 |
Реклама. ООО ГК "Велунд Сталь Сибирь" ИНН 5405075282 Erid: 2SDnjf1Guop
| |
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТИТАНЕ
Титан как промышленный металл применяется давно. Он обладает рядом свойств, которые обусловливают его высокую конкурентную способность относительно других металлов.
Прочность титана не ниже прочности многих сталей, а вес составляет всего 30-40% их веса. Удовлетворительная прочность титановых сплавов сохраняется при температуре до 500°. Они отличаются высокой коррозионной стойкостью против воздействия морской воды, азотной кислоты, хлора и многих других реагентов.
Технически чистый титан не содержит легирующих добавок, кроме небольших количеств кислорода, азота и других загрязнений. Эти загрязнения при содержании в определенных пределах увеличивают прочность титана и делают его более пригодным для применения в конструкциях.
Имеется несколько марок технически чистого титана, которые различаются по содержанию остаточного кислорода и азота и вследствие этого имеют различную прочность и пластичность. Предел прочности технически чистого титана колеблется в интервале 42-54 кг/мм2, предел текучести составляет 35-49 кг/мм2, а удлинение - соответственно 30-15%. Сплавы титана, помимо остаточного кислорода и азота, содержат добавки других легирующих элементов таких, как углерод, водород, хром, молибден, марганец, алюминий, ванадий и др. Промышленные титановые сплавы характеризуются следующими механическими свойствами: предел прочности 84-126 кг/мм2, предел текучести 70-112 кг/мм2 и удлинение 20-5%.
Известны две кристаллические формы титана: а и в. Титан а характеризуется плотно упакованной гексагональной решеткой и сохраняется вплоть до 900°. При температуре выше 900° атомная решетка титана преобразуется в гранецентрированный куб. Эта форма титана называется титаном в.
Введение в титан легирующих элементов приводит к следующим результатам:
а) упрочняет металл вследствие образования твердого раствора;
б) может вызвать глубокие изменения в а-в - преобразованиях титана;
в) может привести к образованию соединений с титаном.
Все изученные до настоящего времени легирующие элементы в той или иной степени образуют с титаном твердые растворы.
При увеличении содержания легирующего элемента в твердом растворе прочность и твердость сплава возрастают и соответственно понижается пластичность.
Легирующие элементы внедрения - кислород, азот и углерод, находясь в твердом растворе, упрочняют сплав, сообщая последнему хрупкость; поэтому они допускаются в количестве, составляющем лишь десятые доли процента. Легирующие элементы замещения - алюминий, железо, марганец, хром, молибден и ванадий, образуя твердый раствор с титаном, также упрочняют сплав, но допустимое содержание этих элементов относительно велико. Их общее содержание может достигать 10-20%.
Кислород, азот и алюминий повышают температуру превращения, расширяя пределы а-области (фиг. 238). Этот эффект называется а-стабилизацией. При охлаждении а-стабилизированного сплава он переходит непосредственно в а-фазу как чистый титан. Скорость охлаждения не оказывает заметного влияния на прочность или пластичность а-сплавов.
Железо, марганец, молибден, хром и ванадий снижают темпе ратуру превращения и сохраняют часть или всю в-фазу при понижении температуры вплоть до комнатной (фиг. 239).
При весьма низких содержаниях этих легирующих элементов, т. е. до предела насыщения твердого раствора, сплав находится в а-фазе. При увеличении содержания легирующего элемента в сплаве появляется в-фаза, содержание которой растет вместе с ростом содержания легирующего элемента. Такие сплавы называются а-в-сплавами. При высоком содержании легирущего элемента сплав переходит в преобладающее в-состояние.
В полностью отожженном состоянии, т. е. после термической обработки, вызывающей максимально возможное превращение в в а-фазу, прочность а-в - сплавов монотонно увеличивается с ростом содержания легирующих элементов, а пластичность уменьшается (фиг. 240). Это состояние называется «стабилизированным» или «равновесным». В таком состоянии поставляется большинство титановых сплавов этого типа. При быстром охлаждении а - в-сплава с температуры выше температуры превращения фазовое превращение в в а задерживается и видоизменяется. Это вызывает упрочнение в области средних содержаний легирующих и может также вызвать резкое уменьшение пластичности (пунктирные линии на фиг. 240). Это упрочнение при превращениях в сплавах имеет несколько причин.
1. Быстрое охлаждение вызывает образование большого количества остаточной в-фазы, и так как эта фаза более прочная, весь сплав приобретает большую прочность.
2. Мартенситное превращение из в-фазы в видоизмененную а-фазу также сопровождается увеличением прочности и твердости.
3. При критических скоростях охлаждения в-фаза может упрочниться либо вследствие выпадения начальной а-фазы по границам зерен в-фазы, либо при подобном выпадении внутри зерен в-фазы, известном под названием твердения связи.
При более высоких содержаниях p-стабилизирующих элементов превращения титановых сплавов становятся более вялыми и сплавы менее чувствительными к термической обработке. Эти так называемые метастабильные сплавы все же могут приобрести хрупкость при медленном нагреве и охлаждении или при выдержке в области выпадения начальной а-фазы.
Стабильные р-сплавы не так чувствительны к термической обработке. Однако чтобы получить стабильный в-сплав, необходимо высокое содержание легирующего элемента, например, 35% молибдена. Легирующие элементы образуют с титаном не только твердые растворы, но и соединения. По существующим в настоящее время сведениям эти соединения снижают пластичность и вязкость сплава. Однако образование соединений за исключением титанового карбида и гидрида - очень вялый процесс.
С точки зрения металлургических характеристик имеется три типа титановых сплавов:
1. Однофазные а-сплавы. К ним относятся:
а) а-тип, включающий титан высокой частоты;
б) технически чистый титан;
в) титан, легированный только элементами а-стабилизации.
Эти однофазные а-сплавы обладают хорошей прочностью и пластичностью. Они не твердеют при охлаждении в области превращения.
2. Двухфазные а-в - сплавы. Это прочные сплавы, упрочняемые термической обработкой и склонные к хрупкости в результате превращений.
3- Однофазные в-сплавы. Некоторые из них имеют исключительно хорошее сочетание прочности и пластичности.
Химический состав некоторых сплавов титана приведен в табл. 97, а более подробно с информацией по каждой марке - марочник сплавов титан.
Механические свойства двух сплавов, предназначенных для сварных конструкций, приведены в табл. 98:
ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
В настоящее время в большинстве случаев сварке подвергается технически чистый титан, который характеризуется хорошей свариваемостью. При надлежащих условиях сварки соединения технически чистого титана имеют почти такую же прочность и пластичность, как и основной металл.
При сварке высокопрочных в и а-в - сплавов, швы выполняются легко, и прочность их хорошая, однако металл швов и околошовных зон очень хрупок. Предупреждение или устранение этой хрупкости является основной проблемой, стоящей перед специалистами по сварке.
Как было указано выше, при достаточно высоком содержании кислорода и азота в титане он становится хрупким. Для предупреждения хрупкости содержание кислорода и азота в титане не должно превышать соответственно 0,15 и 0,05%.
Содержание азота в количестве 0,1-0,2% сообщает металлу хрупкость, а содержание азота и кислорода в количестве по 0,25% каждого снижает его пластичность (фиг. 241). Водород и влага оказывают слабое влияние на пластичность металла шва.
Ввиду высокого сродства титана с кислородом, азотом и водородом применение для соединений титана кислородно-ацетиленовой, обычной дуговой, атомно-водородной, дуговой под флюсом и термитной сварки исключено.
Лучшим способом сварки титана и его сплавов и, повидимому, единственным, при котором шов защищен от поглощения кислорода и азота, является дуговая электросварка в инертной атмосфере. .
При сварке титана и его сплавов необходимо соблюдать следующие общие правила:
а) титановые сплавы и присадочная проволока не должны содержать большого количества углерода, кислорода и азота;
б) поверхность металла и присадочной проволоки должна быть очищена и свободна от загрязнений, образовавшихся в процессе предыдущей горячей обработки;
в) расплавленный металл сварочной ванны и соседний разогретый металл должны быть продолжительное время защищены от воздуха;
г) обратная сторона сварного соединения также должна быть полностью защищена от воздействия воздуха;
д) защитная атмосфера должна быть свободна от примесей азота, кислорода, водяного пара и углеводородных газов;
е) следует избегать скопления сварных швов.
ТЕХНИКА СВАРКИ ТИТАНА В ИНЕРТНОЙ АТМОСФЕРЕ
Для сварки титана более целесообразно применять правый способ сварки. Рекомендуется конструкция разделок, показанная на фиг. 242.
Многослойные швы следует сваривать с разделками, представленными на фиг. 242, б.
При сварке стыковых соединений подрубают корень шва на глубину 1-1,5 мм и заваривают его с образованием усиления; сварка производится с присадочным материалом.
Подкладки для защиты обратной стороны сварных соединений должны снабжаться канавками шириной 6,5 мм и глубиной 0,25 мм.
ГАЗОВАЯ ЗАЩИТА ПРИ АРД/TIG СВАРКЕ ТИТАНА
Для защиты металла при ручной сварке титана более рационален аргон, а для механизированной - гелий, так как он обеспечивает большую скорость сварки. Газовая защита должна быть обеспечена с лицевой и обратной стороны шва. Особые меры должны быть предприняты для защиты застывающего, но еще горячего металла шва позади перемещающейся горелки. Относительная влажность аргона и гелия для сварки технически чистого титана должна быть ниже 5%. Содержание азота, кислорода и влажного воздуха допускается менее 0,25% (по объему) каждого. Водород в гелии не так вредно сказывается на результатах сварки титана, поэтому его содержание может составлять 1 % и даже более. Эти данные основываются на результатах испытаний сварных соединений, сваренных вручную и на автоматах (табл. 99 и 100). Весьма целесообразно производить сварку титана и его сплавов в закрытой камере, заполненной инертным газом с подачей в горелку сухого и чистого гелия.
 
О загрязнениях гелия можно судить по внешнему виду сварных швов на титане в соответствии с данными, приведенными ниже.
РОД ТОКА, ЭЛЕКТРОДЫ И ПРИСАДОЧНАЯ ПРОВОЛОКА
Для сварки титана и его сплавов наиболее целесообразен постоянный ток прямой полярности. Электроды применяются торированные. Присадочным материалом служит проволока или полоски, нарезанные из основного металла. Некоторые из а-в - сплавов можно сваривать, Получая пластичные швы при использовании присадочной проволоки из технически чистого титана.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНА-
В сплавах титана, содержащих в-стабилизирующий элемент Мn в количестве 8%, при охлаждении с температуры выше 900° в условиях, близких к равновесным, происходит превращение (согласно фиг. 239) структуры р в устойчивую а - в-структуру. Но при сварке вся в-структура сохраняется и при комнатной температуре. Сплав с этой неустойчивой структурой отличается твердостью и хрупкостью. Для устранения последней должны быть приняты меры для получения устойчивой а - в-структуры. К таким мерам относится термическая обработка сварных соединений в соответствии с диаграммой изотермического превращения указанных сплавов (фиг. 243).
Согласно этой диаграмме нагрев выше температуры растворения в-фазы, закалка в область 3 и изотермический нагрев из области 3 в область 4 должны привести к превращению закаленной в-фазы шва в а - в-фазу. Медленное, продолжительное охлаждение из области 1 также должно привести к полному превращению при условии, что будет достигнута подходящая скорость охлаждения. В результате проверки ряда режимов термической обработки (табл. 101) была уточнена диаграмма изотермического превращения (фиг. 244) и выбрана следующая термическая обработка а) нагрев в атмосфере аргона при 835° в течение 4-4,5 мин., б) охлаждение с печью до комнатной температуры.
/
Термическая обработка, применяемая для снятия напряжений, не отражается заметно на прочности сварных соединений.
СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Сварные соединения ряда титановых сплавов, данные для которых приведены в табл. 102, сваривались в защитной атмосфере гелия при постоянном токе прямой полярности вольфрамовым торированным электродом.
Режим сварки: ток 140-155, а, напряжение на дуге 18-23 в, расход гелия 8 л/мин в горелку и 1 л/мин для защиты обратной стороны шва, диаметр электрода 2,5 мм. При сварке подогрев не производился. Для снятия напряжений с целью предупреждения горячих трещин после сварки производился нагрев до 600° в течение 1 часа.
После сварки с лицевой стороны и вырубки канавки глубиной 0,8-1,6 мм с обратной стороны накладывали с помощью присадки подварочный валик с усилением.
Данные химического анализа (табл. 102) и механических испытаний (табл. 103) показывают следующее:
а) содержание азота в металле шва выше, чем в основном металле;
б) тем не менее сварные соединения в состоянии «после сварки», за исключением пластичности, обладают удовлетворительными механическими свойствами;
в) заметное повышение пластичности достигается термообработкой сварных соединений.
 
Результаты испытаний на усталость (фиг. 245) показали, что предел выносливости сварных образцов благодаря упрочнению, вызванному абсорбцией кислорода на поверхности сварного образца, выше, чем у образцов из основного металла.
| 
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ