Титан металл или сплав: Титан. Свойства, применение, марки, химический состав. Сплавы титана

Титан и его сплавы: характеристики, свойства

На сегодняшний день титан занимает 4-е место по использованию в промышленности. Однако его активная добыча и производство начинается только с 40-х годов 20 века. Титан и его сплавы обладают уникальными характеристиками и требуют более внимательного рассмотрения при металлообработке.

Титан

Основные сведения

Титан — металл серебристого цвета, который входит в 4 группу 4 периода в периодической таблице. По официальным сведениям он занимает 10 место по распространению в природе.

Изначально металл применялся в народном хозяйстве, но после выявления его сверхпрочности при малом удельном весе, титан и его сплавы начали использовать при строении самолётов, кораблей, ракет и машин.

История открытия

Впервые оксид титана был обнаружен в 1791 году. Сделал это открытие У. Грегор (англичанин). Он взял пробу железистого песка на пляже Корнуолла и проводил над ним исследования. В результате экспериментов учёный выделил оксид неизвестного металла, которому так и не дал название. Назвал этот элемент титаном другой учёный — Мартин Генрих Клапрот (немец). В 1825 году другой исследователь Йёнс Якоб Берцелиус смог выделить образец этого металла из оксида.

Производство и изготовление

Благодаря распространённости в природе добывать руду, содержащую титан, не сложно. Самые распространённые виды руды, в которых содержится этот металл — брукит, ильменит, анатаз и рутил. Однако дальнейшие способы обработки титана (плавка, закалка и старение) считаются дорогостоящими. Существует несколько этапов получения чистого металла из руды:

1. В первую очередь добывается титановый шлак, с помощью разогревания ильменита до 1650 градусов.
2. Далее шлак проходит процесс хлорирования.
3. После этого с помощью печей сопротивления производится титановая губка.
4. Для получения чистого металла заключительным этапом обработки является процесс рафинирования.

Если нужно получить слитки титана, губку на его основе переплавляют в вакуумной печи.

Магниетермический процесс

Магниетермическое восстановление — популярный метод получения металла. Проведение технологического процесса:

1. Расплавляется оборотный магниевый конденсат.
2. Сливается конденсат хлористого магния.
3. При температуре 800 градусов, жидкий тетрахлорид титана с жидким магнием подаются в форму для застывания. Скорость подачи — 2,1–2,3 г/ч см2.

Постепенно температура снижается до 600 градусов.

Гидридно-кальциевый метод

Это промышленный метод восстановления металла. Процесс проведения работ:

1. При температуре 500 градусов Цельсия металлический кальций насыщается водородом.
2. Далее его смешивают с двуокисью титана. Компоненты нагревают в реторте, постепенно повышая температуру до 1100 градусов.
3. Спекшиеся компоненты вымывают из реторты.
4. Далее проводится обработка соляной кислотой.
5. Титановый порошок сушат, запекают в индукционных печах при температуре около 1400 градусов.

На спекшуюся массу должно воздействовать давление 10в-3 мм.

Электролизный метод

Способ получения сплава, основанный на применении электрического тока. Напряжение воздействует на ТiO2, ТiСl4. До этого их растворяют с помощью расплавленных солей фторидов.

Йодидный метод

Способ получения металла после термической диссоциации TiJ4. Изначально его получают при реакции паров йода с металлическим титаном.

Чтобы получить сплав высокой чистоты, необходимо применять последний способ получения соединения. Три первых метода позволяют быстро получать технический титан.

Достоинства и недостатки

Как и у любого другого металла, у титана есть сильные и слабые стороны. К преимуществам относятся:

• малый вес;
• коррозийная стойкость;
• устойчивость к воздействию высоких температур;
• высокая прочность — больше, чем у лучших образцов стали.

Недостатки:

1. Пыль и стружка, остающаяся после обработки титановых заготовок, может воспламенится при температуре в 400 градусов.
2. Этот металл плохо сваривается и практически не поддаётся резке.
3. Затратный способ получения металла из руды обуславливает его высокую стоимость.

Однако, несмотря на имеющиеся минусы, материал и его сплавы широко распространены в различных отраслях производства.

Малый вес

Продукция из титана

В строительных магазинах можно найти разнообразные товары, изготовленные из этого металла. Из него производят проволоку, ленту и фольгу, прутья, трубы. Также можно приобрести титан в цельных листах.

Область применения

Благодаря преимуществам, которым обладает титан, его используют в различных отраслях промышленности:

• военно-морское дело;
• строительство;
• медицина;
• машиностроение;
• судостроение и самолётостроение;
• химической промышленности.

Особенности применения этого металла делают его популярнее с каждым годом. Его активно используют в народном хозяйстве.

Характеристики и свойства

Характеристики титана напрямую зависят от количества примесей, содержащихся в его составе. Физические параметры:

1. Удельная прочность — 450 МПа.
2. Температура плавления титана — 1668 градусов.
3. Температура кипения — 3227 градусов.
4. Предел прочности у сплавов — 2000 Мпа.
5. Упругость титана — 110,25 Гпа.
6. Твердость металла — 103 НВ.
7. Предел текучести — 380 Мпа.

Структура и свойства этого металла обуславливают его низкую электропроводность. В нормальных условиях титан обладает высоким показателем устойчивости к коррозийным процессам.

Металл

Физические свойства металла

Титан представляет собой серебристо-белый металл. Он тугоплавкий, немного тяжелее алюминия. Однако при чуть большем весе прочность титана в три раза больше. Поддаётся различным способам обработки. Устойчив к воздействию влаги и кислот. Основные свойства титана были описаны выше.

Химические свойства титана

В нормальных условиях на поверхности этого металла образуется оксидная плёнка, которая защищает его от разрушительного воздействия влаги и кислот. К химическим свойствам титана можно отнести его устойчивость к воздействию щелочей, растворам хлора. Имеет степень окисления +4. С кислородом начинает взаимодействовать при температуре в 600 градусов. Титановая стружка может самовоспламеняться при нагревании.

Виды сплавов

Титановые сплавы можно разделить на три большие группы:

1. Соединения на основе химических соединений. Представители этой группы имеют жаропрочную структуру и низкую плотность. Снижение плотности напрямую влияет на снижение веса материала. Такие сплавы используют при изготовлении деталей для автомобилей, каркасов для летательных аппаратов и корпусов для кораблей.
2. Жаропрочные сплавы с низкой плотностью. Это аналог соединений с никелем, но с меньшей ценой. В зависимости от химического состава меняется устойчивость сплава титана к высоким температурам.
3. Конструкционные — высокопрочные соединения, которые легко поддаются обработке благодаря высокому показателю пластичности. Из этих сплавов изготавливаются детали, которые устанавливаются в оборудовании, работающим с большими нагрузками.

При производстве титановых сплавов используется официальная маркировка, которая указывает на то, с какими металлами он соединён.

Свойства и применение титановых сплавов

Титановые сплавы лишены основных недостатков чистого металла. При добавлении сторонних материалов изменяются его характеристики. Ключевые свойства титановых сплавов:

• устойчивость к коррозийным процессам;
• малая плотность;
• большая удельная прочность.

Также сплавы более устойчивы к воздействию высоких температур. Благодаря повышенной защите от воздействия кислот и щелочей сплавы на основе этого материала получили популярность в химической промышленности и медицине. Их используют в строительстве, изготовлении оборудования, машин, самолётов, ракет и кораблей.

Титан и соединения на его основе распространены в различных направлениях промышленности. Этот металл обладает уникальными характеристиками, которые выделяют его на фоне других материалов. Из-за сложностей получения чистого металла цена на него достаточно высока.

Поговорим о титане или все что Вы хотели спросить.

Титан – блестящий металл серебристого цвета, легко поддающийся различным видам обработки – сверлению, точению, фрезерованию, шлифованию. При распиловке, сверлении и фрезеровании титана необходимо постоянно применять охлаждающую смазку, при этом на инструмент сильно надавливать нельзя; титан не поддается пайке, но хорошо куется (и в горячем, и в холодном состоянии), перед волочением титановой проволоки необходимо осуществить ее отжиг. Он обладает высокой прочностью, имеет низкую плотность, является достаточно легким.

По коррозионной стойкости титан сравним с драгоценными металлами.

В последнее время в зарубежных странах из титана изготовляют широкий ассортимент самых разнообразных ювелирных украшений. Титан стал привлекательным для изготовления украшений благодаря интересным цветовым эффектам, образующимся на его поверхности при нагревании.

Явление это объясняется тем, что при нагревании на поверхности титана образуется окисный слой, поглощающий определенное количество света, и только оставшаяся часть его отражается в виде спектрального цвета, который нами воспринимается.

С повышением температуры отжига пропорционально увеличивается слой окиси. С увеличением толщины окисной пленки света поглощается больше и образуется четко разграниченная гамма цветов побежалости, начиная от светло-желтого (в тонком слое поглощается мало света) до зеленоватого, фиолетового и голубого, вплоть до темно-синего (толстый слой отражает лишь незначительную часть света).

При изготовлении, например, браслета один конец полосы нагревается узким горячим пламенем: образующийся сначала желтый тон медленно, что позволяет наблюдать за ним, проходит по всей длине полосы, за ним же следуют зеленоватые, фиолетовые и синие тона.

Примечательно, что при высокой температуре отжига титан еще раз окрашивается в желтый цвет. Если окрашенную таким образом полосу изогнуть в кольцо, то оба конца желтого цвета будут отличаться по интенсивности. Таким же методом можно изготавливать пластины для брошей и подвесок.

Цветовой эффект на титановой пластине можно усилить последующим травлением, для чего обычным образом наносится защитный лак и выскабливается рисунок, а затем осуществляется травление в холодном растворе плавиковой кислоты. После травления между цветами побежалости проявляется серый цвет металла, удачно дополняя и подчеркивая многоцветность всей поверхности.

Термическое оксидирование можно осуществить с помощью муфельной печи или обычной горелки.

Сначала титан приобретает первый цвет – золотистый. С ростом температуры появляются разнообразные оттенки: от светло-желтого до зеленоватого, фиолетового и голубого, вплоть до темно-синего. Для получения на поверхности специальных эффектов можно использовать различные тонизирующие присадки, придающие изделиям очень красивый угольно-серый цвет.

Пламенное окрашивание выполняется с помощью газовой горелки, которая в этом случае становится кистью художника. Поскольку точный контроль цвета невозможен, то полагаться следует на собственный художественный вкус и подход. В работе пригодна любая горелка, так как высокие температуры здесь не требуются; большое, мягкое пламя может дать участки ровного цвета, а маленький горячий язычок – радугу цветов. Пламенное окрашивание можно произвести также в стандартной муфельной печи. Поместив украшения в печь всего на несколько минут, можно получить золотой, пурпурный и синий цвета. Температура нагрева и время пребывания изделий в печи в каждом конкретном случае зависит от размера и толщины украшения. Этим методом можно получить и одноцветные краски.

Более точно окраску титана можно выполнить электролитическим методом окисления. В зависимости от используемого напряжения можно получать слои различной толщины и, следовательно, различные оттенки: желтый, темно-синий, голубой, фиолетовый, сине-зеленый. Если на одном изделии необходимо получить несколько цветовых оттенков, то пластина обрабатывается сначала при самом низком напряжении, а затем участок, на котором остается данный оттенок, закрывается, а обработка остальной поверхности продолжается таким же образом, но уже при более высоком напряжении.

Обработку можно производить и в другой последовательности: сначала прикладывается самое высокое напряжение, обработанный участок закрывается, а все остальное обрабатывается пескоструйным аппаратом. Цветные слои, получаемые электролитическим способом, можно сделать блестящими, а также белыми, для чего соответствующие участки также закрываются, а другие подвергаются обработке пескоструйным устройством, или же на них наносится защитный лак и выполняется травление плавиковой кислотой.

Распиловка, сверление, волочение и пайка титана.

Титан в некоторых случаях ведет себя иначе, чем обычно применяемые в ювелирном деле металлы.

При распиловке титана ножовкой сначала делается легкий надрез, и лишь после того, как ножовочное полотно захватило металл, можно увеличить силу нажатия.

Титан можно обрабатывать обычными напильниками, не сильно надавливая при этом, в противном случае насечка напильника забивается, и он «засаливается», отчего время от времени его необходимо прочищать.

При сверлении полагается пользоваться смазкой и помнить, что сверло быстро затупляется, а потому требуется новая заточка. При фрезеровании инструмент подвергается большим нагрузкам, поэтому его нужно обязательно охлаждать маслом. Токарную обработку, чтобы резец не затуплялся быстро, следует выполнять при низком числе оборотов детали; рекомендуется обработка алмазными и керамическими шлифовальными кругами.

Титан поддается обработке давлением, но в этом случае следует часто производить промежуточный отжиг, потому что он быстро нагартовывается. При прокатке необходимо большое усилие.

При волочении проволоки целесообразно сначала произвести ее отжиг – в этом случае смазка (масло или мыло) лучше ложится на окисную пленку; отжиг следует производить и после «прохождения» каждой третьей фильеры. При температуре 650-950°С можно производить горячую ковку титана, его можно обрабатывать также и в холодном состоянии – в этом случае он лучше поддается растяжению, чем сжатию.

Титан не поддается пайке ни мягким, ни твердым припоем, а сварка его производится только в среде защитного газа. Ювелир может соединять титановые детали и только механическим способом, например, клепкой. Как и все другие металлы, титан можно склеивать, если при этом соединяемые поверхности достаточно большие.

Поверхностная обработка титана производится сначала наждачной бумагой различной зернистости, а затем полировальной; блестящая поверхность получается лучше всего с помощью пасты из окиси никеля или шлифовальных средств для благородных металлов.

Для подготовки поверхности изделия из титана под окраску рекомендуется слегка ее протравить: изделие на мгновение опускается в 2 %-й раствор плавиковой кислоты, затем промывается, а потом обрабатывается обычным травильным раствором серной кислоты.

Используемые материалы: ХУДОЖЕСТВЕННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ЮВЕЛИРНЫЕ СПЛАВЫ: УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ . Автор/создатель: Мутылина И.Н.

Титан и его сплавы

Содержание страницы

Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию (рис. 1). Титан обладает удельным весом порядка 4500 кг/м³ и довольно высокой температурой плавления, ~1665± 5^оС. Титан – парамагнитный металл.

а                                                                                 б

Рис. 1. Титанит – потенциальный источник титана (а), брусок кристаллического титана (б)

Титан – твердый металл: он в 12 раз твёрже алюминия, в 4 раза — железа и меди. Титан химически стоек. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка TiO₂, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против коррозии под напряжением. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее. При температурах выше 500°С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).

Титан имеет две полиморфные модификации (рис. 2):

• низкотемпературную модификацию α – Ti, устойчивую до 882°С, (ГП – решетка, а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)
• высокотемпературную β – Ti, устойчивую выше 882^оС (ОЦК – решетка, а= 0,332 нм).

 

Рис. 2. Две полиморфные модификации титана: а – αТi (гексагональная плотноупакованная решётка), б – β-Тi (объёмноцентрированная кристаллическая решётка)

Механические свойства титана.

Примечание. 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 приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Значительное влияние на механические свойства титана оказывают примеси кислорода, водорода, углерода и азота, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, гидриды, карбиды и нитриды, повышая его характеристики прочности при одновременном снижении пластичности. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми и даже тысячными долями процента. Опасность водородной хрупкости, особенно в напряженных сварных конструкциях ограничивает содержание водорода. В техническом титане оно находится в пределах 0,008 — 0,012%.

Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью и в условиях глубокого холода, сохраняя при этом достаточную пластичность.

	ТоС	+20	-70	-196
	δ, %	20-30	10-5	3-10
	σв, МПа	600-700	800…900	1000…1200

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ— решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования (рис. 3) благодаря малому соотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов.

Рис. 3. Схемы систем скольжения и двойникования

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок: ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-Т_В(см. табл.1).

Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, Т_В — твердый.

Таблица 1. Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)

Марка	Ti, не менее	Не более							Твердость НВ, 10/1500/30, не более
		Fe	Si	Ni	C	Cl	N	O
ТГ-90	99,74	0,05	0,01	0,04	0,02	0,08	0,02	0,04	90
ТГ-100	99,72	0,06	0,01	0,04	0,03	0,08	0,02	0,04	100
ТГ110	99,67	0,09	0,02	0,04	0,03	0,08	0,02	0,05	110
ТГ-120	99,64	0,11	0,02	0,04	0,03	0,08	0,02	0,06	120
ТГ-130	99,56	0,13	0,03	0,04	0,03	0,10	0,03	0,08	130
ТГ-150	99,45	0,2	0,03	0,04	0,03	0,12	0,03	0,10	150
ТГ-Тв	99,75	1,9	–	–	0,10	0,15	0,10	–	–

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: σ_в = 375–540 МПа, σ_0,2 = 295–410 МПа, δ = 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей.

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется (рис. 4). Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения (рис. 5). Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Рис. 4. Заготовка титанового шпангоута истребителя до и после прессования на штамповочном прессе

Рис. 5. Аргонная сварка титана

Примечание. При сварке титана и его сплавов требуется уделить особое внимание чистоте рабочего места. Для сварочных цехов, где производятся работы с различными металлами, необходимо выделить специальную область, которая будет использоваться специально для сварки титана. Место, отведенное для этого, должно быть защищено от потоков воздуха, влаги, пыли, жира и других загрязнений, которые могут препятствовать качественной сварке. Это место должно быть защищено от воздействия таких процессов, как зачистка, резка и окраска. Кроме того, должна быть под контролем и влажность воздуха.

Фазовые превращения в титановых сплавах

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. В табл.2 представлены схемы диаграмм состояния «титан – легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

1. α – Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения α↔β и расширяют область твердых растворов на основе α –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 α – структурой термической обработкой не упрочняются.
2. Изоморфные β – стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру α↔β превращения и расширяют область твердых растворов на основе β – титана.
3. Эвтектоидообразующие β – стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении β – фаза претерпевает эвтектойдное превращение β + TiХ. Большинство β – стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, сплавы с (α + β) и псевдо – β – структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).
4. Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

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 рекристаллизации, но ниже температуры перехода в β – состояние 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 (α + β) – структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз β и α с последующем их распаде с выделением дисперсных частиц α и β – фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц α и β – 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.

Таблица 2

Промышленные титановые сплавы.

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные; по уровню механических свойств — на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности, средней прочности, высокопрочные; по условиям применения — на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и не упрочняемые, по структуре в отожженном состоянии — на α, псевдо-α, (α + β), псевдо-β и β –сплавы (табл.3).

Таблица 3

Дефармируемые титановые сплавы

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σ ≥ 700 МПа, а именно: α – 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 – α-сплавам с небольшим количеством β-фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию α – и β – 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. (рис. 6).

Рис. 6. Изделия из титановых сплавов

Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.

Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется неполный отжиг.

Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения практически аналогичные основному металлу.

Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H₂SO₄, HCl и некоторых других.

Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в

авиационно-космической технике (рис. 7), в химическом машиностроении, криогенной технике (высокая ударная вязкость сохраняется до –253^oС), (табл. 4), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.

Рис. 7. Применение титановых сплавов в авиационно-космической технике

Таблица 4 Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах

Сплав	σв (МПа) при температуре, ° С			δ (%) при температуре, ° С			КСU, Дж/см2 при температуре, ° С
	–196	–253	–269	–196	–253	–269	–196	–253
ВТ1-0	920	1310	–	48	24	–	220	130
ВТ5-1	1200– 1350	1350– 1600	1710	15	8–10	9,3	40	30
ОТ4	1430	1560	–	13	16	–	50	40
ОТ4-1	1080	1390	–	19,4	17,5	–	23	30
ВТ3-1	1650	2060	2020	6,5	7,5	3	30	60
ВТ6	1640	1820	–	17,8	3,5	–	39	40
ВТ6С	1310	1580	–	7–10	3–6	–	40	25
ВТ14	1650	–	–	10	–	–	40	–

Титановые сплавы средней прочности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σ_в = 750–1000 МПа, а именно: α – сплавы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо – α – сплавы марок ОТ4, ВТ20; (α + β) – сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии. Классификация и химический состав этих сплавов смотри табл. 5.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество β – фазы (2–7 % β – 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.

На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении.

Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9– 0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений.

Таблица 5

Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и ёмкостей высокого давления (рис. 8). Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно — до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 — длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно — до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике.

Рис. 8. Изделия из титановых сплавов ВТ6С Высокопрочные титановые сплавы

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σ_в ≥ 1000 МПа, а именно (α + β) – 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 σ_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. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (σ_в ≥ 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями.

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.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.

Термическая обработка. Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению. Рекомендуемые режимы нагрева под закалку и старение для монолитных изделий, полуфабрикатов и сварных деталей приведены в табл. 6.6.

Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения — на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40 – 45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 — до 60 мм.

Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (α + β) – структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения». Примеры исходных микроструктур, обеспечивающие удовлетворительные свойства, приведены на рис. 9.

Таблица 6. Режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов

Марка сплава	Температура полиморфного превращения Тпп, ° С	Температура нагрева под закалку, ° С	Температура старения, ° С	Продолжительность старения, ч
ВТ3-1	960–1000	860–900	500–620	1–6
ВТ6	980–1010	900–950	450–550	2–4
ВТ6С	950–990	880–930	450–500	2–4
ВТ8, ВТ9	980–1020	920–940	500–600	1–6
ВТ14	920–960	870–910	480–560	8–16
ВТ22	840–880	690–750	480–540	8–16

Рис. 9. Структура ВТ14 сплава перед упрочняющей термообработки

Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14) рис. 10, турбины (ВТ3-1), штампосварные узлы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно до 750 ° С.

Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала — их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т. п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.

Рис. 10. Сварная конструкция из ВТ14 сплава

Литейные титановые сплавы

Титановые литейные сплавы подразделяется на 5 групп в зависимости от микроструктуры (α – сплавы, псевдо α – сплавы, α + β сплавы, псевдо β – сплавы, β – сплавы).

В состав титановых сплавов входят алюминий, ванадий, молибден, кремний, хром, цирконий и др. Эти сплавы обладают свойствами, выгодно выделяющих их из остальных сплавов: по прочности они не уступают сталям, имеют достаточно низкую плотность (~4,5 г/мм³), высокую химическую стойкость при температуре до 500 °С, высокую коррозионную стойкость во влажном воздухе, морской воде, азотной и соляной кислоте. Благодаря этим свойствам титановые сплавы интенсивно внедряются в авиа-, ракета- и кораблестроении.

В справочной литературе приводятся химический состав и механические свойства восьми литейных титановых сплавов – ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ20Л, ВТ3-1Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ14Л, ВТ22Л, где буква В означает наименование организации-разработчика (ВИАМ), Т – титановый сплав, Л – литейный, цифра – номер сплава. Упоминается и новый сплав ВТ35Л.

Титановые сплавы обладают хорошей жидкотекучестью (460–520 мм), небольшой линейной (0,8–1,2 %) и объемной (2,4–3,2%) усадкой.

Сплав ВТ3-1Л относится к числу наиболее освоенных в производстве (рис. 11).

Прочность титановых сплавов σ_в = 34…93 кг/мм², пластичность δ = 4–10%.

Главный недостаток титановых литейных сплавов – высокая температура плавления (до 1665 °С) и активное взаимодействие (при плавке) со всеми газами и огнеупорными материалами. Отсюда – проблема плавки (вакуумная, в атмосфере нейтральных газов) и материалов для литейных форм, что резко удорожает технологические процессы литья.

Рис. 11. Детали из титана марки ВТ3-1Л

Просмотров: 1 528

Как определить титан и отличить его от других металлов?

Идентификация определенных металлов – точный и простой процесс только при наличии специального лабораторного оборудования, спектрометра в частности. В домашних условиях задача существенно усложняется. Особенно трудно отличать материалы, схожие по цвету и магнитным свойствам. Впрочем, даже в такой ситуации существуют проверенные на практике способы, как отличить титан от других металлов. Наибольший интерес для сравнения представляют алюминий и сталь, включая нержавейку. Тут, даже опытные мастера, регулярно работающие с металлами, и принимающие лом титана, не всегда способны четко идентифицировать, что у них конкретно в руках.

Как отличить титан от стали, алюминия

Первая пара – цветной и черный металлы. Большинство сталей обладают магнитным свойствами. Исключение составляют легированные металлы аустенитного класса. Яркий пример – нержавейка с высоким содержанием никеля. Эта марка стали, как и титан – парамагнетик. Поэтому стандартный вариант с использованием магнита тут неприемлем.

см. статьи:

Остаются три надежных способа как определить титан в домашних условиях:

• математический;
• графический;
• абразивный;
• гальванический.

Обозначения достаточно условны, далее раскроем каждый из вариантов подробно.

к содержанию ↑

Чистая математика

В этом подходе идентификация металлов производится по весу. Недостаток метода проявляется, когда в наличии только один тип металла. Определить в руках, что тяжелее уже не получится, приходится прибегнуть к математическим вычислениям. Способствует этому существенные отличия в плотности металлов:

• титан – 4.5;
• железа – 7.8;
• алюминия и дюрали – 2.7.

Для такого способа определения титана в своем хозяйстве нужно иметь точные весы

Значения параметра приведены в г/куб.см. Остается добавить, что плотность стали зависит от конкретной марки металла. Однако в абсолютных величинах эти отличия несущественны. Поэтому за плотность стали можно смело принимать значение аналогичной характеристики у железа.

Остается только уточнить объем и вес детали или куска металла. Далее, несложные вычисления, покажут, это алюминий, сталь или искомый металл – титан. Как определить объем детали сложной формы? Тут лучший вариант – закон Архимеда. Масса вытолкнутой жидкости, при погружении металлической конструкции, позволяет установить ее объем. Ситуацию упрощает плотность воды, эквивалентная 1 кг/куб.дм. Соответственно каждый грамм вытолкнутой жидкости равен одному кубическому сантиметру объема.

Конечно же  – это муторный, сложный и неточный способ, но для того, чтобы определить титан дома он имеет место быть.

Так выглядит металл титан

к содержанию ↑

Рисунки на стекле

Это наиболее доступный метод, как отличить титан в домашних условия, но им нужно овладеть и иметь опыт работы с титаном. Металл оставляет характерные несмываемые следы на стекле, кафеле. Достаточно провести заостренным краем металла по одному из указанных материалов. Это именно следы, а не царапины. Подобным способом часто разрисовывают окна общественного транспорта. Отмыть титановую графику на кафеле можно раствором плавиковой кислоты, связываться с ней следует предельно осторожно.

Это метод отличается простотой и эффективностью. Титан, вопреки бытующему мнению, оставляет след даже на загрязненном стекле. Так что обезжиривать его поверхность не обязательно. Напротив, любые марки стали и алюминия способны разве что едва поцарапать стекло. Это отличный метод, чтобы определить титан.

к содержанию ↑

Абразивный круг

Идеальный способ как отличить титан от нержавейки для владельцев точильного станка (что, на самом деле, совсем не обязательно). Впрочем, подойдет практически любая абразивная поверхность, даже асфальт. Контакт титана с абразивом сопровождается россыпью искр насыщенно-белого цвета. Взаимодействие стали с абразивной поверхностью характеризуется желтым или красным оттенком. Искр при этом существенно меньше.

Нержавеющие марки стали – пожаробезопасны. Обработка определенных марок нержавейки происходит вообще без искр. Это свойство используется на пожароопасных производствах. Там допускаются исключительно инструменты из нержавеющей стали. Аналогичная методика применяется в вопросе как отличить титан от алюминия. Стачивание последнего на абразивном круге также происходит практически без искр.

Этот способ определения титана можно назвать самым эффективным – цвет искры действительно будет отличным от других металлов. Вообще, тест на искру является одним из самых популярных и правильных для определения и распознования разных металлов.

Видео – как отличить титан от магния и алюминия:

к содержанию ↑

Гальванический подход

Другой верный способ как узнать титан, доступен прямо в гараже. Методика основана на окрашивании этого металла посредством анодирования. Простейшая конструкция «лабораторной установки» представляет автомобильный аккумулятор, плюс которого соединен с титановой пластиной. К минусу источника постоянного тока подключают металлический стержень, обмотанный ватой смоченной в кока-коле. Идеальный вариант – любой соляной раствор.

Если провести ватой по титану, металл окрасится в течение нескольких секунд. Цвет, получаемый в процессе формирования оксидной пленки, зависит от приложенного напряжения и времени обработки поверхности. Впрочем, если задача стоит как определить титан от нержавейки, то тональность окраски не важна. Главный критерий – изменение цвета.

Видео – как отличить титан от стали данным способом:

к содержанию ↑

Прочие методики

Существует ряд альтернативных способов, как определить титан в руках или алюминий, например. Один из вариантов – тонкая стружка. В случае титана она легко воспламеняется и ярко горит. Напротив, алюминиевая стружка плавится. При помещении «металлических опилок» дюралюминия в щелочной раствор наблюдается активное выделение водорода.

Следующий способ как отличить металл титан от стали и алюминия – теплопроводность. Численные значения параметра Вт/(м·K) для указанных металлов составляют:

• титан – 14;
• сталь низкоуглеродистая – 55;
• нержавейка – 16;
• алюминий – 250.

Титановые изделия более теплые в руках. Конечно, подход не характеризуется высокой точностью, а для отличия титана от нержавеющей стали – вообще непригоден.

к содержанию ↑

Резюме

Как видно, даже в домашних условиях, отличить титан от алюминия и стали вполне реально. Наиболее практичные варианты – искра и стекло. Для первого случая достаточно любой абразивной поверхности, даже асфальта или застывшего бетона. Яркое искрение титана успешно используют байкеры, устанавливая на обувь подковы из этого металла. След на стекле – выгоден тем, что металл не повреждается. Относительный недостаток – некоторые титановые сплавы рисунка не оставляют. Но для чистого метала это оптимальный вариант.

Титан — материал украшений будущего

Уже пару лет наш мастер работает с таким интересным и необычным для нашего рынка материалом, как титан. Вдохновил его на этот журнал про ювелирное искусство, который он нашел как-то на работе — оказалось, ювелиры Запада уже давно освоили этот металл и активно используют его в своих украшениях. Было много попыток, но в итоге все желаемое было достигнуто, мастерство освоено и теперь мы можем с уверенностью сказать, что титан нам под силу 🙂

Пока еще титановые украшения только набирают свою популярность — для большинства это занятная диковинка, которая вызывает противоречивые впечатления. Тем более, сейчас на рынке появилось очень много подделок под титан — украшения делаются из сплавов и выдаются за титановые. Если вы видите цену меньше 100 долларов — будете уверены: перед вами подделка, так как титан обрабатывается вручную, это очень кропотливый и трудоемкий процесс, поэтому цена на украшение не может быть низкой.

Нам очень интересен этот металл тем, что он, кроме своей прочности, еще и позволяет сделать очень интересную палитру цветов с помощью окисидирования, вставить в украшения золото или просто придать им более интеренсный вид с помощью разнообразных камней. Надеюсь, мы вас заинтересовали и вы с удовольствием ознакомитесь с этим интересным металлом 🙂

Сегодня мы расскажем о главных особенностях этого необычного металла, причинах столь его высокой популярности и о том, как правильно за ним ухаживать.

Титан — это один из металлов в таблице Менделеева, то есть он является естественным природным элементом (не сплав). Это один из самых легких металлов в мире и к тому же очень прочный — прочнее золота, серебра, стали. Естественный цвет титана — серебристый белый. Добавление примесей делает титан еще более прочным. Этот металл не относится к драгоценным, поэтому пробу на нем не ставят

Этот тугоплавкий металл открыли приблизительно в 1790 году, но тогда учёные умы совершенно не представляли, чем он может быть полезен. В то время с ним не умели работать, а за сложность обработки прозвали «Titan», как некогда древние греки называли богов, обладающих огромной силой и мужеством.

Спустя 120 лет, только в 1910 году, англичане начали процесс извлечения титана из руды. Этот процесс постоянно улучшался, и уже к середине 1940-х годов американцы решили использовать его в военной авиации. Основными критериями в таком выборе послужили: соотношение прочности к весу, устойчивость к перепадам температур, доступная цена, а также антикоррозийные свойства металла.

Начиная с 40-х годов прошлого века титан активно используют в кораблестроении, изготовлении самолётов и ракет. Из него также делают велосипедные рамы, насосы, реакторы, протезы, арматуру, бронежилеты и ещё множество полезных для человека вещей. Не последнее место титан занял в часовом и ювелирном производствах.

Титан — материал будущего. Он является одним из пяти биологически совместимых элементов и не вызывает аллергических реакций даже на самой чувствительной коже. Титан необычайно легкий, но очень прочный материал. Благодаря этим уникальным свойствам 85% конструкционных материалов в космической технике — титан и его сплавы. Наши украшения производятся именно из авиационного титана.

Часовщики и ювелиры обратили своё внимание на титан не так давно. Впервые его применили для изготовления часов в 1980 году. Первопроходцами стали специалисты из Porsche Design и IWC. Объединив свои силы, компании выпустили титановые часы, которые произвели настоящий фурор. Вскоре после этого появились еще две модели — Ocean 2000 и Ocean 500 — работающие под водой на глубине до 2000 и до 500 метров соответственно.

Главное преимущества титановых часов в том, что они очень лёгкие, имеют приятный металлический блеск и чем-то схожи по внешним признакам с платиной. Правда, по деформации и подверженности царапинам такие часы уступают изделиям из стали.

В ювелирном деле титан изначально стали использовать для изготовления обручальных колец, украшений для пирсинга и мужских аксессуаров. Его обработка является довольно сложной и затратной, требует определённых знаний и навыков у мастера, поэтому созданием украшений из титана занимается далеко не каждый ювелир. Но есть и те, кто достиг высшего мастерства в обработке этого металла. Например, китайский ювелир Уоллес Чан изготавливает из титана настоящие произведения искусства в виде драгоценных цветов, насекомых или рыб.

У титана есть одно интересное свойство: при определённом окислении, нагреве или смешивании с другими металлами он может менять свой цвет. В чистом виде это серый металл, но после обработки он может приобрести зелёный, синий, лиловый и даже красный оттенок. Ювелирные дома пользуются той особенностью в создании своих коллекций. Среди именитых брендов-поклонников титана значатся Chopard, Suzanne Syz, Glenn Spiro, Faberge, de Grisogono и другие.

Как и любые другие украшения, изделия из титана нуждаются в правильном уходе. Существует заблуждение, что этот металл не царапается. На самом деле он может потерять привлекательный внешний вид из-за агрессивного контакта с алмазом, другим металлом или наждачной бумагой. В то же время, титан не боится морской воды, пота и абразивных моющих средств.

Уход за титановыми украшениями довольно прост. Их нужно хранить отдельно от других украшений, желательно в бархатном мешочке или шкатулке. Во время работы с другими металлами или наждачной бумагой, следует снимать титановое кольцо.

Для профилактики царапин и мелких деформаций, раз в полгода ювелирные изделия из титана необходимо относить на полировку и чистку. Соблюдая эти несложные правила, вы сможете уберечь свои украшения от повреждений. Они будут всегда выглядеть достойно и эффектно.

Любители титановых украшений ценят этот металл за его несколько особых качеств.
Красивый внешний вид. Кольца из титана не менее красивы, чем из серебра и золота. Их делают и простые — только из металла, и с декором — с различными камнями (в том числе с бриллиантами), вставками, напылениями и так далее. Они могут быть глянцевыми и матовыми, а также различного цвета — синие, черные, фиолетовые и другие.

Относительно низкая цена. Кольца из титана дешевле, чем из золота. Сам металл стоит недорого, но для его обработки нужно иметь дорогое оборудование. Это образует большую часть цены изделий.

Прочность. Обручальные кольца из титана более устойчивы к физическим и химическим (например, от бытовой химии) воздействиям, чем золотые или серебряные. Фактор прочности здесь важен, ведь эти кольца люди обычно носят практически не снимая.

Гипоаллергенность. Титан не окисляется, не ржавеет, не вступает в реакцию ни с какими веществами, находясь на человеческом теле. Люди, у которых есть аллергия на серебро, золото и сплавы, могут позволить себе носить титановые украшения.

Легкость. Так как титан очень легкий металл, то даже крупные украшения из него обладают относительно маленьким весом.

Недостатки у титановых украшений тоже есть. Из-за прочности материала их очень сложно как-то изменить, в отличие от золотых ювелирных изделий, которые легко переплавить в новые. Если возникнет внештатная ситуация, когда украшение из титана нужно будет распилить, чтобы снять (обычным способом кольцо не снимается, например, потому что палец опух из-за травмы), то сделать это будет очень и очень нелегко.

Титановые кольца — вечные.
Приобретая такой атрибут, можно быть уверенным в том, что кольца переживут не только своих владельцев, но и много поколений их потомков. Инертные свойства металла и его поразительная твердость послужили причиной его использования при производстве протезов и вооружения — именно эти свойства будут гарантировать долгую службу колец из титана.

Титановые кольца не потускнеют, не заржавеют и не окрасят ваш палец в зеленый цвет.
Драгоценные металлы склонны меняться в цвете с течением времени. А порой оставляют непривлекательные следы на коже. Титан же, оправдывая звание инертного металла, не вступает в химические реакции и сохраняет первозданный вид столетиями.

Титановые кольца не «похудеют» от трения и не погнутся.
И вновь виной уникальные свойства металла — а точнее, его поразительная твердость. Этому веществу не страшно ничего – оно чувствует себя комфортно и на пальце невесты, и в двигателе самолета A380 (с той лишь разницей, что на кольцо уходит несколько граммов, а на двигатель самолета — около 11 тонн титана).

Титановые кольца абсолютно не вызывают аллергию.
Логично, не правда ли, что ни с чем не взаимодействующий металл и с нашим организмом взаимодействовать отказывается? Этот фактор может стать решающим для тех, кто страдает болезненной реакцией на золото или серебро.

Давайте посмотрим, кто же работает с таким интересным материалом, как титан?
Во-первых, это живой классик ювелирной миниатюры — китаец Уоллес Чан. Его бренд Wallace Chan сегодня является одним из самых дорогих на планете. Свои вещи Чан создаёт из титана с добавлением золотых элементов. Титан, несмотря на свою привлекательность — лёгкость, пластичность, способность менять при нагревании цвет, — металл крайне коварный. Умением работать с ним может похвастаться далеко не каждый ювелир. Уоллес Чан — может. В своих ювелирных изделиях Уоллес Чан использует титан с добавлением золота. В 2007 году мастер разработал и запатентовал особую технику окраски титана и назвал ее Titanium Jewelry.

Украшения Wallace Chan — это тщательно проработанные объекты растительного и животного мира Китая. Вся палитра драгоценных камней использована мастером сполна. Особое пристрастие Чан питает к сплавам титана, которые позволяют добиться необходимой фактуры поверхности (крыльев бабочки-брошки, например), а также к опалам всевозможных оттенков. Свои работы Чан называет «носибельной скульптурой».

«Через каждую мою драгоценность, я рассказываю неповторимую историю, о красоте восточного «дзен» и традициях ювелирного дела. Как представитель китайского искусства, я надеюсь привнести в этот мир сущность восточной философии и китайской культуры. Мои ювелирные изделия предназначены инициировать плодотворный диалог между культурами», говорит дизайнер.

Также известный швейцарский бренд Chopard активно использует этот металл своих украшениях. В одной из последних коллекций Fleurs d’Opales тонкие изогнутые лепестки одного из колец сделаны из титана, а в центре находится крупный австралийский черный опал, окруженный крошечными бриллиантами. В другом кольце-цветке лепестки покрыты аметистами и сиреневыми сапфирами, а титан, используемый как основа, окислен до получения такого фиолетового оттенка, чтобы быть практически незаметным на фоне камней.

Умение сочетать традиционный подход и новые технологии бренд демонстрирует в своей последней коллекции Haut Joallerie. Её основу составляют три браслета-манжеты. Они выполнены из титана и инкрустированы разноцветными драгоценными камнями. титан — это уникальный материал, он не только обладает необыкновенной легкостью, но и способен принимать все цвета радуги. Именно благодаря этому браслеты Chopard переливаются как драгоценные перья сказочной жар-птицы.

Швейцарский ювелир Сьюзан Сиз (Suzanne Syz) очень любит использовать титан в своих изделиях, хотя твердость металла и затрудняет работу с ним. Она использует его и в «исходном» цвете и в обработанном, добиваясь сиреневых, синих и зеленых оттенков, зачастую делая титан основной изюминкой украшения.

По мнению британского ювелирного дизайнера Гленна Спайро (Glenn Spiro), титан не только улучшает вид крупных украшений, делая их менее громоздкими, но прекрасно подходит и для небольших ювелирных изделий, таких, как обручальные кольца. Не так давно он работал с этим металлом в своей свадебной коллекции I Do эксклюзивно для Harrods. Дизайн бриллиантовых обручальных колец остался классическим, за исключением нетрадиционного металла, придающего украшению долговечность, прочность, а также действительно обширную палитру ярко-синих, розовых оттенков и цвета коньяка.»Этот металл совершенно — говорит известный мастер — не похож на золото. С ним мы можем делать ювелирные изделия более тонкими, а расположение камней на них более сложным. «

Формально титан не считается драгоценным металлом, однако цены на украшения из этого металла от Glenn Spiro довольно высоки. На вопрос, является ли это проблемой для его клиентов, дизайнер отвечает, что на самом деле стоимость металла в украшении по сравнению со стоимостью по-настоящему хорошего драгоценного камня является несущественной.

Титановые серьги Nisan Ongwuthitham с сапфирами

Титан действительно обладает рядом существенных и заманчивых достоинств. Однако для того, чтобы взяться за работу с ним и начать использовать его в своих украшения, мастеру придется проявить смелость и упорство. Хотя сегодня нарушение ювелирных традиций стало, пожалуй, настоящим трендом.

Колье из титана и белого золота от Nisan Ongwuthitham

А вот оригинальные и простые идеи колец из титана, которые вполне под силу мастерам-ювелирам 🙂

И ни одна статья не обходится без желтой уточки 🙂

Титановые сплавы: классификация, свойства, прочность, маркировка

Титан широко распространен на земле. После Al, Fe и Mg он занимает четвертое место из присутствующих металлов в земной коре и является девятым элементом по распространенности на Земле. Титановые сплавы (ТС) обладают уникальным спектром свойств, благодаря сочетанию высокой прочности и жесткости, ударной вязкости и аникоррозионности, что обеспечивает широкий спектр применения для работы в средах, как с низкими, так и высокими температурами, позволяя снизить вес аэрокосмических конструкций и узлов крупногабаритной техники.

Общая характеристика свойств титана и его сплавов

Атомный вес Ti составляет 47.88. Он является упруго жестким,  около 115 ГПа модуля Юнга, прочным, легким, устойчивым к коррозионным процессам. Ti и титановые сплавы обладают пределом прочности на разрыв в диапазоне 210-1380 МПа, что приближается к пределу прочности, характерному для многих сложных сталей.

Он имеет чрезвычайно низкую плотность примерно 60.0% от плотности Fe. Его можно упрочнить путем легирования растворенным веществом. Ti немагнитен и обладает отличными теплообменными способностями. Одним из его важных свойств титановых сплавов — высокая Т плавления – 1725.0 C, то есть почти на 200 C больше, чем у стали, и на 1000 C – чем у Al.

Ti пассивирован, и, следовательно, его сплавы имеют высокую степень устойчивости к воздействию большинства минеральных кислот. Он нетоксичен и совместим с биологическими тканями и минералами. Превосходная коррозионная устойчивость и биосовместимость совместно с превосходной прочностью сделали их полезными для химической промышленности и биоматериалов.  Ti не является хорошим проводником электротока. Если проводимость Cu принять за 100.0%, то у Ti будет  только 3.1%, из этого следует, что он довольно хороший резистор.

Слиток титана

Классификация групп

Сплавы Ti подразделяют на следующие группы:

1. Высокопрочные конструкционные — твердые растворы, с оптимальным соотношением прочностных характеристик и пластичности.
2. Жаропрочные титановые сплавы — твердые растворы с необходимым количеством присадок, обеспечивающих стойкость в зонах с высокими температурами при незначительном снижении пластичности.
3. ТС на базе химического соединения, способных конкурировать со сплавами Ni в определенном интервале температур.

Высокопрочные конструкционные ТС

Высокопрочные сплавы – ВТ-14, ВТ-22, ВТ-23, ВТ-15 (1000.0-1500.0 МПа).

ВТ-22 – свариваемый ТС с высокими прочностными характеристиками и прокаливаемостью. Он нашел широкое применение при изготовлении отечественных самолетов: Ил-76/ 86/ 96, Ан-72/ 74/124/224/148, Як-42, МиГ-29 и других. Из данного ТС изготовляются крупногабаритные детали для внутреннего силового набора, узлов шасси и сварных узлов, например, траверс и балок тележек основных шасси.

ВТ- 22И, полученный высокотехнологичным методом изотермического деформирования в условиях сверхпластичности, может обеспечить выпуск тонкостенных деталей сложной конфигурации и гарантирует надежную сварку титановых сплавов. Высокий и стабильный уровень механических свойств достигается однородной мелкозернистой структурой, что снижает трудоемкость мехобработки деталей на 35–40%.

Трубы из титанового сплава для теплообменников

Жаропрочные Ti-сплавы

Жаропрочные титановые сплавы – ВТ3 1, ВТ8-1,ВТ-9, ВТ8М-1, ВТ-18, ВТ-25 (1000.0-1500.0МПа).

ВТ8-1, ВТ8М-1 — эти марки титановых сплавов отличаются жаропрочностью, стойкостью от трещин и стабильностью при Т 400-550С. Они имеют низкую чувствительность к местным напряжениям и используются для авиационных двигателей, имеющих большой ресурс работы.

Отечественный сплав ВТ-25 с прочностным показателем до 1150.0 МПа, значительно превосходит зарубежные аналоги, обладает самыми высокими свойствами при Т до 550.0С.

ВТ-18 обладает самыми прочными свойствами при Т до 600.0С – лучший среди отечественных сплавов, используемых в промышленности.

Химические сплавы

Интерметаллические (химические) титановые сплавы основаны на так называемой интерметаллической фазе. Технический интерес представляют TiAl, Ti3Al, Al3Ti и Ti2AlNb. Свойства интерметаллидов находятся между керамикой и металлами.
TiAl – жаропрочные титановые сплавы, демонстрируют превосходные свойства, такие как жаропрочность, стойкость к окислению и ползучести, низкую плотность и высокую усталостную прочность. При этом TiAl демонстрирует низкую пластичность. Это необходимо учитывать при проектировании компонентов, и это является основным препятствием для широкого использования во многих приложениях.

ТС используется для выпуска поковки, заготовки, пластины и листы из TiAl. Также доступны сложные отливки, потому что он применяется для некоторых высокотемпературных компонентов практически чистой формы. TiAl представляет интерес для таких применений, как лопасти реактивного двигателя, колеса компрессора для турбонагнетателей, автомобильных клапанов и другие жаростойких компонентов. Для высокотемпературного применения, требующего небольшого веса, это хорошая альтернатива суперсплавам до 850 C.

Маркировка титановых сплавов

Существуют две кристаллографические формы титана,  учитывающихся при маркировке:

• Альфа-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке;
• бета-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке с кубическим телом (BCC).

Чистый титан существует в форме альфа-фазы при температуре выше 883 C и в форме бета-фазы при температуре ниже 883 C.Температура аллотропического превращения альфа-титана в бета-титан называется температурой бета-трансуса.
Легирующие элементы в ТС могут стабилизировать либо альфа-фазу, либо бета-фазу сплава.

Алюминий (Al), галлий (Ga), азот (N), кислород (O) стабилизируют альфа-фазу.

Молибден (Mo), ванадий (V), вольфрам (W), тантал (Ta), кремний (Si) стабилизируют вета-фазу.

Титановые сплавы подразделяются на четыре группы по фазовому составу:

1. Коммерчески чистые и низколегированные ТС. Он состоит из зерен-фазы и дисперсных сфероидных частиц бета-фазы. Небольшие количества железа, присутствующие в сплавах, стабилизируют бета-фазу и обладает относительно низкой механической прочностью и хорошей коррозионной стойкостью.
2. Титановые альфа сплавы состоят исключительно из альфа-фазы. Они содержат алюминий в качестве основного легирующего элемента, стабилизирующего альфа-фазу. Они имеют хорошую вязкость разрушения и сопротивление ползучести в сочетании с умеренной механической прочностью, которая сохраняется при повышенных температурах. Такие ТС легко свариваются, но их работоспособность в горячем состоянии оставляет желать лучшего.
3. Титановые альфа-бета сплавы, содержат 4-6% стабилизаторов вета-фазы, поэтому они состоят из смеси обеих фаз. Сплавы альфа-вета подвергаются термообработке. Они имеют высокую механическую прочность и хорошую горячую форму. Сопротивление ползучести таких ТС ниже, чем у альфа-сплавов.
4. Титановые бета-сплавы богаты вета-фазой. Они содержат значительное количество вета-фазных стабилизаторов, термически обрабатываемыедо очень высокой прочности и имеют хорошую форму в горячем состоянии. Пластичность и усталостная прочность этих ТС в условиях термообработки низкие.

Титановые сплавы обозначаются согласно их составам:

• Ti-5Al-2.5Sn идентифицирует титановый сплав, содержащий 5% алюминия и 2,5% олова.
• Ti-6Al-4V идентифицирует Ti-сплав, содержащий 6% алюминия и 4% ванадия.

Параллельно этой системе обозначений существуют и другие системы обозначения титановых сплавов (ASTM, IMI, военная система).

Производство титана и его сплавов

Титан производится с использованием процесса Kroll. Основные стадии включают извлечение, очистку, производство губки, создание сплава, а также формование. В начале выплавки производитель получает титановые концентраты с рудников. Хотя рутил можно использовать в его естественной форме, ильменит обрабатывают для удаления железа, чтобы он содержал не менее 85% диоксида титана. Эти материалы помещаются в реактор с псевдоожиженным слоем вместе с газообразным хлором и углеродом. Материал нагревают до 900 C, и последующая химическая реакция приводит к образованию нечистого тетрахлорида титана (TiCl4) и оксида углерода. Далее различные нежелательные хлориды металлов, которые образуются, должны быть удалены.

Прореагировавший металл помещается в большие дистилляционные емкости и нагревается. На этом этапе примеси отделяются с помощью фракционной перегонки и осаждения. На этом этапе удаляются хлориды металлов, в том числе железо, ванадий, цирконий, кремний и магний.

Очищенный тетрахлорид титана переносится в виде жидкости в реакторную емкость из нержавеющей стали. Затем добавляют магний, и контейнер нагревают до температуры около 1100 C. Аргон закачивается в емкость для удаления воздуха и предотвращает загрязнение сплава кислородом или азотом. Магний реагирует с хлором с образованием жидкого хлорида магния. Это оставляет твердое титановое твердое вещество, так как температура плавления титана выше, чем в реакции.

Твердое титановое вещество удаляют из реактора путем бурения, а затем обрабатывают водой и соляной кислотой для удаления избытка магния. Полученное твердое вещество представляет собой пористый металл, называемый губкой. Чистая титановая губка может быть преобразована в пригодный для использования сплав с помощью дуговой печи с расходуемым электродом. В этот момент губка смешивается с различными добавками сплава. Точное соотношение материала губки к сплаву формулируется в лаборатории до производства. Затем эту массу прессуют в компакты и сваривают вместе, образуя губчатый электрод.

Губчатый электрод помещают в вакуумно-дуговую печь для плавления. В этом охлаждаемом водой медном контейнере электрическая дуга используется для плавления губчатого электрода с образованием слитка. Весь воздух в контейнере либо удаляется (образуя вакуум), либо атмосфера заполняется аргоном для предотвращения загрязнения.

После изготовления слитка его вынимают из печи и проверяют на наличие дефектов. Поверхность может быть кондиционирована по требованию заказчика. Затем слиток отправляется покупателю готовой продукции, где он может быть измельчен и изготовлен в различные продукты.

Производство титана

Область применения

Титановый сплав, который имеет высокую коррозионную стойкость, высокую удельную прочность и хорошую термостойкость, используется для различных частей космического корабля, включая наружную оболочку топливного бака и крылья. Сочетая легкий вес с высокой прочностью, титан помогает усилить планеры и повысить производительность реактивных двигателей. В случае космического челнока, титан используется для многих критических частей, включая наружные панели топливного бака и детали крыла.

В самолетах используется большое количество титанового сплава, потому что он легкий и чрезвычайно прочный при высоких температурах. ТС применяется для укрепления каркасной конструкции и способствует техническому прогрессу реактивных двигателей.

Титановые сплавы применение:

• Установки для сжиженного природного газа;
• установки опреснения морской воды;
• нефтеперерабатывающие заводы;
• атомные электростанции;
• автоцистерны для химических реагентов, потому что ТС легок, устойчив к коррозии, и чрезвычайно сильный;
• теплообменники, которые используются в экстремальных условиях высокой температуры и высокого давления;
• биомедицинские приложения.

Огромными преимуществами титана являются его высокое отношение прочности к весу и антикоррозионность. В сочетании с нетоксичным состоянием и способностью эффективно противостоять коррозии от биологических жидкостей титан стал базовым металлом для имплантата в области медицины, со сроком службы более 20 лет.

Еще одним преимуществом Ti для применения в медицинской отрасли является его неферромагнитное свойство, позволяющее безопасно обследовать больных с применением МРТ и ЯМР.

Титановый протез сустава

Нюансы термообработки титановых сплавов

В настоящее время из-за растущего спроса на титан и его сплавы с улучшенными физическими и химическими свойствами многие исследователи проявляют большой интерес к улучшению процессов обработки под воздействием температуры для получения новых видов сплавов.

ТС подвергаются термообработке для достижения следующего:

1. Снятие напряжения, чтобы уменьшить остаточные явления, возникающие в процессе изготовления.
2. Отжиг для достижения оптимального сочетания пластичности, обрабатываемости, стабильности размеров и структурной устойчивости.
3. Обработка раствора и старение, для увеличения прочности.

Комбинации процессов используются для оптимизации свойств и получения других преимуществ, таких как:

• Вязкости разрушения;
• предела выносливости;
• высокой температуры ползучести;
• стойкости к преимущественному химическому воздействию;
• предотвращение искажения;
• подготовки ковки для последующих операций формования и изготовления.

Термическая обработка титановых сплавов ее типы:

1. Снятие напряжения. С ТС снимается стресс, без отрицательного влияния на прочность или пластичность. Процесс ковки происходит при температуре от 595 до 705 C в течение до двух часов с последующим воздушным охлаждением. Это уменьшает нежелательные остаточные напряжения, которые могут возникнуть в процессе ковки.
2. Отжиг, который обычноприменяется для ковки заготовок, не является полным отжигом и может оставить следы холодной или теплой обработки. Дуплексный и триплексный отжиг используются для улучшения сопротивления ползучести и вязкости разрушения.
3. Обработка раствора и старение. Этот процесс состоит из нагрева сплава до определенной температуры, закалки с контролируемой скоростью в масле, воздухе или воде и старении. Выдержка состоит из повторного нагревания до температуры от 425 до 650 C в течение примерно двух часов. Этот процесс развивает более сильные стороны, чем другие.

Таким образом, Ti -сплавы обладают огромным потенциалом для выбора дизайнером «материала будущего» из-за его уникального сочетания металлургических свойств, таких как высокое отношение прочности к весу в диапазоне температур от минус до 540 C. В этом отношении его базовые сплавы превосходят все обычные конструкционные материалы, что позволяет применять их в самых важных процессах.

Украшения из титана: свойства и описание

Нам очень интересен этот металл тем, что он, кроме своей прочности, еще и позволяет сделать очень интересную палитру цветов с помощью окисидирования, вставить в украшения золото или просто придать им более интеренсный вид с помощью разнообразных камней. Надеюсь, мы вас заинтересовали и вы с удовольствием ознакомитесь с этим интересным металлом.

Сегодня мы расскажем о главных особенностях этого необычного металла, причинах столь его высокой популярности и о том, как правильно за ним ухаживать.

Титан — это один из металлов в таблице Менделеева, то есть он является естественным природным элементом (не сплав). Это один из самых легких металлов в мире и к тому же очень прочный — прочнее золота, серебра, стали. Естественный цвет титана — серебристый белый. Добавление примесей делает титан еще более прочным. Этот металл не относится к драгоценным, поэтому пробу на нем не ставят

Этот тугоплавкий металл открыли приблизительно в 1790 году, но тогда учёные умы совершенно не представляли, чем он может быть полезен. В то время с ним не умели работать, а за сложность обработки прозвали «Titan», как некогда древние греки называли богов, обладающих огромной силой и мужеством.

Спустя 120 лет, только в 1910 году, англичане начали процесс извлечения титана из руды. Этот процесс постоянно улучшался, и уже к середине 1940-х годов американцы решили использовать его в военной авиации.

Основными критериями в таком выборе послужили:

• соотношение прочности к весу;
• устойчивость к перепадам температур;
• доступная цена;
• антикоррозийные свойства металла.

Начиная с 40-х годов прошлого века титан активно используют в:

Кораблестроении

Самолетостроении

Ракетостроении

Титан — материал будущего

Он является одним из пяти биологически совместимых элементов и не вызывает аллергических реакций даже на самой чувствительной коже. Титан необычайно легкий, но очень прочный материал. Благодаря этим уникальным свойствам 85% конструкционных материалов в космической технике — титан и его сплавы. Украшения производятся именно из авиационного титана.

Часовщики и ювелиры обратили своё внимание на титан не так давно. Впервые его применили для изготовления часов в 1980 году. Первопроходцами стали специалисты из Porsche Design и IWC. Объединив свои силы, компании выпустили титановые часы, которые произвели настоящий фурор. Вскоре после этого появились еще две модели — Ocean 2000 и Ocean 500 — работающие под водой на глубине до 2000 и до 500 метров соответственно.

Главное преимущества титановых часов в том, что они:

• очень лёгкие;
• имеют приятный металлический блеск;
• чем-то схожи по внешним признакам с платиной.

Правда, по деформации и подверженности царапинам такие часы уступают изделиям из стали.

В ювелирном деле титан изначально стали использовать для изготовления обручальных колец, украшений для пирсинга и мужских аксессуаров.

Обручальных колец

Мужских аксессуаров

Его обработка является довольно сложной и затратной, требует определённых знаний и навыков у мастера, поэтому созданием украшений из титана занимается далеко не каждый ювелир. Но есть и те, кто достиг высшего мастерства в обработке этого металла. Например, китайский ювелир Уоллес Чан изготавливает из титана настоящие произведения искусства в виде драгоценных цветов, насекомых или рыб

У титана есть одно интересное свойство: при определённом окислении, нагреве или смешивании с другими металлами он может менять свой цвет. В чистом виде это серый металл, но после обработки он может приобрести зелёный, синий, лиловый и даже красный оттенок. Ювелирные дома пользуются той особенностью в создании своих коллекций.

Как и любые другие украшения, изделия из титана нуждаются в правильном уходе. Существует заблуждение, что этот металл не царапается. На самом деле он может потерять привлекательный внешний вид из-за агрессивного контакта с алмазом, другим металлом или наждачной бумагой. В то же время, титан не боится морской воды, пота и абразивных моющих средств.

Уход за титановыми украшениями

Их нужно хранить отдельно от других украшений, желательно в бархатном мешочке или шкатулке. Во время работы с другими металлами или наждачной бумагой, следует снимать титановое кольцо.

Для профилактики царапин и мелких деформаций, раз в полгода ювелирные изделия из титана необходимо относить на полировку и чистку. Соблюдая эти несложные правила, вы сможете уберечь свои украшения от повреждений. Они будут всегда выглядеть достойно и эффектно.

Основные качества титановых украшений

Любители титановых украшений ценят этот металл за его несколько особых качеств:

• Красивый внешний вид. Кольца из титана не менее красивы, чем из серебра и золота. Их делают и простые — только из металла, и с декором — с различными камнями (в том числе с бриллиантами), вставками, напылениями и так далее. Они могут быть глянцевыми и матовыми, а также различного цвета — синие, черные, фиолетовые и другие.
• Относительно низкая цена. Кольца из титана дешевле, чем из золота. Сам металл стоит недорого, но для его обработки нужно иметь дорогое оборудование. Это образует большую часть цены изделий.
• Прочность. Обручальные кольца из титана более устойчивы к физическим и химическим (например, от бытовой химии) воздействиям, чем золотые или серебряные. Фактор прочности здесь важен, ведь эти кольца люди обычно носят практически не снимая.
• Гипоаллергенность. Титан не окисляется, не ржавеет, не вступает в реакцию ни с какими веществами, находясь на человеческом теле. Люди, у которых есть аллергия на серебро, золото и сплавы, могут позволить себе носить титановые украшения.
• Легкость. Так как титан очень легкий металл, то даже крупные украшения из него обладают относительно маленьким весом.

Недостатки титановых украшений

Из-за прочности материала их очень сложно как-то изменить, в отличие от золотых ювелирных изделий, которые легко переплавить в новые. Если возникнет внештатная ситуация, когда украшение из титана нужно будет распилить, чтобы снять (обычным способом кольцо не снимается, например, потому что палец опух из-за травмы), то сделать это будет очень и очень нелегко.

Титановые кольца

Приобретая такой атрибут, можно быть уверенным в том, что кольца переживут не только своих владельцев, но и много поколений их потомков. Инертные свойства металла и его поразительная твердость послужили причиной его использования при производстве протезов и вооружения — именно эти свойства будут гарантировать долгую службу колец из титана

Титановые кольца не:

• потускнеют;
• не заржавеют;
• не окрасят ваш палец в зеленый цвет.

Драгоценные металлы склонны меняться в цвете с течением времени. А порой оставляют непривлекательные следы на коже. Титан же, оправдывая звание инертного металла, не вступает в химические реакции и сохраняет первозданный вид столетиями.

Титановые кольца не «похудеют» от трения и не погнутся. И вновь виной уникальные свойства металла — а точнее, его поразительная твердость. Этому веществу не страшно ничего — оно чувствует себя комфортно и на пальце невесты, и в двигателе самолета A380 (с той лишь разницей, что на кольцо уходит несколько граммов, а на двигатель самолета — около 11 тонн титана).

Титановые кольца абсолютно не вызывают аллергию. Этот фактор может стать решающим для тех, кто страдает болезненной реакцией на золото или серебро.

Легирование и термообработка титана

Чтобы быть универсальным инженерным материалом, металл должен иметь широкий диапазон механических характеристик. свойства, соответствующие промышленным требованиям. Такое изменение осуществляется в механические свойства титана легированием и термообработкой. Поскольку ни один сплава ни одна термообработка в одиночку не может улучшить металл со свойствами отвечая всем требованиям промышленности, легирование и термообработка стали основными инструменты в производстве титановых материалов.

Легирование

Исследования и разработки показали, что легирование может повысить предел прочности на разрыв. металлический титан до более чем 200000 фунтов на квадратный дюйм (1380 МПа) при сохранении полезного пластичность. Наличие примесных элементов, в основном углерода и химически активных газов. атмосферы, также добавляют прочности металлу, но за счет серьезных потерь в пластичность. Для простоты внедренные элементы углерод, азот, кислород, бор, и водород будут называться загрязнителями, а замещающие элементы, намеренно добавленные, будут называться легирующими элементами.

Загрязняющие вещества. Загрязняющие вещества остаются в металлическом титане из-за неполного очистки в процессе восстановления или абсорбируются в применяемых методах плавления. Железо небольшого качества, от 0,5 до 1%, по-видимому, оказывает загрязняющее влияние на пластичность, но в больших количествах действует на пластичность не хуже, чем другие товары замещающие легирующие элементы. Межстраничные вставки и железо вводятся в реакции производства губки; в плавильном производстве углерод, азот и кислород содержание может быть увеличено.

Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются производители губки и кованые изделия, является устранение этих примесей или хотя бы свести их к минимуму. Существующее производство металлического титана имеет поддерживать содержание азота и водорода, как правило, ниже критического уровня соединения где становится заметным снижение пластичности. Водород, углерод, кислород и, в некоторых случаях, железо, однако, все еще часто встречается в титане в недопустимых пропорциях. пользователю.

Углерод и кислород оказывают комбинированное влияние на пластичность и ударную вязкость. Низкий количество одного позволит лучше переносить другое. Большие вариации (0,03% -0,20%) были отмечены в содержании кислорода в промышленно производимом металле, и содержание углерода до 0,2% все еще является результатом, хотя большая часть металлического титана в настоящее время дуговое плавление содержит менее 0,1% углерода.

Содержание азота в промышленном производстве обычно ниже 0,05%, и это количество не сильно влияет на прочность или пластичность плитки.С содержанием азота выше этого резко возрастает прочность, а пластичность падает так же сильно, как и при кислород. Влияние бора, который слабо растворяется в титане, не выявлено. досконально исследовано.

Недавно титановая промышленность осознала, что водород является основным фактором хрупкий титан. Большинство сплавов не переносят более 200 частей на миллион водород, особенно если материал должен подвергаться усталостному нагружению или ползучести.С помощью вакуумного отжига можно существенно снизить содержание водорода, но этот процесс не дает к экономике производства.

Углерод, кислород, азот и водород, хотя они увеличивают прочность титана, отрицательно влияют на пластичность и вязкость настолько сильно, что эти элементы сохраняются на минимум и редко используются в качестве добавок к сплавам.

Добавки для сплавов. Для повышения прочности металлического титана и еще для поддержания полезной пластичности используются замещающие элементы.Эти элементы заменяют атомы титана в структуре решетки, а не находятся в пустотах между ними, как и межстраничные объявления.

Путем использования основных физико-металлургических исследований, таких как диаграммы равновесия различных систем сплава и практических разработок сплава, несколько замещающих элементы стали многообещающими добавками к сплавам. Марганец, алюминий, хром, олово, железо, ванадий и молибден в различных комбинациях доказали свою универсальность к механическим свойствам плитки из металлического титана.

Эти легирующие элементы повышают прочность титана с сопутствующими потерями. по пластичности и прочности. Однако пластичность и ударная вязкость гораздо менее подвержены влиянию этими элементами, чем загрязняющими веществами, где повышенная прочность достигается при большом жертвовать пластичностью и прочностью.

Термическая обработка

Механические свойства титана больше зависят от присутствующих фаз, чем они относятся к фактическому составу сплава.Замещающие элементы частично заменяют атомы титана в решетке и таким образом изменяют свойства. На самом деле, количество присутствующих фаз лучше регулируется нагревом и охлаждением циклов, чем это изменение атома.

Большинство добавок к сплавам стабилизируют объемно-центрированную бета-фазу и снижают температуру превращения до такой степени, что при комнатной температуре сплавы представляют собой смесь как альфа, так и бета. Гексагональная альфа относительно мягкая, прочная и пластичная; тогда как бета тверже, прочнее, но менее пластично.

Из этого видно, что, изменяя пропорции этих фаз, механический свойства могут быть различными. Для получения желаемой фазы использовалось множество методов. пропорции, и из них возникли пять основных методов термообработки: закалка, отпуск, непрерывное охлаждение, изотермическое превращение, растворение и старение.

Закалка. Если сплавы быстро охлаждают закалкой в ​​воде из всех бета-области тенденция образования альфа-фазы подавляется, а бета-фаза сохранено.Однако некоторые составы сплавов демонстрируют своеобразное превращение на закалка. Этот механизм мартенситного или сдвигового превращения полностью не изучен. понял. Образование этой структуры, так называемого альфа-простого числа, вызывает некоторые искажение решетки. Это искажение и результирующая деформация создают материал, который является твердым и прочным и обладает лучшими усталостными свойствами, чем альфа. Эта Процесс закалки также является начальной точкой отпуска.

Закалка. Когда титан закаливают от повышенной температуры, повторно нагревается до температуры ниже бета-перехода, выдерживается в течение длительного времени закаленный, говорят, что был отпущен. В темперинге существуют три переменные: наличие фаз, время выдержки и температура отпуска.

Когда исходная структура содержит штрих-код альфа, происходят два изменения: штрих-код альфа преобразуется в альфа, и в более длительное время альфа становится зубчатой.В результате потеря твердости и прочности, повышение пластичности и ударопрочности. Альфа-бета структуры, однако, не следуют этому шаблону. Альфа в основном остается неизменной; бета-версия разлагается, чтобы сформировать больше альфа за счет фазы бета. На низком температуры больше альфа, будут образовываться; таким образом, низкие температуры отпуска приводят к большее снижение прочности и твердости и большее увеличение пластичности, чем у высокотемпературный отпуск за одинаковые промежутки времени.

Растворение и старение. Если титановый сплав находится в бета или высокий уровень в альфа-бета-области, гашение и повторное нагревание до альфа-бета-области, говорят, что он был обработан раствором и выдержан. Эта обработка титановых сплавов производит тот же эффект, что и отпуск, за исключением того, что исходная структура по большей части является бета-версией. Максимальная твердость достигается при кратковременном старении, связан с образованием фазы, называемой бета-простотой.С более длительным временем этот бета-прайм рассеивается и осаждается альфа-фильтром, снижая твердость и что приводит к лучшей пластичности.

Изотермическое превращение. О горячей закалке сплава из всех бета области до температур в альфа-бета-поле и выдержки в течение определенного периода времени, а затем при дальнейшей закалке до комнатной температуры материал изотермически трансформируется. лечение таким образом вызывает осаждение альфа-фазы из бета-фазы.При высоких температурах альфа выделяется сначала на границах зерен, а затем внутри бета-зерен самих себя.

Эта обработка при выдержке при температурах чуть ниже температуры превращения сначала дает очень твердый материал из-за образования бета-прайма. Если время проведения увеличивается, твердость и прочность снижаются с сопутствующим увеличением пластичности и стойкость. При более низких температурах происходит постепенное повышение твердости и хрупкости. место, и в течение длительного времени может быть получена более высокая твердость, чем при кратковременном повышении температурные процедуры.

Непрерывное охлаждение. Непрерывное охлаждение — снижение температуры. сплава из всего бета-поля в любом случае без прерывания или последующего разогрев. Закалка, о которой уже говорилось, является специализированной формой непрерывного охлаждения. Скорость охлаждения, хотя и не связана с одной температурой, определяет интервал период трансформации. Быстрые скорости охлаждения подавляют альфа-образование и приводят к бета-фаза сохраняется, по крайней мере, частично, что дает умеренно твердый материал.Немного более низкая скорость охлаждения приводит к получению гораздо более твердого и хрупкого металла того же типа. ранее назывался бета-премьер. Более медленные скорости дают альфа-бета-структуры. Медленнее тем больше образуется альфа. По мере увеличения альфа пластичность и увеличивается твердость, а твердость падает.

Когда высокая твердость является крайней необходимостью, материал необходимо обрабатывать таким образом. что пик кривой достигнут. Лучше всего высокая твердость по всей детали получается закалкой богатого сплава, который падает слева от пика, а затем отпуск при низких температурах до достижения пика.

Когда ударная вязкость является основным фактором, ее лучше всего получить закалкой бедных сплавов, которые падают далеко вправо, чуть ниже бета-перехода. Такое лечение дает низкий предел текучести, но высокая ударная вязкость. Некоторое увеличение предела текучести может быть получено если эти сплавы подвергнуты горячей деформации в альфа-бета-области перед закалкой.

.Лаборатория

обнаружила сплав титана и золота, который в четыре раза тверже, чем большинство сталей

Кристаллическая структура бета-титана-3 золота. Фото: Э. Моросан / Университет Райса

Титан является ведущим материалом для искусственных коленных и тазобедренных суставов, потому что он прочный, износостойкий и нетоксичный, но неожиданное открытие физиков Университета Райса показывает, что золотой стандарт для искусственных суставов можно улучшить, добавив немного настоящего золота.

«Она примерно в 3-4 раза тверже, чем большинство сталей», — сказала Эмилия Моросан, ведущий ученый в новом исследовании в Science Advances , в котором описаны свойства смеси титана и золота 3: 1 с специфическая атомная структура, придающая твердость. «Он в четыре раза тверже чистого титана, который в настоящее время используется в большинстве зубных имплантатов и суставов.«

Моросан, физик, специализирующийся на разработке и синтезе соединений с экзотическими электронными и магнитными свойствами, сказал, что новое исследование является «первым для меня во многих отношениях. Это соединение несложно сделать, и оно не ново. материал «.

Фактически, атомная структура материала — его атомы плотно упакованы в «кубическую» кристаллическую структуру, которая часто ассоциируется с твердостью, — была известна ранее. Неясно даже, что Моросан и бывший аспирант Этери Сванидзе, ведущий соавтор исследования, были первыми, кто сделал чистый образец сверхтвердой «бета-формы» соединения.Но благодаря паре счастливых случайностей они и их соавторы первыми задокументировали замечательные свойства материала.

«Это началось с моих основных исследований», — сказал Моросан, профессор физики и астрономии, химии, материаловедения и наноинженерии из Райса. «Не так давно мы опубликовали исследование титана и золота, соединения с соотношением 1: 1, которое представляло собой магнитный материал, сделанный из немагнитных элементов. Одна из вещей, которые мы делаем, когда создаем новое соединение, — это пытаемся измельчить его в порошок для рентгеновских целей.Это помогает определить состав, чистоту, кристаллическую структуру и другие структурные свойства.

Этери Сванидзе (слева) и Эмилия Моросан. Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса.

«Когда мы пытались измельчить титан-золото, у нас ничего не вышло», — вспоминает она. «Я даже купил ступку с алмазным покрытием и пестик, но мы все равно не могли их измельчить».

Моросан и Сванидзе решили провести дополнительные испытания, чтобы точно определить, насколько твердым было соединение, и пока они занимались этим, они также решили измерить твердость других композиций титана и золота, которые они использовали в качестве сравнения в оригинальное исследование.

Одним из дополнительных составов была смесь трех частей титана и одной части золота, приготовленная при высокой температуре.

В то время команда не знала, что изготовление титана-3-золота при относительно высокой температуре дает почти чистую кристаллическую форму бета-версии сплава — кристаллическую структуру, которая в четыре раза тверже, чем титан.При более низких температурах атомы имеют тенденцию образовывать другую кубическую структуру — альфа-форму титана-3-золота. Альфа-структура примерно такая же твердая, как у обычного титана. Похоже, что лаборатории, которые ранее измеряли твердость титана-3-золота, измеряли образцы, которые в основном состояли из альфа-расположения атомов.

Команда измерила твердость бета-формы кристалла совместно с коллегами из лаборатории турбомашин Техасского университета A&M и в Национальной лаборатории сильного магнитного поля в Университете штата Флорида. Моросан и Сванидзе также провели другие сравнения с титаном.Например, для биомедицинских имплантатов двумя ключевыми показателями являются биосовместимость и износостойкость. Поскольку титан и золото сами по себе являются одними из самых биосовместимых металлов и часто используются в медицинских имплантатах, команда считает, что титан-3-золото будет сопоставимым. Фактически, испытания коллег из онкологического центра доктора медицины Андерсона Техасского университета в Хьюстоне показали, что новый сплав даже более биосовместим, чем чистый титан. То же самое и с износостойкостью: титан-3-золото также превосходил чистый титан.

Моросан сказала, что у нее нет планов стать ученым-материаловедом или кардинально изменить направленность своей лаборатории, но она сказала, что ее группа планирует провести последующие испытания для дальнейшего исследования кристаллической структуры бета-титана-3-золота и выяснить, есть ли химические вещества. легирующие добавки могут еще больше повысить его твердость.

---

Сочетание титана и золота создает первый странствующий антиферромагнитный металл

---

Дополнительная информация: Научный прогресс , DOI: 10.1126 / sciadv.1600319, http://advances.sciencemag.org/content/2/7/e1600319 Предоставлено Университет Райса

Ссылка : Лаборатория обнаружила сплав титана с золотом, который в четыре раза тверже большинства сталей (2016, 20 июля) получено 1 октября 2020 с https: // физ.org / news / 2016-07-lab-titanium-gold-sale-harder-steels.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.