Титан и его сплавы материаловедение

47. Титан и его сплавы

Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью. Недостатки титана: его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости.

Азот, углерод, кислород и водород, упрочняя титан, снижают его пластичность, сопротивление коррозии, свариваемость. Титан плохо обрабатывается резанием, удовлетворительно – давлением, сваривается в защитной атмосфере. Широкое распространение получило вакуумное литье, в том числе вакуумно-дуговой переплав с расходуемым электродом.

Аллотропические модификации титана: низкотемпературная и высокотемпературная.

Различают две основные группы легирующих элементов в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения титана (882,5 °C): б-стабилизаторы (элементы, расширяющие область существования б-фазы и повышающие температуру превращения – А1, Оа, С) и в-стабилизаторы (элементы, суживающие б-область и снижающие температуру полиморфного превращения, – V, Мо, Сг).

Легирующие элементы делятся на две основные группы: элементы с большой (в пределе – неограниченной) и ограниченной растворимостью в титане. Элементы с ограниченной растворимостью вместе с титаном могут образовывать интерметаллиды, силициды и фазы внедрения.

Легирующие элементы влияют на эксплуатационные свойства титана (Ре, А1, Мп, Сг), повышают его прочность, но снижают эластичность и вязкость; А1, Zr увеличивают жаропрочность, а Мо, Zr, Та – коррозионную стойкость.

Классификация титановых сплавов. Структура промышленных сплавов титана – это твердые растворы легирующих элементов в б– и в-модификациях титана.

Виды термической обработки титановых сплавов.

Рекристаллизационный (простой) отжиг холоднодеформированных сплавов (650–850 °C).

Изотермический отжиг (нагрев до 780–980 °C с последующим охлаждением в печи до 530–680 °C, выдержка при этой температуре и охлаждение на воздухе), обеспечивающий высокую пластичность и термическую стабильность сплавов.

Двойной ступенчатый отжиг (отличается от изотермического тем, что переход от первой ступени ко второй осуществляется охлаждением сплава на воздухе с последующим повторным нагревом до температуры второй ступени), приводящий к упрочнению сплава и снижению пластичности за счет частичного протекания процессов закалки и старения.

Неполный отжиг при 500–680 °C с целью снятия возникающих при механической обработке остаточных напряжений.

Упрочняющая термическая обработка. Большинство титановых сплавов легировано алюминием, повышающим жесткость, прочность, жаропрочность и жаростойкость материала, а также снижающим его плотность.

?-титановые сплавы термической обработкой не упрочняются; их упрочнение достигается посредством легирования твердого раствора и пластической деформацией.

(? + ?) – титановые сплавы характеризуются смешанной структурой и упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения.

Псевдо-?-титановые сплавы характеризуются высоким содержанием ?-стабилизаторов и вызванным этим отсутствием мартенситного превращения. Сплавы характеризуются высокой пластичностью в закаленном состоянии и высокой прочностью в состаренном; они удовлетворительно свариваются аргонодуговой сваркой.

Литейные титановые сплавы. По сравнению с деформируемыми литейные сплавы имеют меньшую прочность, пластичность и выносливость, но более дешевы. Сложность литья титановых сплавов обусловлена активным взаимодействием титана с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы ВТ5Л, ВТ14Л и ВТЗ-1Л по составу в основном совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами (в то же время сплав ВТ14Л дополнительно содержит железо и хром).

Высокими технологическими свойствами обладает сплав ВТ5Л: он пластичен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается. Фасонные отливки из сплава ВТ5Л работают при температурах до 400 °C. Недостатком сплава является его невысокая прочность (800 МПа). двухфазный литейный сплав ВТ14Л подвергают отжигу при 850 °C вместо упрочняющей термической обработки, резко снижающей пластичность отливок.

Порошковые сплавы титана. Применение методов порошковой металлургии для производства титановых сплавов позволяет при тех же эксплуатационных свойствах, что и у литого или деформируемого материала, добиться снижения до 50 % стоимости и времени изготовления изделий. Титановый порошковый сплав ВТ6, полученный горячим изостатическим прессованием (ГИП), обладает теми же механическими свойствами, что и деформируемый сплав после отжига. Закаленному и состаренному деформируемому сплаву ВТ6 порошковый сплав уступает в прочности, но превосходит в пластичности.

Применение сплавов титана: обшивки самолетов, морских судов, подводных лодок; корпусов ракет и двигателей; дисков и лопаток стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей; гребных винтов; баллонов для сжиженных газов; емкостей для агрессивных химических сред и др.

Титан — тугоплавкий металл с невысокой плотностью. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей, поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40%. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно изготовить сложные отливки, но обработка резанием затруднительна. Для получения сплавов с улучшенными свойствами его легируют алюминием, хромом, молибденом. Титан и его сплавы маркируют буквами "ВТ" и порядковым номером:

Читайте также:  Предохранительный пояс для работы на высоте

ВТ1-00, ВТЗ-1, ВТ4, ВТ8, ВТ14.

Пять титановых сплавов обозначены иначе:

0Т4-0, 0Т4, 0Т4-1, ПТ-7М, ПТ-3В.

Титан работает

Роль титана как конструкционного материала, основы высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники, быстро возрастает. Именно в сплавы идёт большая часть выплавляемого в мире титана. Широко известен сплав для авиационной промышленности, состоящий из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия. В 1976 г. в американской печати появились сообщения о новом сплаве того же назначения: 85% титана, 10% ванадия, 3% алюминия и 2% железа. Утверждают, что этот сплав не только лучше, но и экономичнее.

А вообще в титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия. Последние (в количестве 0,1 – 0,2%) повышают и без того высокую химическую стойкость титановых сплавов.

Прочность титана повышают и такие «легирующие добавки», как азот и кислород. Но вместе с прочностью они повышают твёрдость и, главное, хрупкость титана, поэтому их содержание строжайшие регламентируются: в сплав допускаются не более 0.15% кислорода и 0,05% азота.

Несмотря что титан дорог, замена им более дешёвых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Вот характерный пример. Корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава – 600 рублей. Но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый – 10 лет. Прибавьте затраты на замену стальных реакторов, вынужденные простои оборудования – и станет очевидно, что применять дорогостоящий титан бывает выгоднее, чем сталь.

Значительные количества титана использует металлургия. Существуют сотни марок сталей и других сплавов, в состав которых титан входит как легирующая добавка. Его вводят для улучшения структуры металлов, увеличения прочности и коррозийной стойкости.

Некоторые ядерные реакции должны совершаться в почти абсолютной пустоте. Ртутными насосами разрежение может быть доведено до нескольких миллиардных долей атмосферы. Но этого не достаточно, а ртутные насосы на большее не способны. Дальнейшая откачка воздуха осуществляется уже особыми титановыми насосами. Кроме того, для достижения ещё большего разрежения по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан.

Титан часто называют металлом будущего. Факты, которыми уже сейчас располагают наука и техника, убеждают, что это не совсем так – титан уже стал металлом настоящего.

Минералы титана.

Известно около 70 минералов титана, в которых он находится в виде двуокиси и солей титановой кислоты. Наибольшее практическое значение имеют ильменит, рутил, перовскит и сфен.

Ильменит – метатитанат железа FeTiO3 — содержит 52,65% TiO2. Название этого минерала связано с тем, что он был найден на Урале в Ильменских горах. Крупнейшие россыпи ильменитовых песков имеются в Индии. Другой важнейший материал – рутил представляет собой двуокись титана. Промышленное значение имеют также титаномагнетиты – природная смесь ильменита с минералами железа. Богатые месторождения титановых руд есть в России, США, Индии Норвегии, Канаде, Австралии и других странах.

Не так давно геологи в Северном Прибайкалье новый титаносодержащий минерал, который был назван ландауитом в честь советского физика Л. Д. Ландау.

Всего на земном шаре известно более 150 значительных рудных и россыпных месторождений титана.

Разработаны материалы, которые будучи сильно деформированными на холоде, при нагревании вновь принимают первоначальную форму. Один из таких «памятливых» материалов представляет собой интерметаллические соединения титана и никеля, отличающееся высокой прочностью., пластичностью и коррозийной стойкостью.

Проволоке из этого материала можно придать форму радиоантенны и сжать её в небольшой шар. После нагревания этот шар снова превратится в антенну

Приятно считать, что титан поддаётся механической обработке подобно нержавеющим сталям. Это значит, что обрабатывать титан в 4-5 раз труднее, чем обычную сталь, но это всё же не составляет неразрешимой проблемы.

Основные проблемы при обработки титана – это большая склонность его к налипанию и задиранию, низкая теплопроводность, а также то обстоятельство, что практически все металлы и огнеупорны растворяются в титане, в результате чего представляет собой сплав титана и твёрдого материала режущего инструмента. Такая обработка вызывает быстрый износ резца.

Читайте также:  Скорость вращения сверла при сверлении металла

Для уменьшения налипания и задирания и для отвода большого количества тепла, которое выделяется при резании, применяют охлаждающие жидкости. Точение заготовки производят спомощью резцов из твёрдых сплавов причём скорость обработки, как правило, ниже, чем при точении нержавеющей стали.

Если необходимо разрезать листы из титана, то эту операцию осуществляют на гильотинных ножницах. Сортовой прокат больших диаметров режут механическими пилами, применяяножовочные полотна с крупным зубом. Менее толстые прутки разрезают на токарных станках.

При фрезеровании титан остаётся верным себе и налипает на зубья фрезы. Фрезы тоже изготовляют из твёрдых сплавов, а для охлаждения применяют смазки, отличающиеся большой вязкостью.

При сверлении титана основное внимание обращают на то, чтобы стружка не скапливалась в отводящих канавках, так как это быстро повреждает сверло. В качестве материала для сверления титана применяют быстрорежущую сталь.

При использовании титана как конструкционного материала титановые детали соединяют друг с другом и с деталями из иных материалов разными методами.

Основной метод – сварка.Самые первые попытки сварить титанбыли неудачными, что объяснялось взаимодействием расплавленного металла с кислородом, азотом и водородом воздуха, ростом зерна при нагреве, изменениями в микроструктуре и другими факторами, приводимые к хрупкости шва. Однако все эти проблемы, ранее казавшиеся неразрешимыми, были решены в самые короткие сроки в наши дни сварка титана – обычная промышленная технология.

Но, хотя проблемы решены, сварка титана не стала простой и лёгкой. Основная её трудность и сложность заключается в необходимости постоянного и неукоснительного предохранения сварного шва от загрязнения примесями. Поэтому при сварке титана используют не только инертный газ высокой чистоты и специальные бескислородные флюсы, но и разнообразные защитные козырьки, прокладки, которые защищают остывающие.

Пайкатитана осложняется тем, что он при высоких температурах химически активен и очень прочно связан с покрывающей его поверхность – окисной плёнкой. Подавляющее большинство металлов непригодно для использования в качестве припоев при пайке титана, так как получаются хрупкие соединения. Только чистые серебро и алюминий подходят для этой цели.

Соединять титан с титаном, а также с другими металлами можно и механически – клепкой или при помощи болтов. При использовании титановых заклёпок время клёпки увеличивается почти вдвое по сравнению с применением высокопрочных алюминиевых деталей, а гайки и болты из нового промышленного металла непременно покрывают слоем серебра или синтетического материала тефлона, иначе при завинчивании гайки титан будет, как это ему неизменно присуще, налипать и задираться и резьбовое соединение не сможет выдержать больших напряжений.

Первыми стали широко применять титановое оборудование предприятия никель-кобальтовой промышленности, что позволило экономить многие миллионы рублей, давать высококачественную продукцию. Благодаря разработке и освоению целого комплекса надёжных технологических аппаратов из титана на комбинате «Североникель» впервые в практике производства цветных металлов удалось осуществить комплексную автоматизацию технологических процессов.

Металлургические процессы, основанные на основе жидкостей, называют гидрометаллургическими – от греческого слова, обозначающего воду. Гораздо более привычные для нас методы, при которых требуются высокие температуры, нагрев, пламя, называют пирометаллургическими – от другого греческого слова, обозначающего огонь. Так вот, при проведении целого ряда гидрометаллургических процессов крайне необходим такой коррозионностойкий, надёжный и долговечный металл, как титан.

Успешно используют титан в титановой промышленности и за рубежом. Американская фирма ТМКА сообщает, что титановый агрегат для выщелачивания магния и хлористого магния из титановой губки (в США губку очищают не нагревании в вакууме, а промыванием «царской водкой») заменил более десятка прежних малопроизводительных аппаратов и приносит ежегодный доход в 370 тысяч долларов.

При получении магниевых сплавов используют стойкие в расплавленном магнии титановые мешалки и тигли. Из титана изготовляют также лопасти перемешивающих устройств на известковых газоотчистках.

Титан оказался наиболее подходящим материалом для изготовления матриц, применяемых при электролитическом осаждении меди. Внедрение титановых матриц на ряде предприятий страны намного облегчило труд рабочих-сдирщиков, на 30 процентов повысило производительность труда. Срок службы матриц увеличился в 3 раза.

Титан находит применение при производстве вольфрама и молибдена, сурьмы ртути, циркония, редкоземельных и драгоценных металлов.

При обработки цветных меиаллов используют титановые травильные ванны, детали очистных сооружений, установок переработки раствора, ёмкости, что намного повышает срок службы оборудования. На одном из из уральских заводов из титана изготовляют клещи, которыми захватывают горячие прокатываемые и прессуемые металлические заготовки. Масса ручного инструмента уменьшилась вдвое.

Читайте также:  Как сделать двойной выключатель на две лампочки

Вспомогательное оборудование из титана используют на некоторых предприятиях чёрной металлургии нашей страны. Благодаря высокой коррозийной стойкости в сернистых газах новый конструкционный материал обеспечивает надёжную работу электрофильтров, применяемых в коксохимическом и ферросплавном производствах, повышает долговечность газоочистных сооружений доменных, мартёновских, конверторных и агломерационных цехов.

Очень перспективно облицовывать титаном ванны, используемые на многих металлургических, сталепроволочных-канатных, метизных заводов для травления заготовок в кислотах с целью удаления окалины с поверхности. Поскольку травильные растворы загрязнены частицами железа и его соединений, а также содержат специальные солевые добавки (что способствует замедлению коррозии), стойкость титана в них намного выше, чем в обычных растворов кислот – без добавок и примесей, благодаря чему титановые травильные ванны служат десятки лет, тогда как обычные выходят из строя гораздо раньше.

Значение металлов в человеческом обществе всё более возрастает. Переворот в технике происходит с интенсивным развитием алюминиевой и магниевой промышленности. В последние десятилетия человечество получило в своё распоряжение группы редких металлов. И вот уже в наши дни, в самые последние годы на авансцену истории «поднимается» новый промышленный металл – титан.

Титан с большим правом, чем алюминий, можно назвать металлом нашего века, точнее – второй его половины, так как этот новый конструкционный материал впервые стали производить и использовать только в пятидесятые годы. Впрочем, титан так и называют: «металл 20 века». И как много значений у слова «титан», так много эпитетов и наименований у самого металла. «Вечный», «парадоксальный», «металл сверхзвуковых скоростей, «металл будущего», «дитя войны» – вот только некоторые из них.

Титан называют металлом будущего. Это, конечно, правильно. В будущем появятся новые области применения замечательного материала, люди создадут сплавы с ещё более удивительными свойствами. Но ведь будущее начинается сегодня, будущее и настоящее не отдельны непроходимой границей.

Титан уже давно стал материалом современности – ценным, важным и необходимым. Больше того, широкое, повсеместное его применение как раз позволит скорее приблизить то светлое и прекрасное будущее, о котором мы все мечтаем.

Магний и его сплавы.

Впервые магний был получен Деви (XIX в.) из окиси магния. Бюсси, Либих, Девильс, Карон и др получали магний действием паров калия или натрия на хлористый магний.

В 1808 г. английский химик Г. Деви электролизом увлажнённой смеси магнезии и оксида ртути получил амальгаму неизвестного металла, которому и дал название "магнезии", сохранившееся до сих пор во многих странах. В России с 1831 года принято название "магний". В 1829 г. Французский химик А. Бюсси получил магний, восстанавливая его расплавленный хлорид калием. Следующий шаг к промышленному получению сделал М. Фарадей. В 1830 г. он впервые получил магний электролизом расплавленного хлористого магния.

Промышленное производство магния электролитическим способом предпринято в Германии в конце XIX в. Перед второй мировой войной началось освоение термических способов получения магния.

В настоящее время наряду с развитием электролитического способа совершенствуются силикотермический и карботермический способы получения магния. На первой стадии развития магниевой промышленности в качестве сырья применяли хлористые соли карналлит, природные рассолы, хлоромагниевые щёлочи калийной промышленности.

Магний и его сплавы.

Среди промышленных металлов магний обладает наименьшей плотностью(1700 кг/м 3 ). Магний и его сплавы неустойчивы против коррозии, при повышении температуры магний интенсивно окисляется и даже самовоспламеняется. Он обладает малой прочностью и пластичностью, поэтому как конструкционный материал чистый магний не используется. Для повышения химико-механических свойств в магниевые сплавы вводят алюминий, цинк, марганец и другие легирующие добавки.

Магниевые сплавы подразделяют на деформируемые (ГОСТ 14957-76) и литейные (ГОСТ 2856-79). Первые маркируются буквами "МА", вторые "МЛ". После букв указывается порядковый номер сплава в соответствующем ГОСТе.

МА1-деформируемый магниевый сплав №1;

МЛ19-литейный магниевый сплав №19

Ниже приведены индивидуальные задания по расшифровке марок конструкционных материалов.

0 С.

  • Плотность титана 4505 кг/м 3 .
  • Маркировка технического титана ВТ1-00, ВТ1-0.
  • Титан обрабатывается давлением, сваривается дуговой сваркой в защитных газах, плохо обрабатывается резанием.