ませるブレーキフェードの問題を解消する。電気自動車の回生ブレーキシステムも同様に、極めて高い耐熱性を持つ炭化チタン製ローターに依存しています。

ウェア・コンポーネント

炭化チタンは、1000℃を超える高温で磨耗しやすい高負荷エンジン部品の寿命を延ばします。例えば、従来のスチール製バルブやピストンスリーブインサートをチタンカーバイト製に置き換えることで、摩耗が故障限界に達するまでの運転時間が50-100%長くなります。

コーティングされたエンジン・ボアでは、TiCは現在使用されている炭化ニッケル溶射コーティングを凌ぐ性能を発揮します。これにより、より高いピーク圧力と燃焼温度が可能になり、燃費が向上します。

切削工具

すべての主要な切削工具メーカーは、他の炭化物、セラミック、またはダイヤモンドコーティングで結合された炭化チタン基材を持つ、広範なチップ、ドリル、エンドミル、および特殊工具を提供しています。

耐摩耗性

TiCは、従来の工具鋼の軟化点600℃付近を超える硬度を維持し、ドライ高速加工用途において、より速い材料除去率、より速い切削速度、より低い摩耗を可能にする。

熱特性

高い熱伝導率は、工具破損の原因となる断続切削時の局所的なホットスポットを防ぎます。また、TiCはダイヤモンドに匹敵する最小限の熱膨張しか示さないため、精密工具の微細加工に不可欠です。

パフォーマンスのアップグレード

刃先交換式チップのような従来の炭化タングステン製コンポーネントをTiCアップグレードに置き換えることで、同じ運転パラメータで工具寿命が2~4倍に延びる。また、同じチップ摩耗レベルを達成しながら、切削速度や送り速度を大幅に向上させることもできます。

インコネル718、チタンアルミナイドTiAl、金属マトリックス複合材料MMCのような機械加工が困難な次世代の航空宇宙合金では、超硬チタン工具は、他の方法では不可能な実行可能な製造オプションを可能にします。

ノズルインサート

炭化チタン製ノズルは、農業資材や鉱物処理からショットピーニングや粉末冶金焼結まで、研磨材を扱う侵食性の高い粒子流に耐えます:

耐摩耗性

食品、製薬、特殊化学品加工に使用されるTiCノズルチップは、非常に研磨性の高い微粉末の流れにおいて、従来のタングステンカーバイド、シリコンカーバイド、クロムカーバイドバージョンよりも300~500%長持ちします。

高速度プロテクション

冷却空気渦を含む炭化チタン製シュラウドは、650m/sを超える速度で飛来する砂塵から複合材航空機エンジンブレードを保護する。ブレード封じ込め試験中、チタンカーバイトコンポーネントは、代替材料が破断するようなファン崩壊現象によるブレードのパンクから無傷で生き残る。

極端な温度での使用

溶融ジルコニウム、鉄鋼、ガラス繊維製造用のプラズマスプレーノズルは、追加の冷却なしで自立したTiCパイプで構成されています。TiCは、コバルトやニッケル合金を容易に破壊する3000℃を超えるスラグ腐食や金属液滴放出熱流束に確実に耐える。

炭化チタン粉

原子力応用

炭化チタンは、核燃料のクラッドから核融合実験炉の第一壁保護まで、原子力産業全体に広く使用されている。

燃料クラッド

従来のジルコニウム燃料被覆管合金は、炉心の過熱事故時に酸化、溶融し、放射性同位元素を放出する可能性がある。しかし、炭化チタン被覆は、より低温でゆっくりとした反応を可能にし、不働態化TiO2層を形成して放出粒子を封じ込め、安全限界を大幅に高める。

プラズマ・フェーシング・コンポーネント

トカマク型核融合炉の実験炉内では、核融合粒子とX線が絶えず表面に衝突するため、40 MW/m2の強烈なプラズマ熱流束が固体装甲タイルを急速に侵食します。溶射層や独立したTiCコンポーネントは、このような過酷な条件に耐え、交換が必要になるまでの運転寿命がタングステンの代替品に比べて2~3倍長くなります。

放射性廃棄物容器

燃料再処理後、高レベル放射性液体はホウケイ酸ガラスにガラス固化され、耐腐食性キャニスターに貯蔵されます。炭化チタンは、地質学的期間にわたって気体や液体に対して完全に不透過性であるため、環境に漏れることなく安全な長期貯蔵が可能です。

石油・ガス掘削

炭化チタンは、これまでに開発された中で最も硬く、最も熱く、最も耐摩耗性の高い削岩用インサート材料として、特別な栄誉に値します。TCボタンは、石油、ガス、地熱掘削業界全体のゴールドスタンダードとなり、以前の多結晶ダイヤモンドコンパクト(PDC)ソリューションを凌駕しています。

岩石の摩擦摩耗

深度6000mまでの深地掘削に使用されるロータリコンドリルビットは、切削中に極度の岩面圧力と100kWの摩擦熱流束に遭遇します。ソリッドTCチップは、このような条件下でも3200HVを超える硬度を維持し、交換が必要になるまでに鋼製チップの5~10倍の速度でさく孔します。

高速岩石貫通

硬い堆積層や玄武岩層を専門に掘削する地熱・石油/ガス掘削会社では、TCボタンビットを独占的に使用しており、同等の摩耗寿命を持つ他のドリルタイプに比べて最大4倍の貫入率を記録しています。

結論 - 過酷な坑内環境に耐えながら、炭化チタンほど岩盤を切削するものはありません。

結論

極めて高い硬度、3000℃を超える耐熱性、そして高い耐摩耗性能を持つ炭化チタンは、競合するセラミックや従来の合金には見られない、卓越した材料特性を発揮します。チタンカーバイドは、あらゆる産業において、最も過酷な熱的、化学的、機械的極限に確実に耐えます。

しかし、炭化チタンは性能面で大きな利点があるにもかかわらず、モリブデンやタングステンのような同等の耐火性金属よりも安価です。このユニークな性能と手頃な価格の組み合わせが、航空宇宙、自動車、製造、エネルギー、そして世界的に最も要求の厳しい用途において、炭化チタンの利用を拡大している原動力となっています。

技術が進歩し、より信頼性の高い生産と供給が可能になれば、炭化チタンの普及はさらに加速すると予想される。素材が刃先を決める

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