Карбид тантала

Карбид тантала — химическое соединение металла тантала и углерода с формулой TaC. Имеет широкую область гомогенности, которая составляет 41,5−49,5 ат.% углерода, что отвечает соединениям TaC_0,73 и TaC_0,96 соответственно.

Карбид тантала
Общие
Систематическое наименование	монокарбид тантала
Традиционные названия	карбид тантала
Хим. формула	TaC
Физические свойства
Состояние	твёрдое
Молярная масса	192,96 г/моль
Плотность	14,4 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	3880 °C
• кипения	5500 °C
Мол. теплоёмк.	32,5 Дж/(моль·К)
Теплопроводность	22,2 Вт/(м·K)
Классификация
Рег. номер CAS	12070-06-3
Рег. номер EINECS	235-118-3
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Получение

Карбид тантала можно получить одним из следующих способов.

• Восстановлением оксида тантала углеродом с последующим образованием карбида:

Восстановление Ta₂O₅ и последующее образование карбида тантала проводят при температурах 1400−1600 °C в среде водорода или в вакууме. Источником углерода является сажа.

• Непосредственным насыщением тантала углеродом:

В этом случае технология получения карбида тантала аналогична выше представленному методу, только в этом методе оксид заменен на металлический тантал.

Разновидностью этого способа является получение карбида тантала в графитовом тигле, содержащем тантал, углерод и расплав алюминия или другие металлы группы железа вместо алюминия при температуре до 2000 °C. Полученный продукт обрабатывается кислотой для растворения образовавшихся побочных карбидов алюминия или железа.

• Осаждением из газовой фазы:

В основе способа лежит процесс восстановления пятихлористого тантала у поверхности вольфрамовой или угольной нити до тантала, который взаимодействует с углеводородной средой при температурах от 2000 °C до 2930 °C.

• Восстановительной плавкой танталсодержащих шлаков:

Восстановление и карбидизация тантала происходит за счет добавления в шлак углерода с большим избытком и в присутствии железа. Образующийся карбид выделяют химическим путём.

Физические свойства

Карбид тантала представляет собой материал от светло- до тёмно-коричневого цвета. Имеет кубическую решетку типа NaCl, пространственная группа Fm3m, с периодом решетки a = 0,4456 нм.

• Удельное электрическое сопротивление 42,1 мкОм•см
• Сверхпроводник при 10,1 К
• Коэффициент линейного теплового расширения 6,6−7,09•10⁻⁶ 1/K (25−1000 °C)
• Микротвёрдость 18 ГПа
• Модуль упругости 285 ГПа

Химические свойства

Карбид тантала является химически стойким соединением при комнатной температуре по отношению к серной, соляной, ортофосфорной, азотной, щавелевой кислотам и большинства их смесей. Не растворяется в 20% растворе гидроксида натрия. Растворение большей части соединения происходит в кипящей серной, ортофосфорной кислотах и в смесях гидроксида натрия и бромной воды, гидроксида натрия и пероксида водорода, серной и ортофосфорной кислотах при температурах от 105 °C с образованием осадка солей.

Карбид тантала полностью растворяется в смеси фтороводорода и азотной кислоты.

Начиная с 800 °C, взаимодействует с кислородом образуя Ta₂O₅.

Применение

Карбид тантала входит в состав твёрдых сплавов марок ТТК, содержание которого может составлять от 3% до 17%. Добавка карбида тантала позволяет сохранять остроту режущей кромки резца и уменьшает склонность к привариванию стружки к резцу. Также способствует уменьшению размеров зёрен карбидов.

Высокая температура плавления и стойкость против расплавленных металлов позволяет применять карбид тантала как футеровку тиглей для плавки тугоплавких металлов, испарителей для алюминия и цинка, а также нагревательных элементов высокотемпературных электрических печей.

Покрытия из карбида тантала используются для защиты стальных форм при литье под давлением алюминия и его сплавов.

Примечания

1. Самсонов Г. В. Физическое материаловедение карбидов. — Наукова думка, 1974. — С. 79-397. — 454 с.
2. Косолапова Т. Я. Карбиды. — Металлургия, 1968. — С. 300.
3. Самсонов Г. В., Виницкий И. М. Тугоплавкие соединения (справочник). — Металлургия, 1976. — С. 560.
4. Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые сплавы. — Металлургия, 1971. — С. 48-50. — 392 с.
5. E. Mart´ınez, U. Wiklund, J. Esteve, F. Montalà, L. L. Carreras. Tribological performance of TiN supported molybdenum and tantalum carbide coatings in abrasion and sliding contact // Wear – 2002. – Vol. 253, No. 11-12. – P. 1182-1187.