Хотя титан и его сплавы обладают такими преимуществами, как высокая удельная прочность, хорошие характеристики при высоких и низких температурах, коррозионная стойкость и т. д.; если их использовать неправильно, не используя их сильные стороны и избегая слабостей, они все равно не достигнут ожидаемых результатов, а вместо этого принесут неоправданные потери. Как правильно использовать титан? При выборе титановых материалов следует внимательно отнестись к категории вопросов:
1. Коррозионная среда. Промышленный чистый титан и другие титановые сплавы в нейтральной окислительной среде обладают превосходной коррозионной стойкостью. В слабой восстановительной среде также сохраняет пассивное состояние. Корродируется в сильных восстановительных кислотах; но хорошая коррозионная стойкость в восстанавливающих средах, сосуществующих с антикоррозионными средствами, даже для царской водки. Он устойчив к коррозии в агрессивных средах, таких как высокотемпературные соли, влажный газообразный хлор, азотная кислота и различные отбеливатели. Титан пассивен в качестве анода под напряжением в несколько вольт, поэтому его используют при анодной обработке, электролизе и гальванике. Не вызывает точечной и щелевой коррозии в морской воде. Он обладает большей устойчивостью к коррозионному разрушению под напряжением, контактной коррозии и истиранию. Имеет хорошую коррозионную стойкость к органическим кислотам, за исключением муравьиной кислоты (невентилируемой) и др. Сварка практически не снижает коррозионную стойкость титана. Хотя титан обладает превосходной коррозионной стойкостью в вышеуказанных агрессивных средах; Но при выборе титана как коррозионностойкого материала все же необходимо обратить внимание на следующие моменты:
(1) промышленный чистый титан при статической высокой температуре, высокая растворимость раствора азотной кислоты в коррозионной стойкости лучше; но в потоке раствора азотной кислоты это часто происходит из-за отсутствия ингибирующей роли четырехвалентных ионов титана и коррозии. Поэтому для использования титана в этой среде следует выбирать сплав Ti-5Ta.
(2) на титане в морской воде и растворе хлоридов не возникает питтинга; но в содержании хлорида магния, хлорида алюминия, хлорида меди, хлорида цинка и хлорида кальция изъязвление кипящего раствора. Промышленный чистый титан при температуре морской воды выше 90 градусов существует вероятность щелевой коррозии, поэтому в этой среде рекомендуется выбирать сплав Ti-0.2Pb.
(3) промышленный чистый титан в углеводородах, содержащих хлор, фторсодержащие углеводороды не подвергаются коррозии. А вот в случае воды гидролиз и соляной кислоты, и плавиковой кислоты приводит к коррозии титана. Когда углеводороды разлагаются при высоких температурах и выделяют водород, титан может поглощать водород и вызывать водородное охрупчивание.
(4) Титан не подвержен коррозии под воздействием влажного газообразного хлора (содержащего более 1% воды) и таких газов, как диоксид серы, диоксид углерода, сероводород и т. д.; однако он подвержен коррозии в сухом газообразном хлоре; и это вызывает пожар и самовозгорание. В температурном диапазоне -253 ~ 93 градусов устойчивость титана к коррозии к водороду и перекиси азота превосходна; но в газообразном кислороде, жидком кислороде и некотором высоком парциальном давлении кислорода в водном растворе также может возникнуть самовозгорание титанового огня. Необходимо соблюдать осторожность при использовании титана в этой среде.
(5) в промышленном чистом титане обычно не происходит коррозионного разрушения под напряжением; но содержит следы соляной кислоты в метаноле, органических растворителях на основе этанола и в дымящей азотной кислоте, склонен к коррозионному разрушению под напряжением или самовозгоранию.
(6) контакт титана и металла с более низким потенциалом, коррозия металла с низким потенциалом. Степень коррозии зависит от доли площади поверхности металла, контактирующей с титаном.
(7) Хотя титан также обладает хорошей коррозионной стойкостью к щелочам со значением pH более 9; однако титан используется в щелочи только при низких температурах из-за склонности к водородному охрупчиванию при более высоких температурах. Когда щелок содержит свободный хлор, коррозионная стойкость титана к щелочи улучшается. И наоборот, когда щелок содержит кислород и аммиак, щелочная коррозия титана усиливается.
2. Химические, физические и механические свойства титана.
Титан и его сплавы, а также другие металлы, как по химическим, так и по физико-механическим свойствам, имеют свои особенности. Некоторые свойства отличаются от свойств углеродистой стали, нержавеющей стали и других черных металлов; также отличается от обычно используемых цветных металлов - алюминия, свинца и так далее. Поэтому при использовании титана необходимо обратить внимание на следующие характеристики:
(1) Титан — химически очень активный металл, при более высоких температурах он может вступать в реакцию со многими элементами и соединениями, особенно с азотом, кислородом, водородом и другими газами в воздухе, что ухудшает характеристики титана. Это проблема, которую необходимо тщательно учитывать при плавке, обработке, производстве и использовании титана.
(2) Коэффициент линейного расширения титана составляет около двух третей от коэффициента линейного расширения углеродистой стали; эквивалентно половине нержавеющей стали. При использовании титана для изготовления футеровки контейнеров из углеродистой или нержавеющей стали; или использовать титан для изготовления трубок кожухотрубного теплообменника, а корпус из углеродистой или нержавеющей стали, чтобы серьезно учитывать оборудование в процессе повышения и падения температуры, футеровку и трубы, чтобы выдерживать тепловые нагрузки.
(3) Теплопроводность титана в 4,5 раза меньше, чем у углеродистой стали, и несколько ниже, чем у нержавеющей стали. Таким образом, титановое оборудование, используемое при высоких температурах, в стенке корпуса легко образует высокий температурный градиент, что приводит к увеличению термического напряжения или термического усталостного напряжения. Однако этот недостаток компенсируется меньшим коэффициентом линейного расширения. Поэтому, хотя коэффициент теплопроводности титана и низок; это не влияет на эффективность теплопередачи. Это связано с тем, что титан обладает лучшей способностью противостоять загрязнению; негазовый – пленочная и капельная конденсация; может выдерживать более высокую скорость потока очищающей коррозии, может сделать стенку оборудования или стенку трубы очень тонкой, высокопрочной и другими характеристиками. Таким образом, титан имеет лучшие характеристики теплопередачи.
(4) Титан имеет высокую температуру плавления, обычно 1668 ± 4 градуса. Примерно на 130 градусов выше, чем у углеродистой стали, чем у нержавеющей стали, примерно на 243 градуса. В сочетании с его низкой теплопроводностью. Таким образом, время пребывания металла сварного шва в высокотемпературной зоне немного дольше, целесообразно вызвать крупнозернистость, снижение пластичности, а сварка легко создает большие остаточные напряжения. Это при проектировании сварной конструкции необходимо тщательно продумать.
(5) Титан имеет плохую электропроводность. Если проводимость меди 100%, то титана всего 3,1%. Но она близка к проводимости нержавеющей стали. Это при проектировании титановых электродов необходимо учитывать.
(6) Титан имеет низкий модуль упругости, примерно вдвое меньше, чем у углеродистой стали или нержавеющей стали. Поэтому особое внимание следует уделить конструкции устойчивых к изгибу компонентов.
(7) титан обладает значительными свойствами отскока, его способность к отскоку равна холодной штамповке нержавеющей стали в 2-3 раза. Это связано с пределом текучести титана, большим коэффициентом модуля упругости и большим коэффициентом предела текучести, поэтому при формовке внутри детали возникает большое напряжение. Таким образом, титановое оборудование, как правило, не подходит для процесса холодной штамповки; и необходимо использовать горячий ортопедический процесс формования или холодной штамповки.
(8) титан и нержавеющая сталь, легко прилипают. Поэтому изготовить детали подшипников скольжения из титана без специальной обработки непросто; в противном случае они будут быстро выброшены из-за истирания или окклюзии. Если вам необходимо использовать титан в качестве движущегося элемента, необходимо выбрать возможность изготовления титанового подшипника из фрикционного материала (например, пластика), изготовленного из фрикционного узла; или обработка поверхности упрочнением; или используйте различные марки титанового сплава, изготовленные из фрикционного переводника. В спиральных фрикционных тисках следует применять спиральные посадки с большим зазором или смазкой.
(9) Предел прочности титана снижается с повышением температуры. Когда температура достигает 250 градусов, его прочность на растяжение составляет только половину комнатной температуры. А кривая растяжения титана не имеет физического предела текучести, а только условный предел текучести. Поэтому при расчете прочности титанового оборудования необходимо выбирать предел прочности при расчетной температуре.
(10) сопротивление ползучести титана плохое, не только при высоких температурах, даже при комнатной температуре происходит ползучесть. Предел его ползучести обычно сначала с повышением температуры увеличивается и уменьшается; но до 120 градусов предел ползучести снова начал увеличиваться, при 200 градусах было достигнуто максимальное значение. После этого предел ползучести продолжает увеличиваться с ростом температуры и уменьшаться. Обычно в диапазоне температур 200 ~ 300 градусов наблюдаются стабильные характеристики ползучести. Поэтому при расчете прочности титанового оборудования необходимо рассчитывать не только по пределу прочности при расчетной температуре; но также необходимо откалибровать в соответствии с пределом ползучести.
(11) Пластичность промышленного чистого титана имеет особую связь с температурой. От комнатной температуры до 200 градусов относительное удлинение титана увеличивается. При сохраняющейся температуре она начинает снижаться. Относительное удлинение достигает минимума при 450-500 градусах, а затем значительно возрастает. Поэтому лучше всего использовать температуру, не превышающую 350 градусов.
(12) Ударная вязкость отечественного промышленного чистого титана невысока, часть из них составляет всего 8,0 кг-м/см2 при комнатной температуре. но увеличивается с повышением температуры. Когда температура превышает 200 градусов, ударная вязкость быстро увеличивается. При угле 550 градусов ударная вязкость может достигать около 18 кг-м/см2. Причем величина его воздействия снижается с увеличением содержания примесей. Поэтому при проектировании титанового оборудования следует максимально избегать концентрации напряжений, чтобы предотвратить чрезмерные локальные пиковые напряжения.
(13) Твердость и прочность титана увеличиваются с увеличением степени холодной деформации. Например, степень холодной деформации 80% от предела прочности образца, чем у полностью отожженного образца в 1 раз больше. По мере увеличения степени холодной деформации величина удлинения быстро уменьшается. Когда степень холодной деформации превышает 50 %, удлинение падает до 10 % и далее не продолжает снижаться. Более того, механические свойства титана связаны со скоростью деформации. При увеличении скорости растяжения с 0,01 минуты до 1,5 минуты предел прочности увеличивается с 36,5 кгс/мм2 до 42,5 кгс/мм2; скорость удлинения значительно снижается, а затем снова возрастает. Поэтому при холодной штамповке титана необходимо строго контролировать степень и скорость деформации.
(14) Титан обладает превосходной усталостной прочностью; однако он более чувствителен к надрезам. В эксперименте с вращательным изгибом отношение усталостной прочности к прочности на растяжение составляет около 60 процентов; в то время как обычная углеродистая сталь имеет только около 45 процентов прочности на разрыв. Обработка поверхности также оказывает большое влияние на усталостную прочность. Испытательные бруски с полированной поверхностью имеют более высокую усталостную прочность, чем образцы с обработанной поверхностью. Поэтому при проектировании титанового оборудования следует избегать несплошностей конструкции и делать сварные швы максимально гладкими.
15) Титан нельзя сваривать плавлением с другими металлами. Это связано с тем, что температура плавления титана выше, чем у других металлов; и образовал хрупкое интерметаллическое соединение, вызывающее охрупчивание сварного шва. Особое внимание следует уделить конструкции примыкания при частичной облицовке сосуда. Склеивание, пайка, сварка взрывом и болтовое соединение могут использоваться, когда требуются соединения с другими металлами.
16) Конструкция сварных соединений титанового оборудования аналогична форме соединений, применяемых для других металлов; однако из-за большей текучести расплавленного титана. Поэтому он собран более плотно, чем другие металлы. При стыковой сварке тонких листов для равносторонних стыковых соединений зазор тупой кромки обычно не оставляют. Эти сварные швы могут быть выполнены без присадочной проволоки, если уличная сборка удовлетворительна. При толщине пластины более 1,5 мм для обеспечения проплавления шва применяют тупой кромочный зазор или одинарную V-образную фаску. Для этих соединений необходима дополнительная проволока. Для толстых листов или толстых профилей используйте одинарную или двойную фаску V-образного типа. В этих случаях соединения должны быть спроектированы так, чтобы требовалось минимальное количество сварочных проходов и чтобы облегчить защиту корня сварного шва.
17) При проектировании титановых отливок следует учитывать, что титан имеет узкий температурный интервал линия жидкость - линия твердая фаза. Эта тенденция к быстрому затвердеванию способствует направленному затвердеванию отливки; однако это часто приводит к трещинам и усадке в местах концентрации тепла. Следует избегать резких разностей толщин участков и острых углов во всех смежных частях титановых отливок. Там, где их невозможно избежать, как перепады толщины, так и острые углы должны иметь закругленные переходы достаточного радиуса. Интерфейс отливки должен иметь однородное поперечное сечение с конусом. На всех вертикальных поверхностях следует учитывать большой уклон осадки; следует учитывать расположение стояков и тот факт, что после снятия этих стояков не требуется тонкая шлифовка.
18) Нарезание резьбы по титану – более сложный процесс. Это происходит из-за ограниченного количества канавок для стружки в метчике и сильной адгезии титана, которые приводят к ухудшению состояния резьбы. Когда резка заканчивается, титан имеет тенденцию зацепляться за метчик, что приводит к его поломке. Поэтому при проектировании титанового оборудования следует избегать глухих и слишком длинных сквозных отверстий; в то же время допуски на класс соответствия должны быть соответствующим образом смягчены.
(19) Удлинение отечественных титановых трубок колеблется в пределах 28~40%; в то время как удлинение нержавеющей стали находится в диапазоне 50–60%. Следовательно, компенсационный зазор титанового кожухотрубного теплообменника должен быть меньше, чем у теплообменника из нержавеющей стали; в противном случае труба колонки склонна к растрескиванию во время расширения.
(20) титан в процессе резки из-за пластической деформации и при высоких температурах резки титан легко поглощает атмосферный кислород и азот, образуя твердую и хрупкую оболочку, а также явление упрочнения. В результате не только снижается усталостная прочность деталей; и увеличит износ инструмента и усложнит дальнейшую обработку. Поэтому при резке титана обычно выбирают меньшую скорость резания, большую глубину резания и подачу. И использование подходящей смазочно-охлаждающей жидкости, охлаждение под высоким давлением. Чтобы снизить температуру резания, улучшите качество обрабатываемой поверхности и долговечность инструмента.
