Теплопроводность титановых сплавов. Титан (Titanium)

Наиболее значимыми для народного хозяйства были и остаются сплавы и металлы, объединяющие легкость и прочность. Титан относится именно к этой категории материалов и, кроме того, обладает превосходной коррозийной стойкостью.

Титан – переходный металл 4 группы 4 периода. Молекулярная масса его составляет всего 22, что указывает на легкость материала. При этом вещество отличается исключительной прочностью: среди всех конструкционных материалов именно у титана самая высокая удельная прочность. Цвет серебристо-белый.

Что такое титан, расскажет видео ниже:

Понятие и особенности

Титан довольно распространен – по содержанию в земной коре занимает 10 место. Однако выделить действительно чистый металл удалось лишь в 1875 году. До этого вещество либо получали с примесями, либо называли металлическим титаном его соединения. Эта путаница привела к тому, что соединения металла стали использоваться значительно раньше, чем сам металл.

Обусловлено это особенностью материала: самые ничтожные примеси заметно влияют на свойства вещества, порой полностью лишая присущих ему качеств.

Так, самая небольшая доля других металлов лишает титан жаропрочности, что является одним из его ценных качеств. А небольшая добавка неметалла превращает прочный материал в хрупкий и непригодный к применению.

Эта особенность сразу же разделила получаемый металл на 2 группы: технический и чистый.

Первый применяют в тех случаях, когда более всего нужна прочность, легкость и коррозийная стойкость, так как последнее качество титан не теряет никогда.
Материал большой чистоты используется там, где нужен материал, работающий при очень больших нагрузках и больших температурам, но при этом отличающийся легкостью. Это, конечно, авиа- и ракетостроение.

Вторая особая черта вещества – анизотропность. Некоторые его физические качества изменяются в зависимости от приложения сил, что необходимо учитывать при применении.

При нормальных условиях металл инертен, не корродирует ни в морской воде, ни в морском или городском воздухе. Более того, это самое биологически инертное вещество из известных, благодаря чему в медицине широко применяются титановые протезы и имплантаты.

В то же время при повышении температуры он начинает реагировать с кислородом, азотом и даже водородом, а в жидком виде впитывает газы. Эта неприятная особенность крайне затрудняет и получение самого металла, и изготовление сплавов на его основе.

Последнее возможно только при использовании вакуумной аппаратуры. Сложнейший процесс производства превратил довольно распространенный элемент в весьма дорогостоящий.

Связь с другими металлами

Титан занимает промежуточное положение между двумя другими известнейшими конструкционными материалами – алюминием и железом, вернее говоря, сплавами железа. По многим параметрам металл превосходит «конкурентов»:

механическая прочность титана в 2 раза выше, чем у железа, и в 6 раз, чем у алюминия. При этом прочность при снижении температуры возрастает;
коррозийная стойкость намного выше, чем у железа и даже алюминия;
при нормальной температуре титан инертен. Однако при повышении до 250 С, начинает поглощать водород, что сказывается на свойствах. По химической активности он уступает магнию, но, увы, превосходит железо и алюминий;
металл намного слабее проводит электричество: его удельное электросопротивление выше, чем у железа 5 раз, выше, чем у алюминия в 20 раз, и выше, чем у магния в 10 раз;
теплопроводность также намного ниже: меньше, чем 1 железа в 3 раза, и меньше, чем у алюминия в 12 раз. Однако это свойство обуславливает очень низкий коэффициент температурного расширения.

Плюсы и минусы

На деле недостатков у титана множество. Но сочетание прочности и легкости настолько востребовано, что ни сложный способ изготовления, ни необходимость исключительной чистоты не останавливают потребителей металла.

К несомненным плюсам вещества относятся:

низкая плотность, что означает очень небольшой вес;
исключительная механическая прочность как самого металла титан, так и его сплавов. При повышении температуры титановые сплавы превосходят все сплавы алюминия и магния;
соотношение прочности и плотности – удельная прочность, достигает 30–35, что почти в 2 раза выше, чем у лучших конструкционных сталей;
на воздухе титан подлежит покрытию тонким слоем оксида, который и обеспечивает превосходную коррозийную стойкость.

Недостатков у металла тоже хватает:

стойкость к коррозии и инертность относится только к продукции с неактивной поверхностью. Титановая пыль или стружка, например, самовоспламеняются и сгорают с температурой в 400 С;
очень сложный способ получения металла титан обеспечивает очень высокую стоимость. Материал намного дороже железа, или ;
способность впитывать атмосферные газы при повышении температуры требует применения при плавке и получении сплавов вакуумной аппаратуры, что тоже заметно увеличивает стоимость;
титан отличается плохими антифрикционными свойствами – на трение он не работает;
металл и его сплавы склонны к водородной коррозии, предотвратить которую сложно;
титан плохо поддается обработке резанием. Сварка его тоже затруднена из-за фазового перехода во время нагревания.

Лист титана (фото)

Свойства и характеристики

Сильно зависят от чистоты. Справочные данные описывают, конечно, чистый металл, но характеристики технического титана могут заметно отличаться.

Плотность металла уменьшается при нагревании от 4,41 до 4,25 г/куб см. Фазовый переход изменяет плотность лишь на 0,15%.
Температура плавления металла – 1668 С. температуру кипения – 3227 С. Титан является тугоплавким веществом.
В среднем предел прочности на растяжение составляет 300–450 МПа, однако это показатель можно увеличить до 2000 МПА, прибегнув к закалке и старению, а также введению дополнительных элементов.
По шкале НВ твердость составляет 103 и это не предел.
Теплоемкость титана невелика – 0,523 кдж/(кг·К).
Удельное электросопротивление — 42,1·10 -6 ом·см.
Титан является парамагнитом. При снижении температуры его магнитная восприимчивость уменьшается.
Металлу в целом свойственны пластичность и ковкость. Однако на эти свойства сильно влияют кислород и азот в сплаве. Оба элемента придают материалу хрупкость.

Вещество устойчиво ко многим кислотам, включая азотную, серную в низкой концентрации и практически все органические за исключением муравьиной. Это качество обеспечивает титану востребованность в химической, нефтехимической, бумажной промышленности и так далее.

Структура и состав

Титан – хоть и переходный металл, да и удельное электросопротивление имеет низкое, все же, является металлом и проводит электрический ток, а это означает упорядоченную структуру. При нагревании до определенной температуры структура изменяется:

до 883 С устойчивой является α-фаза с плотностью в 4,55 г/куб. см. Она отличается плотной гексагональной решеткой. Кислород растворяется в этой фазе с образованием растворов внедрения и стабилизирует α-модификацию – отодвигает температурный предел;
выше 883 С стабильна β-фаза с объемно-центрированной кубической решеткой. Плотность его несколько меньше – 4,22 г/куб. см. Эту структуру стабилизирует водород – при его растворении в титане также образуются растворы внедрения и гидриды.

Эта особенность очень затрудняет работу металлурга. Растворимость водорода при охлаждении титана резко уменьшается, и в сплаве выпадает гидрид водорода – γ-фаза.

Он становится причиной появления холодных трещин при сварке, поэтому производителям приходится применять дополнительные усилия после плавки металла, чтобы очистить его от водорода.

О том, где можно найти и как сделать титан, расскажем ниже.

Данное видео посвящено описанию титана как металла:

Производство и добыча

Титан весьма распространен, так что с рудами, содержащими металл, причем в довольно больших количествах, затруднений не возникает. Исходным сырьем выступает рутил, анатаз и брукит – диоксиды титана в разной модификации, ильменит, пирофанит – соединения с железом, и так далее.

А вот сложна и требует дорогостоящей аппаратуры. Способы получения несколько отличаются, поскольку состав руды различен. Например, схема получения металла из ильменитовых руд выглядит так:

получение титанового шлака – породу загружают в электродуговую печь вместе с восстановителем – антрацитом, древесным углем и прогревают до 1650 С. При этом отделяют железо, которое идет на получение чугуна и диоксида титана в шлаке;
шлак хлорируют в шахтных или солевых хлораторах. Суть процесса сводится к тому, чтобы перевести твердый диоксид в газообразный тетрахлорид титана;
в печах сопротивления в специальных колбах металл восстанавливают натрием или магнием из хлорида. В итоге получают простую массу – титановую губку. Это технический титан вполне пригодный для изготовления химической аппаратуры, например;
если же требуется более чистый металл, прибегают к рафинированию – при этом металл реагирует с йодом с тем, чтобы получить газообразный йодид, а последний под действием температуры – 1300–1400 С, и электрического тока, разлагается, высвобождая чистый титан. Электрический ток подается через натянутую в реторте титановую проволоку, на которую и осаждается чистое вещество.

Чтобы получить титан в слитках, титановую губку переплавляют в вакуумной печи, чтобы предотвратить растворение водорода и азота.

Цена титана за 1 кг очень высока: в зависимости от степени чистоты металл стоит от 25 до 40 $ за 1 кг. С другой стороны, корпус кислотоупорного аппарата из нержавеющей стали обойдется в 150 р. и прослужит не более 6 месяцев. Титановый будет стоить около 600 р, но эксплуатируется в течение 10 лет. Много производств титана есть в России.

Области применения

Влияние степени очистки на физико-механические качества заставляет рассматривать именно с этой точки зрения. Так, технический, то есть, не самый чистый металл обладает превосходной коррозийной стойкостью, легкостью и прочностью, что и обуславливает его применение:

химическая промышленность – теплообменники, трубы, корпуса, детали насосов, арматура и так далее. Материал незаменим на участках, где требуется стойкость к кислотам и прочность;
транспортная промышленность – вещество используется для изготовления средств передвижения от железнодорожных составов до велосипедов. В первом случае, металл обеспечивает меньшую массу составов, что делает тягу более эффективной, в последнем – придает легкость и прочность, не зря ведь титановая велосипедная рама считается лучшей;
военно-морское дело – из титана изготавливают теплообменники, выхлопные глушители для подводных лодок, клапан, пропеллеры и так далее;
в строительстве широко применяют -титан – прекрасный материал для отделки фасадов и кровель. Вместе с прочностью сплав обеспечивает еще одно важное для архитектуры достоинство – возможность придавать изделиям самую причудливую конфигурацию, способность к формообразованию у сплава неограниченная.

Чистый металл, кроме того, является очень стойким к высоким температурам и сохраняет при этом прочность. Применение очевидно:

ракето- и авиастроение – из него изготавливают обшивку. Детали двигателей, элементы крепления, части шасси и так далее;
медицина – биологическая инертность и легкость делает титан куда более перспективным материалом при протезировании, вплоть до сердечных клапанов;
криогенная техника – титан является одним из немногих веществ, которые при снижении температуры становятся лишь прочнее и не утрачивает пластичности.

Титан – конструкционный материал самой высокой прочности при такой легкости и пластичности. Эти уникальные качества обеспечивают ему все более важную роль в народном хозяйстве.

О том, где взять титан для ножа, расскажет видео ниже:

Титан – один из загадочных, малоизученных макроэлементов в науке и жизни человека. Хотя его не зря называют «космическим» элементом, т.к. он активно применяется в передовых отраслях науки, техники, медицины и во многом другом – это элемент будущего.

Этот металл серебристо-серого цвета (см. фото), не растворим в воде. Он у него небольшая химическая плотность, поэтому ему характерна легкость. В то же время он очень прочен и легко поддается обработке из-за своей плавкости и пластичности. Элемент химически инертен благодаря наличию на поверхности защитной пленки. Титан не горюч, но его пыль взрывоопасна.

Открытие этого химического элемента принадлежит большому любителю минералов англичанину Уильяму Мак-Грегору. Но своим названием титан обязан все же химику – Мартину Генриху Клапроту, который обнаружил его независимо от Мак-Грегора.

Предположения о причинах, по которым этот металл назвали «титаном» романтичны. По одной версии, название связано с древнегреческими богами Титанами, родителями которых являлись бог Уран и богиня Гея, а вот согласно второй, оно происходит от имени королевы фей – Титании.

Как бы там ни было, этот макроэлемент девятый по нахождению в природе. Он входит в состав тканей представителей флоры и фауны. Много его в морской воде (до 7%), а вот в почве его содержится всего 0,57%. Наиболее богат запасами титана Китай, за ним идет Россия.

Действие титана

Действие макроэлемента на организм обусловлено его физико-химическими свойствами. Его частицы очень малы, они могут проникать в клеточную структуру и влиять на ее работу. Считается, что из-за своей инертности макроэлемент не взаимодействует химически с раздражителями, и поэтому не токсичен. Однако он вступает в связь с клетками тканей, органов, крови, лимфы посредством физического действия, что приводит к их механическому повреждению. Так, элемент может своим действием привести к повреждению одно- и двухцепочной ДНК, повредить хромосомы, что может привести к риску развития рака и сбоя в генетическом коде.

Выяснилось, что частицы макроэлемента не способны пройти через кожу. Поэтому попадают они внутрь человека только с едой, водой и воздухом.

Титан лучше усваивается через желудочно-кишечный тракт (1-3%), а вот через дыхательные пути всасывается только около 1%, однако содержание его в организме сконцентрировано как в легких (30%). С чем это связано? Проанализировав все вышеуказанные цифры, можно прийти к нескольким выводам. Во-первых, титан вообще плохо усваивается организмом. Во-вторых, через ЖКТ идет выведение титана через кал (0,52 мг) и мочу (0,33 мг), а вот в легких такой механизм слабый или вовсе отсутствует, так как с возрастом у человека концентрация титана в этом органе возрастает практически в 100 раз. Чем же обусловлена такая большая концентрация при таком слабом всасывании? Скорее всего, это связано с постоянной атакой на наш организм пыли, в которой всегда присутствует титановая составляющая. Кроме того в данном лучае нужно учитывать нашу экологию и наличие промышленных мощностей вблизи населенных пунктов.

По сравнению с легкими, в остальных органах, таких как селезенка, надпочечники, щитовидная железа, содержание макроэлемента на протяжении всей жизни остается неизменным. Также присутствие элемента наблюдается в лимфе, плаценте, головном мозге, женском грудном молоке, костях, ногтях, волосах, хрусталике глаза, тканях эпителия.

Находясь в костях, титан участвует в их срастании после переломов. Также положительное действие наблюдается в восстановительных процессах, происходящих в поврежденных подвижных соединениях костей при артритах и артрозах. Этот металл является сильным антиоксидантом. Ослабляя действие свободных радикалов на клетки кожи и крови, он защищает весь организм от преждевременного старения и изнашивания.

Концентрируясь в отделах мозга, отвечающих за зрение и слух, положительно влияет на их функционирование. Нахождение металла в надпочечниках и щитовидной железе подразумевает его участие в вырабатывании гормонов, участвующих в обмене веществ. Он также задействован в выработке гемоглобина, выработке эритроцитов. Снижая в крови содержание холестерина и мочевины, следит за ее нормальным составом.

Негативное действие титана на организм связано с тем, что он является тяжелым металлом . Попадая в организм, он не расщепляется и не разлагается, а оседает в органах и тканях человека, отравляя его и вмешиваясь в процессы жизнедеятельности. Он не подвержен коррозии и устойчив к действию щелочей и кислот, поэтому желудочный сок не способен на него воздействовать.

Соединения титана имеют способность не пропускать коротковолновое ультрафиолетовое излучение и не всасываются через кожу, поэтому их можно использовать для защиты кожи от ультрафиолета.

Доказано, что курение увеличивает поступление металла в легкие из воздуха во много раз. Это ли не повод бросить эту вредную привычку!

Суточная норма - какова потребность в химическом элементе?

Суточная норма макроэлемента обусловлена тем, что в теле человека содержится примерно 20 мг титана, из них 2,4 мг – в легких. Каждый день с пищей организм приобретает 0,85 мг вещества, с водой – 0,002 мг, а с воздухом – 0,0007 мг. Суточная норма для титана очень условна, так как последствия его влияния на органы до конца не изучено. Приблизительно она равняется около 300-600 мкг в сутки. Нет никаких клинических данных о последствиях превышения этой нормы – все на стадии опытных исследований.

Недостаток титана

Состояния, при которых бы наблюдался недостаток металла, не выявлены, поэтому ученые пришли к выводу, что их в природе не существует. Но его дефицит наблюдается при большинстве тяжелых заболеваний, что может ухудшить состояние больного. Этот недостаток можно убрать титаносодержащими препаратами.

Влияние избытка титана на организм

Избыток макроэлемента единоразового поступления титана в организм не выявлен. Если, предположим, человек проглотил титановый штифт, то, по всей видимости, об отравлении говорить не приходится. Скорее всего, из-за своей инертности элемент не вступит в контакт, а выведется естественным путем.

Большую опасность вызывает систематическое увеличение концентрации макроэлемента в органах дыхания. Это приводит к повреждению дыхательной и лимфатической систем. Также есть непосредственная связь между степенью протекания силикоза и содержанием элемента в органах дыхания. Чем больше его содержание, тем тяжелее протекает болезнь.

Избыток тяжелого металла наблюдается у людей, работающих на химических и металлургических предприятиях. Наиболее опасен хлорид титана – за 3 рабочих года начинается проявление тяжелых хронических заболеваний.

Такие заболевания лечат специальными препаратами и витаминами.

Каковы источники?

Элемент попадает в организм человека в основном с пищей и водой. Больше всего его в бобовых (горох, фасоль, чечевица, бобы) и в злаковых (рожь, ячмень, гречка, овес). Выявлено его присутствие в молочных и мясных блюдах, а также в яйцах. В растениях сконцентрировано больше этого элемента, чем в животных. Особенно высоко его содержание в водоросли – кустистой кладофоре.

Во всех продуктах питания, где присутствует пищевой краситель Е171, содержится диоксид этого металла. Его применяют в изготовлении соусов и приправ. Вред этой добавки находится под вопросом, так как оксид титана практически не растворим в воде и желудочном соке.

Показания к применению

Показания к применению элемента, несмотря на то, что этот космический элемент еще мало изучен, есть, он активно применяется во всех сферах медицины. Из-за своей прочности, коррозионной стойкости и биологической инертности, он широко применяется в сферах протезирования для изготовления имплантантов. Его применяют в стоматологии, нейрохирургии, ортопедии. Благодаря долговечности из него изготавливают хирургические инструменты.

Диоксид этого вещества используют в лечении болезней кожи, таких как хейлит, герпес, угревая сыпь, воспаление слизистой рта. Им удаляют гемангиому лица.

Никелид металла задействован в устранении местно-распространенного рака гортани. Его используют для эндопротезирования гортани и трахеи. Также он применяется для лечения инфицированных ран в сочетании с растворами антибиотиков.

Аквакомплекс глицеросольвата макроэлемента способствует заживлению язвенных ран.

Для ученых по всему миру открыто много возможностей для изучения элемента будущего, так как его физико-химические свойства высоки и могут принести безграничную пользу для человечества.

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.

Краткие обозначения:
σ в	- временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа	ε	- относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ 0,05	- предел упругости, МПа	J к	- предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ 0,2	- предел текучести условный, МПа	σ изг	- предел прочности при изгибе, МПа
δ 5 ,δ 4 ,δ 10	- относительное удлинение после разрыва, %	σ -1	- предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа
σ сж0,05 и σ сж	- предел текучести при сжатии, МПа	J -1	- предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа
ν	- относительный сдвиг, %	n	- количество циклов нагружения
s в	- предел кратковременной прочности, МПа	R и ρ	- удельное электросопротивление, Ом·м
ψ	- относительное сужение, %	E	- модуль упругости нормальный, ГПа
KCU и KCV	- ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2	T	- температура, при которой получены свойства, Град
s T	- предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа	l и λ	- коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)
HB	- твердость по Бринеллю	C	- удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T), [Дж/(кг·град)]
HV	- твердость по Виккерсу	p n и r	- плотность кг/м 3
HRC э	- твердость по Роквеллу, шкала С	а	- коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T), 1/°С
HRB	- твердость по Роквеллу, шкала В	σ t Т	- предел длительной прочности, МПа
HSD	- твердость по Шору	G	- модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

Cтраница 1

Теплопроводность титана составляет - 14 0 Вт / м град, что несколько ниже теплопроводности легированной стали. Материал хорошо куется, штампуется, обрабатывается резанием. Сварка изделий из титана производится вольфрамовым электродом в защитной атмосфере аргона. В последнее время титан используется для изготовления широкого ассортимента труб, листа, проката.

Теплопроводность титана низкая - примерно в 13 раз ниже алюминия и в 4 4 раза ниже железа.

Теплопроводность титана близка к теплопроводности нержавеющей стали и составляет 14 ккал / м С час. Титан хорошо куется, штампуется и удовлетворительно обрабатывается резанием. При температуре более 200 С склонен поглощать газы. Сварка титана производится вольфрамовым электродом в защитной атмосфере аргона.

Теплопроводность титана и его сплавов примерно в 15 раз ниже, чем у алюминия, и в 3 5 - 5 раз ниже, чем у стали. Коэффициент линейного термического расширения титана также значительно ниже, чем у алюминия и нержавеющей стали.

Теплопроводность титана составляет - 14 0 Вт / (м - К), что несколько ниже теплопроводности легированной стали. Материал хорошо куется, штампуется, обрабатывается резанием. Сварка изделий из титана производится вольфрамовым электродом в защитной атмосфере аргона. В последнее время титан используется для изготовления широкого ассортимента труб, листа, проката.

Коэффициент теплопроводности титана в области рабочих температур (20 - 400 С) составляет 0 057 - 0 055 кал / (см-с - С), что примерно в 3 раза меньше теплопроводности железа, в 16 раз меньше теплопроводности меди и близко к теплопроводности нержавеющих сталей аустенитного класса.

Поэтому, например, теплопроводность титана в 8 - 10 раз меньше теплопроводности алюминия.

Полученные расчетные значения фононнои теплопроводности титана совпадают с оценкой этой величины, сделанной в работе , где она принята равной 3 -: - 5 вт / м-град.

При легировании так же, как и при увеличении содержания примесей, теплопроводность титана, как правило, уменьшается. При нагреве теплопроводность сплавов, как и чистого титана, увеличивается; уже при 500 - 600 С она приближается к теплопроводности нелегированного титана.

Модуль упругости титана почти вдвое меньше модуля упругости железа, находится на одном уровне с модулем медных сплавов и значительно выше, чем у алюминия. Теплопроводность титана низкая: она составляет около 7 % от теплопроводности алюминия и 16 5 % от теплопроводности железа. Это необходима учитывать при нагреве металла для обработки давлением и при сварке. Электросопротивление титана примерно в 6 раз больше чем у железа и в 20 раз больше, чем у алюминия.

Прежде всего необходимо учитывать, что теплопроводность титана и его сплавов при невысоких температурах очень низка. При комнатной температуре теплопроводность титана равна приблизительно 3 % от теплопроводности меди и в несколько раз ниже, чем, например, у сталей (теплопроводность титана равна 0 0367 кал / см сек С, а теплопроводность стали 40 равна 0 142 кал. С повышением температуры теплопроводность титановых сплавов возрастает и приближается к теплопроводности сталей. Это сказывается на скоростях нагрева титановых сплавов в зависимости от температуры, на которую они нагреваются, что видно по скоростям нагрева и охлаждения технически чистого титана (сплав ВТ1) сечением 150 мм (фиг.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше теплопроводности железа. С повышением температуры теплопроводность титана несколько понижается и при 700 С составляет 0 0309 кал / см сек СС.

При сварке плавлением для получения соединения хорошего качества необходима надежная защита от газов атмосферы (О2, Nj, H2) металла сварного соединения, нагретого до температуры выше 400 С с обеих сторон шва. Рост зерна усугубляется низкой теплопроводностью титана, увеличивающей время пребывания металла сварного соединения при высоких температурах. Для преодоления указанных трудностей сварку выполняют при минимально возможной погонной энергии.

Справочники