2.4.3 Титан та його сплави
Титан – сріблясто-білий метал низької густини (4,5 г/см3) з високою механічною міцністю, корозійною і хімічною стійкістю. Температура плавлення титану 1660 оС, з вуглецем він утворює дуже тверді карбіди. Титан задовільно кується, прокатується і пресується.
У земній корі міститься близько 60 сполук, що містять титан, промислову цінність серед яких мають ільменіт, перовскит і сфен.
Основними способами отримання титану є вибіркова відновлювальна плавка, відновлення тетрахлоридом магнію, переплав титанової губки. Очищення від домішок титану проводять методом зонної плавки.
Титан – це один з перспективних металів для виготовлення хімічної апаратури. Його випускають наступних марок: ВТ1-00 (99,53 %), ВТ1-0 (99,48 %) і ВТ1-1 (99,44 %). Він хімічно стійкий до киплячої азотної кислоти, але при концентрації кислоти 98 % відбувається його спалах, що супроводжується вибухом.
Титан знаходить все більш широке застосування для виготовлення хімічної апаратури завдяки високій механічній міцності і корозійній стійкості в деяких середовищах. Максимальна температура його застосування складає 350 °С, подальше підвищення температури призводить до різкого зниження міцності.
Титан стійкий до розчинів нітратів, хлоридів, карбаміду у вологому хлорі, але руйнується в розчинах нітратної, сульфатної, хлорводневої, фтористоводневої і фосфорної кислот. Його доцільно застосовувати в середовищах, в яких леговані сталі піддаються точковій корозії або проявляють схильність до міжкристалітної корозії.
У концентрованій нітратній кислоті, що містить розчинені оксиди азоту, в сухому хлорі і бромі титан спалахує. Високою корозійною стійкістю володіють сплави титану з танталом і молібденом.
Механічні властивості титану визначаються ступенем його чистоти. Домішки кисню, азоту та вуглецю, які утворюють з титаном різні сполуки, справляють істотний вплив на його властивості. До шкідливих домішок відноситься водень, що викликає окрихчення титану.
Із-за дорожнечі титан переважно використовують як плакуючий матеріал з товщиною листа 0,5-3 мм. Широкого поширення набув сплав ВТ1, що містить не більше 0,3 % Fe, 0,15 % Si, 0,1 % С, 0,215 % інших елементів, все решта – титан.
Вартість устаткування, футерованого листовим титаном, приблизно в 3 рази перевищує вартість таких же апаратів, виготовлених з хромнікелевої сталі. Проте висока вартість окупається низькими витратами на ремонт, довговічністю устаткування і скороченням простоїв із-за несправностей. Титанова замкова арматура служить в 5-10 разів довше, ніж сталева, фанерована гумою, пластмасами і емаллю. Вживані у виробництві хлора теплообмінники з титану набагато дешевше скляних і займають в 8 разів меншу площу.
Для отримання сплавів титану з заданими механічними властивостями його легують різними елементами. У більшості титанових сплавів присутній алюміній. Алюміній підвищує жароміцність і механічну міцність титану. Ванадій, манган, молібден і хром підвищують жароміцності титанових сплавів. Сплави добре піддаються гарячій та холодній обробці тиском, обробці різанням, мають задовільні ливарні властивості, добре зварюються в середовищі інертних газів. Сплави працездатні при температурі до 500 оС.
Залежно від легуючих елементів розрізняють такі типи титанових сплавів: α-, α+β і β-сплави, що розрізняються за властивостями. Титанові сплави α+β зміцнюється термічною обробкою. Загартовування і старіння призводять до зміцнення титанового сплаву завдяки підвищенню вмісту легуючих компонентів у β-фазі. Чим вище вміст легуючих елементів, тим нижче температура мартенситного перетворення при загартовуванні. Старіння сплаву при підвищених температурах (480-550 °С) забезпечує збільшення його міцності і твердості (рис. 10). Сплави типу а піддаються рекристалізаційному відпалу при 670-800 °С з метою стабілізації β-фази і зняття наклепу.
Рис. 10. Характерна структура титанових сплавів:
а – після загартовування; б – після загартовування і старіння
Титанові сплави класифікують за:
- технологічним призначенням на ливарні і деформуючі;
- механічними властивостями – низької (до 700 МПа), середньої (700-1000 МПа) і високої (більш 1000 МПа) міцності;
- експлуатаційними характеристиками – жароміцні, хімічно стійкі та ін;
- відношенню до термічної обробки – зміцнювальні та не зміцнювальні;
- структурою (α, α + β- і β-сплави).
Деформуючі титанові сплави по механічній міцності випускаються під марками:
- низької міцності – ВТ1;
- середньої міцності – ВТ3, ВТ4, ВТ5;
- високої міцності ВТ6, ВТ14, ВТ15 (після загартовування і старіння) [2,8].
Титан – незамінний конструкційний матеріал у виробництві хлоридів кальцію і амонію методом випаровування. Випарні апарати з легованої сталі у виробництві хлориду кальцію вимагають капітального ремонту через 3- 4 місяці, а титанові апарати працюють протягом 3-4 років.
Останнім часом як конструкційні матеріали починають використовувати сплави титану і цирконію з танталом. Сплав титан-тантал володіє високою антикорозійною стійкістю, наближаючись в цьому відношенні до платини. Наприклад, сплав, що містить 50 % танталу, стійкий до гарячих концентрованих розчинів сульфатної, фосфорної і хлорводневої кислот.