Тема 17. Тугоплавкие металлы и их сплавы

26.2). Тугоплавкие металлы и их сплавы

Наибольшее значение в технике имеют следующие тугоплавкие металлы: Nb, Mo, Cr, Ta и W соответственно с температурой 2468, 2625, 1875, 2996 и 34100С. Тугоплавкие метал-лы и их сплавы используют главным образом как жаропрочные.

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склон-ны к хрупкому разрушению в результате высокой температуры порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примеси внедрения С, N, H и O.

Таблица 46

Свойства некоторых сплавов тугоплавких металлов

Сплав t, 0C  

МПа

Сплавы на основе ниобия

ВН2 ( 4,5% Mo; 0,05%C) 20

1200 850

180-200 -

-

ВН2A ( 4,1% Mo; 0,7%Zr; 0,08%C) 20

1200

1500 850

300

170 -

-

-

ВН3 (4,6% Mo; 1,4%Zr; 0,12%C) 20

1200 800

850 -

-

ВН4 ( 9,5% Mo; 1,5%Zr; 0,03%La; 0,3%C) 20

1200

1500 800

250

170 -

-

-

Сплавы на основе молибдена

ЦМ2А (0,11% Zr; 0,2 %Ti ; 0,004%C) 20

1200

1600 800

300

60 -

90

-

ЦМ3 (0,3% Zr; 0,02 %C) 1200 500 180

-

ЦМ6 (0,15% Zr; 0,002% В ; 0,004 %C) 1200 350 -

ВМ2 (0,32 % Zr; до 0,2 %Ti ; до 0,2 %Nb) 20

1200 75

450 -

150

ВМ3 ( 0,45% Zr; 1,10%Ti ; 0,35% C; 1,25%Nb) 20

1200

1300 830

-

500 -

-

260

Сплавы на основе вольфрама

ВВ2 (система W- Nb) 1200 130 80

После деформации ниже температуры рекристаллизации (1100-13000С) порог хладно-ломкости молибдена и вольфрама понижается. Ниобий и тантал хорошо свариваются. Они обладают высокой коррозионной стойкостью. Тугоплавкие металлы используются в радио- и электронной промышленности, в химическом машиностроении, стекольной промышленности. Жаропрочность чистых металлов невелика. Более высокой жаропрочностью обладают сплавы на основе тугоплавких металлов, хотя ее повышение сопровождается понижением пластичности. Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью, поэтому при температуре свыше 400-6000С их нужно защищать от окисления. Тугоплавкие металлы широко используют в качестве жаропрочных для работы в неокислительной среде - в вакууме, водороде инертных газах, а также среде отходящих пороховых газов.

Весьма перспективны для многих отраслей техники сплавы на основе ниобия. Они обдают хорошей технологичностью, свариваемостью и достаточно высокой жаропрочно-стью.

Температура хладноломкости ниобия ниже -1960С. Благодаря высокой коррозион-ной стойкости и малому сечения захвата тепловых нейтронов сплавы ниобия нашли приме-нение в конструкциях ядерных реакторов.

Для повышения жаропрочности ниобий легируют молибденом, вольфрамом, упроч-няющим твердый раствор, и цирконием, который не только упрочняет твердый раствор, но и образует карбидные и нитридные фазы.

Тема18. Титан и сплавы на его основе

18.1. Титан

Титан - металл серого цвета. Температура плавления титана (1668±5)0С.Титан имеет две аллотропические модификации: до 8820С существует -титан ( плотность 4,505 г/см3), который кристаллизуется в ГЦК- решетку с периодами  = 0,2951 нм и с = 0,4684 нм. (с/а = 1,587), а при более высоких температурах  - титан ( при 9000С плотность 4,32 г/см3 ), имеющий ОЦК решетку, период которой  = 0,3282 нм. Технический титан изготавливают двух марок: ВТ1-00 ( 99,53 % Ti) и ВТ1-0 (99,46 % Ti).

Азот, углерод, кислород и водород увеличивают твердость и прочность титана, но по-нижают пластичность, ухудшают свариваемость и снижают сопротивление коррозии (рис. 69).

аблица 47

Механические свойства технического титана ВТ1-00 и ВТ1-0

 , МПа ,% ,% КСU МДж/м2 -1 , МПа Е, МПа

300-550 20-25 60-80  1,0-1,2 160-225 14 *104

На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка, повышающая со-противление коррозии в морской воде, в некоторых кислотах и других агрессивных средах. Титан устойчив к кавитационной коррозии.

Технический титан обрабатывается давлением, сваривается дуговой сваркой в атмо-сфере защитных газов и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Титан по-ставляется в виде листов, труб, прутиков, проволоки и других полуфабрикатов.

18.2. Сплавы на основе титана

Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает его прочность  ), и одновременно снижает пластичность ( ) и вязкость (KCU). Жаропрочность повышают Al, Zr, Mo, а коррозионную стойкость в растворах кислот - Mo, Zr, Nb, Ta и Pd. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность . Как и в железных сплавах, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана. Такие элементы, как Al, N,O, повышают температуру полиморфного превращения  и расширяют область  - фазы; их называются  -стабилизаторам. Такие элементы, как Mo, V, Mn, Fe, Cr понижают температуру полиморфного превращения  и расширяют область  - фазы; их называют  - стабилизаторами (рис. 70). Некоторые  - стабилизаторы (Cr, Mn, Fe и др.) образуют с титаном интерметаллические соединения ТiXMY. Такие  - стабилизаторы называют эвтектоидообразующие.

В соответствии со структурой различают:

- сплавы, имеющую структуру (рис.71а) - твердый раствор легирующих элементов в - титане; основной легирующий элемент в этих сплавах - алюминий, кроме того, они могут содержать нейтральные элементы (Sn, Zr) и небольшое количество  - стабилизаторов (Mo, Mn, Fe, Cr);  сплавы (рис. 71б), состоящие из - и - стабилизаторов (Mn, Fe, Cr).

Термическая обработка титановых сплавов. Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению и химико-термической обработке. Чаще титановые сплавы подвергаются отжигу.

Отжиг  - сплавов при 800-8500С и сплавов  - при 750-8000С. Применяется изо-термический отжиг - нагрев до 870 - 9800С сплава и далее выдержка при 530 - 6600С. С по-вышение количества - стабилизаторов температура отжига снижается. Температура отжига  не должна превышать температуры превращения    (температуры Ас3) так как в - области происходит сильный рост зерна, что сильно снижает пластичность. Вязкость раз-рушения К1с возрастает при повышении температуры в области  при сохранении высо-кой пластичности.

Для обеспечения высокой конструктивной прочности следует применять отжиг при температуре на 20-300С ниже температуры    превращения.

В последние годы все шире применяют вакуумный отжиг, который позволяет умень-шить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повыше-нию вязкости разрушения, уменьшению склонности к замедленному разрушению и корро-зии растрескавания.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке - и  применяют неполный отжиг при 550-6500С. С увеличение - стабилизаторов временное сопротивление и предел текучести отожженных сплавов возрастает. При содержании 50% - на 50%  - фаз они достигают наибольшего значения. Далее они могут быть упрочнены закалкой и с последующим старением (отпуском).

При охлаждении со скоростью выше критической (закалка) сплавов, нагретых до об-ласти  - фазы, протекает мартенситное превращение в интервале температур Мн-Мк (рис. 72). Мартенситная  - фаза представляет собой перенасыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в  - титане с гексагональной решеткой.

При высокой концентрации легирующего элемента возникает мартенситная  - фа-за с ромбической решеткой и  - фаза с гексагональной структурой, появление которых уменьшает твердость и прочность закаленных сплавов и увеличивает их пластичность. Появление - фазы вызывает уменьшение твердости и прочности закаленных сплавов и увеличение их пластичности (рис. 73а). Мартенситная - фаза при легировании титана эв-тектоидообразующими  - стабилизаторами ( Cr, Mn, Fe, Si и др.) не образуется (рис. 73б).

При высоком содержании  - стабилизаторов после закалки структура состоит из  или  фазы, где  - фаза охрупчивает сплав. Во избежание сильного роста зерна закалку прово-дят от температур, соответствующих области , чаще от 850-9500С

При последующем старении закаленных сплавов происходит распад мартенситных   - фаз, а так же метастабильной  - фазы, что немного повышает прочность. Наибольшее упрочнение после закалки и старения получают сплавы с высоким содержанием - стабилизаторов. Упрочняющую термическую обработку для крупных деталей из титановых сплавов применяют редко. Это объясняется малой прокаливаемостью титановых сплавов, низким значением вязкости разрушения (К1с) и короблением деталей.

Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения подвергаются ХТО (химико-термической обработке). Для повышения износостойко-сти титан азотируют при 850-9500С в течение 30 - 60 ч в атмосфере азота. толщина диффузи-онного слоя в сплавах титана после азотирования при 9500С в течение 30 ч. 0,05-0,15 мм 750-900HV

Промышленные сплавы титана. Сплавы титана применяют там, где главную роль играет небольшая плотность, высокая удельная прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии.

Титановые сплавы применяются в авиации, ракетной технике, в химическом машино-строении во многих других отраслях народного хозяйства.

Деформируемый сплав ВТ5 хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и сваривается; обладает высокой сопротивляемостью коррозии, не склонна к водородной хрупкости. Дополнительное легирование сплава оловом улучшает технологические и меха-нические свойства сплава.

Сплавы типа ОТ4 хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояни-ях, свариваются всеми видами сварки, но склонны к водородной хрупкости.

Наилучшие сочетания достигаются в () сплавах. Сплав ВТ6 обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической обработкой (за-калкой от 900-9500С и старением при 450-5000С) после закалки  = 1000-1050 МПа, а после старения в течение 2-8 часов  = 1200-1300 МПа. Отжиг проводится при 750- 8000С. Для сварных конструкций применяется сплав ВТ14 , содержащий меньше алюминия (5,5 %)

Сплав ВТ14 рекомендуется применять для изготовления тяжело нагруженных деталей, а так же деталей, длительное время работающих при 4000С или кратко временно при 5000С. Сплав упрочняется закалкой от 850-8800С в воде с последующим старением при 480-5000С 12-16 ч. Полный отжиг проводят при 750-8000С, а не полный - при 600-6500С.

Сплав ВТ8 применяют после изотермического отжига, в результате которого он приоб-ретает высокое сопротивление ползучести и длительную прочность, поэтому он применяется как жаропрочный (до 450-5000С). Сплав хорошо сваривается и используется главным образом в виде поковок и штамповых заготовок. Для фасонного литья применяются сплавы ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают достаточно хорошими литейными и механическими свойствами.

Таблица 48

Химический состав (по легирующим элементам) и типичные механические

свойства некоторых титановых сплавов титана* в отожженном состоянии

Сплав Содержание элементов

(остальное титан), % Механические свойства Вид

полуфабриката

Al

V

Mo Дру-гие

элементы

, МПа ,

не менее KCU, МДж/м2

не ме-нее

не ме-нее , МПа,

не менее

 - сплавы

ВТ5 5 - - - 750-950 10 0,5 - Отливки, про-фили, поковки

ВТ5-1 5 - - 2,5 Sn 800-

1000 10 0,4 400 Листы, профи-ли, трубы

ОТ4* 4 - - 1,5Mn 11 0,4 420 Листы, полосы, ленты

 - фаза

ВТ6 6 4,5 - 950-1170 8,0 0,4 530 Поковки, листы, трубы

ВТ14 5,5 1,3 3,0 900-1050 10 0,5 400 Поковки, штамповые за-готовки

ВТ8 6,5 - 3,5 0,3 Si 1050-1250 11 0,3 530 Тоже

* Псевдосплав ; в его структуре  - фаза  (1- 5) %  фазы