Титановые сплавы ВТ1-0, ОТ4, ВТ6: состав, аналоги Grade 2 и Grade 5, механообработка и сварка

Марки по ГОСТ 19807-91

ГОСТ 19807-91 устанавливает марки титана и деформируемых титановых сплавов для листов, прутков, труб, поковок и других полуфабрикатов. Основные элементы, % по массе (одно число — максимум):

Титан — основа. Алюминий в ВТ1-0 не нормируется как легирующий элемент, но по примечанию к таблице допускается до 0,70 %. Водород в таблице указан для слитков: для конкретного полуфабриката его задаёт свой стандарт.

• ВТ1-0 — нелегированный титан. Как и технический титан Grade 1–4 в описании ATI, он пластичен, хорошо сваривается и стоек к коррозии, но прочность у него умеренная.
• ОТ4 — сплав с алюминием и марганцем; его механические свойства задаёт стандарт на конкретный полуфабрикат.
• ВТ6 — сплав с алюминием и ванадием. По описанию ATI для аналога Ti-6Al-4V это двухфазный (α+β) сплав, самый распространённый из титановых; его применяют в отожжённом и в закалённом и состаренном состоянии.

Аналоги ASTM: Grade 2 и Grade 5

Листы, полосы и плиты в США нормирует ASTM B265, прутки — ASTM B348. Сравним пределы по ASTM B265 с ГОСТ 19807-91:

Пределы перекрываются, но не совпадают. Металл, который укладывается в оба стандарта, существует, однако марка по одному стандарту не гарантирует соответствия другому. ОТ4 легирован марганцем и не совпадает ни с Grade 2, ни с Grade 5 — замену ему подбирают по механическим свойствам.

Прочность и плотность

Минимальные механические свойства отожжённого листа по ASTM B265:

Для ВТ1-0 и ВТ6 свойства задают стандарты на конкретный полуфабрикат — лист, пруток, поковку; их смотрят в сертификате.

Плотность по данным производителей: технический титан Grade 1–4 — 4,51 г/см³ (ATI), TIMETAL 6-4 — 4,43 г/см³ (TIMET; ATI для своего Ti-6Al-4V даёт 4,47). По TIMET это 56 % плотности стали. Массу считают как для любого металла:

Пример: плита 500 × 300 × 10 мм, объём 0,0015 м³. Из сплава типа Ti-6Al-4V: 0,0015 · 4430 = 6,645 кг, около 6,6 кг. Из стали плотностью 7850 кг/м³: 0,0015 · 7850 = 11,775 кг, около 11,8 кг. Отношение 6,645 / 11,775 ≈ 0,56 — титановая деталь почти вдвое легче при той же форме.

Коррозионная стойкость — вторая причина выбирать титан. ATI указывает, что технический титан стоек в окисляющих хлоридных растворах, включая морскую воду, и в отбеливателях на основе хлора. Поэтому из него делают теплообменники на морской и загрязнённой воде, оборудование опреснения и химических производств.

Механообработка

Sandvik Coromant относит титановые сплавы к группе ISO S и оценивает их обрабатываемость как плохую — хуже, чем у обычных и нержавеющих сталей. Причины:

• низкая теплопроводность — тепло не уходит в заготовку и стружку;
• прочность сохраняется при нагреве — силы резания и температура на кромке высокие;
• тонкая, сильно сдвинутая стружка с узкой площадкой контакта на передней поверхности — тепло выделяется на малой площади у самой кромки;
• химическая активность — при слишком высокой скорости стружка реагирует с материалом инструмента, и пластина внезапно выкрашивается.

Рекомендации Sandvik Coromant — мелкозернистый твёрдый сплав, как правило без покрытия, и положительная, открытая геометрия с прочной кромкой. ATI советует для технического титана и Ti-6Al-4V практику, как для аустенитной нержавейки: низкие скорости, большие подачи, жёсткая оснастка и много СОЖ без хлора.

Конкретную скорость и подачу берут из каталога инструмента для группы ISO S и выбранной пластины, обороты и минутную подачу пересчитывают в калькуляторе режимов резания. Как читать обозначение пластины — в статье «Токарные пластины: маркировка ISO».

Сварка

Титан сваривается хорошо — при условии защиты. ATI для технического титана и Ti-6Al-4V требует исключить загрязнение кислородом, азотом и водородом: сварку плавлением ведут в камере с инертным газом или с инертной защитой сварочной ванны и прилегающей нагретой зоны, включая защиту остывающего шва сзади горелки. Точечную, шовную и стыковую сварку оплавлением выполняют без защитной атмосферы.

Загрязнение газами при сварке, ковке, термообработке или неправильном травлении снижает пластичность, повышает чувствительность к надрезам и ухудшает формуемость — это отдельно оговорено в листе данных ATI для Ti-6Al-4V.

Способы дуговой сварки и защитные газы — в статье «MIG/MAG, TIG, MMA».

Пожароопасность стружки и пыли

Что это значит для цеха:

• СОЖ при резании нужна ещё и затем, чтобы остужать стружку, — это прямо указано в том же паспорте.
• Мелкую стружку и пыль от шлифования не копят у станка: паспорт требует избегать их образования и накопления, а отходы утилизировать с учётом пожароопасности.
• Рядом со станком держат огнетушитель класса D или ящик сухого песка.

В заявке на изготовление титановой детали укажите марку и стандарт, допустим ли аналог по ASTM, требования к сварке и к контролю сварных швов — это влияет на выбор цеха и цену.