โครเมียมคาร์ไบด์เป็นสารประกอบเซรามิกที่มีอยู่ในองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันหลายประการ: Cr3 C2, Cr7 C3 และ Cr23 C6 ภายใต้เงื่อนไขมาตรฐาน จะมีอยู่เป็นสสารสีเทา โครเมียมเป็นโลหะที่แข็งมากและทนต่อการกัดกร่อน นอกจากนี้ยังเป็นสารหน่วงไฟ ซึ่งหมายความว่ายังคงความแรงแม้ในอุณหภูมิสูง
คุณสมบัติของโครเมียมทำให้เป็นสารเติมแต่งในโลหะผสม เมื่อคริสตัลคาร์ไบด์ถูกรวมเข้ากับพื้นผิวของวัสดุ จะช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอและการกัดกร่อน และยังคงคุณสมบัติเหล่านี้ไว้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น สารประกอบที่ซับซ้อนและใช้กันมากที่สุดสำหรับจุดประสงค์นี้คือ Cr3 C2
แร่ธาตุที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ ทงไบท์และไอโซไวท์ (Cr, Fe) 23 C6 ทั้งคู่หายากมาก แร่คาร์ไบด์ที่อุดมไปด้วยอีกชนิดหนึ่งคือ yarlongite Cr4 Fe4 NiC4.
คุณสมบัติของโครเมียม
มีโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกันสามแบบสำหรับคาร์ไบด์ที่สอดคล้องกับองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันสามแบบ:
- Cr23 C6 มีโครงสร้างลูกบาศก์และความแข็งแบบวิคเกอร์ 976 กก./มม.2.
- Cr7 C3 มีโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยมและความแข็งระดับไมโคร 1336 กก./มม.2.
- Cr3 C2 เป็นองค์ประกอบที่ทนทานที่สุดในสามองค์ประกอบและมีโครงสร้างแบบขนมเปียกปูนที่มีความแข็งระดับไมโคร 2280 กก./มม.2.
ด้วยเหตุนี้ Cr3 C2 เป็นสูตรหลักของโครเมียมคาร์ไบด์ที่ใช้ในการรักษาพื้นผิว
สังเคราะห์
การยึดติดคาร์ไบด์สามารถทำได้โดยการผสมทางกล ในกระบวนการประเภทนี้ โลหะโครเมียมและคาร์บอนในรูปของกราไฟท์จะถูกป้อนเข้าไปในโรงสีลูกกลมและบดให้เป็นผงละเอียด หลังจากการบดส่วนประกอบ พวกเขาจะรวมกันเป็นเม็ดและอยู่ภายใต้การกดไอโซสแตติกร้อน การดำเนินการนี้ใช้ก๊าซเฉื่อย ซึ่งส่วนใหญ่ใช้อาร์กอนในเตาอบที่ปิดสนิท
สารที่มีแรงดันนี้จะออกแรงกดบนตัวอย่างจากทุกด้านในขณะที่เตาอบร้อนขึ้น ความร้อนและความดันทำให้กราไฟท์และโลหะทำปฏิกิริยาระหว่างกันและเกิดเป็นโครเมียมคาร์ไบด์ เปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนที่ลดลงในส่วนผสมเริ่มต้นทำให้ผลผลิตของรูปแบบ Cr7 C3 และ Cr23 C6 เพิ่มขึ้น
วิธีการสังเคราะห์โครเมียมคาร์ไบด์อีกวิธีหนึ่งคือใช้ออกไซด์ อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ และกราไฟต์ในปฏิกิริยาคายความร้อนแบบกระจายตัวเองซึ่งดำเนินการดังนี้:
3Cr2O3 + 6Al + 4C → 2Cr3C2 + 3Al 2O3
ในวิธีนี้ น้ำยาบดและผสมในโรงสีลูก ผงที่เป็นเนื้อเดียวกันจะถูกบีบอัดลงในแท็บเล็ตและวางไว้ภายใต้บรรยากาศอาร์กอนเฉื่อย ตัวอย่างจะถูกทำให้ร้อน ลวดร้อน ประกายไฟ เลเซอร์ หรือเตาอบสามารถให้ความร้อนได้ เกิดปฏิกิริยาคายความร้อนและไอน้ำที่ได้จะกระจายผลกระทบไปทั่วทั้งตัวอย่าง
การผลิตโครเมียมคาร์ไบด์
บริษัทหลายแห่งสร้างสารโดยการรวมการลดความร้อนจากอะลูมิเนียมและการประมวลผลแบบสุญญากาศที่อุณหภูมิ 15000°C ขึ้นไป เตรียมส่วนผสมของโลหะโครเมียม ออกไซด์ และคาร์บอน แล้วบรรจุลงในเตาสุญญากาศ แรงดันในเตาอบลดลงและอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 15000°C คาร์บอนจะทำปฏิกิริยากับออกไซด์เพื่อสร้างโลหะและก๊าซมอนอกไซด์ ซึ่งระบายออกไปยังปั๊มสุญญากาศ จากนั้นโครเมียมจะรวมตัวกับคาร์บอนที่เหลือเพื่อสร้างคาร์ไบด์
ความสมดุลที่แน่นอนระหว่างส่วนประกอบเหล่านี้จะกำหนดเนื้อหาของสารผลลัพธ์ มีการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่าคุณภาพของผลิตภัณฑ์เหมาะสมกับตลาดที่มีความต้องการสูง เช่น การบินและอวกาศ
ผลิตโครเมียมเมทัลลิก
- นักวิจัยค้นพบคาร์ไบด์ประเภทใหม่ที่ได้รับความเสถียรจากโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบ
- ผลการศึกษาวางรากฐานสำหรับการสำรวจในอนาคตของคาร์ไบด์ใหม่ที่เป็นประโยชน์ในการใช้งานจริง
- การสร้างไนไตรด์ 2 มิติทำได้ง่ายขึ้น
โลหะที่ใช้ในหลาย ๆ บริษัท ผลิตโดยการลดความร้อนจากอะลูมิเนียมซึ่งมีส่วนผสมของโครเมียมออกไซด์และผงอลูมิเนียม จากนั้นบรรจุลงในภาชนะสำหรับย่างที่ส่วนผสมถูกจุดไฟ อะลูมิเนียมช่วยลดโครเมียมออกไซด์เป็นโลหะและตะกรันอลูมินาที่อุณหภูมิ 2000–2500 องศาเซลเซียส สารนี้ก่อตัวเป็นแอ่งหลอมเหลวที่ด้านล่างของห้องเผาไหม้ ซึ่งสามารถเก็บสะสมได้เมื่ออุณหภูมิลดลงเพียงพอ มิฉะนั้นการติดต่อจะยากและอันตรายมาก จากนั้นสารตั้งต้นจะเปลี่ยนเป็นผงและใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตโครเมียมคาร์ไบด์
บดต่อไป
การบดโครเมียมคาร์ไบด์และสารตั้งต้นจะดำเนินการในโรงสี เมื่อบดผงโลหะละเอียด มีความเสี่ยงที่จะระเบิดได้เสมอ นั่นคือเหตุผลที่โรงสีได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อจัดการกับอันตรายที่อาจเกิดขึ้นดังกล่าว ระบบทำความเย็นแบบไครโอเจนิค (โดยทั่วไปคือไนโตรเจนเหลว) ยังนำไปใช้กับโรงงานเพื่อความสะดวกในการบด
เคลือบทน
คาร์ไบด์นั้นแข็ง ดังนั้นการใช้งานทั่วไปสำหรับโครเมียมคือการเคลือบที่ทนทานต่อการสึกหรอบนชิ้นส่วนที่ต้องได้รับการปกป้อง เมื่อใช้ร่วมกับเมทริกซ์โลหะป้องกัน สารป้องกันการกัดกร่อนและสารต้านทานการสึกหรอสามารถพัฒนาให้ใช้งานง่ายและคุ้มค่า สารเคลือบเหล่านี้ทำโดยการเชื่อมหรือการพ่นด้วยความร้อน โครเมียมคาร์ไบด์สามารถใช้ร่วมกับสารต้านทานอื่นๆ ได้ขึ้นรูปเครื่องมือตัด
อิเล็กโทรดเชื่อม
แท่งโครเมียมคาร์ไบด์เหล่านี้ถูกนำมาใช้แทนชิ้นส่วนเฟอร์โรโครเมียมแบบเก่าหรือคาร์บอนที่มีมากขึ้นเรื่อยๆ พวกเขาให้ผลลัพธ์ที่เหนือกว่าและสม่ำเสมอมากขึ้น ในอิเล็กโทรดการเชื่อมเหล่านี้ โครเมียม II คาร์ไบด์ถูกสร้างขึ้นในระหว่างกระบวนการประสานเพื่อให้มีชั้นสึกหรอ อย่างไรก็ตาม การก่อตัวของคาร์ไบด์จะถูกกำหนดโดยเงื่อนไขที่แน่นอนในข้อต่อสำเร็จรูป ดังนั้นจึงอาจมีการเปลี่ยนแปลงระหว่างอิเล็กโทรดที่ไม่สามารถมองเห็นได้สำหรับอิเล็กโทรดที่มีโครเมียมคาร์ไบด์ สิ่งนี้สะท้อนให้เห็นในความต้านทานการสึกหรอของรอยเชื่อมที่ฝากไว้
เมื่อทำการทดสอบล้อที่ทำจากยางทรายแห้ง พบว่าอัตราการสึกหรอของสารประกอบที่ใช้กับเฟอโรโครมหรืออิเล็กโทรดคาร์บอนสูงขึ้น 250% เปรียบเทียบกับโครเมียมคาร์ไบด์
กระแสในอุตสาหกรรมการเชื่อมตั้งแต่อิเล็กโทรดแบบแท่งไปจนถึงลวดเชื่อมแบบฟลักซ์คอร์นั้นมีประโยชน์ต่อสารนี้ โครเมียมคาร์ไบด์ใช้เฉพาะในองค์ประกอบที่เป็นผง แทนที่จะเป็นเฟอร์โรโครเมียมที่มีคาร์บอนสูง เพราะไม่ได้รับผลกระทบจากการเจือจางที่เกิดจากธาตุเหล็กส่วนเกิน
หมายความว่าสามารถเคลือบที่มีอนุภาคแข็งจำนวนมากซึ่งมีความทนทานต่อการสึกหรอสูง ดังนั้น เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงจากอิเล็กโทรดแบบแท่งเป็นลวดเชื่อมแบบมีแกนเนื่องจากข้อดีของระบบอัตโนมัติและผลผลิตที่สูงขึ้นซึ่งเกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีการเชื่อมแบบสสารแบบหลัง ตลาดสำหรับคาร์ไบด์จึงเพิ่มขึ้น
ใช้ทั่วไปได้แก่ การชุบแข็งของสกรูลำเลียง ใบมีดผสมเชื้อเพลิง ใบพัดปั๊ม และการใช้งานโครเมียมทั่วไปที่ต้องการความต้านทานการสึกหรอ
สเปรย์ระบายความร้อน
เมื่อพ่นด้วยความร้อน โครเมียมคาร์ไบด์จะถูกรวมเข้ากับเมทริกซ์โลหะ เช่น นิกเกิล-โครเมียม โดยปกติอัตราส่วนของสารเหล่านี้คือ 3:1 ตามลำดับ มีเมทริกซ์โลหะสำหรับยึดคาร์ไบด์กับพื้นผิวเคลือบและให้ความต้านทานการกัดกร่อนในระดับสูง
การรวมกันของคุณสมบัตินี้และการต้านทานการสึกหรอหมายความว่าสารเคลือบ CrC-NiCr ที่พ่นด้วยความร้อนนั้นเหมาะสมที่จะเป็นเกราะป้องกันการสึกหรอที่อุณหภูมิสูง ด้วยเหตุนี้จึงมีการใช้งานในตลาดการบินและอวกาศมากขึ้น การใช้งานทั่วไปที่นี่คือการเคลือบสำหรับแมนเดรลแท่ง ดายปั๊มร้อน วาล์วไฮดรอลิก ชิ้นส่วนเครื่องจักร การป้องกันการสึกหรอของส่วนประกอบอลูมิเนียม และการใช้งานทั่วไปที่มีความทนทานต่อการกัดกร่อนและการเสียดสีได้ดีที่อุณหภูมิสูงถึง 700-800°C
ทางเลือกในการชุบโครเมียม
แอปพลิเคชั่นใหม่สำหรับการเคลือบแบบพ่นด้วยความร้อนเพื่อทดแทนความอิ่มตัวของผลิตภัณฑ์แข็ง การชุบฮาร์ดโครมทำให้เกิดเปลือกที่ทนทานต่อการสึกหรอด้วยคุณภาพพื้นผิวที่ดีในราคาประหยัด การชุบโครเมียมทำได้โดยการจุ่มสินค้าเพื่อให้อิ่มตัวในภาชนะที่มีสารละลายเคมีที่มีโครเมียมเป็นส่วนประกอบ จากนั้นกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านถัง ทำให้วัสดุสะสมที่ชิ้นส่วนและการก่อตัวของการเคลือบที่สอดคล้องกัน อย่างไรก็ตาม ความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นนั้นเกี่ยวข้องกับการกำจัดน้ำเสียจากวิธีการชุบด้วยไฟฟ้าที่ใช้แล้ว และปัญหาเหล่านี้ทำให้ต้นทุนของกระบวนการเพิ่มขึ้น
การเคลือบโครเมียมคาร์ไบด์มีความต้านทานการสึกหรอที่ดีกว่าการชุบฮาร์ดโครมแบบแข็งสองถึงห้าเท่าและไม่มีปัญหาในการกำจัดน้ำเสีย ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นสำหรับการชุบฮาร์ดโครม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความต้านทานการสึกหรอมีความสำคัญหรือจำเป็นต้องมีการเคลือบหนาสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่ นี่เป็นพื้นที่ที่น่าสนใจและเติบโตอย่างรวดเร็วซึ่งจะมีความสำคัญมากขึ้นเมื่อต้นทุนของการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมเพิ่มขึ้น
เครื่องมือตัด
วัสดุเด่นที่นี่คือผงทังสเตนคาร์ไบด์ซึ่งเผาด้วยโคบอลต์เพื่อผลิตวัตถุที่แข็งมาก เพื่อเพิ่มความทนทานของเครื่องมือตัดเหล่านี้ จะมีการเติมไทเทเนียม ไนโอเบียม และโครเมียมคาร์ไบด์ลงในวัสดุ บทบาทของหลังคือการป้องกันการเจริญเติบโตของเมล็ดพืชในระหว่างการเผาผนึก มิฉะนั้น จะเกิดผลึกขนาดใหญ่เกินไปในระหว่างกระบวนการ ซึ่งอาจทำให้ความเหนียวของเครื่องมือตัดลดลง
