Розділ 14 титан і його стопи

За розповсюдженням у земній корі титан посідає четверте місце після алю­мінію, заліза й магнію. Завдяки своїй високій питомій міцності (σ/χ), жароміц­ності й корозійній тривкості титан знайшов широке застосування у провідних галузях промисловості.

2.14.1. Властивості титану

Титан — метал сріблясто-білого кольору з густиною χ= 4500 кг/м³ і темпера­турою топлення t_m = 1668 °С. Розрізняють дві поліморфні модифікації титану — низькотемпературну (а) і високотемпературну (β). α-титан має гексагональну щільноукладену комірку з параметрами а = 0,2951 нм і с = 0,4684 нм. При тем­пературі 882 °С α-титан перетворюється в β -титан з кубічною гранецентрованою коміркою (а = 0,3282 нм при температурі 900 °С). Титан легко обробляється тиском, добре з'єднується дуговим й контактним зварюванням, проте погано обробляється різанням. Міцність титану можна істотно підвищити пластичною деформацією (наклепом). Щоб зняти наклеп, використовують рекристалізаційне відпалювання при температурах 650...750 °С.

На повітрі титан покривається щільною оксидною плівкою ТіО,, яка ро­бить хімічно активний титан відпірним до корозії в атмосфері, прісній і морсь­кій воді, в органічних і неорганічних кислотах.

Модуль пружності титану, який майже удвічі менший, ніж заліза, не дозво­ляє ефективно застосовувати титан для жорстких конструкцій. Навіть неве­лика кількість домішок кисню, азоту, а особливо водню й вуглецю істотно погіршує пластичність, хоч і підвищує міцність титану.

З підвищенням температури титан активно вбирає гази: починаючи від 50...70 °С — водень, від 400...500 °С — кисень, від 650...750 °С — азот, CO і CO,. Щоб захистити рідкий метал від шкідливої взаємодії з повітрям, його витоплюють, розливають й зварюють у вакуумі або інертних газах.

2.14.2. Стопи титану

У стопах титану крім основного металу й домішок можуть бути легувальні елементи: алюміній, молібден, ванадій, хром, марганець, залізо, тантал, ніобій, цирконій, олово, мідь, вольфрам, кремній, нікель, свинець, берилій, кобальт, гафній, торій та ін. Вони утворюють із титаном тверді розчини заміщення або інтер-метали типу Ті_гМе., а домішки (водень, азот, вуглець, кисень) — тверді розчини проникнення або хімічні сполуки (гідриди, нітриди, карбіди й оксиди).

Залізо, марганець, хром і молібден найістотніше підвищують міцність, хоч і знижують пластичність. Тверді розчини проникнення набагато сильніше, ніж розчини заміщення, змінюють механічні властивості.

Легувальні елементи, залежно від впливу на поліморфні перетворення

титану, поділяють на три групи:

• α-стабілізатори,

• β -стабілізатори,

• нейтральні.

До першої групи з металів належить алюміній, а з неметалів — вуглець, азот і кисень. Кожен з них підвищує температуру поліморфного перетворення {рис.2.14.1,а), збільшує стабільність а -фази й розширює таким чином область твердих розчинів на базі Ті_а. Вуглець, азот і кисень окрихчують титанові стопи, з огляду на що їхні масові частки обмежуються сотими, а, іноді, й тисячними процента. У стопах зі стійкою а -фазою β -фазу не вдається переохолодити до кімнатної температури, через що вони не здатні зміцнюватись термічною обробкою.

До другої групи належать β -стабілізатори — легувальні елементи, що знижу­ють температуру поліморфного перетворення β <г^а. Елементи другої групи можна поділити на β -ізоморфні (ванадій, молібден, ніобій, тантал) і β -евтектоїдні стабілізатори (хром, марганець, залізо, мідь, нікель, кобальт), β -ізоморфні стабілізатори подібно до β -титану мають ОЦК комірку і здатні необмежено роз­чинятись у ньому. Коли концентрація ізоморфних стабілізаторів висока, β -твердий розчин у рівноважному стані зберігається аж до кімнатної температури {рис.2.14.1,6).

У стопах титану з β -евтектоїдними стабілізаторами на лінії евтектоїдного перетворення при достатньо низькій температурі відбувається евтектоїдний (Е) розпад β -фази:

β^Ε(α+γ). (2.14.1)

Тут γ — проміжкова фаза ТіІУЦ постійного або змінного складу, утворена титаном і металевим Me легувальним елементом. Утворення евтектоїду Е(а +γ) * призводить до істотного підвищення крихкості, що ускладнює промислове використання стопів з такою структурою.

Більшість /3-стабілізаторів підвищують міцність, жароміцність і темпера­турну стабільність, проте дещо знижують пластичність титанових стопів. Вони впливають і на зміцнення стопів термічною обробкою.

У рівноважному стані титанові стопи, леговані /3-стабілізаторами, можуть мати при кімнатній температурі однофазову структуру а -твердого розчину низької концентрації (рис.2.14.1,б,в), двофазову (α +β )-структуру у випадку збільшення концентрації β -стабілізаторів (рис.2.14.1,6) і однофазову

β -структуру при досягненні високої концентрації ^-ізоморфних стабілізаторів {рис.2.14.1,6). У промисловості переважно застосовують стопи зі структурою аі(а + β).

Легувальні елементи третьої групи (Sn, Zr, Hf, Th) — нейтральні зміцню­вані, вони майже не впливають на температуру поліморфного перетворення титану.

2.14.3. Термічна обробка стоків титану

Щоб зміцнити стопи титану, використовують легування, холодну деформацію (наклеп) і термічну обробку.

Внаслідок легування у стопах титану формуються структури у вигляді твердих розчинів заміщення або інтерметалів типу Ti,Me_v. Названі структури змінюють властивості стопів у бажаному напрямку. Головним легувальним елементом для переважної більшості промислових стопів титану є алюміній, який підвищує міцність і модуль пружності, водночас знижуючи їхню густину. Інші легувальні елементи, як уже згадувалось вище, переважно поліпшують механічні властивості стопів титану.

Завдяки відпалюванню, гартуванню й старінню можна додатково змі­нювати властивості, з огляду на що у виробничій практиці більшість стопів титану використовують у термообробленому вигляді.

Відпалювання застосовують головним чином, щоб зняти наклеп після холодної обробки тиском. Таке відпалювання називають рекристалізаційним. Відпалювання з фазовою перекристалізацією не рекомендується, оскільки зерна утворюваної /3-фази швидко зростають. Аби уникнути цього, температура відпалювання повинна перевищувати температуру рекристалізації, але має бути нижчою за температуру поліморфного а —> β або температуру евтектоїдного а + γ —> β перетворень. Ріст масової частки /3-стабілізаторів веде до зниження температури відпалювання (див. рмс.214.1,6) і водночас до підвищення термічної стабільності /3-фази. Слід мати також на увазі, що легувальні елементи підвищують температуру рекристалізації стопів порівняно з чистим титаном. Практично температуру відпалювання α-стопів вибирають у проміжку 800...850 °С, а {а + β)-стопів— у проміжку 750...800 °С.

В основі гартування стопів титану, яке здійснюють від температур 800...950 °С, лежать поліморфні перетворення. Під час гартування, коли швидкість охолод­ження /3-фази перевищує критичну, перетворення /3—> α' відбувається бездифузійно за зсувовим механізмом з виникненням пересиченого легувальними елементами твердого розчину заміщення — мартенситу а '. Утворений а '-мартенсит має здеформовану гексагональну щільноукладену комірку й голчасту мікроструктуру. Щоб уникнути надмірного росту зерен /3-фази при температурі витримки, іноді гартують не з β -, а з (а + /3)-області (неповне гартування). Тоді α-кристали не зазнають фазових перетворень, а /3-кристали перетворюються у мартенсит. Відзначимо, що перетворення β —» а ' у стопах титану відбувається в інтервалі температур Μ ...Μ . Мартенситна а ' структура відзначається досить високою пластичністю, вона не так інтенсивно зміцнює стопи титану як мартенситна

структура сталі. Різниця між мартенситом стопів титану і сталі в тому, що мартенсит сталі — це пересичений твердий розчин проникнення, а мартенсит стопів титану — пересичений твердий розчин заміщення.

У випадку високого вмісту легувальних елементів утворюється мартенситна структура а" з ромбічною коміркою і надзвичайно дисперсна мартенситна струк­тура со з гексагональною коміркою. Виявити ω-структуру за допомогою оптичного мікроскопа не вдається, а лише за допомогою електронного мікроскопа, а "-мартенсит порівняно з а '-мартенситом має меншу міцність і твердість, ω-структура дуже окрихчує матеріал.

З ростом вмісту /3-стабілізаторів (Fe, Mn, Cr, Mo, V) температури початку М_п й кінця М_к мартенситного перетворення істотно знижуються. Коли темпера­тура М_и наближається до кімнатної, то замість мартенситу фіксується нерівно-важний переохолоджений /3-твердий розчин, який позначають /Зн. Отже, залеж­но від ступеня легованості /3-фаза в процесі швидкого охолодження переохо­лоджується й перетворюється в а'- або а "-фазу за мартенситним механізмом або не зазнає поліморфного перетворення аж до кімнатної температури.

Зміцнення загартованих стопів порівняно з відпаленими невелике. З метою підвищення міцності загартовані стопи піддають старінню.

Під час старіння (відпускання) у загартованих стопах розпадаються мета­стабільні а '-, а "-, ω- ίβη- фази. Зауважимо, що терміном відпускання називають розпад мартенситних структур (а ', а " і ω), а терміном старіння — розпад нерівноважних твердих розчинів /Зя, що утворюються під час швидкого охо­лодження без поліморфних перетворень. Часто структура стопу може складатись із фаз мартенситного й немартенситного типу. Тоді терміни старіння й від­пускання недоречні і в технічній літературі надають перевагу термінові старіння незалежно від того, які структури були отримані шляхом гартування.

Мартенсит у стопах титану високо стабільний і розпадається лише коли їх нагрівати до температур 450...500 °С і вище. Тоді з мартенситу виділяється /J-фаза різної дисперсності залежно від температури й часу витримки. Дисперсна /3-фаза зміцнює стоп. Проте найпомітніше зміцнення відбувається внаслідок розпаду а "- і /Зн- фаз. Розпадаючись /Зя- фаза виділяє тонкодисперсну а- фазу, яка підвищує міцність і твердість стопу. Підвищення міцності за рахунок розпаду а'- фази незначне.

2.14.4. Промислові стопи титану

Завдяки своїй високій питомій міцності, теплотривкості, відпірності до корозії й добрій зварюваності промислові стопи титану знайшли широке застосування в авіації, у ракетно-космічній техніці, у транспортному машинобудуванні, в хімічній і харчовій промисловості та в медицині. З цих стопів виготовляють обшивку фюзеляжів надшвидкісних літаків, панелі ракет, деталі двигунів для літаків і ракет, обшивки морських суден і підводних човнів, деталі машин і апаратів для хімічної промисловості.

Залежно від способів виготовлення заготовок стопи титану поділяють на деформівні й ливарні.

До деформівних стопів титану належать однофазові а- і двофазові (cc+β) -стопи (див. таблицю 2.14.1). Однофазові α-стопи з алюмінієм (ВТ5) та з алюмінієм і оловом (ВТ5-1) відзначаються середньою міцністю, високою термічною стабільністю, дуже доброю зварюваністю в середовищі аргону й задовільною оброблюваністю різанням. їх обробляють тиском (вальцюванням, куванням, штампуванням) у гарячому стані. Деталі з цих стопів придатні для експлуатації в широкому діапазоні температур — від кріогенних до 450 °С (ВТ5) і до 500 °С (ВТ5-1). Недоліком α-стопів є їх нездатність зміцнюватись термічною обробкою.

Двофазові (а + β) -стопи мають кращі механічні й технологічні властивості порівняно з однофазовими α-стопами. їх можна додатково зміцнювати термо­обробкою. Зокрема стоп ВТ6, легований алюмінієм і ванадієм, після гартування від 900...950 °С й подальшого старіння при температурі 450...500 °С має міц­ність σ = 1200... 1300 МПа. Ще істотніше можна зміцнити гартуванням й ста-рінням"стоп ВТ22 ( ст_м = 1300...1600 МПа).

Таблиця 2.14.1

Марки, хімічний склад і механічні властивості деяких деформівних стопів титану у відпаленому стані

Марка стопу	Масова частка, %							δ
	А1	V	Мо	Μη	інших елементів	МПа		0/
а-стопи
ВТ4 ВТ5 ВТ5-1	4,5—6,0 4,5—6,2 4,3—6,0	1,2 1,0	0,8	0,8-2	2,0—3,0 Sn	850—1050 750—950 800-1000	700—800 660—850 660—850	>10 > 10 > 10
			(а	+■ β)-стопи
ВТ6 ВТ8 ВТ14	5,3—6,8 6,0—7,3 3,5—6,3	3,5—5,3 0.9—1,9	2,8—3,8 7,5—3,8	—	0,2—0,4 Si	920—1070 1050—1250 900—1050	—	> 10 > 11 > 10
ВТ22	4,4—5,7	4,0—5,5	4,0—5,5	—	0,5—1,5 Cr; 0,5—1,5 Fe	1100—1250	—	> 12

Ливарні стопи титану мають високу рідкоплинність (завдяки вузькому інтервалові кристалізації) і мсту лінійну усадку (~ 1 %). Водночас у рідкому стані вони схильні до поглинання газів й до взаємодії з формовими матері­алами, що створює технологічні труднощі під час їх розтоплювання й розли­вання. Тому розтоплювання й розливання стопів титану виконують у вакуумі або в захисних газах. Для лиття використовують марки ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, які за своїм хімічним складом близькі до відповідних марок деформівних стопів. Ливарні стопи не рекомендується обробляти термічно, бо це знижує пластич­ність

Розділ 15 МАТЕРІАЛИ ТА ВИРОБИ З ПОРОШКІВ

Останнім часом відповідальні деталі для сучасної техніки формують з порошків, які пресують, після чого отримані заготовки спікають при температурі, що не перевищує температуру топлення основного компонента. Під час спікання сформована заготовка перетворюється у міцний виріб (деталь), що має властивості, близькі до властивостей суцільного матеріалу. Розміри частинок порошку — від 0,1 до 100 мкм і більше.

2.15.1. Виготовлення деталей із порошків

Технологічний процес виготовлення деталей із порошків складається з таких стадій:

• виробництво порошку вихідного матеріалу;

• формування заготовки з порошку;

• спікання заготовки;

• іноді додаткова обробка спеченого виробу (калібрування, просочування, термічна й хіміко-термічна обробки, обробка різанням).

Порошки отримують переважно фізико-хімічними й механічними метода­ми або послідовним застосуванням обох згаданих методів.

Фізико-хімічні методи супроводжуються глибоким перетворенням вихід­ної сировини, внаслідок чого отриманий продукт відрізняється за хімічним складом від вихідного матеріалу. Найпоширенішими серед цих методів є від­новлення, електроліз й термічна дисоціація карбонільних сполук.

Відновлення можна описати реакцією, що подана нижче у загальному вигляді:

МеА + В -» Me + ΒΑ, (2.15.1)

_де м_е — будь-який метал, порошок якого необхідно отримати;

А неметалева складова (кисень, хлор, фтор, соляний залишок) віднов­ люваної хімічної сполуки МеА;

В — відновник (водень, оксид вуглецю CO, кокс, сажа, Na, Са, Mg, ΑΙ).

Так відновлюють із хімічних сполук (переважно оксидів) залізо, мідь, нікель, кобальт, вольфрам, молібден та інші метали. Продукти відновлення у вигляді крупинок або губки пізніше механічно роздрібнюють у порошок.

Під час електролізу водяні розчини або розтоплені хімічні сполуки дисоціюють, а іони металу Ме"⁺ під дією постійного електричного струму нейтралізують електронами є й осаджують на катоді електролізної ванни:

Ме"⁺ + пе -> Me. (2.15.2)

Вдало підібраний режим ванни дозволяє осаджувати на катоді не суцільний, а порошкоподібний метал, який періодично вилучають і передають на подальше подрібнення.

Карбоніли типу Me_A(CO)_v — сполуки металу Me з оксидом вуглецю CO Щоб отримати карбоніл, низькосортну сировину МеБ„ обробляють оксид вуглецю при підвищеному тиску (5... 10 МПа) й температурі 50...200 °С: ^М

Ме_дБ. + уСО -ϊσΕ + Me_v(CO)_v. (2.15 3)

Тут Б — баластова речовина (кисень, соляний залишок, домішки), від якої шляхом возгонки відокремлюють леткі карбоніли. Потім карбоніли термічно розкладають у спеціальних апаратах за схемою:

Ме_т(СО)_г -> хМе + vCO , (2.15.4)

отримуючи порошок нікелю, заліза, кобальту, хрому, молібдену та ін. металів Механічними методами подрібнюють куски або порошки речовин шляхом розмелювання, розпорошування рідкого металу під дією відцентрових сил або стисненого газу, а також грануляцією під час виливання розтопленого металу в рідину. Отриманий порошок сортують за розмірами на відповідні фракції.

З попередньо перемішаних порошків різних компонентів зі зв'язкою або без неї формують заготовки заданої форми й розмірів, пресуючи у пресфор-мах, всебічно стискаючи порошок у еластичній оболонці чи між валками, що обертаються, витискаючи його крізь профілюючий отвір матриці тощо. Іноді замість обробки тиском для виготовлення складних за конфігурацією загото­вок заливають суспензію порошку у гіпсову форму (шлікерне лиття).

Неміцні спресовані або литі заготовки спітють, перетворюючи їх в міцні вироби. Розрізняють твердофазове спікання без утворення рідкої фази й рідко-фазове спікання з утворенням рідкої фази більш легкотопкого компонента. За­готовки опікають у вакуумі, захисній або відновлювальній атмосфері протягом 0,5... 1,5 год., а часом довше. Під час твердофазового спікання розширюються контактні ділянки сусідніх частинок порошку внаслідок дифузії атомів, що збільшує зв'язок між частинками, а пори між ними заокруглюються. Зі зростанням дисперсності порошку спікання активізується.

Рідкофазове спікання відбувається у присутності змочувальної рідкої фази, яка добре заповнює міжчастинкові проміжки й до мінімуму зменшує пористість матеріалу.

Додатковою обробкою змінюють структуру, властивості й розміри виробу шляхом відпалювання, гартування, відпускання, хіміко-термічної обробки, обробки тиском, обробки різанням та іншими методами.

З порошкових матеріалів виготовляють вироби з таким складом і власти­востями, які не вдається отримати традиційними методами (литтям, обробкою тиском, зварюванням). До широкорозповсюджених порошкових матеріалів і виробів з них належать фрикційні й антифрикційні матеріали, фільтри для очи­щення рідин і газів, тверді стопи, швидкорізальні сталі, електричні контакти, деталі машин і приладів.

2.15.2. Антифрикційні матеріали

Виготовлені з порошків антифрикційні матеріали складаються з металевої основи, в порах якої перебувають рідкі мастила, зокрема мінеральна олива або спеціальні присадки (графіт, сульфіди, фторопласт), що відіграють роль твердого мастила. Наявність рідкого й твердого мастил забезпечує надійну роботу антифрикційних спечених матеріалів в умовах обмеженого підведення ззовні рідкого мастила або за відсутності такого підведення.

Таблиця 2.15.1