|
|
Общепринятого разделения элементов
на тугоплавкие и нетугоплавкие по температуре плавления еще нет. В одних
случаях такой температурой считают 1600 °С, а в других 1875 °С. Если за
нижний предел принять температуру 1600 °С, то к числу тугоплавких можно
отнести V, W, Hf, Jr, Lu, Mo, Nb, Os, Pt, Re, Rh, Та, Те, Th, Ti, Tc, Cr, Zr.
По температуре плавления перечисленные 18 металлов можно
разделить на три подгруппы (по элементу, наиболее характерно представляющему
тугоплавкость):
подгруппа хрома (температура плавления 1600—2000 СС) — Ti,
V, Cr, Zr, Rh, Lu, Pt, Th;
подгруппа молибдена (температура плавления 2500—3000 °С) —
Мо, Тс, Та,
Os;
подгруппа вольфрама (температура плавления выше 3000 °С) —
W, Re.
По плотности тугоплавкие металлы подразделяют на легкие
(до 5* 103 кг/м8 — Ti), тяжелые (5—10» 103 кг/м3 — V, Сг, Zr, Nb, Lu) и очень
тяжелые (свыше 10-103 кг/м3 — Mo, Тс, Rh, Hf, Та, W, Os, Zr, Pt, Th).
Сплавы на основе титана. Титан обладает низкой теплопроводностью
(в 13 раз меньшей, чем алюминий, и в 4 раза, чем железо), низким модулем
упругости 110 250 МПа, высоким электрическим сопротивлением и значительной
анизотропией физических свойств, обусловленной его гексагональной структурой.
Технический титан, благодаря высокому сопротивлению
коррозии, является прекрасным материалом для химического машиностроения,
приборостроения, судостроения. Его используют для изготовления деталей
насосов, перекачивающих агрессивные жидкости, теплообменников, работающих в
условиях химически агрессивных сред, и т. д.
Титан является основой группы сплавов с малой плотностью,
высокой удельной прочностью. Временное сопротивление полученных в последнее
время титановых сплавов превышает 1470 МПа. Сплавы с низкой плотностью и
такой прочностью эквивалентны сталям с временным сопротивлением 2500 МПа.
Изделия из титановых сплавов хорошо работают при отрицательных температурах,
вплоть до температуры жидкого азота.
В промышленности используют простые и сложные титановые
сплавы ( 23). Разнообразие структур и свойств сплавов объясняется полиморфизмом
титана, хорошей растворимостью в нем многих элементов, его способностью
вступать в химические соединения с другими элементами.
Химические элементы, образующие с титаном сплавы, делят на
три группы. К первой группе относятся элементы, повышающие стабильность
ос-фазы; их называют а-стабилизаторами. Основным элементом этой группы
сплавов является алюминий. Сплавы титана с алюминием по значимости и
распространению в промышленности занимают ведущее место.
Вторую группу составляют элементы, стабилизирующие Р-фазу;
их называют p-стабилизаторами. Их подразделяют на две подгруппы В сплавах
титана с элементами первой подгруппы при достаточно низкой температуре
происходит эвтекгоидный распад р-фазы. В эту подгруппу входят Сг, Мп, Fe, Си,
Ni, Be, W, Со. При достаточно высокой концентрации элементов второй подгруппы
(V, Мо, Nb, Та) Р-твердый раствор сохраняется до нормальной температуры без
эвтектоидного распада; Р-стабилизаторы второй подгруппы иногда называют
изоморфными стабилизаторами.
К третьей группе относят легирующие элементы — нейтральные
упрочни- тели, не оказывающие существенного влияния на устойчивость а- и
р-фаз (Sn, Zr, Ge, Hf, Th).
В зависимости от того, какая структура преобладает в
титановых сплавах после термической обработки, их делят на а-, (а + р) и
Р-классы.
В промышленности нашли применение двойные сплавы
титан—алюминий; сложные сплавы, легированные кроме алюминия другими
(нейтральными) уп- рочнителями; сложные сплавы мартенситного типа, в состав
которых помимо алюминия, введены Р-стабилизаторы в таком количестве, которое
еще не вызывает появления в структуре при нормальной температуре р-фазы;
сложные сплавы, содержащие кроме алюминия цирконий, ниобий и тантал; сплавы,
в структуре которых кроме а-фазы содержатся и нтер металл иды, например, сплавы
системы Ti—А1—Sn—Си.
Термодинамически устойчивую р-фазу можно получить в
сплавах, в которых легирующие элементы имеют объемно-центрированную
кубическую решетку при нормальной температуре и дают с р-титаном непрерывный
ряд твердых растворов. К числу таких элементов относятся ванадий, хром,
молибден, ниобий и тантал.
В составе сплавов имеются также нежелательные примеси,
содержание которых не должно превышать, %: 0,2 С, 0,2 02, 0,05 N2, 0,015 Н2,
0,6 Fe, 0,2 Si, 0,8 Zr, 0,2 W. Сплав ВТ5Л является типичным представителем
а-титановых сплавов. Остальные сплавы представляют собой а + -титановые
сплавы. Сплавы ВТ5Л, ВТ6Л рекомендуются для литых деталей, работающих
длительный период при температуре до 400 °С, сплав ВТЗ—1Л — до 450 °С, сплавы
ВТ9Л и ВТ20Л — до 500 сС.
Плавка титана и сплавов на его основе сопряжена с большими
трудностями. При высокой температуре титан активно взаимодействует с азотом и
кислородом. Образование нитрида титана в этих условиях протекает так же
активно, как горение некоторых веществ в среде кислорода, поэтому плавку
титановых сплавов проводят в условиях, исключающих возможность его контакта с
этими газами. Расплавленный титан также активно взаимодействует со всеми
обычными огнеупорными материалами, из которых выполнена плавильная зона
агрегата Из всех известных огнеупоров менее интенсивно с титаном
взаимодействует плотный графит, но и он во многих случаях не может быть
использован, так как в титановых сплавах содержание углерода строго
ограничено.
Наиболее совершенным плавильным агрегатом для выплавки
титана и его сплавов является вакуумная гарнисажная дуговая печь с
расходуемым электродом. В таких печах могут быть выплавлены различные порции
жидкого металла — от нескольких граммов до нескольких тонн.
Для изготовления фасонных отливок из титана и его сплавов
песчаные формы по указанным выше причинам непригодны. Отливки с чистой
поверхностью можно получать в массивных медных и тонкостенных медных
водоохлаждаемых формах, однако их использование ограничено высокой стоимостью
и невозможностью получения отливок сложной конфигурации. Удовлетворительным
материалом для изготовления форм является плотный графит Графитовые формы
можно использовать несколько раз, но и их стоимость достаточно высока Более
дешевыми являются оболочковые формы из смеси высокоогнеупорных нейтральных
оксидов или графитового порошка с фенолформальдегидной смолой (связующим).
Во всех случаях применения литейных форм из
высокоогнеупорных материалов поверхность отливок оказывается в той или иной
мере загрязненной продуктами взаимодействия титана с материалом формы. При
использовании плотного графита глубина загрязненного слоя составляет 1 %
толщины стенки. Заливкой в оболочковые формы из смеси крупнозернистого
графитового порошка и фенолформальдегидной смолы получают отливки толщиной до
50 мм, поверхность которых может быть загрязнена на глубину до 1,5 мм. Мелкие сложные тонкостенные отливки из титановых сплавов можно получать в формах,
изготовленных по выплавляемым моделям. В качестве материала для форм
используют кремнезем, циркон, диоксид циркония, силлиманит, а в качестве
связующего — этилсили- кат, фосфорнокислый аммоний, нитрат циркония.
Для получения качественных отливок литниково-питающая
система должна обеспечивать быстрое заполнение формы и надежное питание
толстых сечений.
Современная техника позволяет получать отливки из
титановых сплавов с минимальной толщиной стенки 1,5 мм при ширине или высоте отливки 25 мм.
Сплавы на основе ванадия. Валадий в качестве основы
литейных сплавов применяют сравнительно недавно. По этой причине сведения о
применении и свойствах ванадиевых литейных сплавов ограничены. Их используют
при температуре до 675 °С.
Ванадий имеет хорошую теплопроводность и коррозионную
стойкость. Установлено, что свойства ванадия улучшаются при сплавлении его с
титаном, цирконием, ниобием и некоторыми другими элементами. Сплавы ванадия с
титаном и цирконием обладают значительно большей пластичностью, чем чистый
ванадий. Легирование ниобием способствует получению более высокой прочности и
увеличению сопротивляемости окислению.
Сплав ванадия с 50 % Ti и 5 % А1 имеет более высокую
прочность, чем сплавы на основе никеля, кобальта и железа Длительная
прочность его при 300 °С соизмерима с прочностью титановых сплавов.
Сплавы на основе хрома. Фасонные омивки из хрома и его
сплавов применяют ограниченно К числу положительных свойств хрома и его
сплавов следует отнести высокую жаропрочность, а также повышенную стойкость в
окислительных и эрозионных средах при высокой температуре. Вместе с тем для
хрома характерны низкая пластичность при нормальной температуре, высокое
значение порога хрупкости и большая склонность к ухудшению свойств под
влиянием незначительного количества примесей, в первую очередь газов.
Отливки из хромовых сплавов предназначены для работы при
температуре 980—1200 °С.
Чистый хром при 900 °С и напряжении 47 МПа имеет высокую
ползучесть. Многие элементы (Со, Ni, Pb, Al, Si, Ti) повышают, a Fe (9,5—15
%) понижает его ползучесть. Сплав хрома с 10 % Fe и 5—10 % Та имеет
наименьшую ползучесть при 800 °С и напряжении 142 МПа. Общая деформация
такого сплава за 100 ч составляет —0,25 %.
Введение молибдена в сплав хрома с железом (15 % Fe и 25 %
Мо) обеспечивает получение длительной прочности (около 1000 ч) при
температуре 870 °С и напряжении 137 МПа; удлинение образцов в эгих условиях
составляет 8—10 %. Введение в эти сплавы до 40 % никеля делает их при
нормальной температуре пластичными.
Сплав из 60 % Сг и 30 % Fe с Mo, Ti, Al при 815 °С и
напряжении 192 МПа имеет длительную прочность 100 ч и хорошую термическую
стойкость.
Сплавы на основе хрома по жаропрочности превосходят все
известные жаропрочные сплавы на основе железа, никеля, кобальта. Отливки из
хрома и его сплавов можно изготовлять только специальными способами литья.
Сплавы на основе ниобия. Фасонные отливки из ниобия и его
сплавов используют при высокой температуре, например для деталей турбин,
работающих при 1100—1400 °С. Высокие жаропрочность и жаростойкость ниобия и
его сплавов, несмотря на большие технологические трудности, делают их
перспективными для изготовления изделий, работающих в особо тяжелых условиях.
Применение ниобиевых сплавов позволит повысить температуру
газа при входе в турбину от 925 до 1370 °С.
Чистый ниобий обладает очень высокой пластичностью при
нормальной температуре, коррозионной стойкостью, хорошими эмиссионными
свойствами и хорошо сваривается. При температуре белого каления прочность
ниобия выше, чем любого другого конструкционного материала.
Сплав на основе ниобия, содержащий 5—35 % Сг и 5—30 % Ti,
при 1000 °С имеет наибольшую, чем у всех других сплавов, окалиностойкость.
Временное сопротивление сплава при 20 °С составляет 1653,3 МПа, а при 1300 °С
— 743,8 МПа. Сплав ниобия с 0,75—1 % Zr имеет температуру плавления около
2400 °С и плотность 8,6-103 кг/м3.
Наибольшей жаропрочностью обладают сплавы ниобия с 15 % W,
5 % Мо, 1 % Zr и с 15 % W, 5 % Мо, 1 % Zr, 5 % Ti. Литые изделия из ниобия и
его сплавов получают только специальными способами.
|