Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Нагрев титановых сплавов в газопламенных печах

Нагрев титановых сплавов в газопламенных печах

01.07.2017

Газопламенные печи различаются по технологическим и конструктивным признакам. По технологическим признакам они подразделяются на печи для нагрева под прокатку, под ковку, штамповку и термообработку. По конструктивным признакам их разделяют на печи с периодической загрузкой (камерные) непрерывной и полунепрерывной. К печам с непрерывной загрузкой относятся полуметодические, методические и различного типа механизированные проходные печи. К печам с периодической загрузкой относятся нагревательные колодцы, печи с выдвижным подом, колпаковые печи. К печам с полунепрерывной загрузкой можно отнести печи с вращающимся подом, с шагающим или роликовым подом, с толкателями, с наклонным подом.
Конструкции газопламенных печей могут быть самые разнообразные; они в достаточном объеме описаны в специальной литературе и в учебных пособиях, поэтому здесь мы ограничимся тем, что перечислим основные преимущества печей этого типа:
1) обеспечение высокой производительности при минимальном удельном расходе топлива;
2) возможность легкого и надежного регулирования температуры печи в необходимых пределах;
3) высокая стойкость кладки, каркаса и остальных частей печи и отсутствие возможности взаимодействия любой из ее частей с титановыми заготовками в температурном диапазоне работы печи;
4) возможность создания необходимой атмосферы в печи и автоматического поддержания коэффициента избытка воздуха в процессе работы.
Учитывая преимущества и основные особенности нагрева, в частности возможность нагрева заготовок любой формы и размеров, высокую экономичность этого способа, необходимо признать целесообразность его применения в ряде случаев, Серьезное препятствие к применению этого метода нагрева — значительное насыщение металла газами, в частности кислородом и водородом. Это должно учитываться при выборе режимов нагрева и определении номенклатуры нагреваемых изделий.
Ниже рассмотрены основные закономерности взаимодействия титана с газами при нагреве.
При нагреве на воздухе на поверхности титана в первые моменты окисления образуется пленка двуокиси титана со структурой рутила. При повышении температуры и увеличении длительности нагрева в результате взаимной диффузии кислорода и титана на границе окалина — металл образуются промежуточные окислы и ряд твердых растворов низших окислов титана в титане.
Характерная особенность всех окислов титана — высокая температура их плавления, превышающая температуру плавления металлического титана (1668+5° С). Эта означает, что при любой горячей обработке технического титана его окалина находится в твердом неоплавленном состоянии.
Изменение плотности окалины при переходе одного окисла в другой является причиной ее разрыхления и отслоения. Изменение плотности низших окислов титана вызывает появление наклепа и дополнительных внутренних напряжений в газонасыщенном слое Ниже приведены данные по плотности (г/см3) металлического титана И его окислов при 20° С:

Весьма грубая оценка количества окалины и толщины газонасыщенного слоя может быть дана на основании временных кривых окисления (удельного привеса) титана и его сплавов. Закономерность образования окисной пленки (скорость образования, толщина, состав, размер и структура) сильно изменяется с температурой и временем. При комнатной температуре рост окисной пленки длится около 50 сут и достигает предельного значения примерно 35 А (0,058 т/м2). При высоких температурах поглощение кислорода титаном достигает сотен г/(м2*ч). Поэтому законы окисления не могут быть описаны простой однозначной зависимостью для разных температур и продолжительностей нагрева.
Для оценки характера окисления титана и его сплавов после нагрева и отжига полезна наглядная схема Дженкинса, приведенная в работе (рис. 9).

В области А окисление протекает по параболическому закону. Диффузия кислорода идет через плотную окалину, без полостей, неплотностей и трещин. Для технического титана эта область, по-видимому, отсутствует. В области В при достижении плотной окалиной некоторой критической толщины параболическая зависимость вследствие возникновения в окалине дефектов (пористости, разрыхления, трещин и отслоения) переходит в линейную. Область С соответствует окислению при низких температурах, которое описывается кубической параболой и логарифмическими уравнениями. Изменение состава титана легированием существенно изменяет его окисляемость обычно в сторону уменьшения. В соответствии с этим качественно и количественно изменяются кинетические кривые окисления. На рис. 10 приведена кинетическая кривая окисления става титана с 3,5% Al при 1000° C в сопоставлении с окислением при тех же условиях технического титана, показывающая, что сплав окисляется в два раза меньше.
На рис. 11 сопоставлены кинетические кривые окисления технического титана и промышленных сплавов системы титан — алюминий — марганец.

Еще меньшую окисляемость показывают кинетические кривые окисления высоколегированных сплавов, содержащих молибден, в частности ВТ14 (рис. 11). К этим данным надо относиться осторожно, так как образующийся при окислении MoO3 интенсивно испаряется при 1000° C и это снижает привес образца. Сопоставление кинетических кривых окисления некоторых распространенных сплавов при 1000° С с кинетическими кривыми для технического титана при 900 и 1000° C показывает, что их легирование примерно равноценно снижению температуры нагрева на 100° С.
Недостаток кислорода на границе с окалиной приводит к уменьшению интенсивности окисления. Так, например, при отжиге рулонов внутренние витки при прочих равных условиях окисляются менее интенсивно, чем наружные, что приводит к различным условиям очистки поверхности.
Окисление титана в парах воды и в продуктах горения углеводородов протекает значительно интенсивнее, чем при нагреве в кислороде и па воздухе (рис. 12).

Ускоренное окисление титана парами воды по сравнению с окислением в кислороде И.П. Бардин и А.В. Ревякин объясняют разрушением образующейся окисной пленки в результате увеличения объема титана при поглощении больших количеств водорода и доступа к обнаженной активной поверхности новых порций паров [плотность титана при 0,27% (ат.) водорода 4,56 г/см3, а при 61,3% (ат.) — всего 3,84 г/см3].
Окалина из плотного рутила и газонасыщенный слой являются ощутимой преградой для диффузии кислорода. Газонасыщенный слой при этом имеет небольшую толщину. Так, например, па отожженном при 800° С сплаве титана с 4% Al с выдержками от 5 до 120 мин толщина его 6—30 мкм. Скорость изменения толщины газонасыщенного слоя представлена на рис 13. Присутствие газонасыщенного слоя на поверхности листов отрицательно отражается на пластичности металла, в особенности при испытании на изгиб (рис. 14), однако удалить такие газонасыщенные слои обычным травлением не представляет трудности.

На рис. 15 хорошо видно общее снижение пластичности листов с увеличением толщины газонасыщенного слоя сплава ВТ1-0, отожженного в а-области. Совершенно очевидно, что в этом случае при очистке поверхности листовых заготовок необходимо вместе с окалиной удалить и газонасыщенный слой. Образование газонасыщенных слоев такого типа объясняется большой растворимостью и малым коэффициентом диффузии кислорода в альфа-титане. Коэффициент диффузии кислорода в альфа-титан в интервале температур 750—950° С находится в пределах 10в-11—5*10в-9 см2/с. При нагреве титана и его сплавов при температурах, отвечающих бета-модификации, строение газонасыщенного слоя существенно изменяется. Наряду с существованием газонасыщенного слоя с альфа-структурой имеется резкий переход ко второму участку газонасыщенного слоя с пониженными концентрацией кислорода и твердостью. Второй участок газонасыщенного слоя отличается избирательной диффузией кислорода и неравномерной глубиной его проникновения, в особенности по границам зерен. Глубина диффузии кислорода в бета-титан намного больше, чем в альфа-титан. Сопоставление толщин газонасыщенных слоев на титане и некоторых титановых сплавах показало, что при нагреве титана в в-области толщина газонасыщенного слоя на порядок больше, чем в альфа-титане (табл. 2).

Необходимо отметить, что нарастание толщины газо-насыщенного слоя bг.с при повышении температуры нагрева tп и увеличении выдержки тн замедляется вследствие перемещения границы окалина — металл в направлении последнего.
С.С. Можаев и Л.Ф. Сокирянский разработали номографический расчет толщины газонасыщенного слоя в титановых сплавах. На рис. 16 представлена номограмма для оценки степени окисляемости сплава ВТ5 при нагреве в а-области.
В газопламенных печах активное взаимодействие титана при нагреве приводит к значительному насыщению его поверхности кислородом и азотом, а также поглощению значительных количеств водорода. Поэтому применение печей с газопламенным нагревом для термической обработки и перед деформацией заготовок небольшого сечения нежелательно. Прямые количественные доказательства этому были получены И.В. Кононовой и С.П. Щелконоговой в работах, выполненных под руководством Н.Ф. Аношкина и С.А. Кушакевича Эксперименты были проведены на сплавах BT1-0 и ВТ14 при нагреве в печи, в которой в качестве топлива использовали метан. При этом коэффициенты избытка воздуха были больше и меньше 1. Для сравнения те же титановые образцы нагревали в электрической печи. На рис. 15 и 17 показано изменение угла загиба и ударной вязкости листов толщиной 8 мм в зависимости от выдержки при разных температурах нагрева.

Особенно сильное снижение ударной вязкости, угла загиба и характеристик пластичности происходит при нагреве в газовой печи при температуре 1100° C. При этом значения угла загиба и ударной вязкости падают почти до нуля. Сравнивая полученные результаты при нагреве в окислительной и восстановительной атмосферах газовой печи, можно заключить, что наибольшее снижение пластических характеристик происходит при нагреве в окислительной атмосфере; при нагреве в восстановительной атмосфере эти значения гораздо выше, но уступают данным для нагрева в электрической печи.


Полученные выводы подтверждаются данными по привесу образцов при нагреве в электрической и газовой печах (рис 18).
На первой стадии окисление характеризуется параболическим законом, а в дальнейшем с увеличением выдержки — линейным законом. При нагреве как в электрической, так и в газовой печи наблюдается значительное увеличение массы образцов, однако окисление в газовой печи происходит в гораздо большей степени.
Ниже приведены результаты замера толщины (мм) газонасыщенного слоя образца, нагретого в электрической и газовой печах при 1100° C, 8 ч:

При нагреве образцов в восстановительной атмосфере толщина газонасыщенного слоя, полученного в газовой печи, не больше, чем полученного в электрической печи. Однако следует учесть, что при нагреве в восстановительной атмосфере может происходить сильное насыщение заготовок водородом.
Водород имеет весьма высокое значение коэффициента диффузии в титане и поэтому при нагреве может легко проникать на значительную глубину, мигрировать и скапливаться в определенных участках под воздействием градиента напряжений и температур. Превышение концентрации водорода в заготовке выше допустимой (для большинства титановых сплавов эта концентрация составляет 0,015%) может привести при определенных условиях к скоплению его в отдельных участках и превышению допустимых норм. Само по себе повышение концентрации водорода приводит к снижению показателей пластичности при кратковременных испытаниях, а также к развитию водородной хрупкости при длительной эксплуатации под напряжением.

На рис. 19 приведены результаты определения содержания водорода после нагрева в различных условиях листов толщиной 8 мм и образцов диаметром 50 мм сплавов BT1-0 и ВТ 14 (данные H.Ф. Аношкина, С.А. Кушакевича, И.В. Кононовой и С.П. Щелконоговой).
Анализ результатов, полученных в этой работе показал, что нагрев в газовых печах по сравнению с электрическими печами значительно повышает содержание водорода в образцах. Так, например, в центре образца толщиной 50 мм концентрация водорода в сплаве ВТ14 при выдержке 2 ч при 1100° C увеличилась с 0,012 до 0,048% при нагреве в газовых печах и всего лишь до 0,018% в центре образца, нагретого в электрической печи.
Приведенные данные достаточно убедительно показывают, что нагрев в газовых печах можно использовать с учетом опасности значительного наводороживания.