Карбид хрома

Карбид хрома вы можете заказать, оформив заявку на сайте

Карбид хрома — общее название нескольких тугоплавких соединений хрома с углеродом, применяемых в виде порошка. В технике используются три основные фазы: Cr₃C₂, Cr₇C₃ и Cr₂₃C₆, различающиеся по составу, структуре и свойствам. Промышленно наиболее востребован Cr₃C₂ (дикарбид трихрома) — именно о нём идёт речь, когда говорят «карбид хрома» без уточнений.

Ключевое свойство, отличающее Cr₃C₂ от большинства карбидов переходных металлов, — исключительная стойкость к высокотемпературному окислению. Среди карбидов IV–VI групп переходных металлов карбид хрома является наиболее стойким к окислению: окисление порошка Cr₃C₂ начинается при 700–900 °С, а компактных образцов — выше 1000–1100 °С. Это в сочетании с высокой твёрдостью и химической инертностью определяет области его применения.

Фазы карбида хрома: Cr₃C₂, Cr₇C₃ и Cr₂₃C₆

В системе хром–углерод существуют три стабильные карбидные фазы. Каждая имеет свои характеристики и специфику применения.

Параметр	Cr₂₃C₆	Cr₇C₃	Cr₃C₂
Содержание углерода, % масс.	~5,7	~9,0	13,34
Цвет порошка	серый	серебристый	серый
Температура плавления, °С	~1534 (эвтектика с Cr)	~1766 (конгруэнтно)	~1895 (инконгруэнтно)
Растворимость в царской водке	нерастворим	нерастворим	нерастворим
Основное применение	легирующая добавка в WC-сплавах	твёрдые фазы наплавочных покрытий	керметы, покрытия, сплавы КХН

Cr₂₃C₆ и Cr₇C₃ нерастворимы в царской водке. При длительном нагреве в диапазоне 730–870 °С Cr₇C₃ превращается в Cr₂₃C₆. Cr₃C₂ при нагреве не растворяется в воде, кислотах и щелочах; взаимодействует с расплавленным цинком при ~940 °С, а также разлагается кипящей концентрированной хлорной кислотой.

Физические и химические свойства Cr₃C₂

Кристаллическая структура

Cr₃C₂ имеет ромбическую (орторомбическую) кристаллическую решётку пространственной группы Pnma. Каждый из восьми атомов углерода расположен в центре трёхгранной призмы, в углах которой находятся атомы хрома. Параметры решётки: a = 0,5532 нм, b = 0,2829 нм, c = 1,1471 нм. Фаза характеризуется очень узкой областью гомогенности. Плавление происходит инконгруэнтно по перитектической реакции.

Основные физические свойства Cr₃C₂

Свойство	Значение
Молярная масса	180,01 г/моль
Плотность	6,68 г/см³
Температура плавления	~1895 °С (инконгруэнтно)
Теплопроводность	19,1 Вт/(м·К)
Молярная теплоёмкость (20 °С)	98 Дж/(моль·К)
Удельное электросопротивление	75 мкОм·см
Начало окисления (порошок)	700–900 °С
Начало окисления (компактные образцы)	>1000–1100 °С
Кристаллическая решётка	ромбическая (орторомбическая), Pnma

Важная технологическая характеристика: коэффициент термического расширения (КТР) Cr₃C₂ близок к КТР стали. Это позволяет наносить карбидохромовые покрытия на стальные детали без значительных остаточных термических напряжений — в отличие от многих других тугоплавких соединений.

Получение порошка карбида хрома

Промышленный метод — карботермическое восстановление: взаимодействие оксида хрома Cr₂O₃ с сажей (техническим углеродом) при температуре 1400–1600 °С. Реакцию, как правило, ведут в водородной или инертной атмосфере. Процесс протекает поэтапно: при 1150–1200 °С начинают образовываться низшие карбиды Cr₂₃C₆ и Cr₇C₃, и лишь при подъёме до 1500–1600 °С с последующей выдержкой формируется однофазный Cr₃C₂ с незначительным содержанием свободного углерода. Превышение температуры нежелательно не потому, что карбид «разлагается» — температура плавления Cr₃C₂ составляет ~1895 °С — а потому что усиливается спекание частиц и усложняется последующее измельчение.

Помимо карботермического метода применяется прямой синтез из элементов: взаимодействие металлического хрома с углеродом. Для получения высокодисперсных порошков применяется механохимическая активация шихты с последующим низкотемпературным отжигом.

Порошок карбида хрома Cr₃C₂ выпускается по ТУ 6-09-03-10-75. Цвет — серый.

Применение карбида хрома в промышленности

Газотермические износостойкие покрытия

Основная область применения порошка карбида хрома — газотермическое напыление методами HVOF и HVAF. Используется в составе порошковых смесей Cr₃C₂–NiCr (как правило, с никель-хромовым связующим 75–25 или 80–20). Такие покрытия сохраняют работоспособность при температурах до 750–800 °С, где покрытия на основе карбида вольфрама уже не применяются из-за интенсивного окисления. Покрытия Cr₃C₂–NiCr устойчивы к абразивному и эрозионному износу, к коррозии в хлоридных и сернокислотных средах.

Близость КТР Cr₃C₂ к КТР стали исключает растрескивание покрытия при термоциклировании — это принципиальное преимущество перед карбидом вольфрама при высокотемпературной эксплуатации.

Типовые объекты напыления: трубки пароперегревателей котлов, гидравлические штоки, бумагопрокатные валы, детали насосов и клапанов в агрессивных средах, детали, работающие в условиях высокотемпературной эрозии.

Сплавы КХН (карбид хрома — никель)

Cr₃C₂ является основным компонентом безвольфрамовых твёрдых сплавов марки КХН (карбид хрома — никель). Сплавы КХН применяются там, где требуется кислотостойкость и жаростойкость, но применение кобальтовой связки нежелательно или избыточно по стоимости. В кобальтовой связке карбид хрома проблематичен из-за высокой растворимости в ней; в никелевой связке растворимость существенно ниже, что обеспечивает стабильность структуры.

Добавки в твёрдые сплавы WC–Co

Небольшие добавки Cr₃C₂ (0,3–1,5 % масс.) вводят в твёрдые сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой как ингибитор роста зерна при спекании. Это позволяет получать мелкозернистые и субмикронные сплавы с улучшенной твёрдостью и прочностью. Аналогичную роль в таких системах выполняет карбид ванадия, однако Cr₃C₂ предпочтителен, когда требуется одновременно улучшить коррозионную стойкость сплава.

Наплавочные сплавы и износостойкие изделия

Высокая температура плавления и химическая инертность Cr₃C₂ делают его компонентом наплавочных сплавов для деталей, работающих в условиях абразивного износа при повышенных температурах и в агрессивных средах. На основе карбида хрома изготавливаются: сопла и наконечники пескоструйного оборудования, сопла для транспортировки агрессивных жидкостей и суспензий, высокотемпературные подшипники скольжения, волочильные матрицы и фильеры, фильтрующие элементы для химических производств, детали насосов для перекачки кислот.

Добавка к карбиду титана в жаропрочных керметах

В керметных системах на основе TiC карбид хрома применяется как легирующая добавка, повышающая жаростойкость и коррозионную стойкость. Такие материалы предназначены для эксплуатации в окислительных средах при высоких температурах.

Формы поставки карбида хрома Cr₃C₂

Поставляется в виде порошка различных фракций. Типовые гранулометрические группы: крупный порошок (для наплавки и спекания изделий), мелкий и тонкодисперсный порошок (для газотермического напыления и производства сплавов КХН). Конкретный размер фракции согласовывается при оформлении заявки.

Смежные материалы по теме: диборид хрома CrB₂ и карбид молибдена — тугоплавкие соединения со схожими областями применения в керамических покрытиях и твёрдосплавных материалах.