Chociaż tytan i jego stopy mają zalety wysokiej wytrzymałości właściwej, dobrej wydajności w wysokich i niskich temperaturach, odporności na korozję itp.; jeśli nie zostaną właściwie wykorzystane, nie wykorzystają swoich mocnych stron i unikną słabości, w dalszym ciągu nie osiągną oczekiwanych rezultatów, ale zamiast tego spowodują niepotrzebne straty. Jak prawidłowo używać tytanu? Przy wyborze materiałów tytanowych należy dokładnie rozważyć w ramach kategorii zagadnień:
1. Środowisko korozyjne Czysty tytan przemysłowy i inne stopy tytanu w neutralnym środowisku utleniającym mają doskonałą odporność na korozję. W słabym środowisku redukującym utrzymuje również stan pasywny. Skorodowane w silnych kwasach redukujących; ale dobra odporność na korozję w środowiskach redukujących współistniejących ze środkami zapobiegającymi korozji, nawet w przypadku wód królewskich. Jest odporny na korozję w środowiskach korozyjnych, takich jak sole wysokotemperaturowe, mokry chlor gazowy, kwas azotowy i różne środki wybielające. Tytan jest pasywny jako anoda pod napięciem kilku woltów, dlatego wykorzystuje się go w obróbce anodowej, elektrolizie i galwanizacji. Nie powoduje korozji wżerowej i szczelinowej w wodzie morskiej. Ma większą odporność na korozję naprężeniową, korozję kontaktową i ścieranie. Ma dobrą odporność na korozję wobec kwasów organicznych z wyjątkiem kwasów mrówkowych (niewentylowanych) itp. Spawanie prawie nie zmniejsza odporności tytanu na korozję. Chociaż tytan ma doskonałą odporność na korozję w powyższych mediach korozyjnych; ale przy wyborze tytanu jako materiału odpornego na korozję należy nadal zwracać uwagę na następujące punkty:
(1) czysty tytan przemysłowy w statycznej wysokiej temperaturze, lepsza rozpuszczalność roztworu kwasu azotowego w odporności na korozję; ale w przepływie roztworu kwasu azotowego często wynika to z braku roli hamowania korozji czterowartościowych jonów tytanu i korozji. Dlatego też do stosowania w tym środowisku tytanu należy wybrać stop Ti-5Ta.
(2) tytan w wodzie morskiej i roztworze chlorku nie powoduje wżerów; ale zawierający chlorek magnezu, chlorek glinu, chlorek miedzi, chlorek cynku i wrzący roztwór chlorku wapnia. Przemysłowy czysty tytan w temperaturze wyższej niż 90 stopni wody morskiej istnieje możliwość wystąpienia korozji szczelinowej, dlatego w tym środowisku zalecany jest wybór stopu Ti-0.2Pb.
(3) przemysłowy czysty tytan w węglowodorach zawierających chlor, węglowodory fluorowe nie korodują. Natomiast w przypadku wody hydroliza oraz kwas solny i fluorowodorowy powodują korozję tytanu. Kiedy węglowodory rozkładają się w wysokich temperaturach i wytwarzają wodór, tytan może absorbować wodór i powodować kruchość wodorową.
(4) Tytan nie podlega korozji pod wpływem wilgotnego chloru gazowego (zawierającego więcej niż 1% wody) i gazów takich jak dwutlenek siarki, dwutlenek węgla, siarkowodór itp.; jednakże ulega korozji w suchym gazowym chlorze; i powoduje pożar i samozapłon. W zakresie temperatur -253 ~ 93 stopni odporność na korozję tytanu na wodór i nadtlenek azotu jest doskonała; ale w gazowym tlenie, ciekłym tlenie i pewnym wysokim ciśnieniu cząstkowym tlenu w roztworze wodnym, mogą również powodować samozapłon tytanu. Należy zachować ostrożność podczas stosowania tytanu w takim środowisku.
(5) przemysłowy czysty tytan na ogół nie powoduje pęknięcia korozji naprężeniowej; ale zawiera śladowe ilości kwasu solnego w metanolu, rozpuszczalnikach organicznych na bazie etanolu i w dymiącym kwasie azotowym jest podatny na korozję naprężeniową lub samozapłon.
(6) kontakt z tytanem i metalem o niższym potencjale, korozja metalu o niskim potencjale. Stopień korozji zależy od proporcji powierzchni metalu stykającej się z tytanem.
(7) Chociaż tytan ma również dobrą odporność na korozję w przypadku zasad o wartości pH większej niż 9; jednakże tytan jest stosowany w ługu tylko w niskich temperaturach ze względu na tendencję do kruchości wodorowej w wyższych temperaturach. Gdy ług zawiera wolny chlor, poprawia się odporność korozyjna tytanu na ług. I odwrotnie, gdy ług zawiera tlen i amoniak, korozja tytanu w ługu ulega zaostrzeniu.
2. Właściwości chemiczne, fizyczne i mechaniczne tytanu
Tytan i stopy tytanu oraz inne metale, podobnie jak właściwości chemiczne, fizyczne i mechaniczne, mają swoje własne właściwości. Niektóre właściwości różnią się od stali węglowej, stali nierdzewnej i innych metali żelaznych; różni się także od powszechnie stosowanych metali nieżelaznych - aluminium, ołowiu i tak dalej. Dlatego przy stosowaniu tytanu należy zwrócić uwagę na następujące cechy:
(1) Tytan jest metalem bardzo aktywnym chemicznie, w wyższych temperaturach może reagować z wieloma pierwiastkami i związkami, zwłaszcza z azotem, tlenem, wodorem i innymi gazami zawartymi w powietrzu, pogarszając parametry tytanu. Jest to problem, który należy dokładnie rozważyć podczas topienia, przetwarzania, wytwarzania i stosowania tytanu.
(2) Współczynnik rozszerzalności liniowej tytanu wynosi około dwóch trzecich stali węglowej; odpowiednik połowy stali nierdzewnej. W przypadku stosowania tytanu do produkcji wykładzin pojemników ze stali węglowej lub stali nierdzewnej; lub użyj tytanu do produkcji rur płaszczowo-rurowych wymienników ciepła, podczas gdy płaszcz wykonany jest ze stali węglowej lub stali nierdzewnej, aby poważnie rozważyć sprzęt w procesie wzrostu i spadku temperatury, wykładzinę i rury, aby wytrzymać naprężenia termiczne.
(3) Przewodność cieplna tytanu jest 4,5 razy mniejsza niż stali węglowej i nieco niższa niż stali nierdzewnej. Dlatego w sprzęcie tytanowym stosowanym w wysokich temperaturach w ściance powłoki łatwo jest wytworzyć wysoki gradient temperatury, co powoduje większe naprężenia termiczne lub naprężenia zmęczenia cieplnego. Jednak tę wadę kompensuje niższy współczynnik rozszerzalności liniowej. Dlatego chociaż współczynnik przewodności cieplnej tytanu jest niski; nie wpływa to na efektywność wymiany ciepła. Dzieje się tak, ponieważ tytan ma lepszą zdolność zapobiegania zanieczyszczeniom; nie gaz to kondensacja filmowa i kondensacja kropelkowa; może wytrzymać większe natężenie przepływu korozji szorującej, może sprawić, że ściana urządzenia lub ściana rury będzie bardzo cienka, o wysokiej wytrzymałości i innych właściwościach. Dlatego tytan ma lepszą wydajność wymiany ciepła.
(4) Tytan ma wysoką temperaturę topnienia, zwykle 1668 ± 4 stopnie. Około 130 stopni wyższe niż stal węglowa, niż stal nierdzewna około 243 stopnie. W połączeniu z niską przewodnością cieplną. Dlatego czas przebywania metalu spoiny w strefie wysokiej temperatury jest nieco dłuższy, należy spowodować gruboziarniste ziarno, zmniejszyć plastyczność, a spawanie łatwo powoduje duże naprężenia własne. Należy to dokładnie rozważyć przy projektowaniu konstrukcji spawanej.
(5) Tytan ma słabą przewodność elektryczną. Jeśli przewodność miedzi wynosi 100%, wówczas tytan wynosi tylko 3,1%. Ale jest zbliżony do przewodności stali nierdzewnej. Należy to wziąć pod uwagę przy projektowaniu elektrod tytanowych.
(6) Tytan ma niski moduł sprężystości, około połowę stali węglowej lub stali nierdzewnej. Dlatego też należy zwrócić szczególną uwagę na konstrukcję elementów odpornych na zginanie.
(7) tytan ma znaczące właściwości odbicia, jego zdolność odbicia to stal nierdzewna formowana na zimno 2 do 3 razy. Wynika to z granicy plastyczności tytanu i dużego stosunku modułu sprężystości, a stosunek granicy plastyczności jest również większy, tak że podczas formowania wewnątrz części występują duże naprężenia. Zatem sprzęt tytanowy generalnie nie nadaje się do procesu tłoczenia na zimno; i trzeba zastosować proces ortopedyczny na gorąco lub tłoczenie na zimno.
(8) tytan i stal nierdzewna, łatwe do przyklejenia. Dlatego nie jest łatwo wykonać elementy nośne z tytanu bez specjalnej obróbki; w przeciwnym razie zostaną szybko zezłomowane z powodu ścierania lub okluzji. Jeśli konieczne jest użycie tytanu jako elementu ruchomego, należy wybrać materiał cierny z tytanu (taki jak tworzywo sztuczne) wykonany z elementu ciernego; lub obróbka polegająca na utwardzaniu powierzchni; lub użyj różnych gatunków stopu tytanu wykonanego z substytutu tarcia. W imadle ciernym spiralnym należy stosować pasowanie spiralne z dużą szczeliną lub smar.
(9) Wytrzymałość tytanu na rozciąganie zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Gdy temperatura osiągnie 250 stopni, jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi tylko połowę temperatury pokojowej. Krzywa rozciągania tytanu nie ma fizycznej granicy plastyczności, a jedynie warunkową granicę plastyczności. Dlatego przy obliczaniu wytrzymałości sprzętu tytanowego należy wybrać granicę wytrzymałości w temperaturze projektowej.
(10) Odporność na pełzanie tytanu jest słaba, nie tylko w wysokich temperaturach, występuje nawet w temperaturze pokojowej. Jego granica pełzania zwykle pojawia się najpierw wraz ze wzrostem i spadkiem temperatury; ale do 120 stopni granica pełzania zaczęła ponownie rosnąć, przy 200 stopniach, gdy wartość maksymalna. Następnie granica pełzania nadal rośnie wraz ze wzrostem temperatury i maleje. Zwykle w zakresie temperatur 200 ~ 300 stopni, aby zachować stabilną charakterystykę pełzania. Dlatego przy obliczaniu wytrzymałości sprzętu tytanowego należy nie tylko obliczać ją zgodnie z granicą wytrzymałości w temperaturze projektowej; ale również muszą zostać skalibrowane zgodnie z granicą pełzania.
(11) Plastyczność czystego tytanu przemysłowego ma szczególny związek z temperaturą. Od temperatury pokojowej do 200 stopni wzrasta względne wydłużenie tytanu. W utrzymującej się temperaturze zaczyna spadać. Wydłużenie względne osiąga minimum przy 450 ~ 500 stopni, a następnie znacznie wzrasta. Dlatego najlepiej jest używać temperatury nie przekraczającej 350 stopni.
(12) Udarność czystego tytanu przemysłowego do użytku domowego jest niska i w niektórych przypadkach wynosi zaledwie 8,0 kg-m/cm2 w temperaturze pokojowej. ale wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Gdy temperatura przekracza 200 stopni, udarność gwałtownie wzrasta. Przy 550 stopniach udarność może osiągnąć około 18 kg-m/cm2. A jego wartość oddziaływania maleje wraz ze wzrostem zawartości zanieczyszczeń. Dlatego też przy projektowaniu sprzętu tytanowego należy w jak największym stopniu unikać koncentracji naprężeń, aby zapobiec nadmiernym lokalnym naprężeniom szczytowym.
(13) Twardość i wytrzymałość tytanu rosną wraz ze stopniem odkształcenia na zimno. Taki jak stopień odkształcenia na zimno wynoszący 80% granicy wytrzymałości próbki niż w przypadku próbki całkowicie wyżarzonej 1 razy większy. Wraz ze wzrostem stopnia odkształcenia na zimno wartość wydłużenia gwałtownie maleje. Gdy stopień odkształcenia na zimno przekracza 50%, wydłużenie spada do 10%, a następnie nie maleje. Ponadto właściwości mechaniczne tytanu są powiązane z szybkością odkształcania. Gdy szybkość rozciągania zwiększy się z 0,01 minuty do 1,5 minuty, granica wytrzymałości wzrasta z 36,5 kg-siła/mm2 do 42,5 kg-siła/mm2; współczynnik wydłużenia znacznie maleje, a następnie ponownie wzrasta. Dlatego podczas tłoczenia tytanu na zimno należy ściśle kontrolować stopień odkształcenia i szybkość odkształcania.
(14) Tytan ma doskonałą odporność na zmęczenie; jest jednak bardziej wrażliwy na nacięcia. W eksperymencie zginania obrotowego stosunek wytrzymałości zmęczeniowej do wytrzymałości na rozciąganie wynosi około 60 procent; podczas gdy ogólna stal węglowa ma tylko około 45 procent wytrzymałości na rozciąganie. Wykończenie powierzchni ma również duży wpływ na wytrzymałość zmęczeniową. Pręty testowe o powierzchniach silnie wypolerowanych mają wyższą wytrzymałość zmęczeniową niż te z powierzchniami obrobionymi maszynowo. Dlatego też przy projektowaniu sprzętu tytanowego należy unikać nieciągłości konstrukcyjnych, a spoiny powinny być możliwie gładkie.
15) Tytanu nie można łączyć z innymi metalami. Dzieje się tak dlatego, że temperatura topnienia tytanu jest wyższa niż w przypadku innych metali; i utworzył kruchy związek międzymetaliczny, powodując kruchość spoiny. Szczególną uwagę należy zwrócić na konstrukcję złącza w przypadku częściowego wyłożenia statku. Jeśli wymagane są połączenia z innymi metalami, można zastosować klejenie, lutowanie, spawanie wybuchowe i skręcanie.
16) Konstrukcja złączy spawanych do sprzętu tytanowego jest podobna do formy złączy stosowanych do innych metali; jednakże ze względu na większą płynność stopionego tytanu. Dlatego jest montowany mocniej niż inne metale. Podczas zgrzewania doczołowego cienkich blach zwykle nie pozostawia się luzu na tępą krawędź w przypadku równobocznych połączeń doczołowych. Spoiny te można wykonać bez drutu dodatkowego, jeśli montaż uliczny jest zadowalający. Gdy grubość blachy przekracza 1,5 mm, w celu zapewnienia penetracji spoiny stosuje się tępą szczelinę krawędziową lub pojedynczą fazę V. Do tych połączeń wymagany jest dodatkowy drut. W przypadku grubych płyt lub grubych profili użyj pojedynczego skosu typu V lub podwójnego typu V. W takich przypadkach złącza powinny być zaprojektowane tak, aby wymagały minimalnych przejść spawalniczych i ułatwiały ochronę spawu.
17) Projektując odlewy tytanowe należy mieć na uwadze, że tytan charakteryzuje się wąskim przedziałem temperatur pomiędzy fazą ciekłą i fazą stałą. Ta tendencja do szybkiego krzepnięcia sprzyja kierunkowemu krzepnięciu odlewu; jednakże często prowadzi to do pęknięć i skurczu w miejscach koncentracji ciepła. Należy unikać ostrych różnic w grubościach przekrojów i ostrych narożników we wszystkich sąsiadujących częściach odlewów tytanowych. Tam, gdzie nie można ich uniknąć, zarówno zmiany grubości, jak i ostre rogi powinny mieć zaokrąglone przejścia o wystarczającym promieniu. Powierzchnia styku odlewu powinna mieć jednolity przekrój poprzeczny ze stożkiem. Na wszystkich powierzchniach pionowych należy uwzględnić duże nachylenie zanurzenia; należy także wziąć pod uwagę lokalizację pionów oraz fakt, że po usunięciu tych nadlewów nie jest konieczne dokładne szlifowanie.
18) Stukanie tytanu jest procesem trudniejszym. Dzieje się tak z powodu ograniczonych rowków wiórowych w gwintowniku i dużej przyczepności tytanu, co prowadzi do pogorszenia jakości gwintu. Po zakończeniu cięcia tytan ma tendencję do blokowania się na kranie, powodując jego pęknięcie. Dlatego przy projektowaniu sprzętu tytanowego należy unikać otworów ślepych i zbyt długich otworów przelotowych; jednocześnie tolerancje stopnia dopasowania powinny zostać odpowiednio złagodzone.
(19) Wydłużenie domowej rurki tytanowej waha się w zakresie 28 ~ 40%; podczas gdy wydłużenie stali nierdzewnej mieści się w zakresie 50 ~ 60%. Dlatego szczelina dylatacyjna tytanowego wymiennika ciepła z płaszczem i rurą powinna być mniejsza niż w przypadku stali nierdzewnej; w przeciwnym razie rura kolumny jest podatna na pękanie podczas rozszerzania.
(20) tytan w procesie cięcia, ze względu na odkształcenie plastyczne i przy wysokich temperaturach skrawania, tytan łatwo wchłania tlen atmosferyczny, azot, tworząc twardą i łamliwą skórę oraz zjawisko utwardzania przez zgniot. Rezultatem nie tylko jest zmniejszenie wytrzymałości zmęczeniowej części; i zwiększy zużycie narzędzia i spowoduje trudności w przyszłej obróbce. Dlatego przy cięciu tytanu zazwyczaj wybiera się niższą prędkość skrawania, większą głębokość skrawania i posuw. Oraz zastosowanie odpowiedniego smaru chłodzącego, chłodzenie pod wysokim ciśnieniem. Aby obniżyć temperaturę skrawania, poprawić jakość powierzchni obróbki i trwałość narzędzia.
