carburo de titanio es un compuesto de titanio y carbono de fórmula TiC. Es un material cerámico, en forma de polvos grises o de sólido cristalino, negro, brillante, extremadamente duro, de 9 a 9,5 en la escala de Mohs. Conduce la corriente eléctrica. Se utiliza en la fabricación de herramientas de corte.
| Carburo de titanio | ||
|---|---|---|
| Nombre IUPAC | ||
| Carburo de titanio | ||
| General | ||
| Fórmula estructural | TiC | |
| Fórmula molecular | ? | |
| Identificadores | ||
| Número CAS | 12070-08-51 | |
| Propiedades físicas | ||
| Apariencia | polvos gris | |
| Densidad | 4920 kg/m3; 4.92 g/cm3 | |
| Masa molar | 59.88 g/mol | |
| Punto de fusión | 3140 °C (3413 K) | |
| Punto de ebullición | 4820 °C (5093 K) | |
| Valores en el SI y en condiciones estándar (25 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario. | ||
Propiedades
El carburo de titanio pertenece a los llamados compuestos intersticiales, esto le permite tener muy buena conductividad eléctrica a pasar de ser una cerámica, tiene un coeficiente de temperatura positivo. La estructura de compuesto está formada por átomos de carbono incrustados en la retícula del titanio metálico. Posee una estructura cristalina cúbica similar a la del cloruro de sodio con una considerable anchura de fase La composición de los componentes a menudo no es estequiométrica y oscila entre TiC1,0-TiC0,3.2 3 o TiC0.47, según otros autores. Esta estequiométrica permite que espacios de los átomos no metálicos quedar sin relleno. Ocupación completa es difícil, no del todo logrado TiC0,98.4 Se caracteriza por una particularmente alta dureza de hasta 4000 HV.5 y se funde solo a una temperatura de 3140 ° C. Es, sin embargo, muy frágil. La resistencia a la flexión es de 240-400 MPa, la dureza HV1 a 22 -30 GPa y el módulo elástico a 550 a 570 GPa.6 El compuesto es relativamente inerte, es estable en aire hasta 800 ° C, se oxida con oxígeno a dióxido de titanio a una temperatura alrededor de solo 450 ° C. El carburo de titanio reacciona con el nitrógeno para formar nitruro de titanio a aproximadamente 1 000 ° C. El carburo de titanio es prácticamente insoluble en agua.7 ni en soluciones fuertemente alcalinas. Es insoluble en ácido clorhídrico y ácido sulfúrico, pero es soluble en ácido nítrico y ácido fluorhídrico.8 9 10
Síntesis
Se genera carburo de titanio a través de la deposición física de vapor (PVD) partiendo de titanio y metano:
Si se emplea la deposición química de vapor (CVD) se utiliza como material de partida de cloruro de titanio (IV) y metano:
También se puede obtener carburo de titanio, por reducción carbotérmica de dióxido de titanio:
Se puede obtener por síntesis a partir de los elementos o por un proceso de crecimiento similar a la del nitruro de titanio.2 En la primera reacción puede tener lugar en función de las condiciones de reacción en el aire y cristales mixtos en la forma de nitruro de titanio carbono TiCN o Titancarboxinitruro TICON.11
Si se desea una composición especialmente pura, estequiométrica, se debe emplear una mezcla de cloruro de titanio (IV), tetracloruro de carbono e hidrógeno calentado a más de 1250 ° C con barras de grafito.2
Aplicaciones
La industria química como una parte integral de la sinterización de la familia-material de Ferro-titanita12 13 o en general, como un componente de resistencia ácido y aceros inoxidable y metales duros.11 Así es con hasta un 4% de los metales duros del Grupo K, hasta un 10% en los metales duros del grupo M y hasta un 43% en el grupo de carburo P. El carburo de titanio aumenta la resistencia a alta temperatura, dureza y resistencia a la oxidación.14 La resistencia al desgaste, a la corrosión y a la oxidación de materiales de base carburo de tungsteno y cobalto, se pueden incrementarse entre un 6 a un 30% gracias al carburo de titanio, pero a costa de aumentar la fragilidad, reduce la resistencia a la fractura del material.
Las brocas de perforación de acero de alta velocidad y sin la adición de tungsteno, se pueden producir mediante la adición de carburo de titanio basado en níquel y cobalto, aumentando de este modo su velocidad de corte, exactitud y mejor acabado de la superficie. También se utiliza para la obtención de materiales de cermet placa de metal duro que se utiliza para herramientas de corte.
Este material se refiere a veces como la cerámica de alta tecnología, y se utiliza para la protección térmica de las nave espaciales en la atmósfera de la Tierra.
TiC / carburo de titanio (IV)
TiC
Nomenclatura sistemática: monocarburo de titanioNomenclatura stock: carburo de titanio (IV)
Nomenclatura tradicional: carburo titánico
Tipo de compuesto: sales neutras
El titanio es un elemento de transición como el circonio, vanadio, cromo, niobio, molibdeno, entre otros, cuya estructura electrónica presenta
una capa d incompleta [1, 2]. Dicha estructura electrónica permite que el titanio forme soluciones sólidas con muchos elementos sustitucionales como el carbón y el nitrógeno, con un factor de tamaño hasta del 20% [3, 4].
Desde un primer momento, el titanio ha sido catalogado como un metal ligero, a pesar de que su densidad es de 4.51 gr/cm3, que es casi el doble de la del aluminio, debido a su excelente relación entre resistencia mecánica y densidad [5]. TiN y TiC son materiales similares que tienen alta dureza, buena resistencia al desgaste con un alto punto de fusión y buena resistencia química [6]. Además, se consideran materiales industrialmente importantes y tienen un gran número de aplicaciones en herramientas de corte y piezas de maquinaria, especialmente en forma de recubrimientos [7-11].
Las primeras publicaciones para mejorar el desempeño de recubrimientos de TiN producidos por PVD para herramientas de corte aparecieron en los 80s [12]. En la última década ha habido un crecimiento en la aceptación del desempeño benéfico del TiN para la industria de la manufactura, siendo ampliamente empleado por empresas tales como Teer Coatings Ltd, BryCoat y Irwin Industrial tools entre otras [13-15].
La siguiente generación de los recubrimientos PVD importantes, después de los recubrimientos de TiN, son los recubrimientos de TiC [16-20], TiCN [21-24], TiAlN [25-30] y TiAlVN [31, 32]. Estos materiales han llegado rápidamente a tener gran importancia comercial en los mercados de Australia, Europa, Norteamérica y Asia [33]. El desempeño superior del recubrimiento de TiCN sobre los recubrimientos de TiN en herramientas de corte se debe al bajo coeficiente de fricción y a un más alto coeficiente de transferencia de calor [12, 34, 35]. Probablemente la razón por la cual, los recubrimientos de TiCN no han emergido lo suficiente como un recubrimiento importante PVD se debe a las dificultades en el procesamiento, el control de la estequiometría, el esfuerzo residual y la escogencia del gas hidrocarburo portador apropiado, que en ocasiones es metano y en otras acetileno [36].
Los materiales en estado sólido existen en muchas formas diferentes o fases. El número de tales fases puede ser grande incluso para sustancias puras, por ejemplo el hielo puede existir en varias fases sólidas y un metal tan importante como el hierro presenta hasta cuatro fases sólidas. En los sistemas que presentan más de una especie química el número de fases puede ser aún mayor [37]. Con frecuencia, aún en sistemas comerciales importantes, no se tiene la disponibilidad de datos que cubra completamente todo el rango de concentraciones y temperaturas. En vista del hecho de que las propiedades de los materiales dependen significativamente de la naturaleza, número, cantidad, y forma de las posibles fases que se presentan y pueden cambiar por alteraciones en dichas cantidades, es vital, para cualquier aplicación, conocer las condiciones bajo las cuales cualquier sistema dado puede existir en sus varias formas posibles [38, 39].
A través de los años se ha acumulado gran cantidad de información de un gran número de sistemas; para registrar tal enorme cantidad de datos se acostumbra graficar el número y composición (e indirectamente las cantidades) de fases presentes como función de la temperatura, la presión y sobre todo la composición. Estas gráficas se denominan diagramas de fase, diagramas de constitución o diagramas de equilibrio. Este último nombre se deriva del hecho de que tales diagramas permiten mostrar la mayoría de las fases estables que se encuentran bajo condiciones de equilibrio [38, 40].
El término “condiciones de equilibrio” requiere cierta elaboración. Estrictamente hablando el estado de equilibrio de un sistema es aquel en el cual las propiedades de dicho sistema no cambian con el tiempo, a menos que se ejerza una restricción. En este último sentido, restricción significa normalmente una alteración de la temperatura, la presión o la composición, pero puede también referirse a la aplicación de fuerzas mecánicas, eléctricas, magnéticas, etc [41]. En la práctica, sin embargo, la definición de equilibrio se modifica teniendo en cuenta las velocidades relativas de los posibles procesos que puedan introducirse en un sistema por cambios en la temperatura, la composición o la presión. Frecuentemente un sistema es importante sólo para ciertos valores de presión, temperatura y composición; en tales casos las reacciones al interior de los sistemas pueden proceder a velocidades que son: i) tan lentas que producen cambios despreciables en las propiedades para períodos de tiempo lo suficientemente considerables. ii) tan rápidas que llegan al equilibrio en menos tiempo que el que se puede registrar de manera práctica y iii) una magnitud intermedia.
Tanto en la determinación como en el uso de los diagramas de fase se ha hecho un acercamiento fundamentalmente empírico, aunque en general ellos poseen una fuerte base termodinámica. En principio, al menos los diagramas de equilibrio, pueden calcularse por relaciones termodinámicas [42]. En la práctica, sin embargo, sólo se recurre a sustituciones relativamente simples fundamentalmente debido a que no solo la teoría exacta para casos generales es bastante compleja, sino que además muchos de los datos termodinámicos necesarios no se encuentran disponibles. Otros acercamientos posibles son: i) estudios desde un punto de vista puramente químico, con lo cual se involucrarían algunos sistemas que no son de interés. ii) una visión puramente matemática, haciendo uso de un lenguaje y simbolismos que no se manejan normalmente en ingeniería. iii) estudio geométrico y/o aproximación fenomenológica a los diagramas de fase sin casi ninguna discusión termodinámica [39].
La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (aunque los cambios de fases se pueden observar tanto con el aumento como con la disminución de la temperatura, normalmente los diagramas de fases se realizan en condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus composición. La información que se puede obtener de los diagramas de fase permite: 
conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). 
Determinar la solubilidad en el estado sólido y en el equilibrio de un elemento (o compuesto) dentro de otro. 
Hallar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación, 
Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse en diferentes fases [43].
conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). Determinar la solubilidad en el estado sólido y en el equilibrio de un elemento (o compuesto) dentro de otro. Hallar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación, Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse en diferentes fases [43].
Por otro lado, el estudio de los enlaces que se forman en un compuesto permite determinar muchas de sus propiedades. La forma como dos elementos se enlazan depende de consideraciones tales como electronegatividad y tamaño del átomo así mismo como de su valencia electrónica. Estas características que gobiernan su estructura y su estequiometría [44]. Un enlace es una fuerza de atracción que mantiene juntos los átomos de una molécula o de un cristal. Estos se caracterizan especialmente por su longitud y su energía. La naturaleza del enlace es una función de la configuración electrónica de los elementos constituyentes, el tipo de orbítales disponibles y la polaridad del enlace. En el caso del TiN y TiC estos enlaces son una combinación iónico, covalente, metálico [45]. El enlace metálico se forma entre los iones metal – metal (para este caso Ti-Ti), y depende fuertemente del punto de fusión y del grupo al que pertenece el metal. Es así como para el caso de Ti, por pertenecer al grupo IV de la tabla periódica, el punto de fusión del nitruro y del carburo es mayor que el del Ti. Además, los enlaces metálicos para elementos del grupo IV son débiles, mientras que los enlaces Ti-C y Ti-N son fuertes, contrario a lo que sucede con los metales del grupo V, en los que los enlaces metal-metal son fuertes y los enlaces del metal con el carbón o con el nitrógeno son débiles. Ahora bien, debido a que el carbón y el nitrógeno son mucho mas electronegativos que el titanio, se favores la formación de un alto porcentaje de enlaces iónicos del tipo Ti-N y Ti-C. la porción de enlace covalente de estos materiales se debe esencialmente a la superposición de los orbitales p del carbono y del nitrógeno, con los orbitales d del titanio [6, 46]. El tema de los enlaces se analizara con mayor profundidad más adelante. [6]
En este trabajo se presenta un análisis de los diagramas de fases del TiN y TiC, analizando puntos críticos de las transiciones de fases y los diferentes compuestos que se pueden presentar además de las estructuras cristalinas de dichas fases. Por otro lado, se realiza un estudio de los enlaces que se forman en cada uno de los compuestos relacionados en este documento, que fundamentan sus propiedades físicas especiales y que les otorgan las diversas aplicaciones industriales.
El carburo de tántalo es una familia de compuestos intersticial de carbono y tantalo que tiene la fórmula química genérica TaCx , donde x esta generalmente comprendida entre 1 y 0,4, x = 0,5 corresponde a carburo de tántalo (II), Ta2C, también llamada ditantalo monocarburo, mientras que x = 1 corresponde a carburo de tántalo (IV).
Utilidad
Son cerámicas refractarias extremadamente duras y quebradizas con un conductividad similar al metal. Se presenta como polvos de color marrón gris oscuros generalmente procesados por sinterización. Estos son componentes importantes de los materiales cermet que se utilizan comercialmente en diversas herramientas usadas en el corte y metales a veces se añaden a las aleaciones de carburo de wolframio.1
Preparación
Los polvos TaCx de composición deseada se preparan calentando una mezcla de polvos de tántalo y grafito en polvo en vacío o en una atmósfera inerte (argón) a 2.000 °C usando un horno industrial o de arco eléctrico2 ·.3 Otro método es reducir el óxido de tántalo (V), Ta2O5 con el carbono al vacío o en una atmósfera de hidrógeno a una temperatura de entre 1500 a 1700 °C. Este proceso se utilizó para producir en 1.876 carburo de tántalo,4 pero no se controla la estequiometría del producto.5
Estructura cristalina
TaC x compuestos tienen una cúbica (sal gema) estructura cristalina para x = 0.7-1.0; [ 8 ] . el parámetro de red aumenta con x [ 9 ] TaC 0.5 tiene dos formas cristalinas principales simetría. El uno más estable tiene un anti- yoduro de cadmio estructura trigonal-tipo que transforma después del calentamiento a aproximadamente 2.000 ° C en una red hexagonal con ninguna orden de largo alcance de los átomos de carbono.6
| Fórmula | Simetría | Tipo | Símbolo de Pearson | Grupo espacial | No | Z | ρ (g/cm3) | a (nm) | c (nm) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TaC | Cúbica | NaCl7 | cF8 | Fm3m | 225 | 4 | 14.6 | 0.4427 | |
| TaC0.75 | Trigonal8 | hR24 | R3m | 166 | 12 | 15.01 | 0.3116 | 3 | |
| TaC0.5 | Trigonal9 | anti-CdI2 | hP3 | P3m1 | 164 | 1 | 15.08 | 0.3103 | 0.4938 |
| TaC0.5 | Hexagonal10 | hP4 | P63/mmc | 194 | 2 | 15.03 | 0.3105 | 0.4935 |
Aquí Z es el número de unidades de fórmula por celda unidad, ρ es la densidad calculada a partir de parámetros de red.
Propiedades físicas
Los enlaces entre los átomos de carbono y tántalo en carburos de tantalio son mezclas complejas de enlaces iónicos, enlaces metálicos y enlaces covalentes. La gran contribución de éstos últimos da a estos materiales de muy duro y frágil en la naturaleza. TaC y tiene una microdureza de 1600 a 2000 kg·mm-2 (sobre 9 en la escala de Mohs) y un módulo de elasticidad de 285 MPa, mientras que los valores correspondientes para el tantalio puro son 110 kg·mm-2 y 186 MPa.
La dureza, la resistencia a la fluencia y al cizallamiento, son sensibles a la temperatura y aumentan de la tasa de carbono. El punto de fusión de los carburos de tantalio alcanza un máximo alrededor de 3880 °C dependiendo de las condiciones de medición y la pureza de la muestra. Este valor se encuentra entre los más altos conocidas para compuestos binarios11 5 .Sólo el compuesto terciario carburo de tántalo-hafnio tiene una temperatura de fusión sustancialmente más alta, del orden de 4.215 ° C , mientras que la temperatura de fusión del carburo de hafnio es comparable a la de carburo de tántalo. El carburo de tántalo es un superconductor con una temperatura crítica es 10,35 K.12
Las propiedades magnéticas de TaCx depende de la cantidad de carbono, para x ≤ 0,9 es diamagnético y se vuelven paramagnético para x > 0,9. El carburo de hafnio tiene el comportamiento opuesto aunque comparte la misma estructura cristalina que el carburo de tántalo.13
Propiedades químicas
El carburo de tántalo es un compuesto químicamente estable a temperatura ambiente con respecto a la mayoría de las mezclas reactivas. Es insoluble en una solución al 20% de hidróxido de sodio. Disolución del compuesto tiene lugar principalmente en ebullición de ácido sulfúrico, ácido fosfórico y mezclas de hidróxido de sodio y agua de bromo , hidróxido de sodio y peróxido de hidrógeno , ácido sulfúrico y ácido fosfórico a una temperatura de 105 ° C para formar un precipitado de sales.
EL carburo de tántalo se disuelve completamente en la mezcla de fluoruro de hidrógeno y ácido nítrico.
A partir de 800 °C, reacciona con el oxígeno para formar un Ta2O5
Ta4C5 / carburo de tántalo (V)
Ta4C5
Nomenclatura sistemática: pentacarburo de tetratántaloNomenclatura stock: carburo de tántalo (V)
Nomenclatura tradicional: carburo pertantálico
Tipo de compuesto: sales neutras
TaC / carburo de tántalo (IV)
TaC
Nomenclatura sistemática: monocarburo de tántaloNomenclatura stock: carburo de tántalo (IV)
Nomenclatura tradicional: carburo tantálico
Tipo de compuesto: sales neutras
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