Сплав титана и железа

29.05.2019 VT-METALL Сплав титана и железа

Вопросы, рассмотренные в материале:

  • Каковы свойства титана
  • Что добавляют в титан для получения сплава
  • Каковы свойства сплавов титана
  • Где используют титан и его сплавы

Титановые сплавы обладают таким количеством преимуществ, что это выгодно отличает их от других соединений.

Высокая удельная прочность, устойчивость к повышенным температурам, стойкость к коррозии, податливость к сварке – эти и многие другие свойства титана и его сплавов сделали эти материалы особо ценными в сфере металлообработки. В нашей статье мы подробнее рассмотрим все свойства этого удивительного металла.

Характеристики титана

В таблице Менделеева Титан (Ti) можно найти под номером 22. Этот металл и его сплавы являются четырехвалентными. Кипение достигается при температуре +3330 °С, а плавление при +1168 °С.

Выделяют два вида титана, которые имеют идентичный химический состав при разном строении. Это обуславливает отличия в их свойствах. Низкотемпературная α-модификация сохраняет устойчивость только до температуры +882,5 °С, β-модификация может выдерживать большую температуру и сохраняет устойчивость до температуры плавления.

Сплав титана и железа

Титан и его сплавы парамагнитны. Удельное электросопротивление этого материала достаточно высоко 5.562*10-7–7.837*10-7 Ом/м. Он отличается низкой восприимчивостью температуры при нагревании. В случае снижения температуры до 0,45 К, титан становится проводником. Сталь и титан внешне очень похожи.

VT-metall предлагает услуги:

Порошковая покраска металла

Если сравнивать титан с алюминием или железом, то его плотность и удельная теплоемкость находятся где-то посередине. Зато он обладает высокой механической прочностью, превосходя в этом параметре алюминий в 6 раз, а чистое железо в 13 раз. Данный материал может быть представлен в любой форме: листами, плитами, трубами и прутками.

Механические и технические свойства титана и его сплавов, а также их химический состав определяются маркой материала. В его состав могут входить следующие элементы:

  • алюминий;
  • молибден;
  • ванадий;
  • марганец;
  • хром;
  • олово;
  • кремний;
  • цирконий;
  • железо.

Стандартно выделяются три категории титановых сплавов:

  1. Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы. Имеют очень твердый состав, благодаря которому достигается идеальный баланс пластичности и прочности.
  2. Жаропрочные титановые сплавы. Имеют твердый состав, включающий в себя определенное количество химического соединения, что несколько снижает пластичность, зато придает высокую жаропрочность.
  3. Титановые сплавы на основе химического соединения. Этот жаропрочный состав имеет малую плотность и может составить конкуренцию никелевым соединениям по жаропрочности при определенной температуре.

Сейчас Ti очень широко используют в конструкционной деятельности. Еще 200 лет назад его считали неподходящим для конструирования, но прошло время, и на данный момент это один из самых долговечных и надежных материалов с широким спектром других полезных свойств.

Сплав титана и железа

Рассмотрим подробнее самые популярные сплавы титана, их свойства и применение:

Технический титан. Полуфабрикаты технического Ti марок ВТ1-00 и ВТ1-0 поставляются в большом количестве металлургическими заводами. В состав этих марок входят примеси железа, азота, кремния, кислорода, углерода и пр.

При этом в разновидности ВТ1-0 примесей значительно больше, чем обуславливается его большая прочность и меньшая пластичность по сравнению со второй маркой.

Высокая пластичность этих марок позволяет изготавливать тончайшие изделия, включая фольгу.

Эти материалы не обладают высокой прочностью, поэтому для ее увеличения можно выполнить нагартовку. Правда, при этом снизится пластичность.

Нагартовка не является оптимальным методом улучшения свойств данного металла, поскольку пластичность снижается гораздо сильнее, чем повышается прочность. Еще одним недостатком технического Ti является водородная хрупкость.

Важно следить за тем, чтобы содержание водорода не превышало 0,008 % в титане ВТ1-00 и 0,01 % в ВТ1-0.

Для легирования сплава ВТ5 (ВТ5Л) использовали лишь алюминий, который является самым распространенным легирующим средством. Особые свойства алюминия привели его к лидирующим позициям среди всех лигирующих добавок:

  1. алюминий является природным материалом, который можно легко найти и стоит недорого;
  2. меньшая по сравнению с Ti плотность алюминия позволяет значительно повышать удельную прочность получаемого состава;
  3. чем больше в составе алюминия, тем более жаропрочное соединение получается, также увеличивается сопротивление ползучести соединения;
  4. включение в состав алюминия позволяет улучшить показатели модулей упругости;
  5. повышение объема алюминия в соединении снижает их водородную хрупкость.

По сравнению с техническим Ti, для марки ВТ5 характерны такие свойства, как большая прочность и жароустойчивость. Улучшение данных свойств приводит к снижению технологической пластичности Ti.

Соединение ВТ5 в горячем состоянии может быть подвергнуто штамповке, ковке и прокату, что позволяет производить профильную, прутковую и штамповочную продукцию.

Но основной сферой применения является фасонное литье (марка ВТ5Л), а не металл в деформированном состоянии.

Соединение ВТ5-1 включено в систему Ti-Al-Sn. Технологические свойства титана и его сплавов с алюминием улучшаются за счет олова. Это приводит к снижению окислительных процессов и увеличению сопротивления ползучести.

Прочностные свойства этого сплава титана позволяют отнести его к соединениям средней прочности. При этом ВТ5-1 не поддается надрезам, предел его выносливости с достаточным запасом, уровень жаропрочности достигает +450 °С.

Сплав титана и железа

С технологической точки зрения ВТ5-1 более предпочтителен (по сравнению с ВТ5). Основная сфера применения: поковки, листы, профили, плиты, штамповки, трубы, проволока и другие виды полуфабрикатов, производимых под давлением.

Соединение образуется путем сваривания. При этом основной материал и сварное соединение обладают одинаковой прочностью. Воздействие высокой температурой не повышает прочности ВТ5-1.

Если необходимо работать при криогенных температурах, то надо контролировать содержание примесей в материале, поскольку превышение допустимого порога может приводить к повышению хладноломкости. Маркировка ВТ5-1кт обозначает состав с пониженным содержанием примесей.

В европейских странах соединение Ti-5A1-2,5Sn используют двумя способами: по стандартному назначению и для работы при криогенных температурах. Состав для криогенной работы маркируют Ti-5AI-2,5Sn ELI и также для поддержания его свойств следят за уровнем примесей.

Высокотехнологичное соединение с малой прочностью маркируют ОТ4-0. Под давлением в результате горячей обработки марганец способен повысить технологичность состава. Это сплав титана псевдо-α-класса с небольшим количеством β-фазы.

Не подлежит термическому упрочнению. Сфера применения: поковки, листы, прутки, ленты, штамповки и полосы. Легко принимает нужную форму при холодной и горячей обработке. Допускается даже штамповка в условиях комнатной температуры.

Свойства материала прекрасно подходят для сварочных работ.

Среди наиболее технологичных можно выделить сплав титана ОТ4-1. Обладает следующими свойствами: малопрочный, малолегированный псевдо-α-класса системы Ti-Al-Mn, прекрасно деформируется. Можно менять форму этого титанового сплава как в горячем, так и в холодном состоянии. Сфера применения: поковки, листы, профили, плиты, ленты, прутки, полосы и трубы.

На холодную в основном выполняется листовая штамповка, не требующая сложной формы. Если необходимо изготовить более сложную по форме деталь, то желательно подогреть материал до +500 °С. Свойства ОТ4-1 позволяют использовать его для выполнения сварочных работ любым способом. При этом основной металл и сварное соединение будут обладать одинаковой прочностью и пластичностью.

Для полного отжига необходима температура +640…+690 °С (подходит для изготовления листовых полуфабрикатов и их производных) и +740…+790 °С (для изготовления поковок, прутков, штамповки и пр.).

Для неполного отжига достаточно температуры +520…+560 °С. Среди свойств, которые понижают ценность данного сплава, можно выделить невысокую прочность и излишнюю водородную хрупкость (для поддержания оптимальных свойств металла необходимо содержание водорода не более 0,005 %).

Сплав титана и железа

Сферы применения титана и его сплавов

Свойства титана и его сплавов нашли широкое применение в ракетной, авиационной и судостроительной отраслях. Титан и ферротитан являются лигирующими добавками к стали. Кроме этого, они могут выступать в качестве раскислителя.

Широкое распространение технический титан получил при изготовлении изделий, подвергающихся агрессивному воздействию среды (например, трубопроводы, клапаны, химические реакторы, арматура и пр.). Даже в электровакуумных приборах, работа которых тесно связана с высокой температурой, сетки и некоторые другие детали изготовлены из этого устойчивого материала.

Среди конструкционных материалов титан занимает четвертое место (после железа, алюминия и магния).

Важным свойством титанового сплава с алюминием является высокая стойкость к окислению и повышению температуры, что особенно актуально для авиационной и автомобильной промышленности.

Пищевая промышленность и восстановительная хирургия по достоинству оценили такое свойство этого материала, как биологическая безопасность для здоровья человека.

Разнообразие свойств титана и его сплавов довольно широко: высокая механическая прочность, устойчивость к повышению температуры, удельная прочность, стойкость к коррозии, низкая плотность и многие другие.

Несмотря на высокую стоимость этого металла, затраты могут быть компенсированы более длительным сроком эксплуатации. А в некоторых ситуациях только этот материал способен выдержать работу в конкретных условиях.

Для авиастроения большое значение имеет такое свойство, как легкость материала в сочетании с высокой прочностью. Возможность использовать легкий Ti для работы в среде, где преобладают высокие температуры, выгодно отличает его от алюминия.

Эти свойства титана и его сплавов позволяют использовать их при изготовлении обшивки самолетов, деталей шасси и крепления, и даже для конструирования реактивных двигателей. При этом масса изделия снижается на 10–25 %.

Элементы воздухозаборников, лопатки и диски компрессоров, крепеж и многие другие детали производятся именно из титановых сплавов.

Ракетостроение также не обходится без данного материала, поскольку здесь необходимо решать сразу несколько проблем, возникающих из-за слишком малого срока работы двигателей при быстром прохождении плотных слоев атмосферы. Такие проблемы, как статическая выносливость, ползучесть и усталостная прочность, можно преодолеть за счет использования титана.

Свойства технического титана не соответствует в полной мере запросам авиационной отрасли, поскольку он не обладает достаточной тепловой прочностью. Зато его свойство сопротивляться коррозии нашло свое применение в судостроительной и химической промышленности. Здесь с его помощью изготавливают насосы для перекачки кислоты или соли, компрессоры, трубопроводы и запорную арматуру.

Емкости и фильтры из этого материала не поддаются негативному влиянию серной и соляной кислоты, а также растворам хлора. Помимо этого, Ti входит в состав материала для изготовления теплообменников, работающих в агрессивной среде (к примеру, в азотной кислоте).

Читайте также:  Как правильно припаять контакты

В области судостроения его можно встретить в обшивке подводных лодок и других кораблей, в материале торпед и гребных винтов. Удивительные свойства титана и его сплавов способствуют тому, что ракушки просто не налипают на такие детали.

Вследствие этого снижается сопротивление судна во время движения.

Повсеместное использование соединений этого металла могло бы приобрести колоссальные темпы, если бы не его высокая стоимость и малая распространенность.

В промышленности соединения титана используются с разными целями в зависимости от их свойств. Так, высокая твердость карбида позволяет изготавливать из него режущие инструменты и абразивы. В производстве бумаги и пластика нашел свое применение белый диоксид. Кроме этого, с помощью него изготавливаются титановые белила.

В лакокрасочной и химической промышленности титаноорганические соединения используются как отвердитель и катализатор.

Также в качестве добавки Ti применяют в химической, стекловолоконной и электронной промышленности, где идут в дело его неорганические соединения.

Из нитрида титана изготавливают специальное покрытие для инструментов, а для обработки металлов чаще используют диборид как компонент, придающий твердость.

Сплав титана и железа

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

  • цветные металлы;
  • чугун;
  • нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Сплавы титана

Сплав титана и железа

Металлы в чистом виде используются человеком очень редко. Всё из-за того, что если к металлу (нас, конечно, интересует титан) добавить определённое количество другого химического вещества, то получится сплав. В зависимости от того, какое вещество добавить, изменяются его свойства, устойчивость к различным воздействиям: высоким и низким температурам, давлению, влиянию разных кислот и других агрессивных веществ.

Сплавы титана ценны для человека, наверное, даже больше, чем сам титан. Учёных так поразил этот удивительный металл, что они не жалели времени на изучение его свойств. В том числе смешивали его с другими веществами.

С чем смешивали? Конечно же, с такими привычными металлами, как железо (Fe) и алюминий (Al), медь (Cu) и никель (Ni).

А ещё сплавляли с марганцем (Mn) и оловом (Sn), хромом (Cr) и кремнием (Si), ванадием (V) и молибденом (Mo), цирконием (Zr) и гафнием (Hf), вольфрамом (W) и иридием (Ir), золотом (Au) и платиной (Pt), ниобием (Nb), палладием (Pd), танталом (Та) и даже бором (В).

Наверное, проще в таблицу Менделеева заглянуть, её почти всю перепробовали. Работа была проведена колоссальная. Да она и не закончена: каждый год появляются новые усовершенствованные сплавы, дающие человеку возможность создавать новые аппараты и механизмы, работающие в самых непредсказуемых условиях.

Почти все промышленные титановые сплавы, используемые человеком, содержат алюминий. Такие сплавы выдерживают более высокие температуры, не теряя при этом своей прочности, и, что немаловажно, они значительно дешевле чистого титана.

Не все вещества полезны: титан с примесями водорода становится хрупким, особенно при высоких температурах. Алюминий частично нейтрализует это вредное качество титана и его сплавов. Кроме того, алюминий улучшает механические свойства сплава – пластичность и упругость (металл, конечно, не пластилин, но такими свойствами тоже обладает). И без того практически не поддающийся коррозии титан (не ржавеет) в сплаве с алюминием становится ещё более стойким к этому явлению.

С той же целью – увеличение коррозионной стойкости – в сплавы титана вводят цирконий, рений, тантал, ниобий и палладий. Это крайне полезное свойство даёт возможность использовать сплав в самых агрессивных средах. В кипящих кислотах, например. Там, где даже золото растворяется.

Сплав титана с никелем обладает удивительным свойством — «памятью прежней формы». Очень полезное свойство. Изделия из такого материала можно изогнуть, скрутить, смять, чтобы оно занимало как можно меньше места, и в таком виде отправить куда-нибудь.

Хотя бы в космос. На месте изделие нагревается до нужной температуры и начинает разгибаться, расправляться, раскручиваться – приобретает первоначальную форму.

Это не фантастика, так в сравнительно небольших контейнерах доставляют на орбиту огромные космические антенны.

Медь в небольших количествах добавляют к титану и титановым сплавам, повышая их стабильность в процессе эксплуатации. Наличие меди увеличивает жаропрочность сплава. Деталь из такого металла дольше сохраняет свою форму при высоких температурах.

Чтобы повысить жаропрочность сплава и при этом сохранить высокую пластичность, в него добавляют хром и молибден. Но добавлять их нужно обязательно вместе: титан-хромовые сплавы хрупки при высоких температурах.

А молибден может работать и отдельно – его сплав с титаном превосходит чистый титан по стойкости против коррозии в кипящих кислотах аж в 1000 раз! Жаль, что этот металл, в отличие от титана, очень редко встречается в природе.

Надо и про железо сказать. Такие сплавы есть, они сильно различаются по количеству в них титана и железа. Ведь железо намного дешевле. В ферротитане бывает и так, что уже титан становится добавкой, улучшая свойства стали.

Подробнее об истории открытия титана и его свойствах – в книге «Титан для «чайников».

Сплав титана и железа

Маркировка на сварных трубах

Сплав титана и железа

Промплощадка АВИСМА

Особенности титана и его сплавов

На сегодняшний день титан занимает 4-е место по использованию в промышленности. Однако его активная добыча и производство начинается только с 40-х годов 20 века. Титан и его сплавы обладают уникальными характеристиками и требуют более внимательного рассмотрения при металлообработке.

Сплав титана и железаТитан

Основные сведения

Титан — металл серебристого цвета, который входит в 4 группу 4 периода в периодической таблице. По официальным сведениям он занимает 10 место по распространению в природе.

Изначально металл применялся в народном хозяйстве, но после выявления его сверхпрочности при малом удельном весе, титан и его сплавы начали использовать при строении самолётов, кораблей, ракет и машин.

История открытия

Впервые оксид титана был обнаружен в 1791 году. Сделал это открытие У. Грегор (англичанин). Он взял пробу железистого песка на пляже Корнуолла и проводил над ним исследования.

В результате экспериментов учёный выделил оксид неизвестного металла, которому так и не дал название. Назвал этот элемент титаном другой учёный — Мартин Генрих Клапрот (немец).

В 1825 году другой исследователь Йёнс Якоб Берцелиус смог выделить образец этого металла из оксида.

Производство и изготовление

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.
Читайте также:  Станина токарного станка по дереву своими руками

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.

https://www.youtube.com/watch?v=-wVfhEdWaDk\u0026t=455s

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

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.

Недостатки:

  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.

Сплав титана и железаМалый вес

Продукция из титана

В строительных магазинах можно найти разнообразные товары, изготовленные из этого металла. Из него производят проволоку, ленту и фольгу, прутья, трубы. Также можно приобрести титан в цельных листах.

Область применения

Благодаря преимуществам, которым обладает титан, его используют в различных отраслях промышленности:

  • военно-морское дело;
  • строительство;
  • медицина;
  • машиностроение;
  • судостроение и самолётостроение;
  • химической промышленности.

Особенности применения этого металла делают его популярнее с каждым годом. Его активно используют в народном хозяйстве.

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.

Сплав титана и железаМеталл

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.

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.

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.

????Всё, что необходимо знать о металле ТИТАН (Ti)… — Toyota Altezza, 2.0 л., 2000 года на DRIVE2

Сплав титана и железа

-Титан обладает высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью и при этом имеет сравнительно небольшую массу, что делает его применение незаменимым в областях, где важны хорошие механические свойства изделий одновременно с их массой. На странице представлено описание данного металла: физические, химические свойства, области применения, марки и его сплавов, виды продукции.

Основные сведения:-Титан — химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см3, Tпл=1668+(-)5 °С, Tкип=3260 °С. Данный материал сочетает легкость, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

История открытия:-Оксид титана TiO2 впервые был обнаружен в 1789 году английским ученым, специалистом в области минералогии У. Грегором, который при исследовании магнитного железистого песка выделил окись неизвестного металла, назвав ее менакеновой. Первый образец металлического титана получил в 1825 году шведский химик и минераловед Й. Я. Берцелиус.

Свойства титана:-В периодической системе элементов Д. И. Менделеева Ti расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам.

Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4 °С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения почти в два раза больше, чем у железа. Известны две аллотропические модификации титана (две разновидности данного металла, имеющие одинаковый химический состав, но различное строение и свойства).

Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 °С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С и до температуры плавления. По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом.

Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но указанный материал может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза — железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает. Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию.

Модули упругости характеризуют способность материала упруго деформироваться при приложении к нему силы. Анизотропия заключается в различии свойств упругости в зависимости от направления действия силы. С повышением температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости Ti — существенный его недостаток, т.к.

в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности. Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8 до 80·10-6 Ом·см.

При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником. Титан — парамагнитный металл. Обычно у парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании уменьшается. Магнитная восприимчивость характеризует связь между намагниченностью вещества и магнитным полем в этом веществе. Данный материал составляет исключение из этого правила — его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Физические и механические свойства:

Химические свойства:

Марки титана и сплавов:-Наиболее распространенными марками титана являются ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-00св. Титан указанных марок называется техническим. Данные марки не содержат в своем составе легирующие элементы, только незначительное количество примесей.

Содержание Ti в марке ВТ1-0 составляет приблизительно 99,24-99,7%, в ВТ1-00 — 99,58-99,9%, ВТ1-00св — 99,39-99,9%. ВТ1-0, ВТ1-00 поставляется в виде листов, плит, прутков и труб. Проволока чаще всего используется для различных сварочных целей и производится из марки ВТ1-00св.

В настоящее время известно довольно большое число серийных титановых сплавов, отличающихся по химическому составу, механическим и технологическим свойствам. Наиболее распространенные легирующие элементы в таких материалах: алюминий, ванадий, молибден, марганец, хром, кремний, олово, цирконий, железо. Титановый сплав ВТ5 содержит 5% алюминия.

Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается. Из марки ВТ5 получают титановые прутки (круги), проволоку и трубы, а также листы. Его применяют при изготовлении деталей, работающих при температуре до 400 °С.

Сплав титана ВТ5-1 помимо 5% алюминия содержит 2-3% олова. Олово улучшает его технологические свойства. Из марки ВТ5-1 изготавливают все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением: титановые плиты, а также листы, поковки, штамповки, профили, трубы и проволоку.

Он предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных (отрицательных) до + 450 °С. Титановые сплавы ОТ4 и ОТ4-1 в качестве легирующих элементов содержат алюминий и марганец. Они обладают высокой технологической пластичностью (хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии) и хорошо свариваются всеми видами сварки.

Читайте также:  Схема перфоратора интерскол п 30 900эр

Указанный материал идет, в основном, на изготовление титановых плит и листов, лент и полос, а также прутков и кругов, поковок, профилей и труб. Из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 изготовляют с применением сварки, штамповки и гибки детали, работающие до температуры 350 °С.

Данные материалы имеют недостатки: 1) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; 2) большая склонность к водородной хрупкости. В сплаве ПТ3В марганец заменяется на ванадий. Титановый сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный листовой материал по сравнению с ВТ5-1.

Упрочнение марки ВТ20 обусловлено ее легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия, однако, он отличается высокой жаропрочностью. Данный материал хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла.

Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 500 °С. Титановый сплав ВТ3-1 относится к системе Ti — Al — Cr — Mo — Fe — Si. Он обычно подвергается изотермическому отжигу. Такой отжиг обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. Марка ВТ3-1 относится к числу наиболее освоенных в производстве сплавов. Он предназначен для длительной работы при 400 — 450 °С; это жаропрочный материал с довольно высокой длительной прочностью. Из него поставляют прутки (титановые круги), профили, плиты, поковки, штамповки.

  • Достоинства / недостатки:— Достоинства:-малая плотность (4500 кг/м3) способствует уменьшению массы выпускаемых изделий;
  • -высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые -сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;
  • — Недостатки:
  • -большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.

-необычайно высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью Ti образовывать на поверхности -тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO2, прочно связанные с массой металла;-удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.-высокая стоимость производства, Ti значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;-активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, -составляющими атмосферу, в результате чего Ti и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;-трудности вовлечения в производство титановых отходов;-плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием Ti на многие материалы; титан в паре с титаном вообще не может работать на трение;-высокая склонность Ti и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;-плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса;

Области применения:-Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Его, а также ферротитан используют как легирующую добавку к качественным сталям и как раскислитель.

Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

По использованию в качестве конструкционного материала Ti находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.

Биологическая безвредность данного металла делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии. Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств.

Высокая стоимость данного металла и материалов на его основе во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным сырьем, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Ti легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из материалов на основе Ti изготавливают обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты.

Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборников и направляющих в двигателях, различный крепеж. Еще одной областью применения является ракетостроение.

Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой тепловой прочности не пригоден для применения в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении.

Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п.

Только Ti обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Также из него делают теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей).

В судостроении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На данный материал не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и недостаточной распространенностью данного металла. Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид (TiC) обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения Ti применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид (TiB2)- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид (TiN) применяется для покрытия инструментов.

-Удачной Вам эксплуатации и спасибо за внимание! Надеюсь, что помог Вам!-С уважением DrPavlov.

Удивительные свойства сплавов титана

  • Рубрика: Материалы и технологии
  • Николай Макаренко
  • 5970

Минимальные добавки других веществ кардинальным образом меняют характеристики титана. В целом насчитывается более 50 элементов, дающих с титаном твердые растворы, на основе которых можно производить титановые сплавы и их соединения.

Сплавы титана с алюминием

Они наиболее важны в техническом и промышленном отношении. Внедрение алюминия в технический титан даже в небольших количествах (до 13 %) позволяет резко повышать жаропрочность сплава при снижении его плотности и стоимости. Этот сплав — отличный конструкционный материал.

Добавка 3–8 % алюминия повышает температуру превращения α-титана в β-титан. Алюминий является практически единственным легирующим стабилизатором α-титана, увеличивающим его прочность при постоянстве свойств пластичности и вязкости титанового сплава и повышении его жаропрочности, сопротивления ползучести и модуля упругости.

Этим устраняется существенный недостаток титана.

Помимо улучшения механических свойств сплавов при различных температурах, увеличивается их коррозионная стойкость и взрывоопасность при работе деталей из титановых сплавов в азотной кислоте.

Алюминий-титановые сплавы коррозионно-стойкие, высокопрочные и жаропрочные. Эти сплавы сохраняют высокую прочность до 600 °С.

Сплавы титана с железом

Своеобразным сплавом является соединение титана с железом, так называемый ферротитан, представляющий собой твердый раствор TiFe2 в α-железе.

Ферротитан облагораживающе действует на сталь, так как он, активно поглощая кислород, является одним из лучших раскислителей стали. Ферротитан также активно поглощает из расплавленной стали азот, образуя нитрид титана, другие примеси, способствует равномерному распределению прочих примесей и образованию мелкозернистых структур стали.

Кроме ферротитана, на основе железа и титана производятся и другие сплавы, применяются для раскисления сталей.

Сплавы титана с медью

Даже небольшие присадки меди к титану и другим его сплавам повышают их стабильность в процессе эксплуатации, увеличивается и их жаропрочность.

Кроме того, 5–12 % титана добавляют в медь для получения так называемою купротитана: им пользуются, чтобы очистить расплавленную медь и бронзу от кислорода и азота.

Легирование меди титаном производится только очень небольшими его добавками, уже при 5 % титана медь становится нековкой.

Продолжение статьи читайте в мартовском номере журнала «Наука и техника» за 2020 год.  Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector