Титан магний и их сплавы кратко

Обновлено: 02.07.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Основные сведения о титане

Титан (Ti) - легкий серебристо-белый металл. Титан и тиановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, длительное время может работать в агрессивной среде. Титан имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок. По внешнему виду похож на сталь. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4°С) и кипит при 3300 °С
Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа.

высокая стоимость производства, титан значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;

активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего титан и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;

трудности вовлечения в производство титановых отходов;

плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана иа многие материалы, титан в паре с титаном не может работать на трение;

высокая склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;

плохая обрабатываемость резанием;

большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.

Применение титана

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техникии и морского судостроения. Титан используют в качестве лигирующей добавки к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали элетктровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%.

Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана.
Магний — серебристо-белый, очень лёгкий металл. На воздухе почти не изменяется, т.к. покрывается тонким слоем окиси, защищающим его от дальнейшего окисления.

В кислотах магний легко растворяется с выделением водорода. Щёлочи на магний не действуют. При нагревании магний загорается и сгорает. Раньше магнием пользовались для освещения при фотосъёмках. Применяется также магний в осветительных ракетах; раньше в пионерских лагерях, а сейчас в детских оздоровительных его подбрасывают в костры, которые зажигают при открытии и закрытии смены. При этом получается большой сноп искр.

Магний хорошо обрабатывается резанием (стружка хорошо режется), но механические и литейные свойства его невысоки, что исключает применение его в качестве конструкционного материала.

Со многими металлами магний образует сплавы, которые обладают более высокими по сравнению с чистым магнием механическими свойствами и коррозионной стойкостью, что значительно расширяет область применения магния. Используются сплавы магния с алюминием , цинком , марганцем, бериллием, титаном, редкоземельными элементами. Добавка к магнию небольших количеств этих металлов резко изменяет его механические свойства: сплавы магния легки, тверды, прочны, коррозионностойки.

Лёгкие магниевые сплавы используют в качестве конструкционного материала для различных частей самолётов, а также железнодорожного и автомобильного транспорта. Детали из магниевых сплавов, полученные литьём под давлением, применяют в производстве оптических и точных приборов. Магниевый порошок в химической промышленности используют для обезвоживания органических веществ и для синтеза сложных органических веществ.

Фрагмент справочника "Металлы и сплавы - марки и химический состав"
2. "Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов" Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, В.И. Елагин
3. "Металлургия цветных металлов" Н.И. Уткин

Получение титана. Титан - серебристо-белый металл с высокой механической прочностью и высокой коррозионной и химической стойкостью. Для производства титана используют рутил, ильменит, титанит и другие руды, содержащие 10-40% двуокиси титана ТiO2. После обогащения концентрат титановых руд содержит до 65% ТiO₂. ТiO₂ и сопутствующие окислы железа разделяют восстановительной плавкой. В процессе плавки окислы железа и титана восстанавливаются, в результате чего получают чугун и титановый шлак, в котором содержится до 80-90% ТiO₂. Титановый шлак хлорируют, в результате чего титан соединяется с хлором в четыреххлористый титан TiCl₄. Затем четыреххлористый титан нагревают в замкнутой реторте при температуре 950-1000°С в среде инертного газа (аргон) вместе с твердым магнием. Магний отнимает хлор, превращаясь в жидкий MgCl₂, а твердые частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу, образуя титановую губку. Путем сложных процессов рафинирования и переплава из титановой губки получают чистый титан. Технически чистый титан (ГОСТ 19807-74) содержит 99,2-99,65% титана.
Свойства и применение титана. Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных конструкционных сталей. По коррозионной стойкости титан превосходит даже высоколегированные нержавеющие стали.
Для получения сплавов титана с заданными механическими свойствами его легируют алюминием, молибденом, хромом и другими элементами. Главное преимущество титана и его сплавов заключается в сочетании высоких механических свойств (σ_в≥1500 МПа; δ=10-15%) и коррозионной стойкости с малой плотностью.
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.
По технологическому назначению титановые сплавы делят на деформируемые и литейные, а по прочности - на три группы: низкой (σ_в=300-700 МПа), средней (σ_в=700-1000 МПа) и высокой (σ_в более 1000 МПа) прочности. К первой группе относят сплавы под маркой BT1, ко второй - ВТЗ, ВТ4, ВТ5 и др., к третьей - ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).

13. Механические свойства титановых сплавов

Уважаемый посетитель, Вы прочитали статью "Титан, магний и их сплавы", которая опубликована в категории "Материаловедение". Если Вам понравилась или пригодилась эта статья, поделитесь ею, пожалуйста, со своими друзьями и знакомыми.

Поэтому титановые сплавы (такие как BT-5JI) могут использоваться в качестве литейного материала при заливке в среду или вакуум инертного газа. Титановые сплавы VT4 и VT5 могут быть кованы, вырублены, штампованы, прокатаны, спрессованы и тянуты, и полностью обработаны резанием. Ассортимент ограничен высокой стоимостью и сложностью титановых сплавов. Магниевые сплавы имеют более низкую плотность и поэтому превосходят определенные конструкционные стали и алюминиевые сплавы по определенной прочности.

Кроме того, титан имеет тенденцию окисляться при высоких температурах, что затрудняет его обработку. Людмила Фирмаль

Замена алюминиевого сплава на магний уменьшает массу компонента на 25-30%. Магниевые сплавы хорошо поглощают вибрации, не являются магнитными и не вызывают искр при ударе или трении. Удельная жесткость магниевого сплава при изгибе и кручении на 50% выше, чем у стали, и на 20% выше, чем у алюминиевого сплава. специальная Эти сплавы интересны для конструкций, где масса является критической. Поскольку сам магний и его сплавы подвергаются коррозии, как только они вступают в контакт с другими металлами, некоторые из этих сплавов требуют защитных покрытий от коррозии.

Помимо магния (серебристо-белый металл с плотностью 1,74 мг / м3 и температурой плавления 651 ° C), магниевые сплавы содержат алюминий, цинк, медь и другие элементы. Есть литейные и ковочные сплавы. Литые сплавы имеют буквы ML и цифры, обозначающие номер сплава (MJI3, MJI4, ML 5, MJI6). Они используются для получения таких деталей, как корпуса, крышки и фланцы, методом литья. Деформируемые магниевые сплавы обозначены буквой MA и номером, обозначающим номер сплава, например, MAI, MA2, MA5, MA8. Используйте их для получения полуфабрикатов и изделий с пластической деформацией (прокатка, штамповка и т. Д.).

Эта структура обеспечивает быструю акклиматизацию контактных частей и формирование сети тонких каналов, по которым движется смазка и продукты износа. Лучшими являются марки B83 и B88 с оловянной сурьмой. Они основаны на олове и содержат 7,25 … 10% сурьмы и 2,5 … 6,5% меди. Недорогим является свинцово-оловянно-сурьмяный бабит, свинец стандартный (65 … 75%), сорт BS6, BN, B16, 5-17% олово, 13-17% сурьмы, медь 3%, Свинцовые баббеты, содержащие более 80% свинца.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Монумент в честь покорителей космоса воздвигнут в Москве в 1964 г. Почти семь лет (1958 – 1964) ушло на проектирование и сооружение этого обелиска. Авторам пришлось решать не только архитектурно-художественные, но и технические задачи. Первой из них был выбор материалов, в том числе и облицовочных. После долгих экспериментов остановились на отполированных до блеска титановых листах.

Действительно, по многим характеристикам, и прежде всего по коррозионной стойкости, титан превосходит подавляющее большинство металлов и сплавов. Иногда титан называют вечным металлом.

Титан был впервые получен лишь в 1875 г. русским ученым Д. К. Кирилловым. Результаты этой работы опубликованы в его брошюре “Исследования над титаном”. Но работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Еще через 12 лет довольно чистый продукт — около 95 % титана — получили соотечественники Берцелиуса, известные химики Л. Нильсон и О. Петерсон.

Одной из основных “проблем”, которые пытались разрешить средневековые алхимики, было получение “философского камня”. Предполагалось, что он необходим для массового производства золота из “неблагородных” металлов [Беляев А. И. История магния. — М.: Наука, 1974, стр. 15].

Поиски велись в разных направлениях, но ни “камня философов”, ни “эликсира молодости” алхимики не нашли. Они делали много ошибок; некоторых из них современники уличали в ереси, но для будущей химической науки, особенно для техники лабораторного эксперимента, алхимики сделали немало.

В XVII в. начался новый период в истории химической науки. Именно в этот период произошло открытие, в значительной степени предвосхитившее открытие элемента магния.

В 1808 г. Хэмфри Дэви при электролизе слегка увлажненной белой магнезии с окисью ртути получил амальгаму нового металла, который вскоре был из нее выделен и назван магнием. Правда, магний, полученный Дэви, был загрязнен примесями; первый действительно чистый магний получен А. Бюсси в 1829 г. [Популярная библиотека химических элементов. —М.: Наука, 1977, стр. 145].

1. Свойства титана и его сплавов

1.1. Физико-механические свойства титана

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, холодостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.

Физико-механические свойства титана

Температура плавления Тпл, ° С

Коэффициент линейного расширения · 10–6, град–1

Теплопроводность, Вт/(м · град)

Предел прочности при растяжении в, МПа

Условный предел текучести 0,2, МПа

Удельная прочность ( в/ · g) · 10–3, км

Модуль нормальной упругости Е х 10–3, МПа

Модуль сдвига G х 10–3, МПа

Ударная вязкость KCU, Дж/см2

Титан имеет две полиморфные модификации: -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900° С. Температура полиморфного ↔ -превращения составляет 882° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается [Некрасов Б. В. Основы общей химии. — М.: Химия, 1967, стр. 56].

1.2. Титан и его сплавы

А вообще в титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия. Последние (в количестве 0,1. 0,2 %) повышают и без того высокую химическую стойкость титановых сплавов.

Прочность титана повышают и такие “легирующие добавки”, как азот и кислород. Но вместе с прочностью они повышают твердость и, главное, хрупкость титана, поэтому их содержание строжайше регламентируется: в сплав допускается не более 0,15 % кислорода и 0,05 % азота.

Несмотря на то, что титан дорог, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Вот характерный пример. Корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава — 600 рублей. Но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый — 10 лет. Прибавьте затраты на замену стальных реакторов, вынужденные простои оборудования — и станет очевидно, что применять дорогостоящий титан бывает выгоднее, чем сталь.

Значительные количества титана использует металлургия. Существуют сотни марок сталей и других сплавов, в состав которых титан входит как легирующая добавка. Его вводят для улучшения структуры металлов, увеличения прочности и коррозийной стойкости.

Некоторые ядерные реакции должны совершаться в почти абсолютной пустоте. Ртутными насосами разрежение может быть доведено до нескольких миллиардных долей атмосферы. Но этого недостаточно, а ртутные насосы на большее неспособны. Дальнейшая откачка воздуха осуществляется уже особыми титановыми насосами. Кроме того, для достижения еще большего разрежения по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан.

2. Свойства магния и его сплавов

2.1. Физико-химические и механические свойства магния

Магний — металл серебристо-белого цвета, один из самых распространенных элементов в земной коре. Магний кристаллизуется в решетку ГПУ с периодами a = 0,32 нм, с = 0,52 нм и не имеет аллотропических модификаций. Характеристики основных физико-химических и механических свойств приведены ниже.

Характеристики физико-химических и механических свойств магния

Плотность , (кг/м3) · 10–3 1,74

Температура плавления Тпл, °С 651

Температура кипения Ткип, °С 1107

Скрытая теплота плавления, Дж/г 393

Удельная теплоемкость (при 20–100 °С), Дж/(г·град) 1,03

Теплопроводность , Вт/(м град) 157

(при 20 °С), Ом мм2/м 0,047

Коэффициент линейного расширения , при 25° С, (1/град) 106 26

Временное сопротивление в, МПа:

в литом состоянии 118

в деформированном состоянии 196

Предел текучести, МПа:

в литом состоянии 30

в деформированном состоянии 88

в литом состоянии 30,0

в деформированном состоянии 36,0

в литом состоянии 8,0

в деформированном состоянии 12,0

Модуль упругости Е, МПа:

в литом состоянии 42000–44000

в деформированном состоянии 41000–43000

Магний — химически активный металл и легко окисляется. Оксидная пленка MgO не обладает высокими защитными свойствами и с повышением температуры скорость окисления быстро возрастает. При нагреве на воздухе до 623° С магний воспламеняется. Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов. Магниевая пыль, мелкая стружка самовозгораются при еще более низкой температуре. Поэтому отливки перед загрузкой в печь для их термообработки необходимо очищать от магниевой пыли, стружки и заусенцев [Самсонов Г. В., Перминов В. П. Магниды. — Киев: Наукова думка, 1971, стр. 35].

Литой магний имеет крупнокристаллическую структуру и низкие механические свойства: в = 110–120 МПа, 0,2 = 20–30 МПа, = 6–8 %, НВ 30. Низкая пластичность магния при нормальной температуре связана с особенностью решетки ГПУ, в которой скольжение происходит только по базисным плоскостям. Повышение температуры приводит к появлению новых плоскостей скольжения и двойникованию и, как следствие, к увеличению пластичности. Поэтому обработку давлением магния и его сплавов проводят при температуре 320–430° С в состоянии наибольшей пластичности.

2.2. Магний и его сплавы

Из-за низких механических свойств чистый магний как конструкционный материал не применяется. Он используется для производства магниевых сплавов, в пиротехнике, в химической промышленности, а также в металлургии в качестве раскислителя, восстановителя, модификатора и легирующего элемента.

Свойства магния значительно улучшаются при легировании. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Mn, Li. Для дополнительного легирования используют Zr, Cd, Ce, Nd и др. Механические свойства магниевых сплавов при температуре 20–25° С улучшаются с помощью легирования алюминием, цинком и цирконием, при повышенной температуре — добавкой церия, неодима и, особенно, тория. Цирконий и церий оказывают модифицирующее действие на структуру сплавов магния. Особенно эффективен цирконий: добавка 0,5–0,7 % Zr уменьшает размер зерна в 80–100 раз. Кроме того, Zr и Mn значительно уменьшают вредное влияние примесей железа и никеля на свойства сплавов.

Увеличение растворимости легирующих элементов в магнии с повышением температуры позволяет подвергать сплавы упрочняющей термической обработке: закалке и искусственному старению. Однако термическая обработка магниевых сплавов усложняется из-за весьма медленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16 – 30 ч) для растворения вторичных фаз и обеспечивает закалку при охлаждении на воздухе. Магниевые сплавы не склонны к естественному старению. При искусственном старении необходимы высокие температуры (до 200° С) и большие выдержки (до 16 – 24 ч).

Магниевые сплавы находят широкое применение. Авиация и реактивная техника, ядерные реакторы, детали моторов, баки для бензина и масла, приборы, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, масляные насосы, отбойные молотки, пневмобуры, фото и киноаппараты, бинокли — вот далеко не полный перечень областей применения магниевых сплавов [Тихонов В. Н. Аналитическая химия магния. — М.: Наука, 1973, стр. 65].

Благодаря высокой коррозионной стойкости титан и его сплавы широко используются в химической промышленности: теплообменники и выпарная аппаратура, реакторы, скрубберы, сушилки, разделительные колонны, емкости, насосы, прочее оборудование . Примерно 30 % титана расходуется на изготовление коммуникаций из титана, применяемых в химической промышленности, титан используется также в хлорном производстве.

Широкое применение титан находит в производстве искусственного волокна, красителей, азотной кислоты, синтетических жирных кислот, хлорированных углеводородов, кальцинированной соды, в хлорорганическом синтезе, во многих агрессивных средах.

Титан применяется в качестве элемента, повышающего твердость алюминиевых сплавов, и модификатора, позволяющего получать мелкозернистую структуру металла.

Добавки титана повышают качество чугуна и стали. Отдельно или с другими элементами титан применяется как раскислитель при производстве многих низколегированых и углеродистых сталей.

Титан часто называют металлом будущего. Факты, которыми уже сейчас располагают наука и техника, убеждают, что это не совсем так — титан уже стал металлом настоящего.

Магний — один из самых распространенных в земной коре элементов, он занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция.

Он используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационной и ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах, как восстановитель при магнийтермическом получении металлов (титана, циркония и т. п.), в производстве высокопрочного “магниевого” чугуна со включенным графитом. Другие соединения магния — окись, карбонат, сульфат и т. п. — совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных материалов.

Читайте также: