Автореферат

Титан – суперматеріал, об'єднуючий по властивостях ряд металів, груп і сімейств. Його з'єднання і широка поширеність в природі, нові матеріали на його основі і перспективи споживання піднімають його важливість для розвитку наший цивілізації.
Основні переваги і недоліки титанових сплавів.
Переваги:
-   питома міцність
-   питома жароміцність
-   корозійна стійкість
-   біосумісність
-  регламентоване управління структурою і властивостями в широкому діапазоні
Недоліки:
- висока вартість
     - низький модуль пружності
Завдяки цим властивостям сплави титану застосовуються в багатьох галузях діяльності людини (таблиця 1)

 

Таблиця 1 - Області застосування титану

Титан широко використовується в медицині. В даний час титан і його сплави широко використовується як хірургічний інструмент, внутрішні і зовнішні протези, включаючи такі критичні, як серцевий клапан. Переваги титану - міцність, опір корозії, і головне те, що у деяких людей виникає алергія на нікель (обов'язковий елемент неіржавіючих сталей).
Клітки можуть регенеруватися на титані, а кістки можуть продовжувати рости після імплантації цього металу. Хірургічні інструменти з титану - це сучасні, високоякісні і довговічні медичні інструменти, що є незамінними в сучасній медицині. Титанові інструменти витримують повторну стерилізацію без збитку якості леза або поверхні, стійкості до корозії або міцності. Титан не намагнічується, і тому не представляє загрози для невеликих і чутливих імплантованих електронних пристроїв. Штучні суглоби з титану застосовуються при заміні кісток і суглобах в складних хірургічних випадках. Внутрішня і зовнішня фіксація кісткових переломів ще розширює круг можливих способів застосування титану, наприклад, як пристосування для зміцнення хребта, штифтів, кісткових пластин, гвинтів, внутрішньомозкових стрижнів і зовнішніх фіксаторів.
Ринок медичних виробів останніми роками став стабільною областю споживання титану. Так в 2004 г в медицині використовувалося більше 1600 т прокату з титанових споавов, в т.ч. США - 700; Європа - 650; Китай - 100; Японія - 50. До 2010 г очікується використання в медицині до 2000. ..2500 т. прокату [27].
Проте встановлено, що використовувати титановий сплав з добавками ванадію обмежено, оскільки сплав Ті-А1-4V є токсичним. В даний час він замінений нетоксичним сплавом Ті-6А1-7Nb. Цей сплав майже удвічі міцніший за чистий титан, а його еластичність досягає рівня, характерного для сплаву золота. Також продовжуються пошуки інших біосумісних сплавів титану. Такою проблемою і занимаеются фахівці лабораторії ЕШП кафедри «Електрометалургія» Донецького національного технічного університету. Ними була запропонована ідея легувати титан киснем. Який елемент може бути більш сумісний з людським тілом?
Впровадження кисню в титан збільшує твердість, міцність, межу текучості і знижує пластичність металу.
У великих кількостях кисень розчиняється в альфа -Тi Широка область альфа -растворов охоплює концентрацію  від 0 до 34 % (ат.) кисню без яких-небудь фазових перетворень і порушень гомогенності структури цих розчинів. Кисень утворює велике число з'єднань з титаном; їх склади розташовані в межах нижчої і вищої валентностей оксидів титану (від TiO до ТiO2). Найбільш інтенсивне розчинення оксидів в титані, що супроводжується швидкою дифузією кисню в глиб металу, починається при температурі близько 850 °С.
Кисень підвищує температуру альфа > бета-перетворень і розширює температурну область альфа -фазы, тобто є альфа – стабилизатором як і ванадій.
Виділяють три процеси процесу переплавки титану.

Проте ми зупинили свій вибір на процесі електрошлакової переплавки.    Вона є вторинним процесом рафінування металів. Він застосовується для подальшої відчистки після завершення первинних операцій по видаленню домішок і рафінуванню. Як початковий матеріал зазвичай застосовують суцільний електрод, що витрачається, з первинного металу, який може бути литим, отриманим обробкою тиском або що складається з лому. Шлакова ванна, що міститься в охолодженому кристалізаторі, нагрівається і охолоджується електричним струмом (електроопром), поточним між електродом і охолоджуваним піддоном. Коли температура шлакової ванни перевищує температуру плавлення металу, електрод починає оплавлятися; краплі, що стікають з кінця електроду, падають в шлакову ванну, утворюючи на піддоні металеву ванну, яка поступово твердне. Електрод подають в шлакову ванну, при цьому злиток, службовець другим електродом, поступово росте.
         Рідкий шлак таким чином безперервно переміщається догори. Там, де шлак, що піднімається, зустрічається із стінками кристалізатора, він твердне що забезпечує наявність суцільної скориночки твердого шлаку між кристалізатором і злитком, що твердіє. При роздяганні злитка вона лущиться з поверхні, яка харатеризується прекрасною якістю.
         Процес багато в чому аналогічний вакуумно-дуговій переплавці (ВДП): суцільний злиток утворюється в результаті поступового твердіння металу у вертикальному напрямі. При відповідному сниженни сили струму до кінця операції забезпечується повна відсутність усадкової раковини в осьовій пористості.
         Рафінування здійснюється вследствии реакції між металом і шлаком, що відбувається в три стадії:

При відповідному виборі шлаків хімічна реакція може бути посилена. Можливо, наприклад, зниження змісту сірі до дуже низького рівня. Видаленню неметалічних включення може сприяти їх флотація і хімічна реакція з шлаком. Шлаки можуть бути підібрані так, щоб перешкодити видаленню елементів, які потрібно зберегти.
Переваги електрошлакової переплавки перед іншими способами переплавки:

Таке велике число переваг процесу ЕШП є наслідком великого числа мір свободи, властивого цьому процесу, а отже, ЕШП здатний вирішувати більше проблем і забезпечувати значно більше переваг готовому продукту. (книга дэжавю ЕШП)
Електрошлакова плавка титану і сплавів на його основі володіє рядом достоїнств. Прогрівання розплавленого шлаку (зазвичай фторид кальцію) електричним струмом над поверхнею металу в кристалізаторі дозволяє перегрівати метал вище за температуру його плавлення. При цьому вирівнюється теплове поле по поверхні металу, заглиблюється ванна рідкого металу, що покращує однорідність злитка. Більш рівномірне прогрівання злитка по його перетину при електрошлаковій плавці дозволяє отримувати злитки прямокутного перетину, що зручно для їх подальшого плющення.
Головним недоліком традиційної електрошлакової переплавки є відсутність дегазації металу в процесі плавки, тому його доцільно використовувати у поєднанні з одним із способів першої переплавки у вакуумі, що забезпечує достатньо повне видалення водню або використовувати камерний ЕШП.
У даній роботі легування титану киснем здійснювали при електрошлаковій переплавці титанової губки маркі ТГ-110 під флюсом з чистого CaF2, в атмосфері, що складається з аргоново-кисневої суміші. На печі КЕШП А-550 (рис) виплавляли злитки діаметром 65 мм. Як електроди використовувалися пресовані з титанової губки і зварені аргоновою зваркою брикети діаметром 40 мм і довгою 400 мм.

 

Малюнок. Пекти КЕШП А-500

Хімічний аналіз до і після переплавки приведений в таблиці 2.

Таблиця 2 – Хімічний аналіз злитків титану, отриманих методів КЕШП.

Список літератури

 

• Гармата В. А., Петрунько А. Н., Галицкий Н. В., Олесов Ю. Г. Сандлер Р. А. Титан. - М.: Металлургия. 1983. - 559 с.
• Гуревич С. М. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов. - М.: Металлургия. 1979. – 440 с.
• Резниченко В. А., Ковнеристый Ю. К., Кудрявцев Ю. Н. Комплексные технологии получения титанатов, титана, новых метериалов и полуфабрикатов. – Титан-2005 в СНГ. К: Наукова думка. 2005.
• Тэлин В. В., Иващенко В. И., Червоный И. Ф., Шварцман М. Я., Иващенко О. В., Швец Е. Я, Кокарев В. А. Анализ тенденций развития технологий, производства и потребления титана. – Титан-2005 в СНГ. К: Наукова думка. 2005.
• Колобов Г. А., Лебедев В. В., Лукошников И. Е. Технология рафинирования титана и его сплавов. – Титан-2005 в СНГ. К: Наукова думка. 2005.
• Полькин И. С. Применение титана в различных отраслях промышленности. – Титан-2006 в СНГ. К: Наукова думка. 2006.
• Троянский А. А., Рябцев А. Д. О работах Донецкого национального технического университета (ДонНТУ) по электрошлаковой выплавке и рафинированию титана. – Титан-2006 в СНГ. К: Наукова думка. 2006.
• Рябцев А. Д., Троянский А. А., Рябцева О. А., Давыдов С. И., Шварцман Л. Я., Феофанов К. Л. Получение новых материалов на основе титана с повышенными механическими характеристиками и биологической совместимостью путем легирования кислородом с использованием камерной электрошлаковой технологии. – Титан-2007 в СНГ. К: Наукова думка. 2007.
• Давыдов С. И., Шварцман Л. Я., Овчинников А. В., Теслевич. Некоторые  особенности легирования титана кислородом. – Титан-2006 в СНГ. К: Наукова думка. 2006.
•  Червоный И. Ф., Тэлин В. В., Пожуев В.И., Иващенко В. И., Листопад Д. А. Титан и области его применения. – Титан-2007 в СНГ. К: Наукова думка. 2007.
•  Лютый И. Ю., Латаш Ю. В. Электрошлаковая выплавка и рафинирование металов. К.: Наукова думка, 1982. – 178 с.
•  Дакуорт У., Хойл Д. Электрошлаковый переплав. М.: Металлургия, 1973. – 194 с.