Физико-химические свойства титана

Физико-химические свойства титана

Титан - металл, элемент IV группы периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер 22. Атомная масса 47,88. Изотопы: 48 (основной), 46, 47, 49, 50. Плотность 4,5 г/см3. Температура плавления титана 1665+5С. Температура кипения 3572С. Давление паров при 1200-2000 К.

Все элементы периодической системы по отношению к титану по их химическому воздействию можно разделить на четыре группы:

1. Элементы, не взаимодействующие с титаном: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Mg. Ca, Sr, Ba, Ra и инертные газы.
2. Элементы, образующие с титаном химические соединения с ковалентной связью, не имеющие или имеющие малую растворимость в титане: H, F, Cl, Br, I, At, O, S, Se, Te, Po.
3. Элементы образующие с титаном соединения с металлическим характером связи (металлические соединения) и ограниченные твердые растворы: Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Be, Ga, In, Tl, B, Al, Th, C, Si, Ge, Sn, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Mn, Te, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir.
4. Элементы, образующие с титаном в-модификации непрерывных твердых растворов: Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Sc, W.

Таким образом, титан так или иначе взаимодействует с большинством элементов. Это, с одной стороны, создает значительные трудности при получении чистого титана и его сплавов, а , с другой стороны, дает возможность получать большое количество разнообразных по составу и свойствам сплавов.

Взаимодействие титановой губки с кислородом. Титан взаимодействует с кислородом при всех температурах. При избытке кислорода образуется TiO2, в иных условиях возможно образование TiO и Ti2O3. Образовавшийся при комнатной температуре адсорбционный слой состоит из химически связанного кислорода и надстройки слабо связанных с поверхностью атомов газов. В начальный период процесса на скорость роста окисной пленки основное влияние оказывает температура. Окисление поверхности титана происходит главным образом в течение 1-2 ч. Дальнейшая выдержка при температурах до 300С приводит к незначительному изменению состояния поверхности. Это связано с защитными свойствами окисной пленки.

Процесс окисления титана на воздухе в интервале 20-300С можно разделить на три периода:

1. Образование окисной пленки при температуре до 50С; при этом увеличения содержания кислорода методом вакуум-плавления не обнаруживается.
2. Окисление титана в диапазоне температур от 60 до 140С; в этом интервале температур увеличение содержания кислорода подчиняется линейному уравнению
3. Окисление титана в диапазоне температур от 140 до 300С; в этом интервале температур увеличение содержания кислорода в титане выражается параболической зависимостью.

Взаимодействие титана с азотом. В результате взаимодействия титана с азотом образуется нитрид титана (TiN). Цвет нитрида титана изменяется от светло-коричневого до бронзово-желтого.

На воздухе до 300С титан незначительно взаимодействует с азотом. Этот факт подтверждает, что на воздухе прежде всего образуется окисная пленка, которая в значительной степени защищает титан от взаимодействия с азотом. При повышении температуры до 400С начинается некоторое растворение окисной пленки в глубь металла, происходит нарушение структуры поверхностной пленки, в результате чего взаимодействие титана с азотом воздуха интенсифицируется.

В среде азота взаимодействие титана с азотом при 20С обнаруживается только по изменению цвета поверхности металла.

Азот способен растворяться в титане; до 550С диффузия ионов азота в глубь металла протекает медленно, но резко активизируется при 700С. Даже незначительное содержание азота в титане приводит к заметному увеличению его твердости. Азотирование является эффективным средством повышения износоустойчивости титана.

Взаимодействие титана с водой. При химическом взаимодействии титана с водой по схеме

Протекают одновременно два процесс: поглощение титаном водорода и образование окисных соединений.

Увеличение содержания кислорода в титановой губке при окислении в воде при температуре до 100С пропорционально квадрату температуры.

Высокая скорость диффузии водорода в титане определяет высокую интенсивность их взаимодействия. Диффузия водорода в титан происходит через щели и другие места нарушения структуры металла. За этим быстрым процессом следует медленная диффузия водорода и его растворение в металле с образованием твердого раствора. После того как образование твердого раствора будет закончено, значительное количество водорода может быть адсорбировано на поверхности межкристаллитных щелей, что приведет к поглощению водорода в количестве, большем стехиометрического.

Поглощение титаном водорода - процесс обратимый, при температуре выше 800С водород может быть полностью удален из титана.

Фазовые превращения в титановых сплавах

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рисунке представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

a -Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения и расширяют область твердых растворов на основе a -титана. Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой a -структурой термической обработкой не упрочняются.

Изоморфные b -стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру a « b -превращения и расширяют область твердых растворов на основе b –титана.

Эвтектоидообразующие b -стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении b -фаза претерпевает эвтектоидное превращение b ® a + TiХ (рис. 17.1, в). Большинство  
b -стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность.

Влияние легирующих элементов на механические свойства титана

В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит a ¢ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием b -стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме. Она справедлива для изоморфных b -стабилизаторов и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих b -стабилизаторов, так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.

Основные виды термической обработки титановых сплавов

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Тпп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b )-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b , a ¢ , a ¢ ¢ и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a - и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a - и b -фаз.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

Деформируемые и литейные титановые сплавы

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в < 700 МПа, а именно: a -сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti—Al—Mn), АТ3 (система Ti—Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо-a -сплавам с небольшим количеством b -фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию a - и b -стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.

 

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п.

Титановые сплавы средней прочности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в = 750–1000 МПа, а именно: a -спла-вы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (a  + b )-сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество b -фазы (2–7 % b -фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.

Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности.

Высокопрочные титановые сплавы

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в > 1000 МПа, а именно (a + b )-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет s в >  1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (s в »  850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями. Механические характеристики основных полуфабрикатов в отожженном и упрочненном состояниях приведены в табл. 17.4–17.6.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Физико-химические свойства магния

Магний (лат. Magnesium), Mg, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 12, атомная масса 24,305. Природный Магний состоит из трех стабильных изотопов: 24Mg (78,60%), 25Mg (10,11%) и 26Mg (11,29%).

Физические свойства Магния. Компактный Магний - блестящий серебристо-белый металл, тускнеющий на воздухе вследствие образования на поверхности окисной пленки. Магний кристаллизуется в гексагональной решетке, а = 3,2028Å, с = 5,1998Å. Атомный радиус 1,60Å, ионный радиус Mg2+ 0,74Å. Плотность Магния 1,739 г/см3 (20 °С); tпл 651 °С; tкип 1107 °С. Удельная теплоемкость (при 20 °С) 1,04·103 дж/(кг·К), то есть 0,248 кал/(г·°С); теплопроводность (20 °С) 1,55·102 вт/(м·К), то есть 0,37 кал/(см·сек·°С); термический коэффициент линейного расширения в интервале 0-550 °С. Магний - относительно мягкий и пластичный металл; его механические свойства сильно зависят от способа обработки. Например, при 20 °С свойства соответственно литого и деформированного Магния характеризуются следующими величинами: твердость по Бринеллю 29,43·107 и 35,32·107 н/м2(30 и 36 кгс/мм2), предел текучести 2,45·107 и 8,83·107 н/м2 (2,5 и 9,0 кгс/мм2), предел прочности 11,28·107 и 19,62·107 н/м2(11,5 и 20,0 кгс/мм2), относительное удлинение 8,0 и 11,5%.

Химические свойства Магния. Конфигурация внешних электронов атома Магния 3s2. Во всех стабильных соединениях Магний двухвалентен. В химическом отношении Магний - весьма активный металл. Нагревание до 300-350 °С не приводит к значительному окислению компактного Магния, так как поверхность его защищена оксидной пленкой, но при 600-650 °С Магний воспламеняется и ярко горит, давая оксид магния и отчасти нитрид Mg3N2. Последний получается и при нагревании Магния около 500 °С в атмосфере азота.

Магний вытесняет большинство металлов из водных растворов их солей; стандартный электродный потенциал Mg при 25 °С - 2,38 в. С разбавленными минеральными кислотами Магний взаимодействует на холоду, но в плавиковой кислоте не растворяется вследствие образования защитной пленки из нерастворимого фторида MgF2. В концентрированной H2SО4 и смеси ее с НNО3 Магний практически нерастворим. С водными растворами щелочей на холоду Магний не взаимодействует, но растворяется в растворах гидрокарбонатов щелочных металлов и солей аммония. Едкие щелочи осаждают из растворов солей гидрооксид Магния Mg(OH)2, растворимость которой в воде ничтожна. Большинство солей Магния хорошо растворимо в воде, например сульфат магния, мало растворимы MgF2, MgCО3, Mg3(PO4)2 и некоторые двойные соли.