Фізико-метелургійний факультет
Кафедра електрометалургії сталі
Спеціальність: Металургія чорних металів
Титанові сплави, сплави на основі титану. Легкість, висока міцність в інтервалі температур від кріогенних (-250 С) до помірковано високих (300-600 С) і відмінна корозійна стійкість забезпечують титановим сплавам хороші перспективи застосування як конструкційних матеріалів в багатьох областях, зокрема в авіації та ін галузях транспортного машинобудування.
Актуальність проблеми «чистої сталі» обумовлена ??безперервним посиленням вимог, що пред'являються споживачами до якості металу. Згідно сучасним уявленням, визначальний вплив надає не тільки абсолютний зміст включень в металі, але і їх склад, форма, розподіл і деформованість при прокатці.
Титан має значну твердість: він у 12 разів твердіше алюмінію, у 4 рази-заліза і міді. Ще одна важлива характеристика металу - межа текучості. Чим він вище тим краще деталі з цього металу пручаються експлуатаційним навантаженням. Межа текучості в титану майже в 18 разів вище, ніж в алюмінію. Питома міцність сплавів титану може бути підвищена в 1,5-2 рази.
Раніше властивості сталевих виробів, зокрема, механічні пов'язували з концентраціями кисню і сірки: нові дослідження показали визначальний вплив виду, кількості, розмірів і розподілу в сталі оксидів і сульфідів. Великих успіхів домоглися у виробництві сталі високого ступеня чистоти, однак, безсумнівно, що промислові сталі загального призначення будуть містити значну кількість включень.
Його високі механічні властивості добре зберігаються при температурах аж до кількох сотень градусів. Чистий титан придатний для будь-яких видів обробки в гарячому і холодному стані: його можна кувати, як залізо, витягати і навіть робити з нього дріт, випускати в аркуші, стрічки, у фольгу товщиною до 0,01 мм. Хоча "технічно чистий " титан має прийнятні механічні властивості і був використаний для ортопедичні і зубні імплантати, для більшості додатків титану використовують його сплави.
Вже два десятиліття встановлено поняття «чиста сталь»або ступінь чистоти в залежності від забруднення стали неметалевими включеннями різного складу і морфології. Тому деякий подив викликають твердження А. П. Гуляєва, згідно з якими всупереч загальноприйнятим уявленням ступінь чистоти стали асоціюється з наявністю тільки шкідливих домішок, і, відповідно до класифікації домішок Н. Т. Гудцова, до них відносять сірку, фосфор, гази, кольорові метали . Виключаючи вплив неметалевих включень, автор вважає, що «різниця у властивостях сталі різного способу виробництва обумовлене головним чином вмістом«шкідливих домішок », що суперечить сучасним уявленням про роль вторинних фаз, зокрема неметалічних включень.
Титанові сплави одержують шляхом легування титану наступними елементами (числа в дужках - максимальна для промислових сплавів концентрація легуючої добавки в% по масі): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13) , Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5); рідше застосовується легування Nb (2) і Та (5) . Один з найбільш поширених легованих з невеликою кількістю алюмінієвих і ванадію, як правило, 6% і 4% відповідно, за вагою.
Ti-6Al-4V або Ti 6-4, є одним з найбільш часто використовуваних сплавів. Він має хімічний склад 6% алюмінію, 4% ванадію, 0,25% (максимум) заліза, 0,2% (максимум) кисню, а решта титану. Широко використовується в аерокосмічній, авіаційній, ракетній і кріогенної техніки, суднобудуванні, для виготовлення хімічного і металургійного устаткування, як протезів в хірургії тощо, відрізняється високою технологічною пластичністю, добре зварюється; йде на виготовлення сільнонагружаемих деталей і конструкцій в авіаційній техніці .
Якщо провести розрахунок рівноважного складу НВ за усередненим хім. складу металу, то розрахунковий склад включень не буде відображати дійсну картину. Наприклад, зустрічаються включення, що складаються практично з чистого Al2O3, хоча метал не містить рівноважного з ним алюмінію і кисню. Причина в тому, що після введення розкислювача в метал, утворюються зони збагачені розкислювачем, в результаті чого НВ містять високий відсоток оксиду розкислювача. У міру усереднення розкислювача в металі утворюються НВ, що містять меншу кількість оксиду розкислювача. Для того щоб врахувати вищесказане, в моделі розрахунку складу НВ запропоновано наступний підхід.
Сплав ВТ6-4 застосовується: для виготовлення напівфабрикатів (листів, стрічок, фольги, смуг, плит, прутків, профілів, труб, поковок та штампованих заготовок) методом деформації, а також злитків; зварювального дроту діаметром 1,6-7,0 мм; штампозварних деталей, які тривалий час працюють при температурах до +400-450 ° С; великогабаритних зварних і збірних конструкцій літальних апаратів; балонів, що працюють під внутрішнім тиском у широкому інтервалі температур від -196 ° С до +450 ° С, і цілого ряду інших конструктивних елементів .
Сплав (a + b)-класу. Алюміній у сплавах системи Ti-Al-V підвищує міцність і жароміцні властивості, а ванадій відноситься до числа тих небагатьох легуючих елементів в титані, які підвищують не тільки міцнісні властивості, але і пластичність.
Поряд з високою питомою міцністю сплави цього типу мають меншою чутливістю до водню в порівнянні зі сплавами ОТ4 і ОТ4-1, низькою схильністю до сольовий корозії і хорошою технологічністю.
Сплави добре деформуються в гарячому стані. Сплав зварюється всіма традиційними видами зварювання, в тому числі і дифузійної. При зварюванні еЛС міцність зварного шва практично дорівнює міцності основного матеріалу, що вигідно відрізняє цей сплав від ВТ22.
Процес плавки титану і його сплавів при КШП є вторинним процесом рафінування металів. Він застосовується для подальшої отчистки після завершення первинних операцій з видалення домішок і рафінуванню.
Вважається, що результати видалення неметалевих включень при витримці стали перед розливанням тим краще, чим більше можливостей для коагуляції легкоплавких сумішей оксидів. При цьому повинна приділятися великого значення підбору розкислювачів для того, щоб вже при реагуванні з розчиненим у металі киснем утворилися включення, які відразу коагулювати б у великі, легко віддаляються частинки. З цієї точки зору, необхідно забезпечити рідко рухливість НВ. Цього можна досягти за рахунок певного порядку присадки розкислювачів. Для того щоб забезпечити жидкоподвижность НВ необхідно виконати наступні умови:
В якості вихідного матеріалу зазвичай застосовують суцільний споживаний електрод з первинного металу, який може бути литим, отриманим обробкою тиском або складається з брухту. Шлакова ванна, що міститься в охолодженому кристалізаторі, нагрівається і охолоджується електричним струмом (електроопору), поточним між електродом і охолоджуваних піддоном. Коли температура шлакової ванни перевищує температуру плавлення металу, електрод починає оплавлятися; краплі, що стікають з кінця електрода, падають в шлакову ванну, утворюючи на піддоні металеву ванну, яка поступово твердне. Електрод подають в шлакову ванну, при цьому злиток, службовець друге електродом, поступово зростає. Рідкий шлак таким чином безперервно переміщується догори. Там, де піднімається шлак зустрічається зі стінками кристалізатора, він твердне що забезпечує наявність суцільної скоринки твердого шлаку між кристалізатором і тверднуть злитком.
Електрошлакове плавка титану та сплавів на його основі має ряд переваг. Прогрів розплавленого шлаку (зазвичай фторид кальцію) електричним струмом над поверхнею металу в кристалізаторі дозволяє перегрівати метал вище температури його плавлення. При цьому вирівнюється теплове поле по поверхні металу, поглиблюється ванна рідкого металу, що поліпшує однорідність злитка. Більш рівномірне прогрівання злитку за його перерізу при електрошлакової плавці дозволяє отримувати зливки прямокутного перерізу, що зручно для їх подальшої прокатки. Так само до достоїнств відноситься виняток контактування металу з зовнішньою атмосферою.
Титан є не тільки міцним, але і легким металом. Вона так само міцна, як сталь, але 45% легше. Крім того, у два рази міцніше, ніж алюміній, але на 60% важче. Титан слабко роз'їдає морська вода, і тому використовується в гребних валів, обладнання та інші частинах кораблів, які піддаються впливу морської води. Титан та його сплави використовуються в літаках, ракетах, де міцність, мала вага і стійкість до високих температур є важливими. Далі, так як титан не реагує в людському тілі, він і його сплави використовуються для створення штучних стегна, штирі для установки кісток, і для інших біологічних імплантатів.
Так само використовується для виготовлення теплообмінного обладнання: труб для теплообмінної апаратури різного призначення, конденсаторів турбін, в якості елементів футеровки внутрішньої поверхні димових труб. Слід зазначити, що високі капітальні витрати компенсуються підвищенням довговічності, збільшенням надійності, зниженням витрат на обслуговування і ремонт. Наявний досвід показує, що титанові сплави по стійкості до загальної корозії перевершують найбільш стійкі мідні сплави, мідно-нікелеві сплави і нержавіючі сталі в 10 ... 20 разів. Останнім часом титан знайшов широке застосування для виготовлення опор морських нафтовидобувних платформ (титанові платформи вдвічі гнучкіше сталевих), глибоководні бурильні райзера, трубопроводи, фільтри насосів і систем забору води, посудини високого тиску, високоміцні гнучкі розтяжки для кріплення платформ.
Використовується в активно розвиваються атомних електростанцій. Як легуючий елемент у металургії та кольоровий і в чорній. В автомобільній промисловості для відповідальних і найбільш навантажених деталей, як ресори, двигуни потужних машин та ін Медицина також не може обійтися без титану: хірургічний інструмент, протези і навіть клапани серця виробляють з титану. Переваги титану - міцність, опір корозії, і головне те, що у деяких людей виникає алергія на нікель (обов'язковий елемент нержавіючих сталей). Клітини можуть регенеруватися на титані, а кістки можуть продовжувати рости після імплантації цього металу. Проте встановлено, що використовувати титановий сплав з добавками ванадію обмежено, оскільки сплав Тi 6Аl-4V є токсичним.
Виробництво ключок для гольфу, ножів із застосуванням Тi 6Аl-4V, у будівництві (як безпечний для людини метал). Особливо слід відзначити використання при виробництві пластмас з прекрасною міцністю, на цей сектор припадає близько 20 відсотків світового споживання. Корпуси годинника з титану експлуатуються відмінно.