1 Титан в промышленности

 

  Механические свойства титана.


Прочность титана при растяжении. Нелегированный титан может обладать прочностью при растяжении от 24,5 кг/мм2 для металла высокой степени чистоты, получаемого методами термического разложения иодида титана, до 70 кг/мм2 для металла повышенной твердости, получаемого из губки. Фирма Рем-Крю выпускает технически чистый металл двух марок (RC-A-55 и RC-A-70) с номинальным пределом текучести 38,5 и 49 кг/мм2.Фирма  Рипаблик стил подобным же образом производит титан марок RS 40, RS 55 и RS 70, а Тайтениум металз — Ti 75A и Ti 100A с номинальным пределом прочности при растяжении 56 и 70 кг/мм2. Фирма Мэллори-Шарон выпускает нелегированный переплавленный в дуговых печах титан 3-го сорта с номинальным пределом прочности 52,5 кг/мм2 и пределом текучести 35 кг/мм2   .          Нелегированный титан этой фирмы, переплавленный в индукционных печах (4-го сорта), имеет предел прочности при растяжении 70 кг/мм2 и предел текучести 60 кг/мм.
Пластичность. Пластичность можно определить как способность материала деформироваться без разрушения. Пластичный материал легко поддается таким видам холодной обработки, как гибка, глубокая вытяжка и выдавка.  Технически чистый титан, переплавленный в дуговых печах, обладает в зависимости от содержания примесей следующими показателями пластичности: относительным удлинением 20—40% и поперечным сужением 45—65%. Иодидный титан обладает относительным удлинением до 55% и сужением поперечного сечения до 80%. Как и в случае стали, титан в целях упрочнения легируют другими металлами. Добавки алюминия, ванадия, хрома, железа, марганца и олова вводятся отдельно и в сочетании друг с другом. Однако в этом случае повышение прочности достигается за счет снижения. пластичности. О легировании титана подробнее говорится далее, здесь же достаточно ограничиться указанием на то, что созданы титановые сплавы с пределом прочности свыше 140 кг/мм2, обладающие удовлетворительной пластичностью (относительное удлинение до 15%). Прочность промышленных сплавов титана колеблется от 70 до 105 кг/мм2. Эти сплавы выплавляются в дуговых печах и обладают удовлетворительной пластичностью (10—20%). Сплавы, выплавленные в индукционных печах, обладают гораздо более высокой прочностью, но их пониженная пластичность делает их пригодными для использования только в ограниченных целях.

Твердость. Титан значительно тверже алюминия и по твердости приближается к некоторым термически обработанным легированным сталям. Иодидный титан имеет твердость 90, тогда как твердость нелегированного технического титана составляет около 160 единиц, а для сплавов после термообработки 250—500 единиц по Hv. Типичный промышленный сплав с пределом текучести около 90 кг/мм2 может иметь твердость до 320 единиц по Hv. Сопротивление удару. Для многих случаев применения металлов мало знать только их прочность и пластичность. Часто бывают нужны сведения и об их вязкости. Титан принадлежит к числу немногих металлов, которые наряду с высокой прочностью и пластичностью обладают еще хорошей вязкостью. Здесь под вязкостью понимается способность материала противостоять ударным нагрузкам. Наиболее распространенными методами определения ударной вязкости является испытание надрезанных стандартных образцов Шарпи и Изода с их разрушением при изгибе. Работа разрушения образцов Шарпи из иодидного титана высокой степени чистоты может достигать 14 кгм, составляя около 4 кгм для образцов из нелегированного титана и всего 0,15—0,30 кгм для образцов из некоторых высокопрочных, но хрупких сплавов титана. Сейчас в промышленных масштабах выпускаются сплавы с пределом текучести 91 кг/мм2 и ударной вязкостью по Шарпи до 3,5 кгм. В результате проводимой экспериментальной работы, видимо, скоро начнется производство еще более вязких и прочных технических сплавов титана.
 выносливость. Данных о пределе выносливости титана опубликовано мало, да к тому же они в значительной степени противоречивы. Однако можно утверждать, что титан обладает отличной выносливостью. Испытания показывают, что предел выносливости составляет 60% предела прочности, но для образцов из нелегированного титана с острым надрезом эта цифра снижается до 32%. У сплавов титана предел выносливости достигает 47% предела прочности (у стали он равен 50%).

Ползучесть титана. Если материал подвергнуть действию постоянной нагрузки, то он с течением времени пластически деформируется. Удлинение материала под постоянной нагрузкой называется ползучестью, причем предел ползучести определяется как прочность, необходимая для того, чтобы получить определенное удлинение за установленное время. Отсутствие достаточных данных о ползучести титана пока не позволяет. вынести окончательное суждение об этой его характеристике. Первые исследования показали, что нелегированный титан обладает плохим сопротивлением ползучести, хотя сплавы титана в этом отношении имеют лучшие характеристики; некоторое улучшение их ползучести достигается путем наклепа.
Когда повышается температура, уменьшается не только предел ползучести, но и пределы прочности, текучести, усталости, а также твердость. Повышение температуры мало сказывается на величине модуля упругости, но сопровождается улучшением вязкости и пластичности. Наклеп титановых сплавов сопровождается их упрочнением. С повышением температуры прочность алюминия быстро снижается, тогда как температурное разупрочнение титана происходит медленнее, так что при температурах выше 200° С величина отношения прочность: удельный вес получается для титана больше, чем для алюминия. Однако это превосходство титана сохраняется приблизительно до 425° С, после чего определяющим фактором становится чрезвычайная активность титана.

 

  Химические свойства титана.

 
Изотопы.              Подобно другим элементам титан состоит из нескольких изотопов с атомными весами от 46 до 50. Математическое вычисление среднего атомного веса титана с учетом содержания изотопов и их массовых чисел дает величину 47,88. Титан обладает большим поперечным сечением захвата нейтронов. В последнее время было открыто пять новых изотопов титана. Тi43 с периодом полураспада 0,58 сек. испускает b+-частицы. Ti43 существует в виде двух форм, одна из которых с периодом полураспада 3,08 часа испускает (b+-частицы и у -лучи, а вторая имеет период полураспада, равный 21 суткам. Ti51 с периодом полураспада в 72 суток испускает электроны и у-лучи. Кроме того, существует мета-стабильная форма Ti51 с периодом полураспада 6 мин., которая также испускает y-лучи и электроны. До настоящего времени ничего не делалось для того, чтобы выделить какой-либо из этих изотопов в чистом виде для технических целей. Валентность. Как это характерно для переходных элементов, титан обладает переменной валентностью и обычно встречается в двух-, трех- и четырехвалентном состояниях. В литературе встречаются сообщения о том, что титан может обладать и более высокой валентностью, но доказательства подобных утверждений не приводятся. Чаще всего титан образует четырехвалентные соединения, но возможны и соединения всех прочих валентностей.

     Химическая активность титана зависит от температуры. При повышенных температурах металл с другими веществами взаимодействует энергичнее. При высоких температурах титан весьма активно взаимодействует с атмосферными газами. Это вызывает необходимость применения атмосферы инертных газов при горячей обработке и защиты поверхности в условиях высоких рабочих температур.      Взаимодействие титана с атмосферными газами при температурах выше 500° С сопровождается образованием на поверхности слоя окалины. По мере дальнейшего повышения температуры и увеличения выдержки газы проникают в решетку металла. При окислении титана образуется ряд окислов от ТiO до Ti7O12, каждому из которых присущ свой оттенок, благодаря чему на поверхности металла через короткий промежуток времени образуется пленка, отливающая всеми цветами радуги. Хотя окисление титана с поверхности начинается уже при 500° С, нагревание вплоть до 700° С заметной диффузией газов внутрь металла не сопровождается. На воздухе металл воспламеняется при 1200° С, тогда как в  атмосфере чистого кислорода горение начинается при 610° С. Титан при горении дает весьма яркое свечение, что наблюдается также и в атмосфере азота при температурах выше 815 С. Как и с кислородом, титан весьма активно соединяется с азотом, причем это взаимодействие сопровождается образованием на поверхности металла желто-коричневой нитридной пленки. Азот проникает в глубь титана на ограниченную толщину, чем пользуются при азотировании изделий из титана. Наибольшим своеобразием отличается взаимодействие этого металла с водородом. Реакция начинается при температурах несколько выше комнатной. Одна тонна  титана способна поглотить до 400 см3 водорода. При небольшом содержании этого газа его атомы внедряются в решетку металла, а при высокой их концентрации происходит образование гидрида TiH. Однако поглощение водорода титаном отличается устойчивостью только при температурах ниже 360° С. При дальнейшем нагревании водород начинает выделяться из металла и сгорает. На первых порах этим явлением пользовались для создания защитной атмосферы вокруг металла при некоторых видах горячей обработки, так как сгорающий при выделении водород предотвращал проникновение других газов. Однако от подобной обработки пришлось отказаться из-за высокой стоимостиэтого процесса. В настоящее время некоторые изделия из титана отжигаются в вакууме для удаления водорода, поглощенного металлом в процессе их изготовления.Снижение давления паров ускоряет течение всех этих реакций титана с газами, вследствие чего необходима полная защита от воздействия атмосферы.Нагретый титан разлагает пары воды и двуокись углерода. При температурах выше 815° С пары воды взаимодействуют с титаном, что сопровождается образованием окисла металла и улетучиванием водорода. При еще более высоких температурах горячий металл способен поглощать углекислый газ с образованием окисла и карбида. Активность титана по отношению к элементам в газообразном состоянии. подтверждается и характером взаимодействия металла с галоидами. Четырехвалентные соединения титана с галоидами образуются путем непосредственного взаимодействия газа с металлом, причем четырехфтористый титан образуется при температурах выше С, четыреххлористый титан при 350° С, четырехбромистый титан при 360° С, а четырехиодистый титан при 400° С. При весьма высоких температурах эти реакции могут протекать в обратном направлении. Эта обратимость используется при иодидном процессе рафинирования титана.
               
Кислоты.    Химическое сродство титана к галоидам также проявится при соединении с их кислотами. Энергичнее всего титан взаимодействует опять-таки с соединениями фтора. Эта реакция применяется для растворения титана и его сплавов при химическом анализе, для травления при выявлении макро- и микроструктуры, для удаления окалины с поверхности титана и для других целей. Соляная и серная кислоты при комнатной температуре слабо взаимодействуют с металлом, однако уже при незначительном нагревании разъедание усиливается с образованием низших хлоридов или моносульфата.  Эти реакции используются так же, как реакции с плавиковой кислотой, но благодаря меньшей токсичности и слабому коррозионному воздействию соляная кислота постепенно вытесняет плавиковую кислоту. Реакция взаимодействия титана с хлорной кислотой в настоящее время еще изучается. Известны способы электрополирования титана и методы химического анализа с использованием этой кислоты, однако вследствие энергичного воздействия этой кислоты на некоторые материалы ее применение не получило всеобщего признания. В ограниченной степени титан взаимодействует и с другими кислотами. Фосфорная кислота реагирует с титаном при температуре несколько выше комнатной, но вследствие образования нерастворимых фосфатов. титана применение ее для электрополирования, удаления окалины и травления незначительно. Азотная кислота слабо взаимодействует с титаном, и о ее второстепенном промышленном применении в качестве реагента сказано в последующих главах, Остальные неорганические кислоты не оказывают коррозионного воздействия на металл, но пока еще не получи применения в промышленности.               
  Способность титана к химическому соединению с  органическими веществами мало используется в металлопромышленности. Когда титан взаимодействует с органическими кислотами на поверхности металла  образуются окрашенные пленки, используемые при металлографическом исследовании протравленных микроскопических образцов.

Легирование титана.


Чтобы удовлетворять промышленным требованиям и служить универсальным конструкционным материалом, металл должен обладать механическими свойствами, способными изменяться в широком диапазоне. Изменение механических свойств достигается посредством легирования и термообработки.
Исследовательские работы показали, что легированием титана можно предел его прочности повысить до 140 кг/мм2 при сохранении определенной пластичности. Присутствие в металле элементов, образующих растворы внедрения, главным образом углерода и атмосферных газов, также повышает прочность металла, но за счет значительного снижения пластичности. Ради простоты такие элементы, как углерод, азот, кислород, бор и водород, будут рассматриваться как загрязняющие примеси, а специально вводимые элементы, образующие твердые растворы замещения, будут называться легирующими элементами.
Примеси. Примеси остаются в титане вследствие неполноты восстановления или поглощаются им в процессе плавки. Небольшие примеси железа (от 0,5 до 1 %) рассматриваются как вредная примесь, но при более высоких концентрациях этот элемент ухудшает пластичность титана не больше, чем другие легирующие элементы. Элементы внедрения и железо попадают в титан при производстве губки; в процессе плавки содержание углерода, азота и кислорода может возрасти дополнительно. Главная трудность, с которой приходится сталкиваться при производстве губки и выплавке ковкого титана, заключается в том, чтобы удалить эти примеси или хотя бы не допустить превышения некоторого приемлемого уровня их содержания. Существующие способы производства металлического титана, как правило, позволяют выдерживать содержание азота и водорода в таких пределах, которые не ведут к заметному ухудшению пластичности. Однако часто содержание в титане водорода, углерода, кислорода и в некоторых случаях железа превышает технические требования, выдвигаемые потребителями. Углерод и кислород, видимо, одинаково влияют на пластичность и вязкость титана. При пониженном содержании одного из этих элементов можно допустить повышенное содержание другого. Содержание кислорода в техническом титане колеблется в широких пределах (0,03—0,20%), а содержание углерода может достигать 0,2%, хотя в большинстве случаев титан дуговой плавки содержит менее 0,1 % углерода.
В техническом титане содержание азота обычно не превышает 005%, что мало влияет на прочность и пластичность металла. С повышением содержания азота сверх этого количества прочность металла резко повышается за счет пластичности, как это наблюдается и при росте содержания в нем кислорода. Вопрос о влиянии бора, обладающего лишь слабой растворимостью в титане, исследован недостаточно  . Недавностало известно, что на повышение хрупкости титана влияет главным образом водород. В большинстве случаев от сплавов титана требуется, чтобы содержание водорода в них, особенно если они должны обладать достаточным сопротивлением усталости или ползучести, не превышало 0,02. Содержание водорода можно понизить посредством отжига в вакууме, но эта операция сопряжена с  затратами средств.       (Правда, углерод, кислород, азот и водород упрочняют титан, их содержание в титане стараются свести  к минимуму: вызываемое ими упрочнение сопровождается резким снижением пластичности и вязкости сплава.)
Легирующие добавки.  Чтобы повысить прочности титана с сохранением нужной пластичности применяется легирование такими элементами, атомы которых замещают атомы титана в его решетке, а не размещаются между последними, как атомы кислорода, азота.  Результаты исследования диаграмм состояния различных   систем и практическая разработка сплавов позволили выявить ряд таких элементов, легирование которыми улучшает механические свойства титана (марганец, алюминий, хром, олово, железо, ванадий и молибден). Эти элементы упрочняют титан за счет снижения пластичности и вязкости, которое, однако, далеко не столь значительно, как при загрязнении титана элементами внедрения. Из числа легирующих элементов, растворяющихся в титане, единственно важными элементами, стабилизирующими а-фазу, нужно назвать алюминий и олово. Небольшие добавки алюминия могут вводиться в сплавы, от которых требуется большая прочность, чем у нелегированного титана, и которые подлежат сварке. При содержании алюминия свыше 6—7% двойной сплав становится хрупким и трудно поддается прокатке, что можно объяснить увеличением осевого числа с/а для гексагональной решетки титана. Эта гипотеза представляется еще правдоподобнее с учетом отличных свойств, получаемых при совместном легировании титана алюминием и ванадием. Ванадий является единственным легирующим элементом, уменьшающим величину с/а в гексагональной решетке титана [1]. Сплав титана с содержанием 6% Аl и 4% V показал предел прочности при растяжении 112 кг/мм2, относительное удлинение 18% и ударную вязкость по Шарпи 3,45 кгм при комнатной температуре. Термической обработкой прочность сплава удалось повысить до 134 кг/мм2 при относительном удлинении 14% и работе разрушения образца Шарли 2,1 кгм [2]. 3 настоящее время этот сплав получает все более широкое применение.  Железо и хром применяются для упрочнения титана в промышленных сплавах RS 110 и Ti 150A. Марганец применяется для легирования титана при производстве двойного сплава С-110М и вместе с алюминием — тройного сплава С-130АМ. Независимо от сочетания легирующих добавок наивысшая пластичность достигается при использовании губчатого титана высокой чистоты. Важное значение имеет и чистота легирующих добавок. Ряд железомарганцовистых сплавов не оправдал возлагавшихся на них надежд, видимо, по той причине, что железо и марганец вводились в виде загрязненного примесями ферромарганца, а не в виде чистого железа и чистого марганца. Сложные сплавы по механическим свойствам несколько превосходят двойные сплавы. Так, очень хорошие качества, в том числе высокую прочность при удовлетворительной пластичности, показал сплав, с содержанием 3% Мn, 1 % Fe, 1 % Сr, 1 % Мо, 1 % V [3]. В настоящее время исследуются другие сложные сплавы титана, легированные алюминием и ванадием.


 

Термическая обработка титана.


 
Механические свойства титана в большей степени определяются присутствующими в нем фазами, чем составом сплава. Легирующие элементы частично замещают атомы титана в решетке и тем самым изменяют его свойства. В действительности же содержание той или иной фазы в сплаве в большей мере зависит от циклов нагревания и охлаждения, чем от такого замещения атомов. Большинство легирующих добавок стабилизирует объемно-центрированную в-фазу и понижает температуру превращения до такой степени, что при комнатной температуре сплавы представляют смесь фаз а и в.
а-фаза, кристаллизующаяся в гексагональной решетке, сравнительно мягка, вязка и пластична, тогда как в-фаза обладает большими твердостью и прочностью, но меньшей пластичностью. Таким образом, изменяя относительное содержание этих фаз, можно изменять механические свойства сплава. Для этого пользуются закалкой, отпуском, непрерывным охлаждением, изотермическим превращением, гомогенизацией и старением.
Закалка. При быстром охлаждении в воде или в соляном растворе из в-области (минимальная температура которой зависит от состава сплава) тенденция к образованию а-фазы подавляется, что ведет к сохранению в-фазы. Однако сплавы с определенным составом претерпевают при закалке специфическое мартенситное превращение, механизм которого не вполне ясен. Образование подобной структуры, состоящей из так называемой а'-фазы, приводит к некоторому искажению решетки, в результате чего материал становится по сравнению с а-фазой более твердым и вязким, упрочняется и лучше противостоит усталости.
Отпуск. Если титановый сплав закалить с высокой температуры и затем, нагрев его до температуры ниже в-превращения, выдержать при этой температуре определенное время и быстро охладить опять, то такая операция будет называться отпуском. Отпуск характеризуется тремя факторами: фазовым составом сплава, продолжительностью и температурой отпуска. Если исходная структура содержит а'-фазу, то при отпуске наблюдаются изменения двоякого рода: а'-фаза превращается в а-фазу, и зерна а-фазы с течением времени становятся зубчатыми по форме. В результате этого твердость и прочность уменьшаются, а пластичность и ударная вязкость повышаются.
Однако структуры, состоящие из смеси фаз а и в, этому правилу не подчиняются: первичная а-фаза остается неизменной, а в-фаза распадается с образованием а-фазы. При низких температурах происходит дополнительное образование а-фазы, вследствие чего низкая температура отпуска ведет к более значительному уменьшению прочности и твердости и большему повышению пластичности, чем при высокотемпературном отпуске той же продолжительности. Это особенно заметно наблюдается в том случае, когда материал перед отпуском подвергается горячей обработке при температурах (a+в) -области. Однако этот процесс зависит от времени, так что материалу можно сообщить по сути дела одинаковые свойства как путем длительного отпуска при низких температурах, так и путем кратковременного отпуска при высоких температурах.
Гомогенизация и старение. Если титановый сплав закалить из в-области или из верхней части (а+в)-области и затем нагреть вновь до температур (а+в)-области, то принято говорить, что этот сплав подвергся гомогенизации и старению. Подобная обработка титановых сплавов приводит к тем же результатам, что и отпуск, если не считать того, что исходная структура в этом случае состоит преимущественно из в-фазы. Кратковременное старение обеспечивает максимальную твердость, обусловленную образованием в'-фазы. При более длительном старении эта в'-фаза распадается с выделением а-фазы, что приводит к снижению твердости и повышению пластичности
.
Изотермическое превращение. При охлаждении сплава из в-области до температур (а+в)-области и выдержке при них в течение определенного времени с последующим быстрым охлаждением до комнатной температуры происходит изотермическое превращение с выделением а-фазы из в-фазы. При высоких температурах а-фаза выделяется сначала по границам зерен в-фазы, а затем и внутри них самих. Если эту обработку проводить при температурах несколько ниже температуры превращения, то сначала вследствие образования в'-фазы получается весьма высокая твердость. Если же продолжительность выдержки увеличить, то твердость и прочность материала снижаются, а его пластичность и вязкость возрастают. При более низких температурах происходит постепенное повышение твердости и хрупкости, причем при длительных выдержках можно достичь более высокой твердости, чем при кратковременной высокотемпературной термообработке. Однако при достаточно большой выдержке в случае низкого отпуска вследствие повышенного содержания а-фазы достигается лучшая пластичность за счет прочности.
Непрерывное охлаждение. Непрерывное охлаждение представляет собой понижение температуры сплава из в-области с любой скоростью без остановок или повторных нагревов. Уже рассматривавшаяся выше закалка представляет собой особый вид непрерывного охлаждения. Скорость охлаждения определяет продолжительность прохождения интервала превращения. Высокие скорости охлаждения подавляют образование а-фазы и способствуют более или менее полному сохранению в-фазы, что приводит к получению сравнительно твердого материала. Несколько меньшие скорости охлаждения дают значительно более твердый и хрупкий материал со структурой в'-фазы. Малые скорости охлаждения приводят к образованию двухфазной структуры. Чем меньше скорость охлаждения, тем больше образуется а-фазы, что сопровождается повышением пластичности и вязкости с одновременным снижением твердости. Хотя может показаться, что одинаковые свойства достижимы термообработкой различных видов за счет выбора температуры и продолжительности операций, в действительности же существуют некоторые режимы термической обработки для определенных составов сплавов, дающие оптимальные свойства готового продукта.
Когда от материала требуется высокая твердость, его следует подвергать такой термообработке, которая обеспечивает достижение вершины кривой на диаграмме. Наивысшая твердость всего образца лучше всего получается закалкой малолегированного сплава (область слева от вершины кривой) с последующим низкотемпературным отпуском, обеспечивающим достижение вершины кривой. Этот способ позволяет значительно изменять состав сплава благодаря возможности выбора температуры отпуска. Если продолжительность отпуска сделать больше требующейся для получения максимальной твердости, то можно получить материал с достаточно высокой твердостью и известной пластичностью, т. е. структуру, лежащую после отпуска справа от вершины кривой.
Когда важно получить вязкий материал, то следует взять низколегированный сплав (область справа на диаграмме) и подвергнуть его закалке с температуры несколько ниже линии в-превращения. Такая обработка дает низкий предел текучести, но обеспечивает высокое сопротивление удару. Предел текучести этих сплавов можно несколько повысить, если их обработать до закалки в горячем состоянии в (a+в) области. Наибольшее применение получил материал с умеренной прочностью, но хорошими пластичностью и вязкостью. Эти свойства достигаются при применении сплавов, которые после закалки   ложатся на правой ветви кривой недалеко от пика максимальной твердости. Окончательные свойства сплава зависят от того, насколько далеко вправо от вершины кривой переместился сплав при термооб.работке.        Хорошие свойства материалу придают умеренные скорости охлаждения, достигаемые охлаждением на воздухе. Изотермическое превращение при низких температурах дает такие же результаты; продолжительность выдержки определяет степень понижения прочности и повышения вязкости. Гомогенизация с последующим старением также повышает вязкость за счет снижения прочности. Указывают, что горячая обработка давлением и гомогенизация в (а+в) области позволят еще больше улучшить механические свойства сплавов.
Характер термообработки можно выбирать по своему усмотрению, однако продолжительность операции и температура будут в этом случае определяться составом сплава. Термообработке не поддаются только нелегированный титан и его двойные сплавы с алюминием.
 
Ковка титана.

Возможность использования в промышленных целях исключительных механических, физических и химических свойств титана, о которых говорилось, связана с его способностью подвергаться ковке, прокатке, прессованию, волочению, давильным операциям и т. д.
Ковка и прокатка, в процессе которых слиткам придают форму болванок, листов, плит, прутков и проволоки, считаются первичными операциями формоизменения. С другой стороны, гибка, прессование, глубокая вытяжка и выдавка, при которых эти стандартные полуфабрикаты подвергаются дальнейшей обработке, называются вторичными операциями формоизменения. Первичные операции формоизменения титана могут выполняться на обычном оборудовании, применяемом для обработки стали, но с некоторым изменением технологии обработки. То же самое можно сказать и о вторичных операциях.
Открытые штампы. При получении черновой заготовки ковку обычно ведут в открытых штампах — плоских, V-образной формы и полукруглых. Плоские штампы используются при ковке преимущественно с целью получения плит или для придания круглым заготовкам многогранной формы. Последнее можно осуществить также при ковке заготовок круглого или квадратного сечения в V-образных штампах. Полукруглые или криволинейные штампы применяются для уменьшения диаметра круглых заготовок или для получения круглых заготовок из прутков других сечений.
Все методы ковки литого металла в открытых штампах приводят к запрессовке газовых раковин и пустот и разрушению литой структуры.
Титан успешно куется в открытых штампах с применением оборудования, принятого при ковке стали, но при более низких температурах и более высоком давлении. Более низкие температуры ковки гитана приводят к уменьшению загрязнения поверхности и предотвращают чрезмерный рост зерна, обеспечивая тем самым высокую пластичность кованой детали. Более низкие температуры требуют применения более высоких давлений для деформации металла. Температура ковки титана лежит обычно в пределах 790— 1000° С, причем нагрев до 900° С практикуется для нелегированного титана, а более высокие температуры —для сплавов. Ковка при еще более низких температурах возможна в том случае, если оборудование может выдержать необходимые для деформации металла усилия. Рекомендуется перед ковкой выдерживать титан при температуру около 650-700° С и нагревать его до температуры ковки лишь непосредственно перед деформацией. Для очистки поверхности детали, получаемой ковкой в штампах, содержащих низкоплавкие материалы (свинец, кирксайт и др.), деталь необходимо подвергать травлению. В целях уменьшения остаточных напряжений штамповку рекомендуется нагреть до 650— 700° С и выдержать при этой температуре около получаса на каждые 25 мм ее толщины с последующим охлаждением на воздухе.
Обсадка. Обсадкой называется обработка в целях уменьшения сечения или придания конусности концу прутка или трубы. Эту операцию не следует смешивать с ковкой-вытяжкой в фигурных штампах. При обсадке два-четыре штампа требуемой формы устанавливаются на вращающейся головке, которая поворачивается синхронно с ударом молота. Обсадку титана следует производить при температурах 260—370° С.
Высадка. Для увеличения диаметра конца прутка или трубы применяется высадка. В этом процессе конец круглого прутка, установленного между двумя штампами определенной формы, подвергается ударному воздействию в направлении оси, в результате чего металл течет по направлению к штампам. Это вызывает боковое уширение и продольное сжатие заготовки. Требуемая форма высаживаемой части детали должна определяться формой штампов.  Для титана операция высадки производится при температур 425—540° С. Холодная высадка головок деталей. Вполне оправдала себя холодная высадка головок заклепок, болтов и аналогичных видов крепежных дета. для того, чтобы не было  трещин в высаживаемой части при получении больших головок желателен предварительный нагрев заготовки до 260° С.
 
 
Прокатка титана

Промышленное производство титановых плит, листов, полос и прутков осуществляется горячей и холодной прокаткой. Холодная прокатка проводится при температурах, ниже которых скорость упрочнения больше скорости рекристаллизации; прокатка при более высоких температурах называется горячей.
В большинстве случаев плиты, листы, полосы и прутки изготовляются горячей прокаткой.
Кованые заготовки, с поверхности которых предварительно удалена окалина, прокатываются при температурах 730-815° С [1], что приблизительно на 110 С ниже температуры ковки. Титан может подвергаться непрерывной прокатке при температурах около 590° С. По мере уменьшения толщины при прокатке температуру металла следует значительно понижать для уменьшения загрязнения поверхности. При прокатке титана следует тщательно подбирать схему обжатий (число проходов и степень обжатия за один проход).
Листы титана толщиной 2,5 мм и менее катаются в горячем состоянии между листами из нержавеющей стали или никеля в целях защиты от загрязнения из атмосферы и уменьшения налипания металла. При такой прокатке для уменьшения упругой деформации валков и стана листы укладываются друг на друга в стопку и катаются одновременно всей стопкой.
Для уменьшения трения в растворе валков непрерывную прокатку листов и полос вхолодную или вгорячую осуществляют при наличии двустороннего натяжения. При двустороннем натяжении может быть получена полоса толщиной до 0,1 мм и лист толщиной до 0,4 мм. Получение равномерного поперечного сечения при холодной прокатке тонких листов требует исключительно жесткого крепления валков.
Имеющихся в распоряжении данных по горячей и холодной прокатке недостаточно; поэтому исследования по титану ведутся как фирмами-изготовителями металла, так и лабораторией по обработке металлов при Массачусетском технологическом институте.
Анизотропию механических свойств плит и листов из титана устраняют поперечной прокаткой.
Фасонное литье титана

Фасонное литье и порошковая металлургия имеют ту общую черту, что позволяют изготовлять детали или полуфабрикаты из таких материалов, которые трудно обрабатываются резанием, методы соединения которых очень сложны или изготовление деталей из которых обычными способами экономически невыгодно вследствие специфики их формы и размеров. Возможности фасонного литья и порошковой металлургии применительно к титану широко исследованы, однако оба эти метода находят ограниченное промышленное применение.
Различные огнеупорные материалы, используемые в литейном деле, настолько сильно разъедаются титаном, что получение качественных отливок из него с хорошими механическими свойствами сопряжено с большими трудностями. С аналогичными трудностями столкнулись при изучении методов порошковой металлургии. В большинстве случаев промышленные сорта порошков металлического титана не обладают достаточной чистотой для получения пластичных изделий.
Трудности литья титана связаны с его высокой химической активностью и свойствами расплавленного металла. Обычные методы литья, связанные с применением таких огнеупоров, как кремнезем, магнезит и глинозем, которые успешно применяются при литье других металлов, оказываются непригодными в случае титана. Как уже отмечалось, все эти огнеупоры сильно разъедаются расплавленным титаном, что отрицательно сказывается на механических свойствах готовых деталей. Поскольку титан разрушает также стенки тигля в процессе плавления, необходимо предотвратить соприкосновение расплавленного металла со стенками тигля.
Это приводит к технологии плавки в скорлупе, предусматривающей оставление слоя твердого титана между стенками тигля и расплавленным металлом. Ее осуществление требует центрального положения дуги и поддержания необходимой разности температур между расплавленным металлом и стенками тигля.
Как и при отливке слитков, расплавленный металл, а также горячая отливка могут загрязняться в результате взаимодействия с атмосферными газами. Для предотвращения этого загрязнения титана тигель и форма помещаются в атмосфере аргона. В этих же целях печь конструируется с таким расчетом, чтобы разливка расплавленного металла могла производиться через дно или сбоку тигля с соответствующей герметизацией между печью и формой. Таким образом, заполнение формы производится также в инертной атмосфере. Такой метод литья требует определенных навыков. Это относится не только к плавке в скорлупе, но и к отсосу выделяющихся при разливке металла газов в целях уменьшения газовой пористости изделия. В настоящее время это единственная удовлетворительная технология фасонного литья титана.
Другая трудность, присущая фасонному литью титана, связана с обеспечением достаточной жидкотекучести металлу при резких изменениях сечения или направления течения металла в форме. Во многих случаях это требует переконструирования формы или детали. Эти трудности могут быть значительно уменьшены применением в местах изменения направления или сечения детали плавных переходов и закруглений.
Несмотря на эти трудности, разработано два удовлетворительных способа отливки деталей из титана. Используя в качестве огнеупорного материала окись циркония или графит, можно отливать небольшие детали из титана весом до 2,5 кг либо методом точного литья по выплавляемым моделям, либо в оболочковые формы. Отлитые этими двумя способами детали из титана содержат минимальное количество загрязняющих примесей и имеют хорошие механические свойства.
 
 
Другие методы обработки титана

Прессование состоит в выдавливании металла через матрицу требуемой формы. Прессованием титана можно получить трубы, прутки круглого и квадратного сечения, а также другие полуфабрикаты. Помимо обычных методов прессования, наиболее перспективным представляется процесс Южин Сежурне, при котором в качестве смазки применяется стекло в виде порошка или волокна. Стекло является чрезвычайно хорошей смазкой; оно также уменьшает нагрев матрицы и предотвращает загрязнение титана.
Прессование обычно производится при температурах 980— 1040° С. Титан течет лучше стали, хорошо заполняет полости матрицы, меньше их изнашивает и позволяет обеспечить более жесткие допуски по размерам [4].
Волочение труб и проволоки. Хорошие результаты были получены при волочении в холодном состоянии труб и проволоки из титана. Проволока изготовляется как из нелегированного титана, так и из его сплавов; трубы в настоящее время в промышленном масштабе выпускаются только из нелегированных сортов титана.
Бесшовные трубы из титана изготовляются из прессованных заготовок, которые прошиваются и протягиваются в холодном состоянии со стационарной или подвижной оправкой.
Для получения труб с гладкой поверхностью и жесткими допусками необходимы промежуточные отжиги в вакууме. Сварные трубы изготовляются из холоднокатаных полос титана, которые после формования из них заготовок соединяются перед волочением дуговой сваркой в инертной атмосфере [5].
Фирма Суперьор тьюб в настоящее время изготовляет бесшовные и сварные титановые трубы с различной толщиной стенок и разных диаметров. Если необходимо, эти трубы могут поставляться с развальцованными концами.
Проволока из нелегированного титана и его сплавов протягивалась вхолодную до диаметра 0,18 мм через фильеру с конусом 14°, фосфатированную или покрытую медью для уменьшения трения. В процессе волочения обычно необходимо многократное нанесение таких покрытий. Отжиг в вакууме часто проводится между двумя или тремя последовательными операциями волочения. Проволока, предназначенная для изготовления сварочного прутка, должна быть совершенно свободна от загрязнений.
Выдавка. Выдавка применяется для изготовления деталей, имеющих форму тел вращения. Для этого цилиндрическая или коническая заготовка укрепляется в токарном станке вместе с патроном соответствующей формы и при вращении деформируется действием давильника. Преимущество применения частично деформированной или конической заготовки состоит в уменьшении наклепа, возникающего при давильной обработке цилиндрических заготовок.
Выдавка титана отличается от обычных операций этого рода тем, что в целях уменьшения наклепа ее выполняют при температурах 540-700° С; это вызывает необходимость применения стальных [6] или покрытых сталью деревянных патронов [3]. Применение стального формообразующего инструмента диктуется также свойствами поверхности титана.
Нагрев осуществляется различными кислородными горелками. Для уменьшения влияния нагрева на титан эти горелки устанавливаются так, чтобы одновременно нагревалась только узкая полоска материала.
Для материала толщиной менее 2,5 мм применяются обычные усилия и пониженные температуры; для материала больших толщин необходимы более высокие температуры и усилия.
Глубокая вытяжка на гидропрессах. Глубокая вытяжка нелегированного титана и титановых сплавов не требует специального оборудования. Нелегированные сорта титана могут при малой скорости деформации вытягиваться на 20—40% [1] при давлении около 245 ат или больше. Титановые сплавы, помимо этого, требуют нагрева до 430—540° С.
Первоначально детали могут обрабатываться на молотах с падающей бабой и подвергаться глубокой вытяжке [6] в качестве последней операции. Детали, при изготовлении которых на фланцах не образуются складки, могут получаться из нелегированного титана и из заготовок малых толщин из титановых сплавов на гидропрессах при комнатной температуре по стандартной технологии. Для деталей сложной формы и толщинах более 12,7 мм требуется нагрев до 200—320° С при обработке нелегированного титана и от 430 до 540° С при обработке титановых сплавов.
Складки, образующиеся на деталях сложной конфигурации, обычно удаляются вручную при температуре около 430° С с нагревом в пламени кислородной горелки [7].
Прошивка и вырубка нелегированного титана на прессе могут производиться в холодном состоянии, но при обработке титановых сплавов требуется нагрев [6]. Главные трудности при этих операциях связаны с сильным растрескиванием вследствие высокой скорости обработки, с пружинением металла, особенно при обработке титановых сплавов, и возникновением трещин от остаточных напряжений.
Штамповка резиной на гидропрессах. Для титана можно с успехом применять штамповку резиной на гидропрессах. Процесс состоит в деформировании заготовки вдавливанием пуансона в резиновую подушку; при этом заготовка приобретает форму пуансона. Тонкие листы нелегированного титана вытягиваются при этой операции на значительную глубину. Некоторые трудности встретились при вытяжке титановых сплавов низкой пластичности, хотя применение в качестве смазки сернистого молибдена и металлических покрытий иногда обеспечивает нужную штампуемоеть материала. Для деталей сложной формы и при образовании складок на фланцах может потребоваться нагрев. Нагревают обычно пуансон до 430—540° С. Заготовка покрывается асбестовым порошком и огнеупорной прокладкой для защиты резиновой подушки от нагревания [7].
Так как титан имеет тенденцию к налипанию, то пуансоны, подвергаемые нагреву, должны изготовляться из горячекованых инструментальных сталей.
Гибка. Листы, полосы и трубы из титана удовлетворительно деформируются при гибке в горячем и холодном состояниях. Листы и полосы из титана обычно подвергают изгибу с применением V-образного штампа или гибочного пресса. Трубы из нелегированного титана с наружным диаметром до 19 мм удовлетворительно гнулись в холодном состоянии на трубозагибном станке.
Большая часть технических сортов титана в виде полос толщиной менее 1,8 мм выдерживает холодную гибку под прямым углом на V-образном штампе, если радиус пуансона составляет для нелегированного титана от 1,5 до 3 Т, а для низколегированных сплавов от 2,5 до 3,5 Т, где Т — толщина полосы [1].
Нагрев позволяет осуществлять гибку высоколегированных титановых сплавов при применении пуансона радиусом 3,5 Т.
Гибка на механических прессах тонкого листа нелегированного титана толщиной менее 1,8 мм может производиться пуансоном с радиусом 2—3 Т. Для титановых сплавов радиус пуансона требуется увеличить до 3,5 Т и нагревать заготовки до 430—540° С [2].
Обработка обтяжкой. В зависимости от требуемой формы детали обработка обтяжкой титана и его сплавов производится либо путем вдавливания в заготовку, закрепленную на концах, соответственно форме детали, либо путем неравномерного натяжения заготовки по краям на неподвижный пуансон.
Обработка обтяжкой проводилась разными методами. В тех случаях, когда требуемая растяжка не превышает 5%, она может успешно производиться при комнатной температуре. При растяжке более 5% обычно требуется нагрев. Нелегированный титан нагревают до 200—320° С, а сплавы требуют нагрева до 430—540° С. В некоторых случаях оказался полезным промежуточный отжиг в соединении с окончательной термообработкой для снятия остаточных напряжений. Для предотвращения растрескивания материала у зажатых кромок поверхность их обычно предварительно полируют
 
 
Точное литье по выплавляемой модели

Литье по выплавляемой модели, называемое также точным литьем, применяется, как и литье в оболочковые формы, для изготовления мелких деталей. Этот способ по сравнению с литьем в оболочковые формы менее пригоден для поточного производства, но позволяет отливать весьма сложные детали, выходящие за пределы возможностей литья первым способом.
Для подготовки литейной формы изготовляется модель отливаемой детали с необходимыми литниками и прибылями. Материалом для изготовления моделей служит воск или пластики, которые можно расплавить, испарить или выжечь.
Подобная модель покрывается жидкой массой, состоящей из огнеупора и связующего. При изготовлении литых деталей из титана в качестве огнеупорного материала применяют окись циркония, а связующим служит какой-нибудь нитрат циркония или силикат.
Затем покрытую слоем смеси модель посыпают грубозернистым порошком окиси циркония и ставят для просушки. Высушенную модель вновь покрывают жидкой массой, состоящей из крупнозернистой окиси циркония, связующего и отвердителя, и опять сушат. Затем модель выплавляют, а форму прокаливают при 820—870° С и в течение 1—2 час. охлаждают на воздухе.
В отдельных случаях в качестве огнеупорного материала можно пользоваться графитом, что позволяет обходиться без повторной обмазки модели и пользоваться пониженными температурами при прокаливании. Вопрос о преимуществах этого способа по сравнению с использованием окиси циркония пока остается открытым.
В любом случае литейная форма герметически соединяется с печью, после чего заливается расплавленным металлом. Как и при литье в оболочковые формы, литейная форма снимается с отливки и выбрасывается. Отлитые этим способом детали из титана показали хорошие механические свойства, но точное литье титана пока не получило промышленного применения.
Фасонное литье титана пока не применяется в промышленности, но при существующем размахе исследовательских работ в этой области можно считать, что литье титана найдет применение в ближайшем будущем.
Титан с его низким коэффициентом термического расширения и отсутствием склонности к газовой пористости представляет отличный материал для получения литых деталей. Однако высокая химическая активность титана ограничивает возможности отливзки из него крупных деталей.
Формовочные материалы, применяемые для изготовления крупных деталей, настолько загрязняют поверхность отливки, что делают ее совершенно непригодной. Более того, даже при изготовлении мелких деталей несовершенная технология ведения плавки и недоброкачественность литейной формы могут привести к трудно обнаруживаемому существенному загрязнению.  Подобное загрязнение может сделать металл весьма хрупким, хотя сама отливка при внешнем осмотре будет казаться вполне здоровой.
 
 
Порошковая металлургия

Порошковая металлургия представляет собой способ изготовления деталей из металлических порошков путем их прессования и спекания. Хотя область применения методов порошковой металлургии ограничена, все же не исключено, что использование порошка металлического титана, получаемого из скрапа, со временем может занять важное место в титановой промышленности. В наши дни порошковая металлургия применяется прежде всего для изготовления деталей простой формы и довольно постоянных размеров из весьма тугоплавких материалов, а также для изготовления деталей, которые нельзя получить другими способами.
В качестве материала для производства титанового порошка употребляют как губку, так и скрап. Методами порошковой металлургии в настоящее время изготовляются карбид титана для производства режущего инструмента и различные огнеупоры, в состав которых входит титан.
Производство порошка. Для большинства других металлов первостепенное значение имеет не производство порошка, а технология прессования. Порошок других металлов получают сравнительно простым способом гидрирования, при котором металл, насыщаясь водородом, становится хрупким и легко измельчаемым. Применение гидрирования для получения титанового порошка оказалось неприемлемым, так как получение пластичных изделий связано с полным удалением водорода из порошка, что делает гидрирование экономически невыгодным. Поэтому применительно к титану главной проблемой является производство металлического порошка; прессование и спекание порошка осуществляются обычными методами. Титановый порошок в настоящее время получают путем дробления губки или скрапа.
Губка размельчается в щековой дробилке, в которой обычные чугунные плиты заменены (во избежание загрязнения порошка) титановыми. Для предотвращения налипания губки на титановые плиты рекомендуется использовать в качестве защитной среды воду при температуре около 5° С. Окончательный размер частиц порошка должен быть в пределах от 30 до 100 меш.
Приготовление порошка из скрапа сопряжено с дополнительными трудностями. Поверхность скрапа обычно бывает загрязнена жирами, смазкой или плотной окисной пленкой. В таком случае поверхность металла очищают химическим травлением или обезжириванием. Титановый скрап в кусках неправильной формы и неодинаковой величины не поддается измельчению в щековых дробилках. Поэтому такой скрап делают хрупким путем добавки ртути и измельчают с последующей дистилляцией ртути, в результате чего получается титановый порошок. В случае необходимости дополнительное измельчение полученного порошка производят в щековых дробилках.
Прессование и спекание. Прессование титанового порошка производится в матрице под давлением около 3000 кг/см2. Установка обычно состоит из матрицы с верхним и нижним подвижными пуансонами. Матрицы обычно делаются из закаленной инструментальной стали с поверхностью, отполированной до зеркального блеска. В матрицы засыпают необходимое количество порошка и прессуют его.
Спекание производится в течение 1—2 час. в вакуумной печи при температурах около 1050—1100° С.
По механическим свойствам полученные указанными методами порошковой металлургии детали, изготовлявшиеся для исследовательских целей, уступают деформированному титану. Как правило, при одинаковой прочности спеченный металл несколько уступает деформированному титану по пластичности.
Это относится как к нелегированному титану, так и к титановым сплавам *. Содержание загрязняющих примесей в готовых деталях рекомендуется регулировать путем тщательного выбора исходных материалов и соблюдения технологии при производстве порошка. Допустимое содержание загрязняющих примесей определяется требованиями к детали.
(* Это утверждение авторов является устаревшим. Успехи, достигнутые за последнее время в порошковой металлургии титана, позволяют получить этим методом полуфабрикаты из титана и его сплавов практически с теми же свойствами, что и в случае применения плавки. Это достигается, в частности, применением обычных методов обработки давлением к заготовке, полученной методами порошковой металлургии. Примечание редакторов).

Сварка титана

Во многих случаях металлические детали приходится соединять друг с другом путем сварки, твердой или мягкой пайки, применения заклепок или болтов.
Поэтому использование титана в качестве конструкционного материала при сооружении мостов, трубопроводов, цистерн, судов, в самолетостроении и в сухопутном транспорте делает необходимым соединение титановых деталей между собой и с деталями из других металлов. Такое соединение должно обладать определенными механическими свойствами, отвечающими эксплуатационным требованиям к готовому изделию.
В результате интенсивных исследований эта проблема, казавшаяся вначале неразрешимой, получила практическое решение.
Сварка является основным методом соединения титана. Первоначальные попытки сваривать титан были связаны с большими трудностями, которые впоследствии были преодолены при применении соответствующей технологии.
Правильный выбор материалов позволяет получать качественные сварные соединения, обладающие достаточной прочностью, пластичностью и сопротивлением удару.
При условии исключения дополнительного загрязнения металла примесями из атмосферы и при не слишком высоком содержании в-фазы металл с низким содержанием элементов внедрения обеспечивает получение качественного соединения.
Элементы внедрения повышают прочность металла за счет сильного снижения его пластичности и ударной вязкости. Наличие или введение углерода, кислорода, азота или водорода ухудшает также пластичность при загибе и сопротивление удару сварного соединения. Допустимое содержание этих элементов очень незначительное. Для получения хороших результатов при сварке необходимо пользоваться материалом, содержащим не более 0,1% углерода, 0,1 % кислорода, 0,05% азота и желательно менее 0,005% водорода. Несколько большее содержание кислорода допустимо в двухфазных (а+в) сплавах сравнительно с а-сплавами.
С повышением содержания примесей сверх допустимого пластичность сварного соединения быстро снижается. Нелегированный титан легко сваривается при малом содержании в нем примесей. То же самое можно сказать об а-сплавах, содержащих алюминий и олово. Однако сварные соединения типичных (a+в) -сплавов, содержащих марганец, хром, железо, ванадий и молибден, имеют обычно значительно более низкую пластичность при загибе и сопротивление удару. Пластичность и сопротивление удару особенно резко снижаются при общем содержании легирующих элементов, стабилизирующих в-фазу, свыше 3% [1]. При более высоком легировании этими элементами без снижения пластичности сварного соединения в сплавы следует вводить элементы, которые стабилизируют а-фазу (алюминий, олово).
Сварка требует нагрева металла до высоких температур. Низкая пластичность является отчасти следствием этого нагрева, а не только действия легирующих элементов или элементов внедрения. Поэтому при сварке титана необходимо не только контролировать содержание легирующих элементов и примесей, которые вызывают хрупкость, но и учитывать влияние нагрева. Некоторые методы сварки неприменимы к титану. Например, атомно-водородная сварка титана не производится вследствие явно вредного насыщения металла водородом. Нельзя пользоваться обмазкой электродов или флюсами вследствие возможного загрязнения титана содержащимися в них элементами и недостаточной защиты от действия атмосферы (Работы советских исследователей показали возможность успешного выполнения сварки титана под флюсом. Примечание редакторов.). Ниже рассматриваются наиболее распространенные методы, с успехом применяемые для сварки титана.

  Сварка плавлением

Наиболее распространенным методом сварки является сварка плавлением. Ранее уже отмечалась исключительная химическая активность титана. В процессе сварки плавлением, по-видимому, больше, чем в каком-либо другом случае, необходимо соблюдение особых мер предосторожности для предотвращения загрязнение титана из атмосферы.
Для защиты металла при сварке применяются инертные газы. Такой процесс называют дуговой сваркой в атмосфере инертного газа (аргона, гелия или смеси этих газов).
Известны три основных способа защиты при сварке в атмосфере инертного газа. В случае экспериментальной сварки, сварки небольших образцов или деталей сложной формы применяется сварка в камере. Свариваемые детали и оборудование расположены внутри герметизованной наполненной инертным газом камеры. Сварка опытных образцов обычно производится не только для определения наличия кислорода и азота в камере, но и для поглощения газов и очистки атмосферы камеры. В конструкции камеры предусматриваются различные отверстия, обеспечивающие доступ к детали. Легкое вращение всей камеры облегчает проведение сварки внутри, сверху или снизу детали. Однако в камере можно сваривать только небольшие детали. Кроме того, много времени затрачивается на очистку камеры от атмосферных газов.
В наиболее распространенных конструкциях сварочной горелки через последнюю подается инертный газ. Тогда вокруг электрода и свариваемого металла образуется атмосфера защитного газа, перемещающаяся вместе с горелкой. При подобном перемещении обнажаются затвердевающие, но еще горячие участки сварки, что создает возможность поглощения металлом загрязняющих примесей.
Кроме того, частично примеси поглощаются и с нижней стороны свариваемых деталей [8]. Для устранения этого с противоположной стороны шва также применяется защита газом или плотно прилегающая к шву медная подкладка, а к горелке прикрепляется передвижной щиток. Этим дополнительно защищаются расплавленный металл, сварной шов и нижняя сторона шва, пока металл не остынет до температуры ниже 540° С. Особенно эффективен гелий, так как он легче воздуха или аргона и покрывает нижнюю сторону сварного шва. Ввиду большой активности титана при повышенных температурах инертный газ должен быть высокой чистоты, в противном случае он может оказаться источим загрязнения. Он не должен содержать влагу (допустимая влажность менее 5 %), а общее содержание кислорода и азота должно быть значительно менее 1 % [9].
Турбулентное движение инертного газа может оказать большое влияние на эффективность его защиты.
Следует также учитывать электрические свойства газов. Применение гелия вызывает более глубокое проплавление и лучшее «смачивание», а аргон дает более спокойную дугу. Наилучшие результаты при сварке плит дала смесь гелия (70 %) с аргоном (30%) [10]. При сварке листового титана лучше пользоваться чистым аргоном, так как в этом случае желательно меньшее проплавление. Двумя основными способами дуговой сварки титана являются сварка с помощью нерасходуемого электрода (вольфрам) и сварка расходуемым электродом (титановая проволока). В первом случае присадочный материал подается через дугу, возникающую между вольфрамовым электродом и основным металлом. При втором способе дуга возникает между основным металлом и электродом из титана, который, плавясь, является присадочным материалом.
Оба способа применимы как при ручной сварке, так и при автоматической дуговой сварке. При сварке вольфрамовым электродом применяется постоянный ток прямой полярности (электрод отрицательный). При сварке расходуемым электродом применяется постоянный ток обратной полярности (электрод положительный).
Удовлетворительные результаты были получены при сварке плит толщиной от 12,7 до 25,4 мм соединением встык с двусторонним скосом обеих кромок (угол 45—60°) с разделкой от 0 до 4,5 мм [11].
Скорость перемещения горелки должна быть 250—500 мм/мин при расходе газа у дуги от 1,35 до 1,89 м3/час и от 0,81 до 1,35 м3/час на передвижном щитке и на подкладке. При присадочном прутке диаметром 1,6 мм применяется напряжение 30 в при токе 300 а.
Подбор присадочного материала при дуговой сварке следует производить с такой же тщательностью, как и выбор основного материала. Содержание углерода, кислорода, азота и водорода в присадочном материале не должно превышать пределов, указанных выше для основного материала. Так как химический состав сварного шва определяется составом основного материала и присадки, то при гварке плиты, содержание примесей в которой превышает допустимые пределы, должен применяться присадочный материал более высокой чистоты.
При сварке нелегированного титана сварочным прутком из сплава сварные швы получаются очень прочные и пластичные [12]. Подобным же образом сварка плит из титановых сплавов присадочным материалом из нелегированного титана дает низколегированный двухфазный шов удовлетворительной пластичности [11].
При сварке титановых сплавов присадочным материалом из нелегированного титана околошовная зона обнаруживает хрупкость. Эта зона является участком основного металла, на котором отрицательно сказывается действие сварочного тепла. Иногда нагревом сварного соединения до температур (а+в) -области с последующим медленным охлаждением пластичность шва удается повысить [13].
Следовательно, сварка титана плавлением вследствие его высокой химической активности в отличие от сварки других металлов требует тщательного контроля состава окружающей атмосферы. Трудности, возникающие при соединении титана с другими металлами путем сварки, все еще не преодолены. Более перспективными в этом отношении являются иные методы соединения.
Казавшиеся ранее неразрешимыми проблемы сварки титана решены с такой быстротой, что в последующем сварка титана и его сплавов станет обычной промышленной технологией.
              Пайка титана твердыми и мягкими припоями

В тех случаях, когда сварка невозможна или нецелесообразна, можно обратиться к пайке титана твердыми или мягкими припоями. Температура плавления твердых припоев — выше 430° С, но ниже температуры плавления соединяемых материалов. Мягкие припои плавятся при температурах ниже 430° С и применяются для пайки материала малых толщин или проволоки.
Из обычных металлов, используемых в качестве твердых припоев для пайки стали, удовлетворительные результаты при пайке титана дают только чистое серебро и алюминий [14], а высокопрочные алюминиевые сплавы дают хрупкие соединения. Такие металлы, как цинк и олово, недостаточно смачивают поверхность титана. Вместо обычных флюсов, не защищающих от окисления, оказалось необходимым создать специальные флюсы, обеспечивающие образование а металле электрохимическим путем защитной металлической пленки.
Газовая пайка. Из многих методов газовой пайки металлов для пайки титана оказалось пригодным только кислородно-ацетиленовое пламя, так как оно не охрупчивает материал. При применении чистого серебра и любого из флюсов, можно удовлетворительно паять титан, получая достаточно прочные и пластичные соединения. Оптимальная прочность соединения получается при применении горелки с двумя наконечниками, минимальной продолжительности процесса и наиболее низкой температуры [14]. Пайка чистым алюминием дает достаточно пластичные, но низкопрочные соединения.
При газовой пайке алюминия к титану деталь из титана погружается в расплавленный алюминий, затем алитированная деталь припаивается к алюминию обычными методами [15].
Пайка в печи. При пайке в печи с защитной атмосферой сложный процесс газовой пайки упрощается. Вместо специальных флюсов применяют простую смесь хлоридов серебра и калия или смесь хлоридов марганца и калия [16]. Возможна многократная пайка с равномерным подводом тепла к поверхностям деталей небольших размеров, ограниченных габаритами печи.
При пайке в печах требуется более длительное время из-за отсутствия местного нагрева. Это приводит к утолщению расплавляемых слоев и, как следствие, к некоторому снижению пластичности и прочности, особенно при пайке алюминием.
Пайка методом сопротивления. Пайка методом сопротивления отличается от сварки этим методом тем, что между соединяемыми поверхностями помещается низкоплавкий металл. Охлаждаемые водой медные электроды оказались лучше электродов из графита и других материалов, обладающих высоким электрическим сопротивлением, но содержащих загрязняющие примеси. Титан сам обладает достаточным электрическим сопротивлением, необходимым для нагрева поверхностей.
Кратковременная пайка чистым серебром при большом токе и низких давлениях дает более прочные соединения, нежели газовая пайка. Применение давления делает ненужными флюсы.
Пайка мягким припоем. Установлено, что титан можно удовлетворительно паять мягким припоем. Мягкая пайка имеет преимущества в быстроте и стоимости перед другими методами соединения и должна применяться в тех случаях, когда не требуется соединения высокой прочности. Соединяемые детали из титана покрываются тонким слоем серебра, меди или олова, что обычно осуществляется нагреванием титана, покрытого слоем хлорида одного из трех перечисленных металлов, в печи с атмосферой гелия. Образующуюся металлическую пленку следует «смочить» припоем (60% Sn+40% Pb или 50 % Sn+50 % Pb) с использованием промышленных флюсов для пайки [16].
Поскольку металлические пленки могут раствориться в расплавленном припое и обнажить поверхность титана, пайку следует проводить очень быстро и при минимальной температуре.

 
Шлифование титана

Шлифование титана связано со следующими трудностями:
1. Исключительно высокий износ шлифовального круга, вызывающий нарушение контакта между кругом и обрабатываемой деталью.
2. Высокие температуры, приводящие к снижению стойкости шлифовального круга и прижогу поверхности титана.
3. Налипание титана на шлифовальный круг и снижение его абразивного действия.
4. Результатом совместного действия указанных выше факторов (особенно в п. 2) является плохое качество поверхности.
Первые попытки шлифования титана были мало обнадеживающими, так как при износе каждого 1 см3 шлифовального круга снималось всего 0,7 см3 нелегированного титана. Позднее, однако, последнюю цифру удалось довести до 16 см3 [4, 8]. Величина этого отношения для титановых сплавов составляет 3—9, что уже сравнимо с показателями, получаемыми при шлифовании быстрорежущей стали (4-12).
Сплавы высокой твердости имеют, как показали эксперименты, меньшую величину этого отношения.
Улучшение шлифуемости титана было достигнуто уменьшением скорости вращения шлифовального круга, применением специальных охлаждающих и смазочных веществ и ограничением зернистости круга 60 и 80, а в дальнейшем благодаря применению окиси алюминия, оказавшейся прекрасным абразивом.
Обдирка. Обдирка (удаление заусенцев, окисных слоев, зачистка неровной поверхности и т. д.) производится при помощи качающейся рамы или портативного шлифовального станка. Для обдирки рекомендуются карборундовые и фирменные шлифовальные камни (AI4-Q4B-7 и C3A-I63-P-B5 с наполнителем YA), работающие со скоростью 1800 м/мин. Окончательную отделку производят на скорости 2900 м/мин. Обдирка на портативном шлифовальном станке производится камнями AI6-Q4B-7 или СЗА-203-Р-В5 со скоростью 1800 м/мин.
Окончательную отделку рекомендуется производить карборундовым шлифовальным кругом С3О3-О-В5 при скорости 2900 м/мин.
Шлифование поверхности. Максимальное отношение объема сошлифованного металла к единице объема износа шлифовального камня получается при грубом шлифовании поверхности на плоскошлифовальном станке с поступательно-возвратной подачей стола при скорости последнего 5,08 м/мин, скорости круга от 490 до 550 м/мин и подаче 0,012 мм/мин.
Поскольку такая малая скорость обработки требует много времени, при выборе отношения объема сошлифованного металла и времени на обработку следует исходить из экономических соображений. Практика показала, что достаточно высокое значение упомянутого отношения, требующее оптимального времени на обработку, достигается повышением скорости подачи до 11,4 м/мин и подачи на деталь до 0,025 мм/мин при поперечной подаче в 5 мм. Для обработки применяются шлифовальные круги 32A60-M8VBE и GA-120-K6-V10 с техническим антикоррозионным раствором или высококачественным маслом прямой гонки. Для окончательной отделки поверхности подача на деталь снижается до 0,012 мм/мин, а скорость шлифовального круга увеличивается до 670 м/мин с уменьшением поперечной подачи и сохранением скорости подачи стола, равной 11,4 м/мин.
При грубом шлифовании чистота обработки поверхности составляет около 1,1 мк (среднеквадратичная высота неровностей), а после окончательной отделки — 0,6 мк. Путем тонкой правки шлифовального круга алмазом и дальнейшего снижения скоростей подачи чистоту отделки поверхности удалось повысить до 0,4 мк.
На шлифовальных станках с поворотным столом рекомендуется применять такие же шлифовальные круги и смазочно-охлаждающие адкости, что и на станках с возвратно-поступательным перемещением стола. Число оборотов поворотного стола должно составлять 4 об/мин, а подача на деталь — 0,1 мм/мин. Отличные результаты дало применение карборундовых шлифовальных кругов CD-12 в виде сегментов с зернистостью 60 или 80 (GC-60; GC-80).
Отрезка. Отрезку титана без охлаждения не рекомендуется производить, так как это приводит к прижогу и образованию термических трещин. Если все же необходимо провести отрезку без охлаждения, то лучше всего это делать шлифовальным кругом A54-L8B со скоростью 2900 м/мин.
Охлаждение способствует отводу выделяющегося при трении тепла и устраняет или уменьшает возможность прижога или образования трещин. При отрезке заготовок диаметром не более 13 мм очень хорошие результаты дает применение шлифовальных кругов 37C60-POR-30 или TC60-16-RR при скорости 2900 м/мин и охлаждении растворимым маслом или антикоррозийным раствором. Для обработки прутков диаметром более 13 мм рекомендуется применять шлифовальные круги 37C46-MOR-30 и TC60-16-RR при указанных выше условиях.
Настольное шлифование. Настольное шлифование титана производится без применения смазочно-охлаждающей жидкости со скоростями от 610 до 760 м/мин. Эта скорость ниже нормально применяемой (1670 м/мин), что обеспечивает устранение прижога и термического растрескивания, а также искрообразования, опасного в пожарном отношении. Может применяться и скорость 1670 м/мин, но с менее удовлетворительными результатами. Для настольного шлифования рекомендуется шлифовальный круг A36-K8-VBE.
Круглое шлифование. При круглом шлифовании со снятием большой стружки применяют шлифовальный круг 32A60-K8-VBE, а при снятии меньшей стружки — шлифовальный круг 32A60-J8-VBE и для охлаждения—10%-ный антикоррозийный раствор или масло прямой гонки. Круглое шлифование рекомендуется производить со скоростями от 550 до 610 м/мин.
Внутреннее шлифование. Наилучшие результаты при операциях внутреннего шлифования были достигнуты при применении шлифовального круга 32A46-J8-VBE и скорости 520 м/мин с охлаждением 10%-ным раствором антикоррозийной эмульсии. Установлено, что возвратно-поступательное перемещение шлифовального круга во время обработки уменьшает нагрузку на него. Для внутреннего шлифования титана на повышенных скоростях (1830 м/мин) лучше пользоваться шлифовальными кругами 32A60-L5-VBE.
Полирование. Для полирования титана обычно пользуются камедистой пастой 2A801-G20-VC10, а для снятия окалины—составом Нортон 180 Кристолон, наносимым на матерчатый круг в смеси со специальным связующим веществом. Для очень тонкого полирования, например, для удаления отпечатков пальцев и мелких царапин, рекомендуется алундовая паста Нортон 240-EI (крупность зерна В). Оптимальная скорость вращения полировального круга составляет около 1700 м/сек.
Смазочно-охлаждающие жидкости. Величина отношения объема отшлифованного металла к единице объема износа шлифовального круга (коэффициент шлифования) весьма сильно зависит от характера применяемой смазочно-охлаждающей жидкости. Шлифовочные масла прямой гонки и антикоррозийные растворы нитроаминого типа в одинаковой мере способствуют увеличению коэффициента шлифования. Но поскольку применение масел прямой гонки сопряжено с опасностью воспламенения последних, чаще применяются антикоррозийные растворы.
Вполне удовлетворительные результаты дало применение растворимых масел, хотя коэффициент шлифования при этом получается несколько меньше.

 
Коррозия титана

В большинстве областей применения конструкционных металлов важное значение имеет их стойкость против коррозии и износа. И если тот или иной металл не обладает по своей природе этими свойствами, то его приходится подвергать соответствующей обработке.
Титан обладает замечательным сопротивлением против коррозионного разрушения во многих средах, но его недостаточная износостойкость делает необходимым проведение той или иной обработка в целях повышения его полезных качеств.
Износостойкость титана удается повышать путем нанесения на него покрытий или придания его поверхности большей твердости. Подобные методы обработки поверхности титана в отдельных случаях повышают его сопротивление коррозии, а покрытия придают изделиям из титана более привлекательный вид.
Борьба с коррозией всегда была одной из самых сложных задач машиностроения. Помимо определенной прочности, деталь той или иной конструкции должна еще обладать стойкостью против воздействия окружающей среды.
Коррозия представляет собой растворение или разъедание металла в газовой или жидкой среде. Скорость коррозионного разрушения характеризуется потерей в весе детали или уменьшением ее размеров, например, глубиной проникновения очага коррозии.
Коррозионная стойкость считается отличной, если глубина проникновения коррозии не превышает 0,125 мм в год и достаточной в ряде случаев при глубине менее 1,25 мм в год.
Коррозия проявляется в различных формах, в числе которых следует назвать химическую коррозию, электрохимическую или гальваническую коррозию и окисление.
Существуют и другие формы коррозионного разрушения, из которых наиболее важными являются коррозия под напряжением, усталостная коррозия и эрозионное разрушение.

 
вернуться в оглавление книги "Титан в промышленности"...

 
Химическая коррозия

Эта форма коррозии является результатом простой химической реакции металла с окружающей средой и образования химического соединения. Она проявляется в виде равномерного разъедания поверхности титана.
По сопротивлению этому виду коррозии титан не уступает большинству металлов и часто даже превосходит их в этом отношении. Тем не менее и титан не дает решения проблемы коррозии во всех возможных случаях.
В гл. II отмечалось, что азот и водород энергично взаимодействуют с титаном при повышенных температурах, а сухие галогены разъедают его даже при комнатной температуре. Влажные же галогены оказывают на титан меньшее воздействие. Насыщенный парами воды хлор не взаимодействует с титаном при температурах до 77° С.
Самой слабой стороной титана является то, что он не обладает стойкостью против воздействия неорганических кислот. В растворе соляной кислоты при ее концентрации до 3% титан обладает хорошей устойчивостью против коррозии вплоть до температуры 68 С. С повышением температуры сопротивление титана против воздействия соляной кислоты ослабевает. При температуре кипения предельная концентрация кислоты снижается до 1%. Хотя эта степень противокоррозионной стойкости и кажется незначительной, все же скорость коррозии титана в кислых растворах с концентрацией менее 10% не превышает 1,5 мм в год. В этом отношении титан не уступает нержавеющей стали 316.
Фтористоводородная кислота в любой концентрации сильно разъедает титан. Сопротивление титана коррозии в серной кислоте следует признать хорошим, так как скорость коррозии при концентрациях ниже 5% не превышает 0,012 мм в год. В 10%-ной серной кислоте скорость коррозии остается ниже 0,025 мм в год. Однако незначительное повышение температуры усиливает коррозию даже в 1 % -ном растворе этой кислоты.
При комнатной температуре растворы азотной кислоты в концентрациях до 98% не разъедают титана. При температуре кипения титан устойчив в азотной кислоте, если ее концентрация не превышает 65 %. Белая дымящая азотная кислота любой концентрации не действует на титан ни при каких температурах.
Фосфорная кислота в концентрации до 30% при комнатной температуре не действует на металл, а при температурах до 65° С оказывает лишь небольшое воздействие. При температуре кипения стойкость титана ограничивается концентрациями до 5%.
Хромовая и сернистая кислоты не оказывают коррозионного воздействия на титан. При комнатной температуре титан полностью устойчив против действия царской водки. Отсюда был сделан вывод, что незначительные добавки азотной кислоты к другим кислотам должны значительно снижать скорость коррозии титана в последних.
Наибольший эффект такие добавки дают применительно к растворам серной кислоты. 1%-ная добавка азотной кислоты к серной снижает скорость коррозии титана с 5,1 до 0,025 мм в год.
Эффективная противокоррозионная стойкость титана при 65° С наблюдается в смеси азотной кислоты с серной в пропорции 30 : 70 и при температуре кипения смеси в пропорции 70 : 30. Полученные в последнее время данные говорят о том, что введение любого сильного окислителя в неорганические кислоты несколько снижает скорость коррозии титана в них.
Прямой противоположностью ограниченной противокоррозионной стойкости титана в кислых средах является его прекрасное сопротивление коррозии в растворах неорганических солей. Титан испытывался на стойкость в соприкосновении с большинством неорганических хлоридов и показал, если не считать раствора хлористого алюминия, отсутствие всякой коррозии. Хлористый алюминий в концентрации свыше 10% по весу действует на титан при температурах несколько выше 90° С.
Титан почти совершенно не корродирует в морской воде при самых различных условиях. Титан противостоит воздействию органических соединений лучше, чем неорганических веществ. В таких органических кислотах, как молочная, стеариновая, уксусная, хлоруксусная, лимонная и виннокаменная, полированная поверхность титана не тускнеет. С другой стороны, скорость коррозии титана в насыщенных растворах муравьиной или щавелевой кислот может достигать 2,54 мм в год. Дубильная кислота разъедает титан значительно меньше, чем муравьиная.
Примечание. Титан устойчив также против действия аналогичных солей других металлов, как, например, калия и кальция, а также против действия других неорганических соединений, менее активных, чем приведенные выше.
В связи с применением титана в пищевой промышленности и в медицинской хирургии были проведены исследования по определению воздействия на него пищевых соков, антисептиков и стерилизующих веществ. Результаты показали, что титан не подвергается воздействию ананасного сока, грейпфрута, чая, кофе, уксуса и других аналогичных веществ. Данные в области медицины показывают, что титан сопротивляется воздействию большинства жидкостей, имеющихся в человеческом организме. При соприкосновении титана с костями и тканями животных коррозии не было отмечено. Не наблюдалось коррозии титана и после его обработки обычными методами стерилизации хирургических инструментов. Металл обладает коррозионной стойкостью против воздействия большинства обеззараживающих средств. Однако настойка иода вызывает сильную точечную коррозию титана через несколько часов.
Другой разновидностью химической коррозии является растворяющее действие расплавов. Испытания применимости титана в качестве контейнера или транспортера расплавленных тел показали, что он сопротивляется воздействию ряда жидких металлов: олова до температуры 480° С, цинка до 480° С, галлия до 400° С, магния до 700° С и ртути (при ограниченном по времени воздействии) до 350° С.
Из числа различных испытанных неметаллов только жидкая сера не действует на титан, хлориды же и фтористые соединения заметно воздействуют на него, но количественного определения скорости коррозии в этом случае не производилось. В одном опыте с расплавленным стеклом титан быстро растворился при температуре 1390° С.
Сопротивление титана химической коррозии следует приписать влиянию защитной окисной поверхностной пленки. Окислительная или нейтральная среды оказывают меньшее воздействие на металл, чем восстановительная среда. Последняя разрушает окисную пленку, обнажая поверхность. Путем добавки окислителей к химической среде коррозия титана в ней замедляется, так как металл пассивируется в результате непрерывного возобновления окисной пленки.
 
Коррозия под напряжением

Для металла, работающего в напряженном состоянии, скорость коррозии возрастает. Это ускорение процесса объясняется развитием коррозии по границам зерен.
Вызывающее коррозию вещество проникает в глубь металла вдоль границ зерен, вызывая концентрацию напряжений и образование трещин. Некоторые среды особенно сильно действуют на металл и применяются для определения склонности металла к коррозионному растрескиванию.
Однако титан совершенно не поддается воздействию подобных реактивов. Такие среды, как 20%-ный раствор хлористого железа, вызывающий сильное растрескивание металлов в напряженном состоянии, хлористая ртуть, вызывающая коррозию нержавеющей стали в напряженном состоянии, и едкий натр, под воздействием которого сталь становится хрупкой, совершенно не действуют на титан.
Известны только два вещества, вызывающие коррозию титана в напряженном состоянии: бромистоводородная кислота, незначительно действующая на него, и красная дымящая азотная кислота, вызывающая сильную коррозию даже при комнатной температуре.
Установлено, что некоторые химические вещества уменьшают влияние красной дымящей азотной кислоты, но эти данные нельзя считать окончательными.
Взаимодействие титана с красной дымящей азотной кислотой способно повести к взрыву, который в одном случае привел к тяжелым жертвам.
Ранее считалось, что реакции такого рода возможны только со сплавами титан—марганец, однако в последнее время сообщалось о случаях взрывов при работе с нелегированным титаном. В настоящее время причина этого явления полностью еще не установлена.
Поэтому настоятельно рекомендуется ни при каких условиях не приводить титан в соприкосновение с красной дымящей азотной кислотой. Такое соприкосновение не только вызывает взрыв, но и сопровождается энергичным выделением ядовитых паров азотной кислоты.

                Окисление

Окисление представляет собой взаимодействие кислорода с металлом при отсутствии влаги. Скорость и масштабы реакции окисления зависят от характера образующегося окисла.
Если окисел обладает летучестью, то металл подвергается постоянному разъеданию. Если же в результате реакции на металлической поверхности образуется окисел, то скорость реакции будет уменьшаться в зависимости от проницаемости пленки.
При образовании окисла внутри металла металлическая поверхность становится хрупкой. При низких температурах титан образует поверхностную пленку, прекращающую последующее взаимодействие.
С повышением температуры проницаемость пленки возрастает и она становится толще. При более высоких температурах сродство титана с кислородом вызывает диффузию последнего в металл и охрупчивание поверхностного слоя.
Все технические сорта титана подвержены этому виду последовательного окисления.
Однако имеются определенные экспериментальные сплавы, наиболее примечательным из которых является сплав с содержанием 36% алюминия, на котором плотная окисная пленка сохраняется до температуры около 1200° С.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая (гальваническая) коррозия возникает при соприкосновении двух разнородных металлов в присутствии жидкого электролита. Соприкосновение двух металлов создает разность электрических потенциалов на границе касания.
В присутствии электролита — водных растворов солей, кислот или неблагородных металлов — скорость коррозии активного или анодного металла возрастает. В этом случае протекают преимущественно реакции окисления и восстановления; металл анода растворяется или превращается в окисел или другое сложное соединение, а благородный металл (катод), неспособный к дальнейшему восстановлению, остается неизменным.
Если металлы расположить в порядке убывания их относительных значений потенциалов, определенных опытным путем, то мы получим электрохимический ряд металлов. Титан стоит в таком ряду близко к его нижнему концу и защищается всеми металлами, располагающимися выше него.
Помимо того, что титан находится в самом низу этого ряда, он обладает способностью поляризоваться при прохождении электрического тока. Под поляризацией понимают способность металла, находящегося в контакте с другим металлом, снижать разность потенциалов, существовавшую при отсутствии тока. Так, путем поляризации титан может уменьшать коррозию металла, стоящего выше него в электрохимическом ряду.
При испытаниях в морской воде, которая в настоящее время является единственным используемым для исследований коррозии титана электролитом, контакт монель-металла и нержавеющей стали с титаном почти не отразился на скорости коррозии последних.
Коррозия инконеля, никеля и купроникеля (70 : 30) в паре с титаном несколько усиливается. Хорошую противокоррозионную стойкость в морской воде при соединении с титаном показали также некоторые марки бронзы (G и М).
Электрохимическая коррозия может происходить и во влажном воздухе; коррозию могут вызвать налипшие на металл при штамповке частицы цинка и стали. Во многих случаях приходится соединять два металла с большой разностью потенциалов. Чтобы предотвратить в подобном случае электрохимическую коррозию, к паре металлов присоединяют кусок металла с еще более высоким потенциалом, который и будет корродировать, защищая тем самым место соединения первой пары металлов.
Выбор подобного куска металла производится на основе практических данных с учетом возможности регулярной его замены другим куском по мере разъедания.

 
Трение

Так как величина силы трения, которую приходится преодолевать лри перемещении одного металла по другому, зависит от их способности прилипать друг к другу или «схватываться», то при определении пригодности того или иного металла для изготовления трущихся частей весьма важно рассматривать явления трения и износа в совокупности.
А так как в случаях подобного применения большинства металлов их приходится смазывать, то при изучении фрикционных характеристик титана важно рассмотреть и вопрос смазки.
Трение и износ. Трение титана по титану характеризуется по сравнению с трением прочих металлов более низким коэффициентом. Однако величина этого коэффициента (0,50) все же достаточно велика, чтобы исключить применение пары титан—титан.
При скольжении титана по поверхности других металлов одинаковой с ним твердости коэффициент трения получается на первых порах низким, но затем постепенно сравнивается с коэффициентом трения для случая скольжения титана по титану.
Исследование трущихся поверхностей в подобных случаях показало, что рост коэффициента трения объясняется способностью титана налипать на другую поверхность и задираться. Частицы титана переносятся на сопряженную поверхность, покрывая ее в такой степени, что практически титан скользит по титану. Во всех таких случаях износ детали из титана становится чрезмерно высоким вследствие налипания и задира.
Результаты испытаний скольжения титана по поверхности более мягких металлов (медь, алюминий, бронзы), полученные различными исследователями, противоречивы. В одном случае износ мягкого металла оказался несколько меньше, чем твердого металла, сопряженного с титаном.
В других же случаях коэффициент трения лежал лежду 0,15 и 0,20, хотя наблюдался очень сильный износ мягкого металла. Единственным металлом с более высоким, чем титан, коэффициентом трения, равным 0,70, оказался цинк. Он сам по себе имеет исключительную тенденцию к налипанию. Из сказанного следует, что применение титана без смазки не оправдывается.
Смазка. После смазки чистых поверхностей титана обычными маслами не уменьшился коэффициент трения и не устранились задир и налипание. Это приписывают неспособности титана образовывать на поверхности физически или химически адсорбированные слои смазки.
Применение твердых смазок (графит, пальмитиновая кислота) дает временное уменьшение трения, сохраняющееся только при наличии смазки, так как между титаном и обычными маслами сил сцепления не возникает.
При малых нагрузках эти смазки эффективны непродолжительное время. Подобным же образом смазка уменьшает износ временно до разрушения целостности ее слоя. В связи с неспособностью обычных смазок уменьшать трение или снижать износ поверхность деталей из титана стали подвергать другим видам обработки.

 Неметаллические покрытия

Обычный способ повышения износостойкости и сопротивления коррозии металла или улучшения его внешнего вида состоит в нанесении на поверхность металла покрытий разных видов. Отдельные металлические и неметаллические покрытия могут повышать сопротивление титана коррозии и его износостойкость [1].
При неметаллических покрытиях, за исключением красок, обычно возникает химическая реакция между металлической поверхностью и неорганической солью. Типичными покрытиями этого рода являются анодированные, фосфатированные и борированные поверхности. Одним из самых первых способов повышения сопротивления металлов износу и коррозии было анодирование, представляющее собой нанесение электролитическим путем на поверхность металла тонкой окиеной пленки.
Титан реагирует с многими электролитами, образуя цветные пленки, служащие только для декоративных целей. Однако в некоторых электролитах на титане получаются толстые прочные и надежные оксидные покрытия. Наилучшие результаты дает применение 5%-ного раствора едкого натра при 94° С. Обычно для анодирования поверхности нелегированного титана требуется около 20 мин. при плотности тока 5,4 а/дм2.
Для легированного титана в напряженном поверхностном состоянии продолжительность анодирования и плотность тока увеличивают. Удовлетворительное покрытие титана достигается в электролитах, содержащих смеси солей двуосновного алюминиевокислого натрия и фосфорнокислого натрия или двуосновной перекиси натрия и фосфорнокислого натрия.
При тяжелых нагрузках в условиях применения смазочного масла или дисульфида молибдена наблюдалось сильное повышение износостойкости деталей с покрытием. Покрытия указанного вида полезны и при операциях холодного волочения металла. Применение соответствующей смазки позволило повысить обжатие проволоки до 70% без промежуточного отжига.
Кроме того, анодирование улучшает коррозионную стойкость металла против воздействия серной кислоты. Анодированные поверхности корродировали в 40%-ной серной кислоте при комнатной температуре со скоростью 0,025 мм в год, а в 75%-ных растворах эта скорость не превышала 1,12 мм в год. С другой стороны, неанодированные поверхности давали в 40%-ной кислоте скорость свыше 6 мм в год. Анодированные поверхности обладают несколько повышенной коррозионной стойкостью в растворах азотной и соляной кислот.
В производственных условиях выгодно пользоваться химическим способом нанесения защитных покрытий путем погружения деталей в раствор соответствующего соединения. Хорошие результаты были получены погружением титана в раствор солей фтора. Фосфатированные покрытия наносятся путем погружения в раствор трехосновного фосфорнокислого натрия, фтористого калия и фтористоводородной кислоты. В результате химической реакции на поверхности металла образуется сложное соединение — фторотитанат калия.
Толщина покрытия и сила его сцепления с поверхностью зависят от продолжительности нахождения детали в растворе, хотя не менее важное значение имеют величина рН и температура ванны. Подобным же образом наносится покрытие из фтористого бората путем погружения в раствор тетраборнокислого натрия, фтористого калия и фтористоводородной кислоты. Смазка и последующая термообработка покрытия сильно повышают его износостойкость. При волочении проволоки было достигнуто обжатие до 90% без промежуточного отжига, но при периодическом возобновлении покрытия. При волочении труб с применением пуансона нанесение такого покрытия позволяло получать 65%-ные обжатия. Нанесением на это покрытие смазки и смолы получают твердую поверхность черного цвета, обеспечивающую сохранение непрерывной смазочной пленки на поверхности титана. Этот вид покрытия повышает износостойкость титана без применения смазки больше, чем покрытия других видов.
Самое широкое распространение получила окраска деталей. Она не только обеспечивает определенную защиту от коррозии, но и является хорошим декоративным средством, хотя в этих целях можно пользоваться анодированием и химическими методами нанесения покрытия. Краска создает сплошной непроницаемый барьер для агрессивной среды. Она предотвращает воздействие на металл окружающей атмосферы и особенно полезна для предотвращения электрохимической коррозии при соединении разнородных металлов. В отдельных случаях можно добиться некоторого сцепления слоя краски с поверхностью чистого титана, но краска все же лучше пристает к анодированной поверхности титана.
В тех случаях, когда окрашенная поверхность нагревается, подвергается воздействию агрессивной среды или небольшому абразивному износу, до нанесения краски поверхность следует анодировать.
 

Металлические покрытия

Металлические покрытия находят более широкое применение, чем неметаллические. Существуют следующие способы нанесения металлических покрытий, опробованные с известным успехом применительно к титану: горячее погружение, электролитический, диффузионный, металлизация распылением, осаждение из газовой фазы и плакирование. Во многих случаях окисная пленка, обеспечивающая высокую коррозионную стойкость, служила большим препятствием при металлизации титана.
При горячем погружении деталь опускают в ванну расплавленного металла. Типичным примером применения этого метода является цинкование стали. Титан этим способом можно покрывать разными металлами. Однако в большинстве случаев слой, образующийся между титаном и металлом покрытия, получается хрупким и не представляет технической ценности. При покрытии металла расплавленным алюминием или серебром связывающий слой обладает достаточной пластичностью, но высокая стоимость серебра исключает возможность его промышленного использования, оставляя для этих целей только алюминий. Как уже отмечалось в гл. VI, алитирование титана применяется для пайки последнего. Алитирование может найти применение в тех случаях, когда первостепенную важность приобретает коррозионная стойкость при высокой температуре. Титан можно покрывать также свинцом, но в этой области пока сделано мало. Окисная пленка на поверхности титана исключает возможность смачивания поверхности оловом и цинком и препятствует образованию пригодных покрытий из этих металлов.
Металлические покрытия чаще всего наносятся электрохимическим способом. Они защищают от коррозии, упрощают холодное волочение и служат декоративным целям. Примером этого могут служить хромированные детали. На титан электропокрытие можно наносить обычными методами, но в этом случае сцепление покрытия с поверхностью детали получается очень слабым. Пока не разработана технология надежного нанесения на титан плотных покрытий. Присутствующая на титане окисная пленка препятствует образованию на его поверхности слоев других металлов. Не дали успеха попытки удаления этой пленки сухой и мокрой пескоструйной обдувкой,- анодным травлением, травлением в водных и безводных растворах и в расплавленных солях, электроочисткой.
Покрытия с плохой адгезией применимы только при операциях холодного волочения. Тем не менее на поверхностях титана, имеющих трещины, удается получать хромовые покрытия с хорошим сцеплением. Это доказывает возможность нанесения на поверхность титана качественных покрытий электрохимическим способом.
Диффузионные покрытия образуются благодаря проникновению одного металла в поверхностный слой другого при высокотемпературной обработке. Для покрытия стали в целях повышения ее стойкости при нагревании применяют различные элементы, например, алюминий (калоризация) или ферросилиций. Аналогичные попытки получить покрытия на титане пока оказались малоуспешными. Установлена возможность диффузионного никелирования титана. Никелевые покрытия на титане обладают большой твердостью и способны повысить стойкость металла против износа и коррозии.
Осуществимость диффузионного никелирования титана свидетельствует о возможности нанесения на него диффузионным способом покрытий других металлов, например, меди и никеля.
Металлизация распылением может осуществляться путем нанесения чистого металла или металлического соединения с последующим его химическим разложением. Распыление чистого металла производится специальным металлизатором, в котором металл плавится и распыливается. Расплавленные частицы металла выбрасываются на поверхность сжатым воздухом. Несмотря на использование расплавленного металла, связь покрытия с поверхностью получается только механической. Для металлизации можно использовать любой металл, плавящийся в кислородно-ацетиленовом пламени. Однако существуют другие методы распыления, дающие химически адсорбируемые на поверхности покрытия.
Покрытия титана металлоорганическими соединениями можно получать путем осаждения их паров. Для разложения последних, удаления органических веществ и сохранения на поверхности металла покрытия процесс ведут с нагревом. Покрытия титана молибденом были получены осаждением на его поверхность паров гексакарбонил-молибдена в атмосфере водорода при пониженном давлении. Процесс осаждения можно осуществлять уже при температуре 480° С, но в этом случае покрытие получается твердым и хрупким, тогда как покрытие, образующееся при температуре 930° С, обладает пластичностью, и его сцепление с основным металлом значительно усиливается, так как при повышенных температурах диффузия протекает лучше. Оптимальные результаты достигались применением смеси, состоящей из трех частей карбонила и одной части водорода. В этом случае покрытия отличались замечательной износостойкостью, особенно при наличии смазки.
На поверхность распылением или окраской можно наносить металлические частицы, взвешенные в органической связке. Путем нагревания связку удаляют, обеспечивая сцепление покрытия с поверхностью. Этим способом титан покрывают кремнием. Кремний наносят путем окраски поверхности смесью порошка кремния с глифталевой смолой в растворе ацетона и диацетонового спирта. Сцепление кремния с поверхностью металла достигается нагреванием для удаления носителя и спеканием в атмосфере водорода или в вакууме при температуре 1310° С. Нагрев оказывает отрицательное влияние на механические свойства титана, однако в тех случаях, когда прочность не является первостепенным фактором, подобным способом можно значительно повысить жаростойкость детали. Образцы с таким покрытием нагревались около 250 час. при 980° С без доступа, воздуха. При пониженных температурах, чаще всего встречающихся на практике, теплостойкость возрастает еще больше.
Если вес металлического покрытия превышает 3% всего веса образца, то подобный способ нанесения покрытия называют плакированием. Процесс заключается в заливке основного металла другим металлом или в диффузионной наплавке последнего на поверхность детали. Наиболее распространенным способом плакирования является прокатка основного металла между двумя листами другого металла.
При этом металлы соединяются в процессе холодной прессовой сварки. Для покрытия титана методом холодной сварки пригоден алюминий. Плакирование применялось в экспериментальных целях для облегчения холодного обжатия листов и плит из титана.


 

Упрочнение поверхности

Для уменьшения трения и износа движущихся друг по другу деталей практикуется упрочнение поверхностей. В других случаях, помимо их твердости, требуется еще достаточно высокая пластичность и вязкость. Ни один металл не обладает всеми этими, свойствами. Поэтому были разработаны способы образования износостойких слоев на вязких металлах либо путем диффузии атомов внедряющихся элементов в основу, либо путем нагрева поверхности.
Цементация. Цементация или науглероживание титана ведется путем нагревания металла в присутствии технического карбюризатора, графита или пропана. Получающиеся в результате науглероживания слои отличаются хрупкостью и пористостью, если не считать тонкого плотного подслоя у самой поверхности титана, обладающего отличной износостойкостью и хорошим сопротивлением абразивному износу. Однако такие подслой недолговечны. Все попытки повысить толщину этого слоя оказались бесплодными, хотя исследования в этом направлении все еще продолжаются.
Оксидирование. Твердые слои можно создать нагреванием титана в сухом воздухе или в атмосфере кислорода. Однако из-за большой хрупкости подобные слои не имеют практической ценности. Полученные результаты оказались настолько убедительными, что позволяют рекомендовать полностью исключать кислород из атмосферы при любой термической обработке титана.
Наводораживание. Поверхностное упрочнение титана водородом дает свободные от пор слои средней твердости. Такие слои растрескиваются при легких нагрузках или абразивном износе и полностью выкрашиваются в тяжелых условиях работы.
Индукционное упрочнение. Индукционный нагрев титана в инертной атмосфере сопровождается образованием беспористых и лишенных трещин слоев средней твердости и умеренной хрупкости. При испытании на износ подобные слои оказались недостаточно твердыми и не дали заметного уменьшения налипания титана. Эти слои удовлетворительно выдерживают легкую нагрузку.
Нитроцементация. При нитроцементации через поверхность одновременно диффундируют углерод и азрт. Нагрев титана в атмосфере аммиака и пропана при 820° С дает достаточно твердые слои.
Азотирование. Толщина азотированного слоя может достигать 0,1 мм, однако такое азотирование требует тщательного контроля за ходом процесса [3]. Для получения оптимальных результатов приходится тщательно регулировать количество поступающего в печь аммиака и количество неразложившегося аммиака, выходящего из нее.
Наилучшие условия достигаются в том случае, когда количество последнего составляет 0,1% всех выходящих газов. Толщина слоя зависит от продолжительности выдержки и температуры.
Лабораторные испытания показали, что азотированные слои самого лучшего качества образуются на сплавах титана с ванадием и бором, но во всех случаях азотированные слои обладали хорошей износостойкостью, которая значительно повышается при применении смазки.
Хотя некоторые общепринятые способы поверхностной обработки металлов неприменимы к титану, существует ряд методов нанесения покрытий и упрочнения поверхности, повышающих износостойкость металла и даже в отдельных случаях сопротивление коррозии.
Очистка поверхности
Любой способ нанесения покрытия на поверхность титана требует ее очистки до проведения операции, а иногда и после нее. Горячая обработка сопряжена с необходимостью удаления образовавшейся скисной пленки. Главными требованиями при очистке поверхности являются удаление слоев окислов и растворение пленок масла.
Очистка поверхности от окалины. Титан очищают от окалины обычными химическими и механическими способами. Детали большого сечения очищают влажной или сухой пескоструйной обдувкой, обдувкой дробью или местным шлифованием. После этих операций производят травление в кислоте и промывку водой. Детали небольших размеров могут очищаться обработкой в гидриде натрия или каустической ванне с последующей промывкой в воде, погружением в кислоту и окончательной промывкой.
Этим способам присущи свои недостатки: обработка в каустической ванне может сделать металл хрупким и непригодна для тонких материалов, а гидрид натрия нельзя применять для очистки деталей перед сваркой.
В таких случаях окалину удаляют в растворах хлористоводородной и фтористоводородной кислот. Применяются также смеси, в которых азотная кислота заменяет фтористоводородную кислоту.
Обычно применяются следующие растворы: 1) 80 мл HNO3, 20 мл HF, 900 мл Н2О; 2) 30 мл НCl, 20 мл HF, 950 мл Н2О; 3) 450 мл HNO3, 450 мл Н2О, 100 мл H2SiF6, 100 г NH4F • HF.
Для промывки перед обдувкой или наводораживанием пользуются разбавленным раствором серной или фтористоводородной кислот.
Обезжиривание. Жиры или масляные пленки удаляют с поверхности титана любым из известных способов. Для этой цели успешно применяют нагретый трихлорэтилен, кипящий четыреххлористый углерод, горячий раствор натриевой соли метакремниевой кислоты. Следы пальцев и аналогичные пятна удаляются нелегко, но они не вредят последующей обработке.
 
 

Методика металлографического исследования

Методика металлографического исследования титана постоянно совершенствуется вследствие использования ее в исследовательской работе. Она создавалась для решения исследовательких задач и, следовательно, не может быть приемлемой в качестве стандартной методики. Однако в результате последних работ в этой области методика металлографического анализа титана по быстроте и простоте вполне сравнима с методикой, применяемой для сталей.
Подготовка образцов. В большинстве случаев образцы для металлографического исследования имеют очень малые размеры, что затрудняет их подготовку. Чтобы упростить эту задачу, образец укрепляют на пластической основе. Применительно к образцам титана, предназначенным для анализа микроструктуры, обычно прибегают к методам их горячей запрессовки в бакелит или порошковый люсит при температуре около 150° С. Такая температура заметным образом не влияет на микроструктуру, но несколько изменяет микротвердость. В тех случаях, когда хотят избежать такого изменения микротвердости образцов титана, с успехом пользуются пластиками холодного типа, подобными применяемым в зубоврачебном деле.
Шлифование и полирование. Подготовка образца разделяется на три этапа: шлифование, грубое и тонкое полирование.
Шлифование без труда осуществляется на плоскошлифовальных станках и шлифовальных лентах. Смонтированные в держателях образцы титана шлифуются в мокром состоянии для выравнивания поверхности и удаления деформированного поверхностного слоя. Царапины от этого шлифования удаляют на шлифовальной ленте с крупностью абразивов 240 меш (№240).
Промежуточная стадия грубого полирования, производимая наждачной или карборундовой бумагой, уменьшает глубину царапин на образце с № 240 до № 600. Обработка наждачной бумагой обходится дешевле, но требует больше времени. Образцы титана следует полировать вручную, начиная с наждачной бумаги № 2 или карборунде.-вой № 240 с постепенным переходом до наждачной № 000 (3/0) или карборундовой № 600. Заключительный этап грубого полирования производится наждачной бумагой 3/0 с графитом. Смазки для всех этих операций не требуется.
Поверхность образца становится зеркальной после последующего тонкого полирования на круге, покрытом сукном, с применением водной суспензии абразивных порошков. На этой стадии подготовки образца имеет значение не только абразив, но и вид материи, которой обтягивается полировальный круг. Образцы полируются последовательно с переходом ко все более мелкозернистому абразиву.
При переходе с одного круга на другой образцы промывают и сушат, чтобы исключить возможность попадания зерен абразива с предыдущего круга. Наиболее хорошие результаты дает полирование гитана при следующих условиях: окись алюминия № 1 на шелке, затем окись алюминия № 3 на сукне с длинным ворсом. Еще более тонкое полирование можно осуществить, используя гамма-окись алюминия (абразив CR—О) на сукне «гамаль». Для тонкого полирования титана широко применяется алмазная, пыль (зернистость пылет на первом круге 14 мк) с постепенным переходом до 0,5 мк на заключительной стадии. Применение алмазной пыли сокращает продолжительность подготовки образца, но удорожает ее. Употреблять алмазную пыль рекомендуется лишь в том случае, когда главной задачей является изучение включений. Все эти операции по тонкому полированию надлежит осуществлять на стационарных кругах с минимальным количеством воды. Стационарные круги уменьшают замазывание, тогда как ограниченное применение воды препятствует образованию питтингов. При полировании на вращающихся кругах скорость их вращения не должна превышать 50 об/мин. Травление после заключительной операции грубого полирования и перед тонким полированием способствует получению поверхности высшего качества.
Электролитическое полирование. Электролитическое полирование является средством быстрого получения полированной поверхности путем использования электрохимической реакции для удаления металла с поверхности. Оно требует предварительного шлифования наждачной бумагой №/00 (2/0) или карборундовой № 400 с последующей операцией электролитического полирования длительностью 20 сек. Применение электролитического полирования ограничивается тем обстоятельством, что этим способом можно обрабатывать поверхность площадью не более 1 см2. Обработка поверхности большей площади возможна лишь по участкам, что придает отполированной поверхности «рельефность», выражающуюся в различной глубине расположения зерен и кривизне отполированной поверхности. Если подобные недостатки терпимы, то электролитическое полирование позволяет экономить много времени.
Травление. Травление представляет собой избирательное химическое разъедание полированной поверхности. Всякий травитель обладает только ему присущим действием, выявляя микроструктуру полностью или частично. Травитель может вызывать большее потемнение одной фазы сравнительно с другой, выявлять только границы зерен или зерна определенной ориентации, не затрагивая зерен других ориентации. Активной составной частью большинства холодных травителеи титана является фтористоводородная кислота. Добавляемые к ней химические вещества действуют избирательно. Азотная кислота используется для замедления процесса окрашивания; глицерин увеличивает контрастность; фосфорная кислота тормозит окрашивание и способствует разъеданию границ зерен; карбитол предотвращает неравномерность травления. Для титана предложено много травителей.
Электролитическое травление. При травлении, как и при полировании, можно использовать электрохимические реакции. Электролитические травители, разработанные для титана, отличаются от холодных травителеи, так как в этом случае происходит скорее образование окисной пленки, нежели стравливание металла. Они образуют иа полированной поверхности образца окрашенную пленку, и все фазы при большом увеличении имеют индивидуальную окраску. Эти окраски воспроизводимы в одном и том же сплаве, но отличаются для разных сплавов.
Эти электролитические травители, в состав которых входят органические кислоты, разработаны в Нью-Йоркском университете и оказались весьма ценными при выявлении фаз в процессе изучения диаграмм состояния. Аналогичные травители, разработанные Уотертаунским арсеналом, применяются для промышленных сплавов при выявлении фаз и их относительных количеств. Полезны также ванны цианистого натрия, разработанные для выявления карбидов. Травление в этой ванне придает поверхности образцов голубую окраску, а карбиды имеют желтый оттенок.
Горячее травление. Нагрев полированного и травленого образца титана приводит к окислению поверхности, в результате чего можно металлу придать нужную окраску. После нагрева титана при температуре около 600° С в течение 1 мин. В-фаза принимает фиолетовую или голубую окраску, а а-фаза — желтую; если присутствуют карбиды, то они приобретают светло-голубой или темно-желтый оттенок. Если полированный образец титана нагревать в вакууме, то возникает рельеф, отчетливо выделяющий каждое зерно. Однако высокая стоимость вакуумного травления делает его малопрактичным.
Поляризованный свет. Некоторым металлам присуща способность к двойному лучепреломлению, т. е. способность металлической поверхности иметь поочередно темную и светлую окраску или изменять ее при вращении образца относительно оптической оси микроскопа при использовании для освещения плоскополяризованного света. Металлы с кубической решеткой обычно не обладают этой способностью. Явление двойного лучепреломления наблюдается для а-титана, имеющего гексагональную плотноупакованную решетку, и не имеет места для в-титана. Таким образом, при применении плоскополяризованного света а-фазу можно отличить от в-фазы. Однако использование этого метода осложняется тем обстоятельством, что а-фазе, образовавшейся при распаде, способность к двойному лучепреломлению присуща в большей мере, чем равноосной а-фазе. В тех случаях, когда эти две разновидности а-фазы присутствуют одновременно, равноосную а-фазу можно ошибочно принять за в-фазу. Этот метод неприменим к изучению неполированного образца.
Микроструктура. Как уже отмечалось в гл. III, структура титана может при термической обработке изменяться в широких пределах. Две основные фазы (а и в) могут существовать отдельно или вместе. По мере изменения механизма образования этих фаз изменяется и получаемая микроструктура. Следовательно, каждой термической обработке отвечает своя микроструктура. Продолжительная термическая обработка также вызывает незначительное изменение структуры. Некоторым системам сплавов может соответствовать своя отличительная структура.
Структура, состоящая полностью из одной а-фазы, обычно наблюдается в чистом титане и двойных сплавах-титана с алюминием. В зависимости от резкости закалки или скорости охлаждения структура может приобрести различный характер. При медленном охлаждении наблюдаются обычно равноосные полиэдрические зерна. Они обладают способностью к двойному лучепреломлению, однородны по величине и имеют четкие границы.
Если а-сплав нагреть до температуры, лежащей далеко в в-области, и затем закалить в воде, то получается структура, называемая «зубчатой а-фазой».
Технический титан благодаря наличию примесей при закалке из в-области дает не однородную структуру, а структуру, называемую игольчатой а-фазой. Она является характерной для технического титана. При очень высоком содержании загрязняющих примесей в результате закалки из в-области образуется тонкозернистая структура с мелкими шаровидными включениями.
Структуры, состоящие полностью из а-фазы, первыми наблюдались при исследовании титана, хотя в настоящее время чаще всего встречаются структуры, состоящие из смеси а- и в-фаз. в-фаза образует основу или матрицу, в которой распределены дисперсные выделения а-фазы. Эти выделения а-фазы приобретают различный вид в зависимости от термической обработки и типа сплава. Выделения а-фазы подразделяются на три вида: пластинчатые, корзиночные и шаровидные.
Общее ознакомление с металлографией титана свидетельствует о значительном уровне ее развития, хотя в этой области еще предстоит многое сделать. Важное место в этом отношении должна занять разработка окрашивающих травителей для титана. Дальнейшего усовершенствования требуют методы электролитического полирования и вакуумного травления.
Несмотря на то, что существующая металлографическая техника не решает ряда встречающихся трудностей, она все же является ценным средством при производственном контроле и проведении научно-исследовательских работ.

                Методика химического анализа

Химический анализ и металлографическое исследование являются основными методами не только исследования металлов, но и контроля качества продукции.
Предложено много методов анализа титана и его сплавов и проведена большая работа по разработке наиболее точных методов определения каждого из элементов, встречающихся в этих сплавах. Работа по совершенствованию методов анализа и их стандартизации продолжается до настоящего времени.
Алюминий. Алюминий, являющийся одним из основных легирующих элементов титана, определяется осаждением его из буферного раствора ацетата уксусной кислоты с рН от 5 до 8 гидроксихинолином. Эта методика была разработана в целях удаления всех элементов, могущих повлиять на результаты анализа. Однако метод этот дорогой, так как для одного определения требует большого количества дорогостоящего купферона и затраты приблизительно 12 человеко-часов. Тем не менее его большая точность при определении алюминия в широком диапазоне концентраций (0,05—20%) выгодно отличает его от всех прочих известных методов.
Бор. Хотя бор не обнаружен в титане, небольшие добавки этого элемента, по-видимому, вызывают упрочнение титана. Эти экспериментальные данные делают целесообразной разработку методов определения бора. Разработана методика анализа, по которой количество присутствующего бора определяется в зависимости от окраски, возникающей при взаимодействии бора с диантрамидом. Этот метод также дорогой, поскольку для выделения бора из пробы требуется много времени. Никаких других трудностей эта методика, по-видимому не встречает; она обеспечивает точность определения до 0,1%.
Кальций. Определение кальция требует сложной процедуры для удаления алюминия, хрома, вольфрама и марганца, на что уходит очень много времени. Кальций извлекается из пробы и определяется виде стеарата нефелометрически. Этот метод применяется при содержании кальция от 0,005 до 0,2%. По-видимому, единственное применение кальция в титановой промышленности сводится к тому, чтобы заменить магний при проведении опытов по восстановлению титана. Так как это область ограниченного применения кальция, дальнейшая разработка этой методики не производилась.
Углерод. Вследствие вредного влияния углерода на свойства титана точность его определения приобретает исключительное значение. Определение углерода может производиться стандартным методом нагрева пробы докрасна в трубке или в индукционной печи в присутствии кислорода. Образующийся углекислый газ поглощается аскаритом или другим аналогичным веществом, а содержание углерода определяется по количеству углекислого газа. Если обеспечить постоянство условий проведения анализа, то данная методика дает воспроизводимые результаты. К этим условиям относятся величина стружки, скорость течения газов, чистота кислорода и период сжигания пробы.
Довольно хорошие результаты обеспечивались применением оловянножелезного флюса, стружки средней величины и кислорода высокой степени чистоты. Требование в отношении скорости течения газов сводится к обеспечению ее постоянства в процессе анализа. Стандартизация этих факторов обеспечит быстроту и точность определения независимо от концентрации углерода.
Хлориды. Определение содержания хлоридов производится известным способом — путем их осаждения азотнокислым серебром. Подобная методика позволяет определять очень малые количества хлора в виде хлоридов (до 0,005%). В случае меньших концентраций осадок переводят в сернистое серебро и определяют его количестве фотометрическим путем в виде коллоидной суспензии. Содержание хлорида определяется, по количеству серебра. Фотометрический метод должен найти самое широкое применение, так как хлориды в малых количествах присутствуют даже в губчатом титане.
Хром. Методика определения хрома, являющегося подобно алюминию одним из главных легирующих элементов титана, в точности соответствует методике определения его в стали. Хром окисляется: хлорной кислотой, восстанавливается железоаммониесульфатом и титруется марганцевокислым калием. Конечный момент определяется по изменению цвета раствора, а содержание хрома вычисляется по количеству израсходованного марганцовокислого калия. При проверке этой методики выяснилось, что она дает несколько заниженные результаты. Неизвестно, имеет ли это отклонение постоянную величину, но если от анализа не требуется исключительно высокой точности, им можно пренебречь.
Кобальт. Кобальт определяется электролитическим путем. Весьма сложным способом весь кобальт переводят в раствор, после чего егс электролитически осаждают и непосредственно взвешивают, скольку кобальт не оказывает большого влияния, попыток установить возможности этой методики и упростить ее на предпринималось.
Медь. Определение меди, содержание которой в титане не превышает 0,2 %, производится электролитическим путем. Проба раствс ряется в смеси азотной и фтороборной кислот, и из этого раствора медь осаждается электролизом. Для всех встречающихся в титане концентраций меди достаточно пропускать ток 0,1 а в течение 30 минут.
Ниобий и тантал. Хотя эти металлы являются весьма ценными легирующими элементами, применение их ограничивается высокой стоимостью и дефицитностью. Химический анализ осложняется трудностями, связанными с разделением этих двух элементов. Поэтому имеется в виду одновременное определение этих элементов.
Удовлетворительного метода определения ниобия и тантала в титане пока не разработано, но работы в этом направлении ведутся. В основе одного из разрабатываемых методов лежит выделение этих элементов при помощи дубильной кислоты; другой метод является полярографическим.
Железо. Железо часто применяется для легирования титана, но его содержание, видимо, не поддается точному определению. Предлагалось много методов определения железа, но все они имеют ограниченное применение. Наиболее перспективным методом следует считать колориметрический. Этот метод предполагает образование комплексного соединения железа с ортофенантролином, имеющего красный цвет. Содержание железа определяется по интенсивности окраски. Этот метод не имеет, видимо, ограничений в отношении концентраций железа. Однако ряд элементов, особенно молибден, оказывают влияние на окраску раствора. Метод находит практическое применение и является точным при содержании железа более 0,01%.
Свинец. Свинец — возможная добавка к титану в целях улучшения его обрабатываемости резанием. Свинец определяется путем осаждения его из комплексного соединения с виннокаменной кислотой. Это осуществляется путем добавки насыщенной сернистым водородом муравьиной кислоты и последующей обработки газообразным сернистым водородом. Осадок собирается, растворяется вновь и осаждается из раствора при электролизе. Возможности этого метода не установлены, так как он недостаточно проверен.
Магний. Магний попадает в титан в процессе восстановления последнего по способу Кролля и может присутствовать в качестве второстепенной примеси вследствие недостаточной очистки титана. Анализ на магний очень сложен, предполагает применение дорогостоящих реактивов и требует много времени.
Элементы, искажающие результаты анализа, осаждаются купфероном, после чего остаточный раствор экстрагируется хлороформом. Магний осаждается диаммонийфосфатом, сжигается с образованием соли пирофосфорной кислоты и определяется в таком виде. Хотя данный метод и сопряжен с рядом трудностей, он превосходит другие известные методы и обеспечивает большую точность в широком интервале концентраций магния.
Марганец. Содержание марганца, являющегося важным легирующим элементом, определяется путем его восстановления висмутатом калия и титрованием раствора марганцевокислого калия до изменения его цвета. Этот метод получил широкое распространение, обеспечивает достаточную точность, дает воспроизводимые результаты к применим при любых концентрациях марганца.
Молибден. Молибден также является важным легирующим элементом. Его содержание определяется путем образования окрашенной в красный цвет молибденовой соли тиоциановой кислоты под воздействием тиоцианата натрия и хлористого олова. Количество молибдена определяется по интенсивности окраски. Этот метод дает достаточно точные результаты при всех концентрациях молибдена, встречающихся в титане и его сплавах. Присутствие вольфрама искажает результаты анализа, если содержание молибдена менее 1%, но при низком по сравнению с молибденом содержании вольфрама, что обычно и имеет место, это искажение незначительно.
Никель. До настоящего времени никель в качестве легирующего элемента в титане не получил применения. Однако методика его определения разработана; содержание его до 4% определяется колориметрически. Окисление никеля бромом с добавкой диметилглиоксима в щелочном растворе сообщает последнему красновато-коричневый цвет. Количество присутствующего никеля определяется по интенсивности проходящего через спектрофотометр света с длиной волны 530 ммк. Присутствие марганца и кобальта изменяет окраску раствора и ведет к занижению результатов анализа. Насколько это важно при малых концентрациях никеля, наблюдаемых в титане, пока не установлено.
Азот. Азот является одной из главных вредных примесей в титане, поэтому необходимо иметь точную методику его анализа. Содержание азота можно определять двумя различными методами, каждый из которых обеспечивает достаточную точность. Наиболее широко применяется метод Кьелдаля. Другим методом является вакуумная экстракция, при которой одновременно определяются кислород и водород. Метод Кьелдаля предусматривает перевод азота в аммиак и его перегонку в раствор борной кислоты. Образующийся борат аммония титруется хлористоводородной кислотой, а количество азота определяется по расходу, последней. Указывается, что этот метод обеспечивает точное определение азота при содержании около 0,001 %, хотя это сомнительно, так как почти невозможно приготовить такие эталоны. До получения эталонов абсолютную точность этого метода оценить невозможно.
Азот, кислород и водород. В настоящее время единственным методом, применяемым для определения содержания кислорода и водорода, является метод вакуумной экстракции. Этим же методом можно определять азот. Таким образом, он позволяет одновременно определять содержание этих трех главных вредных примесей.
Анализируемая проба растворяется в расплавленном олове для уменьшения возгонки таких металлов с высокой упругостью паров, как марганец и сам титан. Затем проба помещается в индукционную эвакуированную высокочастотную печь. Газы выделяются при нагревании пробы и собираются в манометре Маклеода, где измеряется их общий объем. Затем эти газы пропускаются через ряд колонок, где они вступают в химические реакции. Кислород собирается в виде углекислого газа, водород — в виде паров воды, а азот определяется по разности или по количеству непрореагировавшего газа. Степень извлечения этим методом кислорода и водорода составляет около 95%, а для азота приблизительно 90 %. Недостатком этого способа, присущим и методу Кьелдаля, является отсутствие эталонов для сравнения и определения точности.
Фосфор. Фосфор подобно бору может получить применение для легирования титана. Придаваемый молибденом голубой цвет при обработке молибдатом аммония и хлористым оловом позволяет определять содержание фосфора колориметрическим путем. Поскольку ионы титана изменяют окраску раствора до обработки пробы, титан следует перевести в комплексное соединение. Применимость этого метода ограничивается тем, что он позволяет точно производить определение максимум 0,12% фосфора. Однако некоторым видоизменением метода можно увеличить эту цифру.
Кремний. В отдельных случаях кремний полезен в качестве легирующей добавки к титану, но в настоящее время его используют лишь в экспериментальных целях. Методика анализа на кремний весьма простая. Растворенная проба окисляется перекисью водорода и затем обезвоживается смесью хлорной кислоты с серной. Остаток прокаливается, взвешивается, обрабатывается фтористоводородной кислотой и снова прокаливается. Разница в весе дает количество кремния. Этот метод отличается быстротой и вполне приемлемой точностью.
Серебро. Несмотря на дороговизну, серебро является не только легирующим элементом, но и припоем, применяемым при пайке титана. Серебро определяется путем его осаждения из раствора сернистым водородом. Осадок фильтруется и растворяется вновь в серной кислоте. Получающийся раствор разбавляется, обрабатывается добавкой цитратсульфата, охлаждается до 0° и титруется йодистым калием в присутствии иодноватокислого калия. Возможности этого метода неясны, так как опыт его применения недостаточен.
Сера. Методы определения серы в титане недостаточно совершенны и требуют дальнейшей разработки. Обычный способ выделения серы в виде сернистого газа дает невоспроизводимые результаты. Другой метод выделения серы в виде сернистого водорода пригоден только для нелегированного титана. Однако все известные определения серы производились на специально приготовленных образцах, а не на пробах технического металла, так что делать окончательные выводы преждевременно.
Олово. Методика определения олова в титане имеет весьма важное значение, потому что в последнее время олово все более применяется для легирования титана. Неокончательно разработанный метод предусматривает окисление олова и титрование стандартным иодид-иодатом до конечного момента.
Методика окисления еще не установлена. В этих целях используются как хлористая сурьма, так и железный порошок. Область применимости этого метода и его точность остаются спорными. Во всяком случае этим методом пока нельзя достичь большой точности определений.
Титан. Титан можно определять по разности или методами химического анализа, предусматривающими восстановление титана алюминием и последующее титрование железным купоросом в атмосфере углекислого газа. Изложенная методика находит широкое применение и обеспечивает приемлемую воспроизводимость и точность результатов.
Вольфрам. Вольфрам присутствует в титане в качестве главной загрязняющей примеси в том случае, когда металл выплавлялся в печи с вольфрамовым электродом. В настоящее время вольфрам определяют в титане колориметрическим методом, измеряя количество образовавшегося тиоцианата вольфрама, имеющего желтый цвет. Этот метод дает определенную погрешность и применять его при точном исследовании не рекомендуется. До проведения дополнительных исследований нельзя рекомендовать и другие методы. Во всяком случае определение вольфрама требует тщательного приготовления эталонов, так как вольфрам сильно ликвирует в титане.
Ванадий. Методика определения ванадия, являющегося одним из самых важных легирующих элементов, аналогична методике его определения в стали. Ванадий окисляют хлорной кислотой, после чего раствор обрабатывается серноаммониевожелезной солью и титруется марганцевокислым калием до конечного момента изменения цвета. Указывается, что этот метод применим для всех концентраций ванадия в титане.
Цирконий. Цирконий следует считать возможным легирующим элементом титана. Определение циркония является сравнительно простым. Проба растворяется хлористоводородной кислотой, а цирконий выделяется в виде менделата. Осадок вновь растворяется, осаждается повторно и прокаливается до образования окисла. Этот метод является точным для всех концентраций циркония до 10%.
Рассмотренные выше методы относились преимущественно к категории объемных и весовых. В ближайшее время они будут дополнены спектральными и полярографическими методами. Хотя эти методы находятся в начальной стадии разработки, во многих случаях только они могут разрешить трудности, с которыми приходится сталкиваться при анализе титана и его сплавов. Сейчас применению этих методов мешает отсутствие соответствующих эталонов. Однако в настоящее время уделяется много внимания внедрению этих методов, обеспечивающих быстроту, точность и воспроизводимость анализов.
В настоящее время изучаются возможности применения нейтронной активации при помощи ускорителя Ван Граафа для проведения анализов. В заключение следует упомян

Методика металлографического исследования

Методика металлографического исследования титана постоянно совершенствуется вследствие использования ее в исследовательской работе. Она создавалась для решения исследовательких задач и, следовательно, не может быть приемлемой в качестве стандартной методики. Однако в результате последних работ в этой области методика металлографического анализа титана по быстроте и простоте вполне сравнима с методикой, применяемой для сталей.
Подготовка образцов. В большинстве случаев образцы для металлографического исследования имеют очень малые размеры, что затрудняет их подготовку. Чтобы упростить эту задачу, образец укрепляют на пластической основе. Применительно к образцам титана, предназначенным для анализа микроструктуры, обычно прибегают к методам их горячей запрессовки в бакелит или порошковый люсит при температуре около 150° С. Такая температура заметным образом не влияет на микроструктуру, но несколько изменяет микротвердость. В тех случаях, когда хотят избежать такого изменения микротвердости образцов титана, с успехом пользуются пластиками холодного типа, подобными применяемым в зубоврачебном деле.
Шлифование и полирование. Подготовка образца разделяется на три этапа: шлифование, грубое и тонкое полирование.
Шлифование без труда осуществляется на плоскошлифовальных станках и шлифовальных лентах. Смонтированные в держателях образцы титана шлифуются в мокром состоянии для выравнивания поверхности и удаления деформированного поверхностного слоя. Царапины от этого шлифования удаляют на шлифовальной ленте с крупностью абразивов 240 меш (№240).
Промежуточная стадия грубого полирования, производимая наждачной или карборундовой бумагой, уменьшает глубину царапин на образце с № 240 до № 600. Обработка наждачной бумагой обходится дешевле, но требует больше времени. Образцы титана следует полировать вручную, начиная с наждачной бумаги № 2 или карборунде.-вой № 240 с постепенным переходом до наждачной № 000 (3/0) или карборундовой № 600. Заключительный этап грубого полирования производится наждачной бумагой 3/0 с графитом. Смазки для всех этих операций не требуется.
Поверхность образца становится зеркальной после последующего тонкого полирования на круге, покрытом сукном, с применением водной суспензии абразивных порошков. На этой стадии подготовки образца имеет значение не только абразив, но и вид материи, которой обтягивается полировальный круг. Образцы полируются последовательно с переходом ко все более мелкозернистому абразиву.
При переходе с одного круга на другой образцы промывают и сушат, чтобы исключить возможность попадания зерен абразива с предыдущего круга. Наиболее хорошие результаты дает полирование гитана при следующих условиях: окись алюминия № 1 на шелке, затем окись алюминия № 3 на сукне с длинным ворсом. Еще более тонкое полирование можно осуществить, используя гамма-окись алюминия (абразив CR—О) на сукне «гамаль». Для тонкого полирования титана широко применяется алмазная, пыль (зернистость пылет на первом круге 14 мк) с постепенным переходом до 0,5 мк на заключительной стадии. Применение алмазной пыли сокращает продолжительность подготовки образца, но удорожает ее. Употреблять алмазную пыль рекомендуется лишь в том случае, когда главной задачей является изучение включений. Все эти операции по тонкому полированию надлежит осуществлять на стационарных кругах с минимальным количеством воды. Стационарные круги уменьшают замазывание, тогда как ограниченное применение воды препятствует образованию питтингов. При полировании на вращающихся кругах скорость их вращения не должна превышать 50 об/мин. Травление после заключительной операции грубого полирования и перед тонким полированием способствует получению поверхности высшего качества.
Электролитическое полирование. Электролитическое полирование является средством быстрого получения полированной поверхности путем использования электрохимической реакции для удаления металла с поверхности. Оно требует предварительного шлифования наждачной бумагой №/00 (2/0) или карборундовой № 400 с последующей операцией электролитического полирования длительностью 20 сек. Применение электролитического полирования ограничивается тем обстоятельством, что этим способом можно обрабатывать поверхность площадью не более 1 см2. Обработка поверхности большей площади возможна лишь по участкам, что придает отполированной поверхности «рельефность», выражающуюся в различной глубине расположения зерен и кривизне отполированной поверхности. Если подобные недостатки терпимы, то электролитическое полирование позволяет экономить много времени.
Травление. Травление представляет собой избирательное химическое разъедание полированной поверхности. Всякий травитель обладает только ему присущим действием, выявляя микроструктуру полностью или частично. Травитель может вызывать большее потемнение одной фазы сравнительно с другой, выявлять только границы зерен или зерна определенной ориентации, не затрагивая зерен других ориентации. Активной составной частью большинства холодных травителеи титана является фтористоводородная кислота. Добавляемые к ней химические вещества действуют избирательно. Азотная кислота используется для замедления процесса окрашивания; глицерин увеличивает контрастность; фосфорная кислота тормозит окрашивание и способствует разъеданию границ зерен; карбитол предотвращает неравномерность травления. Для титана предложено много травителей.
Электролитическое травление. При травлении, как и при полировании, можно использовать электрохимические реакции. Электролитические травители, разработанные для титана,
отличаются от холодных травителеи, так как в этом случае происходит скорее образование окисной пленки, нежели стравливание металла. Они образуют иа полированной поверхности образца окрашенную пленку, и все фазы при большом увеличении имеют индивидуальную окраску. Эти окраски воспроизводимы в одном и том же сплаве, но отличаются для разных сплавов.
Эти электролитические травители, в состав которых входят органические кислоты, разработаны в Нью-Йоркском университете и оказались весьма ценными при выявлении фаз в процессе изучения диаграмм состояния. Аналогичные травители, разработанные Уотертаунским арсеналом, применяются для промышленных сплавов при выявлении фаз и их относительных количеств. Полезны также ванны цианистого натрия, разработанные для выявления карбидов. Травление в этой ванне придает поверхности образцов голубую окраску, а карбиды имеют желтый оттенок.
Горячее травление. Нагрев полированного и травленого образца титана приводит к окислению поверхности, в результате чего можно металлу придать нужную окраску. После нагрева титана при температуре около 600° С в течение 1 мин. В-фаза принимает фиолетовую или голубую окраску, а а-фаза — желтую; если присутствуют карбиды, то они приобретают светло-голубой или темно-желтый оттенок. Если полированный образец титана нагревать в вакууме, то возникает рельеф, отчетливо выделяющий каждое зерно. Однако высокая стоимость вакуумного травления делает его малопрактичным.
Поляризованный свет. Некоторым металлам присуща способность к двойному лучепреломлению, т. е. способность металлической поверхности иметь поочередно темную и светлую окраску или изменять ее при вращении образца относительно оптической оси микроскопа при использовании для освещения плоскополяризованного света. Металлы с кубической решеткой обычно не обладают этой способностью. Явление двойного лучепреломления наблюдается для а-титана, имеющего гексагональную плотноупакованную решетку, и не имеет места для в-титана. Таким образом, при применении плоскополяризованного света а-фазу можно отличить от в-фазы. Однако использование этого метода осложняется тем обстоятельством, что а-фазе, образовавшейся при распаде, способность к двойному лучепреломлению присуща в большей мере, чем равноосной а-фазе. В тех случаях, когда эти две разновидности а-фазы присутствуют одновременно, равноосную а-фазу можно ошибочно принять за в-фазу. Этот метод неприменим к изучению неполированного образца.
Микроструктура. Как уже отмечалось в гл. III, структура титана может при термической обработке изменяться в широких пределах. Две основные фазы (а и в) могут существовать отдельно или вместе. По мере изменения механизма образования этих фаз изменяется и получаемая микроструктура. Следовательно, каждой термической обработке отвечает своя микроструктура. Продолжительная термическая обработка также вызывает незначительное изменение структуры. Некоторым системам сплавов может соответствовать своя отличительная структура.
Структура, состоящая полностью из одной а-фазы, обычно наблюдается в чистом титане и двойных сплавах-титана с алюминием. В зависимости от резкости закалки или скорости охлаждения структура может приобрести различный характер. При медленном охлаждении наблюдаются обычно равноосные полиэдрические зерна. Они обладают способностью к двойному лучепреломлению, однородны по величине и имеют четкие границы.
Если а-сплав нагреть до температуры, лежащей далеко в в-области, и затем закалить в воде, то получается структура, называемая «зубчатой а-фазой».
Технический титан благодаря наличию примесей при закалке из в-области дает не однородную структуру, а структуру, называемую игольчатой а-фазой. Она является характерной для технического титана. При очень высоком содержании загрязняющих примесей в результате закалки из в-области образуется тонкозернистая структура с мелкими шаровидными включениями.
Структуры, состоящие полностью из а-фазы, первыми наблюдались при исследовании титана, хотя в настоящее время чаще всего встречаются структуры, состоящие из смеси а- и в-фаз. в-фаза образует основу или матрицу, в которой распределены дисперсные выделения а-фазы. Эти выделения а-фазы приобретают различный вид в зависимости от термической обработки и типа сплава. Выделения а-фазы подразделяются на три вида: пластинчатые, корзиночные и шаровидные.
Общее ознакомление с металлографией титана свидетельствует о значительном уровне ее развития, хотя в этой области еще предстоит многое сделать. Важное место в этом отношении должна занять разработка окрашивающих травителей для титана. Дальнейшего усовершенствования требуют методы электролитического полирования и вакуумного травления.
Несмотря на то, что существующая металлографическая техника не решает ряда встречающихся трудностей, она все же является ценным средством при производственном контроле и проведении научно-исследовательских работ.
Методика металлографического исследования

Методика металлографического исследования титана постоянно совершенствуется вследствие использования ее в исследовательской работе. Она создавалась для решения исследовательких задач и, следовательно, не может быть приемлемой в качестве стандартной методики. Однако в результате последних работ в этой области методика металлографического анализа титана по быстроте и простоте вполне сравнима с методикой, применяемой для сталей.
Подготовка образцов. В большинстве случаев образцы для металлографического исследования имеют очень малые размеры, что затрудняет их подготовку. Чтобы упростить эту задачу, образец укрепляют на пластической основе. Применительно к образцам титана, предназначенным для анализа микроструктуры, обычно прибегают к методам их горячей запрессовки в бакелит или порошковый люсит при температуре около 150° С. Такая температура заметным образом не влияет на микроструктуру, но несколько изменяет микротвердость. В тех случаях, когда хотят избежать такого изменения микротвердости образцов титана, с успехом пользуются пластиками холодного типа, подобными применяемым в зубоврачебном деле.
Шлифование и полирование. Подготовка образца разделяется на три этапа: шлифование, грубое и тонкое полирование.
Шлифование без труда осуществляется на плоскошлифовальных станках и шлифовальных лентах. Смонтированные в держателях образцы титана шлифуются в мокром состоянии для выравнивания поверхности и удаления деформированного поверхностного слоя. Царапины от этого шлифования удаляют на шлифовальной ленте с крупностью абразивов 240 меш (№240).
Промежуточная стадия грубого полирования, производимая наждачной или карборундовой бумагой, уменьшает глубину царапин на образце с № 240 до № 600. Обработка наждачной бумагой обходится дешевле, но требует больше времени. Образцы титана следует полировать вручную, начиная с наждачной бумаги № 2 или карборунде.-вой № 240 с постепенным переходом до наждачной № 000 (3/0) или карборундовой № 600. Заключительный этап грубого полирования производится наждачной бумагой 3/0 с графитом. Смазки для всех этих операций не требуется.
Поверхность образца становится зеркальной после последующего тонкого полирования на круге, покрытом сукном, с применением водной суспензии абразивных порошков. На этой стадии подготовки образца имеет значение не только абразив, но и вид материи, которой обтягивается полировальный круг. Образцы полируются последовательно с переходом ко все более мелкозернистому абразиву.
При переходе с одного круга на другой образцы промывают и сушат, чтобы исключить возможность попадания зерен абразива с предыдущего круга. Наиболее хорошие результаты дает полирование гитана при следующих условиях: окись алюминия № 1 на шелке, затем окись алюминия № 3 на сукне с длинным ворсом. Еще более тонкое полирование можно осуществить, используя гамма-окись алюминия (абразив CR—О) на сукне «гамаль». Для тонкого полирования титана широко применяется алмазная, пыль (зернистость пылет на первом круге 14 мк) с постепенным переходом до 0,5 мк на заключительной стадии. Применение алмазной пыли сокращает продолжительность подготовки образца, но удорожает ее. Употреблять алмазную пыль рекомендуется лишь в том случае, когда главной задачей является изучение включений. Все эти операции по тонкому полированию надлежит осуществлять на стационарных кругах с минимальным количеством воды. Стационарные круги уменьшают замазывание, тогда как ограниченное применение воды препятствует образованию питтингов. При полировании на вращающихся кругах скорость их вращения не должна превышать 50 об/мин. Травление после заключительной операции грубого полирования и перед тонким полированием способствует получению поверхности высшего качества.
Электролитическое полирование. Электролитическое полирование является средством быстрого получения полированной поверхности путем использования электрохимической реакции для удаления металла с поверхности. Оно требует предварительного шлифования наждачной бумагой №/00 (2/0) или карборундовой № 400 с последующей операцией электролитического полирования длительностью 20 сек. Применение электролитического полирования ограничивается тем обстоятельством, что этим способом можно обрабатывать поверхность площадью не более 1 см2. Обработка поверхности большей площади возможна лишь по участкам, что придает отполированной поверхности «рельефность», выражающуюся в различной глубине расположения зерен и кривизне отполированной поверхности. Если подобные недостатки терпимы, то электролитическое полирование позволяет экономить много времени.
Травление. Травление представляет собой избирательное химическое разъедание полированной поверхности. Всякий травитель обладает только ему присущим действием, выявляя микроструктуру полностью или частично. Травитель может вызывать большее потемнение одной фазы сравнительно с другой, выявлять только границы зерен или зерна определенной ориентации, не затрагивая зерен других ориентации. Активной составной частью большинства холодных травителеи титана является фтористоводородная кислота. Добавляемые к ней химические вещества действуют избирательно. Азотная кислота используется для замедления процесса окрашивания; глицерин увеличивает контрастность; фосфорная кислота тормозит окрашивание и способствует разъеданию границ зерен; карбитол предотвращает неравномерность травления. Для титана предложено много травителей.
Электролитическое травление. При травлении, как и при полировании, можно использовать электрохимические реакции. Электролитические травители, разработанные для титана, отличаются от холодных травителеи, так как в этом случае происходит скорее образование окисной пленки, нежели стравливание металла. Они образуют иа полированной поверхности образца окрашенную пленку, и все фазы при большом увеличении имеют индивидуальную окраску. Эти окраски воспроизводимы в одном и том же сплаве, но отличаются для разных сплавов.
Эти электролитические травители, в состав которых входят органические кислоты, разработаны в Нью-Йоркском университете и оказались весьма ценными при выявлении фаз в процессе изучения диаграмм состояния. Аналогичные травители, разработанные Уотертаунским арсеналом, применяются для промышленных сплавов при выявлении фаз и их относительных количеств. Полезны также ванны цианистого натрия, разработанные для выявления карбидов. Травление в этой ванне придает поверхности образцов голубую окраску, а карбиды имеют желтый оттенок.
Горячее травление. Нагрев полированного и травленого образца титана приводит к окислению поверхности, в результате чего можно металлу придать нужную окраску. После нагрева титана при температуре около 600° С в течение 1 мин. В-фаза принимает фиолетовую или голубую окраску, а а-фаза — желтую; если присутствуют карбиды, то они приобретают светло-голубой или темно-желтый оттенок. Если полированный образец титана нагревать в вакууме, то возникает рельеф, отчетливо выделяющий каждое зерно. Однако высокая стоимость вакуумного травления делает его малопрактичным.
Поляризованный свет. Некоторым металлам присуща способность к двойному лучепреломлению, т. е. способность металлической поверхности иметь поочередно темную и светлую окраску или изменять ее при вращении образца относительно оптической оси микроскопа при использовании для освещения плоскополяризованного света. Металлы с кубической решеткой обычно не обладают этой способностью. Явление двойного лучепреломления наблюдается для а-титана, имеющего гексагональную плотноупакованную решетку, и не имеет места для в-титана. Таким образом, при применении плоскополяризованного света а-фазу можно отличить от в-фазы. Однако использование этого метода осложняется тем обстоятельством, что а-фазе, образовавшейся при распаде, способность к двойному лучепреломлению присуща в большей мере, чем равноосной а-фазе. В тех случаях, когда эти две разновидности а-фазы присутствуют одновременно, равноосную а-фазу можно ошибочно принять за в-фазу. Этот метод неприменим к изучению неполированного образца.
Микроструктура. Как уже отмечалось в гл. III, структура титана может при термической обработке изменяться в широких пределах. Две основные фазы (а и в) могут существовать отдельно или вместе. По мере изменения механизма образования этих фаз изменяется и получаемая микроструктура. Следовательно, каждой термической обработке отвечает своя микроструктура. Продолжительная термическая обработка также вызывает незначительное изменение структуры. Некоторым системам сплавов может соответствовать своя отличительная структура.
Структура, состоящая полностью из одной а-фазы, обычно наблюдается в чистом титане и двойных сплавах-титана с алюминием. В зависимости от резкости закалки или скорости охлаждения структура может приобрести различный характер. При медленном охлаждении наблюдаются обычно равноосные полиэдрические зерна. Они обладают способностью к двойному лучепреломлению, однородны по величине и имеют четкие границы.
Если а-сплав нагреть до температуры, лежащей далеко в в-области, и затем закалить в воде, то получается структура, называемая «зубчатой а-фазой».
Технический титан благодаря наличию примесей при закалке из в-области дает не однородную структуру, а структуру, называемую игольчатой а-фазой. Она является характерной для технического титана. При очень высоком содержании загрязняющих примесей в результате закалки из в-области образуется тонкозернистая структура с мелкими шаровидными включениями.
Структуры, состоящие полностью из а-фазы, первыми наблюдались при исследовании титана, хотя в настоящее время чаще всего встречаются структуры, состоящие из смеси а- и в-фаз. в-фаза образует основу или матрицу, в которой распределены дисперсные выделения а-фазы. Эти выделения а-фазы приобретают различный вид в зависимости от термической обработки и типа сплава. Выделения а-фазы подразделяются на три вида: пластинчатые, корзиночные и шаровидные.
Общее ознакомление с металлографией титана свидетельствует о значительном уровне ее развития, хотя в этой области еще предстоит многое сделать. Важное место в этом отношении должна занять разработка окрашивающих травителей для титана. Дальнейшего усовершенствования требуют методы электролитического полирования и вакуумного травления.
Несмотря на то, что существующая металлографическая техника не решает ряда встречающихся трудностей, она все же является ценным средством при производственном контроле и проведении научно-исследовательских работ

Области применения титана

При существующих высоких ценах на титан его применяют преимущественно для производства военного оборудования, где главная роль принадлежит не стоимости, а техническим характеристикам. Тем не менее известны случаи использования уникальных свойств титана для гражданских нужд. По мере снижения цен на титан и роста его производства применение этого металла в военных и гражданских целях будет все больше расширяться.
Авиация. Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность. С другой стороны, титан обладает явным преимуществом в отношении прочности при температуре до 430° С, а повышенные температуры такого порядка возникают при больших скоростях благодаря аэродинамическому нагреванию. Преимущество замены стали титаном в авиации заключается в снижении веса без потери прочности. Общее снижение веса с повышением показателей при повышенных температурах позволяет увеличить полезную нагрузку, дальность действия и маневренность самолетов. Этим объясняются усилия, направленные на расширение применения титана в самолетостроении при производстве двигателей, постройке фюзеляжей, изготовлении обшивки и даже крепежных деталей.
При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. Экономия в весе двигателя в один килограмм позволяет сберегать до 10 кг в общем весе самолета благодаря облегчению фюзеляжа. В дальнейшем намечено применять листовой титан для изготовления кожухов камер сгорания двигателя.
В конструкции самолета титан находит широкое применение для деталей фюзеляжа, работающих при повышенных температурах. Листовой титан применяется для изготовления всевозможных кожухов, защитных оболочек кабелей и направляющих для снарядов. Из листов легированного титана изготовляются различные элементы жесткости, шпангоуты фюзеляжа, нервюры и т. д.
Кожухи, закрылки, защитные оболочки для кабелей и направляющие для снарядов изготовляются из нелегированного титана. Легированный титан применяется для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов и противопожарных перегородок.
Титан получает все большее применение при постройке самолетов F-86 и F-100. В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.
Титан можно применять для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.
В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.
Применяется титан и при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых сплавов и нержавеющей стали титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.
Применение титана позволяет уменьшить вес геликоптеров. Листовой титан используется для полов и дверей. Значительное снижение веса геликоптера (около 30 кг) было достигнуто в результате замены легированной стали титаном для обшивки лопастей его несущих винтов.
Военно-морской флот. Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Военно-морское министерство США обстоятельно исследует коррозионную стойкость титана против воздействия дымовых газов, пара, масла и морской воды. Почти такое же значение в военно-морском деле имеет и высокое значение удельной прочности титана.
Малый удельный вес металла в сочетании с коррозионной стойкостью повышает маневренность и дальность действия кораблей, а также снижает расходы по уходу за материальной частью и ее ремонту.
Применение титана в военно-морском деле включает изготовление выхлопных глушителей для дизельных двигателей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников. По мнению специалистов, титан, как никакой другой металл, способен увеличить срок службы выхлопных глушителей на подводных лодках. Применительно к дискам измерительных приборов, работающих в условиях соприкосновения с соленой водой, бензином или маслом, титан обеспечит лучшую стойкость. Исследуется возможность применения титана для изготовления труб теплообменников, которые должны обладать коррозионной стойкостью в морской воде, омывающей трубы снаружи, и одновременно противостоять воздействию выхлопного конденсата, протекающего внутри них. Рассматривается возможность изготовления из титана антенн и узлов радиолокационных установок, от которых требуется стойкость к воздействию дымовых газов и морской воды. Титан может найти применение и для производства таких деталей, как клапаны, пропеллеры, детали турбин и т. д.
Артиллерия. По-видимому, наиболее крупным потенциальным потребителем титана может явиться артиллерия, где в настоящее время ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Тем не менее в этой области стандартизовано производство лишь отдельных деталей и частей из титана. Весьма ограниченное использование титана в артиллерии при большом размахе исследований объясняется его высокой стоимостью.
Были исследованы различные детали артиллерийского оборудования с точки зрения возможности замены титаном обычных материалов при условии снижения цен на титан. Главное внимание уделялось деталям, для которых существенно снижение веса (детали, переносимые вручную и перевозимые по воздуху).
Опорная плита миномета, изготовленная из титана вместо стали. Путем такой замены и после некоторой переделки вместо стальной плиты из двух половинок общим весом 22 кг удалось создать одну деталь весом 11 кг. Благодаря такой замене можно уменьшить число обслуживающего персонала с трех человек до двух. Рассматривается возможность применения титана для изготовления орудийных пламегасителей.
Проходят испытания изготовленные из титана орудийные станки, крестовины лафетов и цилиндры противооткатных приспособлений. Широкое применение титан может получить при производстве управляемых снарядов и ракет.
Проведенные первые исследования титана и его сплавов показали возможность изготовления из них броневых плит. Замена стальной брони (толщиной 12,7 мм) титановой броней одинаковой снарядостойкости (толщиной 16 мм) позволяет получить, по данным этих исследований, экономию в весе до 25%.
Сплавы титана повышенного качества позволяют надеяться на возможность замены стальных плит титановыми равной толщины, что дает экономию в весе до 44%. Промышленное применение титана позволит обеспечить большую маневренность, увеличит дальность перевозки и долговечность орудия. Современный уровень развития воздушного транспорта делает очевидными преимущества легких броневиков и других машин из титана. Артиллерийское ведомство намерено снарядить в будущем пехоту касками, штыками, гранатометами и ручными огнеметами, сделанными из титана. Первое применение в артиллерии титановый сплав получил для изготовления поршня некоторых автоматических орудий.
Транспорт. Многие из тех выгод, которые сулит использование титана при производстве бронетанковой материальной части, относятся и к транспортным средствам.
Замена конструкционных материалов, потребляемых в настоящее время предприятиями транспортного машиностроения, титаном должна привести к снижению расхода топлива, росту полезной грузоподъемности, повышению предела усталости деталей кривошипно-шатунных механизмов и т. п. На железных дорогах исключительно важно снизить мертвый груз. Существенное уменьшение общего веса подвижного состава за счет применения титана позволит сэкономить в тяге, уменьшить габариты шеек и букс.
Важное значение вес имеет и для прицепных автотранспортных средств. Здесь замена стали титаном при производстве осей и колес также позволила бы увеличить полезную грузоподъемность.
Все эти возможности можно было бы реализовать при снижении цены титана с 15 до 2—3 долларов за фунт титановых полуфабрикатов.
Химическая промышленность. При производстве оборудования для химической промышленности самое важное значение имеет коррозионная стойкость металла. Существенно также снизить вес и повысить прочность оборудования. Логически следует предположить, что титан мог бы дать ряд выгод при производстве из него оборудования для транспортировки кислот, щелочей и неорганических солей. Дополнительные возможности применения титана открываются в производстве такого оборудования, как баки, колонны, фильтры и всевозможные баллоны высокого давления.
Применение трубопроводов из титана способно повысить коэффициент полезного действия нагревательных змеевиков в лабораторных автоклавах и теплообменниках. О применимости титана для производства баллонов, в которых длительно хранятся газы и жидкости под давлением, свидетельствует применяемая при микроанализе продуктов сгорания вместо более тяжелой трубки из стекла (показана в верхней части снимка). Благодаря малой толщине стенок и незначительному удельному весу эта трубка может взвешиваться на более чувствительных аналитических весах меньших размеров. Здесь сочетание легкости и коррозионной стойкости позволяет повысить точность химического анализа.
Прочие области применения. Применение титана целесообразно в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также для изготовления хирургических инструментов и в самой хирургии.
Столы для подготовки пищи, пропарочные столы, изготовленные из титана, по качествам превосходят стальные изделия.
В нефте- и газобурильной областях серьезное значение имеет борьба с коррозией, поэтому применение титана позволит реже заменять корродирующие штанги оборудования. В каталитическом производстве и для изготовления нефтепроводов желательно применять титан, сохраняющий механические свойства при высокой температуре и обладающий хорошей коррозионной устойчивостью.
В электропромышленности титан можно применить для бронирования кабелей благодаря хорошей удельной прочности, высокому электрическому сопротивлению и немагнитным свойствам.
В различных отраслях промышленности начинают применять крепежные детали той или иной формы, изготовленные из титана. Дальнейшее расширение применения титана возможно для изготовления хирургических инструментов главным образом благодаря его коррозионной стойкости. Инструменты из титана в этом отношении превосходят обычные хирургические инструменты при многократном кипячении или обработке в автоклаве.
В области хирургии титан оказался лучше виталлиума и нержавеющих сталей. Присутствие титана в организме вполне допустимо. Пластинка и винты из титана для крепления костей находились в организме животного несколько месяцев, причем имело место прорастание кости в нитки резьбы винтов и в отверстие пластинки. Преимущество титана заключается также в том, что на пластине образуется мышечная ткань.