16. Титан, магний и другие металлы и сплавы

В ПРОИЗВОДСТВЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

16.1. Титан

Промышленное применение титана началось в 1948г. Он по распространению в земной коре (0,6%) занимает 4 место, уступает алюминию, железу, магнию. Титан обладает очень ценными свойствами: небольшой плотностью (4,5*10 ³ кг/м ³), высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Недостатки: активное взаимодействие с газами при высоких температурах, невысокие антифрикционные свойства, плохая обрабатываемость, водородная охрупчиваемость.

Титан - полиморфный материал и существует в двух аллотропических формах  -ГПУ и  -ОЦК-фазах. Температура полиморфного превращения Т_α -  = 882°С  - фаза имеет периоды решетки а=0,2% нм, с=0,472 нм;  - титан (выше 882 °С) имеет а=0,331 нм.

Электронная структура внешних оболочек атома титана 3s² Зр⁶ 3d² 4s². При возбуждении атома внешние s-электроны распа­риваются, поэтому титан проявляет валентность +2.

Титан на воздухе покрывается очень прочной защитной плен­кой TiO₂. Поэтому в нормальных условиях коррозионно устойчив и химически устойчив к агрессивным средам (выше чем нержавеющая сталь). Например, морская вода за 4000 лет растворит слой титана толщиной листа бумаги.

Преимущественное применение титан получил в авиации, ракетостроении и др. отраслях, где удельная прочность имеет большое значение. Удельная прочность – это отношение предела прочности к плотности. Самая высокая удельная прочность титана проявляется при температурах (300-600 ⁰С). При температурах до 300 ⁰С он уступает алюминию, а выше 600 ⁰С – сплава на основе железа. Недостаток титана – его высокая стоимость.

Химическое соединение TiO₂ применяется при изготовлении тугоплавких стекол, эмалей, лабораторной жароупорной посуды, ог­неупорных тиглей, TiO₂ используется для приготовления белой мас­ляной краски (титановые белила).

16.2. Сплавы титана

Основные преимущества титановых сплавов, определяющие область применения этого сравнительно нового конструкционного материала, следующие: небольшая плотность — 4,5 кг/м³, высокая стойкость против коррозии и высокие прочностные свойства при отсутствии хладноломкости, в том числе при очень низких температурах. Для некоторых сплавов титана характерны, кроме того, хорошие жаропрочные свойства (но они ниже, чем у стали). Титановые сплавы практически превосходят нержавеющие стали, медные и никелевые сплавы в стойкости против коррозии в морской воде, в том числе и при длительной работе, а также в таких агрессивных средах, как влаж­ный хлор, горячая азотная кислота высокой концентрации (и некоторых других). Коррозионная стойкость титановых сплавов дополнительно возрастает при введении очень малых количеств палладия.

Прочностные свойства титановых сплавов различаются в зависимости от состава и структуры, получаемой при термической обработке. Некоторые сплавы титана, обладая меньшей плотностью, не уступают в прочности легированным конструкционным сталям после улучшающей термической обработки. Марки титановых сплавов распределены в табл. по прочности и структуре. Повышенные прочностные свойства, в том числе при нагреве до 550—600°С, имеют титановые сплавы, легированные хромом, что при меньшей плотности, чем у стали, делает их особенно пригодным для деталей, в работе которых развиваются значительные центробежные силы. Вместе с тем сплавы титана уступают сталям, особенно с повышенным содержанием углерода, в твердости и износостойкости, что сильно затрудняет использование их для деталей, работающих в условиях повышен­ного изнашивания.

Легирование позволяет значительно повысить механические свойства титана. Для получения сплавов титан легируют Al, Cr, Fe, Mn, Mo, Sb,V.

Легирующие элементы, входящие в состав сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения (рис. 16.1). Элементы, повышающие тем­пературу  превращения способствуют стабилизации -твердого раствора и называются -стабилизаторами (Al, О₂, N₂). Элемен­ты, понижающие температуру Т-, способствуют стабилизации -твердого раствора и называются -стабилизаторами (Mo,V, N_b).

Рис. 16.1. Зависимость фазового состава титановых сплавов от легирующих сплавов

В сплавах титана с Cr, Mn, Fe, Si происходит эвтектоидный распад -фазы по типу +TiMе с образованием химических соединений – интерметаллидов (титанидов).

Во всех сплавах титана содержится ≈5% алюминия.

Кроме - и -стабилизаторов, различают нейтральные упрочнители (Sn, Zr, Hf), не оказывающие существенного влияния на температуру Т_α→β. Титановые сплавы (рис. 16.2) подраз­деляют на -сплавы (одно­фазные), (+) - сплавы (двух­фазные), -сплавы (однофаз­ные).

Рис. 16.2. Диаграмма состояния Ti-Cr, Mn, Fe, Si

1)  - сплавы – ВТ1, ВТ5, ВТ4.

Преимущества: до 650°С сохраняют достаточную прочность, до 1090 °С устойчивы к коррозии, хорошо свариваются.

Недостатки: закалке и старению не подвергаются.

2) ( + )- сплавы: ВТ6, ВТ8, ВТ14.

Преимущества: удвоенная прочность по сравнению с нелеги­рованным титаном, хорошая ковкость, пластичность, штампуемость и прокатываемость.

Недостатки: пластичность сварного шва хуже, чем у  - сплавов.

3)  -сплавы: ВТ3-1, ВТ22, ВТ15.

Преимущества: отличная пластичность, прочность до 540°С.

Недостатки: чувствительность к загрязнениям.

Термическая обработка титановых сплавов.

Согласно двойным диаграммам состояния титан - легирую­щий элемент, титановые сплавы в зависимости от их состава и назна­чения можно подвергать всем основным видам термической обработ­ки:

- рекристаллизационный отжиг применяется в  - сплаве для снятия деформационных напряжений при температуре рекристаллизации Т_р =520-850°С в зависимо­сти от химического состава и вида полуфабриката;

- отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют для (+ ) - сплавов с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности при температуре отжига Т_о = 750-950°С;

- закалка применяется только для двухфазных сплавов. В этом случае может происходить либо мартенситное превращение, либо фиксирование отдельных фаз.

Основными марками титановых сплавов являются:

ВТ5 (5А1)  =700-950 МПа,  = 10-15 %

ВТ4 (4А1, 1,5 Мn)  =850-1050 МПа,  =10-15 %

ВТ6 (6A1, 4V)  =1100-1150 МПа,  =14-16 %

ВТ15 (4А1, 11Cr, 8Mo) =1300-1500 МПа,  =4-8%

Литейные сплавы ВТ5Л, ВТЗ-1Л и др. используют для получе­ния фасонных отливок. Для получения качественных отливок исполь­зуют атмосферу инертного газа, либо вакуум, т.к. титан активно взаи­модействует с газами и формовочной смесью.

Титановые сплавы обладают низкими антифрикционными свойства и не пригодны для изготовления трущихся деталей. Для повышения износостойкости применяется азотирование при ≈900 ⁰С в течение 15-25 ч в диссоциированном аммиаке или в сухом, очищенном от кислорода азоте.