Características físicas y propiedades de uno de los metales más duros: el titanio. El titanio es metal. propiedades del titanio. Aplicación de titanio. Grados y composición química del titanio.
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Titanio y sus aleacionesTitanio Está ampliamente distribuido en la corteza terrestre, donde contiene alrededor del 6%, y en términos de prevalencia ocupa el cuarto lugar después del aluminio, el hierro y el magnesio. Sin embargo, el método industrial de su extracción se desarrolló solo en los años 40 del siglo XX. Gracias al progreso en el campo de la fabricación de aviones y cohetes, la producción de titanio y sus aleaciones se ha desarrollado intensamente. Esto se debe a una combinación de propiedades tan valiosas del titanio como baja densidad, alta resistencia específica (s en /r × gramo), resistencia a la corrosión, capacidad de fabricación en el tratamiento a presión y soldabilidad, resistencia al frío, falta de magnetismo y una serie de otras características físicas y mecánicas valiosas que se enumeran a continuación.
Características de las propiedades físicas y mecánicas del titanio (VT1-00)
| Densidad r, kg / m 3 | 4,5 × 10 -3 |
| Temperatura de fusión T pl , ºC | 1668±4 |
| Coeficiente de dilatación lineal a × 10 –6 , grado –1 | 8,9 |
| Conductividad térmica l , W/(m × grados) | 16,76 |
| Resistencia a la tracción s en, MPa | 300–450 |
| Límite elástico condicional s 0,2 , MPa | 250–380 |
| Fuerza específica (s en /r×g)× 10 –3 , km | 7–10 |
| Elongación relativa d, % | 25–30 |
| Contracción relativa Y , % | 50–60 |
| Módulo de elasticidad normal MI 10 –3 MPa | 110,25 |
| Módulo de corte GRAMO 10 –3 MPa | 41 |
| relación de Poisson m, | 0,32 |
| Dureza HB | 103 |
| Resistencia al impacto KCU, J/cm2 | 120 |
El titanio tiene dos modificaciones polimórficas: a-titanio con una red hexagonal compacta con períodos un= 0,296nm, con= 0,472 nm y una modificación a alta temperatura de b-titanio con una red cúbica centrada en el cuerpo con un período un\u003d 0.332 nm a 900 ° C. La temperatura de la transformación polimórfica "b" es de 882 ° C.
Las propiedades mecánicas del titanio dependen significativamente del contenido de impurezas en el metal. Hay impurezas intersticiales: oxígeno, nitrógeno, carbono, hidrógeno e impurezas de sustitución, que incluyen hierro y silicio. Aunque las impurezas aumentan la resistencia, al mismo tiempo reducen drásticamente la ductilidad y las impurezas intersticiales, especialmente los gases, tienen el efecto negativo más fuerte. Con la introducción de solo 0,003 % de H, 0,02 % de N o 0,7 % de O, el titanio pierde por completo su capacidad de deformación plástica y se vuelve quebradizo.
Especialmente dañino es el hidrógeno, que causa fragilización por hidrógeno aleaciones de titanio. El hidrógeno ingresa al metal durante la fusión y el procesamiento posterior, en particular, durante el decapado de productos semiacabados. El hidrógeno es escasamente soluble en a-titanio y forma partículas de hidruro lamelares, que reducen la resistencia al impacto y son especialmente negativas en las pruebas de fractura retardada.
Un método industrial para la producción de titanio consiste en el enriquecimiento y cloración del mineral de titanio, seguido de su recuperación a partir de tetracloruro de titanio con magnesio metálico (método térmico de magnesio). Obtenido por este método esponja de titanio(GOST 17746–79), según la composición química y las propiedades mecánicas, se producen los siguientes grados:
TG-90, TG-100, TG-110, TG-120, TG-130, TG-150, TG-T V (ver Tabla 17.1). Los números significan dureza Brinell HB, TB - dura.
Para obtener titanio monolítico, la esponja se muele hasta convertirla en polvo, se prensa y se sinteriza o se vuelve a fundir en hornos de arco al vacío o en una atmósfera de gas inerte.
Las propiedades mecánicas del titanio se caracterizan por una buena combinación de resistencia y ductilidad. Por ejemplo, el grado de titanio comercialmente puro VT1-0 tiene: s in = 375–540 MPa, s 0.2 = 295–410 MPa, d ³ 20%, y estas características no son inferiores a una serie de aceros resistentes a la corrosión al carbono y Cr-Ni.
La alta ductilidad del titanio en comparación con otros metales con una red hcp (Zn, Mg, Cd) se explica por una gran cantidad de sistemas de deslizamiento y maclado debido a la pequeña relación con/un= 1.587. Aparentemente, esta es la razón de la alta resistencia al frío del titanio y sus aleaciones (ver el Capítulo 13 para más detalles).
Cuando la temperatura sube a 250 ° C, la resistencia del titanio disminuye casi 2 veces. Sin embargo, las aleaciones de Ti resistentes al calor no tienen igual en términos de resistencia específica en el rango de temperatura de 300 a 600 °C; a temperaturas superiores a 600°C, las aleaciones de titanio son inferiores a las aleaciones a base de hierro y níquel.
El titanio tiene un bajo módulo de elasticidad normal ( mi= 110,25 GPa) - casi 2 veces menor que la del hierro y el níquel, lo que dificulta la fabricación de estructuras rígidas.
El titanio es uno de los metales reactivos, pero tiene una alta resistencia a la corrosión, ya que en su superficie se forma una película de TiO 2 pasiva estable, que está firmemente unida al metal base y excluye su contacto directo con un ambiente corrosivo. El espesor de esta película suele alcanzar los 5-6 nm.
Debido a la película de óxido, el titanio y sus aleaciones no se corroen en la atmósfera, en agua dulce y salada, son resistentes a la corrosión por cavitación y a la corrosión bajo tensión, así como a los ácidos orgánicos.
La producción de productos a partir de titanio y sus aleaciones tiene una serie de características tecnológicas. Debido a la alta actividad química del titanio fundido, su fusión, fundición y soldadura por arco se realizan en vacío o en atmósfera de gases inertes.
Durante el calentamiento tecnológico y operativo, especialmente por encima de 550–600 °C, es necesario tomar medidas para proteger el titanio de la oxidación y la saturación de gas (capa alfa) (ver Cap. 3).
El titanio se procesa bien por presión en estado caliente y satisfactoriamente en frío. Es fácil de enrollar, forjar, estampar. El titanio y sus aleaciones están bien soldados por resistencia y soldadura por arco de argón, proporcionando alta resistencia y ductilidad de la unión soldada. La desventaja del titanio es la mala maquinabilidad debido a la adherencia, la baja conductividad térmica y las malas propiedades antifricción.
El objetivo principal de la aleación de aleaciones de titanio es aumentar la resistencia, la resistencia al calor y la resistencia a la corrosión. Aplicación amplia encontró aleaciones de titanio con aluminio, cromo, molibdeno, vanadio, manganeso, estaño y otros elementos. Los elementos de aleación tienen una gran influencia en las transformaciones polimórficas del titanio.
Tabla 17.1
Grados, composición química (%) y dureza del titanio esponjoso (GOST 17746–79)
| Ti, no menos | Dureza HB, 10/1500/30, no más |
||||||||
Tabla 17.2
Grados y composición química (%) de aleaciones de titanio forjado (GOST 19807–91)
| Notación | ||||||||||||||
Nota. La suma de otras impurezas en todas las aleaciones es 0,30%, en la aleación VT1-00 - 0,10%.
La formación de la estructura y, en consecuencia, las propiedades de las aleaciones de titanio están influenciadas decisivamente por las transformaciones de fase asociadas con el polimorfismo del titanio. En la fig. 17.1 muestra diagramas de los diagramas de estado del "elemento de aleación de titanio", que reflejan la división de los elementos de aleación según la naturaleza de su influencia en las transformaciones polimórficas del titanio en cuatro grupos.
un - Estabilizadores(Al, O, N), que aumentan la temperatura de la transformación polimórfica a «b y amplían el rango de soluciones sólidas a base de a-titanio (Fig. 17.1, un). Teniendo en cuenta el efecto de fragilización del nitrógeno y el oxígeno, solo el aluminio es de importancia práctica para la aleación de titanio. Es el principal elemento de aleación en todas las aleaciones industriales de titanio, reduce su densidad y tendencia a la fragilización por hidrógeno y también aumenta la resistencia y el módulo de elasticidad. Las aleaciones con una estructura a estable no se endurecen con el tratamiento térmico.
Estabilizadores b isomórficos (Mo, V, Ni, Ta, etc.), que reducen la temperatura de una transformación b y amplían el rango de soluciones sólidas basadas en b-titanio (Fig. 17.1, b).
Los b-estabilizadores formadores de eutectoide (Cr, Mn, Cu, etc.) pueden formar compuestos intermetálicos del tipo TiX con titanio. En este caso, cuando se enfría, la fase b sufre una transformación eutectoide b ® a + TiX (Fig. 17.1, en). Mayoria
Los estabilizadores b aumentan la resistencia, la resistencia al calor y la estabilidad térmica de las aleaciones de titanio, reduciendo un poco su ductilidad (Fig. 17.2.). Además, las aleaciones con estructura (a+b) y pseudo-b pueden endurecerse mediante tratamiento térmico (endurecimiento + envejecimiento).
Los elementos neutros (Zr, Sn) no afectan significativamente la temperatura de transformación polimórfica y no cambian la composición de fase de las aleaciones de titanio (Fig. 17.1, GRAMO).
La transformación polimórfica b ® a puede ocurrir de dos maneras. Con enfriamiento lento y alta movilidad de los átomos, ocurre de acuerdo con el mecanismo de difusión habitual con la formación de una estructura poliédrica de una solución sólida. Con enfriamiento rápido - por un mecanismo martensítico sin difusión con la formación de una estructura martensítica acicular, denotada como ¢ o con un mayor grado de aleación - a ¢ ¢ . La estructura cristalina de a , a ¢ , a ¢ ¢ es prácticamente del mismo tipo (HCP), sin embargo, la red de a ¢ y a ¢ ¢ está más distorsionada, y el grado de distorsión aumenta con el aumento de la concentración de elementos de aleación. Existe evidencia [1] de que la red de la fase a ¢ ¢ es más ortorrómbica que hexagonal. Cuando envejecen las fases a ¢ y a ¢ ¢ se separan la fase b o fase intermetálica.
Arroz. 17.1. Diagramas de estado de los sistemas (esquemas) de "elementos de aleación de Ti":
un) "Ti-a-estabilizadores";
b) “Estabilizadores b ti-isomorfos”;
en) "B-estabilizadores formadores de eutectoide Ti";
GRAMO) "Elementos neutros al Ti"
Arroz. 17.2. Influencia de los elementos de aleación en las propiedades mecánicas del titanio
A diferencia de la martensita de aceros al carbono, que es una solución intersticial y se caracteriza por una alta resistencia y fragilidad, la martensita de titanio es una solución de sustitución, y el enfriamiento rápido de las aleaciones de titanio por martensita a ¢ conduce a un endurecimiento leve y no se acompaña de una fuerte disminución de la plasticidad. .
Las transformaciones de fase que ocurren durante el enfriamiento lento y rápido de las aleaciones de titanio con diferentes contenidos de estabilizadores b, así como las estructuras resultantes, se muestran en un diagrama generalizado (Fig. 17.3). Es válido para estabilizadores b isomorfos (Fig. 17.1, b) y, con cierta aproximación, para estabilizadores b formadores de eutectoide (Fig. 17.1, en), ya que la descomposición eutectoide en estas aleaciones es muy lenta y puede despreciarse.
Arroz. 17.3. Esquema de cambio en la composición de fase de las aleaciones "Ti-b-estabilizador" según la velocidad
enfriamiento y endurecimiento de la región b
Con enfriamiento lento en aleaciones de titanio, dependiendo de la concentración de estabilizadores b, se pueden obtener estructuras: a, a + bo b, respectivamente.
Durante el enfriamiento como resultado de la transformación martensítica en el rango de temperatura M n -M k (que se muestra en la línea de puntos en la Fig. 17.3), se deben distinguir cuatro grupos de aleaciones.
El primer grupo incluye aleaciones con una concentración de elementos estabilizadores b hasta C 1, es decir, aleaciones que, cuando se templan desde la región b, tienen exclusivamente una estructura ¢ (a ¢ ¢). Después de apagar estas aleaciones desde temperaturas (a + b)-región en el rango de transformación polimórfica a T 1, su estructura es una mezcla de las fases a ¢ (a ¢ ¢), a y b, y después de enfriarse a temperaturas inferiores a T cr tienen una estructura (a + b).
El segundo grupo está formado por aleaciones con una concentración de elementos de aleación de C 1 a C cr, en las que al ser apagadas desde la región b, la transformación martensítica no se produce hasta el final y tienen la estructura a ¢ (a ¢ ¢ ) y B. Las aleaciones de este grupo después del enfriamiento desde temperaturas de transformación polimórfica a T kr tienen la estructura a ¢ (a ¢ ¢), a y b, y con temperaturas inferiores a T cr - estructura (a + b).
Endurecimiento de aleaciones del tercer grupo con una concentración de elementos estabilizadores b de C cr a C 2 desde temperaturas en la región b o desde temperaturas de transformación polimórfica a T 2 se acompaña de la transformación de parte de la fase b en la fase w, y las aleaciones de este tipo después del enfriamiento rápido tienen la estructura (b + w). Aleaciones del tercer grupo después del endurecimiento a temperaturas inferiores a T 2 tienen la estructura (b + a).
Las aleaciones del cuarto grupo después del enfriamiento desde temperaturas por encima de la transformación polimórfica tienen exclusivamente una estructura b, y desde temperaturas por debajo de la transformación polimórfica - (b + a).
Cabe señalar que las transformaciones b ® b + w pueden ocurrir tanto durante el enfriamiento rápido de aleaciones con una concentración de (С cr –С 2) como durante el envejecimiento de aleaciones con una concentración de más de С 2 que tienen una fase b metaestable . En cualquier caso, la presencia de la fase w es indeseable, ya que fragiliza fuertemente aleaciones de titanio. Los regímenes de tratamiento térmico recomendados excluyen su presencia en aleaciones industriales o su aparición en condiciones de operación.
Para las aleaciones de titanio se utilizan los siguientes tipos de tratamientos térmicos: recocido, temple y envejecimiento, así como tratamientos químico-térmicos (nitruración, siliconización, oxidación, etc.).
El recocido se lleva a cabo para todas las aleaciones de titanio con el fin de completar la formación de la estructura, nivelando la heterogeneidad estructural y de concentración, así como las propiedades mecánicas. La temperatura de recocido debe ser mayor que la temperatura de recristalización, pero menor que la temperatura de transición al estado b ( T pp) para evitar el crecimiento del grano. Aplicar recocido convencional, doble o isotérmico(para estabilizar la estructura y las propiedades), incompleto(para aliviar tensiones internas).
El enfriamiento rápido y el envejecimiento (tratamiento térmico de endurecimiento) son aplicables a las aleaciones de titanio con estructura (a + b). El principio del tratamiento térmico de endurecimiento es obtener fases metaestables b , a ¢ , a ¢ ¢ durante el enfriamiento y su posterior descomposición con la liberación de partículas dispersas a - y b -fases durante el envejecimiento artificial. En este caso, el efecto de fortalecimiento depende del tipo, cantidad y composición de las fases metaestables, así como de la finura de las partículas de las fases a y b formadas después del envejecimiento.
El tratamiento químico-térmico se lleva a cabo para aumentar la dureza y la resistencia al desgaste, la resistencia al "gripamiento" cuando se trabaja en condiciones de fricción, la resistencia a la fatiga, así como mejorar la resistencia a la corrosión, la resistencia al calor y la resistencia al calor. La nitruración, la siliconación y algunos tipos de metalización por difusión tienen aplicaciones prácticas.
Las aleaciones de titanio, en comparación con el titanio técnico, tienen una mayor resistencia, incluso a altas temperaturas, al tiempo que mantienen una ductilidad y una resistencia a la corrosión suficientemente altas.
Marcas y composición química de productos domésticos.
aleaciones (GOST 19807-91) se presentan en la Tabla. 17.2.
Según la tecnología de fabricación, las aleaciones de titanio se dividen en forjado y fundición; según el nivel de propiedades mecánicas - para aleaciones baja resistencia y alta ductilidad, medio fuerza, alta resistencia; según las condiciones de uso - en resistente al frío, resistente al calor, resistente a la corrosión . Según la capacidad de endurecimiento por tratamiento térmico, se dividen en curtido y no endurecido, según la estructura en el estado recocido - en a -, pseudo-a -, (a + b) -, pseudo-b - y b-aleaciones (Tabla 17.3).
Los grupos separados de aleaciones de titanio difieren en el valor del coeficiente de estabilización condicional Kb, que muestra la relación entre el contenido del elemento de aleación estabilizador b y su contenido en una aleación de composición crítica con cr. Cuando la aleación contiene varios elementos b-estabilizadores, su Kb resumió.
< 700 MPa, a saber: a - aleaciones de los grados VT1-00, VT1-0 (titanio técnico) y aleaciones OT4-0, OT4-1 (sistema Ti-Al-Mn), AT3 (sistema Ti-Al con pequeñas adiciones de Cr , Fe, Si, B), relacionado con pseudo-a-aleaciones con una pequeña cantidad de fase b. Las características de resistencia de estas aleaciones son más altas que las del titanio puro debido a las impurezas en las aleaciones VT1-00 y VT1-0 y la ligera aleación con estabilizadores a y b en las aleaciones OT4-0, OT4-1, AT3.
Estas aleaciones se caracterizan por una gran ductilidad tanto en frío como en caliente, lo que permite obtener todo tipo de semielaborados: láminas, flejes, chapas, planchas, forjados, estampados, perfiles, tubos, etc. Las propiedades mecánicas de Los productos semiacabados de estas aleaciones se dan en la tab. 17.4–17.6.
Tabla 17.3
Clasificación de las aleaciones de titanio por estructura.
| grupo de aleación | Grado de aleación |
| VT1-00, VT1-0, VT5, VT5-1, PT-7M |
|
| Pseudo-a-aleaciones | OT4-0, OT4-1, OT4, VT20, AT3 |
| (a + b)-clase martensítica ( Kb= 0,3–0,9) | VT6S, VT6, VT14, VT8, VT9, PT-3V, VT3-1, AT3 |
| (a + b)-Aleaciones de clase de transición ( Kb= 1,0–1,4) | |
| Pseudo-b-aleaciones ( Kb= 1,5–2,4) | VT35*, VT32*, VT15 |
| b-Aleaciones ( Kb= 2,5–3,0) |
* Aleaciones experimentales.
Tabla 17.4
Propiedades mecánicas de láminas de aleación de titanio (GOST 22178–76)
| Grados de titanio | Condición de muestra | El grosor de una hoja, | Resistencia a la tracción, s en, MPa | Elongación relativa, d, % |
| recocido | ||||
| St. 6.0–10.5 | ||||
| St. 6.0–10.5 | ||||
| recocido | ||||
| St. 6.0–10.5 | ||||
| St. 6.0–10.5 | ||||
| St. 6.0–10.5 | ||||
| 885 (885–1080) | ||||
| recocido | 885 (885–1050) | |||
| St. 5.0–10.5 | 835 (835–1050) | |||
| templado y | ||||
| St. 7.0–10.5 | ||||
| recocido | 930 (930–1180) | |||
| St. 4.0–10.5 | ||||
| recocido | 980 (980–1180) | |||
| St. 4.0–10.5 | ||||
Nota. Las cifras entre paréntesis corresponden a láminas con un alto acabado superficial.
Tabla 17.5
Propiedades mecánicas de barras hechas de aleaciones de titanio (GOST 26492–85)
| Grado de aleación | Expresar | Diámetro de la barra | Límite | Pariente | Pariente | percusión |
| recocido | ||||||
| recocido | ||||||
| recocido | 885 (905–1050) | |||||
| 835 (835–1050) | ||||||
| Endurecido y envejecido | ||||||
| recocido | ||||||
| Endurecido y envejecido | ||||||
| recocido | 930 (980–1230) | |||||
| 930 (930–1180) | ||||||
| 980 (980–1230) | ||||||
| 930 (930–1180) | ||||||
| 980 (1030–1230) | ||||||
| 930 (980–1230) | ||||||
| recocido | 885 (885–1080) | |||||
| 865 (865–1080) | ||||||
| Endurecido y envejecido | ||||||
| recocido | 885 (930–1130) | |||||
| 885 (885–1130) | ||||||
| 1030 (1080–1230) | ||||||
| 1030 (1080–1280) | ||||||
Nota. Los datos entre paréntesis corresponden a barras de mayor calidad.
Tabla 17.6
Propiedades mecánicas de placas de aleación de titanio (GOST 23755–79)
| Grado de aleación | Expresar | espesor de la placa, | Resistencia a la tracción s en, MPa | Elongación relativa d, % | Contracción relativa y , % | Resistencia al impacto KCU, J/cm2 |
| Sin | ||||||
| recocido | ||||||
| recocido | ||||||
| Endurecido y envejecido | ||||||
| recocido | ||||||
| Sin tratamiento térmico | ||||||
La forja, el estampado volumétrico y de láminas, el laminado, el prensado se realizan en estado caliente de acuerdo con los modos indicados en la Tabla. 17.7. El laminado final, el estampado de chapas, el trefilado y otras operaciones se realizan en frío.
Estas aleaciones y los productos derivados de ellas se someten únicamente a recocido según los modos indicados en la Tabla. 17.8. El recocido incompleto se utiliza para aliviar las tensiones internas resultantes del mecanizado, estampado de láminas, soldadura, etc.
Estas aleaciones se sueldan bien mediante soldadura por fusión (argón-arco, arco sumergido, electroescoria) y contacto (punto, rodillo). En la soldadura por fusión, la resistencia y ductilidad de la unión soldada son casi las mismas que las del metal base.
La resistencia a la corrosión de estas aleaciones es alta en muchos medios (agua de mar, cloruros, álcalis, ácidos orgánicos, etc.), excepto para soluciones de HF, H 2 SO 4 , HCl y algunos otros.
Solicitud. Estas aleaciones se utilizan ampliamente como materiales estructurales para la fabricación de casi todo tipo de productos, piezas y estructuras semiacabados, incluidos los soldados. Su uso más efectivo es en ingeniería aeroespacial, ingeniería química, ingeniería criogénica (Tabla 17.9.), así como en unidades y estructuras que operan a temperaturas de hasta 300–350 ° C.
Este grupo incluye aleaciones con resistencia a la tracción s en = 750–1000 MPa, a saber: a - aleaciones de grados VT5 y VT5-1; pseudo-a-aleaciones de grados OT4, VT20; (a + b)-aleaciones de grados PT3V, así como VT6, VT6S, VT14 en estado recocido.
Las aleaciones VT5, VT5-1, OT4, VT20, PT3V, VT6S, que contienen una pequeña cantidad de la fase b (2–7 % de la fase b en el estado de equilibrio), no se someten a un tratamiento térmico de endurecimiento y se utilizan en estado recocido. La aleación VT6S a veces se usa en un estado endurecido térmicamente. Las aleaciones VT6 y VT14 se utilizan tanto en estado recocido como templado térmicamente. En este último caso su resistencia llega a ser superior a 1000 MPa, y serán consideradas en el apartado de aleaciones de alta resistencia.
Las aleaciones consideradas, además de una mayor resistencia, conservan una ductilidad satisfactoria en frío y una buena ductilidad en caliente, lo que permite obtener de ellas todo tipo de productos semiacabados: chapas, flejes, perfiles, forjados, estampados. , tuberías, etc. La excepción es la aleación VT5, a partir de la cual no se producen láminas y placas debido a la baja plasticidad tecnológica. Los modos de tratamiento de presión caliente se dan en la tabla. 17.7.
Esta categoría de aleaciones representa la mayor parte de la producción de productos semiacabados utilizados en la ingeniería mecánica. Las características mecánicas de los principales productos semielaborados se dan en la tabla. 17.4–17.6.
Todas las aleaciones de resistencia media se sueldan bien con todos los tipos de soldadura utilizados para el titanio. La resistencia y ductilidad de una unión soldada realizada mediante soldadura por fusión está cerca de la resistencia y ductilidad del metal base (para las aleaciones VT20 y VT6S, esta relación es de 0,9 a 0,95). Después de la soldadura, se recomienda un recocido incompleto para aliviar las tensiones internas de la soldadura (Tabla 17.8).
La maquinabilidad de estas aleaciones es buena. La resistencia a la corrosión en los entornos más agresivos es similar al titanio técnico VT1-0.
Tabla 17.7
Modos de conformado en caliente de aleaciones de titanio.
| Grado de aleación | Modo de forja de lingotes | Modo de forja pre | Presione el modo de estampado | Modo de estampado de martillo | Modo |
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| temperatura | grosor, | temperatura | temperatura | temperatura | temperatura |
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| el final | el final | el final | el final |
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| Todos | ||||||||||||||
| 40–70 | ||||||||||||||
| 40–70 | ||||||||||||||
| 40–50** | ||||||||||||||
| 40–50** | ||||||||||||||
| 850 | 40–50** | |||||||||||||
| Todos | ||||||||||||||
* Grado de deformación por calentamiento, %.
** Deformación en la región (a + b).
*** Deformación en la región b.
Tabla 17.8
Modos de recocido para aleaciones de titanio
| Grado de aleación | Temperatura de recocido, ° С | Nota |
|
| Hojas | Barras, forjas, estampados, |
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| 445–585 ° С* |
|||
| 445–585 ° С* |
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| 480–520 ° С* |
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| 520–560 ° С* |
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| 545–585 ° С* |
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| Recocido isotérmico: calentamiento a 870–920 °C, mantenimiento, enfriamiento a 600–650 °C, enfriamiento con horno o transferencia a otro horno, mantenimiento 2 h, enfriamiento por aire |
|||
| Recocido doble, mantenimiento a 550–600 °C durante 2–5 horas Recocido a 850 °C, se permite el enfriamiento por aire para las piezas de potencia |
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| 550–650 ° С* |
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| El recocido está permitido según los modos: 1) calentamiento hasta 850 °C, mantenimiento, enfriamiento en horno hasta 750 °C, mantenimiento durante 3,5 horas, enfriamiento al aire; 2) calentar hasta 800°C, mantener durante 30 min, enfriar con un horno hasta 500°C, luego al aire |
|||
| Doble recocido, exposición a 570–600 ° С - 1 h. Se permite el recocido isotérmico: calentar hasta 920–950°C, mantener, enfriar con un horno o transferir a otro horno con una temperatura de 570–600°C, mantener durante 1 h, enfriar al aire |
|||
| Doble recocido, exposición a 530–580 °C - 2–12 h. Se permite el recocido isotérmico: calentamiento hasta 950–980 °C, mantenimiento, enfriamiento con un horno o transferencia a otro horno con una temperatura de 530–580 °C, mantenimiento durante 2–12 h, enfriamiento en aire |
|||
| 550–650 ° С* |
|||
| Se permite el recocido isotérmico: calentar hasta 790–810°C, mantener, enfriar con un horno o transferir a otro horno hasta 640–660°C, mantener durante 30 min, enfriar al aire |
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| Se permite el recocido de piezas de chapa a 650–750 ° С, (600–650 °C)* |
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| (dependiendo de la sección y tipo de producto semiacabado) | Enfriamiento con estufa a razón de 2–4 °C/min hasta 450 °C, luego al aire. Doble recocido, exposición a 500–650 ° С durante 1–4 horas Se permite el doble recocido para piezas que funcionan a temperaturas de hasta 300 ° С y una duración de hasta 2000 h |
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| (545–585°C*) |
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* Temperaturas de recocido incompletas.
Tabla 17.9
Características mecánicas de las aleaciones de titanio a bajas temperaturas
| s en (MPa) a temperatura, ° С | d (%) a temperatura, ° С | KCU, J / cm 2 a temperatura, ° С |
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Solicitud. Estas aleaciones se recomiendan para la fabricación de productos por estampación de chapa (OT4, VT20), para piezas y conjuntos soldados, para piezas soldadas por estampación (VT5, VT5-1, VT6S, VT20), etc. La aleación VT6S es muy utilizada para la fabricación de recipientes y recipientes a presión. Las piezas y conjuntos hechos de aleaciones OT4, VT5 pueden funcionar durante mucho tiempo a temperaturas de hasta 400 ° C y por poco tiempo, hasta 750 ° C; de aleaciones VT5-1, VT20 - durante mucho tiempo a temperaturas de hasta 450–500 ° C y por poco tiempo - hasta 800–850 ° C. Las aleaciones VT5-1, OT4, VT6S también se recomiendan para uso en refrigeración y tecnología criogénica (Cuadro 17.9).
Este grupo incluye aleaciones con una resistencia a la tracción s> 1000 MPa, a saber, aleaciones (a + b) de grados VT6, VT14, VT3-1, VT22. La alta resistencia en estas aleaciones se logra mediante un tratamiento térmico de endurecimiento (endurecimiento + envejecimiento). La excepción es la aleación de alta aleación VT22, que incluso en estado recocido tiene s B > 1000 MPa.
Estas aleaciones, junto con una alta resistencia, conservan una buena (VT6) y satisfactoria (VT14, VT3-1, VT22) ductilidad tecnológica en estado caliente, lo que permite obtener a partir de ellas varios semielaborados: chapas (excepto VT3- 1), varillas, placas, piezas forjadas, estampados, perfiles, etc. Los modos de conformado en caliente se dan en la Tabla. 17.7. Las aleaciones VT6 y VT14 en estado recocido (s en » 850 MPa) se pueden forjar en frío con pequeñas deformaciones. Las características mecánicas de los principales productos semielaborados en los estados recocido y endurecido se dan en la Tabla. 17.4–17.6.
A pesar de la estructura heterofásica, las aleaciones consideradas tienen una soldabilidad satisfactoria para todos los tipos de soldadura utilizados para el titanio. Para asegurar el nivel requerido de resistencia y plasticidad, es obligatorio un recocido completo, y para la aleación VT14 (con un espesor de las partes soldadas de 10 a 18 mm), se recomienda realizar un endurecimiento seguido de un envejecimiento. En este caso, la resistencia de la unión soldada (soldadura por fusión) es al menos 0,9 de la resistencia del metal base. La ductilidad de la unión soldada está cerca de la ductilidad del metal base.
La maquinabilidad es satisfactoria. El mecanizado de aleaciones se puede realizar tanto en estado recocido como templado térmicamente.
Estas aleaciones tienen una alta resistencia a la corrosión en los estados recocido y endurecido térmicamente en una atmósfera húmeda, agua de mar y en muchos otros ambientes agresivos, como el titanio comercial.
Tratamiento térmico . Las aleaciones VT3-1, VT6, VT6S, VT14, VT22 están sujetas a endurecimiento y envejecimiento (ver arriba). Los modos de calentamiento recomendados para el endurecimiento y el envejecimiento de productos monolíticos, productos semiacabados y piezas soldadas se indican en la Tabla. 17.10.
El enfriamiento durante el enfriamiento se lleva a cabo en agua y, después del envejecimiento, en el aire. Se proporciona una templabilidad total para piezas fabricadas con aleaciones VT6, VT6S con una sección transversal máxima de hasta 40–45 mm, y aleaciones VT3-1, VT14, VT22, hasta 60 mm.
Para asegurar una combinación satisfactoria de resistencia y ductilidad de las aleaciones con una estructura (a + b) después del templado y el envejecimiento, es necesario que su estructura sea equiaxial o "bastidor" antes del tratamiento térmico de endurecimiento. Los ejemplos de microestructuras iniciales que proporcionan propiedades satisfactorias se muestran en las Figs. 17.4 (tipos 1–7).
Tabla 17.10
Modos de tratamiento térmico de refuerzo de aleaciones de titanio
| Grado de aleación | Temperatura de transformación polimórfica T pp, ° С | Temperatura | Temperatura | Duración |
La estructura acicular inicial de la aleación con la presencia de límites de grano primarios de la fase b (tipos 8–9) durante el sobrecalentamiento después del enfriamiento rápido y el envejecimiento o el recocido conduce al matrimonio, una disminución de la resistencia y la ductilidad. Por lo tanto, es necesario evitar calentar las aleaciones (a + b) a temperaturas superiores a la temperatura de transformación polimórfica, ya que es imposible corregir la estructura sobrecalentada mediante tratamiento térmico.
Se recomienda que el calentamiento durante el tratamiento térmico se realice en hornos eléctricos con control y registro automáticos de temperatura. Para evitar la formación de incrustaciones, el calentamiento de las piezas y láminas acabadas debe realizarse en hornos con atmósfera protectora o con el uso de revestimientos protectores.
Cuando se calientan piezas de láminas delgadas para el endurecimiento, para igualar la temperatura y reducir su deformación, se coloca una placa de acero de 30 a 40 mm de espesor en el piso del horno. Para endurecer piezas de configuración compleja y piezas de paredes delgadas, se utilizan dispositivos de bloqueo para evitar deformaciones y correas.
Después del procesamiento a alta temperatura (apagado o recocido) en un horno sin atmósfera protectora, los productos semielaborados que no se someten a un procesamiento posterior deben someterse a un chorro de arena o corindón, y los productos en láminas también deben decaparse.
Solicitud. Las aleaciones de titanio de alta resistencia se utilizan para la fabricación de piezas y conjuntos críticos: estructuras soldadas (VT6, VT14), turbinas (VT3-1), conjuntos soldados por estampación (VT14), piezas altamente cargadas y estructuras estampadas (VT22). Estas aleaciones pueden trabajar por mucho tiempo a temperaturas de hasta 400 °C y por poco tiempo hasta 750 °C.
Una característica de las aleaciones de titanio de alta resistencia como material estructural es su mayor sensibilidad a los concentradores de tensión. Por tanto, a la hora de diseñar piezas a partir de estas aleaciones, es necesario tener en cuenta una serie de requisitos (mejora de la calidad superficial, aumento de los radios de transición de un tramo a otro, etc.), similares a los que existen cuando se utilizan aceros de alta resistencia. utilizado.
Propiedades físicas y químicas del titanio, obtención de titanio.
El uso de titanio en forma pura y en forma de aleaciones, el uso de titanio en forma de compuestos, el efecto fisiológico del titanio.
Sección 1. Historia y ocurrencia del titanio en la naturaleza.
Titán -Este un elemento de un subgrupo secundario del cuarto grupo, el cuarto período del sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev, con número atómico 22. La sustancia simple titanio (número CAS: 7440-32-6) es un metal ligero de plata -el color blanco. Existe en dos modificaciones cristalinas: α-Ti con una red compacta hexagonal, β-Ti con un empaquetamiento centrado en el cuerpo cúbico, la temperatura de la transformación polimórfica α↔β es de 883 °C. Punto de fusión 1660±20 °C.
Historia y presencia en la naturaleza del titanio
Titán recibió su nombre de los antiguos caracteres griegos titanes. El químico alemán Martin Klaproth lo nombró así por motivos personales, a diferencia de los franceses, que trataban de dar nombres de acuerdo con las características químicas del elemento, pero como en ese momento se desconocían las propiedades del elemento, tal nombre fue elegido.
El titanio es el décimo elemento en términos de número en nuestro planeta. La cantidad de titanio en la corteza terrestre es 0,57% en peso y 0,001 miligramos por 1 litro de agua de mar. Los depósitos de titanio se encuentran en el territorio de: la República de Sudáfrica, Ucrania, Rusia, Kazajstán, Japón, Australia, India, Ceilán, Brasil y Corea del Sur.
En cuanto a las propiedades físicas, el titanio es un metal plateado ligero, además, se caracteriza por una alta viscosidad durante el mecanizado y es propenso a adherirse a la herramienta de corte, por lo que se utilizan lubricantes especiales o pulverizaciones para eliminar este efecto. A temperatura ambiente, se cubre con una película translúcida de óxido de TiO2, por lo que es resistente a la corrosión en la mayoría de los ambientes agresivos, a excepción de los álcalis. El polvo de titanio tiene la capacidad de explotar, con un punto de inflamación de 400 °C. Las virutas de titanio son inflamables.
Para producir titanio puro o sus aleaciones, en la mayoría de los casos, se utiliza dióxido de titanio con una pequeña cantidad de compuestos incluidos en él. Por ejemplo, un concentrado de rutilo obtenido por beneficio de minerales de titanio. Pero las reservas de rutilo son extremadamente pequeñas y, en relación con esto, se utiliza la llamada escoria sintética de rutilo o titanio, obtenida durante el procesamiento de concentrados de ilmenita.
Se considera que el descubridor del titanio es el monje inglés William Gregor, de 28 años. En 1790, mientras realizaba estudios mineralógicos en su parroquia, llamó la atención sobre la prevalencia y las propiedades inusuales de la arena negra en el valle de Menaken, en el suroeste de Inglaterra, y comenzó a explorarla. En la arena, el sacerdote encontró granos de un mineral negro brillante, atraídos por un imán ordinario. Obtenido en 1925 por Van Arkel y de Boer por el método del yoduro, el titanio más puro resultó ser un metal dúctil y tecnológico con muchas propiedades valiosas, que atrajo la atención de una amplia gama de diseñadores e ingenieros. En 1940, Croll propuso un método térmico de magnesio para extraer titanio de los minerales, que sigue siendo el principal en la actualidad. En 1947 se produjeron los primeros 45 kg de titanio comercialmente puro.
El titanio tiene el número atómico 22 en la tabla periódica de elementos de Mendeleev. Masa atomica el titanio natural, calculado a partir de los resultados de los estudios de sus isótopos, es 47,926. Entonces, el núcleo de un átomo de titanio neutro contiene 22 protones. El número de neutrones, es decir, partículas neutras sin carga, es diferente: más a menudo 26, pero puede variar de 24 a 28. Por lo tanto, el número de isótopos de titanio es diferente. En total, ahora se conocen 13 isótopos del elemento No. 22. El titanio natural consiste en una mezcla de cinco isótopos estables, el titanio-48 es el más representado, su participación en minerales naturales es del 73,99%. El titanio y otros elementos del subgrupo IVB tienen propiedades muy similares a los elementos del subgrupo IIIB (grupo escandio), aunque difieren de estos últimos en su capacidad para exhibir una gran valencia. La similitud del titanio con el escandio, el itrio y los elementos del subgrupo VB, el vanadio y el niobio, también se expresa en el hecho de que el titanio se encuentra a menudo en minerales naturales junto con estos elementos. Con halógenos monovalentes (flúor, bromo, cloro y yodo), puede formar compuestos di-tri y tetra, con azufre y elementos de su grupo (selenio, telurio) - mono y disulfuros, con oxígeno - óxidos, dióxidos y trióxidos .
El titanio también forma compuestos con hidrógeno (hidruros), nitrógeno (nitruros), carbono (carburos), fósforo (fosfuros), arsénico (arsidos), así como compuestos con muchos metales: compuestos intermetálicos. El titanio forma no solo compuestos simples, sino también numerosos compuestos complejos; muchos de sus compuestos con sustancias orgánicas son conocidos. Como puede verse en la lista de compuestos en los que puede participar el titanio, es químicamente muy activo. Y al mismo tiempo, el titanio es uno de los pocos metales con una resistencia a la corrosión excepcionalmente alta: es prácticamente eterno en el aire, en agua fría y hirviendo, es muy resistente en agua de mar, en soluciones de muchas sales, inorgánicas y orgánicas. ácidos. En cuanto a su resistencia a la corrosión en agua de mar, supera a todos los metales, a excepción de los nobles: oro, platino, etc., la mayoría de los tipos de acero inoxidable, níquel, cobre y otras aleaciones. En el agua, en muchos ambientes agresivos, el titanio puro no está sujeto a la corrosión. Resiste la corrosión del titanio y la erosión resultantes de una combinación de efectos químicos y mecánicos en el metal. En este sentido, no es inferior a los mejores grados de aceros inoxidables, aleaciones a base de cobre y otros materiales estructurales. El titanio también resiste bien la corrosión por fatiga, que a menudo se manifiesta en forma de violaciones de la integridad y la resistencia del metal (fisuras, centros de corrosión locales, etc.). El comportamiento del titanio en muchos ambientes agresivos, como nitrógeno, clorhídrico, sulfúrico, "aqua regia" y otros ácidos y álcalis, es sorprendente y admirable para este metal.
El titanio es un metal muy refractario. Durante mucho tiempo se creyó que se funde a 1800°C, pero a mediados de los 50. Los científicos ingleses Diardorf y Hayes establecieron el punto de fusión del titanio elemental puro. Ascendió a 1668 ± 3 ° C. En términos de su refractariedad, el titanio es inferior solo a metales como el tungsteno, el tantalio, el niobio, el renio, el molibdeno, los platinoides, el circonio, y entre los principales metales estructurales ocupa el primer lugar. La característica más importante del titanio como metal es su singularidad física y Propiedades químicas: baja densidad, alta resistencia, dureza, etc. Lo principal es que estas propiedades no cambian significativamente a altas temperaturas.
El titanio es un metal ligero, su densidad a 0°C es de solo 4,517 g/cm8, ya 100°C es de 4,506 g/cm3. El titanio pertenece al grupo de metales con un peso específico inferior a 5 g/cm3. Esto incluye todos los metales alcalinos (sodio, cadio, litio, rubidio, cesio) con una gravedad específica de 0,9 a 1,5 g/cm3, magnesio (1,7 g/cm3), aluminio (2,7 g/cm3), etc. El titanio es más de 1,5 veces más pesado que el aluminio, y en esto, por supuesto, pierde con él, pero es 1,5 veces más ligero que el hierro (7,8 g/cm3). Sin embargo, tomando Gravedad específica una posición intermedia entre el aluminio y el hierro, el titanio los supera muchas veces en sus propiedades mecánicas). El titanio tiene una dureza importante: es 12 veces más duro que el aluminio, 4 veces más duro que el hierro y el cobre. Otra característica importante de un metal es su límite elástico. Cuanto más alto sea, mejor resistirán las cargas operativas las piezas fabricadas con este metal. El límite elástico del titanio es casi 18 veces mayor que el del aluminio. La resistencia específica de las aleaciones de titanio se puede aumentar en un factor de 1,5 a 2. Sus altas propiedades mecánicas se conservan bien a temperaturas de hasta varios cientos de grados. El titanio puro es adecuado para todo tipo de procesamiento en estado caliente y frío: puede forjarse como el hierro, trefilarse e incluso convertirse en alambre, enrollarse en láminas, cintas y láminas de hasta 0,01 mm de espesor.
A diferencia de la mayoría de los metales, el titanio tiene una resistencia eléctrica significativa: si la conductividad eléctrica de la plata se toma como 100, entonces la conductividad eléctrica del cobre es 94, el aluminio es 60, el hierro y el platino es -15 y el titanio es solo 3,8. El titanio es un metal paramagnético, no se magnetiza como el hierro en un campo magnético, pero no se expulsa como el cobre. Su susceptibilidad magnética es muy débil, esta propiedad se puede utilizar en la construcción. El titanio tiene una conductividad térmica relativamente baja, solo 22,07 W / (mK), que es aproximadamente 3 veces menor que la conductividad térmica del hierro, 7 veces menor que el magnesio, 17–20 veces menor que el aluminio y el cobre. En consecuencia, el coeficiente de expansión térmica lineal del titanio es menor que el de otros materiales estructurales: a 20 C, es 1,5 veces menor que el del hierro, 2 - para el cobre y casi 3 - para el aluminio. Por lo tanto, el titanio es un mal conductor de la electricidad y el calor.
Hoy en día, las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en la tecnología aeronáutica. Las aleaciones de titanio se utilizaron por primera vez a escala industrial en la construcción de motores a reacción para aviones. El uso de titanio en el diseño de motores a reacción permite reducir su peso en un 10...25%. En particular, los discos y álabes del compresor, las piezas de admisión de aire, las paletas guía y los sujetadores están hechos de aleaciones de titanio. Las aleaciones de titanio son indispensables para los aviones supersónicos. El crecimiento de las velocidades de vuelo. aeronave condujo a un aumento en la temperatura de la piel, como resultado de lo cual las aleaciones de aluminio ya no cumplen con los requisitos impuestos por la tecnología de aviación a velocidades supersónicas. La temperatura de la piel en este caso alcanza 246...316 °C. En estas condiciones, las aleaciones de titanio resultaron ser el material más aceptable. En los años 70, el uso de aleaciones de titanio para el fuselaje de aviones civiles aumentó significativamente. En un avión de medio recorrido TU-204 peso total piezas hechas de aleaciones de titanio es de 2570 kg. El uso de titanio en helicópteros se está expandiendo gradualmente, principalmente para partes del sistema de rotor principal, accionamiento y sistema de control. Un lugar importante lo ocupan las aleaciones de titanio en la ciencia espacial.
Debido a la alta resistencia a la corrosión en el agua de mar, el titanio y sus aleaciones se utilizan en la construcción naval para la fabricación de hélices, placas de barcos, submarinos, torpedos, etc. Las conchas no se adhieren al titanio y sus aleaciones, lo que aumenta considerablemente la resistencia del vaso cuando se mueve. Poco a poco, las áreas de aplicación del titanio se están expandiendo. El titanio y sus aleaciones se utilizan en las industrias química, petroquímica, de pulpa y papel y alimentaria, metalurgia no ferrosa, ingeniería energética, electrónica, tecnología nuclear, galvanoplastia, en la fabricación de armas, para la fabricación de placas de blindaje, instrumentos quirúrgicos, implantes quirúrgicos, plantas desalinizadoras, repuestos para autos de carreras, material deportivo (palos de golf, equipos de escalada), repuestos para relojes e incluso joyas. La nitruración del titanio conduce a la formación de una película dorada en su superficie, que no es inferior en belleza al oro real.
El descubrimiento del TiO2 fue realizado de manera casi simultánea e independiente por el inglés W. Gregor y el químico alemán M. G. Klaproth. W. Gregor, estudiando la composición de la arena ferruginosa magnética (Creed, Cornwall, Inglaterra, 1791), aisló una nueva "tierra" (óxido) de un metal desconocido, al que llamó menaken. En 1795, el químico alemán Klaproth descubrió un nuevo elemento en el mineral rutilo y lo llamó titanio. Dos años más tarde, Klaproth estableció que el rutilo y la tierra de menaken son óxidos del mismo elemento, tras lo cual quedó el nombre "titanio" propuesto por Klaproth. Después de 10 años, se produjo por tercera vez el descubrimiento del titanio. El científico francés L. Vauquelin descubrió el titanio en la anatasa y demostró que el rutilo y la anatasa son óxidos de titanio idénticos.
La primera muestra de titanio metálico fue obtenida en 1825 por J. Ya. Berzelius. Debido a la alta actividad química del titanio y la complejidad de su purificación, los holandeses A. van Arkel e I. de Boer obtuvieron una muestra de Ti puro en 1925 por descomposición térmica del vapor de yoduro de titanio TiI4.
El titanio es el décimo más abundante en la naturaleza. El contenido en la corteza terrestre es de 0,57% en masa, en agua de mar 0,001 mg/l. 300 g/t en rocas ultrabásicas, 9 kg/t en rocas básicas, 2,3 kg/t en rocas ácidas, 4,5 kg/t en arcillas y lutitas. En la corteza terrestre, el titanio es casi siempre tetravalente y está presente solo en compuestos de oxígeno. No ocurre en forma libre. El titanio en condiciones de meteorización y precipitación tiene una afinidad geoquímica por el Al2O3. Se concentra en bauxitas de la corteza meteorizada y en sedimentos arcillosos marinos. La transferencia de titanio se realiza en forma de fragmentos mecánicos de minerales y en forma de coloides. En algunas arcillas se acumula hasta un 30 % de TiO2 en peso. Los minerales de titanio son resistentes a la intemperie y forman grandes concentraciones en los placeres. Se conocen más de 100 minerales que contienen titanio. Los más importantes son: rutilo TiO2, ilmenita FeTiO3, titanomagnetita FeTiO3 + Fe3O4, perovskita CaTiO3, titanita CaTiSiO5. Hay minerales primarios de titanio: ilmenita-titanomagnetita y placer: rutilo-ilmenita-zircón.
Minerales principales: ilmenita (FeTiO3), rutilo (TiO2), titanita (CaTiSiO5).
En 2002, el 90% del titanio extraído se utilizó para la producción de dióxido de titanio TiO2. La producción mundial de dióxido de titanio fue de 4,5 millones de toneladas al año. Las reservas confirmadas de dióxido de titanio (sin Rusia) son de aproximadamente 800 millones de toneladas. Para 2006, según el Servicio Geológico de EE. UU., en términos de dióxido de titanio y excluyendo Rusia, las reservas de minerales de ilmenita ascienden a 603-673 millones de toneladas y rutilo - 49.7- 52.7 millones de toneladas Por lo tanto, al ritmo actual de producción, las reservas probadas de titanio en el mundo (excluyendo Rusia) serán suficientes para más de 150 años.
Rusia tiene las segundas mayores reservas de titanio del mundo después de China. La base de recursos minerales de titanio en Rusia consta de 20 depósitos (de los cuales 11 son primarios y 9 son aluviales), dispersos de manera bastante uniforme en todo el país. El mayor de los depósitos explorados (Yaregskoye) se encuentra a 25 km de la ciudad de Ukhta (República de Komi). Las reservas del depósito se estiman en 2 mil millones de toneladas de mineral con un contenido promedio de dióxido de titanio de alrededor del 10%.
El mayor productor de titanio del mundo es la empresa rusa VSMPO-AVISMA.
Como regla general, el material de partida para la producción de titanio y sus compuestos es dióxido de titanio con una cantidad relativamente pequeña de impurezas. En particular, puede ser un concentrado de rutilo obtenido durante el beneficio de minerales de titanio. Sin embargo, las reservas de rutilo en el mundo son muy limitadas, y la llamada escoria sintética de rutilo o titanio, obtenida durante el procesamiento de concentrados de ilmenita, se usa con mayor frecuencia. Para obtener la escoria de titanio, se reduce el concentrado de ilmenita en un horno de arco eléctrico, mientras que el hierro se separa en una fase metálica (hierro fundido), y los óxidos de titanio no reducidos y las impurezas forman una fase de escoria. La escoria rica se procesa por el método del cloruro o del ácido sulfúrico.
En forma pura y en forma de aleaciones
Monumento de titanio a Gagarin en Leninsky Prospekt en Moscú
El metal se utiliza en: industria química (reactores, tuberías, bombas, accesorios de tuberías), industria militar (blindajes, armaduras y barreras contra incendios en aviación, cascos de submarinos), procesos industriales (plantas desalinizadoras, procesos de pulpa y papel), industria automotriz , industria agrícola, industria alimentaria, joyería piercing, industria médica (prótesis, osteoprótesis), instrumentos dentales y de endodoncia, implantes dentales, artículos deportivos, joyería (Alexander Khomov), teléfonos móviles, aleaciones ligeras, etc. Es el material estructural más importante en aviones, cohetes, construcción naval.
La fundición de titanio se lleva a cabo en hornos de vacío en moldes de grafito. También se utiliza fundición de inversión al vacío. Debido a las dificultades tecnológicas, se utiliza en fundición artística de forma limitada. La primera escultura monumental de titanio fundido en el mundo es el monumento a Yuri Gagarin en la plaza que lleva su nombre en Moscú.
El titanio es una adición de aleación en muchos aceros aleados y en la mayoría de las aleaciones especiales.
El nitinol (níquel-titanio) es una aleación con memoria de forma utilizada en medicina y tecnología.
Los aluminuros de titanio son muy resistentes a la oxidación y al calor, lo que a su vez determinó su uso en la industria aeronáutica y automotriz como materiales estructurales.
El titanio es uno de los materiales captadores más comunes utilizados en las bombas de alto vacío.
El dióxido de titanio blanco (TiO2) se utiliza en pinturas (como el blanco de titanio), así como en la fabricación de papel y plásticos. Aditivo alimentario E171.
Los compuestos de organotitanio (p. ej., tetrabutoxititanio) se utilizan como catalizadores y endurecedores en las industrias química y de pinturas.
Los compuestos inorgánicos de titanio se utilizan en las industrias química, electrónica y de fibra de vidrio como aditivos o recubrimientos.
El carburo de titanio, el diboruro de titanio y el carbonitruro de titanio son componentes importantes de los materiales superduros para el procesamiento de metales.
El nitruro de titanio se utiliza para recubrir herramientas, cúpulas de iglesias y en la fabricación de bisutería, porque. tiene un color similar al oro.
El titanato de bario BaTiO3, el titanato de plomo PbTiO3 y otros titanatos son ferroeléctricos.
Hay muchas aleaciones de titanio con diferentes metales. Los elementos de aleación se dividen en tres grupos, según su efecto sobre la temperatura de transformación polimórfica: estabilizadores beta, estabilizadores alfa y endurecedores neutros. Los primeros reducen la temperatura de transformación, los segundos la aumentan y los últimos no la afectan, pero conducen al endurecimiento por solución de la matriz. Ejemplos de estabilizadores alfa: aluminio, oxígeno, carbono, nitrógeno. Estabilizadores beta: molibdeno, vanadio, hierro, cromo, níquel. Endurecedores neutros: circonio, estaño, silicio. Los estabilizadores beta, a su vez, se dividen en beta-isomorfos y formadores de beta-eutectoide. La aleación de titanio más común es la aleación Ti-6Al-4V (en clasificación rusa- BT6).
60% - pintura;
20% - plástico;
13% - papel;
7% - ingeniería mecánica.
$15-25 por kilo, dependiendo de la pureza.
La pureza y el grado del titanio en bruto (esponja de titanio) generalmente se determina por su dureza, que depende del contenido de impurezas. Las marcas más comunes son TG100 y TG110.
El precio del ferrotitanio (mínimo 70% de titanio) al 22/12/2010 es de $6,82 por kilogramo. El 01/01/2010 el precio estaba en el nivel de $ 5,00 por kilogramo.
En Rusia, los precios del titanio a principios de 2012 eran de 1200-1500 rublos/kg.
ventajas:
baja densidad (4500 kg / m3) ayuda a reducir la masa del material utilizado;
alta resistencia mecánica. Cabe señalar que a temperaturas elevadas (250-500 °C), las aleaciones de titanio son superiores en resistencia a las aleaciones de aluminio y magnesio de alta resistencia;
resistencia a la corrosión inusualmente alta, debido a la capacidad del titanio para formar películas continuas delgadas (5-15 micrones) de óxido de TiO2 en la superficie, firmemente unidas a la masa metálica;
la resistencia específica (proporción de resistencia y densidad) de las mejores aleaciones de titanio alcanza 30-35 o más, que es casi el doble de la resistencia específica de los aceros aleados.
Desventajas:
alto costo de producción, el titanio es mucho más caro que el hierro, el aluminio, el cobre, el magnesio;
interacción activa a altas temperaturas, especialmente en estado líquido, con todos los gases que componen la atmósfera, por lo que el titanio y sus aleaciones solo pueden fundirse en vacío o en un ambiente de gas inerte;
dificultades que implica la producción de residuos de titanio;
malas propiedades antifricción debido a que el titanio se adhiere a muchos materiales, el titanio emparejado con titanio no puede funcionar por fricción;
alta propensión del titanio y muchas de sus aleaciones a la fragilización por hidrógeno y la corrosión salina;
mala maquinabilidad similar a la de los aceros inoxidables austeníticos;
la alta reactividad, la tendencia al crecimiento de grano a alta temperatura y las transformaciones de fase durante el ciclo de soldadura provocan dificultades en la soldadura de titanio.
La mayor parte del titanio se gasta en las necesidades de la tecnología de aviación y cohetes y la construcción naval marina. El titanio (ferrotitanio) se utiliza como aditivo de aleación para aceros de alta calidad y como desoxidante. El titanio técnico se utiliza para la fabricación de tanques, reactores químicos, tuberías, accesorios, bombas, válvulas y otros productos que operan en ambientes agresivos. Las rejillas y otras partes de los dispositivos de electrovacío que funcionan a altas temperaturas están hechas de titanio compacto.
En términos de uso como material estructural, el titanio ocupa el cuarto lugar, solo superado por Al, Fe y Mg. Los aluminuros de titanio son muy resistentes a la oxidación y al calor, lo que a su vez determinó su uso en la industria aeronáutica y automotriz como materiales estructurales. La seguridad biológica del titanio lo convierte en un material excelente para la industria alimentaria y la cirugía reconstructiva.
El titanio y sus aleaciones se utilizan ampliamente en ingeniería debido a su alta resistencia mecánica, que se mantiene a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia al calor, resistencia específica, baja densidad y otras propiedades útiles. El elevado coste del titanio y sus aleaciones se ve compensado en muchos casos por su mayor rendimiento, siendo en algunos casos el único material a partir del cual es posible fabricar equipos o estructuras capaces de operar en unas condiciones específicas.
Las aleaciones de titanio juegan un papel importante en la tecnología aeronáutica, donde el objetivo es obtener el diseño más ligero combinado con la resistencia requerida. El titanio es liviano en comparación con otros metales, pero al mismo tiempo puede funcionar a altas temperaturas. Las aleaciones de titanio se utilizan para fabricar revestimientos, piezas de sujeción, un conjunto de potencia, piezas de chasis y varias unidades. Además, estos materiales se utilizan en la construcción de motores a reacción de aviones. Esto le permite reducir su peso en un 10-25%. Las aleaciones de titanio se utilizan para producir discos y álabes de compresores, tomas de aire y piezas de álabes guía, y sujetadores.
El titanio y sus aleaciones también se utilizan en la ciencia espacial. En vista de la operación a corto plazo de los motores y el rápido paso de capas densas de la atmósfera en la ciencia espacial, los problemas de resistencia a la fatiga, resistencia estática y, en parte, la fluencia se eliminan en gran medida.
El titanio técnico no es adecuado para aplicaciones de aviación debido a su resistencia al calor insuficientemente alta, pero debido a su resistencia a la corrosión excepcionalmente alta, en algunos casos es indispensable en la industria química y la construcción naval. Por eso se utiliza en la fabricación de compresores y bombas para bombear medios tan agresivos como el sulfúrico y ácido clorhídrico y sus sales, tuberías, válvulas, autoclaves, recipientes varios, filtros, etc. Solo el titanio tiene resistencia a la corrosión en ambientes como cloro húmedo, soluciones acuosas y ácidas de cloro, por lo que se fabrican equipos para la industria del cloro con este metal. El titanio se utiliza para fabricar intercambiadores de calor que funcionan en entornos corrosivos, por ejemplo, en ácido nítrico (no humeante). En la construcción naval, el titanio se utiliza para la fabricación de hélices, blindaje de barcos, submarinos, torpedos, etc. Las conchas no se adhieren al titanio y sus aleaciones, lo que aumenta considerablemente la resistencia del vaso cuando se mueve.
Las aleaciones de titanio son prometedoras para su uso en muchas otras aplicaciones, pero su uso en tecnología está limitado por el alto costo y la escasez de titanio.
Los compuestos de titanio también se utilizan ampliamente en diversas industrias. El carburo de titanio tiene una alta dureza y se utiliza en la fabricación de herramientas de corte y materiales abrasivos. El dióxido de titanio blanco (TiO2) se utiliza en pinturas (como el blanco de titanio), así como en la fabricación de papel y plásticos. Los compuestos de organotitanio (p. ej., tetrabutoxititanio) se utilizan como catalizadores y endurecedores en las industrias química y de pinturas. Los compuestos inorgánicos de titanio se utilizan en la industria química, electrónica y de fibra de vidrio como aditivo. El diboruro de titanio es un componente importante de los materiales metalúrgicos superduros. El nitruro de titanio se utiliza para recubrir herramientas.
Con los altos precios existentes para el titanio, se utiliza principalmente para la producción de equipos militares, donde el papel principal no pertenece al costo, sino a las características técnicas. Sin embargo, se conocen casos de uso de las propiedades únicas del titanio para necesidades civiles. A medida que el precio del titanio disminuya y su producción crezca, el uso de este metal con fines militares y civiles se expandirá cada vez más.
Aviación. La baja gravedad específica y la alta resistencia (especialmente a temperaturas elevadas) del titanio y sus aleaciones los convierten en materiales de aviación muy valiosos. En el campo de la construcción aeronáutica y la producción de motores aeronáuticos, el titanio reemplaza cada vez más al aluminio y al acero inoxidable. A medida que aumenta la temperatura, el aluminio pierde rápidamente su resistencia. Por otro lado, el titanio tiene una clara ventaja de resistencia a temperaturas de hasta 430°C, y temperaturas elevadas de este orden ocurren a altas velocidades debido al calentamiento aerodinámico. La ventaja de reemplazar el acero con titanio en la aviación es reducir el peso sin sacrificar la resistencia. La reducción general de peso con un mayor rendimiento a temperaturas elevadas permite una mayor carga útil, alcance y maniobrabilidad de la aeronave. Esto explica los esfuerzos encaminados a expandir el uso del titanio en la construcción aeronáutica en la fabricación de motores, la construcción de fuselajes, la fabricación de revestimientos e incluso tornillería.
En la construcción de motores a reacción, el titanio se utiliza principalmente para la fabricación de álabes de compresores, discos de turbinas y muchas otras piezas estampadas. Aquí, el titanio está reemplazando a los aceros aleados inoxidables y tratados térmicamente. Un ahorro de un kilogramo en el peso del motor ahorra hasta 10 kg en el peso total de la aeronave debido al aligeramiento del fuselaje. En el futuro, está previsto utilizar chapa de titanio para la fabricación de carcasas para cámaras de combustión de motores.
En la construcción de aeronaves, el titanio se usa mucho para piezas de fuselaje que funcionan a temperaturas elevadas. La lámina de titanio se utiliza para la fabricación de todo tipo de fundas, fundas protectoras de cables y guías para proyectiles. Varios elementos de refuerzo, marcos de fuselaje, costillas, etc. están hechos de láminas de titanio aleado.
Las cubiertas, aletas, fundas de cables y guías de proyectiles están hechas de titanio sin alear. El titanio aleado se utiliza para la fabricación de la estructura del fuselaje, los marcos, las tuberías y las barreras contra incendios.
El titanio se usa cada vez más en la construcción de los aviones F-86 y F-100. En el futuro, el titanio se utilizará para fabricar puertas de trenes de aterrizaje, tuberías hidráulicas, tubos y boquillas de escape, largueros, flaps, puntales plegables, etc.
El titanio se puede utilizar para fabricar placas de blindaje, palas de hélice y cajas de proyectiles.
En la actualidad, el titanio se utiliza en la construcción de aviones militares Douglas X-3 for skin, Republic F-84F, Curtiss-Wright J-65 y Boeing B-52.
El titanio también se utiliza en la construcción de aviones civiles DC-7. La empresa Douglas, al sustituir las aleaciones de aluminio y el acero inoxidable por el titanio en la fabricación de la góndola del motor y las barreras cortafuegos, ya ha conseguido un ahorro en el peso de la estructura del avión de unos 90 kg. Actualmente, el peso de las piezas de titanio en este avión es del 2%, y se espera que esta cifra se incremente al 20% del peso total del avión.
El uso de titanio permite reducir el peso de los helicópteros. La lámina de titanio se utiliza para pisos y puertas. Se consiguió una importante reducción del peso del helicóptero (unos 30 kg) sustituyendo el acero aleado por titanio para el revestimiento de las palas de sus rotores.
Armada. La resistencia a la corrosión del titanio y sus aleaciones los convierte en un material muy valioso en el mar. El Departamento de Marina de los EE. UU. está investigando exhaustivamente la resistencia a la corrosión del titanio frente a la exposición a gases de combustión, vapor, aceite y agua de mar. La alta resistencia específica del titanio tiene casi la misma importancia en los asuntos navales.
El bajo peso específico del metal, combinado con la resistencia a la corrosión, aumenta la maniobrabilidad y el alcance de los barcos, y también reduce el costo de mantenimiento de la pieza de material y su reparación.
Las aplicaciones de titanio en la marina incluyen silenciadores de escape para motores diésel submarinos, discos de instrumentos, tubos de paredes delgadas para condensadores e intercambiadores de calor. Según los expertos, el titanio, como ningún otro metal, puede aumentar la vida útil de los silenciadores de escape en los submarinos. Para discos de calibre expuestos a agua salada, gasolina o aceite, el titanio proporcionará una mayor durabilidad. Se está investigando la posibilidad de utilizar titanio para la fabricación de tubos intercambiadores de calor, que deben ser resistentes a la corrosión en agua de mar que lava los tubos desde el exterior y, al mismo tiempo, soportar los efectos del condensado de escape que fluye en su interior. Se está considerando la posibilidad de fabricar antenas y componentes de instalaciones de radar en titanio, que deben ser resistentes a los efectos de los gases de combustión y el agua de mar. El titanio también se puede utilizar para la producción de piezas como válvulas, hélices, piezas de turbinas, etc.
Artillería. Aparentemente, el mayor consumidor potencial de titanio puede ser la artillería, donde actualmente se están realizando investigaciones intensivas sobre varios prototipos. Sin embargo, en esta área, la producción de piezas individuales y piezas de titanio está estandarizada. El uso bastante limitado de titanio en artillería con un gran alcance de investigación se explica por su alto costo.
Se investigaron varias partes del equipo de artillería desde el punto de vista de la posibilidad de reemplazar los materiales convencionales con titanio, sujeto a una reducción en los precios del titanio. Se prestó la atención principal a las piezas para las que la reducción de peso es esencial (piezas transportadas a mano y transportadas por aire).
Placa base de mortero hecha de titanio en lugar de acero. Mediante tal reemplazo y después de algunas modificaciones, en lugar de una placa de acero a partir de dos mitades con un peso total de 22 kg, fue posible crear una parte con un peso de 11 kg. Gracias a este reemplazo, es posible reducir el número de personal de servicio de tres a dos. Se está considerando la posibilidad de utilizar titanio para la fabricación de parallamas de armas.
Se están probando monturas de pistola, crucetas de carro y cilindros de retroceso hechos de titanio. El titanio se puede utilizar ampliamente en la producción de proyectiles y cohetes guiados.
Los primeros estudios sobre el titanio y sus aleaciones mostraron la posibilidad de fabricar placas de blindaje a partir de ellos. La sustitución del blindaje de acero (12,7 mm de espesor) por un blindaje de titanio de la misma resistencia a los proyectiles (16 mm de espesor) permite, según estos estudios, ahorrar hasta un 25 % en peso.
Las aleaciones de titanio de alta calidad abren la esperanza de la posibilidad de sustituir las placas de acero por placas de titanio del mismo espesor, lo que supone un ahorro de hasta un 44 % en peso. Aplicación industrial el titanio proporcionará una mayor maniobrabilidad, aumentará el rango de transporte y la durabilidad del arma. Nivel moderno El desarrollo del transporte aéreo pone de manifiesto las ventajas de los vehículos blindados ligeros y otros vehículos fabricados en titanio. El Departamento de Artillería pretende equipar a la infantería con cascos, bayonetas, lanzagranadas y lanzallamas de mano hecho de titanio. La aleación de titanio se utilizó por primera vez en artillería para la fabricación del pistón de algunas armas automáticas.
Transporte. Muchos de los beneficios de usar titanio en la producción de material blindado también se aplican a los vehículos.
La sustitución de los materiales estructurales que actualmente consumen las empresas de ingeniería de transporte por titanio debería conducir a una reducción del consumo de combustible, un aumento de la capacidad de carga útil, un aumento del límite de fatiga de las piezas de los mecanismos de manivela, etc. vias ferreas es fundamental para reducir el peso muerto. Una reducción significativa del peso total del material rodante debido al uso de titanio permitirá ahorrar en tracción, reducir las dimensiones de los cuellos y las cajas de grasa.
El peso también es importante para los remolques. Vehículo. Aquí, la sustitución del acero por titanio en la producción de ejes y ruedas también aumentaría la capacidad de carga útil.
Todas estas oportunidades podrían materializarse reduciendo el precio del titanio de 15 a 2-3 dólares por libra de productos semiacabados de titanio.
Industria química. En la producción de equipos para la industria química, la resistencia a la corrosión del metal es de suma importancia. También es fundamental reducir el peso y aumentar la resistencia del equipo. Lógicamente, se debe suponer que el titanio podría proporcionar una serie de beneficios en la producción de equipos para el transporte de ácidos, álcalis y sales inorgánicas del mismo. Se están abriendo posibilidades adicionales para el uso del titanio en la producción de equipos tales como tanques, columnas, filtros y todo tipo de cilindros de alta presión.
El uso de tuberías de titanio puede mejorar la eficiencia de los serpentines de calentamiento en autoclaves de laboratorio e intercambiadores de calor. La aplicabilidad del titanio para la producción de cilindros en los que se almacenan gases y líquidos bajo presión durante mucho tiempo se evidencia por el uso en microanálisis de productos de combustión en lugar de un tubo de vidrio más pesado (que se muestra en la parte superior de la imagen). Debido a su pequeño espesor de pared y baja gravedad específica, este tubo se puede pesar en balanzas analíticas más pequeñas y sensibles. Aquí, la combinación de ligereza y resistencia a la corrosión mejora la precisión del análisis químico.
Otras aplicaciones. El uso de titanio es conveniente en las industrias alimentaria, petrolera y eléctrica, así como para la fabricación de instrumentos quirúrgicos y en la cirugía misma.
Las mesas para la preparación de alimentos, las mesas para cocinar al vapor hechas de titanio son de calidad superior a los productos de acero.
En la industria de perforación de petróleo y gas, la lucha contra la corrosión es de gran importancia, por lo que el uso de titanio permitirá reemplazar las barras de los equipos corroídos con menos frecuencia. En la producción catalítica y para la fabricación de oleoductos, es deseable utilizar titanio, que conserva las propiedades mecánicas a altas temperaturas y tiene buena resistencia a la corrosión.
En la industria eléctrica, el titanio se puede utilizar para blindar cables debido a su buena resistencia específica, alta resistencia eléctrica y propiedades no magnéticas.
En varias industrias, se están comenzando a usar sujetadores de una forma u otra hechos de titanio. Es posible una mayor expansión del uso del titanio para la fabricación de instrumentos quirúrgicos, principalmente debido a su resistencia a la corrosión. Los instrumentos de titanio son superiores a este respecto a los instrumentos quirúrgicos convencionales cuando se hierven o esterilizan en autoclave repetidamente.
En el campo de la cirugía, el titanio demostró ser mejor que el vitalio y los aceros inoxidables. La presencia de titanio en el cuerpo es bastante aceptable. La placa y los tornillos de titanio para sujetar los huesos estuvieron en el cuerpo del animal durante varios meses, y el hueso creció en las roscas de los tornillos y en el orificio de la placa.
La ventaja del titanio también radica en el hecho de que se forma tejido muscular en la placa.
Aproximadamente la mitad de los productos de titanio producidos en el mundo se envían generalmente a la industria de la aviación civil, pero su declive después de los conocidos trágicos eventos está obligando a muchos participantes de la industria a buscar nuevas aplicaciones para el titanio. Este material representa la primera parte de una selección de publicaciones en la prensa metalúrgica extranjera dedicada a las perspectivas del titanio en las condiciones modernas. Según uno de los principales fabricantes estadounidenses de titanio RT1, del volumen total de producción de titanio a escala mundial a un nivel de 50-60 mil toneladas por año, el segmento aeroespacial representa hasta 40 consumo, aplicaciones industriales y aplicaciones. cuenta de 34, y el área militar 16, y alrededor de 10 representaron el uso de titanio en productos de consumo. Las aplicaciones industriales del titanio incluyen procesos químicos, energía, industria del petróleo y el gas, plantas de desalinización. Las aplicaciones militares no aeronáuticas incluyen principalmente el uso en artillería y vehículos de combate. Los sectores con un uso significativo del titanio son la industria automotriz, la arquitectura y la construcción, los artículos deportivos y la joyería. Casi todos los lingotes de titanio se producen en EE. UU., Japón y la CEI; Europa representa solo el 3,6 del volumen mundial. Los mercados regionales para el uso final del titanio varían mucho: el ejemplo más sorprendente de originalidad es Japón, donde el sector aeroespacial civil representa solo 2-3 usando 30 del consumo total de titanio en equipos y elementos estructurales de plantas químicas. Aproximadamente el 20 de la demanda total en Japón proviene de la energía nuclear y en centrales eléctricas de combustibles sólidos, el resto está en arquitectura, medicina y deportes. El cuadro opuesto se observa en Estados Unidos y Europa, donde exclusivamente gran importancia tiene consumo en el sector aeroespacial - 60-75 y 50-60 para cada región, respectivamente. En EE. UU., los mercados finales tradicionalmente fuertes son los productos químicos, los equipos médicos y los equipos industriales, mientras que en Europa la mayor parte se encuentra en la industria del petróleo y el gas y la industria de la construcción. La fuerte dependencia de la industria aeroespacial ha sido una preocupación de larga data para la industria del titanio, que está tratando de expandir las aplicaciones del titanio, especialmente en la actual recesión en aviación Civil en una escala global. Según el Servicio Geológico de EE. UU., en el primer trimestre de 2003 hubo una disminución significativa en las importaciones de esponja de titanio: solo 1319 toneladas, que es 62 menos que las 3431 toneladas en el mismo período de 2002. El sector aeroespacial siempre será uno de los principales mercados para el titanio, pero nosotros en la industria del titanio debemos estar a la altura del desafío y hacer todo lo posible para asegurarnos de que nuestra industria no tenga ciclos de desarrollo y recesión en el sector aeroespacial. Algunos de los principales fabricantes de la industria del titanio ven oportunidades crecientes en los mercados existentes, uno de los cuales es el mercado de equipos y materiales submarinos. Según Martin Proko, Gerente de Ventas y Distribución de RT1, el titanio se ha utilizado en aplicaciones subacuáticas y de generación de energía durante mucho tiempo, desde principios de la década de 1980, pero solo en los últimos cinco años estas áreas se han desarrollado de manera constante con un crecimiento correspondiente en el nicho de mercado. En el sector submarino, el crecimiento se debe principalmente a las operaciones de perforación a mayores profundidades, donde el titanio es el material más adecuado. Su ciclo de vida submarino, por así decirlo, es de cincuenta años, lo que corresponde a la duración habitual de los proyectos submarinos. Ya hemos enumerado las áreas en las que es probable un aumento en el uso de titanio. El gerente de ventas de Howmet Ti-Cast, Bob Funnell, señala que el estado actual del mercado puede verse como oportunidades crecientes en nuevas áreas, como piezas giratorias para turbocompresores en camiones, cohetes y bombas.
Uno de nuestros proyectos en curso es el desarrollo de sistemas de artillería ligera BAE Butitzer XM777 con un calibre de 155 mm. Nowmet suministrará 17 de los 28 conjuntos estructurales de titanio para cada montaje de pistola, suministrados en parte infantería de marina Estados Unidos comenzará en agosto de 2004. Con un peso total del arma de 9.800 libras de aproximadamente 4,44 toneladas, el titanio representa unas 2.600 libras de aproximadamente 1,18 toneladas de titanio en su diseño: se utiliza una aleación 6A14U con una gran cantidad de piezas fundidas, dice Frank Hrster, jefe de sistemas de apoyo contra incendios. BAE Sy81et8. Este sistema XM777 reemplazará al sistema Newitzer M198 actual, que pesa alrededor de 17,000 libras y aproximadamente 7.71 toneladas. La producción en masa está planificada para el período de 2006 a 2010; las entregas a los EE. UU., Gran Bretaña e Italia están inicialmente programadas, pero es posible ampliar el programa para las entregas a los países miembros de la OTAN. John Barber de Timet señala que ejemplos de equipos militares que utilizan cantidades significativas de titanio en su construcción son el tanque Abramé y el vehículo de combate Bradley. Durante los últimos dos años, ha estado en marcha un programa conjunto entre la OTAN, EE. UU. y el Reino Unido para intensificar el uso del titanio en armas y sistemas de defensa. Como se ha señalado más de una vez, el titanio es muy adecuado para su uso en la industria automotriz, sin embargo, la participación de esta dirección es bastante modesta: aproximadamente 1 del volumen total de titanio consumido, o 500 toneladas por año, según el italiano. empresa Poggipolini, fabricante de componentes y piezas de titanio para motocicletas de Fórmula 1 y carreras. Daniele Stoppolini, jefe de investigación y desarrollo de esta empresa, cree que la demanda actual de titanio en este segmento de mercado está en el nivel de 500 toneladas, con el uso masivo de este material en la construcción de válvulas, resortes, sistemas de escape, transmisión ejes, pernos, podría potencialmente elevarse al nivel de casi no 16,000 toneladas por año. Agregó que su compañía apenas está comenzando a desarrollar la producción automatizada de pernos de titanio para reducir los costos de producción. A su juicio, los factores limitantes, por los que el uso del titanio no se expande de manera significativa en la industria automotriz, son la imprevisibilidad de la demanda y la incertidumbre con el suministro de materias primas. Al mismo tiempo, queda un gran nicho potencial para el titanio en la industria automotriz, que combina características óptimas de peso y resistencia para resortes helicoidales y sistemas de gases de escape. Desafortunadamente, en el mercado estadounidense, el amplio uso de titanio en estos sistemas está marcado solo por un modelo semideportivo bastante exclusivo Chevrolet Corvette Z06, que de ninguna manera puede pretender ser un automóvil de masas. Sin embargo, debido a los continuos desafíos de economía de combustible y resistencia a la corrosión, las perspectivas para el titanio en esta área permanecen. Para la aprobación en los mercados de aplicaciones no aeroespaciales y no militares, recientemente se creó la empresa conjunta UNITI en su nombre, se juega con la palabra unidad - unidad y Ti - la designación del titanio en la tabla periódica como parte del mundo principales productores de titanio: la estadounidense Allegheny Technologies y la rusa VSMPO-Avisma. Estos mercados han sido excluidos deliberadamente, dijo Carl Moulton, presidente de la nueva empresa, ya que tenemos la intención de convertir a la nueva empresa en un proveedor líder para industrias que utilizan piezas y ensamblajes de titanio, principalmente petroquímica y generación de energía. Además, tenemos la intención de comercializar activamente en los campos de dispositivos de desalinización, vehículos, productos de consumo y electrónica. Creo que nuestras instalaciones de producción se complementan bien: VSMPO tiene capacidades sobresalientes para la producción de productos finales, Allegheny tiene excelentes tradiciones en la producción de productos laminados de titanio en frío y en caliente. Se espera que la participación de UNITI en el mercado mundial de productos de titanio sea de 45 millones de libras, aproximadamente 20 411 toneladas. El mercado de equipos médicos puede considerarse un mercado en constante desarrollo: según British Titanium International Group, el contenido anual de titanio en todo el mundo en varios implantes y prótesis es de aproximadamente 1000 toneladas, y esta cifra aumentará a medida que las posibilidades de cirugía para reemplazar articulaciones humanas después de accidentes o lesiones. Además de las ventajas obvias de flexibilidad, resistencia y ligereza, el titanio es altamente compatible con el cuerpo en un sentido biológico debido a la ausencia de corrosión en los tejidos y fluidos del cuerpo humano. En odontología, el uso de prótesis e implantes también se está disparando, tres veces en los últimos diez años, según la Asociación Dental Americana, en gran parte debido a las características del titanio. Aunque el uso del titanio en la arquitectura se remonta a más de 25 años, su uso generalizado en este ámbito no se inició hasta últimos años. La ampliación del aeropuerto de Abu Dhabi en los Emiratos Árabes Unidos, cuya finalización está prevista para 2006, utilizará hasta 1,5 millones de libras de aproximadamente 680 toneladas de titanio. Se planea implementar una gran cantidad de proyectos arquitectónicos y de construcción que utilizan titanio no solo en los países desarrollados de EE. UU., Canadá, Gran Bretaña, Alemania, Suiza, Bélgica, Singapur, sino también en Egipto y Perú.
El segmento del mercado de bienes de consumo es actualmente el segmento de más rápido crecimiento del mercado del titanio. Mientras que hace 10 años este segmento era solo 1-2 del mercado de titanio, hoy ha crecido a 8-10 del mercado. En general, el consumo de titanio en la industria de bienes de consumo creció aproximadamente al doble de la tasa de todo el mercado de titanio. El uso de titanio en los deportes es el más antiguo y la mayor parte del titanio en los productos de consumo. La razón de la popularidad del titanio en los equipos deportivos es simple: le permite obtener una relación de peso y resistencia superior a la de cualquier otro metal. El uso de titanio en bicicletas comenzó hace unos 25-30 años y fue el primer uso de titanio en equipos deportivos. Se utilizan principalmente tubos de aleación Ti3Al-2.5V ASTM Grado 9. Otras piezas hechas de aleaciones de titanio incluyen frenos, ruedas dentadas y resortes de asiento. El uso de titanio en la fabricación de palos de golf comenzó a finales de los 80 y principios de los 90 por parte de los fabricantes de palos en Japón. Antes de 1994-1995, esta aplicación del titanio era prácticamente desconocida en EE. UU. y Europa. Eso cambió cuando Callaway presentó su palo de titanio Ruger Titanium, llamado Great Big Bertha. Debido a los beneficios obvios y al marketing bien pensado de Callaway, los palos de titanio se convirtieron en un éxito instantáneo. En un corto período de tiempo, los palos de titanio han pasado de ser un equipo exclusivo y costoso de un pequeño grupo de golfistas a ser ampliamente utilizados por la mayoría de los golfistas, sin dejar de ser más caros que los palos de acero. Me gustaría citar las principales tendencias, en mi opinión, en el desarrollo del mercado del golf, ha pasado de la alta tecnología a la producción en masa en un corto período de 4-5 años, siguiendo el camino de otras industrias con alta mano de obra. costos como la producción de ropa, juguetes y productos electrónicos de consumo, la producción de palos de golf se ha ido a países con la mano de obra más barata primero a Taiwán, luego a China, y ahora se están construyendo fábricas en países con mano de obra aún más barata, como Vietnam y Tailandia, el titanio se usa definitivamente para los conductores, donde sus cualidades superiores dan una clara ventaja y justifican un precio más alto. Sin embargo, el titanio aún no ha encontrado un uso muy generalizado en los palos posteriores, ya que el aumento significativo de los costos no está respaldado por una mejora correspondiente en el juego.Actualmente, los controladores se fabrican principalmente con una superficie de impacto forjada, una parte superior forjada o fundida y un Recientemente, la Asociación de Golf Profesional ROA permitió aumentar el límite superior del llamado factor de retorno, en relación con el cual todos los fabricantes de palos intentarán aumentar las propiedades elásticas de la superficie de golpe. Para ello, es necesario reducir el espesor de la superficie de impacto y utilizar aleaciones más fuertes, como SP700, 15-3-3-3 y VT-23. Ahora centrémonos en el uso del titanio y sus aleaciones en otros equipos deportivos. Los tubos de bicicleta de carrera y otras piezas están hechos de aleación ASTM Grado 9 Ti3Al-2.5V. Una cantidad sorprendentemente significativa de hoja de titanio se utiliza en la fabricación de cuchillos de buceo. La mayoría de los fabricantes utilizan la aleación Ti6Al-4V, pero esta aleación no proporciona la durabilidad del borde de la hoja como otras aleaciones más resistentes. Algunos fabricantes están cambiando a la aleación BT23.
El precio minorista de los cuchillos de buceo de titanio es de aproximadamente $70-80. Las herraduras de fundición de titanio proporcionan una importante reducción de peso en comparación con el acero, al tiempo que proporcionan la resistencia necesaria. Desafortunadamente, este uso de titanio no se materializó porque las herraduras de titanio brillaban y asustaban a los caballos. Pocos aceptarán usar herraduras de titanio después de los primeros experimentos fallidos. Titanium Beach, con sede en Newport Beach, California Newport Beach, California, ha desarrollado patines de aleación Ti6Al-4V. Desafortunadamente, aquí nuevamente el problema es la durabilidad del filo de las palas. Creo que este producto tiene posibilidades de vivir si los fabricantes usan aleaciones más fuertes como 15-3-3-3 o BT-23. El titanio se usa mucho en el alpinismo y el senderismo, para casi todos los artículos que los escaladores y excursionistas llevan en sus mochilas, botellas, vasos de 20 a 30 dólares al por menor, juegos de cocina de 50 dólares al por menor, vajillas hechas principalmente de titanio comercialmente puro de grado 1 y 2. Otros ejemplos del equipo de escalada y senderismo son estufas compactas, soportes y soportes para tiendas de campaña, piolets y tornillos para hielo. Los fabricantes de armas han comenzado recientemente a producir pistolas de titanio tanto para tiro deportivo como para aplicaciones policiales.
La electrónica de consumo es un mercado bastante nuevo y de rápido crecimiento para el titanio. En muchos casos, el uso del titanio en la electrónica de consumo no solo se debe a sus excelentes propiedades, sino también a la apariencia atractiva de los productos. El titanio de grado 1 comercialmente puro se utiliza para fabricar carcasas para computadoras portátiles, teléfonos móviles, televisores de pantalla plana de plasma y otros equipos electrónicos. El uso de titanio en la construcción de altavoces proporciona mejores propiedades acústicas debido a que el titanio es más liviano que el acero, lo que da como resultado una mayor sensibilidad acústica. Los relojes de titanio, introducidos por primera vez en el mercado por fabricantes japoneses, ahora son uno de los productos de titanio de consumo más asequibles y reconocidos. El consumo mundial de titanio en la producción de joyas tradicionales y las llamadas joyas portátiles se mide en varias decenas de toneladas. Cada vez más, puedes encontrar titanio anillos de boda y, por supuesto, las personas que usan joyas en el cuerpo simplemente están obligadas a usar titanio. El titanio se usa ampliamente en la fabricación de sujetadores y accesorios marinos, donde la combinación de alta resistencia a la corrosión y resistencia es muy importante. Atlas Ti, con sede en Los Ángeles, fabrica una amplia gama de estos productos en aleación VTZ-1. El uso del titanio en la producción de herramientas comenzó por primera vez en la Unión Soviética a principios de los años 80, cuando, siguiendo las instrucciones del gobierno, se fabricaron herramientas livianas y convenientes para facilitar el trabajo de los trabajadores. El gigante soviético de la producción de titanio, la Asociación de Producción de Procesamiento de Metales Verkhne-Saldinskoye, en ese momento producía palas, extractores de clavos, monturas, hachas y llaves de titanio.
Posteriormente, los fabricantes de herramientas japoneses y estadounidenses comenzaron a utilizar titanio en sus productos. No hace mucho, VSMPO firmó un contrato con Boeing para el suministro de placas de titanio. Sin duda, este contrato tuvo un efecto muy beneficioso en el desarrollo de la producción de titanio en Rusia. El titanio ha sido ampliamente utilizado en medicina durante muchos años. Las ventajas son la fuerza, la resistencia a la corrosión y, lo que es más importante, algunas personas son alérgicas al níquel, un componente necesario de los aceros inoxidables, mientras que nadie es alérgico al titanio. Las aleaciones utilizadas son titanio comercialmente puro y Ti6-4Eli. El titanio se utiliza en la fabricación de instrumentos quirúrgicos, prótesis internas y externas, incluidas las críticas, como una válvula cardíaca. Las muletas y las sillas de ruedas están hechas de titanio. El uso del titanio en el arte se remonta a 1967, cuando se erigió el primer monumento de titanio en Moscú.
Por el momento, se han levantado un número importante de monumentos y edificios de titanio en casi todos los continentes, incluidos algunos tan famosos como el Museo Guggenheim, construido por el arquitecto Frank Gehry en Bilbao. El material es muy popular entre la gente de arte por su color, apariencia, fuerza y resistencia a la corrosión. Por estos motivos, el titanio se utiliza en mercería de souvenirs y bisutería, donde compite con éxito con metales tan preciosos como la plata e incluso el oro. Según Martin Proko de RTi, el precio promedio de la esponja de titanio en los EE. UU. es de 3,80 por libra, en Rusia es de 3,20 por libra. Además, el precio del metal depende en gran medida del carácter cíclico de la industria aeroespacial comercial. El desarrollo de muchos proyectos podría acelerarse drásticamente si se encuentran formas de reducir los costos de producción y procesamiento de titanio, procesamiento de chatarra y tecnologías de fundición, dijo Markus Holz, director gerente de German Deutsche Titan. British Titanium está de acuerdo en que la expansión de los productos de titanio se ve frenada por los altos costos de producción y que se deben realizar muchas mejoras antes de que el titanio se pueda producir en masa. tecnologías modernas.
Uno de los pasos en esta dirección es el desarrollo del llamado proceso FFC, que es un nuevo proceso electrolítico para la producción de titanio metálico y aleaciones, cuyo costo es significativamente menor. Según Daniele Stoppolini, la estrategia general en la industria del titanio requiere el desarrollo de las aleaciones y la tecnología de producción más adecuadas para cada nuevo mercado y aplicación del titanio.
Fuentes
Wikipedia - La enciclopedia libre, WikiPedia
metotech.ru - Metotecnia
housetop.com - La parte superior de la casa
atomsteel.com – Tecnología atómica
domremstroy.ru - DomRemStroy
Dado que el titanio es un metal con buena dureza, pero baja resistencia, las aleaciones a base de titanio se han generalizado más en la producción industrial. Las aleaciones con diferente estructura de grano difieren en estructura y tipo de red cristalina.
Se pueden obtener proporcionando ciertos regímenes de temperatura en el proceso de producción. Y al agregar varios elementos de aleación al titanio, es posible obtener aleaciones caracterizadas por propiedades operativas y tecnológicas más altas.
Al agregar elementos de aleación y varios tipos Las redes cristalinas en estructuras basadas en titanio se pueden obtener más alto que en metal puro. resistencia al calor y fuerza. Al mismo tiempo, las estructuras resultantes se caracterizan por una baja densidad, buenas propiedades anticorrosivas y buena plasticidad, lo que amplía el alcance de su uso.
Características del titanio
El titanio es un metal ligero que combina alta dureza y baja resistencia lo que complica su tramitación. Temperatura de fusión de este material es en promedio 1665°C. El material se caracteriza por su baja densidad (4,5 g/cm3) y buena capacidad anticorrosión.
En la superficie del material se forma una película de óxido con un espesor de varios nm, que excluye los procesos de corrosión titanio en agua de mar y dulce, atmósfera, oxidación por ácidos orgánicos, procesos de cavitación y en estructuras bajo tensión.
En estado normal, el material no tiene resistencia al calor, se caracteriza por el fenómeno de fluencia a temperatura ambiente. Sin embargo, en condiciones de frío y frío intenso, el material se caracteriza por sus características de alta resistencia.
El titanio tiene un bajo módulo de elasticidad, lo que limita su uso para la fabricación de estructuras que requieran rigidez. En estado puro, el metal tiene altas características anti-radiación y no tiene propiedades magnéticas.
El titanio se caracteriza por buenas propiedades plásticas y fácil de procesar a temperatura ambiente y superior. Las costuras soldadas hechas de titanio y sus compuestos tienen ductilidad y resistencia. Sin embargo, el material se caracteriza por procesos intensivos de absorción de gases cuando se encuentra en un estado químico inestable que se produce cuando la temperatura aumenta. El titanio, según el gas con el que se combina, forma compuestos de hidruro, óxido y carburo, que tienen un efecto negativo en sus propiedades tecnológicas.
El material se caracteriza mala maquinabilidad, como resultado de su implementación, él dentro de un corto período de tiempo se adhiere a la herramienta, lo que reduce su recurso. El mecanizado de titanio por corte es posible usando enfriamiento de tipo intensivo a altas velocidades de avance, a bajas velocidades de procesamiento y una profundidad de corte significativa. Además, el acero de alta velocidad se selecciona como herramienta para el procesamiento.
El material se caracteriza por una alta actividad química, lo que lleva al uso de gases inertes al fundir, colar titanio o soldar por arco.
Durante el uso, los productos de titanio deben protegerse de la posible absorción de gases en caso de aumento de las temperaturas de funcionamiento.
aleaciones de titanio
Estructuras a base de titanio con la adición de elementos de aleación tales como:
Las estructuras obtenidas por deformación de aleaciones del grupo del titanio se utilizan para la fabricación de productos que se someten a procesos mecánicos.
Por fuerza, distinguen:
- Materiales de alta resistencia, cuya resistencia es superior a 1000MPa;
- Estructuras con resistencia media, en el rango de valores de 500 a 1000 MPa;
- Materiales de baja resistencia, con resistencia inferior a 500MPa.
Por área de uso:
- Estructuras con resistencia a la corrosión.
- Materiales de construcción;
- Estructuras resistentes al calor;
- Estructuras con alta resistencia al frío.
Tipos de aleaciones
Según los elementos de aleación incluidos en la composición, se distinguen seis tipos principales de aleaciones.
Aleaciones tipo aleaciones α
Aleaciones tipo aleaciones α a base de titanio con aplicación para aleaciones aluminio, estaño, circonio, oxígeno caracterizado buena soldabilidad, bajando el punto de congelación del titanio y aumentando su fluidez. Estas propiedades permiten el uso de las llamadas aleaciones α para obtener piezas en bruto de forma conformada o al fundir piezas. Los productos de este tipo resultantes tienen una alta estabilidad térmica, lo que les permite ser utilizados para la fabricación de piezas críticas, trabajando en condiciones de temperatura de hasta 400°С.
Con cantidades mínimas de elementos de aleación, los compuestos se denominan titanio técnico. Se caracteriza por una buena estabilidad térmica y tiene excelentes características de soldadura al realizar trabajos de soldadura en varias máquinas. El material tiene características satisfactorias para la posibilidad de corte. No se recomienda aumentar la resistencia de las aleaciones de este tipo mediante tratamiento térmico, los materiales de este tipo se utilizan después del recocido. Las aleaciones que contienen circonio tienen el costo más alto y son altamente fabricables.
Las formas de entrega de la aleación se presentan en forma de alambre, tubos, barras laminadas, piezas forjadas. El material más utilizado de esta clase es la aleación VT5-1, caracterizado por resistencia media, resistencia al calor hasta 450 °C y excelente desempeño cuando se trabaja a bajas y ultrabajas temperaturas. Esta aleación no se practica para ser reforzada por métodos térmicos, sin embargo, su uso a bajas temperaturas requiere una cantidad mínima de materiales de aleación.
Aleaciones tipo β-aleaciones
aleaciones tipo β obtenido por aleación de titanio vanadio, molibdeno, níquel, en este caso, las estructuras resultantes se caracterizan mayor fuerza en el rango de temperatura ambiente a negativa en comparación con las aleaciones α. Al usarlos, aumenta la resistencia al calor del material, su estabilidad de temperatura, sin embargo, reducción de plástico características de las aleaciones de este grupo.
Para obtener características estables, las aleaciones de este grupo deben ser dopado con una cantidad significativa los elementos especificados. Basado en el alto costo de estos materiales, las estructuras de este grupo no han recibido una amplia distribución industrial. Las aleaciones de este grupo se caracterizan por la resistencia a la fluencia, la posibilidad de aumentar la resistencia diferentes caminos, la posibilidad de procesamiento mecánico. Sin embargo, a medida que la temperatura de funcionamiento sube a 300°C Las aleaciones de este grupo adquieren fragilidad.
Pseudo aleaciones α
Pseudo aleaciones α, la mayoría de cuyos elementos de aleación son Componentes de la fase α con adiciones de hasta un 5 % de elementos del grupo β. La presencia de la fase β en las aleaciones añade a las ventajas de los elementos de aleación del grupo α la propiedad de plasticidad. Se consigue un aumento de la resistencia al calor de este grupo de aleaciones mediante el uso de aluminio, silicio y circonio. El último de los elementos enumerados tiene un efecto positivo en la disolución de la fase β en la estructura de la aleación. Sin embargo, estas aleaciones también tienen limitaciones, entre los cuales buenos absorción de hidrógeno por titanio y la formación de hidruros, con posibilidad de fragilización por hidrógeno. El hidrógeno se fija en el compuesto en forma de fase hidruro, reduce la viscosidad y las características plásticas de la aleación y contribuye a aumentar la fragilidad de la junta.Uno de los materiales más comunes en este grupo es marca de aleación de titanio VT18, que tiene una resistencia al calor de hasta 600°C, tiene buenas características de plasticidad. Estas propiedades hacen posible utilizar el material para fabricación de piezas de compresores en la industria aeronáutica. El tratamiento térmico del material incluye el recocido a temperaturas de aproximadamente 1000 °C con enfriamiento adicional por aire o recocido doble, lo que permite un aumento del 15 % en su resistencia al desgarro.
Pseudo β-aleaciones
Pseudo β-aleaciones se caracterizan por la presencia después de la extinción o la normalización por la presencia de solo la fase β. En estado de recocido, la estructura de estas aleaciones representado por la fase α con una cantidad significativa de componentes de aleación del grupo β. Estas aleaciones se caracterizan el índice de fuerza específica más alto entre los compuestos de titanio, tienen baja estabilidad térmica. Además, las aleaciones de este grupo son poco susceptibles a la fragilidad cuando se exponen al hidrógeno, pero son altamente sensibles al contenido de carbono y oxígeno, lo que incide en la reducción de las propiedades dúctiles y dúctiles de la aleación. Estas aleaciones se caracterizan por una mala soldabilidad, una amplia gama de características mecánicas debido a la heterogeneidad de la composición y baja estabilidad en el trabajo a altas temperaturas.La forma de desmoldeo de la aleación está representada por láminas, forjas, varillas y flejes, siendo recomendable su uso por tiempo prolongado a temperaturas no superiores a 350°C. Un ejemplo de tal aleación es BT 35, que se caracteriza por el tratamiento a presión cuando se expone a la temperatura. Después del endurecimiento, el material se caracteriza por sus altas características plásticas y la capacidad de deformarse en frío. La realización de la operación de envejecimiento de esta aleación provoca múltiples endurecimientos en presencia de alta viscosidad.
aleaciones tipo α+β
aleaciones tipo α+β con posibles inclusiones de compuestos intermetálicos se caracterizan por una menor fragilidad cuando se exponen a las hidritas en comparación con las aleaciones de los grupos 1 y 3. Además, se caracterizan por una mayor capacidad de fabricación y facilidad de procesamiento utilizando varios métodos en comparación con las aleaciones del grupo α. Cuando se suelda con este tipo de material, se requiere un recocido después de completar la operación para aumentar la ductilidad de la soldadura. Los materiales de este grupo se fabrican en forma de flejes, chapas, forjados, estampados y barras. El material más común en este grupo es aleación VT6, se caracteriza por una buena deformabilidad durante el tratamiento térmico, probabilidad reducida de fragilización por hidrógeno. de este material producir piezas de cojinetes de aeronaves y productos resistentes al calor para compresores de motor en aviación. Se practica el uso de aleaciones VT6 recocidas o termoendurecidas. Por ejemplo, las partes de un perfil de paredes delgadas o las láminas en bruto se recocen a una temperatura de 800 ° C, luego se enfrían al aire o se dejan en un horno.
Aleaciones de titanio basadas en compuestos intermetálicos.
Los intermetálicos son una aleación de dos metales, uno de los cuales es el titanio.
Recepción de productos
Estructuras obtenidas por fundición, realizadas en moldes metálicos especiales en condiciones de acceso limitado de gases activos, teniendo en cuenta la alta actividad de las aleaciones de titanio con el aumento de temperatura. Las aleaciones obtenidas por fundición tienen peores propiedades que las aleaciones obtenidas por deformación. El tratamiento térmico para aumentar la resistencia no se lleva a cabo para aleaciones de este tipo, ya que tiene un efecto significativo en la plasticidad de estas estructuras.
El titanio (titanio), Ti, es un elemento químico del grupo IV del sistema periódico de elementos de D. I. Mendeleev. número ordinal 22, peso atomico 47.90. Consta de 5 isótopos estables; También se han obtenido isótopos artificialmente radiactivos.
En 1791, el químico inglés W. Gregor encontró una nueva "tierra" en la arena de la ciudad de Menakan (Inglaterra, Cornualles), a la que llamó Menakan's. En 1795, el químico alemán M. Klairot descubrió en el mineral rutilo una tierra aún desconocida, cuyo metal denominó Titán [en griego. mitología, los titanes son los hijos de Urano (Cielo) y Gaia (Tierra)]. En 1797, Klaproth demostró la identidad de esta tierra con la descubierta por W. Gregor. El titanio puro fue aislado en 1910 por el químico estadounidense Hunter al reducir el tetracloruro de titanio con sodio en una bomba de hierro.
estar en la naturaleza
El titanio es uno de los elementos más comunes en la naturaleza, su contenido en la corteza terrestre es del 0,6% (en peso). Ocurre principalmente en forma de dióxido de TiO 2 o sus compuestos: titanatos. Se conocen más de 60 minerales, entre los que se encuentra el titanio, que también se encuentra en el suelo, en organismos animales y vegetales. Ilmenita FeTiO3 y rutilo El TiO 2 sirve como principal materia prima para la producción de titanio. Como fuente de titanio, las escorias de fundición están cobrando importancia magnetitas de titanio e ilmenita.
Propiedades físicas y químicas
El titanio existe en dos estados: amorfo - polvo gris oscuro, densidad 3,392-3,395 g/cm 3 y cristalino, densidad 4,5 g/cm 3. Para el titanio cristalino, se conocen dos modificaciones con un punto de transición a 885° (por debajo de 885°, una forma hexagonal estable, por encima - cúbica); t° pl alrededor de 1680°, t° kip por encima de 3000°. El titanio absorbe activamente gases (hidrógeno, oxígeno, nitrógeno), lo que lo hace muy frágil. El metal técnico se presta al tratamiento de presión en caliente. El metal perfectamente puro se puede laminar en frío. En el aire a temperatura ordinaria, el titanio no cambia; cuando se calienta, forma una mezcla de óxido Ti 2 O 3 y nitruro TiN. En una corriente de oxígeno al rojo vivo, se oxida a dióxido de TiO 2. Reacciona a altas temperaturas con carbón, silicio, fósforo, azufre, etc.. Resistente al agua de mar, ácido nítrico, cloro húmedo, ácidos orgánicos y álcalis fuertes. Se disuelve en ácidos sulfúrico, clorhídrico y fluorhídrico, lo mejor de todo en una mezcla de HF y HNO 3 . La adición de un agente oxidante a los ácidos protege el metal de la corrosión a temperatura ambiente. Haluros de titanio tetravalentes, con la excepción de TiCl 4: cuerpos cristalinos, fusibles y volátiles en una solución acuosa, hidrolizados, propensos a la formación de compuestos complejos, de los cuales el fluorotitanato de potasio K 2 TiF 6 es importante en tecnología y práctica analítica. De gran importancia son el carburo de TiC y el nitruro de TiN, sustancias similares a los metales, que se distinguen por su alta dureza (el carburo de titanio es más duro que el carborundum), refractariedad (TiC, t ° pl = 3140 °; TiN, t ° pl = 3200 °) y buena conductividad eléctrica.
Elemento químico número 22. Titanio.
La fórmula electrónica del titanio es: 1s 2 |2s 2 2p 6 |3s 2 3p 6 3d 2 |4s 2 .
El número de serie de titanio en el sistema periódico de elementos químicos D.I. Mendeleev - 22. El número del elemento indica la carga de una yarda, por lo tanto, el titanio tiene una carga nuclear de +22, la masa del núcleo es 47.87. El titanio está en el cuarto período, en un subgrupo secundario. El número de período indica el número de capas de electrones. El número de grupo indica el número de electrones de valencia. Un subgrupo lateral indica que el titanio pertenece a los elementos d.
El titanio tiene dos electrones de valencia en el orbital s de la capa externa y dos electrones de valencia en el orbital d de la capa preexterna.
Números cuánticos para cada electrón de valencia:
4s4sCon halógenos e hidrógeno, el Ti(IV) forma compuestos del tipo TiX 4 , que tienen tipo de hibridación sp 3 → q 4.
El titanio es metal. Es el primer elemento del grupo d. El más estable y común es Ti+4. También hay compuestos con estados de oxidación más bajos -Ti 0, Ti -1, Ti +2, Ti +3, pero estos compuestos se oxidan fácilmente con aire, agua u otros reactivos a Ti +4. El desprendimiento de cuatro electrones requiere mucha energía, por lo que el ion Ti+4 no existe realmente y los compuestos de Ti(IV) suelen incluir enlaces covalentes.Ti(IV) es en algunos aspectos similar a los elementos -Si, Ge, Sn y Pb, especialmente con Sn.
Lo más significativo para economía nacional hubo y hay aleaciones y metales que combinan ligereza y resistencia. El titanio pertenece a esta categoría de materiales y, además, tiene una excelente resistencia a la corrosión.
El titanio es un metal de transición del 4º grupo del 4º período. Su peso molecular es de solo 22, lo que indica la ligereza del material. Al mismo tiempo, la sustancia se distingue por una fuerza excepcional: entre todos los materiales estructurales, es el titanio el que tiene la fuerza específica más alta. El color es blanco plateado.
Qué es el titanio, el siguiente video lo dirá:
Concepto y características
El titanio es bastante común: ocupa el décimo lugar en términos de contenido en la corteza terrestre. Sin embargo, fue solo en 1875 que se aisló un metal verdaderamente puro. Antes de esto, la sustancia se obtenía con impurezas o sus compuestos se denominaban titanio metálico. Esta confusión condujo al hecho de que los compuestos metálicos se usaban mucho antes que el metal mismo.
Esto se debe a la peculiaridad del material: las impurezas más insignificantes afectan significativamente las propiedades de una sustancia, a veces privándola por completo de sus cualidades inherentes.
Por lo tanto, la fracción más pequeña de otros metales priva al titanio de la resistencia al calor, que es una de sus valiosas cualidades. Y una pequeña adición de un no metal convierte un material duradero en uno quebradizo e inadecuado para su uso.
Esta característica dividió inmediatamente el metal resultante en 2 grupos: técnico y puro.
- Primero se utilizan en los casos donde más se necesita solidez, ligereza y resistencia a la corrosión, ya que el titanio nunca pierde la última calidad.
- material de alta pureza utilizado donde se necesita un material que funcione a muy cargas pesadas y altas temperaturas, pero al mismo tiempo caracterizado por su ligereza. Esto, por supuesto, es ciencia de aeronaves y cohetes.
La segunda característica especial de la materia es la anisotropía. Algunas de sus cualidades físicas cambian en función de la aplicación de fuerzas, lo que hay que tener en cuenta a la hora de aplicar.
En condiciones normales, el metal es inerte, no se corroe ni en el agua de mar ni en el aire del mar o de la ciudad. Además, es la sustancia biológicamente más inerte que se conoce, por lo que las prótesis e implantes de titanio son ampliamente utilizados en medicina.
Al mismo tiempo, a medida que aumenta la temperatura, comienza a reaccionar con el oxígeno, el nitrógeno e incluso el hidrógeno y absorbe los gases en forma líquida. Esta desagradable característica hace que sea extremadamente difícil tanto obtener el metal en sí mismo como fabricar aleaciones a partir de él.
Esto último solo es posible cuando se utilizan equipos de vacío. El proceso de producción más complejo ha convertido un elemento bastante común en uno muy costoso.
Unión con otros metales
El titanio ocupa una posición intermedia entre los otros dos materiales estructurales bien conocidos: el aluminio y el hierro, o mejor dicho, las aleaciones de hierro. En muchos aspectos, el metal es superior a sus "competidores":
- La resistencia mecánica del titanio es 2 veces mayor que la del hierro y 6 veces mayor que la del aluminio. En este caso, la fuerza aumenta al disminuir la temperatura;
- la resistencia a la corrosión es mucho mayor que la del hierro e incluso la del aluminio;
- en temperatura normal el titanio es inerte. Sin embargo, cuando sube a 250 C, comienza a absorber hidrógeno, lo que afecta las propiedades. En términos de actividad química, es inferior al magnesio, pero, por desgracia, supera al hierro y al aluminio;
- el metal conduce la electricidad mucho más débil: su resistividad eléctrica es 5 veces mayor que la del hierro, 20 veces mayor que la del aluminio y 10 veces mayor que la del magnesio;
- la conductividad térmica también es mucho más baja: 3 veces menos que el hierro 1 y 12 veces menos que el aluminio. Sin embargo, esta propiedad da como resultado un coeficiente de expansión térmica muy bajo.
Ventajas y desventajas
De hecho, el titanio tiene muchas desventajas. Pero la combinación de resistencia y ligereza tiene tanta demanda que ni el complejo método de fabricación ni la necesidad de una pureza excepcional detienen a los consumidores de metal.
Las ventajas indudables de la sustancia incluyen:
- baja densidad, lo que significa muy poco peso;
- excepcional resistencia mecánica tanto del titanio como de sus aleaciones. Con el aumento de la temperatura, las aleaciones de titanio superan a todas las aleaciones de aluminio y magnesio;
- la relación de resistencia y densidad - resistencia específica alcanza 30–35, que es casi 2 veces mayor que la de los mejores aceros estructurales;
- en el aire, el titanio se recubre con una fina capa de óxido, que proporciona una excelente resistencia a la corrosión.
El metal también tiene sus inconvenientes:
- La resistencia a la corrosión y la inercia solo se aplican a productos de superficie no activos. El polvo o las virutas de titanio, por ejemplo, se encienden y queman espontáneamente a una temperatura de 400 C;
- un método muy complejo de obtención de titanio metálico proporciona un coste muy elevado. El material es mucho más caro que el hierro, o;
- la capacidad de absorber gases atmosféricos con el aumento de la temperatura requiere el uso de equipos de vacío para fundir y obtener aleaciones, lo que también aumenta significativamente el costo;
- el titanio tiene malas propiedades antifricción: no funciona para la fricción;
- el metal y sus aleaciones son propensos a la corrosión por hidrógeno, que es difícil de prevenir;
- el titanio es difícil de mecanizar. Soldarlo también es difícil debido a la transición de fase durante el calentamiento.
Hoja de titanio (foto)
Propiedades y características
Fuertemente dependiente de la limpieza. Los datos de referencia describen, por supuesto, metal puro, pero las características del titanio técnico pueden variar notablemente.
- La densidad del metal disminuye cuando se calienta de 4,41 a 4,25 g/cm3 La transición de fase cambia la densidad en solo un 0,15%.
- El punto de fusión del metal es 1668 C. El punto de ebullición es 3227 C. El titanio es una sustancia refractaria.
- En promedio, la resistencia a la tracción es de 300 a 450 MPa, pero esta cifra se puede aumentar a 2000 MPa recurriendo al endurecimiento y el envejecimiento, así como a la introducción de elementos adicionales.
- En la escala HB, la dureza es 103 y este no es el límite.
- La capacidad calorífica del titanio es baja: 0,523 kJ/(kg·K).
- Resistencia eléctrica específica - 42,1 10 -6 ohm cm.
- El titanio es un paramagneto. A medida que la temperatura disminuye, su susceptibilidad magnética disminuye.
- El metal en su conjunto se caracteriza por su ductilidad y maleabilidad. Sin embargo, estas propiedades están fuertemente influenciadas por el oxígeno y el nitrógeno en la aleación. Ambos elementos hacen que el material sea quebradizo.
La sustancia es resistente a muchos ácidos, incluidos el nítrico, el sulfúrico en bajas concentraciones y casi todos los ácidos orgánicos excepto el fórmico. Esta cualidad garantiza que el titanio tenga demanda en las industrias química, petroquímica, papelera, etc.
Estructura y composición
Titanio: aunque es un metal de transición y su resistividad eléctrica es baja, sin embargo, es un metal y conduce la corriente eléctrica, lo que significa una estructura ordenada. Cuando se calienta a cierta temperatura, la estructura cambia:
- hasta 883 C, la fase α es estable con una densidad de 4,55 g/cu. ver Se distingue por una densa red hexagonal. El oxígeno se disuelve en esta fase con la formación de soluciones intersticiales y estabiliza la modificación α - empuja el límite de temperatura;
- por encima de 883 C, la fase β con una red cúbica centrada en el cuerpo es estable. Su densidad es algo menor: 4,22 g / cu. ver El hidrógeno estabiliza esta estructura: cuando se disuelve en titanio, también se forman soluciones intersticiales e hidruros.
Esta característica dificulta mucho el trabajo del metalúrgico. La solubilidad del hidrógeno disminuye bruscamente cuando se enfría el titanio y el hidruro de hidrógeno, la fase γ, precipita en la aleación.
Provoca grietas en frío durante la soldadura, por lo que los fabricantes tienen que trabajar más duro después de fundir el metal para limpiarlo de hidrógeno.
Sobre dónde puede encontrar y cómo hacer titanio, lo diremos a continuación.
Este video está dedicado a la descripción del titanio como metal:
Producción y minería
El titanio es muy común, por lo que con los minerales que contienen metal, y en bastante grandes cantidades, no hay problemas. Las materias primas son rutilo, anatasa y brookita (dióxido de titanio en diversas modificaciones, ilmenita, pirofanita) compuestos con hierro, etc.
Pero es complejo y requiere un equipo costoso. Los métodos de obtención son algo diferentes, ya que la composición del mineral es diferente. Por ejemplo, el esquema para obtener metal a partir de minerales de ilmenita se ve así:
- Obtención de escoria de titanio: la roca se carga en un horno de arco eléctrico junto con un agente reductor: antracita, carbón vegetal y se calienta a 1650 C. Al mismo tiempo, se separa el hierro, que se utiliza para obtener hierro fundido y dióxido de titanio en la escoria. ;
- la escoria se clora en cloradores de mina o de sal. La esencia del proceso es convertir dióxido sólido en tetracloruro de titanio gaseoso;
- en hornos de resistencia en matraces especiales, el metal se reduce con sodio o magnesio a partir de cloruro. Como resultado, se obtiene una masa simple: una esponja de titanio. Se trata de un titanio técnico bastante adecuado para la fabricación de equipos químicos, por ejemplo;
- si se requiere un metal más puro, recurren al refinado; en este caso, el metal reacciona con yodo para obtener yoduro gaseoso, y este último, bajo la influencia de la temperatura - 1300-1400 C y corriente eléctrica, se descompone, liberando titanio puro. Electricidad se alimenta a través de un hilo de titanio estirado en una retorta, sobre el que se deposita una sustancia pura.
Para obtener lingotes de titanio, la esponja de titanio se funde en un horno de vacío para evitar que se disuelvan el hidrógeno y el nitrógeno.
El precio del titanio por 1 kg es muy alto: dependiendo del grado de pureza, el metal cuesta entre $ 25 y $ 40 por 1 kg. Por otro lado, la caja de un aparato de acero inoxidable resistente a los ácidos costará 150 rublos. y durará no más de 6 meses. El titanio costará alrededor de 600 r, pero se opera durante 10 años. Hay muchas instalaciones de producción de titanio en Rusia.
áreas de uso
La influencia del grado de depuración sobre las propiedades físicas y mecánicas obliga a considerarlo desde este punto de vista. Entonces, técnico, es decir, no el metal más puro, tiene una excelente resistencia a la corrosión, ligereza y resistencia, lo que determina su uso:
- industria química– intercambiadores de calor, tuberías, carcasas, piezas de bombas, accesorios, etc. El material es indispensable en áreas donde se requiere resistencia a los ácidos y fuerza;
- industria del transporte- la sustancia se utiliza para fabricar vehículos, desde trenes hasta bicicletas. En el primer caso, el metal aporta una menor masa de compuestos, lo que hace más eficiente la tracción, en el segundo otorga ligereza y resistencia, no en vano un cuadro de bicicleta de titanio es considerado el mejor;
- asuntos navales- el titanio se utiliza para fabricar intercambiadores de calor, silenciadores de escape para submarinos, una válvula, hélices, etc.;
- en construcción ampliamente utilizado - titanio - un excelente material para el acabado de fachadas y techos. Junto con la resistencia, la aleación brinda otra ventaja importante para la arquitectura: la capacidad de dar a los productos la configuración más extraña, la capacidad de dar forma a la aleación es ilimitada.
El metal puro también es muy resistente a altas temperaturas y conserva su fuerza. La aplicación es obvia:
- industria aeronáutica y de cohetes: el revestimiento está hecho de él. Partes del motor, sujetadores, partes del chasis, etc.
- medicina: la inercia biológica y la ligereza hacen del titanio un material mucho más prometedor para prótesis, hasta válvulas cardíacas;
- tecnología criogénica: el titanio es una de las pocas sustancias que, cuando baja la temperatura, solo se vuelve más fuerte y no pierde plasticidad.
El titanio es un material estructural de la más alta resistencia con tal ligereza y ductilidad. Estas cualidades únicas le otorgan un papel cada vez más importante en la economía nacional.
El siguiente video le dirá dónde obtener titanio para un cuchillo: