Стоматологическое литьё из титановых сплавов

Каминский Алексей Ярославович
Научный руководитель: Васильев Валерий Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Литейные технологии» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Источник: http://technomag.edu.ru/doc/49755.html

Химические свойства титановых сплавов:

Химические свойства титана определяются внешними электронами, расположенными в 3d- и 4s-оболочках, соотношением размеров атомов и кристаллическим его строением. По способности отдавать внешние электроны при реакциях титан занимает среднее положение в ряду наиболее электроположительных металлов групп I—III (подгруппа А) и наиболее электроотрицательных металлов групп I—V (подгруппа Б). По величине атомного радиуса титан занимает среднее положение между металлами групп I и II с наибольшими радиусами и металлоидами (бор, углерод, азот, кислород и водород) с наименьшими атомными радиусами.

При температурах выше 700 °С и особенно в расплавленном состоянии титан обладает чрезвычайно высокой химической активностью. Он энергично взаимодействует практически со всеми материалами, с которыми находится в контакте на различных стадиях изготовления отливок (атмосфера печи, огнеупоры и т. п.). Особенно активно взаимодействует титан с газами: кислородом, азотом, водородом, окисью углерода, двуокисью углерода, водяным паром, аммиаком и др.

Азот, кислород и углерод, растворяясь в титане, занимают октаэдральные поры гексагональной решетки, которые по размерам больше, чем поры решетки объемно-центрированного куба. Поэтому растворимость указанных элементов в a-фазе вызывает большое искажение кристаллической решетки, чем при растворении в a-фазе. Это является причиной большей растворимости азота, кислорода и углерода в a-фазе.

Первой стадией взаимодействия титана с кислородом является внедрение атомов кислорода в кристаллическую решетку металла. Но как показали многочисленные исследования кинетики поглощения кислорода титаном, образование окалины на поверхности образца определяется не скоростью поглощения газа, а диффузионными процессами.

Максимальная растворимость кислорода в a-титане составляет примерно 14,5% вес., а в b-титане - около 1,8% вес. Кислород является энергичным a-стабилизатором. При содержании кислорода выше предела растворимости в системе титан-кислород появляется фаза на основе закиси титана TiO, которая имеет золотисто-желтый цвет с металлическим блеском. Далее может образовываться фаза на основе окиси титана Ti2O3 темно-фиолетового цвета и, наконец, на основе двуокиси титана TiO2 - белого цвета.

Титан начинает взаимодействовать с кислородом уже при довольно низких температурах. При комнатной температуре на титане, находящемся в атмосфере кислорода, уже образуется окисная пленка, которая защищает его от дальнейшего окисления. Но при температуре 450…500 °С эта пленка начинает растворяться в металле. Особенно интенсивно процесс диффузии кислорода в титане происходит при температурах выше 700…800 °С. При достижении определенной толщины окисная пленка начинает растрескиваться и диффузия в глубь металла значительно усиливается. При высоких температурах окисная пленка уже не является защитной, т. е. поглощение титаном кислорода является необратимым процессом.

Сродство титана к азоту также очень велико. Титан является единственным элементом, который горит в среде азота. Заметное поглощение азота начинается уже при температурах 500…550 °С, при температуре выше 600 °С скорость поглощения резко увеличивается. Азот, так же как и кислород, является весьма сильным b-стабилизатором. При взаимодействии титана с азотом первоначально образуются твердые растворы внедрения. Максимальная растворимость азота в a-титане составляет около 7% вес., растворимость в В-титане значительно меньше и не превышает 2% вес.

При нагреве титана в атмосфере азота до температуры 800…1000 °С его поверхность тускнеет в результате образования пленки нитрида титана. Эта весьма тонкая пленка прочно связана с металлической основой. Процесс поглощения азота титаном мало зависит от давления газа и является, так же как в случае с кислородом, необратимым процессом. Скорость поглощения азота титаном значительно меньше скорости поглощения кислорода. Поэтому при взаимодействии титана с воздухом основную роль играет кислород, хотя воздух на 4/5 состоит из азота. Заметное поглощение водорода титаном начинается при температуре 250…300 °С. Сначала этот процесс протекает сравнительно медленно, но при температурах 300…350 °С скорость его увеличивается. В противоположность реакции титана с кислородом и азотом при взаимодействии с водородом на поверхности металла пленки не образуется. Это можно объяснить малыми размерами атомов водорода, которые сразу диффундируют в глубь кристаллической решетки титана.

Водород, так же как кислород и азот, образует с титаном твердые растворы внедрения. Предел растворимости водорода в b-титане достигает максимума при температуре около 300 °С и составляет примерно 0,2% вес. Растворимость водорода уменьшается как при повышении, так и при понижении температуры. Наиболее резкое уменьшение растворимости наблюдается при температурах 500…600 °С. Растворимость при комнатной температуре составляет не более 0,002% вес. В В-титане растворимость водорода значительно выше. Ее максимальное значение - около 2% вес. достигается при температуре 600 °С. С повышением давления водорода его растворимость в титане увеличивается. Водород является b-стабилизатором. Большую растворимость водорода в b-фазе, чем в a-фазе, объясняют следующим образом. Кристаллическая решетка b-фазы имеет два типа пор, в которых могли бы разместиться атомы водорода - тетраэдральные поры с радиусом 3,4 нм и октаэдральные поры с радиусом 6,2 нм. Радиус атома водорода равен 4,1 нм. Тетраэдральные поры малы, октаэдральные же слишком велики и размещение в них атомов водорода сопровождается повышением свободной энергии системы за счет большей свободы колебания атомов. Поры в решетке объемно-центрированного куба имеют радиус 4,4 нм, что обеспечивает благоприятные геометрические соотношения при растворении водорода в a-титане.

Скорость поглощения водорода титаном зависит не только от температуры, но и от наличия поверхностных пленок и загрязнений. Если на поверхности металла имеются окисные пленки, скорость поглощения водорода заметно понижается. Водород, в отличие от кислорода и азота, можно практически полностью удалить из титана путем нагрева металла в вакууме. Вакуумный отжиг при температуре 750…800 °С снижает содержание водорода в титане до 0,002%. Наличие окисной пленки затрудняет удаление водорода.

Титан энергично взаимодействует с углеродом. Углерод является b-стабилизатором. Максимальная растворимость углерода при температуре 920 °С составляет 0,48% вес. С понижением температуры растворимость углерода резко падает. Растворимость углерода в В-титане достигает максимального значения - 0,8% вес. при 1750 °С. Вследствие малой растворимости углерода в a- и b-фазах присутствие его в сплавах титана выше 0,1% обусловливает появление в структуре свободных карбидов. Линия ликвидуса системы титан-углерод при увеличении содержания углерода непрерывно увеличивается от перитектической температуры (1750 °С) до температуры плавления карбида титана (3400…3500 °C). В этой системе образуется единственный карбид TiC. Однако карбид титана, как и большинство других фаз внедрения (TiO, TiN), является веществом переменного состава с широкой областью гомогенности.

Для титанового литья в качестве формовочных материалов применяются: магнезит, электрокорунд, двуокись циркония, графит. Принципиальная возможность осуществления химических реакций между титаном и огнеупорными веществами в заданных условиях может быть установлена путем сопоставления величин изобарно-изотермического потенциала. Наименее прочным огнеупором является кремнезем, а наиболее прочным - двуокись тория. Низшие окислы титана термодинамически более прочны по сравнению с высшими.