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"PROCEDE DE FABRICATION DU CARBURE DE TITANE"
La présente invention a trait à un procédé de fa- brication du carbure de titane.
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
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métal avec du carbone pendant une période considérable à une température de l'ordre de 1600 à 1900 C de préférence dans une atmosphère réductrice, ou en chauffant un mélange de bioxyde de titane (Ti02) et de carbone, dans une atmosphère d'hydrogène, pendant plusieurs heures à une température de l'ordre de 1600 à 1900 C., le TiO2 étant réduit en titane métallique au cours de ce chauffage.
Le carbure de titane ainsi obtenu est amorphe et présente une teneur en carbone considérablement 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 quantité considérable de carbone libre. La matière ainsi faite n'est pas satisfaisante pour la fabrication de compositions de carbures dures,agglomérées, présentant la
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dureté et laxlési,stiànce voulues.
Le but principal de l'invention est un procédé de fabrication du carbure de titane, permettant d'obtenir un produit supérieur au carbure de titane fabriqué jusqu'ici, en ce sens que les compositions dearbures, dures, agglomé rées obtenues par ce procédé présentent une résistance et une dureté combinées supérieures à la résistance et dureté combinées des compositions similaires de carbures dures, agglomérées, obtenues à partir de la matière produite par le procédé ancien.
Un autre but de l'invention est un procédé per- mettant d'obtenir un carbure de titane et offrant un produit supérieur, à un coût peu supérieur à celui du procédé an- cien, ce qui lui permet donc d'entrer en compétition avec ce dernier.
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Un autre but encore de l'invention est un procédé de fabrication du carbure de titane, dont le rendement soit suffisamment important pour rendrele procédé économiquement utile, c'est-à-dire, dans lequel une grande proportion du titane contenu dans la charge de départ est récupérée sous forme de carbure de titane.
D'autres buts et, parmi ceux-ci, les buts ayant trait à l'économie et aux détails de l'opération, ressorti- ront de la description détaillée qui va suivre.
D'une manière générale, l'invention consiste à dissoudre le titane et le carbone dans du fer en fusion, à refroidir la masse en fusion afin de la solidifier, à la ré- duire aux dimensions particulaires appropriées pour un trai- tement acide, puis à traiter les particules par un acide et à les lavera l'eau, le tout suivi d'une décantation, jusqu' à ce que tout soit dissout ou autrement retiré de la masse, à l'exception des cristaux de carbure de titane (TiC). Ce résidu est ensuite séché et il est alors prêt à l'usage.
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,à une température de 2800 C., ou au-dessus, et en maintenant la masse à cette température élevée pendant un temps considérable. De cette façon, le TiO2 est réduit en titane dans la masse en fusion avec dégagement du gaz qui s'en)échappe, et le titane métal- lique se trouve formé dans de telles conditions qu'il ne ré- agit pas avec l'oxygène et l'azote de l'air pour former des oxydes et nitrures de titane. On peut ajouter le carbone comme faisant partie de la charge ou bien il peut être tiré du creuset en carbone ougraphite dans lequel on chauffe la
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charge.
On a trouvé qu'il n'était pas nécessaire de se servir de fer pur dans la charge, mais on peut utiliser des déchets d'acier pourvu que l'acier ne contienne pas d'in- grédients qui réagiraient avec le titane, le fer ou le car- bone, pour former des composés insolubles.
On décrira un exemple de réalisation du procédé comme suit : On a composé une charge avec du bioxyde de titane, des déchets d'acier et du carbone d'après les pour- centages en poids suivants :
TiO2 64,5%
Déchets d'acier (F 99,25%
C 0,45%,
Mn 0,30 24,5 %
C -- 11,0 %
On a tassé cette charge dans un creuset en graphi- te, le TiO2 placé dans le fond du creuset, les déchets d'a- cier au-dessus, et le carbone en une couche au-dessus des déchets d'acier.
La charge, ainsi tassée dans le creuset en graphite, fut chauffée pendant 5 heures, la température maximum dépassant 2800 C. sans aller jusqu' à 3000 C. L'ap- plication de la chaleur à la charge et au creuset fut gra- duelle, quatre heuyres étant utilisées à faire monter la température de la charge jusqu'à 2800 C . , puis la chaleur fut maintenue à 2800 C. et davantage. Cette application graduelle de la chaleur est désirable afin de régler le bouillonnement provoqué par l'échappement des gaz formés par la réduction du TiO2 en Ti. Le chauffage terminé, on a laissé la masse se refroidir graduellement et naturelle- ment jusqu'à une température permettant de la manuten- tionner.
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Après le refroidissement, on a retiré du creuset la masse impure ou culot, en brisant, par exemple, le creu- set de graphite qui l'entoure et on a ensuite broyé ce culot suffisamment, dans n'importe quel appareil approprié, pour que toutes les particules puissent passer au tamis NI 10.
Ces particules ont été ensuite traitées par l'acide chlorhy- drique (l'acide muriatique du commerce fut trouvé satisfai- sant) jusqu'à ce que cesse l'ébullition des gaz due à la dis solution du fer. On a répété la lixiviation 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'aci- de, et on a répété et continué cette lixiviation par l'acide jusqu'à ce qu'ait cessé tout indice de dissolution de fer.
On a ensuite broyé les p articules dans l'eau dans un bro- yeur à billes d'acier, et on a répété le traitement par l'acide chlorhydrique et le lavage à l'eau. On a répété @ et continué ce traitement par broyeur à billes et par l'a- cide 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 aved présence possible d'un peu de carbone libre. Une grande quantié du carbone libre fut entraînée et décantée au cours des trai- tements par l'acide et des lavages qui s'en sont suivis, mais une fois les traitements par l'acide terminés, on aéliminé encore du carbone libre en lavant à l'eau dans un 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
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traitement jusqu'à ce que pratiquement tout le carbone libre ait été éliminé, ne laissant rien autre que des par- ticules 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'usage.
En procédant comme ci-dessus on a pu obtenir un rendement de TiC se montant à 32,25. du poids de la char- ge initiale, c'est-à-dire que le poids du TiC récupéré correspondait à la moitié du poids du TiO2 contenu dans la charge. En d'autres termes, 65% du titane contenu dans la charge initiale forma du TiC et fut récupéré comme tel.
Le carbure de titane produit par le procédé dé- crit ci-dessus présente une couleur grisâtre, un lustre métallique brillant et semble se composer de beaucoup de cristaux à pouvoir très réfléchissant. L'apparence de cette matière est tout à fait différente de celle de la matière amorphe obtenue à l'aide du procédé utilisé jusqu'ici pour la fabrication du carbure de titane.
Théoriquement, le carbure de titane (TiC), se composant, comme il le fait, 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 ma- tière produitepar le procédé décrit ci-dessus pouvait va- rier entre un minimum de 19,50 % et un maximum de 20,05 %.
La teneur en c-arbone de cette matière, détermihée par l'analyse, se rapproche donc bien près de la teneur théoriqu- en carbone du TiC. Cette variation dans la teneur en car- bone peut s'expliquer par la théorie que le TiC est un de ces composés chimiques présentant ce qu'on appelle un réseau cristallin défectueux, ce qui, dans le cas présent, veut dire
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que le composé peut exister avec un réseau duquel sont absents quelques atomes de carbone. Ceci expliquerait la production de matières présentant les caractéristiques du carbure de titane, mais possédant une teneur en carbone moindre que la quantité théorique.
Un exqmen de diffraction, au moyen de rayons X, de la substance produite par le procédé décrit ci-dessus;, montre la configuration caractéristique du TiC. Ce composé présente un réseau cristallin du type NaC1m, et on a déter- miné, d'après un examen de diffraction du moyen de rayons X de ce produit, qu'il présente un paramètre de réseau de 4,32 unités Angstrom. On peut calculer la densité théorique à partir de la formule suivante :
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A(B+C) D x 10-"-r (E x 10 -8 3 dans laquelle A représente la quantité de molécules dans la cellule unitaire, B représente le poids atomique du titane; C, le poids atomique du carbone; D, le poids d'un atome d'un élément hypothétique présentant un 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 A la va- leur 4, à D la valeur 1,65, et à E la valeur 4,32, la cal- cul donne, comme densité théorique du TiC , 4,90. La densité de la matière produite par le procédé décrit plus haut, comme déterminé par des méthodes métriques, se rapproche de très près de la densité théorique soit 4,90, ainsi que déterminé par le paramètre de réseau. Ceci établit que
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le produit obtenu par le présent procédé consiste en TiC véritable sous une forme sensiblement pure.
Le titane peut être présent dans la charge sous forme de titane métallique ou de bioxyde de titane (Ti02).
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 fer 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 se combineraient avec les autres ingrédients de la charge pour former des alliages ou des composés insolubles lors du traitement acide. On a trouvé, par exemple, que le pro- cédé fonctionne avec succès lorsqu'on se sert de déchets d'acier contenant 0,45 C et 0,30 Mn. Certains ingrédients dans ledéchets d'acier seraient nuisibles. Par exemple, des déchets d'acier, qui comprendraient uhe quantité consi- dérable de tungstène, seraient nuisibles parce que le fer et le tungstène pourraient former des alliages ou composés insolubles qu'il ne serait pas possible de séparer du car- bure de titane.
Il n'est pas nécessaire d'ajouter tout le carbone à titre d'un des constituants de la charge, lorsque l'on chauffe la charge dans un creuset en graphite, parce qu'au moins une certaine quantité du carbone, né- cessaire pour réduire le TiO2 et former le TiC, sera prise au creuset. On obtient, toutefois, les meilleurs résultats lorsque le carbone nécessaire est ajouté à titre de l'un des constituants de la charge.
Les proportions de titane, fer et carbone, contenus dans la charge, peuvent varier dans des limites assez lar-
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ges. La quantité detitane par exemple, dans la charge, peut varier de 40% du poids du fer à 200% de ce poids dans la charge. On a trouvé que le procédé fonctionne d'une ma- nière des plus efficaces, et qu'on obtient les meilleurs rendements, lorsque le poids du titane dans la charge s'é- lève à 160% du poids du fer qui s'y trouve. Il est néces- saire que la charge contienne suffisamment de carbone pour convertir tout le titane de la charge en TiC. En d'au- tres termes, le carbone de la charge doit peser au moins 25% du poids du titane de la charge, at au moins 15% du poids du TiO2 de la charge.
Ainsi qu'il est dit ci-dessus, on devra chauffer la charge à une température comprise entre 2800 et 3050 C, et on devra la maintenir à une température de 2800 C ou plus élevée, pendant un laps de temps considérable, pour donner à la réaction le temps de s'achever. Lorsqu'on se sert du TiO2 comme constituant de la charge, il est désirable de n'arriver que très graduellement à la température de 2800 C. afin de ménager le temps nécessaire pour la réduction com- plète d Ti02 et de permettre aux gaz qui en résultent de s'échapper.
Il est important de continuer le traitement par l'acide et le lavage des particules du culot broyé, jusqu'à ce que tout le fer se soit dissous et en soit éliminé et, qu'en fait, le résidu ne se compose plus que de TiC et de carbone libre. On devra donc répéter le lavage et la décan- tation des particules ou leur traitement sur une table de flottage, s'il y a lieu, et, afin de retirer le carbone libr les continuer jusqu'à ce que pratiquement tout le carbone libre ait été éliminé, de sorte que le résidu ne se compose
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plus que de TiC pur.
Il est très important de séparer le TiC des autres matières contenues dans le culot, parce que la présence de carbone libre et de traces de fer dans le carbure de titane constitue une source de faiblesse dans les compositionstobtenues en frittant le carbure de titane avec un métal auxiliaire tel que le cobalt .
On croit qu'une source de faiblesse dans les com- positions agglomérées produites à partir du carbure de titanepar des procédés connus jusqu'ici, a été causée par la présence d'oxydes et de nitrures de titane dans cette matière. Le titane métal, surtout lorsqu'il est chauffé, réagit très facilement avec l'oxygène et l'azote de l'air pour former de tels oxydes et nitrures et, par suite, dans les procédés antérieurs, il était impossible d'éviter 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 atomes 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, éliminent tout le titane et tout le fer, ne laissant uniquement que du TiC pur
Le produit du procédé décrit par les présents, possède des caractéristiques très différentes du carbure de titane obtenu par les procédés antérieurs, et, lorsque le produit de la présente invention est fritté avec un mé- tal auxiliaire, tel que le cobalt, afin de former une com- position de carbure agglomérée et dure,
un telle composi- tion présente une résistance et une dureté combinées su- périeures aux compositions semblables faites avec le produit
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des procédés antérieurs.
Il est évident que la présente invention est sus- ceptibles de nombreuses variantes sans sortir de son cadre.