Справочные материалы по титану
Чернецов В.И.
Судпромгиз, 1956 г.
4. Технологические свойства титана
Поглощение газов при повышенных температурах
Технологические свойства титана, как и свойства механические, определяются степенью чистоты металла и прежде всего содержанием в нем кислорода, водорода, углерода, На воздухе при нормальной
температуре +20°С титан устойчив. При температуре 320°С титан абсорбирует водород.
До температуры 600°С поверхностная пленка окисла металла защищает его от окисления. Поэтому можно на короткое время нагревать титан до 750°С. Значительного окисления при этом не будет.
С наступлением температуры аллотропического превращения (882°) начинается процесс заметного проникновения кислорода вглубь металла. Так, при температуре 926° в течение 1 часа кислород проникает в металл на глубину 0,26 мм, при температуре 1040° — на глубину 1,25 мм [5].
Окислы, нитриды и карбиды титана не могут быть удалены из металла ни одним из известных в настоящее время способов. Основная задача при всех технологических операциях состоит в том, чтобы металл не насыщался газами, ибо только при этом условии можно сохранить изделиям из титана необходимые пластические и прочностные свойства и обеспечить надежность работы конструкции в целом.
Технически чистый титан поставляется в настоящее время промышленностью в виде разнообразных поковок, листов, полос, труб от 5 до 100 мм с различной толщиной стенок и т. п. При использовании титана применяются все виды холодной и горячей обработки давлением, а также обработка резанием. Титан легко поддается ковке, прокатке, штамповке и другим обычным методам горячей обработки.
Поведение титана при различных видах горячей а холодной обработки
Ковка и горячая штамповка
Полученные в дуговой печи слитки после обдирки на токарном станке без особых затруднений поддаются ковке при температуре 800—900°С. Слитки под ковку нагреваются в обычных муфельных газовых или электрических печах. Пламя не должно непосредственно касаться заготовки.
Окалину с пода необходимо регулярно очищать, чтобы избежать реакции титана с ней. Рекомендуется укладывать на под листы из нержавеющей стали. Атмосфера в печи должна быть нейтральной и сухой, так как пары воды вызывают появление водородной хрупкости. Надо избегать нагрева материала выше температуры 950 С для предотвращения чрезмерного окисления.
Хотя при 700—1000°С титан поглощает также и азот, однако диффузия кислорода при этих температурах идет быстрее, чем азота, поэтому главную опасность для ковки представляет кислород. Очевидно, ухудшение ковкости будет происходить в тонких сечениях быстрее, чем в толстых. Поэтому гонкая проволока, покрытая слоем окислов, может разрываться при волочении даже с нагревом до 750°С. Ковку можно производить под пневматическими и паровыми молотами, гидравлическими фрикционными или кривошипными прессами. Разрешается ковка в несколько выносов.
Титан можно штамповать в горячем и холодном состоянии. Нагрев заготовки под горячую штамповку осуществляется в тех же интервалах температур, что и под ковку, и может производиться в печах, методом электросопротивления, а также токами высокой частоты. Для обеспечения свободного течения металла штампы для титана следует изготовлять с большими радиусами закругления, чем штампы для стали.
Рекомендуется [7] для изготовления деталей из титана штампы делать с уклоном на 3° больше, чем аналогичные штампы для изготовления деталей из стали. Отделка поверхностей штампа требует большей тщательности. Особое внимание надо обращать на чистоту ручьев штампа.
Штамповку можно производить как на прессах, так и молотами. Имеются сведения [7], что штамповки, полученные на прессах, имеют более высокие пределы текучести и пределы прочности, чем штамповки, сделанные молотами.
В качестве смазки при штамповке рекомендуется смесь графита с салом. Удаление заусениц производится так же, как на стали, в горячем и холодном состоянии. Кромки штамповок в обоих случаях получаются чистыми.
После штамповки металл рекомендуется отжигать при 650 — 700°С.
При температуре 850—900° легко происходит операция выдавливания титана на прессе с получением цельнотянутых труб и других изделий.
Листовая штамповка, гибка, резка
Технически чистый титан поддается без больших затруднений гибке, вытягиванию и другим подобным операциям.
Титан обладает такой же способностью к глубокой вытяжке, как и дюралюминий марки Д16М. Скорость вытяжки титана должна быть ниже, чем при вытяжке стали. Штампы для листовой штамповки титана следует изготовлять с большими радиусами закругления, чем штампы под алюминиевые сплавы и сталь.
Рекомендуется [7] радиус закругления матриц брать равным 87" (/'—толщина вытягиваемого листа).
Для обеспечения листовой вытяжки рекомендуется перед штамповкой покрыть листы лаком ХВЛ-21 (ТУ МХП 2497-51), после чего можно применять обычные смазки.
Титан обладает способностью к наклепу, поэтому холодная штамповка должна производиться в несколько переходов, при этом необходимо заготовку периодически отжигать. Операции листовой штамповки титана, в отличие от малоуглеродистых сталей, выполняются при более высоких давлениях и более низких скоростях пресса.
Листовой титан толщиной 0,6—3,5 мм легко гнется при комнатной температуре. Листы толщиной 4,5 мм и прутки размерами от 12,5X12,5 до 75ХЮ0 мм необходимо гнуть в горячем состоянии. Трубы диаметром от 12,5 до 20 мм можно гнуть в холодном состоянии с применением тех же радиусов изгиба, которые применяются при гибке труб из отожженной нержавеющей стали. Для горячей гибки листов, труб, прутков необходимо доводить температуру нагрева заготовок примерно до 600—700°С.
Листовой титан можно резать обычными механическими ножницами, предназначенными для резки стальных листов, причем кромки листов получаются чистыми и ровными. Сложные очертания получаются без особых затруднений на дисковых или перфораторных ножницах.
Вырубка и прокол отверстий производятся на обычных дыропробивных прессах.
Прокатка
В холодном состоянии титан может выдерживать обжатие до 95%. При холодной прокатке титан быстро наклёпывается, отчего для дальнейшей обработки необходимо отжигать металл. Кратковременный нагрев на воздухе до 650°С дает возможность восстановить у титана способность к удлинению, достаточную для продолжения холодной обработки давлением. При нагревании болванок титана под прокатку в нагревательных печах при наличии большого количества железной окалины на поду печи возможно загорание болванок.
Очистка и отделка
Перед горячей и холодной обработкой давлением поверхность заготовок должна быть очищена от окалины, непроплавленной губки на поверхности слитков и других дефектов. Очистку можно производить механическим или химическим путем. Если толщина окисной пленки невелика, ее удаляют обдувкой песком, дробью или с помощью абразивов. Непроплавы губки удаляются абразивным кругом или обдиркой на токарном станке. Если толщина окисной пленки большая, ее удаляют струей песка с последующим травлением.
Отжиг
При обработке давлением часто приходится производить отжиг для снятия внутренних напряжений наклепанного материала. Как следует из приведенных на рис. 18 [12] кривых, для снятия внутренних напряжений необходимо производить отжиг при температуре 370—565°, а полный отжиг — при температуре около 650°С. Время выдержки при указанных температурах должно быть примерно 30 мин. на каждые 25 мм толщины.
Если требуется межоперационный отжиг, то рекомендуется последующее медленное охлаждение.
Литье титана
В расплавленном состоянии титан активно соединяется со всеми огнеупорными материалами, обычно применяемыми в литейном деле. Этим и объясняется трудность получения отливок из титана. Поэтому заливать титан возможно только в формы, изготовленные из специального формовочного материала. Формы изготовляются обычными методами по деревянным, металлическим или выплавляемым моделям.
Отливки из титана в этом случае имеют удовлетворительную поверхность.
По литейным качествам — способности заполнять форму, склонности к образованию горячих трещин, характеру кристаллизации — технически чистый титан является вполне удовлетворительным материалом и близок в этом отношении к обычной углеродистой стали.
Свариваемость титана и соединение его пайкой Сварка
Титан хорошо сваривается. Технология сварки титана отличается от технологии сварки стали.
Главное при сварке титана — уберечь металл от соединения с кислородом, азотом и водородом. В расплавленном состоянии титан жадно поглощает эти газы, что понижает пластичность металла. Поэтому сварку титана производят в среде инертных газов — аргона или смеси аргона с гелием.
При изготовлении изделий из титана применяют следующие методы сварки:
1)аргоно-дуговую сварку плавящимся электродом,
2)аргоно-дуговую сварку неплавящимся вольфрамовым электродом,
3)автоматическую сварку под слоем флюса,
4)контактную стыковую сварку оплавлением,
5)контактную сварку точками и швом.
Ручная аргоно-дуговая сварка, как правило, ведется обычными сварочными машинами постоянного тока при прямой полярности (минус на вольфрамовом электроде).
Обратная сторона свариваемого металла, как и зона шва, должна быть защищена от действия воздуха. При сварке тонких листов под шов устанавливают медные подкладки. Можно устанавливать и стальные подкладки с канавкой под стыком шва для поддува инертным газом с обратной стороны шва. Для более толстых листов необходимо подавать защитный газ не только в зону сварки, но и с обратной стороны. Подачу защитного газа можно прекратить только тогда, когда температура шва опустится ниже 400°С. Применяется химически чистый аргон, содержание всех примесей в котором не должно превышать