Титан и титановые сплавы

Титан и титановые сплавы относятся к числу сравнительно новых конструкционных материалов. Их широкое использование началось примерно 30-35 лет назад. Но, по общему объёму их использования пищевая промышленность занимает третье место (после химической и металлургической), обойдя в этом отношении авиационную и автомобильную промышленность. Причиной этого служит тот комплекс свойств, которыми обладают эти сплавы и, в первую очередь, исключительно высокая коррозионная стойкость практически во всех пищевых, дезинфицирующих и моющих средах.

Титановые сплавы обладают наиболее высокой удельной прочностью из всех допущенных к использованию в пищевой промышленности сплавов на основе цветных металлов (s_b/d» 37 км).

Примером того, насколько важна высокая удельная прочность, может служить такой: в системах перекачки агрессивных жидкостей используются змеевики из освинцованной меди, вес которых достигает 484 кг. Если же аналогичные змеевики изготавливаются из титановых сплавов, то вес их тогда составляет всего 24 кг.

Помимо высоких характеристик коррозионной стойкости и удельной прочности, титан и его сплавы обладают хорошей технологичностью (прокатываются, штампуются, свариваются). Исключительно важным свойством титановых сплавов является отсутствие хладноломкости, они могут работать при температурах от –250⁰С до 500 – 800⁰С. Это делает незаменимыми эти сплавы при работе в условиях Севера, а также в холодильной промышленности.

Титан и его сплавы не оказывают вредного воздействия на человеческий организм и пищевые продукты. Поэтому они широко используются в медицине и фармацевтической промышленности. При длительном хранении деликатесных продуктов (например, икры) в ёмкостях из титановых сплавов они сохраняются гораздо лучше, чем в ёмкостях из нержавеющей стали.

Титан активно взаимодействует с неметаллическими элементами (С, N, O, H). Из этих элементов наиболее опасен водород, т.к. он вызывает охрупчивание. Способность титана к активному взаимодействию с ними позволяет использовать его в качестве геттеров и различных фильтров.

Суммарное количество указанных примесей в титане может достигать 0,5% (в техническом), при суммарном содержании примесей в количестве ~ 0,3 % титан считается чистым и маркируется ВТ1 – 0. Прочность такого титана достигает 450 – 500 Мпа при d = 15 – 20 %.

Минздравом России для использования в пищевой промышленности, помимо чистого титана рекомендованы сплавы ВТ – 5 (Ti – 5 %Al), ВТ – 4 (Ti – 4 %Al – 1,5 %Mo), ВТ – 6 (Ti – 6 %Al – 5 %V), ОТ – 4 (2%Al – 1,2 %Mn), ВТ – 14 (Ti – 4,6 % - 1,2 %V – 2,5 – 3,5 %Mo). Все вышеперечисленные сплавы относятся к числу деформируемых. Они могут подвергаться термической обработке (закалка + старение). Температуры закалки обычно для (a + b) сплавов выбирают близкими к 900 – 950⁰С, старение проводят при 500 – 600⁰С.

Механические свойства указанных сплавов в зависимости от состава и термообработки меняются в диапазоне от 600-700 МПа до 1000-1150 МПа, при d от 40-20 % до 12-8 %, соответственно.

Наряду с деформируемыми, промышленностью используются и литейные сплавы. Состав их такой же как и у деформируемых, но в марке указывается буква Л (напр., ВТ5Л, ВТ4Л и др.).

Прочность литейных сплавов несколько ниже, чем деформируемых соответствующего состава, но главное у них более низкая ударная вязкость.

Как уже отмечалось, титан и его сплавы очень широко используются в различных отраслях пищевой промышленности. Они незаменимы в рыбоперерабатывающей промышленности из-за самой высокой коррозионной стойкости в морской воде. Применяются они для рыбонасосов, корзин, подвесок. Стальная подвеска работает 50 – 60 циклов, а титановая до 2500 циклов. В консервной промышленности (овощной, мясной), масло- и молокоперерабатывающей отраслях эти сплавы широко используются для различных смесителей, варочных котлов, резервуаров, работающих с острыми соусами и маринадами, в сахарной промышленности – для фильтров при очистке сахарных соков и сиропов. При этом трубы из нержавеющей стали работают в выпарных аппаратах 2 – 3 года, а из титановых сплавов до 20 лет.

Широко используют титановые сплавы в холодильной промышленности в виде различных ёмкостей для замораживателей, дефростеров, сепараторов и центрифуг, а также для различных дозаторов и порционников.

Сплавы на медной основе

Медь обладает высокой электро- и теплопроводностью (выше эти характеристики только у серебра), коррозионно устойчива во многих средах (спиртах, органических кислотах и др.), но плохо сопротивляется воздействию аммиака и щелочных растворов, а также хлоридов.

В продовольственном машиностроении технически чистую медь марки МЗ (99,5) используют для изготовления ёмкостей варочной аппаратуры, различных испарителей и трубчатых термообменников. Медь непригодна для оборудования по переработке молочных продуктов и жиров (прогоркание). В этих случаях требуется лужение медных изделий.

Медь является основой важнейших конструкционных материалов – латуней и бронз.

Латуни

Латунями называют сплавы меди, главным легирующим элементом в которых является цинк. В бинарных латунях содержание цинка меняется от 4-х до 45 %. При содержаниях ≤ 39 % латуни – однофазны, при больших – двухфазны (соответственно менее пластичны). При увеличении содержания Zn в однофазных латунях прочность растет (s_в от 200 до 400 МПа). При этом, с увеличением концентрации Zn до 30 %, пластичность d не только не падает, а наоборот, - растёт (d увеличивается от 30 до 60 %). При ещё больших концентрациях цинка d начинает снижается.

Тепло- и электропроводность латуней снижается с ростом концентрации в них цинка (при 39 % Zn эти характеристики составляют только 20 % от их значений в чистой меди).

Помимо бинарных латуней, выпускаются промышленностью и легированные латуни. Легирующими элементами являются Al, Si, Sn, Ni и др. Все эти элементы повышают стойкость латуней. Легирование алюминием, кроме того, повышает прочность латуней (s_в до 700 Мпа). Легирование латуней никелем улучшает их штампуемость, легирование кремнием повышает пластичность не только при комнатной температуре, но и при низких (до –183⁰С). Все латуни делятся на деформируемые и литейные.

Существует специальная система маркировки латуней. У бинарных деформируемых латуней маркировка начинается с буквы – Л (латунь), и затем идёт двузначная цифра, указывающая содержание меди в %. У легированных латуней после цифры, указывающей содержание меди, идут буквы, указывающие название легирующего элемента, и далее цифры (через чёрточку), отражающие концентрацию каждого из легирующих элементов. Al обозначают буквой – A, Ni – H, Sn – O, Pb – C, Si – K, Mn - Мц, Be – Б. Напр., Л63 означает бинарную латунь с сод. 63 % меди (цинк определяется по разнице от 100 %). Л070 – 1 – морская латунь, содержанием 70 % Cu, 1 % Sn, а ЛАЖМц66-3-2-1 – латунь, содержащая 66 % Cu, 3 % Al, 2 % Fe, 1 % Mn.

При маркировке литейных латуней двузначной цифрой указывают не содержание меди, а содержание цинка. Содержание легирующих указывается буквами, за которыми сразу же следует цифра, указывающая на их количество. Напр., ЛЦ40Мц3А2 означает, что это литейная латунь, содержащая 40 % Zn, 3 % Mn, 2 % Al.

В пищевой промышленности латуни Л63, Л68, Л070-1 используют для изготовления труб теплообменных аппаратов. Для труб, контактирующих с агрессивными пищевыми средами, используют латуни Л80, Л090-1, ЛК80-3, а для труб общего назначения – Л62, ЛС59-1 и др. При этом, в случае непосредственного контакта с пищевыми продуктами, использование латуни ЛС59-1 не допускается из-за вредного воздействия свинца. Наиболее широко в промышленности используют алюминиевые латуни (для различных валов, зубчатых колёс, втулок, мешалок и др. изделий, непосредственно контактирующих с пищевыми продуктами), а также кремнистые латуни (для изготовления различных пружин).

Бронзы

Бронзами называют сплавы со всеми элементами, кроме цинка, хотя в легированных бронзах цинк может использоваться в качестве легирующего элемента. Называются бронзы по основному легирующему элементу (алюминиевые, кремнистые, оловянистые, фосфористые и др.). Бронзы, как и латуни, делятся на деформируемые и литейные.

Для каждой из этих групп существует своя система маркировки. В деформируемых бронзах после букв Бр (бронза) следуют все буквы, обозначающие название легирующих элементов, а затем через черточки цифры, указывающие концентрации этих элементов. Напр., БрОФ-4-0,25 означает, что это – деформируемая бронза, с содержанием 4 %Sn и 0,25 %P. При маркировке литейных бронз, содержание каждого легирующего элемента ставится непосредственно после буквы, указывающей его название. Например, БрА10Ж4Н4 означает, что это литейная бронза, содержащая 10 % Al, 4 % Fe, 4 % Ni.

Наиболее широко в промышленности используются оловянистые и алюминиевые бронзы. Содержание легирующих элементов в них не превышает 10 – 12 %, так как при более высоких концентрациях бронзы становятся хрупкими. Прочность деформируемых бронз (s_в) в зависимости от их состава может меняться от 340 до 400 Мпа, при d = 40 – 65 %. Для литейных бронз s_в меняется от 150 до 250 Мпа, а d от 10 до 3 %.

Оловянистые бронзы достаточно дороги и для удешевления их легируют Zn, Ni, P, Pb. Эти элементы несколько повышают прочностные характеристики, но, главное, улучшают обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства. Фосфор повышает обрабатываемость резанием и жидкотекучесть в литейных бронзах, а также циклическую выносливость. Кремнистые бронзы с 3 % Si обладают высокими упругими свойствами и сопротивлением усталости. Алюминиевые бронзы сочетают высокие механические свойства с хорошей коррозионной стойкостью и антифрикционными характеристиками.

В продовольственном машиностроении 1-е место занимают оловянистые бронзы, потому что многие узлы оборудования изготавливают пайкой, а алюминиевые бронзы паяются плохо. Кроме того, при пайке припоями Sn-Pb имеется опасность попадания свинца в пищевые продукты. Требуется проводить лужение изделия, а это делает его более дорогим, чем при изготовлении из оловянистых бронз.

Для деталей теплообменных аппаратов, работающих под давлением при температурах до 500⁰С, в ответственных узлах применяются литейные бронзы БрА10Ж4Н4 (втулки, клапаны и др.). В качестве заменителей оловянистых бронз при изготовлении паропроводной аппаратуры, для различных валов, зубчатых колёс, мешалок, используют деформируемую бронзу БрАЖС-10-3-1,5. Оловянистые и алюминиевые бронзы используют также в качестве различных деталей смесителей при производстве пива.

В качестве пружинных материалов и при изготовлении различных мембран используются кремнистые бронзы БрКН-1-3 и БрКМц-3-1,5. Эти же бронзы используются и в качестве антифрикционных материалов, для изготовления трущихся деталей.

Как уже отмечалось ранее, применение бериллиевых бронз, обладающих наиболее высокими упругими свойствами, высокой циклической выносливостью в пищевом машиностроении не рекомендуется инструкциями Минздрава России из-за опасности отравления сырья и полуфабрикатов соединениями бериллия, характеризующимися высокой токсичностью.

Дата добавления: 2015-07-25