Отримані в промислових умовах злитки титану називають технічним титаном. Він мають практично всі ті властивості, якими володіє хімічно чистий титан. Технічний титан на відміну від хімічно чистого містить підвищену кількість деяких елементів-домішок. У різних країнах в залежності від технологічних особливостей процесу технічний титан містить домішки (в%): заліза 0,15-0,3; вуглецю 0,05-0,1; водню 0,006-0,013; азоту 0,04-0,07; кисню 0,1 -0,4. Найкращі якісні показники за вмістом перерахованих вище домішок має технічний титан, що випускається в СРСР. В цілому ці домішки практично не погіршують фізичні, механічні, технологічні властивості технічного титану в порівнянні з хімічно чистим металом.
Технічний титан - це метал сріблясто-сірого кольору з ледь помітним світло-золотистим відтінком. Він легкий, майже в 2 рази легше заліза, але все ж важче алюмінію: 1 см3 титану важить 4,5 г, заліза 7,8 г, а алюмінію 2,7 м Плавиться технічний титан майже при 1700 ° С, сталь - при 1500 ° С, алюміній - при 600 ° С. Він в 1,5 рази міцніший за сталь і в кілька разів міцніше алюмінію, дуже пластичний: технічний титан легко прокатувати бляхи і навіть в дуже топку фольгу. товщиною в долі міліметра, його можна витягати в прутки, дріт, робити з нього лепти, труби. Технічний титан має високу міцність, т. О. добре протистоїть дії ударом і піддасться куванні. при цьому він має високу пружність і відмінну витривалість. У технічного титану досить високий просунув плинності, він чинить опір будь-яким зусиллям і навантажень, які прагнуть зім'яти, змінити форму і розміри виготовленої деталі. Це його властивість вище в 2,5 рази, ніж у заліза, в 3 рази, ніж у міді, і в 18 разів, ніж у алюмінію. У титану набагато більш висока твердість, ніж у алюмінію, магнію. міді, заліза і деяких сортів стали. однак нижче, ніж у інструментальних сталей.
Технічний титан - метал дуже великий корозійної стійкості. Він практично не змінюється і не руйнується на повітрі, у воді, виключно стійкий при звичайній температурі в багатьох кислотах, навіть в «царській горілці», у багатьох агресивних середовищах.
У титану є ще безліч унікальних якостей. Наприклад, стійкість до кавітації, слабкі магнітні властивості, низькі електропровідність і теплопровідність і т. Н. Але є у титану і недоліки. Головний - його велика дорожнеча, він в 3 рази дорожче стали. в 3-5 разів дорожче алюмінію. титан не універсальна корозійностійкий конструкційний матеріал, у нього дещо нижчі в порівнянні з кращими сортами легованих сталей значення модулів пружності і повзучості, він може разупрочняется при високих температурах, схильний до абразивного зносу. погано працює па різьбових з'єднаннях. Всі ці недоліки знижують ефективність застосування технічного титану в чистому вигляді, що в загальному-то характерно і для інших конструкційних металів; заліза, алюмінію, магнію. Багато, майже всі, недоліки чистого титану усуваються при легуванні ого різними металами і створенні сплавів на його основі. Як найкращих конструкційних і корозійно-стійких матеріалів сплави титану мають величезну перевагу.
Титан, будучи вельми хімічно активним металом. має сприятливі металлохіміческіе властивості для освіти міцних з'єднань - типу безперервних і обмежених твердих розчинів ковалентних і іонних сполук.
В цілому налічується більше 50 елементів, що дають з титаном тверді розчини, на основі яких можна виробляти титанові сплави та їх сполуки.
Вони найбільш важливі і технічному і промисловому відношенні. Введення алюмінію в технічний титан навіть в невеликих кількостях (до 13%) дозволяє різко підвищувати жароміцність сплаву при зниженні його щільності і вартості. Цей сплав - відмінний конструкційний матеріал. Добавка 3-8% алюмінію підвищують температуру перетворення а-титану в b-титан. алюміній є практично єдиним легуючим стабілізатором титану. збільшує його міцність при сталості властивостей пластичності і в'язкості титанового сплаву і підвищенні його жароміцності, опору повзучості і модуля пружності. Цим усувається істотний недолік титану.
Крім поліпшення механічних властивостей сплавів при різних температурах, збільшується їх корозійна стійкість і вибухонебезпечність бреши роботі деталей з титанових сплавів в азотній кислоті.
Алюміній-титанові сплави випускаються декількох марок і містять 3-8% алюмінію. 0,4 - 0,5% хрому. 0,25-0,6% заліза, 0,25-0,6% кремнію, 0,01% бору. Всі вони корозійно-стійкі, високоміцні і жароміцні сплави па основі титану. Зі збільшенням вмісту алюмінію і сплавах температура плавлення дещо знижується, проте магнітні властивості значно поліпшуються і температура разупрочнения підвищується.
Ці сплави зберігають високу міцність до 600 ° С.
Своєрідним сплавом є з'єднання титану з залізом, так званий ферротитан, що представляє собою твердий розчин TiFe2 в a-жслезе.
Феротитан облагоражівающе діє на сталь. так як він, активно поглинаючи кисень, є одним з кращих раскислителей стали. Феротитан так жt активно поглинає з розплавленої сталі азот. утворюючи нітрид титану. інші домішки, сприяє рівномірному розподілу інших домішок і утворення дрібнозернистих структур стали.
Крім ферротитана, на основі заліза і титану виробляються і інші сплави. широко використовуються в чорній металургії. Феррокарботітан - железотітановий, що містить 7-9% вуглецю, 74-75% заліза, 10-17% титану. Ферросілікотітан - сплав, що складається з заліза (близько 50%), титану (30%) і кремнію (20%) - Обидва ці сплаву також застосовуються для розкислення сталей.
Навіть невеликі присадки, міді до титану і іншим його сплавів підвищують їх стабільність в процесі експлуатації, збільшується і їх жароміцність. Крім того 5-12% титану додають в мідь для отримання так званого КУПРО-титану; ним користуються, щоб очистити розплавлену мідь і бронзу від кисню та азоту. Легування міді титаном проводиться тільки дуже невеликими ого добавками, вже при 5% титану мідь стає нековким.
Марганець, введений в технічний титан або в його сплави. робить їх міцніше, вони зберігають пластичність і легко обробляються під час прокатки. Марганець - недорогий і не дефіцитний метал, тому він широко застосовується (до 1,5%) при легуванні титанових сплавів. призначених для листової прокатки. Багатий марганцем (70%) сплав називається мангантітаном. Обидва металу є енергетичними раскислителями. Цей сплав, як і купротітан, добре очищає від кисню, азоту та інших домішок мідь і бронзу при виливок.
Сплави титану з молібденом, хромом та іншими металами.
Основна мета добавки цих металів - підвищити міцність і жароміцність титану і його сплавів при збереженні високої пластичності. Обидва металу легируют їх в комбінації: молібден запобігає нестабільність титан-хромових сплавів. Робити крихкими при високих температурах. сплави титану з молібденом по стійкості проти корозії в киплячих неорганічних кислотах перевершують технічний титан в 1000 разів. Для підвищення корозійної стійкості в титан додають деякою тугоплавкі рідкісні і благородні метали: тантал, ніобій. паладій.
Значна кількість дуже цінних у науково-технічному відношенні композиційних матеріалів можна виробляти на основі карбіду титану. Це головним чином жаростійкі вироби з металокераміки, в основі яких лежить карбід титану. У них поєднується твердість, тугоплавкі і хімічна стійкість карбіду титану з пластичністю і опором тепловому удару цементують металів - нікелю і кобальту. У них можна вводити ніобій. тантал, молібден і тим самим ще більше підвищувати стійкість і жароміцність цих композицій па основі карбіду титану.
Зараз відомо більше 30 різних сплавів титану з іншими металами. задовольняють практично будь-яким технічним вимогам. Це пластичні сплави з низькою міцністю (300-600 МПа) і робочою температурою 100-200 ° С, із середньою міцністю (700- 1000 МПа) і робочою температурою 200-300 ° С, конструкційні сплави з підвищеною міцністю (800- 1100 МПа) і робочою температурою 300-450 ° с, високоміцні (1000-1400 МПа) термомеханически оброблювані сплави з нестабільною структурою і робочою температурою 300-400 ° с, високоміцні (1000- 1300 МПа) корозійно-стійкі та жаростійкі сплави з робочою температурою 600-700 ° С, особливо корозійно-стійкі сплави із середньою міцністю (400- 900 МПа) і робітничо й температурою 300-500 ° С.
Як же веде себе цей міцний, стійкою метал і його сплави в обробних процесах? Багато напівфабрикати використовуються безпосередньо, наприклад, труби і листи. Вага вони проходять попередню термічну обробку. Потім для очищення поверхні піддаються обробці гідропіскоструминної або корундовим піском. Листові вироби ще труїть і шліфують. Так були підготовлені титанові листи для монумента підкорювачам космосу на ВДНГ і для пам'ятника Ю. А. Гагаріну на площі його імені в Москві. Монументи з листового титану стоятимуть вічно.
Злитки титану і його сплавів можуть піддаватися куванні і штампуванні. але тільки в гарячому стані. Поверхні злитків, ночей і штампів повинні бути ретельно очищені від домішок, так як титан і ого сплави можуть швидко з ними прореагувати і забруднитися. Рекомендується навіть перед куванням і штампуванням покривати заготовки спеціальною емаллю. Нагрівання не повинен перевищувати температур повного поліморфного перетворення. Кування проводиться але спеціальною технологією - спочатку слабкими, а лотом сильнішими і частими ударами. Дефекти неправильно проведеної гарячої деформації, що призвели до порушення структури і властивостей напівфабрикатів наступною обробкою, в тому числі і термічної, виправити не можна.
Листовому штампуванні в холодному вигляді може піддаватися тільки технічний титан і його сплав з алюмінієм і марганцем. Всі інші листові титанові сплави. як менш пластичні, вимагають нагрівання знову ж з дотриманням суворого контролю температур, очищення Поверхні від «охрупченного» шару.
Різка і рубка листів товщиною до 3 мм можуть проводитися в холодному стані, понад 3 мм - при нагріванні за спеціальними режимами. титан і його сплави мають високу чутливість до надрізу і поверхневим дефектам. що вимагає спеціальних зачисток кромок в місцях, що піддаються деформації. Зазвичай в зв'язку з цим передбачаються припуски па розміри вирубуються заготовок деталей і отворів, що пробиваються,
Свердління отворів в титанових виробах теж є складною проблемою. пов'язаної в основному з відведенням стружки. Налипнув на робочі Поверхні свердла, вона накопичується в відвідних канавках ого, пакетується. Знову утворюється стружка рухається вже по прилип. Все це знижує швидкість свердління і підвищує знос свердла.
Цілий ряд титанових виробів виготовляти методами конки і штампування недоцільно через технологічні труднощі виробництва і великої кількості відходів. Багато деталей складної форми набагато вигідніше виготовляти фасонним литвом. Це дуже перспективний напрямок у виробництві виробів з титану і його сплавів. Але на шляху його розвитку є ряд ускладнень: розплавлений титан реагує і з атмосферними газами, і практично з усіма відомими вогнетривами, і з формувальними матеріалами. У зв'язку з цим плавка титану і його сплавів проводиться в вакуумі, а формувальний матеріал повинен бути хімічно нейтральним по відношенню до розплаву. Зазвичай форми. в які він відливається, це графітові кокиля. рідше керамічні та металеві
Незважаючи на труднощі цієї технології, фасонні виливки складних деталей з титану і ого сплавів виходять при строгому дотриманні технології і дуже якісними. Адже розплави титану і його сплавів мають відмінні ливарні властивості: у них висока текучість, порівняно невелика (всього 2-3%) лінійна усадка при затвердінні, вони навіть в умовах утрудненою усадки не дають гарячих тріщин, але утворюють розсіяну пористість. Лиття в вакуумі має масу переваг: по-перше, виключається утворення окисних плівок. шлакових включень, газової пористості; по-друге, підвищується жидкотекучесть розплаву, що впливає на заповнення всіх порожнин ливарної форми. Крім того, на вологотекучість і повноцінну заповнюваність порожнин ливарних форм істотно впливають, наприклад, відцентрові сили. Тому, як правило, фасонні виливки з титану виробляються відцентрової заливкою.
Ще одним надзвичайно перспективним методом виготовлення деталей і виробів з титану це порошкова металургія. Спочатку отримують дуже дрібнозернистий, скоріше навіть тонкодисперсний, порошок титану. Потім він спресовується в холодному вигляді і металевих прес-формах, Далі при температурах 900-1000 ° С, а для високоплотних конструкційних виробів при 1200-1300 ° С прес-вироби спікається. Розроблено та методи гарячого пресування при температурах, близьких до температури спікання. які дозволяють підвищити кінцеву щільність виробів і знизити трудомісткість процесу їх виготовлення.
Різновидом динамічного гарячого пресування є гаряче штампування та видавлювання (екструзія) з порошків титану. Головна перевага порошкового методу виготовлення деталей і виробів - майже безвідходне виробництво. Якщо за звичайною технологією (злиток-напівфабрикат-виріб) вихід придатного становить всього 25-30%, то при порошкової металургії коефіцієнт використання металу підвищується в кілька разів, знижується трудомісткість виготовлення виробів, зменшуються трудовитрати на механічну обробку. Методами порошкової металургії можна організувати виробництво з титану нових виробів, виготовлення яких традиційними методами неможливо: пористі фільтруючі елементи, газопоглиначі, металополімерні покриття і т. П.
Ще один найважливіший аспект даної проблеми - з'єднання титану. Як з'єднати титанові вироби (листи, стрічки. Деталі та ін.) Між собою і з іншими виробами? Ми знаємо три основні методи з'єднання металів - це зварювання. пайка і клепка їх. Як же поводиться титан у всіх цих операціях? Згадаймо, що титан володіє, особливо при підвищених температурах, високу хімічну активність. При взаємодії з киснем, азотом. воднем повітря зона розплавленого металу насичується цими голами, змінюється мікроструктура металу в місці розігріву, може відбуватися забруднення сторонніми домішками, і зварюванням шов буде крихким, пористим, неміцним. Тому зазвичай методи зварювання титанових виробів неприйнятні. Сварка титану вимагає постійного і неухильного запобігання зварного шва від забруднення домішками і газами повітря. Типологія зварювання титанових виробів передбачає її проведення з великою швидкістю тільки в атмосфері інертних газів із застосуванням спеціальних безкисневих флюсів. Найбільш якісна Зварювання проводиться в спеціальних населених або нежилих камерах. часто автоматичними методами. Необхідний постійний контроль складу газу, флюсів. температури, швидкості зварювання. а також якості шва візуальним, рентгенівським і іншими методами. Зварений титановий шов хорошої якості повинен мати золотистий відтінок без всякої мінливості. Особливо великі вироби зварюють в спеціальних герметично закритих приміщеннях, заповнених інертним газом. Роботу виробляє зварювальник високої кваліфікації, оп працює в скафандрі з індивідуальною системою життєзабезпечення.
Невеликі титанові вироби можна з'єднувати методами пайки. Тут виникають ті ж проблеми запобігання розігрітих спаюється чистої від забруднення газами повітря і домішками, що роблять пайку ненадійною. Крім того, зазвичай припої (олово, мідь і інші метали) не придатні. Використовуються тільки срібло і алюміній високого ступеня чистоти.
З'єднання титанових виробів за допомогою клеєння пли болтів теж мають свої особливості. Титанова клепка дуже трудомісткий процес: на неї приходите »витрачати вдвічі більше часу, ніж на алюмінієву. Різьбове з'єднання титанових виробів ненадійні, так як титанові гайки і болти при закручуванні починають налипає і задиратися, і воно може не витримати великих напруг. Тому болти і гайки з титану обов'язково покривають тонким шаром срібла або синтетичною плівкою з тефлону, а вже потім використовують для загвинчування.
Властивість титану до налипання і задиранням, обумовлене високим коефіцієнтом тертя. не дозволяє застосовувати його без спеціальної попередньої обробки в труться виробах; при ковзанні з будь-якого металу титан, налипнув на деталях, що труться, швидко зношується, деталь буквально в'язне в липкому титані. Для усунення цього явища доводиться спеціальними Методами зміцнювати поверхневий шар титану в виробах. працюючих на ковзання. Проводиться азотування або оксидування титанових виробів: їх при високих температурах (850-950 ° С) витримують протягом певного часу в атмосфері чистого азоту або кисню. В результаті на Поверхні утворюється тонка нітрідная або окісна плівка високої мікротвердості. Така обробка наближає зносостійкість титану до спеціальних поверхнево обробленим сталей і дозволяє застосовувати його в труться і ковзають. виробах.