Производство титана

Титан – металл стального цвета с Т_пл =1665 ⁰С и плотностью ρ = 4,5 г/см³ имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК). Чистый титан достаточно прочный (G_в=250 МПа) и весьма пластичен (d =20…30%). Улучшение механических свойств титана достигается при легировании его Al, Cr, Mo, Nb, V, Zn, Sn и другими элементами. Сочетанием легирования и термической обработки получают сплавы на основе титана с пределом прочности при растяжении до 1300…1600 МПа, т.е. по механическим характеристикам титан может конкурировать с высокопрочными сталями. Следует также указать, что многие стали (особенно высокопрочные) с понижением температуры становятся хрупкими. Титан с понижением температуры становится прочнее и не теряет пластичности.

Благодаря тому, что титановые сплавы прочны, легки, тугоплавки, а также коррозионно устойчивы, они являются весьма ценным конструкционным материалом. Титан и его сплавы находят широкое применение в авиационной технике и ракетостроении, судостроении, химической и пищевой промышленности.

Наиболее широкое распространение получил магнийтермический способ получения титана. Титан и магний обычно производят на одном заводе: MgCl₂ – побочный продукт производства титана, служит сырьем для получения магния.

Процесс получения титана складывается из следующих этапов.

1 Добыча титановой руды. В земной коре титана приблизительно 0,61%. Известно более 70 минералов, содержащих титан. Промышленное значение имеют следующие минералы:

1) Ильменит (FeO·TiO₂)

2) Рутил (TiO₂)

2 Обогащение руды. Титановые руды обычно обогащаются. Содержание двуокиси титана (TiO₂) в рудах составляет 10…60%. В результате обогащения получают концентраты руд с содержанием 42…65%TiO₂.

3 Производство титанового шлака заключается в отделении окислов железа от двуокиси титана. Этот процесс осуществляется путем плавления брикетов, состоящих из смеси концентрата, древесного угля и связующего, в специальных дуговых печах. В процессе плавки и выдержки при температуре 1700 ⁰C железо восстанавливается: FeO + C= Fe+CO₂, далее оно науглероживается, и получается чугун. Оксид титана TiO₂ переходит в шлак, который скачивают и применяют для получения тетрахлорида титана (TiCl₄).

4 Получение тетрахлорида титана производится из титанового шлака (65…85% TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO), который подвергают хлорированию. Для этого шлак брикетируют с коксом и связующим, прокаливают без доступа воздуха при 650…800ºC, после чего подвергают хлорированию в специальных шахтных печах электросопротивления при 800…1250⁰C. В присутствии углерода, интенсифицирующего реакцию, образуются TiCl₄: TiO₂+Cl₂+C→TiCl₄ +CO₂. При этом в качестве побочных продуктов образуются хлориды других металлов (Ca, Mg, Fe и так далее). Смесь хлоридов в парообразном состоянии идет на разделение. По методу ректификации за счет различной температуры кипения хлоридов происходит очищение TiCl₄ от побочных продуктов. Малолетучие хлориды Mg и Ca и других металлов образуют жидкость, из которой электролизом получают магний и хлор.

5 Получение титановой губки из тетрахлорида титана осуществляется в специальных стальных ретортах. В стальной стакан реторты помещают магний, реторту закрывают крышкой с теплоизоляцией и откачивают из нее воздух. Затем реторту заполняют аргоном и подогревают до температуры 850…900 ⁰C. В нагретую реторту подают в парообразном состоянии TiCl₄, который взаимодействует с расплавленным магнием:

TiCl₄+Mg→Ti+MgCl₂.

Металлический титан осаждается на стенках реторты в виде губки, а MgCl₂ в виде расплава периодически сливают через трубопровод по желобу. По окончании процесса реторту охлаждают и извлекают из печи. Получается титановая губка, имеющая состав: 55…60% Ti, 20…30% Mg, 15…20% MgCl₂.

6 Очистка титановой губки методом вакуумной дистилляции заключается в выдержке губки в течение нескольких десятков часов в вакууме при температуре 900…950 ⁰C в специальной вакуумной печи. В результате Mg и MgCl₂ испаряются, и титановая губка становится более чистой.

7 Рафинирование титановой губки методом переплава. Плавка титана связана с большими техническими трудностями, так как при высоких температурах расплавленный титан очень активен, поэтому плавку титановой губки осуществляют в вакуумных электродуговых печах с медным водоохлаждаемым тиглем. Одним из электродов служит стержень из прессованной титановой губки, другим – расплавленный металл. Нижняя часть электрода при горении дуги оплавляется. Капли титана стекают в тигель, образуя после затвердевания слиток. Слитки получают массой 500кт…5т диаметром 800…850мм. Вакуум предохраняет слитки от окисления и способствует очищению металла от газов. Полученные слитки могут иметь дефекты (раковины, поры), поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. Чистота титана, полученного переплавкой губки, составляет обычно 99,6…99,7%. Более чистый титан получают методом йодидной очистки, основанной на термической диссоциации TiJ₄ на поверхности титановой проволоки (эффективный, но малопроизводительный и дорогой метод).

2.5 Классификация и маркировка металлических

конструкционных материалов

2.5.1 Классификация и маркировка сталей

Детали машин и приборов, передающие нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа и углерода.

Углеродистая сталь – сложный по химическому составу сплав железа Fe с углеродом C и другими постоянными примесями: марганцем Mn, кремнием Si, серой S и фосфором P, которые оказывают влияние на ее свойства. Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами (в процентах): С – до 2,14; Mn – до 0,8; Si – до 0,5; Р – до 0,07 и S – до 0,06.

Все стали классифицируют по следующим основным признакам.

По химическому составу – на углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (<.0,3% С), среднеуглеродистые (0,3…0,7 %С) и высокоуглеродистые (>0,7% С). По количеству введенных элементов легированные стали разделяют на низколегированные с суммарным содержанием легирующих элементов до 5%, среднелегированные – 5…10% и высоколегированные – не более 10%. По качеству стали делят на стали обыкновенного качества – содержание S до 0,060% и Р до 0,070%, качественные – не более 0,040 % S и 0,035% Р, высококачественные – не более 0,025% S и 0,025% Р, особовысококачественные – не более 0,015% S и 0,025% Р.

По степени раскисления стали подразделяют на спокойные (сп), раскисленные полностью марганцем, кремнием и алюминием; кипящие (кп), раскисленные не полностью только марганцем; полуспокойные (пс), занимающие промежуточное значение между спокойными и кипящими, раскисленные марганцем и кремнием.

По назначению стали классифицируют: конструкционные, инструментальные и стали со специальными физико-химическими свойствами.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества наиболее дешевые. Их выпускают в виде различного проката. Маркируют их сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Чем больше цифра в марке стали, тем больше содержится в стали углерода, выше ее прочность и твердость, но ниже пластичность и вязкость. Степень раскисления обозначается добавлением в конце марки соответствующего индекса: сп, кп или пс. В марке спокойной стали такой индекс может отсутствовать. Например, несколько марок сталей: Ст0, Ст3кп, Ст4сп, Ст5пс.

Углеродистые конструкционные качественные стали маркируются двухзначными числами: 05, 08, 10, 15, 20…85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10% С, сталь 45…0,45% С и т.д.

Углеродистые инструментальные стали производят качественными: У7, У8, У9…У13 и высококачественными: У7А, У8А…У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а число – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А указывает, что сталь высококачественная.

К углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7…1,2%), например стали марок Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс, 15Г, 20Г, 25Г…70Г.

Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Принято обозначать: хром – Х, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, вольфрам – В, титан – Т, ванадий – Ф, алюминий – Ю, медь – Д, ниобий – В, бор – Р, кобальт – К, цирконий – Ц, фосфор – П, редкоземельные металлы – Ч, азот – А. Цифры, стоящие после буквы, указывают на примерное содержание легирующего элемента в целых процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента около 1,0%. При этом в начале марки легированной конструкционной стали стоят две цифры, указывающие на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20ХН3 в среднем содержит 0,20% С, 1% Cr , 3% Ni. Если сталь содержит менее 0,1% углерода, то первой цифрой марки будет ноль, например 08Г2С (содержит 0,08% С).

В марке легированной инструментальной стали на первом месте стоит цифра, указывающая на содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь 5ХНТ содержит 0,5% С. Если на первом месте цифра отсутствует, то сталь содержит около 1% углерода, например: сталь ХВГ содержит 0,9…1,0% С.

По качеству легированные стали бывают качественные, высококачественные и особовысококачественные. То, что сталь высококачественная, означает буква А в конце марки, особовысококачественная – буква Ш в конце марки, например: 20ХН3А – сталь высококачественная, 30ХГСШ – особовысококачественная.

Назначение легированных сталей определяется их химическим составом. Конструкционные легированные стали содержат углерода примерно до 0,45…0,50% (например, стали 40Х, 45Х2Н2МА, 50ХН). Инструментальные легированные стали характеризуются большим содержанием углерода (например, стали 6ХВ2С, 9ХС, ХВГ). В то же время инструментальные стали, легированные такими элементами, как вольфрам, ванадий, молибден, могут содержать и меньшее количество углерода (например, стали 3Х2В8Ф, 4ХВ2С, 4Х2В5ФМ, 5ХГМ).

Легированные стали со специальными физико-химическими свойствами составляют особенную группу сталей. Это, в большинстве, стали средне- и высоколегированные. К ним относятся, например, рессорно-пружинные стали, имеющие высокий модуль упругости, (50С2, 60С2, 65Г, 70С3А, 50ХФА. 60С2Н2А); жаростойкие и жаропрочные стали, обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах (12ХМ, 12ХМФ, 15Х5ВФ, 10Х12В2МФ, 10Х18Н10Т, 08Х14Н16Б); коррозионно-стойкие или нержавеющие стали, стойкие против действия внешней среды, (08Х13, 40Х13, 12Х17, 15Х28, 12Х18Н8); износостойкие стали (ШХ15, 30Х10Г10, 110Г13Л).

Более полные сведения о специальных сталях, их назначении и свойствах приведены в учебниках по металловедению и в соответствующих стандартах.

Марки некоторых групп углеродистых и легированных сталей имеют свои особенности, указывающие на принадлежность к этой группе.

Так, быстрорежущие инструментальные стали обозначаются буквой Р (рапид – скорость) в начале марки. Цифры после буквы Р указывают на содержание основного легирующего элемента – вольфрама в целых процентах. Кроме того, в состав быстрорежущих сталей входит 4,5% хрома и 2,5% ванадия, которые в марке не обозначаются. При более высоком содержании ванадия его среднее количество обозначается в марке. Например, сталь Р6М5 содержит: 0,85…0,95% С; 5,5…6,5% W; 3,0…3,6% Mo; 3,0…3,6% Cr; 2,0…2,5% V, а сталь Р9Ф5: 1,4…1,5% C; 9,0…10,5% W; 4,5…5,1% V; 3,8…4,4% Cr.

Марка подшипниковых сталей начинается с буквы Ш, дальше идут буква Х (хром) и цифры, указывающие на содержание хрома в десятых долях процента. Например, стали марок ШХ6, ШХ9, ШХ15 содержат более 1% С и, соответственно, 0,6; 0,9; 1,5% Cr. Эти стали дополнительно могут быть легированы кремнием до 0,85% и марганцем – до 1,7% (например, стали ШХ15ГС, ШХ20ГС).

Автоматные стали с увеличенным содержанием серы и фосфора дополнительно легируются свинцом (0,15…0,35%) – обозначается в марке буквой С, селеном (0,08…0,30%) – Е, кальцием (0,002…0,008%) – Ц. Они имеют особенно хорошую обрабатываемость резанием, поэтому применяются для обработки на станках-автоматах. В начале марки этих сталей ставится буква А, после которой записывается двухзначное число, показывающее среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например: А12, АС14, АЦ30ХН, А35Е.

Литейные стали для получения фасонных отливок маркируются двухзначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. После числа ставится буква Л. Легированные литейные стали маркируются соответственно общепринятой системе, а в конце марки ставится буква Л. Для определения степени ответственности отливок в марке литейных сталей, как правило, после буквы Л через дефис записывается цифра І, ІІ или ІІІ: І – отливки общего назначения; ІІ – ответственного назначения; ІІІ – особо ответственного назначения. Например: 30Л-І, 35ХМЛ-ІІ, 110Г13Л-ІІІ.

2.5.2 Маркировка чугунов

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% С. Постоянных примесей в них также больше, чем в сталях.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые обыкновенные, высокопрочные и ковкие чугуны. Название белых и серых чугунов определяется цветом излома, название ковкого – условное.

Серые обыкновенные, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.

Серыми обыкновенными называют чугуны с пластинчатой формой графита. При маркировке обозначаются буквами СЧ и двухзначным числом, показывающим наименьшее допустимое значение предела прочности при растяжении (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз. Например: СЧ15, СЧ25 (s_в ³ 150 МПа).

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Принцип маркировки высокопрочных чугунов тот же, что и серых обыкновенных. Например: ВЧ38 (s_в ³ 380 МПа).

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Маркируют ковкие чугуны двумя буквами КЧ и двумя цифрами, разделенными тире: первое число показывает наименьшее допустимое значение предела прочности на растяжение (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз, а второе – относительное удлинение (в процентах). Например: КЧ30-6 (s_в ³ 300 МПа, d ³ 6%).

2.5.3 Маркировка меди и ее сплавов

Техническая медь маркируется буквой М и числом. Например: М00 (99,99% Cu), М0 (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu), М4 (99,0% Cu).

В состав медных сплавов могут входить: цинк – Ц, алюминий – А, марганец – Мц, кремний – К, железо – Ж, фосфор – Ф, никель – Н, свинец – С, олово – О, бериллий – Б.

Латунями называют сплавы меди с цинком. Они бывают двух- и многокомпонентными. Подразделяют латуни на литейные и деформируемые.

Литейные латуни обозначаются буквами ЛЦ. Дальше идет число, которое указывает на содержание цинка в процентах, затем буквы и числа, указывающие на состав и содержание компонентов. Например: ЛЦ40С2 (40% Zn, 2% Pb, остальное Cu), ЛЦ23А6Ж3Мц2 (23% Zn, 6% Al, 3% Fe, 2% Mn, остальное – Cu).

При маркировке деформируемых латуней после буквы Л идет число, указывающее содержание меди в целых процентах, потом буквы – индексы компонентов, входящих в состав сплава, и далее через дефис – числа, указывающие количество в процентах. Например: Л96 (96% С и 4% Zn), ЛАЖ60-І-І (60% Cu, 1% Al, 1% Fe, остальное – Zn).

Бронзы – сплавы меди с другими элементами. Разделяются на оловянные и безоловянные, деформируемые и литейные. Бронзы маркируют так же, как и латуни, только индекс Л заменяют индексом Бр. Например: БрОЦС4-4-2,5 (4% Sn, 4% Zn, 2,5% Pb, остальное – Cu) – деформируемая бронза. В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу после буквы, которая определяет его название. Например: Бр06Ц6С3 (6% Sn, 6% Zn, 3% Pb, остальное – Сu).

2.5.4 Маркировка алюминия и его сплавов

В зависимости от содержания примесей алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты – А999 (99,999% Аl), высокой чистоты – А995, А99, А97, А95 и технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5, А0. Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления на деформируемые и литейные.

Алюминиевые деформируемые сплавы при маркировке записывают буквами и цифрами. Например: АМц, АМг2, Д1, В95, АК6. Числа указывают на номер сплава. Химический состав и механические свойства указываются в справочной литературе.

Литейные алюминиевые сплавы маркируются буквами АЛ (алюминиевые литейные), далее идут числа, которые указывают на номер сплава. Например: АЛ2, АЛ4, АЛ9 и т.д. Химический состав и механические свойства также указываются в справочной литературе.

2.5.5 Маркировка магния и его сплавов

В зависимости от содержания примесей установлены такие марки магния: Мг96 (99,92% Mq), Мг95 (99,82% Mq). Магниевые сплавы делят на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы маркируются буквами МА и числом, которое указывает на порядковый номер. Например: МА5, МА11, МА14, МА19.

Литейные магниевые сплавы обозначаются буквами МЛ и числом – порядковым номером сплава. Например: МЛ5, МЛ8, МЛ10.

2.5.6 Маркировка титана и его сплавов

Технический титан изготавливается следующих марок: ВТ1-00 (99,53% Ti), ВТ1-0 (99,48% Ti), ВТ1-1 (99,44% Ti). Титановые сплавы маркируются буквами ВТ и ОТ и числами, указывающими на номер сплава. Например: ВТ5, ВТ5-1,ОТ4, ОТ4-1, ВТ14, ВТ22. При этом состав и свойства сплавов приведены в справочной литературе. По способу изготовления изделий титановые сплавы бывают литейные и деформируемые.

2.5.7 Маркировка металлокерамических твердых сплавов

К ним относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана и тантала, связанных металлической связкой. В зависимости от состава карбидной основы, спеченные твердые сплавы выпускают трех групп.

Первую (вольфрамовую) группу составляют сплавы системы WС-Co. Они маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например: ВК6 (94% WС, 6% Co). Вторую группу (титановольфрамовую) образуют сплавы системы TiС-WС-Co. Они маркируются буквами ТК и цифрами, показывающими содержание (в процентах) карбида титана и кобальта. Например: Т30К4 (30% TiС, 4% Co, 66% WС).

Третью группу (титанотанталовольфрамовую) образуют сплавы системы TiС-ТаС-WС-Co. Они маркируются буквами ТТК и цифрами. Цифра в марке после букв ТТ обозначает суммарное содержание (в процентах) карбидов TiС+ТаС, а после буквы К – количество кобальта. Например: ТТ8К6 (TiС+ТаС=8%, 6% Со, 84% WС).