Титан и его сплавы

 

Плиты биметаллические [7]:

1. Для поставки крупногабаритных биметаллических плит "сталь-титан", изготавливаемых методом сварки взрывом, ЦНИИ КМ "Прометей" разработал и выпустил технические условия №ТУ5.961-11772-2001 «Плиты биметаллические "сталь-титан". Технические условия. Опытная партия». Изготавливаемые по этим техническим условиям биметаллические плиты могут иметь следующие характеристики:

• толщина плиты 30…40 мм;

• плакируемая основа – сталь с пределом текучести s_0.2³ 230 МПа (стали типа 22К, 09Г2С);
• плакирующий слой номинальной толщиной 5 мм – листовой прокат из титана марки ВТ1-0;
• ширина биметаллической плиты – 2600 мм;
• длина биметаллической плиты – 3450…5500 мм;
• отклонение от плоскостности плит не более 6 мм на всей длине или ширине плит.

2. Для поставки крупногабаритных биметаллических заготовок "сталь-титан", изготавливаемых методом прокатки, ЦНИИ КМ "Прометей" разработал и выпустил технические условия №ТУ5.961-11771-2001 «Прокат биметаллический листовой "сталь-титан". Технические условия. Опытная партия». Получаемые по этим техническим условиям биметаллические заготовки могут иметь следующие характеристики:

• толщина плит 30…40 мм;
• плакируемая основа – сталь с пределом текучести s_0.2³ 230 МПа (стали типа 22К, 09Г2С);
• плакирующий слой номинальной толщиной 5 мм – листовой прокат из титана марки ВТ1-0;
• ширина биметаллических плит – 2700…3450 мм;
• длина биметаллических плит – 3450…5350 мм.

 

1.3 Титановые сплавы, применяемые для изготовления труб

 

В России освоено промышленное производство широкого сортамента изделий  из титана и его сплавов, качество которых находится на уровне мировых  стандартов.

Накопленный опыт производства и применения титана позволил приступить к осуществлению программы дальнейшего  развития титановой промышленности, которое подчинено двум основным задачам [6]:

• увеличению производства титанового проката (в 3-4 раза) для обеспечения все возрастающих потребностей народного хозяйства;
• повышению экономичности производства и приближению стоимости титановых изделий к стоимости изделий из коррозионностойких сталей.

Значительное место среди  освоенных профилей проката занимают титановые трубы, применяющиеся  в судостроительной, химической, авиационной, машиностроительной и других отраслях промышленности. Изготовление труб из титана в лабораторных условиях начато в 50^х годах.[6]

В настоящее время трубные  заводы России выпускают горячекатаные  и холоднодеформированные трубы  диаметром 3-480мм практически из всех серийных титановых сплавов (в опытном  порядке изготовляли трубы диаметром  менее 9мм, в частности диаметром 1мм).

Трубы бесшовные из сплавов  на основе титана изготовляют по ГОСТ 21945-76 (горячекатаные) и ГОСТ 22897-77 (холоднодеформированные), а также по техническим условиям. Например, наибольшее количество горячедеформированных труб диаметром 83-325мм из ставов ПТ-1М, ПТ-7М, ПТ-3В поставляется по ТУ 14-3-821-79, холоднодеформированных труб диаметром 5-89мм из сплавов ПТ-1М и ПТ-7М по ТУ 14-3-820-79. 

В основу технологии производства труб из титана и его сплавов положена схема, применяющаяся на отечественных заводах для прокатки труб из коррозионностойких сталей.

В России производятся три  марки технически чистого титана BT1-00, ВТ1-0 и ПТ-1М с содержанием  общего количества в них технологических  примесей соответственно до 0.7, 0.8 и 1.0 %. Титан марки ПТ-1М поставляется сейчас в ограниченном количестве и  стабилизирован по свойствам искусственным  добавлением легирующей примеси  алюминия (до 0.5%).

Одним из простейших методов  классификации сплавов может  быть разделение их по группам прочности  и областям применения, и, кроме того, по методам металлургического передела (деформируемые и литейные).

Для трубного производства представляют интерес сплавы, поддающиеся  деформированию. Наиболее пластичные из них используются для изготовления холоднокатаных труб широкого сортамента, некоторые из наиболее прочных сплавов  пригодны лишь для изготовления горячекатаных  труб из-за малой пластичности при  комнатной температуре.

Из разработанных и  применяемых в отечественной  промышленности к чистым α-сплавам относят: технически чистый титан BT1-00, BT1-0, ПТ-1М; сплавы ВТ5, 4200, ВТ5-1 и ПТ-7М. К бетированным α-сплавам относят сплавы ОТ4-0, ОТ4-1, ПТ-3В, АТ3, АТ4, АТ6. К β-сплавам относятся ВТ15, и 4201, остальные считаются α+β сплавами.[6]

Структуры α, α+β и β – сплавов представлены на рисунке 2 [4].

Рис. 2 Микроструктуры титанового сплава.

а) α-фаза; б) α+β – фаза; в) α+β - фаза

 

Способность металла к  деформированию в значительной степени  определяются общим количеством  элементов скольжения и двойникования у кристаллической решетки, присущей данному металлу или сплаву. Титан в α-модификации имеет значительно большее количество элементов двойникования и скольжения, чем хорошо известные металлы с гексогональной решеткой (Zn, Cd, Mg).

Двойникование является важным механизмом пластической деформации титана. Преимущество механизма деформации скольжением или двойникованием в значительной степени зависит от температуры, скорости деформирования и ориентации кристаллов по отношению к действующим напряжениям. Увеличение скорости деформирования α-титана заметно интенсифицирует процесс двойникования.

Вторая высокотемпературная  модификация титана - β-фаза имеет  большое количество кристаллографических плоскостей и направлений скольжения и двойникования, как всякая кубическая решетка, поэтому, как правило, в β-состоянии титан обладает очень хорошей пластичностью. Единственной, но очень неблагоприятной, особенностью высокотемпературной модификации титана является исключительно большая склонность к росту зерна, что сильно сказывается на конечных свойствах деформированного металла.

Формирование конечных механических свойств титановых сплавов происходит в процессе пластической деформации, наклепа и рекристаллизации. Добиться какого-либо существенного улучшения  механических свойств широко применяемыми для стали методами термической  обработки для титановых сплавов  очень трудно, а улучшить его пластичность и вязкость практически невозможно.[6]

Промышленный сортамент  включает более 2000 типов труб из 12 титановых  сплавов. По действующим техническим  условиям трубы из титана и его  сплавов подразделяются на: горячепрессованные, горячекатаные, холоднодеформированные и сварные.

Трубы бесшовные  горячекатаные:

По длине трубы изготавливаются:

1. немерной длины:

• при диаметре 83-325 мм – от 1,5 до 6 м;

• при диаметре 351-480 мм – от 2 до 4,5 м;
• мерной длины – согласно ОСТ.

2. кратной мерной длины – в пределах мерной, минимальная кратность – 300 мм.

Трубы бесшовные  холоднодеформированные:

Трубы бесшовные холоднодеформированные из титана марки ВТ1-0, ПТ-1М, ПТ-7М.

По длине трубы изготавливаются:

1. немерной длины:

• длиной от 0,8 до 8,0 м, толщиной стенки 0,5 – 0,8 мм;

• длиной от 1,0 до 8,0 м, толщиной стенки 1,0 мм и более;

2. мерной длины – согласно ТУ, ОСТ.

Трубы поставляются со шлифованной или с травленой поверхностью.

Трубы сварные  круглые прямошовные повышенного  качества:

Трубы сварные круглые  прямошовные повышенного качества изготавливаются из титана марок  ВТ1-00 и ВТ1-0.

 

Таблица 1 – Трубы сварные круглые прямошовные

Наружный диаметр, мм	Предельное отклонение по наружному диаметру, мм	Толщина стенки, мм	Предельное отклонение на толщину стенки, мм
10,1-25,0 25,1-38,0 38,1-40,0	±0,10 ±0,13 ±0,15	0,50-0,65 0,66-1,00 1,10-1,50 1,51-1,80	±0,05 ±0,08 ±0,13 ±0,15

 

По длине трубы изготавливаются:

1. немерной длиной – максимальная длина до 24 м;
2. мерной длиной и кратной ей – в пределах максимальной.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что для изготовления труб представляют интерес сплавы, поддающиеся деформированию. Наиболее пластичные используются для изготовления холоднодеформированных труб, наиболее прочные походят только для изготовления горячекатаных труб.

Так же было указано, что  двойникование является важным механизмом пластической деформации титана.

В ходе анализа, было выяснено, что формирование конечных свойств  титановых сплавов происходит в  процессе пластической деформации, наклепа  и рекристаллизации.

Основными титановыми сплавами для изготовления труб являются ВТ1-00,  ВТ1-0, ПТ-3В, ПТ-1М, ПТ-7М. Из них сплавы ВТ1-00, ВТ1-0 и ПТ-1М являются марками  технически чистого титана.

 

Глава 2. Особенности технологии изготовления титановых труб

2.1 Трубная заготовка

 

 

В зависимости от способа производства труб применяются различные виды трубной заготовки.[6]

Для горячей прокатки передельных труб на трубопрокатных агрегатах с автомат-станом обычно используется сплошная цилиндрическая заготовка, получаемая ковкой, прессованием или прокаткой слитка. При этом кованая трубная заготовка чаще применяется для изготовления передельных горячекатаных труб диаметром 83-325 мм, а катаная - для горячекатаных передельных труб, идущих в дальнейшем на холодную прокатку труб более мелких размеров диаметром 6-80 мм. На агрегатах с автомат-станом применяется трубная заготовка диаметром 90-300 мм в зависимости от диаметра прокатываемых труб.

Ковка, прессование или  прокатка заготовок производится из круглых слитков весом 0,8-2,5 тонн до диаметра, на 5-10 мм превышающего заданный размер трубной заготовки, то есть дается припуск на механическую обработку. Последняя имеет целью удаление газонасыщенного слоя и поверхностных дефектов, а также обеспечение точности диаметра.

Для горячей прокатки труб на ТПА с пилигримовым станом в  качестве заготовки применяется  кованая сверленая заготовка  диаметром до 630мм либо сверленый  слиток. Диаметр отверстий в обоих  случаях до 120мм. Как слиток, так  и кованая заготовка перед  поставкой на трубный завод подвергаются сплошной обдирке и торцовке.[6]

При изготовлении труб горячим  прессованием в качестве трубной  заготовки применяется кованая  засверленая заготовка ("шашка"), размеры которой определяются размером прессуемой трубы и применяемой  пресс-формы (контейнера).

Технологическая схема прокатки труб из титановых сплавов на трубопрокатных агрегатах с автомат-станом практически не отличается от схемы прокатка стальных труб. При прокатке сравнительно тонкостенных труб гильза передается по наклонной решетке к автоматическому стану, где прокатывается за два прохода с кантовкой перед вторым проходом на 90°. После автомат-стана труба поступает на раскатной, а затем на калибровочный стан.

При прокатке толстостенных  труб обычно с прошивного стана гильза, минуя автомат-стан, поступает на раскатной и затем на калибровочный  стан.

Прокатка труб большого диаметра (146-325 мм) производится на ТПА с автомат-станом, имеющих в составе два прошивных стана. Заготовка в этом случае подвергается двойной прошивке последовательно в первом и втором прошивном станах.

После прошивки заготовок  в гильзы в процессе дальнейшей прокатки и охлаждения трубы, изготовленные  из сплавов разных групп, могут иметь  различную структуру.

К числу особенностей прошивки заготовок из титана относятся: отсутствие полости перед носком оправки  при любых величинах обжатия; сравнительно небольшие нагрузки на стан; повышенные осевые усилия, особенно при прошивке высокопрочных сплавов.

В качестве заготовки для  изготовления холоднокатаных труб служат передельные горячекатаные или горячепрессованные трубы, прошедшие соответствующую подготовку и контроль. Выбор способа получения заготовки зависит от конкретных условий каждого завода, имеющего в своем составе необходимое для этого оборудование.

Важной для качества холоднодеформированных труб является тщательная подготовка труб-заготовок перед холодной прокаткой. Наличие на их поверхности альфированного слоя или следов грубой механической обработки оказывает отрицательное влияние на процесс холодной прокатки и качество продукции. С этой точки зрения применение в качестве заготовки прессованных труб, для которых характерно наличие глубоких задиров, менее желательно.