ЧАСТЬ X ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

Титан - химический элемент четвертой группы периодической системы Д. И. Менделеева с порядковым номером 22 и атомным весом 47,9.

Найдены естественные стабильные изотопы титана с атомными весами: 46, 47, 48, 49 и 50. Получены искусственные радиоактивные изотопы титана с массовыми числами: 43, 45, 51* (51* - возбужденный метастабильный изомер) с периодами полураспада от 0,58 сек. до 6 мин. и 44 и 51 с периодами полураспада 21 и 72 дня.

Титан отличается малым удельным весом и в то же время обладает весьма высокими механическими и коррозионными свойствами, поэтому он в настоящее время является наиболее перспективным металлом в технике, особенно в авиационной промышленности, где применяется для изготовления броневых листов и других ответственных деталей.

В металлургии титан применяется для раскисления сталей, для изготовления специальных сталей, для модифицирования чуг>шов, литейных сплавов на алюминиевой и магниевой основах и других цветных сплавов.

Титан нашел себе применение при изготовлении твердых сплавов, а также для титанизации изделий ответственного назначения.

В вакуумной промышленности и в радиотехнике титан используется в качестве геттера.

С разработкой экономичных методов получения чистого титана (и его сплавов) открывается широкая область его применения при изготовлении деталей химической аппаратуры, медицинских приборов, диафрагм, поршней, клапанов, трубопроводов для морской воды и всевозможных ответственных деталей в других областях промышленности.

При температуре 900° титан хорошо к/ется, а при 1000° легко прессуется (трубы). Образующийся при горячей обработке на поверхности титана очень твердый слой окислов может быть удален, например, травлением в растворе кислот, в расплавленных щелочах с различными добавками, например, гидрида натрия.

Титан удовлетворительно переносит холодную прокатку и волочение, но при этом требуются частые отжиги, так как технический титан легко наклёпывается. Наивысшая пластичность титана

достигается при отжиге в атмосфере чистого аргона или, еще лучше, в вакууме.

Титан хорошо поддается точечной сварке. Дуговую сварку титана следует производить в атмосфере чистого аргона или гелия. Титан с трудом поддается обработке резанием и шлифовке.

Проблема рационального использования отходов титана до сего времени полностью еще не решена.

Химический состав некоторых марок технического титана, применяемого за рубежом, приведен в табл. 417.

Таблица 417

Примерный химический состав технического титана, %

ВЛИЯНИЕ ГАЗОВ И ПРИМЕСЕЙ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНА

Титан энергично реагирует с кислородом, азотом, водородом, углеродом и почти со всеми окислами других металлов, что и вы-ьывает большие трудности при получении чистого титана и значительные затруднения в технологии производства из него полуфабрикатов и изделий.

Кислород оказьгоает весьма отрицательное влияние на механические, физико-химические и технологические свойства титана.

При температурах до 600° кислород практически не взаимодействует с титаном. При температурах выше 650° кислород воздуха диффундирует в титан с образованием весьма твердого поверхностного слоя. Особенно энергично кислород диффундирует в титан при температуре аллотропического превращения (882°) и выше, вызывая резкое понижение технологических свойств металла. Скорость окисления титана при повышенных температурах показана на рис. 439 и 440.

Диаграмма состояния системы титан - кислород при содержании кислорода до ЗС/о приведена на рис. 441 Эта диаграмма по своему характеру относится к типу пгритектических диаграмм.

О гоо 400 600 воо

время, мин

Рис. 439. Скорость окисления титана в атмосфере кислорода при температурах от 820 до 950°

КС гооо

1600

11*00

Ti 10

Кислород, °1о(атомн) го 30 40 50

1200

1000

Ti 5 10 15 20 25 3D К ucпороду % (бес)

Рис. 441. Диаграмма состояния ти таи - кислород

ш воо

Время, мин.

Рис. 440. Скорость окислевия титана прн температурах от 650 до 800°

Образование твердого раствора р протекает по перитекти-ческой реакции при температуре 1740° при взаимодействии твердого раствора а с жидкой фазой. При взаимодействии жидкой фазы с твердым раствором а образуется соединение TiO, имеющее кубическую структуру.

Растворимость кислорода в Р-титане в твердом состоянии достигает l,8Vo, а в а-титане 14,50/0 (вес).

При взаимодействии о-твер-дого раствора с TiO образуется новая фаза - Ь, устойчивая при температуре ниже 925°, тетрагональной сингонии с параметрами решетки: а = 5,333 А, с =

= 6,645 А и - = 1,246. а

Фаза а имеет гексагональную структуру с плотной упаковкой атомов. Влияние кислорода на свойства титана показано на диаграммах рис. 442-444.

Азот весьма сильно влияет на титан. Даже сотые доли процента азота заметно влияют на свойства титана.

Прц комнатной температуре азот практически не действует па титан. Однако при высоких температурах азот энергично соеди- няется с титаном с образованием весьма твердого и хрупкого нитрида титана TIN, плавящегося при температуре 2950°.

€4, :

E g =J. 60

ИИ I

Рис. 442. Изменение механических свойств иодидного титана (чистота 99,857о) в зависимости от содержания кислорода. Исходный материал: полосы толщиной 1 мм, Деформированные и отожженные при 850° в вакууме в течение 3,5 час.

П.О 0,1 0,20,3 0,4 0,5 0,6 0,7 08 Содержание киспорода, %

V0 120

% too

f ВО

fc 40 I 20

0 10 20 30 0 50 0 io 20 30 40 50 0 Ю 20 30 40 50 Степень деформации,

Рис. 443 Измеиеиие предела текучести титана в зависимости от степени деформации и содержании примесей

°°0 0,1 0,г 00,40,5 о 0,1 0,2 00,4 0,5 О 0,1 0,20,30,UO,6

Содертате Содермние Содержание

киспорода, °/о азота, /о азота, °/,

Рис. 444. Влияние примесей на твердость титана

3000 2600 2200

1Ш ООО 600.

Ti 10

Room, % (атомн)

30 kO

5 /5 20 26

Дзот, % /(fec

Рис. 44S. Диаграмма состояния титан - азот

1*00 200

ваЗорад, UiOec) п 0,25 1,0 2.0 и,а

г/ го ito во во

Водород, °1фтамм\

Рнс. 447. Диаграмма состояния титан - водород

90

SOOn

300 \ 200 WO I

0,0 0.1 0.2 0,3 0,1 0,5 0,6 Содержание ааота,°Двег

Рис 446. Изменение механических свойств иодидного титана (99,85% титана) в зависимости от содержания азота Исходный материал полосы толщиной 1 мм, деформированные и отожженные при 850° в вакууме в течение 3,5 часа

t С

3000 -

2600

1800

1000

о 10 20 30 1*0 Угперов, °/о (вес)

Рис. 448. Диаграмма состояния титан - углерод

5 5j ¥

Й e щ

lit! *°

,3 20

Диаграмма состояния системы титан - азот при содержании азота до 240/0 (вес.) показана на рис. 445. Эта диаграмма такжз относится к типу перитектических диаграмм. Влияние азота на механические свойства титана показано на диаграммах рис. 446, а также на рис. 443 и 444.

В од о р од весьма энергично диффундирует в титан с образованием твердых растворов внедрения.

Водород в противоположность кислороду, азоту и углероду оказывает незначительное влияние на механические свойства титана, однако он является весьма вредной примесью, так как под влиянием водорода наблюдается разрушение полуфабрикатов и изделий из титана и его сплавов.

Диаграмма состояния системы титан-водород (сторона титана) показана на рис. 447.

Углерод весьма сильно влияет на свойства титана. При высоких температурах углерод энергично соединяется с титаном с образованием карбида титана TiC, обладаюш;его весьма высокой твердостью (микротвердость 2000-2800 кг/мм) и плавящегося при температуре выше 3000°. Диаграмма состояния системы титан - углерод показана на рис. 448. Эта диаграмма относится к типу реритектических диаграмм. Фаза р образуется при взаимо-[цействии карбида титана с расплавом по перитектической реакции ►При температуре 1750°. При температуре 920° происходит пери--ектоидное превращение с образованием а-титана.

Углерод увеличивает константы решетки и повышает темпера-ру аллотропического превращения с 882 до 920°. Влияние угле-да на механические свойства титана показано на рис. 449, а так-:е на рис. 443 и 444.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,1* 0,5 06 0,7 0,6 0,9 Содержание угперооа,°1о(вес}

Рис 449. Изменение механических свойств иодидного титана (чистота 99,85 /( ) в зависимости от содержания углерода Исходный материал- полосы толщиной 1 мм, деформированные и отожженные при 850° в вакууме в течение 3,5 часа

КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ТИТАНА

Технический титан в отсутствии примесей углерода, кислорода других отличается высокой коррозионной стойкостью и в этом