Титан и его сплавы. 4

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НИУ «БелГУ»)

 

ФАКУЛЬТЕТ БИЗНЕСА И СЕРВИСА

 

КАФЕДРА ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИИ (В ГОРОДСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Титан и его сплавы

Реферат

студентки заочного отделения 2 курса группы 171150

Перемышлевой  Анны Евгеньевны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            Проверила

к.ф.м.н, доцент

Ткаченко Г.И.

 

 

 

                                                      Белгород-2012

 

 

 

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………...3

1.Запасы титано – магниевых руд………..……………..…………………4

2. Физические и химические свойства титана…..……………….….……..6

Физические свойства…………………………………………………….…..6

Химические свойства………………………………………………………..6

3. Титан и его сплавы …..………………………………………….....…….8

4. Области применения  титана………………………………………….…10

Заключение………………………………………………………………….14

Список литературы…………………………………………………………15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Металлургия цветных  металлов является ведущим звеном отечественной цветной металлургии. На долю цветных металлов в РФ приходится значительная часть валовой продукции отрасли.

Значение цветных металлов из года в год возрастает, особенно в связи с бурным развитием энергетики, электроники, машиностроения, авиационной, космической и атомной техники. Дальнейшее развитие и технический уровень производств, связанных с цветной металлургией, во многом определяют технический прогресс многих отраслей народного хозяйства нашей страны, в том числе микропроцессорной техники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запасы титано-магниевых руд

Большинство месторождений полезных ископаемых РФ — низкого качества, содержание полезных компонентов в них на 35-50 % ниже среднемировых, кроме того, в ряде случаев они труднодоступны (отдаленность, отсутствие транспорта, тяжелые климатические условия). В результате, несмотря на наличие значительных разведанных запасов, степень их промышленного освоения (доля запасов в эксплуатации) достаточно низкая: для бокситов — 32,6 %; нефелиновых руд — 55,4 %; меди — 49 %; цинка — 16,6 % ; олова — 42 %; молибдена — 31,5 %; свинца — 8,8 %; титана — 1,3 %; ртути — 5,9 %.

Магниевое сырье (магнезит, доломит, карналлит и др.) широко распространено на Урале, в Восточной Сибири и в других районах.

Месторождения титановых руд (титано-магнетиты и ильмениты) имеются на Урале, Кольском полуострове и Западной Сибири. В Западно – Сибирском экономическом районе основные месторождения титано – циркониевых руд сосредоточены в Томской области.

В РФ их подразделяют на две группы — коренные и россыпные. Коренные месторождения характеризуются невысоким содержанием диоксида титана, значительно меньше, чем в Канаде и Норвегии. Россыпи имеют более низкие, чем их мировые аналоги, концентрации ильменита, рутила, циркона, худшие геолого-экономические и горнотехнические условия. Добывают руды главным образом из древних (погребенных) прибрежно-морских, а также аллювиальных и аллювиально-делювиальных россыпей ильменита и др. титаносодержащих минералов неогена, палеогена, мезозоя и палеозоя. Они распространены на Восточно-Европейской платформе, Урале, в Зап. и Вост. Сибири, в Забайкалье. Перспективны метаморфогенные россыпи Башкирского антиклинория, обогащенные ильменитом и цирконом. К магматическим принадлежит Кусинская группа месторождений ильменит-магнетитовых и ильменит-титаномагнетитовых руд на Южном Урале (Копанское, Медведевское, Маткальское и др.). К этому же типу относятся Пудожгирское (Карелия), Елеть-Озеро (Кольский п-ров), Кручининское (Забайкалье), Лисанское и Малотагульское (Восточные Саяны) месторождения. Метаморфические залежи известны в древних кристаллических сланцах на Среднем (Кузнечихинское) и Южном (Шубинское) Урале.

Основу минерально-сырьевой базы титана России составляют россыпные месторождения комплексных ильменит-рутил-циркониевых песков (Центральное, Лукояновское, Бешпагирское, Туганское, Тарское, Георгиевское), ильменитовых песков (Тулунское, Катенское, Николаевское), лейкоксеновых песчаников (Ярегское), ильменит-титаномагнетитовых песков (россыпи бассейна р. Ай на Урале, Ручарзкое, Рейдовское, Халактирское, Озерновское), ильменит-рутил-фосфатных песков (Унечское). Коренными источниками титанового сырья являются месторождения апатит-ильменитовых руд (Гремяха-Вирмес, Большой Сеим), титаномагнетита-ильменитовых (Медведевское, Кручининское, Харловское, Чинейское), титаномагнетитовых (Пудожгирское, Пидлисанское) и лопаритових руд (Ловозерское). Значительные запасы титана сосредоточены в сфенитах хибинских апатитовых месторождений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физические  и химические свойства титана

Физические свойства

Титан - легкий серебристо-белый  металл. Существует в двух кристаллических  модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 Å; с=4,679 Å); z=2; пространственная группа  C6mmc), β-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой (a=3,269 Å; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода α↔β 883 °C, ΔH перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1660±20 °C, точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³, атомная плотность 5,71×1022 ат/см³. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Удельное сопротивление 0,42 мкОм*м при 20 °C

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре  покрывается защитной пассивирующей  плёнкой оксида TiO2, благодаря этому  коррозионностоек в большинстве  сред (кроме щелочной).

Титановая пыль имеет  свойство взрываться. Температура вспышки 400 °C.

 

Химические свойства

 

Устойчив к  коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или  проволоке титан пирофорен.

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4.

Легко реагирует  даже со слабыми кислотами в присутствии  комплексообразователей, например, с  плавиковой кислотой HF он взаимодействует  благодаря образованию комплексного аниона  [TiF6]2−.

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается с  образованием оксидных фаз переменного  состава TiOx. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)2·xH2O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO2. Гидроксид TiO(OH)2·xH2O и диоксид TiO2 амфотерны. взаимодействует с серной кислотой при длительном кипячении. При сплавлении с содой  Na2CO3 или поташом K2CO3 оксид TiO2 образует титанат: +K2CO3=K2TiO3+CO2.

 

При нагревании Ti взаимодействует с галогенами. Тетрахлорид титана TiCl4 при обычных условиях - бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется сильным гидролизом TiCl4 содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана

Восстановлением TiCl4 водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl3 и TiCl2 - твёрдые вещества с сильно восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br2 и I2.

С азотом N2 выше 400 °C титан образует нитрид TiNx(x=0,58-1,00). При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана TiCx (x=0,49-1,00).

При нагревании Ti поглощает H2 с образованием соединения переменного состава TiHх (x=1,0). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H2. Титан образует сплавы со многими металлами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сплавы на основе титана

 

Титан - твердый металл: он в 12 раз тверже 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:

·низкотемпературную модификацию a -Ti, устойчивую до 882°С, (ГП - решетка а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)

·высокотемпературную b -Ti, устойчивую выше 882оС (ОЦК решетка а= 0,332 нм).

На механические свойства титана значительно влияют 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.

 

t, оС	+20	-70	-196
s В, МПа	600-700	800...900	1000...1200
d, %	20-30	10-5	3-10

 

Сплавы на основе титана

Для получения сплавов  титан легируют Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zr, Nb. Титан легируют для улучшения механических свойств, реже - для повышения коррозионной стойкости. Удельная прочность (sв/r) титановых сплавов выше, чем легированных сталей.

Все легирующие элементы по влиянию на полиморфизм титана подразделяются на три группы:

a -стабилизаторы - элементы, повышающие Тпп титана (Рис. 5.13 а). Из металлов к числу a -стабилизаторов относятся Al, Ga, In, из неметаллов - C, N, O.

b -стабилизаторы -элементы, понижающие Тпп титана. Их можно  разбить на три подгруппы. В  сплавах титана с элементами 1 подгруппы при достаточно низкой температуре происходит эвтектоидный распад b -фазы b à a +g (Рис. 5.13 б); к их числу относятся Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, называемые эвтектоидообразующими b -стабилизаторами.

 

а

б

в

Рисунок 1. Влияние легирующих элементов на температуру полиморфного превращения титана

 

В сплавах титана с  элементами 2 подгруппы b -раствор сохраняется  до комнатной температуры. К числу  этих элементов принадлежат V, Mo, Nb, Ta. Поскольку они образуют непрерывные  твердые растворы с b -титаном, их назвали изоморфными b - стабилизаторами.

В сплавах 3 подгруппы  равновесная b - фаза также стабилизируется  при комнатной температуре, но непрерывных  твердых b - растворов не образуется. К элементам этой подгруппы относятся Re, Ru, родий Rh, осмий, иридий, которые в области, богатой титаном, дают с ним такую же диаграмму состояния, как и изоморфные b -стабилизаторы. Их можно назвать квазиизоморфными b - стабилизаторами.

Третья группа представлена легирующими элементами, мало влияющими  на Тпп титана. Это олово, цирконий, германий, гафний и торий, которые  называют нейтральными упрочнителями.

Почти все промышленные титановые сплавы содержат алюминий.

 

 

 

 

 

Области применения титана

 

При существующих высоких  ценах на титан его применяют  преимущественно для производства военного оборудования, где главная  роль принадлежит не стоимости, а  техническим характеристикам. Тем  не менее известны случаи использования  уникальных свойств титана для гражданских нужд. По мере снижения цен на титан и роста его производства применение этого металла в военных и гражданских целях будет все больше расширяться.

Авиация. Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность. С другой стороны, титан обладает явным преимуществом в отношении прочности при температуре до 430° С, а повышенные температуры такого порядка возникают при больших скоростях благодаря аэродинамическому нагреванию. Преимущество замены стали титаном в авиации заключается в снижении веса без потери прочности. Общее снижение веса с повышением показателей при повышенных температурах позволяет увеличить полезную нагрузку, дальность действия и маневренность самолетов. Этим объясняются усилия, направленные на расширение применения титана в самолетостроении при производстве двигателей, постройке фюзеляжей, изготовлении обшивки и даже крепежных деталей.

При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно  для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. Экономия в весе двигателя в один килограмм позволяет сберегать до 10 кг в общем весе самолета благодаря облегчению фюзеляжа. В дальнейшем намечено применять листовой титан для изготовления кожухов камер сгорания двигателя.

В конструкции самолета титан находит широкое применение для деталей фюзеляжа, работающих при повышенных температурах. Листовой титан применяется для изготовления всевозможных кожухов, защитных оболочек кабелей и направляющих для снарядов. Из листов легированного титана изготовляются различные элементы жесткости, шпангоуты фюзеляжа, нервюры и т. д.

Кожухи, закрылки, защитные оболочки для кабелей и направляющие для снарядов изготовляются из нелегированного титана. Легированный титан применяется для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов и противопожарных перегородок.

Титан получает все большее  применение при постройке самолетов F-86 и F-100. В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.

Титан можно применять  для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.

В настоящее время  титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.

Применяется титан и  при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых  сплавов и нержавеющей стали  титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.

Применение титана позволяет  уменьшить вес геликоптеров. Листовой титан используется для полов  и дверей. Значительное снижение веса геликоптера (около 30 кг) было достигнуто в результате замены легированной стали  титаном для обшивки лопастей его несущих винтов.

Военно-морской флот. Коррозионная стойкость титана и  его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Военно-морское  министерство США обстоятельно исследует  коррозионную стойкость титана против воздействия дымовых газов, пара, масла и морской воды. Почти такое же значение в военно-морском деле имеет и высокое значение удельной прочности титана.

Малый удельный вес металла  в сочетании с коррозионной стойкостью повышает маневренность и дальность  действия кораблей, а также снижает  расходы по уходу за материальной частью и ее ремонту.

Применение титана в  военно-морском деле включает изготовление выхлопных глушителей для дизельных  двигателей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников. По мнению специалистов, титан, как никакой другой металл, способен увеличить срок службы выхлопных глушителей на подводных лодках. Применительно к дискам измерительных приборов, работающих в условиях соприкосновения с соленой водой, бензином или маслом, титан обеспечит лучшую стойкость. Исследуется возможность применения титана для изготовления труб теплообменников, которые должны обладать коррозионной стойкостью в морской воде, омывающей трубы снаружи, и одновременно противостоять воздействию выхлопного конденсата, протекающего внутри них. Рассматривается возможность изготовления из титана антенн и узлов радиолокационных установок, от которых требуется стойкость к воздействию дымовых газов и морской воды. Титан может найти применение и для производства таких деталей, как клапаны, пропеллеры, детали турбин и т. д.

Артиллерия. По-видимому, наиболее крупным потенциальным  потребителем титана может явиться  артиллерия, где в настоящее время  ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Тем  не менее в этой области стандартизовано производство лишь отдельных деталей и частей из титана. Весьма ограниченное использование титана в артиллерии при большом размахе исследований объясняется его высокой стоимостью.

Были исследованы различные  детали артиллерийского оборудования с точки зрения возможности замены титаном обычных материалов при условии снижения цен на титан. Главное внимание уделялось деталям, для которых существенно снижение веса (детали, переносимые вручную и перевозимые по воздуху).

Опорная плита миномета, изготовленная из титана вместо стали. Путем такой замены и после некоторой переделки вместо стальной плиты из двух половинок общим весом 22 кг удалось создать одну деталь весом 11 кг. Благодаря такой замене можно уменьшить число обслуживающего персонала с трех человек до двух. Рассматривается возможность применения титана для изготовления орудийных пламегасителей.

Проходят испытания  изготовленные из титана орудийные  станки, крестовины лафетов и цилиндры противооткатных приспособлений. Широкое применение титан может получить при производстве управляемых снарядов и ракет.

Проведенные первые исследования титана и его сплавов показали возможность изготовления из них  броневых плит. Замена стальной брони (толщиной 12,7 мм) титановой броней одинаковой снарядостойкости (толщиной 16 мм) позволяет получить, по данным этих исследований, экономию в весе до 25%.

Сплавы титана повышенного  качества позволяют надеяться на возможность замены стальных плит титановыми равной толщины, что дает экономию в  весе до 44%. Промышленное применение титана позволит обеспечить большую маневренность, увеличит дальность перевозки и долговечность орудия. Современный уровень развития воздушного транспорта делает очевидными преимущества легких броневиков и других машин из титана. Артиллерийское ведомство намерено снарядить в будущем пехоту касками, штыками, гранатометами и ручными огнеметами, сделанными из титана. Первое применение в артиллерии титановый сплав получил для изготовления поршня некоторых автоматических орудий.

Транспорт. Многие из тех выгод, которые сулит использование титана при производстве бронетанковой материальной части, относятся и к транспортным средствам.

Замена конструкционных  материалов, потребляемых в настоящее  время предприятиями транспортного  машиностроения, титаном должна привести к снижению расхода топлива, росту полезной грузоподъемности, повышению предела усталости деталей кривошипно-шатунных механизмов и т. п. На железных дорогах исключительно важно снизить мертвый груз. Существенное уменьшение общего веса подвижного состава за счет применения титана позволит сэкономить в тяге, уменьшить габариты шеек и букс.

Важное значение вес  имеет и для прицепных автотранспортных средств. Здесь замена стали титаном  при производстве осей и колес  также позволила бы увеличить полезную грузоподъемность.

Все эти возможности  можно было бы реализовать при  снижении цены титана с 15 до 2—3 долларов за фунт титановых полуфабрикатов.

В области хирургии титан  оказался лучше виталлиума и нержавеющих  сталей. Присутствие титана в организме вполне допустимо. Пластинка и винты из титана для крепления костей находились в организме животного несколько месяцев, причем имело место прорастание кости в нитки резьбы винтов и в отверстие пластинки.

Преимущество титана заключается также в том, что на пластине образуется мышечная ткань.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Подводя итоги, можно  сделать следующий вывод: в настоящее  время цветные металлы и сплавы на их основе находят весьма широкое  применение. Наибольшее применение получили сплавы на основе меди, алюминия, магния. Указанные металлы в чистом виде в промышленности не применяют, но технически чистые, содержащие небольшое количество примесей, используют достаточно часто.

Титан - малопрочный серебристо-серый  металл. В чистом виде в технике  не применяется. Введение в титан различных компонентов позволяет получать требуемые свойства сплавов.

Применяют также литейные титановые сплавы, обеспечивающие высокую  плотность отливок. Эти сплавы дают малую линейную усадку, не подвержены образованию трещин в горячем состоянии, что позволяет изготовлять отливки сложной формы.

Плавка и разливка титановых сплавов производится в защитной атмосфере и вакууме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Моряков, О.С. Материаловедение / О.С. Моряков. – М.: Академия, 2010. – 240 с.
2. Стуканов, В.А. Материаловедение / В.А. Стуканов. – М.: Инфра – М, 2010. – 368 с.
3. Черепахин А.А. Материаловедение / А.А. Черепахин. – М.: Академия, 2011. – 256 с.
4. Чернышов, Е.А. Литейные сплавы и их зарубежные аналоги / Е.А. Чернышов. – М.: Машиностроение, 2006. – 336 с.
5. Бокштейн, Б.З. Строение и свойства металлических сплавов / Б.З. Бокштейн. – М.: Металлургия, 1971. – 496 с.