Титан и сплавы на его основе

Титан — элемент IV группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, порядковый номер — 22. Титан — металл серебристо-белого цвета. Температура плавления — 1670 °C. Этот металл имеет две полиморфные модификации. Низкотемпературная модификация — ?i?, решетка ГПУ, существует до 882 °C. Высокотемпературная модификация — Ti?, решетка ОЦК. Плотность ?-титана составляет 4,5 г/см3, а плотность ?-титана — 4,3 г/см3 при 900 °C.

Промышленные марки технического титана — ВТ1−00 (99,53% Ti) и ВТ1−0 (99,48% Ti). Особенности титана — малая плотность, высокая удельная прочность и хорошая коррозионная стойкость. Однако титан имеет низкий модуль упругости (почти в 2 раза меньший, чем у железа), что не позволяет изготавливать из него жесткие конструкции. К недостаткам титана относятся также низкие антифрикционные свойства и плохая обрабатываемость резанием (см. 11.5.3).

Технический титан широко применяется в химической промышленности для изделий, работающих в агрессивных средах.

Сплавы на основе титана

Основными преимуществами титановых сплавов являются: небольшая плотность (~ 4,5 г/см3), высокая стойкость против коррозии и высокие прочностные свойства; они не склонны к хладноломкости и сохраняют механические свойства даже при очень низких температурах. Для некоторых сплавов титана характерны, кроме того, хорошие жаропрочные свойства (но они ниже, чем у жаропрочных сталей).

Титановые сплавы превосходят медные сплавы по стойкости против коррозии в морской воде, а также в других агрессивных средах. Недостатки титановых сплавов те же, что у чистого титана, — плохая обрабатываемость резанием, высокий коэффициент трения, сравнительно невысокий модуль упругости.

Легирующие компоненты по их влиянию на структуру сплавов подразделяют на ?-стабилизаторы (Al, Sn) и ?-стабилизаторы (Mo, V, Mn, Сг и др.). Первые расширяют область существования ?-фазы, повышая температуру полиморфного? >? превращения, действие вторых противоположно.

Различия структурных классов титановых сплавов в зависимости от легирующих компонентов и их количества представлены в табл. 8.2.

Сплавы с a-структурой (основной легирующий компонент — алюминий) обладают относительно невысокой прочностью при 20 °C, но более высокой при низких и повышенных температурах (400…500 °С). Эти сплавы не упрочняются термической обработкой. Пластичность таких сплавов пониженная, обработка давлением выполняется только в горячем состоянии. Сплавы поставляются в прокате различных профилей, труб, проволоки. Предназначены для работы в широком диапазоне температур — от криогенных до 450 °C (ВТ5) и 500 °C (ВТ5−1).

Псевдо-?-сплавы — их структура состоит в основном из ?-фазы и небольшого количества (1…4%) ?-фазы вследствие легирования ?-стабилизаторами (??, V, Мо и др.). Наличие ?-фазы повышает технологическую пластичность. Сплавы с невысоким содержанием алюминия ОТ4, ОТ4−1 обрабатываются давлением в холодном состоянии. При большем содержании алюминия необходима горячая деформация. Сплавы этой группы, легированные Zr, Si, Mo, Nb, V (BT20) (см. табл. 8.2), обладают самой высокой жаропрочностью среди титановых сплавов.

Двухфазные (? + ?)-сплавы кроме алюминия содержат ?-стабилизаторы (хром, молибден, железо и др.), понижающие температуру полиморфного превращения. Эти сплавы упрочняются термической обработкой (закалка + старение), имеют высокие механические свойства (см. табл. 8.2).

?-Сплавы, имеющие структуру твердого раствора легирующих компонентов в ?-титане, содержат компоненты, понижающие температуру полиморфного превращения титана. Это вольфрам, хром, железо, молибден и др. Сплавы не нашли применения в промышленности из-за высокой стоимости и низких механических свойств.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые, литейные и порошковые. В литейных в конце обозначения стоит буква A.

Литейные титановые сплавы обладают хорошей жидкотекучестью, имеют высокую плотность отливок. Плавку.

Таблица 8.2

Состав и свойства титановых сплавов

Примечание. Свойства сплавов ВТ6, ВТ14, ВТ22 приведены после закалки и старения; остальных — после отжига.

и заливку сплавов в связи с их высокой химической активностью осуществляют в среде нейтральных газов или в вакууме. Литейные сплавы имеют более низкие механические характеристики, чем деформируемые. Порошковые титановые сплавы пока еще не нашли широкого применения из-за высокой стоимости производства и плохой обрабатываемости.

Сплавы на основе титана широко применяются в авиации, ракетной технике, судостроении, химической и других отраслях промышленности.

Легкоплавкие сплавы. Баббиты

Баббиты — это легкоплавкие подшипниковые сплавы, применяемые для вкладышей подшипников скольжения. Металл вкладыша должен обладать малым коэффициентом трения, достаточной износостойкостью и хорошей прирабатываемостью (см. 2.6). Второе и третье требование противоречат друг другу. Высокая износостойкость обеспечивается высокой твердостью, а прирабатываемость достигается при низкой твердости. Одновременно эти требования удовлетворяются, если в структуре имеются твердая и мягкая фазы. После непродолжительной работы (приработки) происходит износ мягкой фазы — основы, а на поверхность выступают твердые частицы, обеспечивающие износостойкость. При этом между валом и вкладышем образуются пустоты, в которых удерживается смазка.

В качестве баббитов используют сплавы системы «Рb — Sb», «Sn — Sb» и другие, а также сплавы на основе цинка, легированные алюминием и медью.

В сплавах системы «Pb — Sb» (см. рис. 3.5) роль мягкой фазы играет свинец (его твердость 3 IIВ), а роль твердой — сурьма (30 НВ). Используют заэвтектические сплавы с содержанием Sb в количестве 16…18%. Помимо названных в состав баббитов могут входить и другие легирующие элементы, например медь.

Баббиты (не на цинковой основе) маркируются буквой «Б» и порядковым номером или дополнительной буквой (например, Б6, БН).

Цинковые сплавы обозначаются буквами «ЦАМ» и цифрами, показывающими содержание алюминия и меди. Например, ЦАМ-10−5 (10% А1, 5% Си, основа — Zn).