Андрей Смирнов
Время чтения: ~14 мин.
Просмотров: 0

Титановый сплав вт20

Классификация титановых сплавов, виды и характеристика

Характерной особенностью титана является наличие двух аллотропических модификаций, то есть состояний, имеющих одинаковый химический состав

Таким образом, строение и свойства у титана, самого важного элемента, входящего в титановые сплавы, может отличаться

Согласно общепринятой классификации, титановые сплавы делятся на группы:

  1. высокопрочные конструкционные,
  2. жаропрочные,
  3. химические.

Некоторые виды технического титана, необходимого для металлургической промышленности, отличаются разным уровнем прочности. Этот показатель напрямую зависит от содержания таких примесей, как азот, кремний, железо, углерод. При этом увеличивающаяся прочность сплава, достигающаяся добавлением большего количества алюминия, обычно обозначает пропорционально уменьшающуюся пластичность. Вместе с этим титан, содержащий алюминиевые добавки, становится более дешёвым, то есть более экономически выгодным материалом.

Группа конструкционного титана объединяет в себе титановые сплавы, которые обладают свойствами высокой коррозийной стойкости к внешним воздействиям, могут с лёгкостью свариваться между собой, а также с некоторыми другими металлическими изделиями и деталями. Сейчас уже создан специальный титан-сплав, который называется морским и применяется в солёной морской воде для производства прочных глубоководных агрегатов. Он обладает не только высокой физической и усталостной прочностью, но также и хладостойкостью. Благодаря особенностям состава и производства, данный тип сплавов является металлопродуктом с неограниченным сроком применения.

Получение

Брусок кристаллического титана (чистота 99,995 %, вес ≈283 г, длина ≈14 см, диаметр ≈25 мм), изготовленный на заводе «Уралредмет» иодидным методом ван Аркеля и де Бура

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 TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl4:

TiO2+2C+2Cl2→TiCl4+2CO{\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2C+2Cl_{2}\rightarrow TiCl_{4}+2CO}}}

Образующиеся пары TiCl4 при 850 °C восстанавливают магнием:

TiCl4+2Mg→2MgCl2+Ti{\displaystyle {\mathsf {TiCl_{4}+2Mg\rightarrow 2MgCl_{2}+Ti}}}

Кроме этого, в настоящее время начинает получать популярность так называемый процесс FFC Cambridge, названный по именам его разработчиков Дерека Фрэя, Тома Фартинга и Джорджа Чена из Кембриджского университета, где он был создан. Этот электрохимический процесс позволяет осуществлять прямое непрерывное восстановление титана из оксида в расплаве смеси хлорида кальция и негашёной извести (оксида кальция). В этом процессе используется электролитическая ванна, наполненная смесью хлорида кальция и извести, с графитовым расходуемым (либо нейтральным) анодом и катодом, изготовленным из подлежащего восстановлению оксида. При пропускании через ванну тока температура быстро достигает ~1000—1100 °C, и расплав оксида кальция разлагается на аноде на кислород и металлический кальций:

2CaO→2Ca+O2{\displaystyle {\mathsf {2CaO\rightarrow 2Ca+O_{2}}}}

Полученный кислород окисляет анод (в случае использования графита), а кальций мигрирует в расплаве к катоду, где и восстанавливает титан из его оксида:

O2+C→CO2{\displaystyle {\mathsf {O_{2}+C\rightarrow CO_{2}}}}
TiO2+2Ca→Ti+2CaO{\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2Ca\rightarrow Ti+2CaO}}}

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций, и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода. При использовании инертного анода (например, диоксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярного хлора.

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электронно-лучевую или плазменную переработку.

Применение

Сферы человеческой жизнедеятельности, в которых с успехом применяется титановый сплав, трудно перечислить. Титановые сплавы прежде всего известны тем, что нашли реализацию в ракетостроении и других сферах, связанных с покорением космоса, самолётостроением и проведением научно-исследовательских работ в этом направлении. Для упомянутых сфер изготавливают титановые детали для каркаса воздушных и космических судов, элементы обшивки, топливные бачки, внутренности для мощных реактивных двигателей, компрессоры, диски, части воздухозаборников.

Кроме безвоздушного пространства в космосе и разряженной атмосферы в пределах планеты, титан применяется для водных работ, то есть для установки на морских и океанических судах. Титановым делают корпус грузоподъёмного судна, его насосные детали, гребные винты и т.д.

Медицинская промышленность не смогла бы быть такой прогрессивной без титановых сплавов, применяемых для изготовления высокопрочных и точных мединструментов, внутрикостных фиксационных приспособлений, внутренних протезов, хирургических зажимов. Для химических производств сплав титан уже давно стал незаменим при изготовлении различных реакторов, выдерживающих агрессивные химические среды, а также центрифуг, лабораторных насосов и специальных змеевиков.

Промышленность, связанная с общественным питанием, обязана титану возможностью производства сепараторов, частей для рефриджераторов, цистерн и разнообразных холодильных ёмкостей. В такой сложной области, как гальванотехника, работающей с электрическим током, титан входит в состав анодных корзин, гальванических ванн, трубопроводов, подвесок, теплообменников. В нефтегазовой промышленности описываемым сплавом пользуются для изготовления частей клапанов, фильтров, отстойников и других специальных резервуаров.

Титановые сплавы помогают человечеству в производственной деятельности, а также при изготовлении пищи, техники, ракет, кораблей, инструментов для медицины, уже долгое время. До сих пор изобретаются всё новые сплавы с уникальным сочетанием элементов и добавлением новых, которые обладают ещё неизвестными до этого свойствами, передающимися конечному титан-сплаву. В зависимости от содержания изначальных веществ, способа и условий изготовления титан приобретает различные свойства и соответствующим образом маркируется.

Рейтинг: /5 —
голосов

Ассортимент титана ВТ1-00

Компания МетПромСтар предлагает купить слитки, плоский и сортовой прокат из технического титана марки ВТ1-00. Реализуемая продукция обладает высоким качеством, о чем свидетельствуют сертификаты от производителей. Наши менеджеры помогут выбрать нужные изделия и оформить заказ, проведут все необходимые консультации. Мы гарантируем своим покупателям комфортный сервис полного цикла, удобные формы оплаты, низкие цены и гибкую систему скидок. Доставка металлопроката собственным автотранспортом по Москве и области, а также по всей России с помощью ведущих транспортных компаний.

Проволока титановая ВТ1-00Диаметр 1-6 мм, обычная и сварочная, цена от 4 500 руб./кг
Слиток титановый ВТ1-00Поковки, цена — уточняйте
Фольга титановая ВТ1-00Толщина 0,15-0,35 мм, ширина 100-200 мм, цена от 9 500 руб./кг

Типоразмеры и стоимость товара марки ВТ1-000 постоянно обновляются, поэтому обращайтесь к нашим менеджерам, чтобы быстро и правильно оформить свой заказ.

Общая характеристика титана и его сплавов

Именно основные механические свойства титановых сплавов определяют их большое распространение

Если не уделять внимание химическому составу, то все титановые сплавы можно охарактеризовать следующим образом:

  1. Высокая коррозионная стойкость. Недостатком большинства металлов можно назвать то, что при воздействии высокой влажности на поверхности образуется коррозия, которая не только ухудшает внешний вид материала, но и снижает его основные эксплуатационные качества. Титан менее восприимчив к воздействию влажности, чем железо.
  2. Хладостойкость. Слишком низкая температура становится причиной того, что механические свойства титановых сплавов существенно снижаются. Часто можно встретить ситуацию, когда эксплуатация при отрицательных температурах становится причиной существенного повышения хрупкости. Титан довольно часто применяется при изготовлении космических кораблей.
  3. Титан и титановые сплавы имеют относительно низкую плотность, что существенно снижает вес. Легкие металлы получили широкое применение в самых различных отраслях промышленности, к примеру, в авиастроении, строительстве небоскребов и так далее.
  4. Высокая удельная прочность и низкая плотность – характеристики, которые довольно редко сочетаются. Однако именно за счет подобного сочетания титановые сплавы сегодня получили самое широкое распространение.
  5. Технологичность при обработке давлением определяет то, что сплав применяется часто в качестве заготовки при прессовании или другом виде обработки.
  6. Отсутствие реакции на воздействие магнитного поля также назовем причиной, по которой рассматриваемые сплавы получили широкое применение. Часто можно встретить ситуацию, когда проводится производство конструкций, при работе которых образуется магнитное поле. Применение титана позволяет исключить вероятность возникновения связи.

Эти основные преимущества титановых сплавов определили их достаточно большое распространение. Однако, как ранее было отмечено, многое зависит от конкретного химического состава. Примером можно назвать то, что твердость изменяется в зависимости от того, какие именно вещества применяются при легировании.

Элементы: Титан – самый прочный металл

Дата: 15.05.2019

Металл, который в итоге назвали «титан», открыли в конце 18 века независимо друг от друга Уильям Грегор (Англия) и Мартин Клапрот (Германия). Грегор новый элемент назвал «менакин», а Клапрот – «титан». Позже выяснилось, что в обоих случаях это был не чистый металл, а его диоксид — минерал рутил. В 1805 году французский учёный Луи Воклен обнаружил титан в минерале анатазе, доказав, что рутил и анатаз — полиморфные разновидности диоксида титана с одинаковой химической формулой ТіО2.

Анатаз (ТіО2), кристалл 2,7 х 2,1 х 2 см. Провинция Хордаланн (Норвегия).

Относительно чистый титан из-за сложности очистки был получен только в 1825 году шведским химиком Якобом Берцелиусом. Предложенное Клапротом название «титан» в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, позже и утвердилось за этим элементом. И лишь в 1925 году голландские учёные ван Аркель и де Бур получили титан высокой степени чистоты – 99,9 %. Хотя на самом деле чистый титан был впервые получен в 1875 г. русским ученым Д.К. Кирилловым. Результаты его опытов были опубликованы в статье «Исследования над титаном». Но работа малоизвестного российского химика осталась незамеченной.

Титановый кристаллический пруток высокой чистоты (99,99 %), масса 283 г.

После получения титана высокой степени чистоты выяснилось, что его свойства напрямую зависят от степени очистки от примесей. Чистый титан обладает значительной твердостью: в 12 раз тверже алюминия и в 4 раза твёрже железа и меди. В чистом виде титан (Ti) – серебристо-серый лёгкий металл № 22 в Таблице Менделеева с атомной массой 47,86. Он отличается самым большим отношением прочности к массе из всех элементов таблицы. Это значит, что пластина из титана будет весить на 50% меньше, чем из стали, при одинаковой прочности.

По распространённости в земной коре титан находится на 10-м месте, где его среднее содержание (кларк) составляет 5,7 кг/т. Известно более 100 титановых минералов, важнейшими из которых являются: рутил(анатаз) TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит (сфен) CaTiSiO5.

Ильменит (титанистый железняк, FeTiO3) – весьма распространённый минерал лунных горных пород. Эти данные были получены после изучения образцов пород, доставленных на Землю по программе «Аполлон» (НАСА) в 1969-72 годах.

Ильменит (FeTiO3), кристалл 10 см, Ильменские горы, Ю. Урал.

Анализ данных, полученных с лунных орбитальных станций последних лет, позволяет утверждать, что концентрации титана в отдельных областях Луны соизмеримы с концентрациями этого элемента на земных месторождениях. Так как титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- ,ракето — и кораблестроении, потребности промышленности в этом металле с каждым годом будут расти.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами этого элемента. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений, 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 %.

ВТ20

Применение: детали, длительно работающие при температуре до 500°; коррозионная стойкость хорошая; класс по структуре псевдо α.

Химический состав в % материала ВТ20:

ГОСТ 19807 – 91

FeCSiMoVNTiAlZrOHПримесей
до 0.25 до 0.1 до 0.15 0.5-2 0.8-2.5 до 0.05 85.15-91.4 5.5-7 1.5-2.5 до 0.15 до 0.015 прочих 0.3

Примечание: Ti – основа; процентное содержание Ti дано приблизительно.

Механические свойства при Т=20oС материала ВТ20:

СортаментРазмерНапр.σвσТδ5ΨKCUТермообр.
ммМПаМПа%%кДж/м2
Лист отожжен., ГОСТ 22178-76 930-980 6-12 Отжиг
Пруток, ГОСТ 26492-85 885 7-8 20 250-300 Отжиг
Пруток, повышенн. качество, ГОСТ 26492-85 885-1130 8-10 20-25 300-400 Отжиг
Плита, ГОСТ 23755-79 11-100 880-1130 5-6 10-12 300 Отжиг
Твердость ВТ20HB 10-1 = 255-341 МПа

Физические свойства материала ВТ20:

TE 10-5α 106λρCR 109
ГрадМПа1/ГрадВт/(м·град)кг/м3Дж/(кг·град)Ом·м
20 1.12 8 4450 1110
100 8.3 8.8
200 8.3 10.2 0.587
300 9 10.9 0.628
400 9.2 12.2 0.67
500 9.3 13.8 0.712
600 9.5 15.1

Механические свойства:

σв – Предел кратковременной прочности,

σТ – Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации),

δ5 – Относительное удлинение при разрыве,

Ψ – Относительное сужение,

KCU – Ударная вязкость, [кДж/м2]

HB – Твердость по Бринеллю,

Физические свойства:

T – Температура, при которой получены данные свойства,

E – Модуль упругости первого рода,

α – Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o – T), [1/Град]

λ – Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), [Вт/(м·град)]

ρ – Плотность материала, [кг/м3]

C – Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o – T), [Дж/(кг·град)]

R – Удельное электросопротивление,

Свариваемость:

без ограничений – сварка производится без подогрева и без последующей термообработки

ограниченно свариваемая – сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и последующей термообработке

трудносвариваемая – для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 град. при сварке, термообработка после сварки – отжиг

Технология литья из титана

Сложность технологии титанового литья обуславливается высокой температурой плавления и очень высокой химической активностью жидкого титана. Он пытается вступить в реакцию со всеми газами, содержащимися в воздухе. Поэтому литье титана традиционно проводили в атмосфере инертных газов. Для этого плавильные печи изолировали от атмосферы, нагнетая в них специальные газы и создавая избыточное давление.

Технология литья из титана

Впоследствии были разработаны вакуумные плавильни-литейные установки. Они объединяют в одном вакуумированном объеме, процессы расплавления металла, его литья и остывания отливки. Литье производится в графитовые формы. Наравне с этой технологией применяется и метод вакуумного литья по выплавляемым моделям. Используется также и технология оболочечного литья.

Современные методы литья позволяют получать прочные и однородные отливки, удовлетворяющие самым придирчивым конструктивным требованиям. Метод литья также обладает преимуществом перед механической обработкой на станках и сваркой лучшим коэффициентом использования металла. Многие производители стали шире применять литые детали вместо фрезерованных.

В художественном литье металл широкого применения не нашел из-за сложности производства. Широкую известность в мире искусства получила первая отлитая из титана статуя Юрия Гагарина в Москве.

Классификация

Многообразие подобных материалов требует четкого разделения по характерным особенностям. Классификация твердых сплавов производится по таким признакам:

  • составу химических элементов (наименованию, процентному содержанию);
  • по технологии производства;
  • области применения.

По присутствующим химическим элементам их делят на следующие категории:

  • вольфрамокобальтовые (маркировка ВК);
  • титановольфрамокобальтовые (ТК);
  • титанотанталовольфрамокобальтовые (ТТК).

По применяемым технологиям получения разделяют на: спекаемые, литые, порошкообразные. Спекаемые, состоят из карбидов.  Делятся на три группы:

  • однокарбидные (карбид вольфрама);
  • двухкарбидные (включающие карбиды двух металлов: титана и вольфрама);
  • трехкарбидные (сваренные из трех элементов).

По процентному содержанию каждого элемента их делят на следующие группы.

К первой относятся материалы, состоящие из карбида вольфрама и кобальт. Они имеют обозначения ВК. К этой многочисленной группе относятся сплав: ВК4, ВК3М, ВК6М. очень популярным является твердый сплав ВК8 и ВК3. Расшифровывается ВК3 так же, как и все вольфрамовые сплавы.

Вторая объединяет титановольфрамовые сплавы. Имеет аббревиатуру ТК. К ней относятся: Т5К10, Т14К8.

Третья включает все титанотанталовольфрамовые сплавы. Обозначают ТТК. Например, ТТ7К12 и другие.

Четвертая, объединяет материалы, у которых имеется износостойкое покрытие. Они обозначаются аббревиатурой ВП. В нее входят: ВП3115, ВП3325. В основу каждого из них заложена основа известного сплава. Например, у ВПЗ115 основа – ВК6.

Вольфрамосодержащие твердые сплавы

Их маркируют следующим образом — ВК6, ВКЗМ, ВК6М, ВК8. Основной областью применения является изготовление режущего инструмента. Сплав ВК8 применяется для изготовления резцов.

Комплект наконечников ВК6

Он позволяет обрабатывать чугун. Используют для производства инструмента, способного осуществлять так называемую безстружковую обработку материалов.

Титановольфрамосодержащие твердые сплавы

Из марок Т5К10, Т14К8, Т15К6 изготавливают инструмент для высокоскоростной обработки различных видов стали. С их помощью обрабатывают металлы, различные соединения с повышенными показателями твердости и теплостойкости.

Примечания

  1. Arnold F., Holleman. Lehrbuch der Anorganischen Chemie / Wiberg, Egon; Wiberg, Nils. — 91—100. — Берлин: Walter de Gruyter, 1985. — С. 1056—1057. — ISBN 3110075113.
  2. ↑  (англ.). Los Alamos National Laboratory (Last Updated: 12/15/2003). Дата обращения 21 октября 2010.
  3. Barksdale, Jelks. Titanium // The Encyclopedia of the Chemical Elements. — Illinois: Reinhold Book Corporation, 1968. — С. 732—738.
  4. Weeks, Mary Elvira. Some Eighteenth-Century Metals (англ.) // Журнал Chemical Education : статья. — 1932. — P. 1231–1243.
  5.  (англ.) (недоступная ссылка). WebElements.com. Дата обращения 21 октября 2010.
  6.  (англ.) (PDF) (недоступная ссылка). Alkane Resources Limited (June 2007). Дата обращения 21 октября 2010.
  7.  (англ.) (PDF) 192–193. US Geological Survey (January 2008). Дата обращения 21 октября 2010.
  8.  (англ.) (PDF). US Geological Survey (May 2009). Дата обращения 21 октября 2010.
  9. Gambogi, Joseph  (англ.). US Geological Survey (January 2009). Дата обращения 21 октября 2010.
  10. Emsley, John. Titanium // Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. — Oxford, England, UK: Oxford University Press, 2001. — С. 457–456. — ISBN 0198503407.
  11. Hedrick, James B.  (англ.) (PDF). United States Geological Survey. Дата обращения 21 октября 2010.
  12. Hebda, John  (англ.) (PDF) (недоступная ссылка). CBMM (2001). Дата обращения 21 октября 2010.
  13.  (англ.). International Labour Organization (October 2004). Дата обращения 21 октября 2010.
  14.  (англ.). National Institute for Occupational Health and Safety (2007). Дата обращения 21 октября 2010.
  15.  (англ.) (недоступная ссылка). U.S. Department of Labor. Дата обращения 21 октября 2010.
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации