Прокатка листов и лент из титана и титановых сплавов

 Титановые листы производят как листовым, так и ленточным методами, на заводах США почти все размеры титановых листов — ленточным способом. При листовой прокатке для получения листов необходимой ширины и устранения анизотропии свойств применяют прокатку с кантовкой листа, то есть с изменением направления прокатки на 90°. Горячекатаные полосы разрезают на карты, которые подвергают дробеструйной очистке с целью удаления хрупкого поверхностного слоя титана, насыщенного кислородом, азотом и водородом. Глубокие местные дефекты, выявившиеся после этой обработки, удаляют ручной зачисткой бормашинками с абразивными кругами.

Горячая прокатка листов из титана и титановых сплавов проводится на реверсивных и полунепрерывных ленточных станах, применяемых для прокатки легированных и качественных сталей. Так, на заводе в г. Мидленд горячая прокатка осуществляется на двухклетевом реверсивном стане 1680 мм. В линии стана установлены реверсивная двухвалковая обжимная клеть типа слябинга с валками диам. 813x1750 мм с вертикальными валками диам.710х732 мм и манипуляторными линейками; гильотинные ножницы для обрезки концов слябов и полос; реверсивная четырехвалковая отделочная клеть для рулонной прокатки с валками диам. 685/1240x1680 мм, дву­мя моталками и двумя газовыми печами, установленными над моталкой; вспомогательное обору­дование в конце линии стана (свертыватель и кантователь рулонов, весы, гильотинные ножницы 1520 мм, правильные машины и дисковые ножницы). Параллельно с линией стана в соседнем пролете находится оборудование для зачистки слябов, плит и листов. Применение переднего и задне­го натяжения на стане горячей прокатки позволяет получать тонкую ленту с хорошим качеством.

Размеры серийно выпускаемых в США титановых листов — 610-1500 х до 6000 мм при мини­мальной толщине 0,2 мм, лент — 0,1-1,5 х 4,76-610 х 1500-6100 мм, плит — 9,5-150 х 1524-3000 х 3000-15200 мм.

Для ленточной прокатки титана применяют станы кварто 1270; 2000 мм; шестивалковые станы для прокатки лент шириной до 1245 мм; 12-валковые станы 914 мм (прокатка до толщины 0,38 мм); 20-валковые станы Сендзимир 800-1500 мм; 20-валковые станы с диаметром рабочего валка 21 мм (прокатка ленты титана шириной 75-200 мм с толщины 1,5 мм до 0,013 мм) и ряд других станов.

Минимальная толщина фольги, выпускаемой в США, составляет 3 мкм. Прокатка такой фольги проводится на небольших ленточных станах кварто (например, стан с валками диам. 47,5/203x203 мм для прокатки фольги толщиной до 50 мкм) и на 20-валковых станах. Применение рабочих валков малого диаметра позволяет достичь значительных степеней обжатия без промежуточного отжига. Жесткая конструкция 20-валковых станов позволяет получать фольгу с высокой точностью прокатки, в том числе фольгу толщиной 13 мкм с допуском +2,5 мкм при ширине фольги до 200 мм. Высокое качество проката обеспечивает также применение твердосплавных рабочих валков многовалковых прокатных станов.

Возможно получение титановой фольги с помощью химической технологии — глубоким травлением, однако при этом наблюдаются значительные отклонения размеров, несплошности, водородная хрупкость, качество поверхности невысокое. Сочетание механической и термической обработки (холодная прокатка с последующим отжигом) обеспечивает высокий уровень механических, геометрических и структурных характеристик, варьируемых в зависимости от предъявляемых требований. Таким методом получают также фольгу из композитного материала на базе алюминида титана и титановых сплавов.

Холодная прокатка титана и особенно титановых сплавов требует частых промежуточных отжигов при температуре 500-900°С.

Изделия из титана и титановых сплавов подвергают следующим видам термической обработки:

отпуску — для снятия напряжений, возникших в металле в результате обработки давлением;

отжигу — для полного смягчения нагартованного металла и получения максимальной степени пластичности в результате рекристаллизации;

закалке и старению — для заметного повышения прочности полуфабрикатов из титановых сплавов без большого снижения пластичности.

Обычно для термической обработки проката из титана и его сплавов используют печи, аналогичные печам для отжига стали с электрическим, газовым или мазутным нагревом. Чаще применяют печи с электрическим нагревом, так как в них легче устранить насыщение металла водородом. На многих заводах применяют вакуумные печи для отжига титановых изде­лий, особенно тонких листов и тонкостенных труб. При вакуумном отжиге из твердого раствора титана удаляется водород. Остаточное давление в вакуумных печах для отжига титанового проката составляет от 0,07 до 0,40 Па; в печах лабораторного типа разрежение — 0,013 Па.

Для промежуточного межоперционного отжига титановых листов также применяют проходные электропечи с роликовым подом. Они обеспечивают большую равномерность свойств по длине и ширине каждого листа и всех листов в партии и сокращают до минимума время пребывания металла в печи по сравнению с садочными печами. При этом на поверхности листов образуется очень тонкий и равномерный оксидный слой, легко удаляемый травлением после отжига. В таких печах возможен отжиг лент шириной 1,22 м и минимальной толщиной 0,25 мм.

Для закалки титановых изделий применяют вертикальные электрические или пламенные печи с окислительной атмосферой, точным температурным контролем и водяным закалочным баком, находящимся под печью, по типу печей, применяемых для закалки изделий из дюралюмина. Закалку листов титановых сплавов в США осуществляют в проходных электропечах с роликовым подом и охлаждающим устройством со стороны выхода. Листы проходят через печь в течение 3-5 мин, охлаждаются разбрызгиванием воды из сопл, расположенных сверху и снизу, и поступают в роликовую правильную машину для устранения коробления в свежезакаленном со­стоянии.

Для старения изделий из титановых сплавов в США применяют электрические или пламенные муфельные печи с искусственной циркуляцией воздуха. Температура старения — 480-580°С, при этом не требуется применение защитной атмосферы для предохранения титана от окисления.

Для очистки титановых листов и плит от поверхностных слоев, взаимодействовавших с атмосферными газами и имеющих повышенную хрупкость, применяют механические и химические способы. В качестве механических способов применяют обдувку дробью или частицами абразива (сухими или мокрыми). Дробеструйной очистке подвергают горячекатаные листы и плиты титана и его сплавов с грубой коркой оксидов на поверхности.

Поверхность горячекатаных листов и лент из титана и титановых сплавов перед холодной про­каткой в США очищают шлифованием на станках, имеющих бесконечную движущуюся матерчатую ленту, покрытую мелким абразивом (оксидом алюминия или карбидом кремния). Скорость движения шлифовальной ленты — 335-450 м/мин. На поверхность титановой ленты обильно по­дается смазка, что обеспечивает защиту титана от окисления.

После механической очистки, во время которой нарушается плотность оксидной корки, обычно проводится травление листов в кислотных растворах или в расплавленных щелочах. Наиболее широко применяется травление титановых полуфабрикатов в смеси азотной и плавиковой кислот. Оно используется для очистки и осветления поверхности титана, имеющего неболь­шой окисленный поверхностный слой, а также в качестве последней стадии очистки после меха­нического удаления оксидов или травления в расплавленных солях.

Для получения проката из титана и титановых сплавов с улучшенной смазывающей поверхностью и уменьшения поверхностного трения применяют обработку в водном растворе, содержащем фосфат цинка, при температуре 30-80°С, pH 1-5 и концентрации ионов цинка 5-20 г/л. При этом на поверхности получают покрытие из фосфата цинка, составляющее 2-20 г/м².

Для производства полос из чистого титана или сплава типа α+β с хорошим качеством поверхности и обладающих высокой свариваемостью и паяемостью применяют никелевое покрытие, которое наносят перед горячей прокаткой сляба, или холодной прокаткой горячекатаной полосы, или отжигом холоднокатаной. Такое покрытие предотвращает появление царапин на поверхности.

Сортовая прокатка. Сортовую прокатку титана и титановых сплавов проводят как на мелкосортных двухвалковых станах для прокатки стали, так и на специализированных станах для прокатки титана. На таких станах возможна прокатка прутков диам. от 6,4 до 127 мм и профилей простых сечений из титановых сплавов. На заводе в г. Уонерлвидд фирмы Imperial Metal Industries (Великобритания) семиклетевой сортопрокатный стан используют для прокатки прутков в основ­ном из сплавов с высокой ползучестью марок Ti 314С; Ti 314А; Ti 679 (комплексный сплав титана с оловом, алюминием, цирконием, молибденом и кремнием) и ЕХ 013-С (сплав титана с оловом, алюминием, молибденом кремнием).

В последнее время получили распространение сортопрокатные станы фирмы Danieli, США. На заводе в г. Монро (Северная Каролина) фирмы Teledyne Allvac на таком стане изготовляют круглые прутки из титановых сплавов диам. 21,7-102 мм (в бунтах — прутки диам. 5,5-35 мм), шестигранные, плоские сечением от 38x11 до 127x9 мм в отрезках длиной 7,6-18,3 м. В 1991 г. на заводе в г. Ричбург (шт. Южная Каролина) этой фирмы введен в эксплуатацию новый 16-клетевой мелкосортно-проволочный стан Даниэли, 12 клетей которого — нестационарные и могут быть вы­ведены из линии прокатки в зависимости от конечного размера продукции. Кованая круглая (диам. 144,8 мм) или квадратная (127x127 мм) со скругленным углами заготовка массой до 1,36 т по­ступает с завода в Монро. Заготовку нагревают в индукционной печи длиной 47,9 м и мощностью 12 МВт фирмы Ajax Magnethermic в среднем в течение 7 мин при температуре 870-1205°С. После  прокатки продукция подвергается (в зависимости от предъявляемых требований) охлаждению на воздухе, закалке в воду либо замедленному охлаждению. На стане выпускают круглые прутки диам. 12,7-101,6 мм; катанку диам. 12,7-69,8 мм и проволоку диам. 5,6-15,9 мм (в бунтах) из нелеги­рованного титана и титановых сплавов. Точность размеров в пределах ¹/2 - ¹/4 по стандарту ASTM, США. Все операции на стане полностью компьютеризованы и автоматизированы и выполняются с высокой степенью технологической гибкости. Информация по всей технологической цепочке выведена на пульт управления, которым управляет единственный оператор. Перевалка валков и замена клетей роботизированы. Весь персонал (численностью не более 15 человек) имеет высшее образование.