Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МАТИ» - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского

Кафедра «Технология и системы автоматизированного проектирования металлургических процессов»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Технология и оборудование сварочного производства»

Тема: «Разработка технологического процесса изготовления бачка для электрохимических источников питания из Ti марки ОТ4

Москва 2015

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МАТИ - российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского»

Кафедра «Технология и системы автоматизированного проектирования металлургических процессов»

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой С.В. Моисеев

Задание на курсовой проект по дисциплине «Технология сварочного производства»

Студент 148 группы, Седышев Семён Владимирович

Тема: Разработка технологического процесса аргонно-дуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом в защитных газах продольного шва бачка для электрохимических источников питания из Ti марки ОТ4.

Перечень вопросов, подлежащих разработке в курсовой работе:

Описание конструкции изделия (узла) и условий его эксплуатации; Обоснование выбора материала, его физико-химические и механические свойства; Анализ свариваемости материала; Разработка технологического процесса сборки и сварки; Проектирование технологической оснастки.

Рекомендуемая литература:

Технология и оборудование сварки плавлением / Под ред. Г.Д. Никифорова;

Конспект лекций по курсу «Технология и оборудование сварки плавлением»;

Сварка в машиностроении: справочник в 4-х томах. Г. А. Николаев



Содержание

• Введение
• 1. Описание конструкции изделия и условий его эксплуатации
• 1.1 Требования к сварным швам их внешнему виду, форме и размерам. Допустимые дефекты
• 2. Обоснование выбора материала, его основные свойства
• 3. Технологическая свариваемость титана при сварке плавлением
• 3.1 Металлургическая свариваемость
• 3.2 Тепловая свариваемость
• 3.3 Образование дефектов при сварке плавления у титана
• 3.4 Взаимодействие титана с газами
• 4. Выбор способов сварки и типов сварных соединений
• 5. Описание сварочного оборудования и технологической оснастки
• 6. Разработка технологического процесса
• 6.1 Подготовка материала
• 6.2 Контроль сварного соединения
• 6.3 Директивная технология
• Заключение
• Список использованной литературы


Введение

Развитие технологии и оборудования сварочных процессов идет в настоящее время достаточно быстрыми темпами. Это вызвано все более возрастающей потребностью создания качественных неразъемных соединений как из однородных, так и разнородных материалов.

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действием того и другого.

Повышение эффективности и производительности напрямую связано с автоматизацией процесса сварки. Целью курсового проекта является разработка эффективного и высокопроизводительного технологического процесса сборки и сварки бачка от электрохимических источников питания из титанового сплава марки ОТ4.



1. Описание конструкции изделия и условий его эксплуатации

В данной работе производится сварка бачка от электрохимических источников питания из титанового сплава марки ОТ4. Бачок конструктивно представляет собой 2 скобы с двумя продольными швами, соединённых между собой стыковым соединением. Одного донышка соединенным стыковым соединением с отбортовкой. Все 3 детали сварены с применением автоматической аргоно-дуговой сварки в среде защитных газов. Бачок эксплуатируется в коррозионной среде. Основным требованием к сварному шву является герметичность. Корпус бачка предохраняет электроды от воздействия окружающей среды, что позволяет без проблем вырабатывать электрическую энергию.

Конструкция имеет небольшую массу и габаритные размеры (рис. 1.1.), поэтому для изготовления не требуется применение сложных и громоздких приспособлений, что существенно уменьшает производственные площади и снижает трудоемкость изготовления, а следовательно, снижает и себестоимость изделия. Высокие требования по качеству, надежности соответствует функциональным характеристикам и квалификации исполнителей, все это характерно процессу изготовления бачка.

Рис.1.1 Бачок

1- Скоба 1; 2- Скоба 2; 3- Донышко;

Требования к материалам: Материалы и комплектующие изделия, применяемые при изготовлении емкости, должны отвечать сроку службы, условиям эксплуатации и хранения данного изделия.

1.1 Требования к сварным швам их внешнему виду, форме и размерам. Допустимые дефекты

- Швы сварных соединений по своей форме, состоянию поверхности, расположению, размерам, сплошности и прочим характеристикам должны соответствовать требованиям чертежа, Государственных стандартов, частных технических условий на изделие и настоящей инструкции.

- По состоянию поверхности швы, выполненные аргоно-дуговой сваркой должны иметь гладкую или мелкочешуйчатую поверхность по всей длине шва, без свищей, раковин, шлаковых включений, трещин, прожегов, кратеров.

Переход от шва к основному металлу и изменение размеров шва по его длине должны быть плавными.

- На поверхности стыковых швов в усилении и в проплаве допускаются углубления с плавными очертаниями, если глубина их не превышает величины усиления или проплава.

- Без исправления допускаются следующие дефекты сварного шва:

а) отклонение по размерам шва, занижение или завышение (местное) не превышающее ±30% от установленных в Государственном стандарте, если их единичная или суммарная протяжённость не более 30% от длины шва.

б) проплавы в сварных соединениях, не представляющие пористого провисания материала размером не более указанных в таблице 1.1.



Таблица 1.1

Материал	Толщина материала, мм	Допустимая высота проплава на всей длине шва, мм	Максимально допустимая высота проплава на участках, суммарная длина, которых не превышает 20% длины шва, мм
Титановый сплав ОТ4	до 0,5 до 1,0 до 2,0 до 3,0	1,0 1,5 2,0 2,5	1,5 2,0 2,5 3,0

Недопустимость проплавов или ограничение их размеров по сравнению с вышеуказанными должны оговариваться в чертежах или частных технических условиях.

в) поры, шлаковые и вольфрамовые включения, количество и размеры которых не превышают норм, указанных в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Толщина свариваемого материала, мм	Максимальный диаметр пор, включений, мм	Количество штук не более	Расстояние между порами и включениями максимального диаметра не менее, мм	Суммарная площадь всех пор и включений не более, мм2
			на 100 мм длины шва
до 2	0,5	3	3 dср	0,6

D_ср - средний диаметр двух соседних пор или включений.

Скопление мелких пор и включений протяжённостью не более 20 мм на каждые 100 погонных мм длины сварного шва. Мелкими считаются поры и включения диаметром не более 0,3 мм для толщин до 1,5 мм и диаметром не более 0,5 мм для толщин свыше 1,5 мм;

г) участки швов с подрезами, если их суммарная длина не превышает 10% от длины шва. Допустимая глубина подреза не должна превышать 10% наименьшей свариваемой толщины и быть не более 0,5 мм.

д) утяжины основного металла в стыковых соединениях.

е) смещение кромок.

Дефекты сварных соединений.

К дефектам сварного соединения относятся:

а) непровар - неполное расплавление кромок по сечению (рис. 6.1и 6.2)

Рис. 6.1

Рис. 6.2

б) подрез - наличие вдоль шва на основном металле углубления (рис.6.3)



Рис. 6.3

в) кратер - углубление на сварном шве при резком обрыве дуги в месте перерыва сварки (рис.6.4)

Рис. 6.4

г) поры - округлые полости внутри металла шва, заполненные газом; крупные поры неправильной формы называются раковинами (рис.6.5)

Рис. 6.5

д) свищи - углубления на поверхности шва, имеющие канал вглубь металла шва, образующиеся в результате выхода газов при кристаллизации металла шва. (рис.6.6)



Рис. 6.6

е) включения - инородные тела в металле шва (окисные плёнки, частицы вольфрама и т.п.) (рис.6.7)

Рис. 6.7

ж) утяжина - углубление в основном металле или в остающейся подкладке с обратной стороны шва, вызванное усадкой металла. (рис. 6.8)

Рис. 6.8

з) сквозное проплавление - проплавление с образованием отверстия (прожег) (рис. 6.9)

Рис.6.9

и) неравномерности шва - наплывы, впадины, натёки, изменение размеров шва по длине. (рис. 6.10)

Рис. 6.10

к) трещины ( продольные и поперечные) - местные разрывы металла в шве и околошовной зоне, возникающие под действием внутренних напряжений или внешних нагрузок (рис. 6.11)

Рис. 6.11

л) чрезмерное окисление металла шва, при сварке химически активных сплавов. Для титановых сплавов - наличие серого и белого налёта на поверхности шва и синего, и фиолетового цветов побежалости.



2. Обоснование выбора материала, его основные свойства

бачок электрохимический титановый сплав

Титановые сплавы широко применяют в сверхзвуковой авиации, где алюминиевые сплавы не могут быть использованы из-за низкой жаропрочности, а стали - из-за большой плотности. В пассажирских отечественных самолетах ИЛ-86, ИЛ-96, ТУ-204, ЯК-42, АН-124, АН-74 и других на долю титановых сплавов приходится 4 - 8 % от массы планера, а в сверхзвуковом самолете ТУ-144 было использовано около 12 %. Титановые сплавы используют в вертолетах для деталей системы несущего винта и привода и системы управления. Применение титановых сплавов в самолетном двигателестроении и вертолетостроении позволяет снизить массу деталей на 35 - 40 % по сравнению со стальными деталями.

Чистый титан обладает следующим комплексом свойств. Температура плавления титана выше, чем у железа. Титан - легкий металл, его плотность в 2 раза меньше, чем у железа, никеля и их сплавов.

Являясь химически активным металлом, титан при обычных температурах пассивен, что обеспечивает ему коррозионную стойкость выше, чем у железа и алюминия. В некоторых средах коррозионная стойкость титана выше, чем у нержавеющих сталей.

При оксидировании в оптимальных условиях на поверхности образуются защитные оксидные слои, обеспечивающие ему «иммунитет» в ряде агрессивных сред при почти нулевой скорости коррозии.

Со многими элементами периодической системы титан способен взаимодействовать и образовывать твердые растворы и сплавы с особыми химическими и физическими свойствами.

Титан, как и железо, имеет две кристаллические модификации что создает благоприятные условия для различного рода фазовых превращений в твердом состоянии и изменений в широком диапазоне структуры и свойств.

Большое число типов химических соединений титана создает технические предпосылки для разработки новых материалов с особыми, а иногда уникальными физическими и химическими свойствами.

После открытия крупных месторождений титана во многих странах он стал доступным материалом.

Надежность и сроки эксплуатации. Применение титановых сплавов позволяет значительно увеличить срок службы оборудования и изделий. Надежность и длительность эксплуатации (для титана 10 - 20 лет, 6 - 12 мес для нержавеющей стали) сокращают большие расходы на текущий и капитальный ремонт оборудования. Повышается производительность машин и аппаратов, обеспечивается надежная автоматизация процессов.

Титановая аппаратура способствует выпуску продукции высокого качества без следов примеси; улучшает санитарно-гигиенические условия труда, что особенно важно в технологических процессах, связанных с агрессивными средами: сернистым газом, хлором, кислотами.

Расход материалов уменьшается в 1,5 - 2 раза благодаря небольшой плотности титана и более высокой удельной прочности титановых сплавов по сравнению с легированными сталями и никелевыми сплавами. Более точное определение прочностных свойств новых титановых сплавов позволит значительно сократить расход металла при расчете конструкций.

Характеристики титана. Титан имеет серебристо-белый цвет, температура плавления 1690°С, обладает небольшой плотностью и значительной коррозионной стойкостью. Путем легирования могут быть созданы сплавы с высокими механическими свойствами; небольшой коэффициент расширения облегчает применение его в условиях резкого изменения температур.

В обычной атмосфере титан стоек против окисления до 400 - 500°С, при более высоких температурах начинает реагировать с кислородом, азотом и водородом. Жаростойкость увеличивается путем легирования хромом, алюминием и кремнием. Имеет высокую коррозионную стойкость к действию кислот, щелочей и морской воды. После азотирования или поверхностного упрочнения детали из титана хорошо работают в условиях трения. При нагреве механические свойства титана заметно меняются. Титан обладает хорошей свариваемостью аргонно-дуговой, точечной, роликовой и стыковой сваркой.

Применение сплавов. Титановые сплавы используются для изготовления обшивки самолетов при скоростях полета 3 - 4 М, когда поверхность нагревается до 450 - 550°С, а также для изготовления передних кромок крыла и стабилизатора, элеронов и конусов, лонжеронов, нервюр, шпангоутов, элементов жесткости. Эффективно использование титановых сплавов для противопожарных перегородок, воздухопроводов и трубопроводов гидравлических систем/ немагнитных топливных баков, створок шасси, закрылков, глушителей, заслонок, бандажей, тяг, а также для высоконагруженных болтов и шпилек.

В двигателях титановые сплавы используют для изготовления деталей компрессора: лопаток и дисков, капотов, наружных кожухов камер сгорания, реактивных сопел, выхлопных патрубков.

1.Некоторые титановые сплавы содержат дешевке и недефицитные элементы, такие, как алюминий, хром, марганец, железо, медь, кремний и некоторые другие. Так как стоимость этих легирующих элементов значительно ниже, чем стоимость чистого титана, то сплавы получаются более дешевыми, чем чистый титан. Такие титановые сплавы получили название экономно легированных. К ним относят сплавы на основе двойной системы: Ti - А1 (марка ВТ5), на основе тройной системы Ti - А1 - Мп (серия ОТ) и сплавы пятикомпонентной системы Ti - AI - Cr - Fe - Si (серия AT).

2. Сплавы, содержащие дорогие и дефицитные элементы (Zr, Nb, Mo, V, Sn и др.) применяют в технике, работающей: при температурах жидкого гелия (АТ2, ВТ5-1); в особо агрессивных средах (СТ1, 4200, 4201 и 4204); в условиях высоких нагрузок и температур (сплавы, отнесенные к 5-й и 6-й группам).

3. Титановые сплавы позволяют значительно увеличить надежность и срок службы (до 10-20 лет) оборудования и машин. Повышается производительность машин и аппаратов, обеспечивается надежная автоматизация процессов.

Титановый сплав ОТ4 относится к деформируемым сплавам. Сплав с б-структурой ОТ4 имеет среднюю прочность при комнатной температуре, высокие механические свойства при очень близких температурах, хорошие жаропрочность и сопротивление ползучести, обладают отличной свариваемостью и коррозионной стойкостью. Прочность сварного шва около 90% от прочности основного сплава. Обрабатываемость резанием удовлетворительная.

Недостатки: сплав не упрочняется при термической обработке, имеют низкую технологическую пластичность. Сплав с оловом более технологичен и жаростойкий, обладает высоким сопротивлением ползучести. В горячем состоянии сплав куют, прокатывают и штампуют. Поставляют в виде прутков, сортового проката, поковок, труб и проволоки.

По типу структуры ОТ4 относится к псевдо б-сплавам. Все различия заключаются в методе обработке титана. Титан и его a- и псевдо a-сплавы не могут быть упрочнены обычными методами термической обработки, а применение упрочнения холодной пластической деформацией не всегда можно реализовать для полуфабрикатов и готовых изделий.

Обработка псевдо б, осуществляется в следующей последовательности: нагрев в вакууме до температуры от 700 єС до Aсз с выдержкой 5-30 мин, насыщение водородом при 400-650 єС до концентрации водорода 0,12-2%, охлаждение до комнатной температуры, дополнительный нагрев в вакууме до 700 ^оC - Aсз в течение 5-30 мин и последующий вакуумный отжиг при 400-650oC в течение 0,5-6 ч.

Сплав ОТ4 относится к материалам средней прочности.

Технический титан марки ОТ4 характеризуется хорошей свариваемостью, имеет серебристо-белый оттенок с удельной плотностью в 4,32 г/см3. Данный металл обладает довольно большой легкостью, высокой плотностью, превосходной стойкостью к коррозии с незначительным изменением коэффициента теплового расширения. Химический состав металла ОТ-4 соответствует требованиям ОСТ1 90013 или ГОСТ - 19807.

Основным преимуществом является прочность к коррозии и его легкость. Благодаря этим характеристикам, титановый сплав стал незаменим при строительстве кораблей, ракет и самолетов. Для его получения из руды применяется самая совершенная технология, благодаря которой лишь в 50-м году наладилось производство титана. По причине этого, данный металл считается редким.

Титан обладает высокой химической активностью при нагреве взаимодействует с атмосферными газами, загрязняется ими и становится хрупким. Поэтому при сварке титана и его сплавов предъявляются жёсткие требования относительно защиты наружной и обратной стороны шва, а также участков металла, нагреваемых в процессе сварки до температур выше 400°С.

В качестве защитного газа при сварке титана и его сплавов следует применять чистый аргон высшего сорта ГОСТ 10157-79.

При получении нового баллона с аргоном, качество газа проверить на образцах из титана или его сплавов. Отбор газов из баллонов прекращать при снижении давления в них до 196 кПа (2кгс/см²)

При полной защите металла инертным газом лицевая и обратная сторона шва имеют серебристый цвет. Ухудшение условий защиты и понижение чистоты инертного газа сопровождаются появлением на поверхности шва цветов побежалости, при этом снижается пластичность шва.

Удовлетворительно подобранными условиями сварки считать такие, которые обеспечивают получение серебристого цвета, а также с поверхностью соломенного, жёлтого, голубого и светло-синего оттенков.

При наличии цветов побежалости зачистка поверхностного слоя шва способствует повышению его пластических свойств.

Сварку деталей и его сборочных единиц из титана рекомендуется производить в камере с защитной атмосферой. Камеру через каждые трое суток непрерывной работы промывают путём протирки марлей , смоченной в спирте.

Допускается производить сварку с местной защитой лицевой и обратной стороны шва. При сварке цилиндрических, конических и других конструкций также при приварке штуцеров, фланцев и т.д. защиту обратной стороны шва производить с применением приспособлений - заглушек и заполнением свариваемых объёмов аргоном.

Защиту сварочной ванны и около шовной зоны с лицевой стороны производить с применением сопел увеличенного диаметра и специальных приставок - козырьков с независимой подачей аргона.

В конструкциях из титана не допускается пересечения нескольких швов в одной точке. Для уменьшения коробления свариваемых деталей освобождать их из приспособления только полного остывания металла шва. Сильно напряжённые узлы (с жёстким контуром или скоплением большого количества швов) рекомендуется подвергать вакуумному отжигу. Режим отжига узлов из Ti марки ОТ4: температура 650°С, время выдержки 40-60 минут. Охлаждение с печью до температуры 150-120°С.

Рис.2.1 Образец титанового сплава

Титан - химический элемент IV группы Периодической системы Д. И. Менделеева, относится к переходным материалам с недостроенной d-оболочкой. Существует в двух полиморфных модификациях: a-Ti при температурах <882 °С, P-Ti при температуре >882 °С. Процесс перестройки кристаллических решеток при полиморфном превращении в титане можно представить как сложный сдвиг в нескольких направлениях. Сложный характер полиморфных превращений обусловливает физические, механические и технологические свойства титана и его сплавов.

Химический состав в % материала ОТ4 ГОСТ 19807 - 91

Fe	C	Si	Mn	N	Ti	Al	Zr	O	H	Примесей
до 0.3	до 0.1	до 0.12	0.8 - 2	до 0.05	91.83 - 95.4	3.5 - 5	до 0.3	до 0.15	до 0.012	прочих 0.3

В титановом сплаве ОТ 4 присутствуют элементы внедрения (С, N, О), снижающие его пластичность и технологичность, и (Н), вызывающий водородную хрупкость сплава. Титановый сплав ОТ 4 с псевдо-б-структурой легирует (Аl, Мn, Zr, Fe, Si); содержит до 5% д-фазы и отличается высокой технологичностью (при содержании Аl < 3%), высокой термической стабильностью, хорошей свариваемостью; термически не упрочняется, основной вид термической обработки-отжиг при 590-740 °С. (Zr) является нейтральным упрочнителем сохраняет высокую пластичность и ударную вязкость при криогенных температурах, вплоть до температуры жидкого водорода.

Химические свойства.

Нормальный электродный потенциал реакции

Ti - 2е -Ti²⁺ + ц₀ = -1,75 В,

а реакции

Ti - Зе - Ti³⁺ + ц₀ = -1,21 В.

В соединениях проявляет степени окисления +2, +3, +4.

Титан хорошо поглощает водород; один моль титана способен сорбировать до двух молей водорода, причем наиболее интенсивно процесс этот протекает выше 400-500 °С. При малом содержании сорбированного водорода внешний вид поверхности металла почти не изменяется. Поглощение водорода металлом и образование твердого раствора - экзотермический процесс. Водород образует с титаном два гидрида TiH (г-фаза) с г.ц.к.-решеткой (а = 0,446 нм) при 62,4% (ат.) Н и TiH_2-x при большем содержании водорода. TiH_2-x - фаза переменного состава, которая по мере увеличения количества водорода претерпевает тетрагональное искажение.

При взаимодействии титана с кислородом на его поверхности образуется пленка оксидов. При комнатной температуре толщина этой пленки колеблется в пределах 0,17-25 нм в зависимости от длительности воздействия, соответствующего 2 и 4 годам. При нагреве до 400-500°С начинается заметное окисление титана, приводящее к образованию диоксида титана ТЮ₂, при этом часть кислорода растворяется в металле (до 20%), а остальные 80% идут на формирование окалины. До ~800°С окисленный слой состоит исключительно из ТЮ₂ со структурой рутила, а металл на границе с оксидом обогащен кислородом. Выше ~800°С дополнительно образуются фазы НО и Ti₂0₃. Цвет оксидного слоя зависит от температуры и длительности окисления. При низких температурах вначале наблюдаются желтый, голубой или фиолетовый цвета побежалости. В интервале 500-700 °С оксидный слой, еще прочно сцепленный с основным металлом, имеет темно-серый цвет. При более высокой температуре образуется слой серого цвета, который легко отслаивается.

Соединяясь при высоких температурах с углеродом, титан образует карбид типа ПС (Н_обр = 191,7 кДж/моль). TiC по внешнему виду и свойствам весьма сходен с металлическим титаном, однако с большим трудом, чем последний, поддается действию кислот. TiC обладает кристаллической структурой типа NaCl и плавится при 3425 ± 25 °С. При нагреве TiC реагирует с галогенидами, кислородом, азотом.

С азотом титан взаимодействует при высоких температурах, образуя нитрид TiN - вещество желтого цвета. Кристаллическая структура - типа NaCl, температура плавления = 2925 ± 25 °С, теплота образования H_обр = 334,26 кДж/моль. Нитрид титана обладает высокой электрической проводимостью.

С кремнием титан образует ряд интерметаллических соединений: Ti₃Si, Ti₅Si₃, TiSi, TiSi₂. Наиболее тугоплавкое из них Ti₅Si₃, имеющее температуру плавления = 2125 ± 25 °С.

При взаимодействии титана с его ближайшими аналогами - цирконием и гафнием - возникают непрерывные ряды б- и в-твердых растворов, с элементами VA группы - ванадием, ниобием и танталом - непрерывные в- и ограниченные б-твердые растворы. По мере увеличения различия в металлохимических свойствах титана и взаимодействующих с ним элементов возрастает тенденция к образованию химических соединений и снижению взаимной растворимости. Титан не образует соединений с более электроположительными металлами, чем он сам.

Титан характеризуется высокой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред, особенно в окислительных и хлорсодержащих. Так, титан стоек в азотной кислоте во всем интервале ее концентраций начиная с красной дымящейся при температурах до 100 °С. В условиях более высоких температур в чистой азотной кислоте развивается интенсивная коррозия. Присутствие ионов хлора в окислительном растворе, например в случае FeCl₃ или СuС1₂ обусловливает возникновение при температуре кипения наряду с равномерной коррозией также и точечной. В средах, содержащих ионы хлора, при комнатной температуре в присутствии окислителей титан не корродирует. Это относится, например, к растворам солей, в том числе к физиологическим растворам с NaCl, СаС1₂ и MgCl₂, а также к морской воде. В кипящей морской воде титан также не разрушается. Титан стоек в водных растворах, содержащих гипохлорат натрия, диоксид хлора или хлор. Он стоек также в среде влажного хлора или брома, однако при содержании влаги <0,01% титан может прореагировать с хлором или бромом со вспышкой. Со слабыми растворами щелочей титан не реагирует ни при низких, ни при повышенных температурах. Щелочи более высокой концентрации при нагреве, например 40%-ный раствор NaOH, разрушают металл. Титан неустойчив в ряде бескислородных минеральных кислот (плавиковой, соляной, фосфорной) при повышенных концентрациях и повышенных температурах. Титан заметно взаимодействует с некоторыми органическими кислотами - щавелевой, муравьиной, уксусной. Холодная деформация практически не влияет на коррозионную стойкость титана. В виде компактного металла титан обладает высокой стойкостью к различным химическим воздействиям. При высоких температурах титан становится химически очень активным. В этих условиях он энергично соединяется не только с галоидами, кислородом и серой, но также с углеродом и азотом. Порошки его способны поглощать большие количества водорода.

В своих важнейших и наиболее характерных производных титан четырехвалентен. Титан сравнительно легко образует малоустойчивые ^ соединения, в которых он трехвалентен. Производные двухвалентного ^ титана немногочисленны и весьма неустойчивы.

При накаливании титана в атмосфере кислорода он сгорает с образованием белого диоксида (ТiO₂), очень тугоплавкого и практически нерастворимого ни в воде, ни в разбавленных растворах кислот и щелочей. Диоксид титана служит для изготовления очень хорошей белой масляной краски («титановые белила»).

Соответствующий диоксиду гидрооксид Ti(OH)₄, представляет собой белый студенистый осадок, почти нерастворимый в воде. Гидрат диоксида титана имеет амфотерные свойства, причем и основные, и особенно кислотные его свойства выражены весьма слабо, но растворим в сильных кислотах.

Соли гидрата диоксида с металлами - титанаты получают обычно сплавлением диоксидов с оксидами металлов или щелочами. Для образующихся солей наиболее характерны типы М₂ЭО₃ и М₄ЭО₄ (где М-одновалентный металл), практически нерастворимые в воде.

Поскольку основные свойства гидрооксидов Ti^IV выражены сильнее кислотных, по отношению к воде соли бесцветных катионов Э⁴⁺ устойчивее титанатов. Все же гидролиз этих солей очень значителен и Даже в крепких растворах ведет к образованию двухвалентных радикалов титанила (ТiO) по схеме:

i+H₂O-TiO +2H.

Многие соли титана являются производными именно этих радикалов, а не ионов Ti⁴⁺; таков, например

(Ti0)S0₄*2H₂0.

Из других производных титана наибольшее значение имеют галоге- ниды типа ИГ₄.. Получают их обычно накаливанием смеси диоксида с углем в атмосфере галогены. Реакция идет по схеме:

TiO₂ + 2С + 2Г₂ = 2СО + ПГ₄.

Например, TiС1₄ .представляет собой при обычных условиях жидкость, другие галогениды титана хорошо растворимы в воде.

Взаимодействие титана с фтором начинается уже при 150°С, с другими галогениды - при 300-400 °С. В кислороде порошок титана загорается выше 600°С, в азоте - выше 800°С.

Каждый грамм-атом титана способен сорбировать до 2 г-атомов водорода, но быстро эта сорбция осуществляется лишь при высоких температурах (приблизительно с 400°С для титана). Значительно легче устанавливается равновесие, если металл был предварительно прокален в атмосфере Н₂. Простейшим методом синтеза этих гидридов является достаточное нагревание и затем медленное охлаждение металла в атмосфере водорода под тем или иным его давлением. При малом содержании сорбированного водорода внешний вид металла существенно не изменяется, но при большом он превращается в серый или черный порошок (с плотностью 3,8 г/см³ для TiH₂). Образование гидрида TiH₂ из элементов идет с довольно значительным выделением тепла: ~125,4 кДж/моль. В обычных условиях этот гидрид устойчив на воздухе (но при поджигании загорается). Он довольно инертен также по отношению к большинству веществ, не являющихся сильными окислителями.

При нагревании титан способен сорбировать также кислород (до 30 ат. %), причем поглощение его сопровождается лишь очень небольшим увеличением объема металлов. В меньших количествах могут сорбироваться им и другие газы (N₂ и пр.).

Нагревание ТiO₂ (t_пл = 1870 °С) выше 2200 °С ведет к частичному отщеплению кислорода с образованием синего Ti₃0₅ (т. е. Ti0₂-Ti₂0₃) и затем темно-фиолетового Ti₂0₃.

Для титана были получены (взаимодействием элементов при нагревании) аналогичные по составу высшим оксидам желтые сульфиды, коричневые селениды и черные теллуриды (TiS₂, TiSe₂, TiТе₂). Термическая устойчивость этих веществ снижается по ряду S - Se - Те, и при 600-700 °С могут проходить соответствующие реакции вытеснения.

При высоких температурах титан соединяется с углеродом, образуя карбид TiC. Реакция идет с выделением тепла: 192,3 кДж/моль. Карбид представляет собой металлического вида кристалл со структурой типа NaCl, очень твердый и тугоплавкий (t_пл = 3250 °С).

Аналогично взаимодействию с углеродом происходит при высоких температурах соединение титана с азотом. Получающийся при этом металлического вида желтый нидрид титана, имеет состав, соответствующий общей формуле TiN и структуре типа NaCl.

Из аналогичных нитридам фосфидов титана получены Ti₂P, TiP. Они представляют собой твердые серые вещества, термически устойчивые и не реагирующие с НС1, H₂S0₄ или HN0₃.

Для титана известны две формы его гидрата диоксида - б и в. Получаемый путем гидролиза солей на холоду б-гидрат диоксида титана имеет аморфный характер и легко растворяется в кислотах. При стоянии (быстрее при нагревании) он подвергается старению и постепенно переходит в (в-форму, имеющую микрокристаллическую структуру и растворимую лишь в HF или в горячей концентрированной H₂S0₄.

Из титанатов наиболее интересен ВаТiO₃. Соль эта является сегне- тоэлектриком и обладает сверхвысокой диэлектрической проницаемостью.

Для титана характерны пероксидные соединения, легко образующиеся при действии Н₂0₂ и щелочей на растворы солей. В свободном состоянии пероксидные гидраты представляют собой студенистые осадки желтого цвета.

Сульфат четырехвалентного титана [Ti(S0₄)₂] образуется при взаимодействии TiCl₄ с S0₃ в S0₂C1₂. Он представляет собой бесцветное, чрезвычайно гигроскопичное вещество. Его термическое разложение (в атмосфере сухого аргона) сопровождается отщеплением S0₃ и образованием TiOS0₄ (>150 °С) или ТiO₂ (>430 °С). В водной среде может быть получен только сульфат титанила - Ti0S0₄*2H₂0. Нитрат четырехвалентного титана был получен при -80 °С по реакции:

TiCl₄ + 4C1N0₃ = 4С1₂ = Ti(N0₃)₄.

Он представляет собой бес- цветное кристаллическое вещество (/_пл = 58°С), в высоком вакууме при 40 °С возгоняющееся. Для трехвалентного титана характерны производные; темно-фиолетовый оксид Ti₂0₃ (t_пл= 1820°С) может быть получен накаливаниием ТiO₂ до 1200°С в токе водорода. В качестве промежуточного продукта при 700 - 1000 °С образуется синий Ti₃0₅.

Соединения двухвалентного титана изучены недостаточно. Теплота образования TiO (t_пл = 1750 °С) составляет 518,3 кДж/моль. Он может быть получен в виде золотисто-желтой компактной массы нагреванием в вакууме до 1700 °С спрессированной смеси ТiO₂ + Ti. Интересным способом его образования является термическое разложение (в высо- ком вакууме при 1000 °С) нитрида титанила. Кристаллизуется ТiO по типу NaCl, а в разбавленной серной кислоте растворяется с выделением водорода. Похожий по внешнему виду на металл, темно-коричневый сульфид TiS может быть получен накаливанием TiS₂ в токе водорода (первоначально при этом образуются сульфиды промежуточного состава, в частности Ti₂S₃). Известны также TiSe, TiTe и силицид со става Ti₂Si.

Физические свойства материала ОТ4 .

T	E 10- 5	б 10 6	л	с	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	1.15			4550

Атомные характеристики.

Атомный номер 22, атомная масса 47,88 а.е.м, атомный объем, определенный по пикнометрической плотности 10,6*10^-6 м³/моль, а по рентгенографическим данным 10,8-10^-6 м³/моль. Атомный радиус согласно рентгеновским данным 0,145 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек атома 4s²3d².

Потенциалы ионизации атома титана J (эВ): 6.83; 13,57; 28,14. Электроотрицательность 1,5.

При нормальных условиях титан имеет гексагональную кристаллическую решетку (a-модификация) с периодами а = 0,2951 нм, с = 0,4679 нм; энергия кристаллической решетки 470 мкДж/кмоль.

При 882,5°С наблюдается полиморфное превращениеб>в, при 900°С а = 0,3306 нм.

Титан существует в виде пяти стабильных изотопов; данные об их распространенности в природе и эффективном поперечном сечении захвата тепловых нейтронов приведены ниже:

Массовое число 46 47 48 49 50

Содержание в естественной смеси, % 7,95 7.75 73,45 5,51 5,34

Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, 10^-28 м² 0,6 ± 0,2 1,7 ± 0,3 8,3 ± 0,6 1,9 ± 0,5 0,2

Наряду со стабильными изотопами существуют нестабильные с массовыми числами 43, 44, 45, 51; период их полураспада соответственно равен 0,58 с, 1000 лет, 21 сут, 6 мин.

Работа выхода электронов, измеренная на пленках методом автоэлектронной эмиссии, для a-Ti (р = 4,0 эВ, а для p-Ti ср = 3,65 Эв).

Плотность.

Плотность р чистого титана при 298 ± 2 К, вычисленная по данным измерений периодов решетки, равна 4,505 г/см³. В качестве среднего значения в серии пикнометрических определений плотность иодидного титана составляет 4,507 ± 0,005 г/см³. Плотность a-Ti при 1143 К равна 4,35 г/см³, плотность p-Ti при 1173 К, рассчитанная на основании высокотемпературных измерений периодов решетки, равна 4,32 г/см³. Электрические и магнитные характеристики. Значения удельной электрической проводимости титана (у) при различных температурах приведены ниже:

Т, К	у, МСм/м	Т, К	у, МСм/м	Т, К	у, МСм/м
100	5,55	500	1,05	1100	0,58
200	2,63	700	0,78	1300	0,64
300	1,73	900	0,65	1500	0,59

Зависимость удельного электрического сопротивления титана (с)от температуры характеризуется следующими данными:



Т, К	с,мкмОм*м	Т, К	с,мкмОм*м	Т, К	с,мкмОм*м
100	0,180	500	0,950	1100	1,740
200	0,380	700	1,280	1300	1,750
300	0,580	900	1,540	1500	1,670

Температурный коэффициент электрического сопротивления в интервале 273-293 К равен б = 3,0*10^-3 К^-1. При плавлении электрическое сопротивление титана возрастает в 2,06 раза.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние для иодида титана частотой 99,99% Т_с = 0,387 К. Эту температуру (Т_с) можно повысить путем легирования титана в-стабилизирующими элементами. В термопаре Ti-Pt титан проявляет положительную т.э.д.с по отношению к платине; в термопаре Ti-W имеет сначала положительную т.э.д.с, которая при 60 °С проходит через максимум, при 125 °С -через нуль, а при более высоких температурах принимает отрицательные значения; при 1400 °С т.э.д.с этой термопары достигает 25мВ.

Максимальный коэффициент вторичной электронной эмисии у_max⁼0,9 при ускоряющем напряжении первичных электронов 0,28 кэВ. Постоянная Холла титана частотой 99,99% при комнатной температуре R = -2,4-10^-10 м³/Кл; при повышении температуры R возрастает и при ? 670 К наблюдается переход от отрицательных значений к положительным.

При температуре >73 К титан парамагнитен. Магнитная восприимчивость при комнатной температуре составляет ч = 3,2-10“⁹ и с повышением температуры возрастает приблизительно линейно от 73 до 1073 К. Температурный коэффициент магнитной восприимчивости в этом интервале составляет ? 0,0012*10^-9 К^-1. В области бв-превращения наблюдается сильное возрастание магнитной восприимчивости. Магнитная восприимчивость в-Ti слабо зависит от температуры.

Тепловые и термодинамические характеристики. Температура плавления t_пл = 1668 ± 5 °С, температура кипения t_кип = 3169 °С. Характеристическая температура ?_D= 430 К, удельная теплота плавления H_пл= 358,3 кДж/кг, удельная теплота сублимации при 298 К _субл= 9790 кДж/кг. Удельная теплоемкость c_р значительно возрастает при повышении температуры от 0 до 200 К, а затем почти линейно в интервале от комнатной температуры до температуры бв-превраще- ния. При 298 К удельная теплоемкость титана составляет с_р=521 Дж/(кг*К). Электронная теплоемкость равна с_р^эл =[3,52 мДж/(моль*К²)]Т.

Зависимость теплопроводности л титана чистотой 99,9% от температуры характеризуется следующими значениями:

Т,К	л,Вт/(м*K)	Т,К	л,Вт/(м*K)	Т,К	л,Вт/(м*K)
10	5,28	373-633	17,7	1215	25,25
70	36,0	873	19,0	1300	29,0
293	21,9	1135	23,5	1500	35,15

Ниже комнатной температуры на температурной зависимости теплопроводности титана наблюдается максимум. В интервале температур от комнатной до ?700 К теплопроводность понижается.

Тепловой эффект б в-превращения H_бв = 87,4 кДж/кг.

Тройная точка титана расположена примерно при 8 ± 0,7 ГПА и 640°С ± 50. При давлении >9 ГПа и температуре >900 °С б-фаза переходит в гексагональную щ-фазу, периоды решетки которой а = 0,4625 нм, с = 0,2813 нм. Теплота а>щ-превращения H_б>щ= 25,3 кДж/кг. Фаза w сохраняется после снятия давления при комнатной температуре; обратное превращение щ>б после снятия давления наблюдается лишь при температурах >600 °С. В процессе отжига при 110 °С щ>б-превращение завершается через 17 ч. Превращение б сопровождается изменением объема V/V=0,012.

Физические свойства:

T- Температура, при которой получены данные свойства , [Град]

E- Модуль упругости первого рода , [МПа]

б- Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20^o -Т ) , [1/Град]

л- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]

с- Плотность материала , [кг/м³]

C- Удельная теплоемкость материала (диапазон 20^o - T ), [Дж/(кг·град)]

R- Удельное электросопротивление, [Ом·м]

Механические свойства при Т=20^oС материала ОТ4 .

Сортамент	Размер	Напр.	ув	уT	д5	?	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Лист отожжен., ГОСТ 22178-76			85		10-20
Твердость ОТ4 , Сплав отожженный	HB 10 -1 = 207 - 285 МПа

Механические свойства титана высокой частоты - электролитического, переплавленного и прокатанного, следующие: у_в = 225230 МПа; у_0,2 = 103 105 МПа; д = 2325%; ц = 55-60%; HV = 790 800 МПа.

Микротвердость магниетермического титана, плавленного и отожженного, 1540 - 1600 МПа при 293 К.

С повышением температуры модуль упругости титана и титановых сплавов понижается почти по линейному закону. Небольшие значения модуля упругости титана - его недостаток.

Титан высокой степени частоты ковок при обычной температуре. Применяемый в промышленности технический титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865 - 920 °С. По удельной прочности титановые сплавы превосходят алюминиевые и магниевые, а также высокопрочные стали в широком интервале температур (до 600 °С).

Механические свойства титана в значительной степени зависят от примесей атмосферных газов - кислорода и азота, с которыми он образует сплавы типа твердых растворов внедрения. Наиболее важное практическое значение имеет примесь кислорода, в зависимости от содержания которого определяется сорт технического титана; поведение кислорода в титановых сплавах можно сравнить с поведением углерода в сталях.

Наиболее сильное упрочняющее действие на титан оказывают азот, затем кислород и углерод. В пределах, допускаемых техническими условиями на содержание этих примесей (<0,05% N₂, <0,25% 0₂ и <0,05% С), их действие можно считать аддитивным. Влияние 0,01% N₂ эквивалентно 0,02% 0₂ или 0,03% С.

Неприятная особенность титана - ползучесть при комнатной температуре при длительном воздействии напряжений ~50% от предела текучести, а для титана повышенной частоты - даже и при более низких напряжениях.

Механические свойства:

ув- Предел кратковременной проности , [МПа]

ут- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]

д₅- Относительное удлинение при разрыве , [ % ]

?- Относительное сужение , [ % ]

KCU- Ударная вязкость , [ кДж / м²]

HB- Твердость по Бринеллю , [МПа]

Свариваемость:

Без ограничений- сварка производится без подогрева и без последующей термообработки

Ограниченно свариваемая- сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и последующей термообработке

Трудносвариваемая- для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 град. при сварке, термообработка после сварки - отжиг



3. Технологическая свариваемость титана при сварке плавлением

Титан отличается высокой прочностью (267-337 МПа) при плотности 4,5 г/см³ и температуре до 450-500°С, высокой устойчивостью к коррозии во многих агрессивных средах. Сплавы титана с примесями легирующих элементов (алюминия, хрома, марганца, ванадия, олова и др.) обладают еще большей прочностью (до 1000-1400 МПа) при достаточной пластичности и широко применяются в качестве конструкционного материала для судо- и машиностроения, авиационной и ракетной техники, приборостроения, химического машиностроения, а также в других отраслях промышленности.

Титан имеет одну из двух основных стабильных фаз (аллотропических модификаций), характеризующихся строением кристаллической решетки:

· б-титан с гексагональной кристаллической решеткой (мелкозернистой структурой) при температуре до 882°С;

· в-титан с объемно центрированной кристаллической решеткой (крупнозернистой структурой) при температуре выше 882°С.

При температуре 882°С у титана изменяется структура кристаллической решетки с одной на другую (происходит полиморфное превращение).

Ряд легирующих элементов и примесей, называемых б-стабилизаторами (алюминий, азот, олово, кислород и др.), увеличивают температуру полиморфного превращения титана и, таким образом, стабилизируют б-фазу и расширяют область б-титана. Легирующие элементы, называемые в-стабилизаторами (хром, молибден, ванадий, марганец), способствуют сохранению в-титана при уменьшении температуры. В зависимости от состава легирующих компонентов сплавы титана условно разделяют наб-сплавы, в-сплавы и б+в-сплавы.

В данном случае мы имеем дело с двухфазным б+в-сплавом ОТ4. Это двухфазный сплав с малым количеством в-стабилизаторов (например, сплав ОТ4) термически не упрочняется и хорошо сваривается.

3.1 Металлургическая свариваемость

Применение дуговой сварки для изготовления конструкций из титана оказалось возможным лишь после разработки мер, предупреждающих контакт с воздухом зоны сварки и остывающих участков сварного соединения. Это было достигнуто использованием в качестве защитного атмосферы инертных газов (аргон ,гелий или смесь этих газов). Однако инертные газы, предназначенные для сварочной техники, содержат примеси - O₂, N₂, Н₂О, которые, даже при весьма незначительной концентрации в инертном газе, активно взаимодействуют с титаном при сварке. Было установлено отрицательное влияние загрязненности аргона на качество сварных соединении, найдены некоторые качественные, а затем и количественные соотношения, характеризующие переход примесей из защитной атмосферы в металл шва. Они позволяют обоснованно выбирать технологию сварки с учетом металлургических процессов, протекающих при сварке титана плавлением.

Реакции взаимодействия между металлом в сварочной ванне и окружающей средой определяются такими факторами, как температура, давление, скорость поступления веществ в реакционную зону, характер межфазной поверхности, время взаимодействия и т.д. Даже и таких сравнительно простых, с точки зрения металлургии сварки, условиях, как аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом и средне инертного газа (АДС). Экспериментальное и теоретическое исследование кинетики взаимодействия металла с атмосферой дуги представляет серьезные трудности. Это обусловлено большим количеством взаимосвязанных процессов, их быстротечностью и высокими температурами. Несмотря на то что при сварке термодинамическое равновесие не достигается, термодинамические расчеты все же позволяют дать оценку направлению реакций взаимодействия и их возможных результатов.

При условии надежной защиты зоны сварки аргоном концентрация кислорода, азота и влаги будет определяться чистотой аргона и качеством подготовки кромок. Попадание кислорода на межфазную поверхность может сопровождаться следующими реакциями:

Ti_ж +1/2O₂ = TiO_ж

Ti_ж +1/2O₂ = TiO_газ

Возможность образования окислов другого состава в условиях незначительного парциального давления свободного кислорода в дуге, высоких температур и непрерывного перемешивания металла в сварочной ванне крайне мала. В интервале температур могут протекать обе реакции. Однако с повышением температуры вероятность образования жидкого окисла снижается, а газообразного - повышается. Можно предположить, что в головной части сварочной ванны и особенно в анодном пятне образуется в основном газообразный ТiО, и хемосорбция кислорода поверхностью жидкого титана незначительна. Этому способствует и высокая упругость паров жидкого TiО (рис.3)

Переходные металлы с водородом образуют так называемые «металлические гидриды», имеющие переменный состав.

Абсорбция водорода переходными металлами связана с уменьшением их плотности, с понижением пластичности и увеличением электросопротивления. Водород внедряется в решетку переходного металла. При достижении стехиометрических отношений поглощенного водорода к металлу, появляются гидридные фазы внедрения co структурой, отличной от структуры чистого металла.

При давлении 1 атм. Сивертс получил соединения состава:

ZrH_1,92; TiH_1,76 ; ThH_3,07 ; VH_O,72 ; CeH_2,69.

Все «металлические гидриды» характеризуются не целым числом атомов водорода, приходящимся на один атом металла.

Наибольший практический интерес представляет система титан-водород. Эта система впервые была изучена Сивертсом с сотрудниками. Сорбция водорода титаном с заметной скоростью начинается при достижении температуры 350°С. Выше 400°С равновесие устанавливается сравнительно быстро. Один объем титана поглощает 1800 объемов водорода, что соответствует атомному отношению TiH_1,76.

Изотермы абсорбции водорода титаном представлены на рис. 3.1

Рис. 3.1 Изотермы абсорбции водорода в системе Ti - Н

Сивертс отметил, что для системы Ti - Н в зависимости от температуры получаются различные формы изотерм. Параболическая изотерма при температуре 1000°С характеризуется уравнением Сивертса (= ). Для температуры 800°С эта закономерность не выполняется. При температурах ниже 640°С изотермы состоят из двух ветвей, связанных горизонтальным участком. Последний участок указывает на образование новой гидридной фазы. Данные по абсорбции водорода титаном в зависимости от температуры приведены в таблице 3.1. Диаграмма состояния титан-водород приведена на рис.3.2.

Таблица 3.1. Абсорбция водорода титаном (по данным Сивертса)

Температура, 0С	см3/100г	Температура, 0С	см3/100г
300	40000	800	14000
400	38400	900	9000
500	35400	1000	6500
600	32000	1100	4000
700	22000

Рис.3.2. Диаграмма состояния титан-водород

При температуре 882,5°С Ti_a с гексагональной плотноуnaкованной решеткой переходит в Ti, характеризующийся объемноцентрированной кубической решеткой; -фаза представляет собою твердый раствор водорода в гексагональном титане; - фаза есть твердый раствор водорода в титане модификации ; - фаза на основе гидрида TiH₂ (4,04 вес.% Н). Ленинг установил эвтектоидный распад при температуре 319°С -фазы на ( + ).

...