Производство титана.

Содержание титана в земной коре составляет 0,63% (4-е место после Al, Fe и Mg). Он входит в состав свыше 100 минералов, из которых важнейшими являются рутил TiO₂, ильменит FeTiO₃, титаномагнетит FeTiO₃·Fe₃O₄, перовскит CaTiO₃ и титанит CaO·TiO₂·SiO₂. Промышленное производство было освоено только после второй мировой войны.

Исходным продуктом для производства металлического титана служат, главным образом, не содержащие кислорода вещества, получаемые из титановых руд. Основное вещество – четыреххлористый титан TiCl₄. При проектировании всех титановых заводов в СССР был принят магниетермический способ производства титана из TiCl₄.

Более низкое, по сравнению с кальцием, натрием и магнием сродство титана к хлору при температурах, представляющих практический интерес для осуществления процесса восстановления, доступность TiCl₄, достаточно высокая его чистота и относительно низкая его стоимость, а также возможность получения из него титана высокого качества делают TiCl₄ в настоящее время основным сырьем для металлотермического получения титана.

В процессе производства очищенный TiCl₄ восстанавливают чистым магнием в среде аргона по суммарной реакции

TiCl₄+2Mg=Ti+2MgCl₂.

Затем образовавшуюся титановую губку (пористая масса) подвергают вакуумнотермической обработке, чтобы удалить избыточный магний и MgCl₂.

Содержание основных примесей в магниетермическом титане составляет (%): 0,01…0,03 С; 0,05…0,015 O; 0,01…0,05 N; 0,03…0,2 Fe; 0,04…0,12 Mg.

Более глубокой очистки достигают зонной плавкой.

Тема 5. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА ДАВЛЕНИЕМ

Общие сведения.

Потребители металла, особенно строительные организации, требуют изделий различных геометрических форм с определенными физико-химическими, механическими и технологическими свойствами – из стали и алюминиевых сплавов.

Большую потребность испытывает строительство в металлопрокате, в том числе в арматуре для армирования железобетонных конструкций (10…12% всего проката).

Для получения различного проката и изделий на промышленных предприятиях применяют механическую обработку металлов давлением и резанием.

Производство заготовок пластическим деформированием, часто называемое обработкой давлением, основано на способности металлов и сплавов изменять форму и размеры без разрушения.

Широко применяют пластическое деформирование как в горячем, так и в холодном состоянии. Можно выделить следующие основные способы: прокатка, волочение, прессование, ковка и штамповка (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схемы основных способов обработки металлов давлением:

а – прокатка; б – волочение; в – прессование; г – ковка; д – объемная штамповка;

е – листовая штамповка

Прокатка осуществляется путем захвата заготовки 2 и деформирования ее между вращающимися в разные стороны валками 1 прокатного стана, толщина полосы при этом уменьшается, а длина и частично ширина увеличиваются.

Волочение– процесс, при котором исходная заготовка 2 протягивается на волочильном стане через отверстие инструмента 3, называемого волокой, размер которого меньше сечения исходной заготовки. При этом поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина – увеличивается.

Прессование– это выдавливание заготовки 4 из специального цилиндра 5 через отверстие матрицы 6, удерживаемой держателем 7. Выдавливание происходит при помощи пресс-шайбы 8 и пуансона 9.

Ковказаключается в обжатии заготовки 2 между верхним 10 и нижним 11 бойками с применением разнообразного кузнечного инструмента.

Штамповка– процесс деформации металла в штампах, форма и размеры внутренней полости которых определяют форму и размеры получаемой поковки. Различают объемную и листовую штамповку. При объемной штамповке на горячештамповочных молотах и прессах исходная заготовка 2 деформируется в штампе 12. Листовая штамповка заготовки 4 производится на холодноштамповочных прессах при помощи пуансона 9, прижима 13 и матрицы 6.

При обработке давлением по любому способу одновременно с изменением формы и размеров исходного материала изменяются структура и механические свойства. Объем же металла, если он ранее подвергался деформации, не меняется. В теории обработки металлов давлением это свойство называется условием постоянства объема.

Если первоначальный объем заготовки в форме прямоугольного параллелепипеда был равен HBL, то после деформации имеем

HB₁L₁ = hB₂L₂ или (5.1)

где – уковка (высотная деформация); – поперечная деформация (уширение); – вытяжка. Сумма смещенных объемов пластически деформированного тела по трем взаимно перпендикулярным направлениям равна нулю.

На пластичность металлов и их сопротивление пластическому деформированию влияют: схема напряженного состояния, химический и фазовый состав, температура и скорость деформирования. Прессование, прокатка, горячая объемная штамповка, ковка характеризуются всесторонним неравномерным сжатием. Эта схема нагружения наиболее благоприятна для достижения максимальной степени пластической деформации.

При листовой штамповке и волочении реализуется схема двустороннего сжатия с растяжением. Металл после обработки давлением приобретает выраженную анизотропию свойств.

Чистые металлы всегда имеют большую пластичность, чем их твердые растворы, а однофазные структуры более пластичны, чем двухфазные. Любые химические неоднородности и растворенные газы сильно снижают способность металла к пластическому деформированию, особенно в области высоких температур.

При низких температурах пластичность металла уменьшается, а при повышенных возрастает.

Под скоростью деформирования понимают величину относительного изменения размеров тела в единицу времени в направлении действующей силы, т.е.

, (5.2)

где: V_cp – средняя скорость инструмента во время деформирования, мм/с;
Δh_cp – средняя величина деформации, мм.

Для различных процессов обработки давлением средняя скорость деформации существенно различна (табл. 5.1). Влияние скорости деформации на пластичность металла неоднозначно. При обработке давлением в горячем состоянии увеличение скорости деформации понижает пластичность металла, а при обработке в холодном – наоборот.

Таблица 5.1

Средние скорости деформации для различных видов оборудования обработки давлением

Нагрев металла перед обработкой давлением. Пластическая деформация может производиться как в холодном, так и в горячем состоянии. В результате холодной деформации прочностные характеристики возрастают с увеличением степени деформации, а пластичность снижается.

Совокупность изменения свойств металла в результате холодной деформации называют наклепом. Наклеп бывает иногда весьма полезен, увеличивая в 2…3 раза временное сопротивление и предел текучести, например, в производстве гвоздей. В тоже время наклеп значительно увеличивает сопротивление материала деформированию, что вызывает применение машин большей мощности. Понижение пластичности наклепанного металла бывает весьма значительным. Например, у низкоуглеродистой стали относительное удлинение уменьшается с 30…35% до 5…6%, т.е. в 6 раз.

Деформирование заготовки при температуре рекристаллизации Т_рек сопровождается снятием наклепа.

Процесс обработки давлением, при котором скорость рекристаллизации достаточна для полного разупрочнения, называют горячей деформацией. При горячей деформации сопротивление металла деформированию снижается в 8…10 раз. Горячая деформация предпочтительна при обработке малопластичных металлов и при больших скоростях деформации.

Температура нагрева для горячей деформации зависит от природы деформируемого материала, его химического состава, а также от толщины заготовки. Однако всегда температура нагрева должна быть значительно ниже температуры солидуса сплава. Если металл перегреть, то появляется неисправимый брак – "пережог", вызванный окислением границ зерен.

Температуру начала обработки давлением назначают на 50…100⁰С ниже температуры солидуса сплава (рис. 5.2). Заканчивают деформирование при температуре не ниже Т_рек. Каждый металл или сплав имеет свой, строго регламентируемый, интервал обработки давлением.

Для нагрева заготовок перед обработкой давлением применяют нагревательные печи (камерные или методические) и электронагревательные устройства.