Tytan i jego stopy - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Tytan i jego stopy - Notatki - Materiałoznastwo i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 170 JW Warto doda(, "e zakres stosowania stopów magnezu jako tworzywa konstrukcyjno w lotnictwie, kosmonautyce, budowie rakiet i energetyce j#drowej, w przemy$le $wiatowym stale wzrasta. Coraz szerzej stopy magnezu stosuje si w przemy$le elektronicznym i elektrotechnicznym, poligraficznym, samochodowym, transporcie kolejowym itp. Tablica 9.1 Sk ad chemiczny krajowych stopów magnezu Sk!ad chemiczny, % (reszta magnez) Cecha stopu Rodzaj stopu Al Zn Mn Zr inne zanieczy- szczenia ogó!em, max GA8* 7,5" 9,0 0,2" 0,8 0,15 " 0,5 - - 0,5 GA10 9,0" 10,2 0,6" 1,2 0,1" 0,5 - - 0,5 GZ5 - 4,0" 5,0 - 0,6" 1,1 - 0,2 GZ6 - 5,5" 6,6 - 0,7" 1,1 0,2" 0,8Cd 0,2 GN3 - 0,1" 0,7 - 0,4" 1,0 2,2" 2,8Nd 0,2 GRE3 odlewniczy - 0,2" 0,7 - 0,4" 1,0 2,5" 4,0RE* 0,2 GM - - 1,3" 2,5 - - 0,2 GA3 3,0" 4,0 0,2" 0,8 0,15" 0,5 - - 0,5 GA6 5,5" 7,0 0,5" 1,5 0,15" 0,5 — - 0,7 GA5 5,0" 7,0 2,0" 3,0 0,2" 0,5 - - 0,7 GA8 7,8" 9,2 0,2" 0,8 0,15" 0,5 - - 0,7 GZ3 - 2,5" 4,0 - 0,5" 0,9 - 0,5 GZ5 - 4,0" 5,5 - 0,5" 0,9 - 0,5 GME do przeróbki plastycznej - - 1,5" 2,5 - 0,15"0,35C 1,0 * Norma zawiera jeszcze stop GA8A ró"ni#cy si od stopu GA8 tylko dopuszczaln# zawarto$ci# zanieczyszcze%, wynosz#c# 0,13%. ** RE — mieszanina pierwiastków ziem rzadkich, zawieraj#ca min. 45% ceru. 11. Tytan i jego stopy Tytan jest metalem o du"ej wytrzyma!o$ci, zarówno w temperaturze otoczenia, jak i temperaturach podwy"szonych, stosunkowo ma!ej g sto$ci i du"ej odporno$ci na korozj w powietrzu, wodzie morskiej i wielu $rodowiskach agresywnych. Tytan wyst puje w dwóch odmianach alotropowych i !. Odmiana (Ti* ) istniej#ca do temperatury 882°C krystalizuje w sieci heksagonalnej zwartej, natomiast odmiana ! (Ti*!) istniej#ca powy"ej temperatury 882°C a" do temperatury topnienia (1668°C) krystalizuje w sieci regularnej przestrzennie centrowanej. W temperaturze otoczenia czysty tytan ma kolor srebrzysty i przypomina wygl#dem stal nierdzewn# lub nikiel. G sto$( tytanu a w temperaturze 20°C wynosi 4,507 g/cm3, tytanu ! w temperaturze 900°C - 4,32 g/cm 3 . Tytan jest metalem paramagnetycznym. W!asno$ci mechaniczne tytanu zale"# przede wszystkim od jego czysto$ci, a ta z kolei zarówno od rodzaju procesu metalurgicznego przerobu rudy tytanowej (proces jodkowy, proces Krolla, elektroliza), jak i od metody przerobu otrzymanych m procesie pó!wyrobów (topienie g#bki tytanowej, spiekanie proszku). Zwi kszenie ilo$ci zanieczyszcze% w tytanie zawsze prowadzi do podwy"szenia jego wytrzyma!o$ci i twardo$ci, a obni"enia w!asno$ci plastycznych, przy czym bardzo powa"ny wp!yw wywieraj# nawet setne cz $ci procentu zanieczyszcze%. W przemy$le praktycznie wykorzystuje si g!ównie tytan produkowana metod# Krolla, zawieraj#cy 99,8 " 98,8% Ti. Taki tytan nosi nazw tytanu technicznego. docsity.com 171 JW Szczególnie cenn# w!asno$ci# tytanu jest jego wielka odporno$( na korozj chemiczn#, dorównuj#ca, a w wielu przypadkach przewy"szaj#ca odporno$( korozyjn# austenitycznych stali chromowo-niklowych. Istotn# równie" cech# tytanu jest jego silne powinowactwo w stanie nagrzanym i ciek!ym do gazów atmosferycznych (tlenu, azotu i wodoru), co powoduje, "e we wszystkich prawie procesach technologicznych, w których tytan zostaje ogrzany do temperatury umo"liwiaj#cej dyfuzj wymienionych gazów, nale"y stosowa( atmosfery ochronne lub pró"ni . Praktycznie tytan jest odporny na dzia!anie atmosfery tlenowej tylko do temperatury 120°C, powy"ej tej temperatury na powierzchni metalu tworz# si tlenki. Absorpcja i dyfuzja wodoru zaczynaj# si w temperaturze powy"ej 150°C. Z powietrzem tytan reaguje w temperaturze powy"ej 500°C, przy czym jego powierzchnia pokrywa si szczeln# warstewk# tlenków i azotków. Trzeba jednak podkre$li(, "e w miar wzrostu temperatury chemiczna aktywno$( tytanu silnie wzrasta i w powietrzu tytan zapala si p!omieniem w temperaturze 1200°C w czystym tlenie - ju" w temperaturze 610°C. 11.1. Tytan techniczny Jak ju" wspomniano, tytan techniczny zale"nie od gatunku zawiera 0,2-1,2% zanieczyszcze%, na które sk!adaj# si przede wszystkim tlen, azot, w giel, "elazo, wodór i krzem. Zanieczyszczenia te powoduj# istotne zmiany w!asno$ci mechanicznych, wyra"aj#ce si we wzro$cie wytrzyma!o$ci na rozci#ganie, granicy plastyczno$ci oraz twardo$ci, a zmniejszeniu wska&ników w!asno$ci plastycznych. Na przyk!ad, wytrzyma!o$( na rozci#ganie tytanu technicznego zawieraj#cego 0,8% zanieczyszcze% wynosi ok. 400 MPa, a tytanu zawieraj#cego 1% zanieczyszcze% — ok. 550 MPa. Tytan techniczny jest produkowany w skali przemys!owej w postaci odlewów, blach cienkich i grubych, ta$m, pr tów prasowanych wyp!ywowo i kutych, rur, cz $ci t!oczonych i kutych. Podlega obróbce plastycznej na zimno i na gor#ce (w temp. 1000-750°C) oraz obróbce skrawaniem (ostre narz dzia, obfite ch!odzenie), nie podlega natomiast obróbce cieplnej, a umacnia si go jedynie przez zgniot. Mo"na go spawa( !ukowo w os!onie gazów szlachetnych (argonu lub helu) i elektro"u"lowo, poza tym zgrzewa( punktowo, liniowo i doczo!owo oraz lutowa( lutami mi kkimi i twardymi. Tytan techniczny jest stosowany przede wszystkim w przemy$le lotniczym, zarówno na elementy silników, jak i kad!ubów samolotów. Wykorzystuje si go tak"e w przemy$le okr towym (cz $ci silników, armatura, pompy do wody morskiej), chemicznym (aparatura), w protetyce stomatologicznej i w chirurgii kostnej (nie jest toksyczny dla organizmu ludzkiego) itd. Maksymalna temperatura pracy nie mo"e przekracza( 300 " 350°C. 11.2. Stopy tytanu Wp!yw pierwiastków stopowych na temperatur przemiany alotropowej tytanu jest ró"ny. Aluminium, tlen, azot i w giel podwy"szaj# temperatur przemiany tym samym zwi kszaj# obszar istnienia tytanu . St#d cz sto nosz# one nazw stabilizatorów fazy . Wi kszo$( pozosta!ych pierwiastków stopowych (np. moliben, wanad, niob, tantal, chrom, mangan, "elazo, wodór) obni"a temperatur przemiany i rozszerza obszar istnienia tytanu !. Te pierwiastki nosz# nazw stabilizatorów fazy !. Osobn# grup stanowi# pierwiastki, których wp!yw na temperatur przemiany alotropowej jest nieznaczny. Nale"# tu cyna, cyrkon, tor, hafn i inne. Te pierwiastki nazywa si zwykle neutralnymi. Dwusk!adnikowe uk!ady równowagi faz tytanu z pierwiastkami wchodz#cymi w sk!ad stopów mo"na podzieli( na trzy g!ówne typy, w zale"no$ci od wp!ywu pierwiastka stopowego na struktur stopu w stanie równowagi. Na rysunku 11.1 pokazano uk!ad równowagi typu I, w którym pierwiastek stopowy rozszerza zakres istnienia roztworu sta!ego (mi dzyw z!owego w przypadku tlenu, azotu i w gla, ró"now z!owego w przypadku aluminium), stabilizuj#c faz w strukturze stopów. Jak wida(, docsity.com 174 JW Wszystkie stopy ! cechuje dobra spawalno!" i arowytrzyma#o!". Pierwsza w#asno!" jest wynikiem jednofazowej struktury, druga - obecno!ci aluminium. Stopy a nie podlegaj% obróbce cieplnej poza wy arzaniem rekrystalizuj%cym i wy arzaniem odpr$ aj%cym, stosowanymi oczywi!cie w razie potrzeby. Umacnia si$ je jedynie przez zgniot, podobnie jak tytan techniczny. Tablica 11.1 Sk ad chemiczny wa!niejszych stopów tytanu Sk#ad chemiczny, % (reszta tytanu) Oznaczenie stopu Typ stopu Al Mo Sn Si V inne Ti-5Al-2,5Sn, BT5-1 * 5 - 2,5 - - - RMI 5621 !$ 5 1 6 - - 2 Zr RMI 3A1-2,5V 3 - - - 2,5 - Ti.4Al-3Mo.lV 4 3 - - 1 - Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 6 2 2 - - 4 Zr Ti-6Al-4V, BT6* 6 - - - 4 - Ti-6Al-6V-2Sn 6 - 2 - 6 - Ti-7Al-4Mo 7 4 - - - - BT3-1 * 5,5 2 - 0,2 - 2 Cr, l Fe BT4 * 4 - - - - 1,5 Mn BT8* 6,5 3,5 - 0,2 - - BT9* 6,5 3,5 - 0,2 - 2 Zr BT20* ! + 6 1 - - 1 2 Zr * Stopy rosyjskie, pozosta#e ameryka&skie. Stopy ! + . Warunkiem uzyskania dwufazowej struktury ! + jest obecno!" w stopie odpowiedniej ilo!ci pierwiastków stabilizuj%cych faz$ . Najbardziej odpowiednimi zarówno ze wzgl$du na w#asno!ci ich roztworów w tytanie, jak i cen$ s% mangan, wanad, molibden, chrom i elazo. Wszystkie te pierwiastki rozpuszczaj% si$ bardzo dobrze w tytanie i bardzo s#abo w tytanie !, w zwi%zku z czym ich wp#yw na w#asno!ci mechaniczne wyst$puje przede wszystkim w fazie . W#asno!ci mechaniczne stopów tej grupy zale % wi$c od ilo!ci i w#asno!ci fazy . Wi$kszo!" jednak stopów ! + oprócz wymienionych pierwiastków zawiera jeszcze aluminium, które dobrze rozpuszcza si$ zarówno w tytanie !, jak i w tytanie . W takim przypadku w#asno!ci stopu s% wypadkow% w#asno!ci obu faz. Ogólnie wi$c stopy ! + mo na podzieli" na dwie podgrupy: a) stopy zawieraj%ce tylko pierwiastki stabilizuj%ce faz$ , b) stopy zawieraj%ce pierwiastki stabilizuj%ce faz$ i aluminium. Stopy ! + zawieraj%ce aluminium cechuj% wysokie wska'niki w#asno!ci mechanicznych. Na rys. 11.4a, b i c pokazano zakresy wytrzyma#o!ci na rozci%ganie w podwy szonych temperaturach dla poszczególnych typów stopów tytanu, a na rys. 11.4d - krzywe reprezentuj%ce !rednie warto!ci tej wytrzyma#o!ci. Wyra'nie wida", e stopy ! + zawieraj%ce aluminium s% stopami najbardziej wytrzyma#ymi i w temperaturze pokojowej i w temperaturach podwy szonych. Natomiast pozosta#e stopy ! + i stopy ! do temperatury oko#o 370°C maj% wytrzyma#o!" zbli on%, powy ej tej temperatury bardziej wytrzyma#e s% stopy !$(wp#yw aluminium). Wytrzyma#o!" zm$czeniowa i udarno!" stopów ! + zawieraj%cych aluminium s% mniej wi$cej takie same, jak stopów bez aluminium, wytrzyma#o!" na pe#zanie nieco wy sza. Ponadto stopy ! + zawieraj%ce aluminium cechuje mniejsza g$sto!", lepsza obrabialno!" skrawaniem i ni sza temperatura przemiany martenzytycznej. Przyk#adow% mikrostruktur$ stopu ! + (BT3- 1) po przeróbce plastycznej okazano na rys. 11.5. docsity.com 175 JW Rys. 11.4. Wytrzyma#o!" na rozci%ganie w stanie wy arzonym: a) stopów !, b) stopów ! + nie zawieraj%cych aluminium, c) stopów ! + zawieraj%cych aluminium; d) !rednia wytrzyma#o!" na rozci%ganie: l — stopów !, 2 — stopów ! + nie zawieraj%cych aluminium, 3 - stopów ! + zawieraj%cych aluminium Rys.11.5. Mikrostruktura stopu tytanu ! + (BT3-1) po obróbce plastycznej. Na tle ciemnych kryszta#ów widoczne jasne, iglaste kryszta#y !. Traw. odczynnikiem Krolla. Powi$ksz. 250x Wytrzyma#o!" wi$kszo!ci stopów ! + mo e by" dodatkowo podwy szona przez odpowiedni% obróbk$ ciepln%, sk#adaj%c% si$ z przech#odzenia i starzenia. Pierwszy proces polega na nagrzaniu do temperatury istnienia stabilnej fazy lub nieco poni ej (tzn. do obszaru dwufazowego ! + , ale w pobli u jego górnej granicy), wygrzaniu w tej temperaturze i nast$pnie szybkim och#odzeniu. W wyniku otrzymuje si$ b%d' faz$ w stanie nierównowagi, b%d' mieszanin$ faz ! + , w której faza jest tak e w stanie nierównowagi. W adnym przypadku nie wolno jednak dopu!ci" do przemiany martenzytycznej i wydzielenia si$ fazy !'. Proces starzenia polega na nagrzaniu do temperatury 450 % 600°C, zale nie od sk#adu chemicznego obrabianego stopu. Czas wygrzewania i sposób ch#odzenia (powietrze, woda) równie zale % od sk#adników stopu. W czasie starzenia nast$puje cz$!ciowy rozk#ad nietrwa#ej fazy na ! + . Bez wzgl$du na pierwotn% struktur$ stopu podlegaj%cego starzeniu ( czy ! + ), w#asno!ci mechaniczne po starzeniu zale % od postaci wydziele& fazy ! powstaj%cej w wyniku rozk#adu fazy . oraz od ilo!ciowego stosunku faz ! i . Przech#odzenie i starzenie zwykle powoduj% spadek wska'ników w#asno!ci plastycznych, natomiast wytrzyma#o!" wzrasta o oko#o 35% w stosunku do wytrzyma#o!ci stopów w stanie wy arzonym. Stopy ! + podlegaj% równie wy arzaniu rekrystalizuj%cemu i odpr$ aj%cemu. podobnie jak stopy !. Spawalno!" stopów ! + jest zale na przede wszystkim od procentowej zawarto!ci pierwiastków stabilizuj%cych faz$ . Przy zawarto!ci do 3% stopy ! + s% mniej czu#e na szybko!" ch#odzenia po spawaniu i wykonane z nich z#%cza spawane maj% zadowalaj%ce w#asno!ci mechaniczne. Je!li jednak zawarto!" pierwiastków stopowych (bez aluminium) przekracza 3%, z#%cza bezpo!rednio po spawaniu s% kruche i wymagaj% odpowiedniej obróbki cieplnej. docsity.com