Сплавы на основе магния

Достоинством магниевых сплавов является высокая удельная прочность. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Mn. Для дополнительного легирования используются цирконий, кадмий, церий, ниодим и другие. Механические свойства сплавов магния при t = 20-25⁰ С улучшаются при легировании алюминием, цинком, цирконием, при повышенной – добавкой церия, ниодима и особенно тория. Цирконий и церий оказывают модифицирующее действие на структуру сплавов магния. Особенно эффективно модифицирует цирконий. Цирконий и марганец способствуют устранению или значительному уменьшению влияния примесей железа и никеля на свойства сплавов.

Увеличение растворимости легирующих элементов в магнии с добавлением температуры дает возможность упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки или искусственного старения.

Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием (лучше, чем стали, алюминиевые и медные сплавы), легко шлифуются и полируются. Высокие скорости резания и небольшой расход энергии способствуют снижению стоимости обработки резанием деталей из магниевых сплавов по сравнению с другими сплавами. Они удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой.

К недостаткам магниевых сплавов, наряду с низкой коррозионной стойкостью и малым модулем упругости, следует отнести плохие литейные свойства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при их приготовлении. Небольшие добавки бериллия (0,02 – 0,05%) уменьшают склонность к окисляемости, кальция (до 0,2%) – к образованию микрорыхлот в отливках. Плавку и разливку магниевых сплавов ведут под специальными флюсами.

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные и деформируемые; по механическим свойствам – на сплавы невысокой и средней прочности, высокопрочные и жаропрочные; по склонности к упрочнению с помощью термической обработки – на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Для повышения пластичности магниевых сплавов их производят с пониженным содержанием вредных примесей Fe, Ni, Cu (повышенной чистоты).

4 ТИТАН

Титан является одним из наиболее распространенных химических элементов как по содержанию его в земной коре, так и по наличию минералов этого металла в очень многих горных породах. Известно более 80 минералов, которые по суммарному содержанию титана составляют довольно большую долю в земной коре. Важнейшие минералы титана в основном входят в состав пяти характерных групп – рутила, ильменита, перовскита, ниоботанталотитанатов и сфена, из которых наибольшее значение имеют группы рутила и ильменита. Титановые минералы – ильменит, рутил, сфен – встречаются в рассеянном состоянии почти во всех типах пород – магматических и их эффузивах, в породах метаморфического комплекса (гнейсы, амфиболиты, слюды), а также в осадочных породах, особенно в глинах, бокситах, песках и песчаниках. Подавляющее число известных минералов титана образовалось в связи с магматогенными процессами, в результате которых формируются минералы этого металла в соединении с кислородом и железом и в меньшей степени – с кальцием и кремнием.

Титан получают магнийтермическим способом, сущность которого состоит в обогащении титановых руд, выплавке из них титанового шлака с последующим получением из него четыреххлористого титана и восстановлении из последнего металлического титана магнием.

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40—45% TiO2, ~30% FeO, 20% Fe2O3 и 5—7% пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита Feo*TiO2.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в рудно-термических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса—титановый шлак содержит 80— 90% TiO2, 2—5% FeO и примеси SiO2, Al2O3, CaO и др. Побочный продукт этого процесса — чугун используют в металлургическом производстве.

Рис. 14. Схема производства титана

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи—хлор. При температуре 800— 1250° С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды CaCI2, MgCl2 и др. Ti02+2C+2Cl2=TiCl4+2CO.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при те­мпературе 950—1000° С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и че­тыреххлористым титаном происходит реакция

2Mg+TiCl4=Ti+2MgCl2.

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу—губку, а жидкий MgCl2 выпускают через летку реактора.

Титановая губка содержит 35—40% магния и хлористого магния.

Для уда­ления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900—950° С в вакууме.

Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава.

Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6— 99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением.