Ковка титана в домашних условиях

Ковка титана и татановых сплавов ОСТВ5Р 9325, ОСТ1 90107-73, ОСТ1 90000-70

Метод КОВКИ ЗАГОТОВКИ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА (ПТ3-В, 3М, ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-0, ВТ1-0, ВТ6, ВТ5, ВТ8, ВТ9) И ЗАГОТОВКИ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ КОВКИ.

Этот метод призводства относится к области металлургии, а именно к способам ковки титановых сплавов и заготовкам, пригодным для ковки. Рассмотрим способ ковки заготовки из титанового сплава ПТ3В и заготовка из титанового сплава для ковки. Способ включает подготовку титана заготовки и ее ковку, при этом ковку заготовки ведут с обеспечением коэффициента механического упрочнения, равного 1,2 или менее, и разницы твердостей между центральной по толщине и близкой к поверхности зоны 60 или менее по шкале Викерса, при этом коэффициент механического упрочнения определяется как Hv(def)/Hv(ini), где Hv(ini) — твердость заготовки из титанового сплава перед ковкой, Hv(def) — твердость заготовки из титанового сплава при уковке 20%. Ковку титанового сплава можно проводить при скорости деформации от 2× 10 -4 с -1 до 1 с -1 , при одновременном сохранении соотношения (Т-400)° С Тm 900° С и 400° С Td 700° С, где Т (° С) — температура -фазового перехода титанового сплава, Тm (° С) — температура обрабатываемой заготовки, Td (° С) — температура штампа. Титановая Заготовка имеет коэффициент механического упрочнения 1, 2 или менее. Технический результат — это разработка способов ковки заготовок из титановых сплавов с целью получения наименьшего различия свойств материала. Это потребует меньшей окончательной обработки поверхности титановой заготовки после ковки, что обеспечит низкую чувствительность материала заготовки из титана к образованию трещин. Так же мы получим отличную обрабатываемость и благоприятные пластичность и усталостные свойства.

Данный метод относится к способу ковки заготовки из титанового сплава, а также к заготовке из титанового сплава для ковки. Благодаря отличным свойствам титан и титановые сплавы широко используются в химической промышленности, теплообменниках, самолетостроении и кораблестроении. Титановый сплав ВТ и ПТ имеет легкий вес и очень прочный, благодаря этому титановый сплав этого типа широко используется в различных областях техники. Но в целом все титановые сплавы имеют высокую чувствительность к образованию трещин. Сопротивление горячей деформации титановых сплавов также относительно высоко в диапазоне низких температур, именно поэтому необходимо работать с титановыми сплавами в диапазоне высоких температур. В рабочем процессе при ковке титана имеется несколько технических проблем: окисление поверхности и увеличение зерен в диапазоне более высоких температур, образование трещин, обусловленное хрупкостью -оболочки при понижении температуры. Интервал обработки титанового сплава является очень маленьким. В случае применения обычного процесса ковки титана в результе микроструктура отличается в зоне вблизи поверхности, где падение температуры вызывается контактом со штампом, и в средней по толщине части, где температура уменьшается медленно или температура повышается за счет адиабатического нагревания. Помимо этого, вблизи верхнего слоя работа в диапазоне низких температур часто приводит к образованию удлиненной микроструктуры, и работа внутри диапазона низких температур приводит к увеличению твердости, что приводит к ухудшению механических свойств и трудностей при механической обработе титана. С точки зрения технологического процесса изготовления многократное нагревание и повторная ковка являются неизбежными из-за узкого интервала обработки титана. К тому же ухудшение пластичности и усталостные свойства, также является проблемой, усложняющей процесс ковки титана. В случае сложной формы кованого изделия из титановых сплавов число повторных циклов нагревания и ковки должно быть ограничено. На основании выше сказанного можно сделать вывод, что узкий интервал обработки и необходимость шлифования после ковки приводит к повышению стоимости конечной продукции. В соответствии с этим изготовление титановых изделий связано с большой стоимостью выполняемых работ дополнительно к высокой стоимости материала.

Возможность использования в промышленных целях исключительных механических, физических и химических свойств титана, о которых говорилось, связана с его способностью подвергаться ковке, прокатке, прессованию, волочению, давильным операциям и т. д.

Ковка и прокатка, в процессе которых слиткам придают формутитановых болванок, титановых листов, титановых плит, титановых прутков и проволоки, считаются первичными операциями формоизменения. С другой стороны, гибка, прессование, глубокая вытяжка и выдавка, при которых эти стандартные полуфабрикаты подвергаются дальнейшей обработке, называются вторичными операциями формоизменения.
Первичные операции формоизменения титана могут выполняться на обычном оборудовании, применяемом для обработки стали, но с некоторым изменением технологии обработки. То же самое можно сказать и о вторичных операциях.
Открытые штампы. При получении черновой заготовки ковку обычно ведут в открытых штампах — плоских, V-образной формы и полукруглых. Плоские штампы используются при ковке преимущественно с целью получения плит или для придания круглым заготовкам многогранной формы. Последнее можно осуществить также при ковке заготовок круглого или квадратного сечения в V-образных штампах. Полукруглые или криволинейные штампы применяются для уменьшения диаметра круглых заготовок или для получения круглых заготовок из прутков других сечений.
Все методы ковки литого металла в открытых штампах приводят к запрессовке газовых раковин и пустот и разрушению литой структуры.
Титан успешно куется в открытых штампах с применением оборудования, принятого при ковке стали, но при более низких температурах и более высоком давлении. Более низкие температуры ковки гитана приводят к уменьшению загрязнения поверхности и предотвращают чрезмерный рост зерна, обеспечивая тем самым высокую пластичность кованой детали. Более низкие температуры требуют применения более высоких давлений для деформации металла.
Температура ковки титана лежит обычно в пределах 790- 1000° С, причем нагрев до 900° С практикуется для нелегированного титана, а более высокие температуры -для сплавов. Ковка при еще более низких температурах возможна в том случае, если оборудование может выдержать необходимые для деформации металла усилия.
Рекомендуется перед ковкой выдерживать титан при температуру около 650-700° С и нагревать его до температуры ковки лишь непосредственно перед деформацией.
Для очистки поверхности детали, получаемой ковкой в штампах, содержащих низкоплавкие материалы (свинец, кирксайт и др.), деталь необходимо подвергать травлению. В целях уменьшения остаточных напряжений штамповку рекомендуется нагреть до 650- 700° С и выдержать при этой температуре около получаса на каждые 25 мм ее толщины с последующим охлаждением на воздухе.
Обсадка. Обсадкой называется обработка в целях уменьшения сечения или придания конусности концу прутка или трубы. Эту операцию не следует смешивать с ковкой-вытяжкой в фигурных штампах. При обсадке два-четыре штампа требуемой формы устанавливаются на вращающейся головке, которая поворачивается синхронно с ударом молота. Обсадку титана следует производить при температурах 260-370° С.
Высадка. Для увеличения диаметра конца прутка или трубы применяется высадка. В этом процессе конец круглого прутка, установленного между двумя штампами определенной формы, подвергается ударному воздействию в направлении оси, в результате чего металл течет по направлению к штампам. Это вызывает боковое уширение и продольное сжатие заготовки. Требуемая форма высаживаемой части детали должна определяться формой штампов. Для титана операция высадки производится при температурах 425-540° С.
Холодная высадка головок деталей. Вполне оправдала себя холодная высадка головок заклепок, болтов и аналогичных видов крепежных деталей. Во избежание трещин в высаживаемой части при получении больших головок желателен предварительный нагрев заготовки до 260° С.

Поговорим о титане или все что Вы хотели спросить.

Титан – блестящий металл серебристого цвета, легко поддающийся различным видам обработки – сверлению, точению, фрезерованию, шлифованию. При распиловке, сверлении и фрезеровании титана необходимо постоянно применять охлаждающую смазку, при этом на инструмент сильно надавливать нельзя; титан не поддается пайке, но хорошо куется (и в горячем, и в холодном состоянии), перед волочением титановой проволоки необходимо осуществить ее отжиг. Он обладает высокой прочностью, имеет низкую плотность, является достаточно легким.

По коррозионной стойкости титан сравним с драгоценными металлами.

В последнее время в зарубежных странах из титана изготовляют широкий ассортимент самых разнообразных ювелирных украшений. Титан стал привлекательным для изготовления украшений благодаря интересным цветовым эффектам, образующимся на его поверхности при нагревании.

Явление это объясняется тем, что при нагревании на поверхности титана образуется окисный слой, поглощающий определенное количество света, и только оставшаяся часть его отражается в виде спектрального цвета, который нами воспринимается.

С повышением температуры отжига пропорционально увеличивается слой окиси. С увеличением толщины окисной пленки света поглощается больше и образуется четко разграниченная гамма цветов побежалости, начиная от светло-желтого (в тонком слое поглощается мало света) до зеленоватого, фиолетового и голубого, вплоть до темно-синего (толстый слой отражает лишь незначительную часть света).

При изготовлении, например, браслета один конец полосы нагревается узким горячим пламенем: образующийся сначала желтый тон медленно, что позволяет наблюдать за ним, проходит по всей длине полосы, за ним же следуют зеленоватые, фиолетовые и синие тона.

Примечательно, что при высокой температуре отжига титан еще раз окрашивается в желтый цвет. Если окрашенную таким образом полосу изогнуть в кольцо, то оба конца желтого цвета будут отличаться по интенсивности. Таким же методом можно изготавливать пластины для брошей и подвесок.

Цветовой эффект на титановой пластине можно усилить последующим травлением, для чего обычным образом наносится защитный лак и выскабливается рисунок, а затем осуществляется травление в холодном растворе плавиковой кислоты. После травления между цветами побежалости проявляется серый цвет металла, удачно дополняя и подчеркивая многоцветность всей поверхности.

Читайте также  Чистка мельхиора в домашних условиях

Термическое оксидирование можно осуществить с помощью муфельной печи или обычной горелки.

Сначала титан приобретает первый цвет – золотистый. С ростом температуры появляются разнообразные оттенки: от светло-желтого до зеленоватого, фиолетового и голубого, вплоть до темно-синего. Для получения на поверхности специальных эффектов можно использовать различные тонизирующие присадки, придающие изделиям очень красивый угольно-серый цвет.

Пламенное окрашивание выполняется с помощью газовой горелки, которая в этом случае становится кистью художника. Поскольку точный контроль цвета невозможен, то полагаться следует на собственный художественный вкус и подход. В работе пригодна любая горелка, так как высокие температуры здесь не требуются; большое, мягкое пламя может дать участки ровного цвета, а маленький горячий язычок – радугу цветов. Пламенное окрашивание можно произвести также в стандартной муфельной печи. Поместив украшения в печь всего на несколько минут, можно получить золотой, пурпурный и синий цвета. Температура нагрева и время пребывания изделий в печи в каждом конкретном случае зависит от размера и толщины украшения. Этим методом можно получить и одноцветные краски.

Более точно окраску титана можно выполнить электролитическим методом окисления. В зависимости от используемого напряжения можно получать слои различной толщины и, следовательно, различные оттенки: желтый, темно-синий, голубой, фиолетовый, сине-зеленый. Если на одном изделии необходимо получить несколько цветовых оттенков, то пластина обрабатывается сначала при самом низком напряжении, а затем участок, на котором остается данный оттенок, закрывается, а обработка остальной поверхности продолжается таким же образом, но уже при более высоком напряжении.

Обработку можно производить и в другой последовательности: сначала прикладывается самое высокое напряжение, обработанный участок закрывается, а все остальное обрабатывается пескоструйным аппаратом. Цветные слои, получаемые электролитическим способом, можно сделать блестящими, а также белыми, для чего соответствующие участки также закрываются, а другие подвергаются обработке пескоструйным устройством, или же на них наносится защитный лак и выполняется травление плавиковой кислотой.

Распиловка, сверление, волочение и пайка титана.

Титан в некоторых случаях ведет себя иначе, чем обычно применяемые в ювелирном деле металлы.

При распиловке титана ножовкой сначала делается легкий надрез, и лишь после того, как ножовочное полотно захватило металл, можно увеличить силу нажатия.

Титан можно обрабатывать обычными напильниками, не сильно надавливая при этом, в противном случае насечка напильника забивается, и он «засаливается», отчего время от времени его необходимо прочищать.

При сверлении полагается пользоваться смазкой и помнить, что сверло быстро затупляется, а потому требуется новая заточка. При фрезеровании инструмент подвергается большим нагрузкам, поэтому его нужно обязательно охлаждать маслом. Токарную обработку, чтобы резец не затуплялся быстро, следует выполнять при низком числе оборотов детали; рекомендуется обработка алмазными и керамическими шлифовальными кругами.

Титан поддается обработке давлением, но в этом случае следует часто производить промежуточный отжиг, потому что он быстро нагартовывается. При прокатке необходимо большое усилие.

При волочении проволоки целесообразно сначала произвести ее отжиг – в этом случае смазка (масло или мыло) лучше ложится на окисную пленку; отжиг следует производить и после «прохождения» каждой третьей фильеры. При температуре 650-950°С можно производить горячую ковку титана, его можно обрабатывать также и в холодном состоянии – в этом случае он лучше поддается растяжению, чем сжатию.

Титан не поддается пайке ни мягким, ни твердым припоем, а сварка его производится только в среде защитного газа. Ювелир может соединять титановые детали и только механическим способом, например, клепкой. Как и все другие металлы, титан можно склеивать, если при этом соединяемые поверхности достаточно большие.

Поверхностная обработка титана производится сначала наждачной бумагой различной зернистости, а затем полировальной; блестящая поверхность получается лучше всего с помощью пасты из окиси никеля или шлифовальных средств для благородных металлов.

Для подготовки поверхности изделия из титана под окраску рекомендуется слегка ее протравить: изделие на мгновение опускается в 2 %-й раствор плавиковой кислоты, затем промывается, а потом обрабатывается обычным травильным раствором серной кислоты.

Используемые материалы: ХУДОЖЕСТВЕННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ЮВЕЛИРНЫЕ СПЛАВЫ: УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ . Автор/создатель: Мутылина И.Н.

Литье титана

Титан — молодой металл. Он был открыт в конце 18 века. Титан обладает высокой температурой плавления (1670 °C), малым удельным весом (4.5 г/см 3 ) и высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Высокая цена и сложность обработки металла обуславливают его относительно узкое применение в промышленности — только для самых ответственных деталей. Из легкого и прочного металла делают высоконагруженные детали и узлы в аэрокосмической, оборонной и нефтяной отраслях.

Технология литья из титана

Сложность технологии титанового литья обуславливается высокой температурой плавления и очень высокой химической активностью жидкого титана. Он пытается вступить в реакцию со всеми газами, содержащимися в воздухе. Поэтому литье титана традиционно проводили в атмосфере инертных газов. Для этого плавильные печи изолировали от атмосферы, нагнетая в них специальные газы и создавая избыточное давление.

Технология литья из титана

Впоследствии были разработаны вакуумные плавильни-литейные установки. Они объединяют в одном вакуумированном объеме, процессы расплавления металла, его литья и остывания отливки. Литье производится в графитовые формы. Наравне с этой технологией применяется и метод вакуумного литья по выплавляемым моделям. Используется также и технология оболочечного литья.

Современные методы литья позволяют получать прочные и однородные отливки, удовлетворяющие самым придирчивым конструктивным требованиям. Метод литья также обладает преимуществом перед механической обработкой на станках и сваркой лучшим коэффициентом использования металла. Многие производители стали шире применять литые детали вместо фрезерованных.

В художественном литье металл широкого применения не нашел из-за сложности производства. Широкую известность в мире искусства получила первая отлитая из титана статуя Юрия Гагарина в Москве.

Область применения титановых сплавов

Титан обладает прекрасными конструкционными свойствами: он прочен (вдвое прочнее алюминия), легок (почти вдвое легче стали), упруг, не ржавеет, хорошо выдерживает напряжения растяжения, сжатия и скручивания. От широкого применения легкого и прочного металла сдерживает его высокая стоимость и сложность обработки. Из титана делают самые ответственные высоконагруженные детали в аэрокосмической отрасли — там, где малый вес важнее высокой цены. Это как детали планера самолета, так и детали двигателя — крыльчатки нагнетателей и воздухозаборники.

Область применения титановых сплавов

Титан также широко применяется в производстве вооружений — от деталей стрелкового оружия и бронежилетов до корпусов подводных лодок, выдерживающих погружение на рекордные глубины в 1000 метров.

В нефтегазовой отрасли литье титановых сплавов применяется для изготовления труб и запорной арматуры для установок нефтегазодобычи, нефтепроводов и нефтегазоперерабатывающих заводов.

Прокат и литье из титана применяется также для производства деталей элитных и гоночных автомобилей и мотоциклов, велосипедов и часов.

Благодаря физиологической инертности из титановых сплавов делают также зубные и костные протезы.

Основные характеристики титановых сплавов

Высокая реакционная способность титана позволяет производить его сплавы со многими металлами, получая материалы со значительно улучшенными и даже уникальными свойствами.

Сплав с никелем Нитинол обладает эффектом «памяти формы» и широко используется в медицине и аэрокосмической отрасли

Сплавы с алюминием отличаются стойкостью к продолжительному нагреву и коррозионной устойчивостью, что позволяет применять их в авиации и автостроении.

Сплав с барием используется как газопоглотитель в электронно-лучевых трубках и высоковакуумных насосах.

Широко применяется сплав с алюминием. Ti-6Al-4V (или ВТ6), примерно 6% алюминия и около 4% ванадия. На него уходит почти половина производимого титана.

Ферротитан (сплав с железом, содержащий 18—25% титана) используют при производстве стали для ее раскисления и для связывания неметаллических примесей

Титан используется и как присадка для легирования специальных сталей: высокопрочных, жаростойких и для особо тяжелых условий эксплуатации

Литье титана по выплавляемым моделям

Этот метод чаще применяется при литье отливки небольшого размера со сложной конфигурацией или тонкими стенками.

Литье титана по выплавляемым моделям

Модели изготавливаются из воска или полистирола. Модель полностью повторяет конфигурацию готового изделия, но имеет увеличенные на величину литейной усадки размеры. Модель также включает в себя небольшие вертикальные стержни до уровня засыпки формы, применяемые для формирования литьевых отверстий. Через литники в форму поступает расплавленный металл. Модели объединяют в блоки, которые помещают в опоку, которую заполняют высокодисперсным графитовым порошком. Уплотнение производится вибрационным методом. Для достижения лучшего уплотнения порошка уплотнение производят послойно. По готовности форму с блоком моделей помешают в вакуумированную камеру и заливают в нее расплав.

Раскаленный жидкий металл расплавляет материал модели и вытесняет его в виде газов прямо через стенки формы. Расплав заполняет форму, в точности повторяя все детали ее рельефа. Остывание отливок проводится по специальному графику, чтобы снизить вероятность возникновения остаточных напряжений в металле.

Материалы и оборудование для литья титана

Вследствие высокой активности нагретого титана для его литья приходится применять специфическое оборудование.

Плавильный агрегат и машина литья литейных форм размещаются в герметичной вакуумированной камере. Высокопроизводительные насосы откачивают как воздух на начальном этапе, так и удаляют газы, образующиеся при плавлении и отливке.

Читайте также  Литье пластмасс в домашних условиях

Машина для литья литейных форм

Обычные керамические тигли для плавки не подходят, вместо них используют графитовые. В электродуговых печах, где нагрев идет изнутри, используют охлаждаемые емкости, покрытые тонким слоем металлического титана — так называемые гарнисажи. Сверху в тигель опускается расходуемый электрод. Автоматическая подача поддерживает постоянное расстояние от электрода до поверхности расплава по мере его расходования.

Ниже тигля находится блок литейных установок, в который расплав подается под действием своего веса. Для улучшения распределения расплава по форме блок с формами может вращаться.

Время опрокидывания тигля определяется исходя из постоянно контролируемых параметров — температуры тиглей, давления, химического состава расплава.

Пресс-формы из графита

Пресс-формы делают из графита. В последнее время вместо дорогостоящих графитовых форм начинают применять формы из обычных огнеупорных материалов со специальным тонким защитным покрытием, препятствующим вступлению титана в реакцию.

Сложность технологических процессов, высокая цена оборудования и расходных материалов, высокая квалификация персонала делают процесс отливки титана доступным лишь для специализированных промышленных производств.

Ковка титана в домашних условиях

КовкаПРО: кузнечное оборудование по ценам производителей

sales@kovkapro.com

  • Заказы
  • Список сравнения
  • &nbsp
  •  Меню 
  •   Металлообработка 
  • Блог
  • Мастер-классы
  • Словарь
  • Часто задаваемые вопросы
  • Ручной инструмент
  • Станки
  • Горны и наковальни
  • Тиски
  • Молоты и детали
  • Сварочное оборудование

Подписаться на блог

Категории блога

Архив

  • Март, 2020
  • Ноябрь, 2019
  • Август, 2019
  • Апрель, 2019
  • Март, 2019
  • Декабрь, 2018

Поиск по блогу

Титан и его сплавы

Титан – легкий металл серебристо-белого цвета. Впервые титан в виде TiO2 был обнаружен английским любителем минералогии У. Грегором в 1791 году в железистых песках местечка Менакан (Англия). Металл был назван титаном М. Г. Клапротом, в честь детей Урана и Геи. В чистом виде титан получил американец М. А. Хантер в 1910 году.

Титан существует в двух аллотропических формах: α-форма с гексагональной плотноупакованной решеткой, существующей до температуры 882,5о С, и β-форма, выше 882,5о С, с объемно-центрированной кубической атомной решеткой. Плотность титана – 4,505 г/см3 (при 20о С); 4,35 г/см3 (при 870оС); 4,32 г/см3 (при 900оС), температура плавления –1668±5 оС, кипения — 3227оС, теплопроводность – 22,065 Вт/(мК), теплоемкость – 0,523 кДж/(кгК), предел прочности – 256 МН/м2, относительное удлинение – 72%. Титан отличается высокой прочностью и коррозионной стойкостью в интервале температур от -250 до 300- 600оС. Эти свойства обусловили его широкое применение в авиа- и ракетостроении, судостроении, химическом машиностроении, в криогенной технике, для изготовления сосудов, резервуаров, топливных баков ракет-носителей, корпусов подлодок, реакторов, трубопроводов, арматуры и насосов. Титановые сплавы изготавливаются по ГОСТ 19807-74 и ОСТ 1.90013-71.

Основной недостаток титана – его высокая химическая активность при повышенных температурах. При температуре более 300-350 оС титан начинает активно взаимодействовать с кислородом с образованием на поверхности альфированного слоя TiO2 высокой твердости. По мере окисления изменяется окраска окисной пленки. Золотисто-желтая окраска с металлическим блеском появляется при возникновении TiO, Ti2O3 имеет темно-фиолетовую, TiO2 белую окраску. Темная окисная пленка предохраняет металл от воздействия атмосферы, но при температуре более 400-450о С начинает растворяться в металле, и процесс окисления возобновляется. При температуре более 500-600о С титан начинает взаимодействовать с азотом, с образованием нитридов TiN, Ti3N. Насыщение кислородом и азотом стабилизирует α-фазу, что приводит к образованию альфированного слоя высокой твердости и снижению пластичности металла. Наличие альфированного слоя приводит к охрупчиванию сварного шва и образованию холодных трещин, поэтому перед сваркой его удаляют. При повышении содержания кислорода и, особенно, азота в титане происходит линейное снижение пластичности и увеличение прочности. Поэтому содержание кислорода O2 ограничивают до 0,1-0,12 %, а азота N2 до 0,04- 0,05 %. Вероятность охрупчивания, образования трещин и газовых пор увеличивается за счет образования соединений титана с водородом – гидридов TiH2. Поэтому содержание водорода в титане ограничивают до 0,01%. Вообще, присутствие примесей активных газов и модификаторов, даже в тысячных долях процента, может изменить микроструктуру.

Свариваемость титана оценивают по формуле: НВ=40+310(Оэ)1/2, где Оэ= % О+2(% N)+2/3(% C). Если НВ 200 и содержание H2 0,01 %, считается, что технический титан обладает хорошей свариваемостью.

Легирующие элементы титановых сплавов разделяют на α-стабилизаторы (Al, Sn, Zr, O2, Nx), которые повышают температуру полиморфного превращения, и β-стабилизаторы, которые снижают температуру превращения. Стабилизаторы β-типа разделяют на β-эвтектоидные (Cr, Mn, Fe, Cu, Ni, Pb, Be, Co, H) и β-изоморфные (V, Mo, Nb, Ta, W). В зависимости от содержания легирующих элементов различают α-, β- и α + β-сплавы титана.

Титан и его сплавы обладают малой усадкой, значительной прочностью и пластичностью при высоких температурах, поэтому образование горячих трещин не происходит. Сплавы α-типа обладают хорошей свариваемостью, они не упрочняются термообработкой. Сплавы α + β-типа наиболее многочисленны, обладают высокой прочностью и жаропрочностью, но чувствительны к нагреву. При сварке двухфазных сплавов возможно образование холодных трещин, поэтому обычно после сварки проводят термообработку сварных соединений. При малом количестве β- фазы и степени легирования свариваемость улучшается. Сплавы β- типа обладают ограниченной свариваемостью из-за роста зерна и развития микрохимической неоднородности, приводящих к холодным трещинам.

Технология сварки титановых сплавов

Технология сварки титановых сплавов зависит от системы легирования, исходного состояния и требований к сварному соединению. При сварке деталей после проката или отжига, если не требуется упрочнение, подбирают режим сварки, обеспечивающий оптимальные свойства сварного соединения. Для снижения напряжений и предотвращения холодных трещин проводят отжиг. Такая технология используется при сварке технического титана, α-, α+β- сплавов с малым содержанием β-фазы.

Если детали поступают после отжига и после сварки требуется произвести упрочнение путем закалки и старения, подбирают режим сварки, снижающий вероятность образования холодных трещин. Эту технологию используют при сварке α+β- и β-сплавов. При сварке α+β- и β-сплавов в закаленном состоянии, если требуется произвести после сварки старение, подбирают режимы, снижающие вероятность охрупчивания, возникновение холодных трещин и разупрочнение.

α- и α+β-сплавы с малым содержанием β-фазы (псевдо α-сплавы) не упрочняются термообработкой. Мягкие режимы вызывают рост зерна, снижение прочности и пластичности. Жесткие режимы могут приводить к закаливанию, особенно при увеличении степени легирования.

Сварные соединения среднелегированных α+β-сплавов имеют низкую пластичность. Мягкие режимы способствуют повышению пластичности. При увеличении скорости охлаждения может произойти закаливание. После сварки этих сплавов проводят отжиг. Высоколегированные α+β-сплавы с большим содержанием β- фазы сваривают на жестких режимах, что обеспечивает формирование в околошовной зоне β-фазы с высокой пластичностью. Мягкие режимы приводят к распаду β-фазы и снижению пластических свойств.

Детали под сварку подготавливают холодной механической обработкой – фрезой, гильотиной, пилой, отрезным кругом. При горячей штамповке или прокатке титановые изделия следует подвергать химической обработке для удаления стойкой окисной пленки. Химическая обработка проводится последовательно в три этапа. Вначале окисную пленку разрыхляют при травлении в течение 24-36 часов в растворе следующего состава: 150-250 г/л нитрита натрия, 500-700 г/л углекислого натрия. Затем травят в растворе состава: 220-300 мл/л плавиковой кислоты, 480-550 мл/л азотной кислоты при температуре 25оС в течение 1-20 часов. Последней операцией является осветление в растворе: 600-750 мл/л азотной кислоты, 85-100 мл/л плавиковой кислоты в течение 3-10 минут.

Проволоку отжигают в вакуумной печи и обезжиривают. Срок хранения подготовленных деталей и проволоки из титановых сплавов в закрытом виде не более 20 ч.

Конструкцию сварного соединения можно выбрать по ГОСТ 14771-76. При толщине более 3-4 мм требуется разделка кромок деталей. При сварке и прихватке очень важно обеспечить надежную защиту свариваемых кромок и зоны термического влияния с наружной и с внутренней стороны. Для сварки применяют аргон высшего сорта по ГОСТ 10157-73 и гелий высокой чистоты. При этом на горелке закрепляют специальные козырьки с соплами, которые защищают шов при охлаждении до температуры менее 300оС. При сварке титана прихватки должны быть серебристого цвета. Прихватки серого цвета и с белым налетом следует удалять. Сварку швов следует начинать и заканчивать на технологических планках, использовать стальные и медные подкладки. При плотном прижатии деталей к сплошной подкладке защита обратной стороны шва не требуется. Если подкладка имеет газовый канал, то аргон для защиты об- ратной стороны вводится внутрь канала. Для защиты деталей используют герметичные оболочки, которые приклеи- ваются по краям изделия с обратной стороны и заполняются аргоном.

Сварку ведут левым способом при перемещении электрода углом вперед. Длина дуги минимальная: 1,5-2,5 мм, при вылете вольфрамового электрода: 6-10 мм, с углом заточки электрода: 30- 60о . Угол наклона электрода к поверхности детали 70-90о в зависимости от толщины металла. Угол между присадочной проволокой и осью электрода 90- 110о . В начале шва скорость сварки следует уменьшить для прогрева кромок, а затем по мере прогревания скорость сварки возрастает в 1,2-1,5 раза. Перемещение горелки и присадочной проволоки должно быть плавным и поступательным без поперечных колебаний на максимальной скорости. Такая техника сварки позволяет уменьшить тепловложение в изделие и увеличить пластичность сварного соединения. Присадочная проволока при подаче нагревается, и на ней также образуется альфированный слой, что снижает пластичность шва на 30-50%. Поэтому нужно тщательно защищать проволоку и наносить на её поверхность активирующие флюсы, металлические и композиционные покрытия.

Читайте также  Как узнать обороты электродвигателя в домашних условиях?

При вынужденном обрыве дуги, при окончании сварного шва или прихватке дугу нельзя резко обрывать. Необходимо сначала заделать кратер путем сбрасывания двух-трех капель присадочного материала, а затем погасить дугу плавным удлинением до её естественного обрыва. После обрыва дуги горелку нужно задержать на месте последней сварочной ванны или кратера, чтобы нагретый металл изделия и электрода находился под защитой аргона до полного потемнения. Места окончания сварки и обрыва дуги следует наиболее тщательно контролировать. При обнаружении на этих участках следов побежалости, светлого налета и дефектов металл следует удалить механической обработкой и после обработки продолжить сварной шов. Новый шов следует начинать за 15-20 мм до конца обрыва предыдущего шва. Признаком хорошей газовой защиты при сварке титана является серебристый цвет сварного шва. Цвета побежалости и налет белого или черного цвета появляются при нарушении газовой защиты, присутствии в аргоне примесей, грязи. Степень потери пластичности при сварке титана можно оценить по цвету побежалости: при светлом цвете – светло-желтом, желтом, голубом потеря пластичности меньше, чем при синем и темно-голубом цвете побежалости, при котором происходит хрупкое разрушение металла. При защите обратной стороны корневого шва расход аргона следует увеличить на 50%. Для увеличения глубины проплавления металла и уменьшения образования газовых пор при сварке титановых сплавов можно применить активирующие флюсы. Флюсы наносят на поверхность свариваемых кромок в виде спиртового или водяного шликера, слоем толщиной 0,05. 0,1 мм. При использовании активирующих флюсов увеличивается глубина проплавления в 2,5-3,5 раза. Это связано с уменьшением поверхностного натяжения расплавленного титана и сжатием сварочной дуги под воздействием флюсов. Происходит увеличение пластичности металла шва, уменьшение содержания водорода, других остаточных газов, модификация зерна.

Механизированную сварку титановых сплавов плавящимся электродом производят в аргоне высшего сорта или гелии высокой чистоты на обратной полярности. Сборку, прихватку и сварку корневого слоя шва обычно производят сваркой вольфрамовым электродом, а последующие слои выполняют плавящимся электродом. Для сварки технического титана и однофазных сплавов низкой прочности используют проволоку диаметром 0,8-7 мм марки ВТ-1-00. Для сварки двухфазных сплавов используют проволоку марки ВТ-2, ВТ-5. Электросопротивление титана в 6 раз больше, чем сопротивление железа, поэтому для исключения перегрева вылет электрода уменьшают. Обычными дефектами при сварке являются поры и трещины, причинами которых являются попадание в шов газов и влаги, а также высокая скорость сварки. Сварка титана под флюсом также обеспечивает хорошее качество свар- ных соединений. Применяют бескислородные солевые флюсы типа АН-Т1, АН- Т2, состоящие из фторидов CaF2, NaF и хлоридов NaCl, KCl. Сварку изделий толщиной 2-5 мм проводят с одной стороны на остающихся стальных подкладках, а изделия толщиной более 6-8 мм сваривают с двух сторон. При этом сила тока составляет для толщин 8-15 мм – 330-450 А, напряжение дуги – 30-32 В, диаметр сварочной проволоки – 3 мм, скорость сварки 50 м/ч.

Трудности обработки титана

Принято считать, что титан поддаётся механической обработке подобно нержавеющим сталям. Это значит, что обрабатывать титан в 4-5 раз труднее, чем обычную сталь, но это всё же не составляет неразрешимой проблемы.
Основные проблемы при обработки титана — это большая склонность его к налипанию и задиранию, низкая теплопроводность, а также то обстоятельство, что практически все металлы и огнеупорны растворяются в титане, в результате чего представляет собой сплав титана и твёрдого материала режущего инструмента. Такая обработка вызывает быстрый износ резца.

Для уменьшения налипания и задирания и для отвода большого количества тепла, которое выделяется при резании, применяют охлаждающие жидкости. Точение заготовки производят спомощью резцов из твёрдых сплавов причём скорость обработки, как правило, ниже, чем при точении нержавеющей стали.

Если необходимо разрезать листы из титана, то эту операцию осуществляют на гильотинных ножницах. Сортовой прокат больших диаметров режут механическими пилами, применяяножовочные полотна с крупным зубом. Менее толстые прутки разрезают на токарных станках.

При фрезеровании титан остаётся верным себе и налипает на зубья фрезы. Фрезы тоже изготовляют из твёрдых сплавов, а для охлаждения применяют смазки, отличающиеся большой вязкостью.

При сверлении титана основное внимание обращают на то, чтобы стружка не скапливалась в отводящих канавках, так как это быстро повреждает сверло. В качестве материала для сверления титана применяют быстрорежущую сталь.

При использовании титана как конструкционного материала титановые детали соединяют друг с другом и с деталями из иных материалов разными методами.

Основной метод — сварка. Самые первые попытки сварить титанбыли неудачными, что объяснялось взаимодействием расплавленного металла с кислородом, азотом и водородом воздуха, ростом зерна при нагреве, изменениями в микроструктуре и другими факторами, приводимые к хрупкости шва. Однако все эти проблемы, ранее казавшиеся неразрешимыми, были решены в самые короткие сроки в наши дни сварка титана — обычная промышленная технология.

Но, хотя проблемы решены, сварка титана не стала простой и лёгкой. Основная её трудность и сложность заключается в необходимости постоянного и неукоснительного предохранения сварного шва от загрязнения примесями. Поэтому при сварке титана используют не только инертный газ высокой чистоты и специальные бескислородные флюсы, но и разнообразные защитные козырьки, прокладки, которые защищают остывающие.

Чтобы максимально снизить рост зерна и уменьшить изменения в микроструктуре, сварку ведут с большой скоростью. Почти все виды сварки производят в обычных условиях, применяя специальные меры для защиты нагретого металла от соприкосновение с воздухом.

Но мировая практика знает и сварку в контролируемой атмосфере. Такая защита сварного шва обычно необходима при выполнении особо ответственных работ, когда требуется стопроцентная гарантия того, что сварной шов не будет загрязнён. Если свариваемые части не велики, сварку ведут в специальной камере, заполненной инертным газом. Сварщик хорошо видит всё, что ему нужно через специальное окно.

Когда же сваривают большие детали и узлы, контролируемую атмосферу создают в специальных вместительных герметичных помещениях, где сварщики работают, применяя индивидуальные системы жизнеобеспечения. Разумеется, эти работы ведут сварщики самой высокой квалификации, но и обычную сварку титана должны проводить только специально обученные этому делу люди.

В тех случаях, когда сварка не возможна или попросту не целесообразна, прибегают к пайке. Пайка титана осложняется тем, что он при высоких температурах химически активен и очень прочно связан с покрывающей его поверхность — окисной плёнкой. Подавляющее большинство металлов непригодно для использования в качестве припоев при пайке титана, так как получаются хрупкие соединения. Только чистые серебро и алюминий подходят для этой цели.

Соединять титан с титаном, а также с другими металлами можно и механически — клепкой или при помощи болтов. При использовании титановых заклёпок время клёпки увеличивается почти вдвое по сравнению с применением высокопрочных алюминиевых деталей, а гайки и болты из нового промышленного металла непременно покрывают слоем серебра или синтетического материала тефлона, иначе при завинчивании гайки титан будет, как это ему неизменно присуще, налипать и задираться и резьбовое соединение не сможет выдержать больших напряжений.

Склонность к налипанию и задиранию, обусловленная высоким коэфициентом трения, — очень серьёзный недостаток титана. Это приводит к тому, что титановые сплавы быстро изнашиваются и их нельзя использовать для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения. При скольжении по любому металлу титан налипает на его поверхность, и деталь вязнет, схваченная липким слоем титана.

Впрочем, говорить, что титановые сплавы нельзя применять при изготовлении трущихся деталей, неверно. Существует немало способов, упрочняющих поверхность титана и устраняющих склонность к налипанию. Один из них — азотирование.

Процесс заключается в том, что детали, нагретые до 850-950 градусов, выдерживают в чистом газообразном азоте более суток. На поверхности металла образуется золотисто-жёлтая плёнка нитрида титана большой микротвёрдости. Износостойкость титановых деталей повышается во много раз и не уступает изделиям из специальных поверхностно упрочнённых сталей.

Другой распространённый метод устранения склонности титана к задиранию — оксидирование. При этом в результате нагрева на поверхности деталей образуется окисная плёнка. При низкотемпературном оксидировании свободный доступ воздуха к металлу затруднён и окисная плёнка получается плотной, хорошо связанной с основной толщей титана.

Высокотемпературное оксидирование заключается в том, что в течении 5-6 часов детали выдерживают на воздухе нагретыми до 850 градусов, а затем резко охлаждают в воде, чтобы удалить с поверхности рыхлую окалину. В результате оксидирования сопротивление износу возрастает в 15-100 раз.

Другие статьи по сходной тематике

Основные понятия о токарной обработке и токарных станках.

Стали марок AISI 409, 430, 439 — аналоги отечественных марок 08×13, 12×17 и 08×17Т

Гидравлические гильотинные ножницы, гильотинные ножницы с ЧПУ для раскроя и обработки листовых материалов.