СКРОМНЫЙ ПОМОЩНИК
СКРОМНЫЙ ПОМОЩНИК
Титан давно нашел применение в черной металлургии из-за своей способности образовывать устойчивые соединения с различными примесями. Благотворное влияние этого металла на чугун и сталь было замечено еще в самом начале нашего века. Для сталеплавильного производства используют не очищенный титан, а так называемый ферротитан — сплав титана с железом, загрязненный большим количеством углерода. Если же в сталь нужно ввести титан и кремний, используют сплавы титана с железом и кремнием.
Когда титан попадает в жидкую сталь, обычно содержащую кислород, азот, углерод, он прежде всего соединяется с кислородом и, поглощая его, образует диоксид титана.
Поглощение кислорода из расплавленной стали называется ее раскислением. Вначале титан применяли только для этой цели, но затем выяснилось, что добавки металла в чугун и сталь приносят много и другой пользы. Ведь титан не только раскисляет сталь, но и существенно повышает ее чистоту, освобождая от силикатов марганца и железа, которые, соединившись с титаном, всплывают на поверхность расплавленного черного металла, откуда их уже нетрудно удалить. Однако польза, которую приносит титан, не ограничивается и этим.
В процессе остывания стали первоначально образующиеся кристаллы всегда бывают гораздо чище остающейся расплавленной массы; последняя же порция затвердевающего металла содержит наибольшее количество углерода, фосфора, серы и других вредных примесей. Эти загрязнения переходят из слитка в изделия, что приводит к их преждевременному разрушению. Было время, когда сталь раскисляли небольшим количеством кремния. Железнодорожные рельсы, сделанные из такой стали, часто выходили из строя, потому что в местах наибольшего скопления примесей появлялись трещины. Когда же металл начали обрабатывать титаном, количество трещин уменьшилось во много раз, так как сера, фосфор и углерод стали равномерно распределяться по всему сечению рельса благодаря большей химической активности титана.
Эта способность титана была широко использована в годы второй мировой войны, когда потребовалось упростить обработку стали при производстве снарядов, мин и других видов вооружения. Сталь обрабатывалась намного легче, если в ней содержалось серы больше обычного. Но серу следовало распределить в стали равномерно, мельчайшими частицами. С такой задачей успешно справился титан.
Справедливости ради следует все же признать, что лучший раскислитель стали — алюминий. Именно его почти всегда используют для выплавки мелкозернистой стали, так как, во-первых, он гораздо дешевле титана, во-вторых, его требуется меньше и, в-третьих, его намного проще использовать. Но для сталей, которые имеют склонность к росту зерна, алюминий применять нельзя. Тогда и применяют титан, который не только хорошо раскисляет металл, но и очищает его, равномерно распределяет примеси в его толще, намного улучшает качество поверхности стального листа.
В сталях с промежуточной зернистостью добавкой титана предупреждается появление и мелких, и крупных зерен, а в мелкозернистых сталях, для которых с успехом используется алюминий, титан способствует образованию правильной микроструктуры.
Соединения различных элементов с азотом называются нитридами. Нитрид титана — одно из самых прочных химических соединений. Способность титана связывать азот намного выше, чем тантала, алюминия, бора, ванадия и кремния. Другие же элементы, обычно используемые в сталеварении, пр^ высоких температурах образуют с азотом неустойчивые соединения, а значит, и не могут его обезвредить. Примеси азота в стали Делают ее чересчур пористой. Но если такую сталь расплавить и добавить в нее титан, дефект устраняется и слиток получается полноценным.
Вступая в реакцию с азотом, титан не только переводит его в нерастворимое состояние, но и уменьшает общее его содержание в стали. Это объясняется тем, что кристаллы нитрида титана, поскольку они значительно легче стали, стремятся всплыть на поверхность и переходят в шлак, который легко удалить. Нитрид титана нашел и самостоятельное, очень эффективное применение.
8 мая 1986 года в газете "Известия” под заголовком ”Золо- той блеск титана” был опубликован следующий текст: ”Внешне инструмент из быстрорежущей стали с новым износостойким покрытием выглядит позолоченным. И хотя в нем нет и грамма драгоценного металла, рабочие называют его золотым. Впрочем, он заслуживает такого определения не за внешний вид...
В нашей стране на 22 специализированных инструментальных заводах Минстанкопрома организовано производство широкой номенклатуры инструмента из быстрорежущей стали с износостойким покрытием на основе нитрида титана. Такой инструмент обеспечивает повышение производительности труда на 50 процентов и более, стойкость его в три- четыре раза превышает надежность обычного инструмента, что особенно важно при эксплуатации на станках с числовым программным управлением и в гибких производственных системах. Экономический эффект от внедрения новшества в народном хозяйстве уже превысил 41 миллион рублей. Разработанная технология защищена 20 патентами, 17 авторскими свидетельствами и получила широкое признание на международном рынке — лицензии на нее закуплены США, ЧССР, НРБ и Кубой”.
Отрадный факт. Небольшие добавки титана в литую сталь повышают ее прочность, улучшают все механические свойства и упрощают ее термическую обработку. Нередко титан добавляют в сочетании с бором, что обеспечивает лучшую прокаливаемость стали и обработку на токарных станках.
Добавление титана в чугун улучшает его обрабатываемость. И не только обрабатываемость, но и стойкость против ржавления, высоких температур, повышает сопротивляемость разрушающим воздействиям трения. Когда титан вводят в расплавленный чугун, содержащий большое количество углерода, титан и углерод вступают в реакцию между собой и образуют мелкие кристаллы карбида. При затвердевании чугуна частицы карбида титана выступают в роли центров кристаллизации и благодаря этому чугун получается с мелкозернистой структурой.
Присутствие карбида титана в инструментальных сталях уменьшает их растрескивание при закалке в воде, а поглощение титаном избытка углерода предотвращает межкристаллитное разрушение нержавеющей стали.
Титан повышает также прочность и твердость нержавеющих, долговечность жаропрочных сталей, способствует улучшению их свариваемости. Карбид титана используется не только для улучшения свойств чугуна и стали, но и в качестве самостоятельного материала для так называемых твердых сплавов, абразивов, при производстве материалов для инструментов и других важных узлов и деталей.
Впервые карбид титана был получен в 1887 году при обработке титанистого чугуна соляной кислотой. Вещество оказалось очень твердым и хрупким, обладающим некоторыми металлическими свойствами — блеском, хорошей электропроводностью. По своей жаростойкости карбид титана превосходит все другие тугоплавкие карбиды: он плавится при температуре свыше 3000 °С. В наши дни карбид титана получают прокаливанием диоксида титана с сажей в специальных индукционных печах.
Карбид титана — одно из самых устойчивых веществ, выдерживающих резкие смены температур. Он широко применяется как основа для получения жаростойких сплавов, режущих инструментов для обработки вязких материалов, благодаря высокой твердости используется для шлифования.
Вместе с карбидом вольфрама и кобальтом он входит в состав так называемых метал л о керамических твердых сплавов. Режущие инструменты, изготовленные из таких материалов, позволяют во много раз повысить скорость обработки сталей. Твердосплавные инструменты значительно повышают производительность труда в металлообрабатывающей, горнорудной, угольной и других отраслях промышленности. Они позволяют также обрабатывать вязкие материалы, с которыми не в состоянии справиться обычные резцы.
Благодаря высокой твердости, жаростойкости и жаропрочности карбид титана используется для получения материала, из которого делают лопатки турбин реактивных авиационных двигателей, защитные покрытия для сопел и головных частей ракет. Эти же свойства карбида титана, а также достаточная электропроводность и низкая скорость испарения позволяют использовать его в электродах для подводной электрокислородной резки стали и в электродах термопар, предназначенных для замера температур до 200 °С.
Из сплава карбида титана с вольфрамом делают детали насосов для перекачки расплавленного натрия, стойкие при температурах более 1000 С и давлениях, превышающих 8 атмосфер.
Соединений титана — многие сотни, но практическое применение нашли далеко не все из них. В технике используется еще соединение титана с бором — борид титана. Как и карбид, он обладает очень высокой твердостью и тоже пригоден для обработки материалов. Некоторые соединения титана применяются для проведения лабораторных анализов.