Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Литье титановых сплавов

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 235700.03.01
Доступ онлайн
от 212 ₽
В корзину
Изложены теоретические и технологические основы процессов, имеющих место при производстве слитков и отливок изтитановыхсплавов. Приведены сведения о свойствах, химическом и фазовом составах литейных и деформируемых титановых сплавов, а также о конструкциях плавильных печей и плавильно-заливочных установок, методах изготовления литейных форм и способах повышения их химической инертности. Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Материаловедение и технологии материалов». Может быть полезно студентам вузов других специальностей при изучении материаловедческих и технологических процессов.
Бибиков, Е. Л. Л итье титановых сплавов: учебное пособие / Е.Л. Бибиков, А.А. Ильин. — М.: Альфа-М : ИНФРА-М, 2017. — 304с.: ил. — (Магистратура). - ISBN 978-5-98281-364-0. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/792139 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
0
1
7
Допущ ено 
Учебным 
объединением 
высш их 
учебных 
заведений 
РФ  
по 
образованию  
в 
област
и 
мат
ериаловедения,
 
т
ехнолог
ии 
мат
ериалов 
и 
покрыт
ий 
в 
качест
ве 
учебног
о 
пособия 
для 
ст
удент
ов 
высш их 
учебных 
заведений,
 
обучаю щ ихся 
по 
направлению  
подг
от
овки 
маг
ист
ров 
2
2
.
0
3
.
0
1
 
(
1
5
0
1
0
0
)
 
«
М ат
ериаловедение 
и 
т
ехнолог
ии 
мат
ериалов»
Е.
Л.
 
Бибиков
А.
А.
 
И льин
Литье
титановых 
сплавов
УДК 669.018(075.8)
ББК 34.24
Б59
Р е ц е н з е н т ы:
доктора технических наук А.М. Мамонов, Н.А. Ночовная
Бибиков, Е.Л.
Литье титановых сплавов : учебное пособие / Е.Л. Бибиков, А.А. Ильин. – М. : АльфаМ : ИНФРАМ, 2017. – 304 с. :
ил. – (Магистратура).
ISBN 9785982813640 («АльфаМ»)
ISBN 9785160091501 («ИНФРАМ»)
Изложены теоретические и технологические основы процессов,
имеющих место при производстве слитков и отливок из титановых сплавов.
Приведены сведения о свойствах, химическом и фазовом составах литейных и деформируемых титановых сплавов, а также о конструкциях плавильных печей и плавильнозаливочных установок, методах изготовления
литейных форм и способах повышения их химической инертности.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Материаловедение и технологии материалов». Может быть полезно студентам вузов других специальностей при изучении материаловедческих и технологических
процессов.
УДК 669.018(075.8)
ББК 34.24
© Бибиков Е.Л., Ильин А.А., 2014
© «АльфаМ» : «ИНФРАМ», 2014
Б59
ISBN 9785982813640 («АльфаМ»)
ISBN 9785160091501 («ИНФРАМ»)
В
ВЕДЕНИЕ.
СВОЙСТВА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
Титан является одним из наиболее распространенных элементов. По содержанию в земной коре он стоит на десятом месте, а среди металлов, используемых в качестве конструкционных материалов, занимает четвертое место, уступая только
алюминию (8,8 %), железу (5,1 %) и магнию (2,35 %); (титан –
0,61 %, а все остальные используемые в промышленности металлы – 0,2 %).
Титан расположен в IVA подгруппе первого большого периода
Периодической системы Д.И. Менделеева, атомный номер титана 22, атомная масса 47,90. Температура плавления 1665 С. Титан
имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная
модификация существует до 882,5 С, обладает гексагональной
плотноупакованной решеткой. При температуре 25 С периоды
решетки титана составляют: а = 0,295111 нм; с = 0,468433 нм;
с/а = 1,587. Высокотемпературная модификация (титан) устойчива от 882,5 С до температуры плавления, имеет объемноцентрированную кубическую решетку с периодом 0,3282 нм.
По плотности титан занимает промежуточное положение между двумя основными конструкционными металлами – алюминием и железом. Плотность титана при комнатной температуре равна 4,505 кг/м3. Плотность титана при 900 С равна 4319 кг/м3, а
жидкого титана при температуре, близкой к температуре кристаллизации, – 4110 кг/м3.
Отличительная особенность титана – низкий коэффициент
теплопроводности: при температуре 20 С он равен 13,4 Вт/(мК),
что в 13 раз меньше, чем у алюминия, и в 5 раз меньше, чем у железа.
Удельная теплоемкость титана при 20 С равна 0,525 кДж/(кгК).
С ростом температуры удельная теплоемкость возрастает и при
температуре 1500 С достигает 0,698 кДж/(кгК).
При температуре 1700–1750 С удельная теплоемкость жидкого титана равна 1,18 кДж/(кгК), а коэффициент теплопровод
ности – 24 Вт/(мК). Удельная теплота кристаллизации титана составляет 419 кДж/кг, что в 1,6 раза больше, чем у железа. Поверх
ностное натяжение жидкого титана при 1700–1750 С составляет
1390 40 МДж/м2.
При относительно невысоком содержании примесей титан обладает хорошей пластичностью и низкой прочностью (табл. В1).
Таблица В1. Сравнительная характеристика свойств титана и других конструкционных металлов
Показатель
Титан
Алюминий
Магний
Железо
Никель
Медь
Температура плавления, С
1665
659
650
1539
1455
1083
Температура кипения,С
5100
2100
1090
2735
3337
2360
Плотность , кг/м3
4500
2700
1740
7860
8800
8900
Предел прочности при
растяжении в, МПа
340
98
98
196
320
245
Удельная прочность,
(
/
)
в
102
7,5
3,6
5,6
2,5
3,6
2,7
Удлинение, %
50
40
20
40
40
50
Коэффициент теплопроводности, Вт/(мK)
13,4
217,9
145,7
84
59,5
385,5
Содержание в земной
коре, %
0,61
8,8
2,35
5,1
0,018
0,01
Механические свойства титана очень сильно зависят от примесей кислорода, азота и углерода, которые образуют с титаном
твердые растворы и различные химические соединения. Наиболее
сильное упрочняющее действие с одновременным снижением
пластичности на титан оказывают азот, затем кислород и углерод.
Модуль нормальной упругости Е титана в зависимости от ориентировки кристаллических зерен и содержания примесей изменяется в широких пределах – от 106 до 146 ГПа. Среднее значение
модуля упругости Е = 112 ГПа. С повышением температуры модуль упругости снижается почти по линейному закону и при
600 С равен 70–80 ГПа.
6
Введение. Свойства и область применения титана и его сплавов
Небольшой модуль упругости – недостаток титана как конструкционного материала, так как в отдельных случаях для получения жестких конструкций приходится увеличивать сечения изделия по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.
В табл. В1 приведены сведения о некоторых свойствах титана и
других металлов, являющихся основой большинства конструкционных сплавов.
Титан – химически активный металл, тем не менее во многих
агрессивных средах он обладает исключительно высоким сопротивлением коррозии, в большинстве случаев выше, чем у лучших
марок нержавеющих сталей. Такое поведение титана связано с образованием на его поверхности плотной оксидной пленки TiO2,
которая надежно защищает металл до температур 300–500 С. Поэтому титан химически инертен в тех средах, которые либо не разрушают TiO2, либо способствуют ее образованию. Так, титан устойчив в разбавленной серной кислоте, уксусной и молочной кислотах, сероводороде, во влажной хлорной атмосфере, в царской
водке и во многих других агрессивных средах. Введение в титан таких легирующих элементов, как молибден, цирконий, ниобий,
тантал, значительно повышает коррозионную стойкость титана.
Титан интенсивно реагирует с плавиковой, соляной и серной
кислотами, с горячими растворами щавелевой, трихлоруксусной
кислот, а также с галогенами, фтористыми соединениями, смесями фтористых и хлористых солей щелочных металлов. При температуре выше 500–700 С оксидная пленка TiO2 растрескивается и
ее защитные функции резко снижаются. Поэтому при высоких
температурах и особенно в жидком состоянии титан активно взаимодействует практически со всеми известными простыми и сложными по химическому составу веществами, особенно с газами –
кислородом, азотом, водородом, оксидом и диоксидом углерода,
водяным паром и др.
Титановые сплавы обладают замечательной совокупностью
свойств, которые выгодно выделяют их из остальных сплавов.
Вопервых, это высокая прочность при малом удельном весе. В табл. В2 приведены данные по удельной прочности (в/) ряда конструкционных сплавов, откуда следует, что детали из титановых сплавов при той же массе, что и детали из других конструкВведение. Свойства и область применения титана и его сплавов
7
ционных сплавов, оказываются примерно в 2–3 раза прочнее.
С увеличением температуры эта разница существенно возрастает.
Таблица В2. Сравнительная характеристика механических свойств литейных
сплавов (удельная прочность)
Основа
сплава
Марка сплава
Плотность ,
кг/м3
Предел прочности в, МПа
Удельная прочность (в/)102
Алюминий
АК12
АК9
АМ5
2660
2650
2780
160
230
335
6,0
8,7
12,0
Магний
Мл5
Мл12
1830
1810
230
230
12,6
12,7
Железо
Сталь 25Л
Х18Н9ТЛ
7850
7900
450
490
5,7
6,2
Титан
ВТ5Л
ВТ20Л
4410
4500
690
940
15,4
20,9
Вовторых, титан отличается исключительной химической
стойкостью при низких температурах (до 300–500 С). Во влажном воздухе, морской воде, азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже лучших марок нержавеющих сталей, а в соляной кислоте – во много раз лучше ее.
К недостаткам титана и его сплавов можно отнести:
высокую химическую активность титана при высоких температурах, особенно в жидком состоянии. Это обстоятельство серьезно
осложняет проведение технологических операций, при которых
требуется нагрев металла до высоких температур (плавка и литье,
сварка, обработка давлением и др.);
относительно плохую обрабатываемость резанием;
более высокую стоимость производства титана по сравнению с
железом, алюминием, магнием, медью.
Уникальные свойства титана и его сплавов определяют их широкое использование.
Титановые сплавы находят широкое применение как конструкционный материал в ряде ведущих отраслей техники, в первую
очередь в авиакосмической, ракетной, судостроительной и химической промышленности.
8
Введение. Свойства и область применения титана и его сплавов
Применение титановых сплавов позволяет значительно повысить техникоэкономические показатели машиностроительной
продукции, поэтому объем производства титана и титановых
сплавов непрерывно возрастает. По темпам роста производство
титана не имеет равных себе среди прочих конструкционных металлов. Первые две тонны титана были получены в 1947 г., в 1954 г.
производство составило 5000 т, а в 1976 г. мировое производство
превысило 200 000 т.
Интенсивное развитие производства титана связано с рядом
его уникальных свойств, таких, как низкая объемная плотность,
высокие механические свойства, отличная коррозионная стойкость в морской воде и ряде агрессивных химических сред, относительно хорошие технологические параметры.
На начальном этапе промышленного использования титановых сплавов была освоена технология литья слитков и получения
из них листов, поковок, штамповок, прутков, труб, профилей путем
деформирования. На этом этапе основное внимание было сосредоточено на разработке технологического процесса плавки и литья
слитков и создании высокопрочных и технологичных деформируемых титановых сплавов. Были опробованы и исследованы различные технологические варианты плавки и литья. В конечном
итоге появились промышленные установки для производства
слитков, в которых плавка и литье слитков осуществляются в вакууме, расплавление металла производится электрической дугой,
а в качестве шихты для первого переплава используют специально
изготовленный расходуемый электрод из титановой губки и легирующих компонентов. Получаемые при этом способе плавки
слитки неоднородны по химическому составу, поэтому их вторично переплавляют, используя в качестве расходуемого электрода
для получения слитка второго переплава, металл которого при соблюдении технологического процесса становится однороден по
химическому составу.
Подобный технологический процесс изготовления слитков
имеет ряд недостатков, которые не позволяют повысить его экономическую эффективность. Поэтому изыскиваются новые варианты плавки и литья слитков. Весьма перспективен при производстве слитков гарнисажный метод плавления шихты, который
позволяет вводить в плавку необходимое количество производстВведение. Свойства и область применения титана и его сплавов
9
венных титановых отходов и обеспечивает получение однородного по химическому составу расплава.
Данный метод плавки металла и литья слитков отличается высокой экономической эффективностью. Однако для его широкого практического использования необходимо решить сложные
металлургические и технические проблемы. Поэтому в ближайшей перспективе основной принципиальной схемой плавки и литья
слитков из титановых сплавов останется технологический процесс, разработанный на начальном этапе промышленного использования титановых сплавов.
В середине 1950х гг. был разработан технологический процесс изготовления фасонных отливок из титановых сплавов. Были
спроектированы и изготовлены специальные виды оборудования,
созданы композиции формовочных материалов для производства
литейных форм. В последующие годы технологический процесс
совершенствовался и в настоящее время для изготовления отливок используются:
вакуумные электродуговые печи с плавкой расходуемого электрода в гарнисажных графитовых или медных тиглях;
литейные формы, изготовленные из наиболее огнеупорных и химически инертных по отношению к титану материалов, с последующей их обработкой, направленной на повышение их химической инертности;
центробежное литье в вакууме фасонных отливок, обеспечивающее улучшение заполняемости литейных форм и повышение качества литого металла.
Применяемый в настоящее время технологический процесс
позволяет получать отливки сложной конфигурации с высоким
качеством металла. Вместе с тем отдельные этапы технологического процесса производства фасонных отливок из титановых
сплавов требуют дальнейшего совершенствования. В первую очередь это относится к разработке:
новых способов заполнения рабочей полости литейных форм расплавом вместо центробежного литья;
методов, повышающих химическую инертность литейных форм;
мероприятий, направленных на снижение расхода металла на
литниковопитающую систему;
более эффективных методов плавления титановых сплавов.
10
Введение. Свойства и область применения титана и его сплавов
Решение этих проблем позволит значительно повысить экономическую эффективность производства деталей из титановых
сплавов методами фасонного литья и улучшить качество литого
металла.
Титан и его сплавы широко используются в производстве летательных аппаратов и в первую очередь в производстве самолетов, ракет и их двигателей.
Применение титана в планере самолета позволяет уменьшить
его массу на 20–25 % и соответственно увеличить скорость и дальность полета, грузоподъемность, маневренность. Из титановых
сплавов изготовляют различные детали реактивных двигателей –
кожухи камеры сгорания, капоты, роторы турбин, компрессорные лопатки и др., а также каркасы фюзеляжа, шпангоуты, трубопроводы, лонжероны, детали шасси, обшивки самолета. Из титана изготовляют и крепежные изделия – болты, гайки, заклепки.
Масса деталей из титановых сплавов достигает 25–28 % массы
всего двигателя, а в планере самолета масса титановых сплавов
равна примерно 7–10 %. Суммарная масса деталей из титановых
сплавов в самолете Ту154 составляет 490 кг, т.е. 2 % массы самолета, а в более современном самолете Ту204 масса титановых деталей 2560 кг, или 9 % его общей массы. В самолете Ил96300 масса титановых деталей достигает 8295 кг (9,5 % массы самолета).
В современных истребителях общая масса деталей из титановых
сплавов приближается к 25–30 % массы самолета.
Широкое применение титановые сплавы находят в космических кораблях и аппаратах, ракетахносителях. Космический корабль «Аполлон» содержит 60 т различных деталей и агрегатов из
титановых сплавов. Почти полностью были выполнены из титановых сплавов космические корабли США серий «Меркурий» и
«Джеминч», ракетаноситель «Титан» и др.
Отличная коррозионная стойкость титана в морской среде в
совокупности с малым удельным весом и высокой прочностью делают его весьма ценным конструкционным материалом для судостроения. Детали из титановых сплавов отлично противостоят
эрозии и кавитации. В движущейся морской воде со взвешенными в ней песчинками титан примерно в 12 раз более стоек, чем самые лучшие сплавы, используемые для данных целей. Из титановых сплавов изготовляют валы, гребные винты, обшивку подводВведение. Свойства и область применения титана и его сплавов
11
Доступ онлайн
от 212 ₽
В корзину