Титан металл особенности структуры + способы обработки

Титан металл особенности структуры + способы обработки

Титан металл традиционно активный материал, демонстрирующий высокую степень коррозионной стойкости. Обусловлено это образованием пассивной плёнки оксида титана, способной сохранять целостность структуры под влиянием различных сред. Металл оптимален в окислительных средах, где образуется эта пассивная плёнка, способная обеспечить чрезвычайно высокую стойкость (пример: морская вода). Однако рассмотрим полный набор особенностей уникального химического элемента (Ti), дабы иметь полное представление.

Титан металл — стойкость против кислот щелочей

Титан металл следует рассматривать материалом высокой коррозионной стойкости по отношению к окисляющим веществам, среди которых выделяются азотная, хромовая кислота и аналогичная химия. Однако неокисляющая химия высокой концентрации (соляная, серная кислоты) в условиях высоких значений температуры способны вызывать коррозию титана.

Поэтому для высокотемпературных условий рекомендуется применять коррозионно-стойкие титановые металлы сплавы(Ti-0,15Pd, Ti-Ni-Pd-Ru-Cr (AKOT) и другие). То же самое касается действия высококонцентрированных щелочей и хлоридных растворов высокой температуры.

В отличие от нержавеющей стали и медных сплавов, титан металл не подвержен точечной коррозии, растрескиванию под напряжением и коррозии в целом. Однако титан металл подвержен щелевой коррозии под воздействием высококонцентрированных растворов высокой температуры. Здесь, соответственно, опять же актуальными к применению становятся коррозионно-стойкие титановые сплавы (Ti-0.15Pd, АКОТ и другие).

Титан как металл подвержен эффекту растрескивания от напряжений лишь в определённых особых условиях. Эрозионная стойкость технически чистого титана значительно превосходит сопротивление медных сплавов. Если сравнивать с другими популярными металлами, электрический потенциал титана более высокий.

Следовательно, если титан металл контактирует в электропроводящем растворе с другими металлами, обладающими более низким потенциалом (медные сплавы и алюминий), коррозия других металлов ускоряется (эффект гальванической коррозии).

МИНИГОРЕЛКА

Титан металл особенности структуры и способы обработки - метод анодирования схема
Схема под методику анодирования титановой поверхности: 1 — сосуд под электролит; 2 — катод (алюминий); 3 — анод (титан); 4 — электролит; 5 — амперметр; 6 — вольтметр; 7 — источник постоянного тока

При условиях контакта аустенитных нержавеющих сталей (SUS304 и SUS316) с титаном металлом при комнатной температуре, обычно не возникает проблемы гальванической коррозии. Причина — меньшая разница потенциалов между отмеченными сталями и титаном.

Что касается реакционной способности металла по отношению к газу, титан имеет сильное сродство с газами:

  • кислорода,
  • водорода,
  • азота.

Соответственно, необходимо соблюдать осторожность в отношении эксплуатационных условий использования, в частности, температур и давления. Титан проявляет коррозионную стойкость к влагосодержащему газообразному хлору, но активно реагирует на сухой газообразный хлор.

Титан – способы обработки структуры металла

Существует несколько применяемых на практике способов обработки титана, среди которых часто встречаются следующие:

  1. Резка механическая.
  2. Механическая стрижка.
  3. Механическая гибка.
  4. Штамповка.

Способ обработки №1: Резка механическая + особенности

Свойства титана, по сути, аналогичны свойствам нержавеющей стали, но несколько уступают. Однако применение условий, упрощающих обработку этого металла, обеспечивает безотказную токарную обработку:

  • фрезерование,
  • сверление,
  • нарезание резьбы и т. д.

Конечно, обрабатываемость титана зависит от качества структуры. Например, технически чистый титан и α-титановые сплавы достаточно хорошо поддаются обработке, тогда как β-титановый сплав доставляет определённые трудности. Промежуточный материал α и β явно характеризует формируемые сплавы. Материалы инструмента, рекомендуемые для резки металла, показаны в таблице:

Материал инструмента Коды материалов инструмента JIS (Japan Industrial Standards)
Карбид вольфрама Класс «K» K01, K05, K10 , K20 , K30, K40
Класс «M» M10, M20, M30 , M40
Быстрорежущая сталь

Алмаз

V-смещаемый SKH10 , SKH57, SKH54
Mo-смещаемый SKH7, SKH9, SKH52, SKH53, SKH55, SKH56
Порошковая быстрорежущая сталь KHA
Искусственный алмаз, природный алмаз
Электрический воздушный компрессор, 220В/110В 30 мпаЭлектрический воздушный компрессор высокого давленияЭлектрический воздушный насос высокого давления

Способ обработки №2: Механическая стрижка + особенности

Остаточные заусенцы – очевидное явление, часто возникающее в процессе резки титана. Поэтому ключевым моментом такого типа механической обработки логичным видится некоторое уменьшение зазора между верхним и нижним лезвием инструмента.

Рекомендуемая толщина обрабатываемого титанового листа составляет 5% (нержавеющей стали — 10%). Сопротивление сдвигу титана поддерживается, примерно, на уровне 80% от прочности материала на разрыв.

Титан допустимо резать ножницами при условии способности станка резать материалы с пределом прочности на разрыв, равным параметру прочности металла. Конечно, резка титана возможна не только посредством ножниц. Применимы также другие инструменты.

Способ обработки №3: Механическая гибка + особенности

По причине способности к холодному сгибанию и штамповке, металл титан традиционно используется в качестве материала для штампованных изделий. Титановые сплавы в основном делятся на α-, α-β, и β-сплавы. Формуемость различается в зависимости от типа представленного сплава. Тёплое и горячее формование используется для сплавов α и α-β по причинам недостаточной деформируемости в холодном состоянии и выраженной упругости.

Применяемые методы формования металла здесь:

  • гибка,
  • глубокая вытяжка,
  • формовка с вытяжкой,
  • обкатка.

Собственно, такие же методы, как и те, что применяются к нержавеющей стали. В состоянии обработки гомогенизацией, титановый сплав допустимо формовать в холодном состоянии. Обработка дисперсионным твердением применяется к титановому сплаву после формовки, чем достигается прочность в пределах 1300-1500 МПа.

Способ обработки №4: Пресс-формование (штамповка) титана

Формование прессованием, как правило, применяется для технически чистого титана и обычно выполняется при комнатной температуре. Формуемость титанового сплава сравнима с технологически чистым титаном (KS50 KS70). Но следует иметь в виду – высокая степень упругости вызывает трудности при формовании и достижении точности размеров.

Основными условиями деформации при штамповке являются формование с вытяжкой и глубокая вытяжка. Но свойства технически чистого металла при глубокой вытяжке лучше, чем свойства металла, подвергшегося формованию растяжением. Таким образом, важно учитывать факторы глубокой вытяжки при выборе подходящих условий штамповки и проектировании комплекта штампов.

Среди технически чистых титановых металлов самый мягкий материал по структуре (KS40S) подходит для штамповки под воздействием многих факторов формования растяжением. Напротив, структуры KS40 и KS50 подходят для штамповки, подвергающейся многим факторам глубокой вытяжки.

Титановые штамповочные комплекты повреждаются легко, поэтому требуется смазка для соответствия условиям штамповки. Например, смазочные материалы:

  • консистентная смазка,
  • смазки на основе воска,
  • графитовая смазка,

используются в процессе штамповки при комнатной температуре. Также эффективным способом видится дополнение к заготовке полиэтиленового листа.

Титан и особенности термической обработки

Отжиг для снятия напряжения применяется к технически чистому металлу и титановым сплавам после горячей и холодной обработки. Отжиг также применяется для восстановления или перекристаллизации деформированной микроструктуры. Таким образом, отжиг эффективен для стабилизации микроструктуры и размеров обрабатываемого продукта, а также для улучшения режущих свойств и механических свойств металла.

Термическая обработка:

  1. Гомогенизация и дисперсионное твердение.
  2. Двойная гомогенизация и дисперсионное твердение.

Отмеченные способы применяются к титановым сплавам для улучшения прочности, ударной вязкости и усталостных свойств. Титановые сплавы с большим количеством β-фаз демонстрируют лучшие свойства термообработки. С β-титановым сплавом после обработки гомогенизацией достигается прочность на разрыв около 1600 МПа за счёт двухступенчатого процесса дисперсионного твердения: низкотемпературного и высокотемпературного, соответственно.

 

Материал

Допустимые способы термической обработки, °C (минуты)
Снятие напряжений Отжиг Гомогенизация Дисперсионное твердение
Коммерчески чистый металл 480-595 (15-240) 650-815 (15-120)
α-β сплавы Ti-3Al-2.5V 370-595 (15-240) 650-790 (30-120)
Ti-6Al-4V 480-650 (60-240) 705-870 (15-60) 900-970 (2-90)
β-сплав Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 790-695 (30-60) 760-815 (3-30) 760-815 (2-30) 480-675 (2-24ч)

Применение электрических печей с функцией регулируемой вентиляции считается предпочтительным для регулирования температуры при термообработке титана. Кроме того, при использовании печи для отжига, с целью предотвращения абсорбции водорода, необходимо увеличить соотношение воздуха и сделать атмосферу печи слабой окислительной. Также рекомендуется помещать обрабатываемый продукт внутрь муфеля, чтобы защитить от прямого воздействия открытым пламенем.

PAGANI - мужские механические наручные часыЖенские механические часы JSDUNPAGANI дизайнерские брендовые мужские часы

Как сваривать титановые детали?

Титан металл обладает свойствами, благодаря которым, допустимой становится сварка металла. Более того, механические свойства или коррозионная стойкость свариваемого участка практически не меняются. Однако при высоких температурах титан металл показывает высокое сходство с газообразным кислородом и азотом. Соответственно, реакция с этими газами способна привести к затвердеванию и охрупчиванию.

Отсюда не исключены факторы снижения пластичности и возникновение раковин в газообразном состоянии в области производства сварки. Следовательно, сварка титана требует выполнять процедуру в среде инертного газа или вакууме. Кроме того, перед сваркой необходимо тщательно очистить материал и электрод, а также сварочную среду.

Среди всех титановых материалов технически чистый титан металл и α-титановый сплав обладают лучшими свариваемыми свойствами. Среди существующих методов сварки обычно используется технология TIG (Tungsten Inert Gas) — дуговая сварка вольфрамовым электродом в области инертного газа.

ИНСТРУМЕНТ

Титан металл особенности структуры и способы обработки - сварка TIG
Структурная схема сварочного аппарата на технологию TIG: 1 — наполнитель вольфрамового электрода; 2 — факельная система TIG; 3, 6, 9 — защитный газ; 4 — альтернативная защита; 5 — нержавеющая стружка; 7 — титановая деталь; 8 — нижняя защита; 10 — вольфрамовый электрод

В этом случае для сварки используется специальная горелка, дополненная приспособлением защиты от газов. Реакция сварной части металла на кислород и т. п., предотвращается путём помещения этой части металла в атмосферу газообразного аргона.

Как правило, в результате вступления сварной части в реакцию с газом, получают эффект обесцвечивания металла титан. Такое явление позволяет в некоторой степени определить качество сварного шва путём анализа внешнего вида.

Сварка титана металла со сталью прежде считалась сложной процедурой. Однако технология, разработанная японской компанией «Kobe Steel» для сварки неоднородных металлов, позволила использовать прямую футеровку на стальном листе.

Как паять титановые детали?

Пайка применяется в тех условиях, когда титан нельзя сваривать с другими металлами или когда сварка затруднена в виду сложной структуры. Пайку металла сопровождает особенность выполнения в условиях вакуума или в атмосфере инертного газа. Рекомендуется использовать следующие припои для пайки титана:

Маркировка припоев для пайки Температура пайки, C°
Ag-3Li 800
Ag-7.5Cu-0.2Li 920
Ag-28Cu-0.2Li 830
Ag-20Cu-2Ni-0.2Li 920
Ag-20Cu-2Ni-0.4Li 920
Ag-9Ga-9Pd 900
Ag-27Cu-5Ti 840
Ti-15Cu-15Ni 930
Ti-20Zr-20Cu-20Ni 890
Ti-25Zr-50Cu 890

Обработка поверхности на коррозионную стойкость

Высокая коррозионная стойкость обусловлена образованием тонкой поверхностной плёнки оксида титана, толщина которой не превышает нескольких десятков ангстрем. Следовательно, коррозионную стойкость допустимо дополнительно улучшить.

Делается это за счёт нанесения дополнительного слоя оксидной плёнки, используя метод обработки поверхности атмосферным окислением. Кроме того, обработка окислением при атмосферном давлении значительно замедляет абсорбцию водорода.

Общая коррозионная стойкость и стойкость к щелевой коррозии дополнительно улучшается после покрытия поверхности металла плёнкой на основе химических соединений PdO-TiO2. Существует технология (Keni Coat) твёрдого электрического покрытия Ni-P для улучшения износостойкости, в результате применения которой:

  • твёрдость,
  • ударная вязкость,
  • смазывающая способность,
  • адгезионные свойства,

становятся сбалансированными до высокого уровня. Соответственно, обработанный таким методом титан демонстрирует улучшенные свойства износостойкости.

Формируя оксидную плёнку на поверхности металла с помощью анодирования, световая интерференция позволяет получать красивые цветовые тона с высокой насыщенностью в зависимости от толщины плёнки.


При помощи информации: Azom