Procédé de fabrication du carbure de titane. La présente invention a trait à un procédé (le fabrication du carbure de titane cristallisé, pur.
Le procédé connu et appliqué jusqu'ici, pour la fabrication de ce qu'on est. convenu d'appeler le carbure de titane (TiC), consiste à - carburer le titane en chauffant le métal ;v' -e@# du carbone pendant une période consi dérable à une température de l'ordre de 1600 à 1900" C, de préférence dans une atmosphère réduetriee, ou en chauffant un mélange de bioxyde de titane (Ti02) et de carbone, dans une atmosphère d'hydrogène, pendant plu sieurs heures à une température de l'ordre de 1600 à.
1g00 C, le TiO2 étant réduit en titane :métallique au cours de ce chauffage. Le car bure de titane ainsi obtenu est amorphe et présente une teneur en carbone considérable ment moins élevée que la teneur théorique en carbone du TiC qui est de 20,05 %. La matière renferme aussi habituellement;
des oxydes et des nitrures de titane, et une quan tité considérable de carbone libre. La matière ainsi faite n'est pas satisfaisante pour la fabrication de compositions de carbures dures, agglomérées, devant. présenter des qualités de dureté et de résistance intéressantes.
Le présent procédé permet, d'obtenir un produit supérieur au carbure de titane fabri qué jusqu'ici, en ce sens que les compositions (le carbures, dures, agglomérées faites à. par tir du carbure de Ti cristallisé obtenu par ce procédé présentent une résistance et une du reté combinées supérieures à celles des eompo- sitions similaires obtenues à partir du carbure de titane préparé selon les anciens procédés.
Le présent procédé permet d'obtenir un pro duit supérieur, à un coût peu supérieur à celui des procédés anciens, ce qui lui permet donc d'entrer en compétition avec ces derniers.
Le rendement obtenu est. suffisamment important pour rendre le procédé économi quement utile.
Le procédé selon l'invention consiste en ce qu'on chauffe ensemble du titane, du car bone et du fer au-dessus de la température de fusion du fer, le rapport en poids du titane au fer étant au moins égal à 2 à 5, qu'on maintient la masse pendant. au moins une heure à une température d'au moins 2800 C, jusqu'à ce que le titane ait réagi avec le carbone pour former le carbure de titane, qu'on laisse refroidir la masse pour la solidifier, broye la matière solidifiée et re froidie, la traite par un acide, la lave par l'eau pour éliminer les impuretés, et qu'on sèche le carbure de titane.
On a trouvé désirable en même temps qu'économique de réaliser le procédé en chauffant une charge se composant de bioxyde de titane (TiO2), de fer et de carbone,<I>à une</I> température de 2800 C, ou au-dessus, et en maintenant la masse à cette température éle vée pendant un temps considérable. De cette façon, le Ti02 est réduit en titane dans la masse en fusion avec dégagement. du gaz qui s'en échappe, et le titane métallique se trouve formé dans de telles conditions qu'il ne réagit pas avec l'oxygène et l'azote de l'air pour former des oxydes et nitrures de titane.
Tout le carbone nécessaire peut être compris dans la. charge ou bien il peut. être tiré en partie du creuset en carbone ou graphite dans le quel on chauffe la charge. On a trouvé qu'il. n'était pas nécessaire de se servir de fer pur dans la. charge, mais on peut utiliser des dé- ehets d'acier pourvu que l'acier ne contienne pas d'ingrédients qui réagiraient avec le titane, le fer ou le carbone, pour former des composés insolubles.
Voici décrit un exemple de réalisation du procédé: On a composé une charge avec du bioxyde de titane, des déchets d'acier et du carbone d'après les pourcentages en poids suivants
EMI0002.0007
TiO2 <SEP> - <SEP> 64,51/o
<tb> Déchets <SEP> d'acier <SEP> (Fe <SEP> 99,95 <SEP> 0/0
<tb> C <SEP> 0,451/o
<tb> Mn <SEP> <B>0,30</B> <SEP> 1/o) <SEP> 24,5 <SEP> %
<tb> C <SEP> - <SEP> <B>11,01/0</B> On a tassé cette charge dans un creuset en graphite, le TiO2 placé dans le fond du creu set, les déchets d'acier au-dessus et le car bone en urne couche au-dessus des déchets d'acier. La. charge, ainsi tassée dans le creuset en graphite, fut chauffée pendant 5 heures, la température maximum étant comprise entre 200Q et 3000 C.
L'application de la chaleur à, la charge et au creuset fut graduelle, quatre heures étant utilisées à faire monter la tem pérature de la charge jusqu'à 2800 C, puis la température fut maintenue entre 2800 et 3000 C pendant 1 heure. Cette application graduelle de la chaleur est désirable afin de régler le bouillonnement provoqué par l'échappement des gaz formés par la réduc tion du Ti02 en Ti. Le chauffage terminé, on a laissé la masse se refroidir graduelle ment et naturellement jusqu'à une tempéra ture permettant de la manutentionner.
Après le refroidissement, on a retiré du creuset la masse impure ou culot, en brisant, par exemple, le creuset de graphite qui l'en toure et on a ensuite broyé ce culot suffi samment, dans n'importe quel appareil appro- prié, pour que toutes les particules puissent passer au tamis N 10. Ces particules ont été ensuite traitées par l'acide chlorhydrique, ,jusqu'à ce que cesse l'ébullition des gaz due à la dissolution du fer.
On a. répété la. lixivia- tion par l'acide chlorhydrique, on a lavé à l'eau les particules et on a décanté l'acide et l'eau après chaque traitement par l'acide, et on a répété et continué cette lixiv iation par l'acide jusqu'à ce qu'ait cessé tout. indice tle dissolution de fer. On a. ensuite broyé les particules dans l'eau dans un broyeur à bille d'acier et on a répété le traitement par l'acide chlorhydrique et le lavage à, l'eau.
On a ré pété et continué ce traitement par broyeur à billes et par l'acide jusqu'à ce que toutes les particules aient pu passer au tamis N 100 et qu'il n'y ait plus trace de dissolution de fer de la. masse des particules.
Le résidu de ce traitement par l'acide doit se composer uniquement de particules de TiC avec présence possible d'uni peu de carbone libre. Lune grande quantité du carbone libre fut entraînée et décantée au cours des traite ments par l'acide et des lavages qui s'en sont suivis, mais, une fois les traitements par l'acide terminés, on a éliminé encore du car bone libre en lavant à. l'eau dans Lui récipient et en faisant. flotter, puis en éliminant le carbone libre. On peut. également effectuer ce traitement. sur l'une des\ formes classiques de tables de flottage.
On a répété ce traitement jusqu'à ce que, pratiquement, tout le carbone libre ait été éliminé, ne laissant rien autre que des particules de carbure de titane. Le résidu fut finalement lavé par de l'acide fluorhydrique, lavé ensuite plusieurs fois à l'eau, puis séché et enfin prêt à, l'usagge.
En procédant. comme ci-dessus, on. a hLi obtenir un rendement de TiC se montant à 32,25 % du poids de la char1ge initiale, c'e,
#t- à-dire que le poids du TiC récupéré corres pondait à la moitié du poids du Ti0'L' contenu dans la charge. En d'autres termes, 6:5% du titane contenu dans la charge initiale se sont. transformés en TiC récupérable.
Le carbure de titane ainsi produit présente une couleur grisâtre, un lustre métallique brillant et semble se composer de beaucoup de cristaux à pouvoir très réfléchissant. L'ap parence de cette matière est tout à fait diffé rente de celle de la matière amorphe obtenue à l'aide des anciens procédés.
Théoriquement, le carbure de titane (TiC), se composant d'un atome de titane et d'un atome de carbone, devrait présenter une teneur en carbone de 20,05%. On a trouvé que la teneur en carbone de la matière produite par le procédé décrit ci-dessus pouvait varier entre un minimum de 19,501/o et un maxi mum de 20,0511/o. La teneur en carbone de cette matière, déterminée par l'analyse,
se rapproche donc bien près de la teneur théo rique en carbone du TiC. Cette variation dans la, teneur en carbone peut s'expliquer théoriquement par le fait que le TiC est un composé chimique présentant tin réseau cristallin défectueux duquel peuvent être absents quelques atomes de carbone. Cela expliquerait. la production de matières pré sentant les caractéristiques du carbure de titane, mais possédant une teneur en carbone moindre que la quantité théorique.
Lin examen de diffraction, au moyen de rayons X, de la substance produite par le procédé décrit ci-dessus, montre la configu ration caractéristique du TiC. Ce composé présente un réseau cristallin du type NaCl, avec un paramètre de réseau de 4,32 unités Angstroem. On peut calculer la densité théo rique à. partir de la formule suivante:
EMI0003.0021
dans laquelle A représente la quantité de molécules dans la cellule unitaire, B repré sente le poids atomique du titane, C le poids atomique du carbone, D le poids d'un atome cl' un élément hypothétique de poids atomique égal à l'unité, et E représente la distance observée entre les atomes de titane dans le réseau. En se servant, dans la formule ci- dessus, des poids atomiques -révisés pour Ti et C de 47,9 et 12,01 respectivement, et en donnant à El la valeur 4, à D la valeur 1,
65 et à E la valeur 4,32, le calcul donne, comme densité théorique du TiC, 4,90. La. densité de la matière produite par le procédé décrit plus haut, déterminée par des méthodes pykno- métriques, se rapproche de très près de la densité théorique. Le produit obtenu par le présent procédé consiste donc en TiC sous une forme sensiblement pure.
Le titane peut être présent dans la charge sous forme de titane métallique ou de bioxyde de titane (TiO2). Lorsqu'il est présent sous forme d'oxyde, le chauffage, en présence de carbone, réduit l'oxyde en titane métallique. Il n'est pas nécessaire que le foi.- soit présent dans la charge sous forme de fer pur. Il peut être introduit dans la charge sous forme de fonte ou de déchets d'acier, pourvu que les déchets ne contiennent pas d'ingrédients qui pourraient donner naissance en présence de la charge à des alliages ou des composés insolubles lors du traitement acide.
On a trouvé, par exemple, que le procédé fonc tionne avec succès lorsqu'on se sert de dé- chets d'acier contenant 0,45 % C et 0,30 oio Mn. Des déchets d'acier, qui comprendraient une quantité considérable de tungstène, se raient nuisibles parce que le fer et le tungs tène pourraient foi-mer des alliages ou com posés insolubles qu'il ne serait pas possible de séparer du carbure de titane.
Les propor tions de titane, fer et carbone, contenus dans la charge, peuvent varier dans des limites assez larges. La quantité de titane, par exem ple, dans la charge, peut varier de 40 à 200% du poids du fer dans la charge, la limite supérieure correspondant. à un poids de 'fi02 égal à trois fois et un tiers celui du fer.
On a trouvé que le procédé fonctionne d'une manière des plus efficaces, et qu'on obtient les meilleurs rendements, lorsque le poids en titane dans la charge s'élève à 160 0/0 dit poids du fer. II est nécessaire que la charge contienne suffisamment de carbone pour convertir tout le titane de la charge en TiC. En d'autres termes,
le carbone de la charge devrait peser au moins 25 % du poids du titane de la charge, et. au moins 15 % du poids du TiO2 de la charge.
Il n'est pas né- eessaire d'ajouter une aussi grande quantité de carbone lorsque l'on chauffe la charge dans un creuset en graphite, parce qu'an moins une certaine quantité du carbone, né cessaire pour réduire le TiO-" et former le TiC, sera prise au creuset.. On obtient, toute fois, les meilleurs résultats lorsque la quan tité de carbone indiquée plus haut est corn- prise dans la charge.
Il est préférable de chauffer la. charge à. une température comprise entre 2800 et ^000 C, et maintenir cette température pen dant un laps de temps considérable, pour don ner à la réaction le temps de s'achever. Lors qu'on se sert, du TiO2 comme constituant. de la charge, il est. désirable de n'arriver que très "adttellement à la température de 2800 C afin de ménager le temps nécessaire pour la réduction complète du TiO2 et de per mettre aux gaz qui en résultent de s'échap per.
Il est très important de séparer le TiC des autres matières contenues clans le culot, parce que la présence' de carbone libre et de traces de fer dans le carbure de titane consti tue une source de faiblesse pour les compo sitions obtenues en frittant le carbure de titane avec un métal auxiliaire tel que le cobalt.
On croit qu'une source de faiblesse dans les compositions agglomérées produits à par tir du carbure de titane obtenu par des pro- eédés connus jusqu'ici a été causée par la présence d'oxydes et de nitrures de titane dans cette matière.
Le titane métallique, sur tout lorsqu'il est chauffé, réagit très facile ment avec l'oxygène et l'azote de l'air pour former des oxydes et des nitrures et, dans les procédés antérieurs, il était impossible d'évi- tex la formation d'oxydes et de nitrures de titane, lesquels sont nocifs pour le carbure de titane.
Suivant le présent procédé, les atomes de titane réagissent avec les atonies de carbone pour former le TiC dans la masse de fer en fusion, de sorte que l'oxygène et l'azote de l'air ne peuvent pas atteindre le titane pour former des oxydes et des nitrures, et le traitement acide, ainsi que le lavage, éli minent tout le titane, tout. le fer et le lC libre, ne laissant plus que du TiC pur.