Wabashpress.ru

Техника Гидропрессы
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Материаловедение: конспект лекций

Материаловедение: конспект лекций.

Титан – металл серебристо—белого цвета. Это один из наиболее распространенных в природе элементов. Среди других элементов по распространенности в земной коре (0,61 %) он занимает десятое место. Титан легок (плотность его 4,5 г/см 3 ), тугоплавок (температура плавления 1665 °С), весьма прочен и пластичен. На поверхности его образуется стойкая окисная пленка, за счет которой он хорошо сопротивляется коррозии в пресной и морской воде, а также в некоторых кислотах. При температурах до 882 °С он имеет гексагональную плотно упакованную решетку, при более высоких температурах – объемно—центрированный куб. Механические свойства листового титана зависят от химического состава и способа термической обработки. Предел прочности его – 300—1200 МПа (30—120 КГС/мм 2 ), относительное удлинение – 4—10 %. Вредными примесями титана являются азот, углерод, кислород и водород. Они снижают его пластичность и свариваемость, повышают твердость и прочность, ухудшают сопротивление коррозии.

При температуре свыше 500 °С титан и его сплавы легко окисляются, поглощая водород, который вызывает охрупчи—вание (водородная хрупкость). При нагревании выше 800 °С титан энергично поглощает кислород, азот и водород, эта его способность используется в металлургии для раскисления стали. Он служит легирующим элементом для других цветных металлов и для стали.

Благодаря своим замечательным свойствам титан и его сплавы нашли широкое применение в авиа-, ракето—и судостроении. Из титана и его сплавов изготовляют полуфабрикаты: листы, трубы, прутки и проволоку. Основными промышленными материалами для получения титана являются ильменит, рутил, перовскит и сфен (титанит). Технология получения титана сложна, трудоемка и длительна: сначала вырабатывают титановую губку, а затем путем переплавки в вакуумных печах из нее производят ковкий титан.

Губчатый титан, получаемый магнийтермическим способом, служит исходным материалом для производства титановых сплавов и других целей. В зависимости от химического состава и механических свойств стандартом установлены следующие марки губчатого титана: ТГ–90, ТГ–100, ТГ–110, ТГ–120, ТГ–130. В обозначении марок буквы «ТГ» означают – титан губчатый, «Тв» – твердый, цифры означают твердость по Бринеллю. В губчатый титан входят примеси: железо – до 0,2 %, кремний – до 0,04 %, никель – до 0,05 %, углерод – до 0,05 %, хлор – до 0,12 %, азот – до 0,04 %, кислород – до 0,1 %. Для изготовления различных полуфабрикатов (листы, трубы, прутки, проволока) предназначены титан и титановые сплавы, обрабатываемые давлением. В зависимости от химического состава стандарт предусматривает следующие их марки: ВТ1–00, ВТ1–0, ОТЧ–0, ОТЧ–1, ОТЧ, ВТ5, ВТ5–1, ВТ6, ВТ20, ВТ22, ПТ–7М, ПТ–7В, ПТ–1 м. Основные компоненты: алюминий – 0,2–0,7 %, марганец – 0,2–2 %, молибден – 0,5–5,5 %, ванадий – 0,8–5,5 %, цирконий – 0,8–3 %, хром – 0,5–2,3 %, олово – 2–3 %, кремний – 0,15—0,40 %, железо – 0,2–1,5 %. Железо, кремний и цирконий в зависимости от марки сплава могут быть основными компонентами или примесями.

Титан — общая характеристика и свойства химического элемента

Явление нового элемента связано с именами Грегора и Клапрота. Оба выделили его практически одновременно 1791 и 1795 гг. соответственно.

Мартин Генрих Клапрот

В 1805 г. был выделен вновь Вокленом из анатаза. При этом чистый титан был получен в Голландии более чем через век после выделения.

Происхождение названия

Свое наименование получил вследствие сравнения с титанами в древнегреческой мифологии М. Клапротом. При этом исследователь не был знаком в полной мере со свойствами элемента, на тот момент они практически не известны.

Читайте так же:
Фотореле iek фр 601 схема подключения

При этом представители французской школы пытались найти название, соответствующее характеристикам металла. Однако Мартин остановился на мифологии (как было ранее с ураном).

Нахождение в природе

В природе титан представлен в виде соединений с кислородом. Чистые формы не встречаются.

Под влиянием метеорологических условий по строению приближается к корунду (соединению алюминия с кислородом). Его обнаруживают в морской глине, в алюминиевых рудах с железом и кремнием.

Титан представлен в минералах: титанит, титаномагнетит, рутил. Известны австралийские, бразильские, канадские месторождения последнего. Минерал представлен в виде букрита и анатаза.

Широко встречаемым минералом служит титанат железа (ильменит). Крупные месторождения представлены в России, Северной Америке.

Крупные месторождения

Лидирующее место занимает Китай, далее следует Российская Федерация, Северная Америка (Канада). Самое крупное месторождение, где добывают титан в РФ, расположено на территории республики Коми и называется Ярегское нефтяное месторождение.


В десятку стран лидеров по добыче титана входят:

Мировые запасы и производство титана

Представленные в Канаде около 1/5 мировой добычи приходится на ильменитовые руды. В Китае 1/10 часть выпуска обеспечивается месторождением Лак-Тико.

РФ производит меньше 1% титанового концентрата. Однако месторождение в Коми признано вторым по масштабу после Китая. Также лопаритовые руды экспортируются преимущественно Россией (Ловозерск). Последние используют в производстве редкоземельных металлов (в том числе титана).

Получение титана

Источник металла – диоксид титана. Его образование происходит в процессе переработки ильменита. В результате образуется титановый шлак, который подвергается дальнейшей переработке. К концентрату добавляют серную кислоту, на выходе образуется двуокись титана.

Другой способ заключается в соединении с углеродом (кокс), хлором и дальнейшим нагреванием в присутствии магния.

Также применяют восстановление кальцием диоксида титана. Последний процесс заключается в проведении электрического тока, что ведет к разложению оксида кальция (кислород на аноде и собственно кальций).

Кислород выступает в роли окислителя, кальций, будучи металлом, переходит к катоду, попутно восстанавливая титан. Процесс происходит несколько раз. Исходом реакции служит титановая губка, требующая очищения.

Физические свойства

Элемент расположен в четвертой группе в системе Д. И. Менделеева, под номером 22. В соединении атом обладает валентностью (II). Электронная конфигурация представлена формулой: [Ar] 3d24s2.

Вес атома (масса) около 47,9 а.е.м. Переход альфа титана в бета титан происходит при температуре 8830С. Теплота плавления 18,8 кДж/моль. Подвергается кипению при 31800С. Обладает теплопроводностью, составляющей 22,09 Вт/(м*К).

Титан обладает высокой ковкостью, пластичностью, низкой твердостью. Однако сплавы, содержащие титан, относятся к высокотвердым, но хрупким соединениям.

Серебристое вещество, по строению относится к металлам, имеет голубоватый оттенок. Обладает низкой плотностью. Высокая температура плавления (16700С).

В соединениях Ti способен проявить степень окисления (+2) (Ti+2H2, Ti+2O, Ti+2(OH)2, Ti+2F2, Ti+2Cl2, Ti+2Br2), (+3) (Ti+32O3, Ti+3(OH)3, Ti+3F3, Ti+3Cl3, Ti+32S3) и (+4) (Ti+4F4, Ti+4H4, Ti+4Cl4, Ti+4Br4).

Химические свойства

Устойчив к коррозии, по свойствам приближается хромоникелевой стали. Последнее обусловлено пленкой, образуемой на его поверхности. Воздух не меняет механических свойств.

При нагревании свыше 6000С металл становится хрупким, усиливается поглощение кислорода. При нагревании более 9100С взаимодействует с газообразными соединениями углерода, реабсорбирует азот.

При присоединении водорода, титан приобретает «водородную хрупкость». Данный эффект проявляется повышенной ломкостью при перепадах напряжения. Устойчив в кислотах.

Читайте так же:
Шлакоблоки своими руками оборудование

Использование титана и его сплавов

Выделяют несколько технических сплавов с разной маркировкой ВТ1-00; ВТ1-0. В состав обоих входят:

Титан, магний и их сплавы

Получение титана. Титан – серебристо-белый металл с высокой механической прочностью и высокой коррозионной и химической стойкостью. Для производства титана используют рутил, ильменит, титанит и другие руды, содержащие 10-40% двуокиси титана ТiO2. После обогащения концентрат титановых руд содержит до 65% ТiO2. ТiO2 и сопутствующие окислы железа разделяют восстановительной плавкой. В процессе плавки окислы железа и титана восстанавливаются, в результате чего получают чугун и титановый шлак, в котором содержится до 80-90% ТiO2. Титановый шлак хлорируют, в результате чего титан соединяется с хлором в четыреххлористый титан TiCl4. Затем четыреххлористый титан нагревают в замкнутой реторте при температуре 950-1000°С в среде инертного газа (аргон) вместе с твердым магнием. Магний отнимает хлор, превращаясь в жидкий MgCl2, а твердые частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу, образуя титановую губку. Путем сложных процессов рафинирования и переплава из титановой губки получают чистый титан. Технически чистый титан (ГОСТ 19807-74) содержит 99,2-99,65% титана.

Свойства и применение титана. Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных конструкционных сталей. По коррозионной стойкости титан превосходит даже высоколегированные нержавеющие стали.
Для получения сплавов титана с заданными механическими свойствами его легируют алюминием, молибденом, хромом и другими элементами. Главное преимущество титана и его сплавов заключается в сочетании высоких механических свойств (σв≥1500 МПа; δ=10-15%) и коррозионной стойкости с малой плотностью.

Алюминий повышает жаропрочность и механическую прочность титана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность титановых сплавов. Сплавы хорошо поддаются горячей и холодной обработке давлением, обработке резанием, имеют удовлетворительные литейные свойства, хорошо свариваются в среде инертных газов. Сплавы удовлетворительно работают при температурах до 350-500°С.

По технологическому назначению титановые сплавы делят на деформируемые и литейные, а по прочности – на три группы: низкой (σв=300-700 МПа), средней (σв=700-1000 МПа) и высокой (σв более 1000 МПа) прочности. К первой группе относят сплавы под маркой BT1, ко второй – ВТЗ, ВТ4, ВТ5 и др., к третьей – ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).

13. Механические свойства титановых сплавов

Таблица 13. Механические свойства титановых сплавов

Для литья применяют сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы. Литейные сплавы имеют более низкие механические свойства, чем соответствующие деформируемые. Титан и его сплавы, обработанные давлением, выпускают в виде прутков, листов и слитков. Титановые сплавы (табл. 13) применяют в авиационной и химической промышленности.

Получение магния. Магний – самый легкий из технических цветных металлов, его плотность 1,740 кг/м3, температура плавления 650°С. Технически чистый магний непрочный, малопластичный металл с низкой тепло- и электропроводностью. Для улучшения прочностных свойств в магний добавляют алюминий, кремний, марганец, торий, церий, цинк, цирконий и подвергают термообработке.
Для производства магния используют преимущественно карналлит (MgCl2∙КСl∙6Н2О), магнезит (MgCO3), доломит (CaCО3∙MgCО3) и отходы ряда производств, например титанового. Карналлит подвергают обогащению, в процессе которого отделяют КСl и нерастворимые примеси путем перевода в водный раствор MgCl2 и КCl. После получения в вакуум-кристаллизаторах искусственного карналлита, его обезвоживают и электролитическим путем получают из него магний, который затем подвергают рафинированию. Технически чистый магний (первичный) содержит 99,8-99,9% магния (ГОСТ 804-72). Маркировка и химический состав магниевых сплавов для фасонного литья и слитков, предназначенных для обработки давлением, приведены в ГОСТ 2581-78.

Читайте так же:
Назначение проводов и шнуров

Свойства и применение магния. В зависимости от способа получения изделий магниевые сплавы делят на литейные и деформируемые.

Литейные магниевые сплавы (ГОСТ 2856-68) применяют для изготовления деталей литьем. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например МЛ5. Отливки из магниевых сплавов иногда подвергают закалке с последующим старением. Некоторые сплавы МЛ применяют для изготовления высоконагруженных деталей в авиационной промышленности: картеры, корпуса приборов, фермы шасси и т. п.

Деформируемые магниевые сплавы (ГОСТ 14957-76) предназначены для изготовления полуфабрикатов (листов, прутков, профилей) обработкой давлением. Их маркируют буквами МА и цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например МА5. Сплавы МА применяют для изготовления различных деталей в авиационной промышленности. Ввиду низкой коррозионной стойкости магниевых сплавов изделия и детали из них подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.

Характеристика титановых сплавов: виды, сферы применения

Титановые сплавы Свойства титана и его сплавов Титан

Благодаря распространённости в природе добывать руду, содержащую титан, не сложно. Самые распространённые виды руды, в которых содержится этот металл — брукит, ильменит, анатаз и рутил. Однако дальнейшие способы обработки титана (плавка, закалка и старение) считаются дорогостоящими. Существует несколько этапов получения чистого металла из руды:

  1. В первую очередь добывается титановый шлак, с помощью разогревания ильменита до 1650 градусов.
  2. Далее шлак проходит процесс хлорирования.
  3. После этого с помощью печей сопротивления производится титановая губка.
  4. Для получения чистого металла заключительным этапом обработки является процесс рафинирования.

Если нужно получить слитки титана, губку на его основе переплавляют в вакуумной печи.

Магниетермический процесс

Магниетермическое восстановление — популярный метод получения металла. Проведение технологического процесса:

  1. Расплавляется оборотный магниевый конденсат.
  2. Сливается конденсат хлористого магния.
  3. При температуре 800 градусов, жидкий тетрахлорид титана с жидким магнием подаются в форму для застывания. Скорость подачи — 2,1–2,3 г/ч см2.

Постепенно температура снижается до 600 градусов.

Гидридно-кальциевый метод

Это промышленный метод восстановления металла. Процесс проведения работ:

  1. При температуре 500 градусов Цельсия металлический кальций насыщается водородом.
  2. Далее его смешивают с двуокисью титана. Компоненты нагревают в реторте, постепенно повышая температуру до 1100 градусов.
  3. Спекшиеся компоненты вымывают из реторты.
  4. Далее проводится обработка соляной кислотой.
  5. Титановый порошок сушат, запекают в индукционных печах при температуре около 1400 градусов.

На спекшуюся массу должно воздействовать давление 10в-3 мм.

Электролизный метод

Способ получения сплава, основанный на применении электрического тока. Напряжение воздействует на ТiO2, ТiСl4. До этого их растворяют с помощью расплавленных солей фторидов.

Йодидный метод

Способ получения металла после термической диссоциации TiJ4. Изначально его получают при реакции паров йода с металлическим титаном.

Чтобы получить сплав высокой чистоты, необходимо применять последний способ получения соединения. Три первых метода позволяют быстро получать технический титан.

Сплав ВТ5-1 Детали из титана марки ВТ3-1Л Сферы применения титана и его сплавов Применение титановых сплавов в авиационно-космической технике Аргонная сварка титана

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

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. Месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Китая, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии, Южной Кореи, Казахстана. В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58.5%) и Украина (40.2%).

Читайте так же:
Предел прочности металлов таблица

Достоинства и недостатки

Как и у любого другого металла, у титана есть сильные и слабые стороны. К преимуществам относятся:

  • малый вес;
  • коррозийная стойкость;
  • устойчивость к воздействию высоких температур;
  • высокая прочность — больше, чем у лучших образцов стали.
  1. Пыль и стружка, остающаяся после обработки титановых заготовок, может воспламенится при температуре в 400 градусов.
  2. Этот металл плохо сваривается и практически не поддаётся резке.
  3. Затратный способ получения металла из руды обуславливает его высокую стоимость.

Однако, несмотря на имеющиеся минусы, материал и его сплавы широко распространены в различных отраслях производства.

Малый вес

Малый вес

Конструкционные высокопрочные ТС

Предел прочности σв > 1000 МПа марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23М. Отличаются удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки. Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах.

Кроме того, сферы применения всегда будут требовать повышения их эксплуатационных свойств за счет новых термических и термомеханических обработок. Среди наиболее перспективных можно назвать ВТ23М. Он сочетает в себе высокую прочность, трещиностойкость как основного материала, так и сварных соединений. Во многом превосходит зарубежные аналоги по свойствам и стоимости за счет уменьшенного содержания молибдена и ванадия, исключения олова и циркония. Из него изготавливают все виды прокатных, кованых, прессованных полуфабрикатов, а также монолитные, сварные и паяные конструкции.

Характеристики и свойства

Характеристики титана напрямую зависят от количества примесей, содержащихся в его составе. Физические параметры:

  1. Удельная прочность — 450 МПа.
  2. Температура плавления титана — 1668 градусов.
  3. Температура кипения — 3227 градусов.
  4. Предел прочности у сплавов — 2000 Мпа.
  5. Упругость титана — 110,25 Гпа.
  6. Твердость металла — 103 НВ.
  7. Предел текучести — 380 Мпа.

Структура и свойства этого металла обуславливают его низкую электропроводность. В нормальных условиях титан обладает высоким показателем устойчивости к коррозийным процессам.

Металл

Металл

Физические свойства металла

Титан представляет собой серебристо-белый металл. Он тугоплавкий, немного тяжелее алюминия. Однако при чуть большем весе прочность титана в три раза больше. Поддаётся различным способам обработки. Устойчив к воздействию влаги и кислот. Основные свойства титана были описаны выше.

Химические свойства титана

В нормальных условиях на поверхности этого металла образуется оксидная плёнка, которая защищает его от разрушительного воздействия влаги и кислот. К химическим свойствам титана можно отнести его устойчивость к воздействию щелочей, растворам хлора. Имеет степень окисления +4. С кислородом начинает взаимодействовать при температуре в 600 градусов. Титановая стружка может самовоспламеняться при нагревании.

Читайте так же:
Ток отсечки автоматического выключателя это

Цена титана

Современные производители предлагают приобрести титан по цене от 1400 рублей за килограмм. Он продается в виде листов, проволоки и труб. Стоимость ювелирных изделий зависит от бренда и наличия камней. В рейтинге самых дорогих металлов для ювелирных украшений титану предназначено 8-е место, сразу после серебра. Его стоимость оценивается в 1700-1800 рублей за 1 грамм.

В титан добавляют и другие элементы. Чем чище марка (чем меньше примесей), тем выше цена. Ювелиры любят титан за сдержанную элегантность, поэтому чаще используют для изготовления украшений для мужчин.

Виды сплавов

Титановые сплавы можно разделить на три большие группы:

  1. Соединения на основе химических соединений. Представители этой группы имеют жаропрочную структуру и низкую плотность. Снижение плотности напрямую влияет на снижение веса материала. Такие сплавы используют при изготовлении деталей для автомобилей, каркасов для летательных аппаратов и корпусов для кораблей.
  2. Жаропрочные сплавы с низкой плотностью. Это аналог соединений с никелем, но с меньшей ценой. В зависимости от химического состава меняется устойчивость сплава титана к высоким температурам.
  3. Конструкционные — высокопрочные соединения, которые легко поддаются обработке благодаря высокому показателю пластичности. Из этих сплавов изготавливаются детали, которые устанавливаются в оборудовании, работающим с большими нагрузками.

При производстве титановых сплавов используется официальная маркировка, которая указывает на то, с какими металлами он соединён.

Нож из титанового сплава Применение титановых сплавов в медицине свойства титановых сплавов гост титановые сплавы

Маркировка

Кроме упомянутого общего разделения, сплавам из титана присваивается специальная маркировка, которая соответствует составу и параметрам конкретного титан-материала. Технические марки ВТ1-1, ВТ1-0, ВТ1-00 содержат титан от 99,3 до 99,9%:

Разновидность титанового сплава, называемая титановой губкой (ТГ), может производиться одной из следующих маркировок: ТГ-90, ТГ-110, ТГ-150, ТГ-120, ТГ-Тв, ТГ-130, ТГ-100.

Литейные титановые виды имеют маркировки ВТ20Л, ВТ21Л, ВТ14Л, ВТ9Л, ВТ6Л, ВТ1Л, ВТ3-1Л, ВТ5Л (ВТ — высокопрочный титан, Л — литейный).

сплав ВТ3-1

Свойства и применение титановых сплавов

Титановые сплавы лишены основных недостатков чистого металла. При добавлении сторонних материалов изменяются его характеристики. Ключевые свойства титановых сплавов:

  • устойчивость к коррозийным процессам;
  • малая плотность;
  • большая удельная прочность.

Также сплавы более устойчивы к воздействию высоких температур. Благодаря повышенной защите от воздействия кислот и щелочей сплавы на основе этого материала получили популярность в химической промышленности и медицине. Их используют в строительстве, изготовлении оборудования, машин, самолётов, ракет и кораблей.

Титан и соединения на его основе распространены в различных направлениях промышленности. Этот металл обладает уникальными характеристиками, которые выделяют его на фоне других материалов. Из-за сложностей получения чистого металла цена на него достаточно высока.

Особенности термообработки

Её целями являются:

  • снятие остаточных напряжений, возникающих во время изготовления (отжиг);
  • достижение оптимального сочетания пластичности, обрабатываемости и стабильности размеров, а также структурной стабильности (отжиг);
  • старение — для увеличения прочности.

Для оптимизации свойств и получения других технологических преимуществ — вязкость разрушения, усталостной прочности, сопротивление ползучести при высоких температурах, устойчивости от коррозии — используются комбинации из вышеприведенных процессов.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector