Полезные ископаемые

Газы Н2, О2,, N2 содержатся в сталях в незначительных количествах, в зависимости от способа производства. Они ухудшают механические свойства стали. Вводимые в сталь легирующие элементы изменяют ее механические и технологические свойства. Для получения необходимых свойств, вводят такие элементы – Cr, Ni, W, Mo, V, Mn, Si, Nb, Ti, Al,Co, Си и др. Условное обозначение этих элементов приведено в таблице 12.

Сг – при содержании до 3 %, применятся для повышения твердости и прочности при одновременном незначительном повышении пластичности и вязкости, увеличение износостойкости. При содержании Сг более 13 %, сталь принимает коррозионную стойкость, а также магнитоустойчивость.

Ni – при содержании от 1 до 5 % придает стали прочность, высокую пластичность и вязкость. При более высоком процентном содержании повышается коррозионная стойкость, придаются немагнитные свойства.

W – при содержании до 1,5 %, повышает прочность и твердость стали. Способствует образованию мелкозернистой структуры. Повышенное содержание W, до 20 %, улучшает режущие свойства стали, повышаетжаропрочность.

Мо – при содержании до 1 % повышает прочность, твердость, незначительно снижает пластичность и вязкость.Более высокое содержание Мо повышает красностойкость и жаропрочность.

V – в небольших количествах, от 0,1 до 2,5 %, повышает твердость, упругость, усталостную прочность, способствует образованию мелкозернистой структуры.

Nb и Ti при содержании до 1 % увеличивают коррозионную стойкость, придают мелкозернистую структуру, в целом улучшают механические свойства.

А1 – повышает твердость стали при химико-термической обработке (ХТО). При содержании (5–6) % придаетокалиностойкостъ при высоких температурах.

В – в незначительных количествах (0,002–0,01) %, существенно увеличивает прокаливаемостъ стали, повышаетударную вязкость и жаропрочность стали.

В зависимости от химического состава, содержания постоянных примесей и вводимых легирующих элементов, все виды применяемых сталей можно классифицировать по пяти основным признакам, приведенным на схеме, рис. 37.

Конструкционные стали применяются для изготовления различных деталей машин и конструкций, работающих как в обычных условиях, так и в условиях требующих высокую прочность, пластичность, твердость, вязкость, упругость. Классификация сталей приведена на рисунке 38.

 

 

 
Инструментальные стали применяются для изготовления режущего, мерительного, штампового инструмента, литейных форм и др. Они обладают высокой твердостью и износостойкостью, красностойкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Классификация сталей приведена на рисунке 39.

 

 

Стали и сплавы с особыми свойствами в группе машиностроительных материалов обладают высокими механическими свойствами при низких и высоких температурах, высокой коррозионной стойкостью, жаропрочностью, жаростойкостью, высокой контактной прочностью и износостойкостью. Все эти свойства получают в результате специального легирования и термической обработки (ТО) или химико-термической обработки (ХТО).

К высоколегированным сталям условно отнесены сплавы, содержание железа в которых более 45 %, а суммарное содержание легирующих элементов не менее 10 %, считая по верхнему пределу, при содержании одного легирующего элемента по нижнему пределу не менее 8 %.

В зависимости от основных свойств стали и сплавы подразделяются на группы:

·        коррозионно-стойкие ( нержавеющие ) стали и сплавы, обладающие стой костью против электрохимической и химической коррозии ( атмосферной, щелочной, кислотной, соленой ), межкристаллической коррозией, коррозией под напряжением;

·        жаростойкие ( окалиностойкие ) стали и сплавы обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 °С, работающие в нагруженном или слабонагруженном состоянии;

·        жаропрочные стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаропрочностью.

В зависимости от химического состава сплавы делятся по основному составляющему элементу на группы:

1.     сплавы на железоникелевой основе, в которых суммарное содержание Ni и Fe более 65 % при приблизительном отношении Ni и Fe-1:1,5.

2.     сплавы на никелевой основе, содержание Ni в которых не менее 55 %.

При применении специальных способов выплавки или их сочетании: вакуумно-индукционного, электронно-лучевого, плазменного, электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов, сплавы дополнительно обозначают через тире соответственно: ВИ, ЭЛ, П

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.6. Металлургия  титана

 

 

Титан   ( Ti) - серебристо - белый металл с малым удельным весом (4,5 г/см3)  и высокой температурой плавления (1660 °С).  Титан обладает низкой теплопроводностью, которая гораздо ниже теплопроводности   А1. Электропроводность титана высокая, больше чем у Си и А1.  Прочность технического титана в 2 раза выше прочности технического Fe, что является важным преимуществом как конструкционного материала. По удельной прочности титановые сплавы превосходят высокопрочные алюминиевые сплавы и даже высокопрочную сталь.

В   периодической   системе  элементов     Д.И.   Менделеева   титан   расположен   в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых    ' соединениях  титан   четырехвалентен.  Атомная   масса  титана 47,90. Он  плавится при 1680°С и кипит при 3300°С.

Плотность титана при 20°С равна 4500 кг/м3, а при температуре плавления 3400 кг/м3. Его механическая прочность примерно вдвое больше, чем у чистого железа и почти в шесть раз выше, чем у алюминия. В чистом виде титан пластичен, легко поддается механической обработке.

На воздухе при обычной температуре титан устойчив. При нагреве выше 550°С он энергично окисляется и поглощает кислород и другие газы. Газы и многие другие примеси, включая карбид титана, придают титану хрупкость. Чистый карбид титана очень тугоплавок и обладает высокой твердостью.

Разбавленная серная кислота, азотная кислота любой концентрации и слабые растворы щелочей взаимодействуют с титаном очень медленно. Он хорошо растворяется в соляной концентрированной серной и плавиковой кислотах. Титан устойчив против коррозии в морской воде. Высокая коррозионная стойкость титана обусловлена наличием на его поверхности тончайшей (5—15 мкм) сплошной пленки оксида ТЮ2, прочно связанной с металлом. Реагенты, разрушающие оксид-ную пленку, вызывают коррозию титана.

Из числа химических соединений титана наибольший практический и технологический интерес представляют оксид ТiO2, тетрахлорид - TiС14 и иодид ТiI4

Применение титана, как конструкционного материала, обусловлено благоприятным сочетанием его высокой механической прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности и малой плотности. Значительно улучшают механические и коррозионные свойства титана добавки Мп, Сг, А1, Мо, Siи В.

Титан и его сплавы обладают высокой антикоррозионной стойкостью, которая превышает стойкость нержавеющей стали и благородных металлов. Это обусловлено плотной и однородной поверхностной защитной пленкой (20-50) А. Титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, кислотах органического происхождения. Однако, титан не устойчив в плавиковой и крепких серной и азотной кислотах. Титан устойчив и против газовой коррозии.

Механические свойства титана зависят от количества неизбежно присутствующих в нем примесей, главным образом О2, N2, С. Эти примеси упрочняют титан, но одновременно снижают пластичность и вязкость. Очень вредной примесью является Н2,, так как он резко снижает ударную вязкость даже при очень небольших концентрациях.

Модуль упругости (Е) у титана почти в 2 раза меньше, чем у стали. Это затрудняет получение жестких и устойчивых конструкций. У титана проявляется ползучесть даже при комнатной температуре, что ограничивает его использование для изделий, работающих длительное время при повышенных температурах.

Для повышения прочности, жаропрочности, а в некоторых случаях и коррозионной стойкости титан легируют различными элементами (Al, Ti,  Mo, Cr и др.).

Алюминий повышает жаропрочность и механическую прочность титана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность титановых сплавов. Сплавы хорошо поддаются горячей и холодной обработке давлением, обработке резанием, имеют удовлетворительные литейные свойства, хорошо свариваются в среде инертных газов. Сплавы удовлетворительно работают при температурах до 350 – 500 °С.

Удельная прочность (отношение прочности к плотности) лучших титановых сплавов достигает 30—35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей. Эти свойства титана представляют особый интерес длясамолето- и ракетостроения. При высоких температурах титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы на основе алюминия и магния.

Сплавы на основе титана находят все большее применение при строительстве морских судов, в автомобильном и железнодорожном транспорте. Повышенная коррозионная стойкость обусловливает использование титана и его сплавов в химическом и металлургическом машиностроении, при изготовлении медицинского инструмента и т.д.

Чистый титан применяют в электровакуумной промышленности для изготовления деталей электронного оборудования. В этой же области титановый порошок применяют в качестве геттера (поглотителя газов).

Технический диоксид титана очень широко применяют в качестве пигмента при изготовлении титановых белил и красок, отличающихся высокой кроющей способностью, коррозионной стойкостью и теплостойкостью. Мировое производство титановых белил в настоящее время превышает 1,5 млн.т в год.

Вопрос о том, к редким или легким цветным металлам относить титан, до сего времени остается дискуссионным. Титан относительно тугоплавок, но в настоящее время его применяют далеко не редко; он самый тугоплавкий из легких цветных металлов, но он и легок по плотности. Титан и магний, как "близнецы", прочно связаны технологическими и производственными узами. По этим причинам на сегодняшний день титан по праву можно отнести к группе легких цветных металлов.

Из числа известных минералов титана, а их около 70, основное промышленное значение имеют только два: рутил и ильменит.

Рутил - природный оксид титана ТiO2 - является наилучшим сырьем для титановой промышленности, однако крупные месторождения рути-ловых руд встречаются редко.

Ильменит FеTiO3 - наиболее распространенный в природе минерал титана. Ильменитовые руды представляют собой россыпные породы, встречающиеся часто в смеси с магнетитом Fе304. Такие руды называются титаномагнетитами. До 40 % FеTiO3 -добывают из речных и прибрежных морских песков. Содержание титана в таких рудах доходит до 35 %.

Ценными элементами-спутниками в титановых рудах бывают тантал, ниобий, цирконий и элементы редких земель.

Титановые руды с содержанием титана до 35 % перед поступлением в металлургическое производство подвергают обогащению методами гравитации, магнитной или электрической сепарации. Рутиловые концентраты содержат до 95 % ТЮ2. Состав ильменитовых концентратов примерно следующий, %: TiO2 42-60; FеOРеО 26-34; Fе203 12-34; СаО до 2;SiO2 1,5-3,5; МgО 1-3.

Некоторые титаномагнетиты механическому обогащению не поддаются. В этом случае для выделения титана используют восстановительную плавку на чугун и богатый титановый шлак. ВосстаЧовитель-ную плавку применяют также для первичной обработки ильменитовых концентратов с целью разделения титана и железа.

Таким образом, исходным сырьем для производства металлического титана могут быть рудные концентраты и титановые шлаки, а также иногда технический диоксид титана, получаемый при разложении ильменитовых концентратов серной кислотой.