Где применяют титан. Характеристики металла титан - свойства, особенности приминения металла, положительные и отрицательные качества. строительство
Тита́н (лат. Titanium; обозначается символом Ti) - элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов , с атомным номером 22. Простое вещество титан (CAS-номер: 7440-32-6) - лёгкий металл серебристо-белого цвета.
История
Открытие TiO 2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1789), выделил новую «землю» (окись) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля - окислы одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз - идентичные окислы титана.
Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI 4 .
Происхождение названия
Металл получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи. Название элементу дал Мартин Клапрот, в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противоход французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном.
Однако согласно другой версии, публиковавшейся в журнале «Техника-Молодежи» в конце 1980-х, новооткрытый металл обязан своим именем не могучим титанам из древнегреческих мифов, а Титании - королеве фей в германской мифологии (жена Оберона в шекспировском «Сне в летнюю ночь»). Такое название связано с необычайной «лёгкостью» (малой плотностью) металла.
Получение
Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.
Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки - порошок диоксида титана TiO 2 . Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl 4:
TiO 2 + 2C + 2Cl 2 =TiCl 2 + 2CO
Образующиеся пары TiCl 4 при 850 °C восстанавливают магнием:
TiCl 4 + 2Mg = 2MgCl 2 + Ti
Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl 4 . Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.
Физические свойства
Титан - легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C.
Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.
При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO 2 , благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).
Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.
Раздел 1. История и нахождение в природе титана.
Титан — это элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Дмитрия Ивановича Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан (CAS-номер: 7440-32-6) — лёгкий серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C. Температура плавления 1660±20 °C.
История и нахождение в природе титана
титан был назван так в честь древнегреческих персонажей Титанов. Назвал его так немецкий химик Мартин Клапрот по своим личным соображениями в отличии от французов которые старались давать названия в соответствии с химическими особенностями элемента, но так как тогда свойства элемента были неизвестны, было выбрано такое название.
Титан является 10 элементов по кол-ву его на нашей планете. Кол-во титана в земной коре равно 0.57 % по массе и 0.001 миллиграмм на 1 литр морской воды. Месторождения титана находятся на территории: Южно Африканской Республики, Украины, Российской Федерации, Казахстана, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии и Южной Кореи.
По физическим свойствам титан легкий серебристый металл , кроме того характерна высокая вязкость при механической обработке и склонен к прилипанию к режущему инструменту, поэтому используют специальные смазки или напыление для устранения этого эффекта. При комнатной температуре покрывается лассивирующей пленкой оксида TiO2, благодаря этому имеет стойкость к коррозии в большинстве агрессивных сред, кроме щелочей. Титановая пыль имеет свойство взрываться, при этом температура вспышки равна 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.
Чтобы произвести титан в чистом виде или его сплавы в большинстве случаев используют диоксид титана с небольшим кол-вом соединений входящих в него. Например, рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Но запасы рутила крайне малы и в связи с этим используют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемый при обработке ильменитовых концентратов.
Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Британии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана.
В периодической системе элементов Менделеева Дмитрия Ивановича титан имеет порядковый номер 22. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в природных рудах 73,99%. Титан и другие элементы подгруппы IVВ очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ - ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместе с этими элементами. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди- три- и, тетрасоединения, с серой и элементами ее группы (селеном, теллуром) - моно- и дисульфиды, с кислородом - оксиды, диоксиды и триоксиды.
Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами - интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами. Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных - золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на . В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе купрума и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности и прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.
Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте. Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.
Титан - легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см8, а при 100° С - 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9-1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), (2,7 г/см3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия , и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит.). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза-железа и купрума . Еще одна важная характеристика металла - предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5-2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо , вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.
В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электрическим сопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность купрума равна 94, алюминия - 60, железа и платины -15, а титана-всего 3,8. Титан - парамагнитный металл, он не намагничивается, как , в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как . Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве. Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз-магния, в 17-20 раз-алюминия и купрума. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 - у купрума и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан - плохой проводник электроэнергии и тепла.
Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы. В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая масса деталей из титановых сплавов составляет 2570 кг. Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.
Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для изготовления броневых плит, хирургического инструмента, хирургических имплантатов, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), деталей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.
Открытие TiO2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая — оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные оксиды титана.
Открытие TiO2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные оксиды титана.
Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI4.
Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57 % по массе, в морской воде 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных — 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiSiO5. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.
Основные руды: ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).
На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без Российской Федерации ) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта Российской Федерации , запасы ильменитовых руд составляют 603—673 млн т., а рутиловых — 49.7—52.7 млн т. Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта Российской Федерации) хватит более, чем на 150 лет.
Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана Российской Федерации составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 %.
Крупнейший в мире производитель титана — российская организация «ВСМПО-АВИСМА».
Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (), а не восстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.
В чистом виде и в виде сплавов
Титановый памятник Гагарину на Ленинском проспекте в Москве
металл применяется в: химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной индустрии, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности (протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных предметах торговли (Александр Хомов), мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении.
Титановое литье выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литье по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей, в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве.
Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов.
Нитинол (никель-титан) — сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.
Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
Титан является одним из наиболее распространённых геттерных материалов, используемых в высоковакуумных насосах.
Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171.
Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.
Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.
Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана — важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.
Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, т.к. имеет цвет, похожий на .
Титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов —- сегнетоэлектрики.
Существует множество титановых сплавов с различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов: , кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, Ni. Нейтральные упрочнители: цирконий, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие. Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации — ВТ6).
В 2005 фирма titanium corporation опубликовала следующую оценку потребления титана в мире:
13 % — бумага;
7 % — машиностроение.
15-25 $ за килограмм, в зависимости от чистоты.
Чистота и марка чернового титана (титановой губки) обычно определяется по её твёрдости, которая зависит от содержания примесей. Наиболее распространены марки ТГ100 и ТГ110.
Сегмент рынка потребительских товаров в настоящее время является наиболее быстро растущим сегментом титанового рынка. В то время как 10 лет назад этот сегмент составлял только 1-2 титанового рынка, сегодня он вырос до 8-10 рынка. В целом потребление титана в производстве потребительских товаров росло примерно в два раза быстрее, чем весь титановый рынок. Использование титана в спорте является наиболее долговременным и занимает наибольшую долю в применении титана в потребительских товарах. Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре проста - он позволяет получить превосходящее любой другой металл соотношение веса и прочности. Использование титана в велосипедах началось примерно 25-30 лет назад и было первым применением титана в спортивном инвентаре. В основном используются трубы из сплава Тi3Аl-2.5V АSТМ Grade 9. Другие части производимые из титановых сплавов включают в себя тормоза, звздочки и пружины сидений. Использование титана в производстве клюшек для гольфа впервые началось в конце 80-х - самом начале 90-х годов производителями клюшек в Японии. До 1994-1995 годов это применение титана было практически неизвестно в США и в Европе. Ситуация изменилась, когда Callaway представила на рынок свою титановую клюшку, производимую организацией Ruger titanium и названную Great Big Bertha. В связи с очевидными преимуществами и с помощью хорошо продуманного фирмой Callaway маркетинга, титановые клюшки моментально приобрели огромную популярность. В течение короткого периода времени титановые клюшки прошли путь от эксклюзивного и дорогого инвентаря небольшой группы спекулянтов до широкого использования большинством гольфистов по прежнему оставаясь более дорогими по сравнению со стальными клюшками. Хотелось бы привести основные, по моему мнению, тенденции развития гольфого рынка он прошел путь от высокотехнологичного до массового производства в короткий 4-5 лет следуя путем других производств с высокими трудозатратами таких как производство одежды, игрушек и потребительской электроники, производство гольфовых клюшек ушло в страны с наиболее дешевой рабочей силой сначала на Тайвань, затем в , и сейчас заводы строятся в странах с еще более дешевым трудом, таких как Вьетнам и Таиланд титан определенно используется для драйверов drivers, где его превосходные качества дают очевидное преимущество и оправдывают более высокую цену. Однако, титан пока еще не нашел очень широкого потребления на последующих клюшках, так как значительное увеличение расходов не подкрепляется соответствующим улучшением игры в настоящее время драйверы в основном производятся с кованой ударной поверхностью, кованым или литым верхом и литым низом недавно Профессиональная Гольфовая РОА разрешила увеличить верхний предел так называемого коэффициента возврата, в связи с чем все производители клюшек будут стараться увеличить пружинящие свойства ударной поверхности. Для этого приходится уменьшить толщину ударной поверхности и использовать для нее более прочные сплавы, такие как SР700, 15-3-3-3 и ВТ-23. Теперь остановимся на применении титана и его сплавов на другом спортивном оборудовании. Трубы для гоночных велосипедов и другие детали изготавливают из сплава АSТМ Grade 9 Тi3Аl-2.5V. На удивление значительное количество титанового листа используется при производстве ножей для подводного плавания. Большинство производителей используют сплав Тi6Аl-4V, но этот сплав не обеспечивает долговечность кромки лезвия, как другие более прочные сплавы. Некоторые производители переключаются на использование сплава ВТ23.
1metal.com Металлургическая торговая площадка 1metal.com Краткая информация о Титан и его сплавы компаний Украины на металлоторгующей площадке 1metal.com 4.6 stars на основе 95
Титан и его сплавыТитан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алю-миния, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (s в /r × g ), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.
Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)
| Плотность r , кг/м 3 | 4,5 × 10 –3 |
| Температура плавления Т пл , ° С | 1668± 4 |
| Коэффициент линейного расширения a × 10 –6 , град –1 | 8,9 |
| Теплопроводность l , Вт/(м × град) | 16,76 |
| Предел прочности при растяжении s в, МПа | 300–450 |
| Условный предел текучести s 0,2 , МПа | 250–380 |
| Удельная прочность (s в /r × g )× 10 –3 , км | 7–10 |
| Относительное удлинение d , % | 25–30 |
| Относительное сужение Y , % | 50–60 |
| Модуль нормальной упругости Е´ 10 –3 , МПа | 110,25 |
| Модуль сдвига G´ 10 –3 , МПа | 41 |
| Коэффициент Пуассона m , | 0,32 |
| Твердость НВ | 103 |
| Ударная вязкость KCU, Дж/см 2 | 120 |
Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.
Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения - кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.
Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.
Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый
(ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок:
ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-Т В (см. табл. 17.1). Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, Т В - твердый.
Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.
Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: s в = 375–540 МПа, s 0,2 = 295–410 МПа, d ³ 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr-Ni коррозионностойких сталей.
Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому сотношению с /а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов (подробнее см. гл. 13).
При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.
Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) - почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.
Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO 2 , прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм.
Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.
Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.
При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой) (см. гл. 3).
Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.
Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.
Таблица 17.1
Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)
| Ti, не менее | Твердость НВ, 10/1500/30, не более |
||||||||
Таблица 17.2
Марки и химический состав (%) деформируемых титановых сплавов (ГОСТ 19807–91)
| Обозначения | ||||||||||||||
Примечание. Сумма прочих примесей во всех сплавах составляет 0,30 %, в сплаве ВТ1-00 - 0,10 %.
На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рис. 17.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.
a -Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения a « b и расширяют область твердых растворов на основе a -титана (рис. 17.1, а ). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой a -структурой термической обработкой не упрочняются.
Изоморфные b -стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру a « b -пре-вращения и расширяют область твердых растворов на основе b -титана (рис. 17.1, б ).
Эвтектоидообразующие b -стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении b -фаза претерпевает эвтектоидное превращение b ® a + TiХ (рис. 17.1, в
). Большинство
b -стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (рис. 17.2.). Кроме того, сплавы с (a + b) и псевдо-b -структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).
Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 17.1, г ).
Полиморфное b ® a -превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении - по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой a ¢ или при большей степени легированности - a ¢ ¢ . Кристаллическая структура a , a ¢ , a ¢ ¢ практически однотипная (ГПУ), однако решетка a ¢ и a ¢ ¢ более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения [ 1] , что решетка a ¢ ¢ -фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз a ¢ и a ¢ ¢ выделяется b -фаза или интерметаллидная фаза.
Рис. 17.1. Диаграммы состояний систем «Тi-легирующий элемент» (схемы):
а
) «Тi-a -стабилизаторы»;
б
) «Тi-изоморфные b -стабилизаторы»;
в
) «Тi-эвтектоидообразующие b -стабилизаторы»;
г
) «Тi-нейтральные элементы»
Рис. 17.2. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана
В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит a ¢ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.
Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием b -стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис. 17.3). Она справедлива для изоморфных b -стабилизаторов (рис. 17.1, б ) и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих b -стабилизаторов (рис. 17.1, в ), так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.
Рис. 17.3. Схема изменения фазового состава сплавов «Ti-b -стабилизатор» в зависимости от скорости
охлаждения и закалки из b -области
При медленном охлаждении в титановых сплавах, в зависимости от концентрации b -стабилизаторов, могут быть получены структуры: a , a + b или b соответственно.
При закалке в результате мартенситного превращения в интервале температур М н –М к (на рис. 17.3 показаны пунктиром) следует различать четыре группы сплавов.
В первую группу входят сплавы с концентрацией b -стабилизирующих элементов до С 1 , т. е. сплавы, которые при закалке из b -области имеют исключительно a ¢ (a ¢ ¢)-структуру. После закалки этих сплавов с температур (a + b)-области в интервале от полиморфного превращения до Т 1 , их структура представляет собой смесь фаз a ¢ (a ¢ ¢), a и b , а после закалки с температур ниже Т кр они имеют (a + b)-структуру.
Вторую группу составляют сплавы с концентрацией легирующих элементов от С 1 до С кр, у которых при закалке из b -области мартенситное превращение не происходит до конца и они имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢) и b . Сплавы этой группы после закалки с температур от полиморфного превращения до Т кр имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢), a и b , а с температур ниже Т кр - структуру (a + b).
Закалка сплавов третьей группы с концентрацией b -стабилизирующих элементов от С кр до С 2 с температур b -области или с температур от полиморфного превращения до Т 2 сопровождается превращением части b -фазы в w -фазу, и сплавы этого типа после закалки имеют структуру (b + w). Сплавы третьей группы после закалки с температур ниже Т 2 имеют структуру (b + a).
Сплавы четвертой группы после закалки с температур выше полиморфного превращения имеют исключительно b -структуру, а с температур ниже полиморфного превращения - (b + a).
Необходимо отметить, что превращения b ® b + w может происходить как при закалке сплавов с концентрацией (С кр –С 2) , так и при старении сплавов с концентрацией более С 2 , имеющих метастабильную b -фазу. В любом случае, присутствие w -фазы нежелательно, так как она сильно охрупчивает титановые сплавы. Рекомендуемые режимы термообработки исключают ее присутствие в промышленных сплавах или появление в условиях эксплуатации.
Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).
Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Т пп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).
Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b , a ¢ , a ¢ ¢ и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a - и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a - и b -фаз.
Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.
Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.
Марки и химический состав отечественных
сплавов (ГОСТ 19807–91) представлены в табл. 17.2.
По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные ; по уровню механических свойств - на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности , средней прочности, высокопрочные ; по условиям применения - на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и неупрочняемые , по структуре в отожженном состоянии - на a -, псевдо-a -, (a + b)-, псевдо-b - и b -сплавы (табл. 17.3).
Отдельные группы титановых сплавов различаются по величине условного коэффициента стабилизации Кb , который показывает отношение содержания b -стабилизирующего легирующего элемента к его содержанию в сплаве критического состава с кр. При содержании в сплаве нескольких b -стабилизирующих элементов их Кb суммируется.
< 700 МПа, а именно: a -сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti-Al-Mn), АТ3 (система Ti-Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо-a -сплавам с небольшим количеством b -фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию a - и b -стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.
Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п. Механические свойства полуфабрикатов из этих сплавов приведены в табл. 17.4–17.6.
Таблица 17.3
Классификация титановых сплавов по структуре
| Группа сплавов | Марка сплава |
| ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ПТ-7М |
|
| Псевдо-a -сплавы | ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, АТ3 |
| (a + b)-Мартенситного класса (Кb = 0,3–0,9) | ВТ6С, ВТ6, ВТ14, ВТ8, ВТ9, ПТ-3В, ВТ3-1, АТ3 |
| (a + b)-Сплавы переходного класса (Кb = 1,0–1,4) | |
| Псевдо-b -сплавы (Кb = 1,5–2,4) | ВТ35*, ВТ32*, ВТ15 |
| b -Сплавы (Кb = 2,5–3,0) |
* Опытные сплавы.
Таблица 17.4
Механические свойства листов из титановых сплавов (ГОСТ 22178–76)
| Марки титановых | Состояние образцов | Толщина листов, | Предел прочности, s в, МПа | Относительное удлинение, d , % |
| Отожженное | ||||
| Св. 6,0–10,5 | ||||
| Св. 6,0–10,5 | ||||
| Отожженное | ||||
| Св. 6,0–10,5 | ||||
| Св. 6,0–10,5 | ||||
| Св. 6,0–10,5 | ||||
| 885 (885–1080) | ||||
| Отожженное | 885 (885–1050) | |||
| Св. 5,0–10,5 | 835 (835–1050) | |||
| Закаленное и | ||||
| Св. 7,0–10,5 | ||||
| Отожженное | 930 (930–1180) | |||
| Св. 4,0–10,5 | ||||
| Отожженное | 980 (980–1180) | |||
| Св. 4,0–10,5 | ||||
Примечание. В скобках приведены данные для листов с высокой отделкой поверхности.
Таблица 17.5
Механические свойства прутков из титановых сплавов (ГОСТ 26492–85)
| Марка сплава | Состояние | Диаметр прутка, | Предел | Относительное | Относительное | Ударная |
| Отожженные | ||||||
| Отожженные | ||||||
| Отожженные | 885 (905–1050) | |||||
| 835 (835–1050) | ||||||
| Закаленные и состаренные | ||||||
| Отожженные | ||||||
| Закаленные и состаренные | ||||||
| Отожженные | 930 (980–1230) | |||||
| 930 (930–1180) | ||||||
| 980 (980–1230) | ||||||
| 930 (930–1180) | ||||||
| 980 (1030–1230) | ||||||
| 930 (980–1230) | ||||||
| Отожженные | 885 (885–1080) | |||||
| 865 (865–1080) | ||||||
| Закаленные и состаренные | ||||||
| Отожженные | 885 (930–1130) | |||||
| 885 (885–1130) | ||||||
| 1030 (1080–1230) | ||||||
| 1030 (1080–1280) | ||||||
Примечание. В скобках приведены данные для прутков повышенного качества.
Таблица 17.6
Механические свойства плит из титановых сплавов (ГОСТ 23755–79)
| Марка сплава | Состояние | Толщина плит, | Предел прочности s в, МПа | Относительное удлинение d , % | Относительное сужение y , % | Ударная вязкость KCU, Дж/см 2 |
| Без | ||||||
| Отожженное | ||||||
| Отожженное | ||||||
| Закаленное и состаренное | ||||||
| Отожженное | ||||||
| Без термической обработки | ||||||
Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии по режимам, указанным в табл. 17.7. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.
Эти сплавы и изделия из них подвергаются только отжигу по режимам, указанным в табл. 17.8. Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется неполный отжиг.
Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения практически аналогичные основному металлу.
Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H 2 SO 4 , HCl и некоторых других.
Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, в криогенной технике (табл. 17.9.), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.
К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в = 750–1000 МПа, а именно: a -спла-вы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (a + b)-сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.
Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество b -фазы (2–7 % b -фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.
Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7.
На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении. Механические характеристики основных полуфабрикатов приведены в табл. 17.4–17.6.
Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9–0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений (табл. 17.8).
Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.
Таблица 17.7
Режимы горячей обработки давлением титановых сплавов
| Марка сплава | Режим ковки слитков | Режим ковки предварительно | Режим штамповки на прессе | Режим штамповки на молоте | Режим |
|||||||||
| температура | толщина, | температура | температура | температура | температура |
|||||||||
| окончание | окончание | окончание | окончание |
|||||||||||
| Все | ||||||||||||||
| 40–70 | ||||||||||||||
| 40–70 | ||||||||||||||
| 40–50** | ||||||||||||||
| 40–50** | ||||||||||||||
| 850 | 40–50** | |||||||||||||
| Все | ||||||||||||||
* Степень деформации за один нагрев, %.
** Деформация в (a + b)-области.
*** Деформация в b -области.
Таблица 17.8
Режимы отжига титановых сплавов
| Марка сплава | Температура отжига, ° С | Примечание |
|
| Листы | Прутки, поковки, штамповки, |
||
| 445–585 ° С* |
|||
| 445–585 ° С* |
|||
| 480–520 ° С* |
|||
| 520–560 ° С* |
|||
| 545–585 ° С* |
|||
| Изотермический отжиг: нагрев до 870–920 ° С, выдержка, охлаждение до 600–650 ° С, охлаждение с печью или перенос в другую печь, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе |
|||
| Двойной отжиг, выдержка при 550–600 ° С 2–5 ч. Для силовых деталей допускается отжиг при 850 ° С, охлаждение на воздухе |
|||
| 550–650 ° С* |
|||
| Допускается отжиг по режимам: 1) нагрев до 850 ° С, выдержка, охлаждение с печью до 750 ° С, выдержка 3,5 ч, охлаждение на воздухе; 2) нагрев до 800 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение с печью до 500 ° С, далее на воздухе |
|||
| Двойной отжиг, выдержка при 570–600 ° С - 1 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 920–950 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 570–600 ° С, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе |
|||
| Двойной отжиг, выдержка при 530–580 ° С - 2–12 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 950–980 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 530–580 ° С, выдержка 2–12 ч, охлаждение на воздухе |
|||
| 550–650 ° С* |
|||
| Допускается изотермический отжиг: нагрев до 790–810 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь до 640–660 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе |
|||
| Допускается отжиг листовых деталей при 650–750 ° С, (600–650 ° С)* |
|||
| (в зависимости от сечения и вида полуфабриката) | Охлаждение с печью со скоростью 2–4 ° С/мин до 450 ° С, затем на воздухе. Двойной отжиг, выдержка при 500–650 ° С 1–4 ч. Двойной отжиг допускается для деталей, работающих при температурах до 300 ° С и продолжительности до 2000 ч |
||
| (545–585 ° С *) |
|||
* Температуры неполного отжига.
Таблица 17.9
Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах
| s в (МПа) при температуре, ° С | d (%) при температуре, ° С | КСU, Дж/см 2 при температуре, ° С |
||||||
Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно - до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 - длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно - до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике (табл. 17.9).
К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в > 1000 МПа, а именно (a + b)-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет s в > 1000 МПа.
Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (s в » 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями. Механические характеристики основных полуфабрикатов в отожженном и упрочненном состояниях приведены в табл. 17.4–17.6.
Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.
Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.
Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.
Термическая обработка. Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению (см. выше). Рекомендуемые режимы нагрева под закалку и старение для монолитных изделий, полуфабрикатов и сварных деталей приведены в табл. 17.10.
Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения - на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40–45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 - до 60 мм.
Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (a + b)-структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения». Примеры исходных микроструктур, обеспечивающие удовлетворительные свойства, приведены на рис. 17.4 (1–7 типы).
Таблица 17.10
Режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов
| Марка сплава | Температура полиморфного превращения Т пп, ° С | Температура | Температура | Продолжительность |
Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна b -фазы (8–9 типы) при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку - сниженнию прочности и пластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева (a + b)-сплавов до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.
Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой и регистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.
При нагреве под закалку тонких листовых деталей для выравнивания температуры и уменьшения коробления их на под печи укладывается стальная плита толщиной 30–40 мм. Для закалки деталей сложной конфигурации и тонкостенных деталей применяются фиксирующие приспособления для предупреждения коробления и поводки.
После проведения высокотемпературной обработки (закалки или отжига) в печи без защитной атмосферы полуфабрикаты, не подвергающиеся дальнейшей обработке, должны пройти гидропескоструйную обработку или обработку корундовым песком, а листовые изделия - еще и травление.
Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные уз-лы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно до 750 ° С.
Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала - их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т. п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНА
Титан (Ti) открыт в 1795 г. и назван в честь героя греческого эпоса Титана. Он входит в состав более чем 70 минералов и является одним из самых распространенных элементов — содержание его в земной коре составляет примерно 0,6%. Титан существует в двух модификациях: до 882°С в виде модификации а с гексагональной плотно упакованной кристаллической решеткой, а выше 882°С устойчивостью является модификация β с объемноцентрированной кубической решеткой. Ниже приведены основные физические свойства титана:
|
Атомная масса |
|
|
Плотность при 20°С, г/см3 |
|
|
Температура, °С: |
|
|
плавления |
|
|
Удельная теплоемкость, кал/г |
|
|
Теплопроводность кал/(см·сек·град) |
|
|
Скрытая теплота плавления, кал/г |
|
|
Коэффициент линейного расширения, 1 /град |
|
|
Удельное электросопротивление, |
|
|
Временное сопротивление при растяжении титана, кГ/мм2 |
|
|
Модуль упругости, кГ/мм2 |
|
|
Твердость НВ, кГ/мм2 |
Титан сочетает большую прочность с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий. Ряд титановых сплавов по прочности в два раза превосходит сталь при значительно меньшей плотности и лучшей коррозионной стойкости. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при работе на термическую усталость. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.
Титан высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами. Под влиянием примесей пластичность его резко изменяется. Кислород хорошо растворяется в титане и сильно снижает его пластические свойства уже в области малых концентраций.
Уменьшаются пластические свойства титана и при введении в него азота. При содержании азота в титане >0,2% наступает хрупкое его разрушение. Вместе с тем кислород и азот повышают временное сопротивление и выносливость титана и в этом отношении являются полезными примесями.
Вредной примесью в титане является водород. Он резко снижает ударную вязкость титана даже при очень малых концентрациях.
На прочностные характеристики титана водород не оказывает заметного влияния в широком интервале концентраций.
Механические свойства титана в значительно большей степени, чем у других металлов, зависят от скорости приложения нагрузки. Поэтому механические испытания титана следует проводить при более строго регламентированных и фиксированных условиях, чем испытания других конструкционных материалов.
Ударная вязкость титана существенно возрастает при отжиге в интервале 200— 300°С, заметного изменения других свойств не наблюдается. Наибольшее повышение пластичности титана достигается после закалки с температур, превышающих температуру полиморфного превращения, и последующего отпуска.
Чистый титан не относится к жаропрочным материалам, так как прочность его резко уменьшается с повышением температуры.
Важной особенностью титана является его способность образовывать твердые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твердого раствора на основе α-Ti (альфитированный слой), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Этот слой имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.
Титан и сплавы на основе титана характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, в естественной холодной и горячей пресной воде, в морской воде, а также в растворах щелочей, неорганических солей, органических кислот и соединений даже при кипячении. Он не подвергается коррозии в морской воде, находясь в контакте с нержавеющей сталью и медно-никелевыми сплавами. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной пленки, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой.
Как конструкционный материал титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Титан и его сплавы сохраняют высокие прочностные характеристики при высоких температурах и поэтому с успехом могут применяться для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву.
В настоящее время основное количество титана используется для приготовления титановых белил. Титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твердых сплавов для режущих инструментов. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четыреххлористый титан применяют в военном деле для создания дымовых завес.
В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качестве поглотителя газов — при нагревании до 500°С титан энергично поглощает газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объеме высокий вакуум.
Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него изготовляют детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно- активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для изготовления различных деталей гальванических ванн. Его широко используют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при высоких температурах и давлениях.
Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах титан корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной пленки.
Технический титан и его сплавы поддаются всем известным методам обработки давлением. Они могут прокатываться в холодном и горячем состояниях, штамповаться, обжиматься, поддаваться глубокой вытяжке, развальцовываться. Из титана и его сплавов получают стержни, прутки, полосы,
различные профили проката, бесшовные трубы, проволоку и фольгу.
Сопротивление деформации у титана выше, чем у конструкционных сталей или медных и алюминиевых сплавов. Титан и его сплавы обрабатываются давлением примерно так же, как и нержавеющие стали аустенитного класса. Наиболее часто титан подвергают ковке при 800—1000°С. Чтобы предохранить титан от загрязнения газами, нагрев и обработку его давлением производят в возможно короткое время. Ввиду того, что при температурах >500°С водород диффундирует в титан и его сплавы с огромными скоростями, нагрев ведут в окислительной атмосфере.
Титан и его сплавы имеют пониженную обрабатываемость резанием подобно нержавеющим сталям аустенитного класса. При всех видах резания наиболее успешные результаты достигаются при небольших скоростях и большой глубине резания, а также при использовании режущего инструмента из быстрорежущих сталей или твердых сплавов.
Из-за высокой химической активности титана при высоких температурах сварку его ведут в атмосфере инертных газов (гелия, аргона). При этом защищать от взаимодействия с атмосферой и газами необходимо не только расплавленный металл шва, но все сильно нагретые части свариваемых изделий.
Большие технологические трудности возникают при производстве из титана и его сплавов отливок.
СПЛАВЫ ТИТАНА
Многие сплавы титана с другими элементами являются более перспективными материалами, чем технический титан.
Основными легирующими элементами в промышленных титановых сплавах являются ванадий, молибден, хром, марганец, медь, алюминий и олово. Практически же титан образует сплавы со всеми металлами, за исключением щелочноземельных, а также с кремнием, бором, водородом, азотом и кислородом.
Наличие полиморфных превращений титана, хорошая растворимость многих элементов в титане и образование химических соединений, обладающих переменной растворимостью в титане, позволяют получить широкую гамму титановых сплавов с разнообразными свойствами.
В зависимости от характера влияния, оказываемого на полиморфные превращения титана, все элементы можно разбить на три группы:
стабилизирующие α-фазу (алюминий);
повышающие стабильность β-фазы (хром, марганец, железо, медь, никель, бериллий, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден, ниобий, тантал);
легирующие, мало влияющие на стабильность α- и β-фаз (олово, цирконий, германий).
Титановые сплавы, легированные элементами, повышающими стабильность α-фазы, обычно не упрочняются термической обработкой. Сплавы, легированные элементами, повышающими стабильность β-фазы, значительно упрочняются в результате термической обработки.
Титановые сплавы можно подвергать всем основным видам термической обработки: закалке, отжигу, старению, отпуску, химико-термической обработке. Чаще всего применяют отжиг.
Сплавы титана с алюминием имеют меньшую плотность и большую удельную прочность, чем чистый или технически чистый титан. По удельной прочности сплавы титана с алюминием превосходят многие нержавеющие и теплостойкие сплавы в интервале 400—500°С. Сплавы титана с алюминием обладают более высокой жаропрочностью и более высоким сопротивлением ползучести, чем многие другие сплавы титана.
Алюминий повышает модуль нормальной упругости титана.
Сплавы титана с алюминием не подвергаются коррозии и слабо окисляются при высоких температурах. Это позволяет производить горячую обработку сплавов при более высоких нагревах, чем нелегированного титана. Они обладают хорошей свариваемостью, причем даже при значительном содержании алюминия материал шва и околошовной зоны не приобретает хрупкости. Добавка алюминия уменьшает пластичность титана. Наиболее интенсивно это влияние сказывается при содержании алюминия более 7,5%.
Добавка олова в сплавы титана с алюминием повышает прочностные характеристики сплава. При концентрации в таких сплавах олова до 5% заметного снижения пластических свойств не наблюдается. Кроме того, добавка олова в сплавы титана с алюминием повышает их сопротивляемость окислению и ползучести. Сплавы, содержащие 4—5% Аl и 2—3% Sn, сохраняют значительную механическую прочность до 500°С.
Цирконий не оказывает большого влияния на механические свойства сплавов титана с алюминием, но его присутствие способствует увеличению сопротивления ползучести и повышению длительной прочности. Цирконий является ценным компонентом титановых сплавов.
Основой для получения высокожаропрочных титановых сплавов является сплав, содержащий —36% А1. Добавки в этот сплав других легирующих элементов дают жаропрочные материалы, обладающие высокой прочностью при 1000°С и выше и хорошими технологическими свойствами.
Сплав ВТ5 прокатывается, штампуется и куется в горячем состоянии, сваривается аргоно-дуговой и контактной сваркой, удовлетворительно обрабатывается резанием, обладает хорошей коррозионной стойкостью в концентрированной азотной кислоте и морской воде. Из этого сплава изготовляют детали, работающие при температурах до 400°С. Он обладает низкими антифрикционными свойствами и непригоден для изготовления трущихся деталей. Сплав ВТ5 поставляется в виде листов, прутков, паковок, труб и проволоки.
Сплавы типа ВТ5-1 предназначаются для изготовления деталей, работающих при температурах до 500°С при длительных нагрузках и до 900°С при кратковременных нагрузках. Они достаточно пластичны при горячей обработке давлением и могут изготовляться в виде листов, полос, плит, поковок, штамповок, прессованных профилей, труб и проволоки, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и растворах поваренной соли при цикличных нагрузках.
Сплав ВТ4 предназначен в основном для изготовления листов, лент и полос. Для деталей простой формы допускается штамповка в холодном состоянии. При штамповке деталей более сложной формы требуется подогрев до 500°С. Сплав обладает удовлетворительной обрабатываемостью резанием и сваривается аргоно-дуговой сваркой. По коррозионной стойкости сплав ВТ4 близок к сплавам ВТ5. Из сплава ВТ4 изготовляют детали, работающие при температурах до 350°С.
Сплав ОТ4 по свойствам и областям применения аналогичен сплаву ВТ4.
Сплав ВТ 10 обладает высоким сопротивлением ползучести и высокой термической стойкостью. Он удовлетворительно сваривается всеми видами сварки и предназначен для изготовления деталей, работаю-
щих при температурах до 500°С. Из сплава ВТ10 приготовляют поковки, штамповки прутки и полосы.
Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ВТ4, ОТ4 и ВТ10 при комнатной температуре сохраняют кристаллическую решетку, присущую модификации α-титана. В большинстве случаев эти сплавы применяют в отожженном состоянии. Температура их отжига выше температуры отжига технического титана. В качестве сплава с α-структурой можно рассматривать и технический титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1, ВТ1-2).
Титановые сплавы с термодинамически устойчивой β-фазой можно получить лишь при высоких концентрациях легирующих элементов (ванадия, молибдена, ниобия, тантала и др.). Однако при этом теряется одно из основных преимуществ титановых сплавов — относительно малая плотность. Это является основной причиной того, что титановые сплавы со стабильной β-фазой не получили широкого распространения.
Титановые сплавы со структурой, представленной одной β-фазой, можно механически получить закалкой титановых сплавов, содержащих достаточно высокую концентрацию переходных элементов. К таким сплавам относится сплав ВТ 15, содержащий 3—4% А1, 7—8% Мо и 10—15% Сr. После закалки с 760—780° С и старения при 450— 480°С сплав имеет временное сопротивление 130—150 кГ/мм2, это эквивалентно стали с временным сопротивлением 255 кГ/мм2. Однако эта прочность не сохраняется при нагревании, что является основным недостатком указанных сплавов. Сплав поставляется в виде листов, прутков и поковок.
Наилучшее сочетание свойств достигается в сплавах, состоящих из смеси α- и β-фаз. Непременным компонентом почти во всех таких сплавах является алюминий. Содержание в сплавах алюминия не только расширяет область температур, при которых сохраняется стабильность α-фазы, но повышает и термическую стабильность β-фазы. Кроме того, алюминий уменьшает плотность сплава и тем самым компенсирует увеличение плотности, связанное с введением тяжелых легирующих элементов.
Из сплава ВТ6 изготовляют листы, прутки, поковки и штамповки. Они обладают хорошей прочностью и пластичностью. Температура нагрева сплава при обработке давлением обычно не превышает 1000°С. Детали из сплава ВТ6 можно соединять точечной, стыковой и аргоно-дуговой сваркой в защитной атмосфере. Для восстановления пластичности металла после сварки требуется отжиг при 700—800°С. Сплавы этого типа удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и в морской воде. Прочность сплавов повышается после закалки с последующим старением при 450—550°С. Сплавы обладают хорошей термической стабильностью.
К сплавам группы ВТ6 можно отнести и сплав BT5. Этот сплав, кроме алюминия и молибдена, легируется небольшим количеством кремния. Сплав в горячем состоянии хорошо поддается прокатке, штамповке и ковке. Ковка осуществляется при 900— 1000°С. Сплав обладает также высокой коррозионной стойкостью и термической стабильностью и сопротивлением ползучести. Он удовлетворительно обрабатывается резанием и хорошо сваривается точечной, роликовой и стыковой сваркой. Применяют сплав главным образом в термически обработанном состоянии.
Самостоятельную группу сплавов составляют сплавы ВТ3 и ВТ3-1. Эти сплавы обладают большей термохимической стабильностью по сравнению со сплавами типа ВТ6. Сплав ВТ3-1, содержащий, кроме алюминия и хрома, молибден, обладает более высокой термической стабильностью и меньшей склонностью к проявлению хрупкости при нагревании, чем сплав ВТ3, и имеет более мелкозернистую структуру.
Титановые сплавы, состоящие из смеси α- и β-фаз, применяют в отожженном или стабилизированном состоянии.
Для сплава ВТ3 рекомендуется проводить отжиг при 750±10°С и охлаждение на воздухе, для сплава ВТ3-1 гомогенизацию при 870 ±10°С, охлаждение с печью до 650°С, выдержку при этой же температуре примерно 1 ч и последующее охлаждение; для сплава ВТ6 — отжиг при 80 ±10°С и охлаждение на воздухе; для сплава ВТ8— гомогенизацию при 800±10°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе до 590±10°С, выдержку 1 ч, охлаждение на воздухе. Эффект от термического упрочнения сплавов ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ8 относительно невелик.
Для сплава ВТ 14 упрочняющей термической обработкой является закалка в воде с 860—880°С с последующим старением при 480—500°С. Отжиг этого сплава, обеспечивающий получение высокой пластичности и удовлетворительной прочности, проводится нагреванием до 750—850°С с последующим охлаждением на воздухе. Сплав ВТ 14 чувствителен к перегреву в процессе горячей обработки давлением и термической обработки. При нагревании выше 920—930°С резко ухудшаются его механические свойства. В связи с этим горячую деформацию сплава ВТ 14 целесообразно проводить при температурах не более 930°С.
В настоящее время разработаны титановые сплавы, обладающие в закаленном состоянии высокой пластичностью, необходимой для изготовления сложных деталей, и сильно упрочняющиеся при последующем старении или отпуске.
Практически все деформируемые титановые сплавы могут применяться в качестве литейных материалов. Наиболее часто для изготовления деталей методом литья применяется сплав ВТ6 и технический титан (ВТ1-1). Металл для фасонного литья выплавляют в вакуумных дуговых печах с графитовым тиглем, покрытым гарниссажем. Заливка металла и охлаждение форм производятся либо в атмосфере инертных газов, либо в вакууме. Формы изготовляют из графита, керамических материалов или металлов, которые не взаимодействуют с титаном и титановыми литейными сплавами.
Широкое применение находит карбид титана TiC и сплавы на основе карбида титана. Карбид титана обладает большой твердостью и очень высокой температурой плавления, что и определяет основные области его применения. Карбид титана давно применяют как компонент твердых сплавов для режущего инструмента и штампов. Особенно эффективно использование режущего инструмента, содержащего карбид титана, для вязких материалов. Типичными титансодержащими твердыми сплавами для режущего инструмента являются сплавы Т5КЮ, Т5К7, Т14К8, Т15К6, Т30К4 (первая цифра соответствует содержанию карбида титана, а вторая — содержанию цементирующего металлического кобальта в %. Карбид титана применяют также в качестве абразивного материала как в порошке, так и в цементированном виде.
Температура плавления карбида титана >3000°С. Он обладает большой электропроводностью, а при низких температурах— сверхпроводимостью. Ползучесть титана ничтожна мала вплоть до температуры 1800°С. При комнатной температуре он хрупок. Карбид титана стоек в холодных и горячих кислотах — соляной, серной, фосфорной, щавелевой, на холоде — в хлорной кислоте, а также в смесях некоторых кислот.
Многие методы получения чистого карбида титана сводятся к химическому отделению карбида из науглероженного ферросплава. Однако наибольшее практическое значение имеет метод науглероживания порошкообразного металлического титана или двуокиси титана ниже температуры плавления составляющих. Примером такого метода может служить прокаливание двуокиси титана с сажей в угольных патронах. Значительное количество карбида титана получается в виде промежуточного продукта при изготовлении четыреххлористого титана.
Большое распространение получили жаростойкие материалы на основе карбида титана, легированного молибденом, танталом, ниобием, никелем, кобальтом и другими элементами. Легирование карбида титана металлами позволяет получить материалы, в которых сочетаются большая прочность, сопротивляемость ползучести и окислению при высоких температурах карбида титана с пластичностью и сопротивлением тепловому удару металлов. На этом же принципе основано получение жаростойких материалов на основе других карбидов, а также боридов, силицидов, которые объединяются под общим названием керамико-металлических материалов.
Сплавы на основе карбида титана сохраняют достаточно высокую жаропрочность до 1000—1100°С. Эти сплавы обладают высокой износоустойчивостью и стойкостью против коррозии. Ударная вязкость сплавов на основе карбида титана мала, и это является основным препятствием для широкого их распространения.
Карбид титана и сплавы карбида титана с карбидами других металлов применяют в качестве огнеупорных материалов. Тигли из карбида титана и сплава карбида титана с карбидом хрома не смачиваются и практически не взаимодействуют в течение длительного времени с расплавленным оловом, висмутом, свинцом, кадмием и цинком. Не смачивают карбид титана расплавленная медь при 1100—1300°С и серебро при 980°С в вакууме, алюминий при 700°С в атмосфере аргона. Сплавы на основе карбида титана с карбидом вольфрама или карбидом тантала с добавкой до 15% Со при 900—1000° в течение длительного времени почти не поддаются действию расплавленного натрия и висмута.
Для приготовления сплавов на основе карбида титана составляющие их размалываются вместе до очень высокой степени дисперсности и затем смеси прессуют с применением пластификатора в заданные формы. Полученные таким образом заготовки спекают при высоких температурах. Композиции на основе карбида практически не обладают ковкостью. Слегка спеченные прессовки можно обрабатывать на токарном станке алмазным инструментом, а сложные детали — абразивными кругами. После окончательного спекания материал обрабатывается только шлифованием. Методом выдавливания из массы на основе карбида титана можно изготовить трубы, стержни, листы и изделия сложного сечения. Более плотный продукт можно получить методом горячего прессования. Основным исходным материалом для получения компактного титана и титановых полуфабрикатов является губчатый титан (титановая губка), получаемая различными методами из титанового сырья.
(первый электрон)
18,8 кДж/моль
422,6 кДж/моль
гексагональная
плотноупакованная (α-Ti)
(300 K) 21,9 Вт/(м·К)
| 22 | |
| 3d 2 4s 2 | |
История
Открытие TiO 2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот . У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, ), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля - оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз - идентичные оксиды титана.
Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус . Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI 4 .
Происхождение названия
Металл получил своё название в честь титанов , персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи . Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном .
Однако согласно другой версии, публиковавшейся в журнале «Техника-Молодежи» в конце 1980-х, новооткрытый металл обязан своим именем не могучим титанам из древнегреческих мифов, а Титании - королеве фей в германской мифологии (жена Оберона в шекспировском «Сне в летнюю ночь»). Такое название связано с необычайной «лёгкостью» (малой плотностью) металла.
Нахождение в природе
Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57 % по массе, в морской воде 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных - 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al 2 O 3 . Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO 2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO 2 , ильменит FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , перовскит CaTiO 3 , титанит CaTiSiO 5 . Различают коренные руды титана - ильменит-титаномагнетитовые и россыпные - рутил-ильменит-цирконовые.
Месторождения
Месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Китая, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии, Южной Кореи, Казахстана .
Запасы и добыча
На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO 2 . Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603-673 млн т., а рутиловых - 49.7-52.7 млн т . Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более, чем на 150 лет.
Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 % .
Крупнейший в мире производитель титана - российская компания «ВСМПО-АВИСМА » .
Получение
Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак , получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а не восстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.
Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки - порошок диоксида титана TiO 2 . Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором , получая пары тетрахлорида титана TiCl 4:
Образующиеся пары TiCl 4 при 850 °C восстанавливают магнием :
Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом , выделяя Ti из TiCl 4 . Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.
Физические свойства
Титан - легкий серебристо-белый металл . Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 Å; с=4,679 Å ; z=2; пространственная группа C6mmc ), β-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой (a=3,269 Å; z=2; пространственная группа Im3m ), температура перехода α↔β 883 °C, ΔH перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1660±20 °C, точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³ , атомная плотность 5,71·10 22 ат/см³. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Удельное сопротивление 0,42 мкОм·м при 20 °C
Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок .
При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO 2 , благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).
Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.
Химические свойства
Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме , H 3 PO 4 и концентрированной H 2 SO 4).
Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона 2− .
При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается с образованием оксидных фаз переменного состава TiO x . Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO 2 . Гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O и диоксид TiO 2 амфотерны .
Применение
Часы из титанового сплава
В чистом виде и в виде сплавов
Титановый памятник Гагарину на Ленинском проспекте в Москве
В виде соединений
- Белый диоксид титана (TiO 2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171 .
- Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.
- Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.
- Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана - важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.
- Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, т.к. имеет цвет, похожий на золото.
- Титанат бария BaTiO 3 , титанат свинца PbTiO 3 и ряд других титанатов -- сегнетоэлектрики .
Существует множество титановых сплавов с различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов: алюминий, кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, никель. Нейтральные упрочнители: цирконий, олово, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие. Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации - ВТ6).
Анализ рынков потребления
- 60 % - краска;
- 20 % - пластик;
- 13 % - бумага;
- 7 % - машиностроение.
Цены
15-25 $ за килограмм, в зависимости от чистоты.
Чистота и марка чернового титана (титановой губки) обычно определяется по её твёрдости, которая зависит от содержания примесей. Наиболее распространены марки ТГ100 и ТГ110.
Цена ферротитана (минимум 70 % титана) на 22.12.2010 $6,82 за килограмм. На 01.01.2010 цена была на уровне $5,00 за килограмм.
В России цены на титан на начало 2012 года составляли 1200-1500 руб/кг.
Физиологическое действие
Примечания
Ссылки
- Добыча титана и циркония на «Центральном» в Тамбовской области обещает быть одной из самых дешёвых в мире
| Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева | ||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ti | ||||||||||||||||||||||||||||||||