Применение титановых сплавов

Применение титана на транспорте

Многие из тех выгод, которые сулит использование титана при производстве бронетанковой материальной части, относятся и к транспортным средствам.
Замена конструкционных материалов, потребляемых в настоящее время предприятиями транспортного машиностроения, титаном ООО «Вариант» должна привести к снижению расхода топлива, росту полезной грузоподъемности, повышению предела усталости деталей кривошипно-шатунных механизмов и т. п. На железных дорогах исключительно важно снизить мертвый груз. Существенное уменьшение общего веса подвижного состава за счет применения титановых листов и прутков ВТ1-0 позволит сэкономить в тяге, уменьшить габариты шеек и букс.

Важное значение вес имеет и для прицепных автотранспортных средств. Здесь замена стали титановыми поковками при производстве осей и колес также позволила бы увеличить полезную грузоподъемность.

Текущий спрос на титановые листы, титановые прутки и трубы марок ВТ6, ВТ1-0 в этом сегменте рынка на уровне 500 тонн при массовом использовании этого материала в конструкциях клапанов, пружин, выхлопных систем, передаточных валов, болтов может в потенциале подняться на уровень чуть ли не 16000 тонн в год! Сдерживающими факторами, из-за которых использование титана не расширяется значительно (в автомобилестроении), являются непредсказуемость спроса и неопределённость с поставками сырья. При этом в автомобилестроении сохраняется большая потенциальная «ниша» для титана, соединяющего оптимальные весовые и прочностные характеристики для витых пружин и систем вывода отработанных газов.

Значительное сокращение расхода топлива, снижение объема выхлопных газов до уровня «нулевого выделения», а также расширение использования отходов производства и лома за счет их переплава — вот основные требования, предъявляемые к автомобилестроителям. Титан и титаносодержащие сплавы, обладающие рядом преимуществ, по сравнению с другими материалами, могут способствовать решению различных проблем, в частности проблемы защиты окружающей среды.

При разработке новых конструкций деталей приоритетной задачей является снижение массы деталей, что в большей или меньшей степени влияет на движение самого автомобиля. Циклически движущиеся части и узлы обладают большими потенциальными возможностями сокращения расхода топлива прежде всего за счет уменьшения их массы. Надежность деталей из титана марок Grade 9, ВТ6 была проверена в течение нескольких лет на гоночных автомобилях и в ходе широкого использования в авиакосмической промышленности.

Помимо снижения массы деталей, использование титановых сплавов помогает решить проблему сокращения количества выхлопных газов. Возможности этого материала и область применения простираются начиная с выхлопных фильтров, турбо- и каталитических преобразователей для усиления процесса сгорания топлива и кончая устройствами для полной ликвидации выхлопных газов с помощью водородных накопителей, выполненных из титана.

Применение титана в химической промышленности

При производстве оборудования для химической промышленности самое важное значение имеет коррозионная стойкость металла. Существенно также снизить вес и повысить прочность оборудования. Логически следует предположить, что титановые листы, титановые трубы, титановые прутки ВТ1-0 (Grade 2, Gr.2, Gr2) могли бы дать ряд выгод при производстве из них оборудования для транспортировки кислот, щелочей и неорганических солей. Дополнительные возможности применения титана, поставляемого компанией «Вариант», открываются в производстве такого оборудования, как баки, колонны, фильтры и всевозможные баллоны высокого давления.

Применение трубопроводов из титановых труб и листов, поставляемых ООО «Вариант», способно повысить коэффициент полезного действия нагревательных змеевиков в лабораторных автоклавах и теплообменниках. О применимости титана ВТ6, ВТ14 для производства баллонов, в которых длительно хранятся газы и жидкости под давлением, свидетельствует применяемая при микроанализе продуктов сгорания вместо более тяжелой трубки из стекла. Благодаря малой толщине стенок и незначительному удельному весу эта трубка может взвешиваться на более чувствительных аналитических весах меньших размеров. Здесь сочетание легкости и коррозионной стойкости позволяет повысить точность химического анализа.

Широкое применение титан находит в производстве искусственного волокна, красителей, азотной кислоты, синтетических жирны кислот, хлорированных углеводородов, кальцинированной соды, в хлорорганическом синтезе, во многих агрессивных средах.

По объему применения титана цветная металлургия занимает второе место среди гражданских отраслей промышленности. Наибольшее распространение титановое оборудование получило на предприятиях кобальтово-никелевой и титаново-магниевой промышлености, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов.

Титан применяется в качестве элемента, повышающего твердость алюминиевых сплавов, и модификатора, позволяющего получать мелкозернистую структуру металла.

Добавки титана повышают качество чугуна и стали. Отдельно или с другими элементами титан применяется как раскислитель при производстве многих низколегированых и углеродистых сталей.

Применение титана для изготовления спортивного инвентаря

Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре проста — он позволяет получить превосходящее любой другой металл соотношение веса и прочности. Использование титана в велосипедах началось примерно 25-30 лет назад и было первым применением титана в спортивном инвентаре. В основном используются трубы, в том числе поставляемые ООО «Вариант», из сплава Gr.9 Тi3Аl-2.5V (АSТМ B338 Grade 9). Другие части производимые из титановых сплавов включают в себя тормоза, звёздочки и пружины сидений. Использование титана в производстве клюшек для гольфа впервые началось в конце 80-х — самом начале 90-х годов производителями клюшек в Японии. До 1994-1995 годов это применение титана было практически неизвестно в США и в Европе. Ситуация изменилась, когда компания Callaway представила на рынок свою титановую клюшку, производимую компанией Ruger Titanium и названную Great Big Bertha. В связи с очевидными преимуществами и с помощью хорошо продуманного компанией Callaway маркетинга, титановые клюшки моментально приобрели огромную популярность. В течение короткого периода времени титановые клюшки прошли путь от эксклюзивного и дорогого инвентаря небольшой группы игроков до широкого использования большинством гольфистов (по прежнему оставаясь более дорогими по сравнению со стальными клюшками).

Титан применяют в изготовлении рам для велосипедов. В США тремя наиболее часто используемыми в велосипедной промышленности сортами титана 3-2.5 являются:
— сорт AMS 105, то же самое вещество соответствует наименованию 747. Этот материал отвечает всем требованиям стандарта AMS (Аэрокосмическая спецификация материалов) для гидравлических труб. Теоретически, покупка труб AMS 105 непосредственно у производителя дает неограниченный выбор диаметров и толщины стенок трубы. В действительности, существует много ограничений на минимальную партию заказа и в связи с этим, многие производители велосипедных рам, предпочитают заказывать титановые трубы у компании «Вариант». Покупатели иногда добавляют или изменяют стандартные спецификации труб AMS. Трубы MTS325 фирмы Merlin отличаются от труб AMS тем, что имеют более строгие допущения для структуры поверхности. Трубы фирмы Merlin также превосходят трубы AMS по минимальной прочности на разрыв при растяжении и пределу текучести.
— «Спортивный сорт» Grade 9. Трубы из титана Gr.9 спортивного сорта дешевле, так как они подвергаются меньшему числу шагов обработки, что позволяет снизить цену. Однако, сокращение цены негативно сказывается на формовке труб и структуре поверхности, как изнутри, так и снаружи.

Трубы для гоночных велосипедов и другие детали изготавливают из сплава АSТМ B338 Grade 9 (Тi3Аl-2.5V), поставляемого ООО «Вариант». На удивление, значительное количество титанового листа используется при производстве ножей для подводного плавания. Большинство производителей используют титановые листы ВТ6 (сплав Тi6Аl-4V или Grade 5, или Gr.5), но этот сплав не обеспечивает долговечность кромки лезвия, как другие более прочные сплавы. Некоторые производители переключаются на использование сплава ВТ23. Литые титановые подковы дают значительное уменьшение веса по сравнению со стальными, при этом обеспечивая необходимую прочность. К сожалению, это применение титана не вошло в жизнь, потому что титановые подковы искрили и пугали лошадей. Немногие согласятся использовать титановые подковы после первых неудачных опытов. Компания Titanium Beach, расположенная в Ньюпорт Бич, Калифорния (Newport Beach, Саlifornia), разработала лезвия для коньков из сплава Тi6Аl-4V Gr.5 (Grade 5 или ВТ6). К сожалению, здесь опять проблема долговечности кромки лезвий. Мы думаем, что у этого продукта есть шанс на жизнь при условии использования производителями более прочных сплавов, таких как 15-3-3-3 или ВТ-23. Титан очень широко используется в альпинизме и туризме, практически для всех предметов, которые альпинисты и туристы несут в своих рюкзаках: бутылки, чашки, наборы для приготовления пищи, столовая посуда, в основном сделанные из коммерчески чистого титана — листов, прутков и труб ВТ1-00 (Grade 1) и ВТ1-0 (Grade 2). Другими примерами альпинистского и туристского снаряжения являются компактные печки, стойки и крепления палаток, ледорубы и ледобуры. Производители вооружения недавно начали производить титановые пистолеты как для спортивной стрельбы, так и для правоохранительных органов.

Применение титана в строительстве

В работах по расширению аэропорта Абу-Даби в ОАЭ было использовано до 680 тонн листов, труб и прутков титана Grade 2 (ВТ1-0). Достаточно много различных архитектурно-строительных проектов с использованием титана планируется осуществить не только в развитых странах (США, Канада, Великобритания, Германия, Швейцария, Бельгия, Сингапур), но и в Египте и Перу.

Цинк применяется в строительстве уже с XVIII в. Уникальные анти­коррозионные свойства цинка ценились как неоспоримое достоинство этого материала. Однако чистый цинк имеет вместе с тем низкую пластич­ность, хрупок и легко ломается на изгибах, что затрудняет работу с ним и требует специального обучения и большого практического опыта кровельщиков. В связи с этим долгое время велись работы по усовершенствованию этого материала, и в конце 1960-х гг. был создан новый сплав с более высокими механичес­кими и антикоррозионными свойствами — цинк-титан.

Цинк-титановый сплав состоит из электролитно полученного мелкого цинка и легирующих добавок из титана и меди (или алюминия), увеличивающих его пластичность и жесткость. Легирующие элементы содержатся в сплаве в количестве 0,06–0,20% и выполняют функции модификаторов структуры. Медь и алюминий придают материалу необходимую пластичность, а титан повышает коррозионную стойкость. Медь увеличивает предел прочности материала при растяжении, титан увеличивает сопротивление ползучести, а сочетание обоих химических элементов уменьшает коэффициент расширения. Эти тщательно выверенные добавки также позволили получить длинные листы или ленты, которые обеспечивают эстетическое и практическое превосходство над цинковыми листами.

Широкое применение цинк-титана в строительстве обусловлено его физическими и химическими свойствами и потребительскими качествами, такими как высокая коррозионная стойкость, экологическая чистота и привлекательный внешний вид. Будучи пластичным материалом, сплав отлично поддается глубокой вытяжке, соответственно очень удобен при монтаже кровли. Цинк-титан не имеет проблем в пайке. Нестандартные ар­хитектурные элементы (купола, фронтоны, шпили), оригинальные объемные конструкции, которые невозможно выполнить из оцинкованной стали или меди, часто изготавливают из цинк-титана. В таких случаях этот сплав незаменим. Вообще спектр применения цинк-титана практически неограничен: от кровель и вентилируемых фасадов любой сложности и конфигурации до кованых малых архитектурных форм. Пластичность материала позволяет использовать его для изготовления декоративных изделий: коньки крыш, отливы, элементы водостока. Антикоррозионные свойства цинк-титана обеспечивают срок его службы более 100 лет без покраски и частого текущего ремонта. К неоспоримым достоинствам этого материала относится способность самовосстановления. Небольшие повреждения (царапины от когтей птиц, веток и т. д.) с течением небольшого времени самостоятельно «залечиваются» самим сплавом.

Экологический аспект использования строительных материалов сегодня имеет большое (часто решающее) значение. В Германии проводились исследования почвы вокруг здания под цинк-титановой кровлей и были обнаружены только положительные эффекты от воды, стекающей с такой крыши. Цинк-титан не обладает канцерогенными свойствами и не оказывает вредных воздействий на здоровье человека. Это подтверждено гигиеническим сертификатом Департамента Государственного санитарно-эпидемиологического надзора России. Кроме того, он относится к классу негорючих строительных материалов.

При всех вышеперечисленных качествах этот современный высокотехнологичный материал в эксплуатации примерно вдвое дешевле кровельной меди.

Цинк-титан имеет две степени окисления и в зависимости от срока использования изменяет свой цвет, теряя металлический блеск. Сначала он приобретает светло-серый оттенок, потом благородный шиферный темно-серый цвет. Сегодня в ходе модификации цинк-титан подвергают искусственному, химическому старению.

Применение титана в медицине

Титан широко используется в медицине уже в течение многих лет. Преимущества — прочность, сопротивление коррозии, и главное то, что у некоторых людей возникает аллергия на никель (обязательный компонент нержавеющих сталей), в то время как ни у кого не обнаружена аллергия на титан. Используемые сплавы — чистый титан и Тi6-4Eli Grade 5 ASTM F136 (ВТ6 в российской классификации). Титановые листы и прутки ВТ6 (Grade 5), поставляемые ООО «Вариант», используются в производстве хирургического инструмента, внутренних и внешних протезов, включая такие критические, как сердечный клапан. Из титановых труб ВТ1-0, Grade 9 изготовляют костыли и инвалидные коляски.

Стремительное развитие медицинской сферы применения титана в значительной мере объясняется известным прогрессом в современной хирургии в области эндопротезирования суставов. Тонкая оксидная пленка, образующаяся на поверхности титана и его сплавов, обеспечивает полную защиту металла от коррозии во многих средах, в том числе и физиологических. В этих условиях указанные материалы стойки не только к общей, но и к различным видам локальной коррозии, чего нельзя сказать о нержавеющих сталях. Многочисленные эксперименты, а также электронно-мискроскопические наблюдения свидетельствуют о прекрасной биологической совместимости титана и основных его сплавов с живой тканью. Костные и мягкие ткани хорошо прирастают к этим материалам, аналогично тому, как это делают морские микроорганизмы и ракушки, составляя в соответствующих применениях проблему «обрастания» титана. Высокая удельная прочность титановых прутков и листов ВТ1-00 (Grade 1) и ВТ6 (Grade 5 или Тi6-4Eli) и низкий модуль упругости титановых сплавов являются весьма благоприятным сочетанием свойств с точки зрения эндопротезирования. Титановые сплавы примерно в два раза менее жестки и легче, чем стали и кобальтовые сплавы, обладают высокими вязко-пластическими характеристиками.

В стоматологии также резко увеличивается использование протезов и имплантатов — по данным Американской ассоциации стоматологов, за последние десять лет в три раза, во многом благодаря характеристикам титана.

Прочие области применения титана

Применение титана целесообразно в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также для изготовления хирургических инструментов и в самой хирургии.

Столы для подготовки пищи, пропарочные столы, изготовленные из титана ВТ1-0, поставляемого компанией «Вариант», по качествам превосходят стальные изделия.

В нефте- и газобурильной областях серьезное значение имеет борьба с коррозией, поэтому применение титана позволит реже заменять корродирующие штанги оборудования. В процессе выработки верхних залежей нефти и газа, все более востребованным становится геофизическое оборудование, выдерживающее большое давление (до 500 атм) в глубинных скважинах. При изготовлении такого оборудования применяют титановые трубы Grade 9 ASTM B338 и титановые листы ВТ6, имеющие предел прочности более 800 Мпа.

В каталитическом производстве и для изготовления нефтепроводов желательно применять титан ВТ1-0 (Grade 2 или Gr.2), сохраняющий механические свойства при высокой температуре и обладающий хорошей коррозионной устойчивостью.

В электропромышленности титан можно применить для бронирования кабелей благодаря хорошей удельной прочности, высокому электрическому сопротивлению и немагнитным свойствам.

В различных отраслях промышленности начинают применять крепежные детали той или иной формы, изготовленные из титана ВТ1-0, ВТ6. Дальнейшее расширение применения титана возможно для изготовления хирургических инструментов главным образом благодаря его коррозионной стойкости. Инструменты из титана ВТ6 (Grade 5 или Тi6-4Eli) в этом отношении превосходят обычные хирургические инструменты при многократном кипячении или обработке в автоклаве.

В области хирургии титан оказался лучше виталлиума и нержавеющих сталей. Присутствие титана в организме вполне допустимо. Пластинка и винты из титана для крепления костей находились в организме животного несколько месяцев, причем имело место прорастание кости в нитки резьбы винтов и в отверстие пластинки.

Преимущество титана заключается также в том, что на пластине образуется мышечная ткань.

Потребительская электроника является достаточно новым и быстро растущим рынком для титана. Во многих случаях применение титана в потребительской электронике вызвано не только его великолепными свойствами, но также и привлекательным внешним видом изделий. Коммерчески чистый титан ВТ1-00 (Grade 1 или Gr.1), имеющийся на складе ООО «Вариант», используется для производства корпусов портативных компьютеров, мобильных телефонов, плазменных телевизоров с плоским экраном и другого электронного оборудования. Использование титана в производстве динамиков обеспечивает лучшие акустические свойства в связи с легкостью титана по сравнению со сталью, приводящей к увеличению акустической чувствительности. Титановые часы, изготовленные из титана Grade 1 (ВТ1-00), впервые внедренные на рынок японскими производителями, сейчас являются одним из наиболее доступных и признанных потребительских титановых продуктов.

Использование титана в производстве инструмента впервые началось в Советском Союзе в начале 80-х годов, когда по заданию правительства были изготовлены легкие и удобные инструменты для облегчения труда рабочих. Советский гигант титанового производства ВСМПО производило в то время титановые лопаты, гвоздодеры, монтировки, топорики и ключи из титановых листов ВТ1-0, ОТ4. Позднее японские и американские производители инструмента начали использовать титан в своей продукции.

  • Отправить
    Запинить