Источники титанового сырья и его использование

В природе известно 70 минералов в различных количествах содержащих титан. На сегодняшний день, промышленными источниками титанового сырья являются месторождения, содержащие ильменит, рутил, лейкоксен и, в последнее время, анатаз. Львиная (около 90%) часть ильменитовых, лейкоксеновых и рутиловых концентратов используются для производства диоксида титана. Из ильменитовых концентратов получают синтетический рутил и титановые шлаки, которые можно использовать как для производства губчатого титана, так и диоксида титана. На производство металлического титана используется 7-10% сырья. Природный рутил, кроме того, используется частично и для обмазки сварочных электродов. Значительные количества титана содержатся в титаномагнетите и его рудах, однако титаномагнетитовый концентрат преимущественно используется как источник железорудного сырья и выплавки природнолегированных сталей, а шлаки, образующиеся при его переработке и содержащие ванадий - для получения пентоксида ванадия.

Наиболее богатыми по содержанию диоксида титана являются рутиловые концентраты (93–96%), ильменитовые содержат 44–70% диоксида титана, а концентраты из лейкоксеновых руд содержат до 90% TiO 2 . Всего в мире выявлено более 300 месторождений титановых минералов, в т. ч. 70 магматических (69% мировых запасов), 10 в корах выветривания (около 10% запасов) и более 230 россыпных (20%). Мировые запасы титана содержатся в ильмените (более 82%), анатазе (менее 12%) и рутиле (6%). Россыпи получили наибольшее промышленное значение и являются наиболее вовлеченными в коммерческую эксплуатацию источниками рутилового сырья и примерно половины ильменитового. В настоящее время, в мире эксплуатируются два коренных месторождения ильменита в Канаде и Норвегии с содержанием диоксида титана соответственно 26 и 18%.

Запасы и ресурсы титана

Мировые запасы и база запасов титановых минералов на конец 2006г., по оценке Геологической службы США (вероятно, базируется на коммерческих запасах), характеризовались следующими данными (млн. тонн, по содержанию TiO2):

Тип сырья и страна	Ильменит
		База запасов		База запасов
Австралия*
Норвегия
Мозамбик
Бразилия
Сьерра-Леоне

*Наиболее крупными эксплуатируемыми месторождениями являются прибрежные россыпи, содержащие титан, цирконий и редкоземельные элементы, расположенные вдоль берегов Индии, Бангладеш, Шри-Ланки, Вьетнама, Австралии, Новой Зеландии.

**Большинство месторождений в Китае относятся к магматическим рудам и являются источником титана и железа.

Производство концентратов ильменита и рутила из титана

96% объемов производства ильменитового концентрата в 2005-2006гг. было сосредоточено в 10 странах, три из которых обеспечили около 70% мирового производства: это Австралия (45%), Норвегия (13%) и Украина (12%). В 2005г в мире было выпущено 4,8 млн. тонн, в пересчете на двуокись титана, ильменитового концентрата (включая рутил США). Австралия является также единственным крупным продуцентом лейкоксенового концентрата, выпуск которого составил 57 тыс. тонн.

Производство рутилового концентрата в 2005-2006гг. велось в шести странах, около 90% его произведено в трёх из них: Австралии (44%), ЮАР (30%) и Украине (15%). Всего в мире в 2005г. было выпущено 360 тыс. тонн рутилового концентрата, в пересчете на двуокись титана (без рутила США).

Продукты переработки титановых концентратов

Кроме ильменитового, рутилового, лейкоксенового и анатазового концентратов, коммерческими видами титановой продукции являются титановые шлаки, синтетический рутил, диоксид титана, губчатый титан, компактный (металлический) титан, полуфабрикаты из сплавов титана. Основными продуктами переработки ильменитовых и рутиловых концентратов являются титановые шлаки и диоксид титана (постепенно вытесняет прочие пигменты), который затем используется в лакокрасочной промышленности, производстве бумаги, пластмасс, резинотехнических изделий и пр. Производство диоксида титана осуществляется двумя способами: сульфатным, основанным на разложении ильменитовых концентратов, содержащих 45-56% TiO2, или титановых шлаков с содержанием 75-80% TiO2 серной кислотой с последующим переводом сульфатов титана в диоксид. Хлоридный, более экономичный, способ заключается в хлорировании природных рутиловых концентратов, синтетического рутила или титановых шлаков с содержанием TiO2 равным и большим 85%, а также специальных шлаков, прошедших дополнительную обработку и содержащих более 92% TiO2, и получении тетрахлорида титана с последующим его окислением в диоксид титана.

Металлический титан производится из рутиловых концентратов, синтетического рутила и титановых шлаков, иногда из технического диоксида титана, полученного сульфатным способом. Из этого сырья хлорированием получают тетрахлорид титана, который подвергают магние - или натриетермическому восстановлению до металлического титана в виде губки (процесс происходит при температуре 750-850 (C), значительно ниже температуры плавления титана (1668 (C)). Компактный (металлический) титан получают дуговой вакуумной плавкой титановой губки. Металлический титан находит все большее применение как конструкционный материал в авиа -, ракето -, кораблестроении и других отраслях машиностроения, благодаря своим свойствам: легкости, тугоплавкости, ковкости, вязкости, коррозионностойкости. В последние годы сфера применения расширяется: из титановых сплавов производятся профессиональное спортивное снаряжение, медицинское оборудование и пр.

Титановые рынки

Региональные рынки конечного применения титана весьма различаются - наиболее ярким примером своеобразия является Япония, где на гражданский авиакосмический сектор приходится всего 2-3% при использовании 30% от общего потребления титана в оборудовании и конструкционных элементах химических заводов. Примерно 20% от общего спроса в Японии приходится на атомнуюэнергетику и на электростанции на твёрдом топливе, остальная доля приходится на архитектуру, медицину и спорт. Противоположная картина наблюдается в США и Европе, где исключительно большое значение имеет потребление в аэрокосмическом секторе - 60-75% и 50-60% для каждого региона соответственно. В США традиционно сильными конечными рынками являются химическая промышленность, медицинское оборудование, промышленное оборудование, в то время как в Европе наибольшая доля приходится на нефтегазовую промышленность и строительную промышленность.Сильная зависимость от аэрокосмической отрасли была давним предметом беспокойства титановой промышленности, которая пытается расширить области применения титана, что особенно актуально в условиях текущего спада в гражданской авиации в мировом масштабе.По данным Геологической службы США в первом квартале 2003 года произошёл значительный спад импорта титановой губки - всего лишь 1319 тонн, что на 62% меньше 3431 тонн за аналогичный период 2002 года.

Российский производитель титана ВСМПО-АВИСМА

1 июля1933 года в Подмосковье был пущен завод № 45. С этого дня начинается отсчет истории Верхнесалдинского металлургического производственного объединения (ВСМПО). Предприятие должно было стать основным поставщиком полуфабрикатов из алюминия и его сплавов для зарождавшегося советского самолетостроения. Это была главная задача. Но кроме этого заводу отводилась роль научной базы, где разрабатывались новые сплавы. Например, для изготовления силовых элементов скоростного бомбардировщика АНТ-40 был создан сплав повышенной прочности М-95. А в 1935 году освоены ковкие алюминиевые сплавы АК 5 и АК 6.

Великая Отечественная война резко нарушила привычный ритм работы. В октябре 1941 года Государственный комитет обороны СССР постановил полностью эвакуировать завод в Свердловскую область, в город Верхняя Салда. В тех же цехах бывшей верхнесалдинской «Стальконструкции» разместился завод № 519 Наркомата цветной металлургии, оборудование которого прибыло из Кольчугино и с двух ленинградских предприятий. Новаторские традиции подмосковных алюминщиков были перенесены на уральскую землю. Уже в декабре 1941-го, буквально полтора месяца спустя после постановления об эвакуации, завод выдал первую продукцию на новом месте.

Весной 1942 года производство алюминиевых деталей уже вышло на довоенный уровень, а в 1943 году проектная мощность предприятия была перекрыта в 6 раз! Потребности советского авиастроения были удовлетворены полностью. Помимо этого производимые в Верхней Салде полуфабрикаты широко использовались в судо- и танкостроении, производстве боеприпасов и вооружения.

Стремительное развитие передовых технологий в послевоенный период потребовало применения новых материалов. Решением Совета министров СССР от 21 июня 1956 года заводу была поставлена историческая задача: начать крупносерийное производство слитков и полуфабрикатов из титановых сплавов. В феврале 1957 года из заводских печей вышел первый титановый слиток диаметром 100 мм и весом 4 кг. Этот небольшой металлический цилиндр стал первой ступенькой к восхождению будущего ВСМПО-АВИСМА на мировой титановый Олимп. Мы стали вторыми в мире, сумевшими начать производство «космического металла». США опередили нас на 9 лет. Но с этого исторического момента начала отсчет новая эра производства ВСМПО – титановая.

Генеральный директор корпорации ВСМПО-АВИСМА Владислав Тетюхин, участник первой титановой плавки на заводе, отмечает: «Говоря о начале промышленного освоения производства титана, мы отдаем дань уважения и признательности первопроходцам и основателям высокотехнологичной отрасли нашей страны, которая сегодня позволяет вести на равных диалог с руководителями самых представительных фирм и компаний в области мирового самолетостроения. Более того, они протягивают нам руку сотрудничества и готовы к совместному продвижению вперед самых грандиозных проектов».

В маленьком уральском городке Верхняя Салда должно было производиться порядка 80% всего титанового проката Советского Союза. Такое решение приняло Министерство авиапромышленности СССР.

Предприятие стало одним из крупнейших в мире производителей слитков и большинства видов проката из титановых сплавов. Все авиакосмические проекты в нашей стране проходили с его участием. До 75% титановой продукции и до 95% изделий из алюминиевых сплавов направлялись для авиационно-космического комплекса и оборонных отраслей промышленности.

Объединение в содружестве со специалистами ВИЛСа, ВИАМа, с КБ самолетостроительных и двигателестроительных заводов создавало изделия для критических узлов всех отечественных авиадвигателей, а также для планеров и шасси самолетов и вертолетов: ИЛ-76, ИЛ-86, ИЛ-114, Ту-204, Ту-160, АН-124 («Руслан»), АН-225 («Мрия»), АН-22 («Антей»), Су-27, МиГ-29, Ми-26, ИЛ-96-300, АН-70, МиГ-31 и других. ВСМПО участвовало в научно-технических разработках стыковочного узла космического комплекса «Союз-Аполлон», в корабле многоразового использования «Буран», в ракетоносителе «Энергия».

В 1982 году предприятие стало называться ВСМПО – Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение. Продолжает развиваться титановое производство, поставившее в конце восьмидесятых абсолютный мировой рекорд ежегодного производства слитков – свыше 100 тыс. тонн.

ВСМПО производит изделия и детали для авиаракетостроения и для оборонной промышленности, это предприятие использует титановую губку высокого качества и к продукции ОАО «АВИСМА» предъявляет соответствующие требования. Однако на мировом рынке «продвинутого» титанового передела продукция ВСМПО пока практически неконкурентоспособна, так что объединению, по сути, приходится ограничиваться поставками полуфабрикатов. Металлургические же предприятия используют в своём производстве губчатый титан низших марок. Отношения «Ависмы» и ВСМПО осложняются желанием верхнесалдинцев, как основных владельцев березниковского предприятия, покупать губку по фиксированнму курсу доллара, на много меньше установленного ЦБ РФ.

В США самыми крупными потребителями российской губки являются компании RMI Titanium, которая в недавнем прошлом оставила своё производство губчатого титана из-за экологической вредности производства, Axel Johnson, Wyman-Gordon, Titanium Heart Technologies. Американские потребители титановой губки составляют 30% от мировых потребителей губчатого титана. Если в 1996 году мировой лидер самолётостроения, американская компания Boeing, выпустила 220 самолётов, то в 1997 году - 340, а в 1998 году планирует довести производство до 43 лайнеров в месяц. Причём, если на самолёте Boeing 747 масса деталей и узлов из титановых сплавов составляет около 4,5 тонны, то на новейшей 777-й модели, по некоторым оценкам, от 40 до 45 тонн! Предполагается, что потребности в титане одной только корпорации Boeing в 1998 году достигнут 12 тыс. тонн. Растет потребление титана и в такой экзотической сфере применения, как изготовление клюшек для гольфа. В 1996 году на долю гольф-клубов приходилось 11% общего объёма потребления металлического титана в США.

ПРОИЗВОДСТВО ТИТАНА

Титан получают магниетермическим способом. Производство титана включает обогащение титановых руд, выплавку из них титанового шлака с последующим получением из него четыреххлористого титана и восстановление из последнего металлического титана магнием.

Основные этапы производства титана из ильменитовой руды приведены на упрощенной технологической схеме рис. 2.19.

Рис. 2.19. Схема магниетермического способа получения титана

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40 ... 45 % ТЮ 2 , ∼30 % FeO, 20 % Fe 2 O 3 и 5 ... 7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeO · TiO 2 .

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса - титановый шлак - содержит 80 ... 90 % ТiO 2 , 2 ... 5 % FeO и примеси SiO 2 , A1 2 O 3 , СаО и др. Побочный продукт этого процесса - чугун - используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи - хлор. При температуре 800 ... 1250 °С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды СаС1 2 , MgCl 2 и др.:

ТiO2 + 2С + 2С1 2 = TiCl 4 + 2CO.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950 ... 1000 °С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция

2Mg + TiCl 2 = Ti + 2MgCl 2 .

Твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку, а жидкий MgCl 2 выпускают через летку реактора. Титановая губка содержит 35 ... 40 % магния и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900 ... 950 °С в вакууме.

Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава (см. с. 50). Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6 ... 99,7 %. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите исходные материалы для производства чугуна, стали, цветных металлов.

2. Назовите основные операции подготовки руд к плавке.

3. Назовите основные металлургические процессы доменного производства.

4. Возможно ли удаление серы и фосфора при выплавке чугуна в домнах?

5. Сформулируйте принципиальную сущность процессов при получении стали из чугуна.

6. Назовите этапы плавки стали и основные процессы в каждом из них.

7. На каком из этапов выплавки стали производят легирование?

8. Назовите этапы процессов плавки в основных мартеновских печах, в конвертерах, в электропечах.

9. Вспомните основные различия в качестве сталей, выплавленных в конвертерах, мартеновских печах, в электропечах - дуговых и индукционных.

10. Назовите способы разливки стали; определите их преимущества и недостатки.

11. Назовите основные отличия в кристаллизации и в строении слитков спокойной, кипящей и полуспокойной стали.

12. Назовите принципиальную сущность и назначение основных способов повышения качества выплавляемой стали.

13. Перечислите основные способы и исходные материалы, используемые при производстве меди, алюминия, магния, титана.

Спрос на диоксид титана - важный продукт для лакокрасочной промышленности, производства пластмасс и бумаги - на российском рынке составляет 67-82 тыс. т/год, в то время как собственное производство диоксида титана до 2014 г. в России отсутствовало.

Диоксид титана, незаменимый пигмент в лакокрасочной, полимерной, целлюлозно-бумажной и других отраслях, представляет собой порошок белого цвета без запаха и вкуса, практически не растворимый в воде и минеральных кислотах (кроме плавиковой и концентрированной серной кислот).

Диоксид титана производится в двух формах: рутильной и анатазной (октаэдрит). Рутильный диоксид титана примерно на 30% лучше рассеивает свет, чем анатазный, обладает лучшей укрывистостью (укрывистость - способность диоксида титана перекрывать цвет окрашиваемой поверхности). Анатазная форма является менее атмосферостойкой, чем рутильная, и хуже защищает от УФ-воздействия. Рутильный диоксид титана предпочтительнее при производстве лакокрасочных материалов, пластмасс, косметики. Анатазные пигменты находят свое применение при выпуске бумаги, резины и мыла. Традиционно подавляющая часть всего диоксида титана применяется в производстве лакокрасочных материалов. При этом основной функцией диоксида титана в лакокрасочной промышленности является придание краскам белого цвета, яркости, а также улучшение укрывистости, защита покрытий от вредных ультрафиолетовых лучей, предотвращение старения пленки и пожелтения покрашенных поверхностей.

Исходным сырьем для производства диоксида титана является титансодержащий ильменитовый концентрат (FeTiO 3) - продукция горно-обогатительных предприятий. Ильменит - это руда, которая с химической точки зрения представляет собой смесь оксидов, большую часть из которых составляют оксиды титана и железа.

Существует два промышленных способа получения диоксида титана (рутильной и анатазной модификаций):

1. Сульфатный, или сернокислотный (из титансодержащего концентрата ).

Метод основан на обработке ильменитового концентрата серной кислотой с последующими выделением и гидролизом титанилсульфата с прокаливанием продукта гидролиза титанилсульфата (метатитановая к-та) до диоксида титана. Побочный продукт сульфатной технологии производства диоксида титана - железный купорос. Сульфатный способ был внедрен в промышленность в 1931 г. для производства анатазной формы диоксида титана, и позже, в 1941 г., рутильной формы.

2. Хлорный, или хлоридный (из тетрахлорида титана ).

Хлорный способ был изобретен компанией DuPont в 1950 г. для производства рутильного диоксида титана. Этот способ включает в себя высокотемпературные фазовые реакции. Титансодержащая руда вступает в реакцию с хлорным газом при пониженном давлении, в результате чего образуется тетрахлорид титана (TiCl 4) и примеси хлоридов металлов, которые затем удаляются. Высокочистый тетрахлорид титана (TiCl 4) подвергается окислению под действием высокой температуры для получения диоксида титана с высокой яркостью.

Мировые мощности по производству диоксида титана хлорным способом превышают мощности сульфатного способа и продолжают расти.

Сульфатная технология проще хлоридной и позволяет использовать более бедные и дешевые руды, но она обычно сопряжена с большими издержками производства.

Учитывая особенности обоих процессов, основными критериями выбора между ними являются возможность обеспечения производства сырьем соответствующего качества и проблемы, связанные с экологией. Сульфатный способ характеризуется наиболее высокими показателями загрязнения окружающей среды.

Общие мировые мощности по производству пигментного диоксида титана оцениваются примерно в 7,2 млн. т, причем около 85-90% приходится на рутильную форму и примерно 10-15% - на анатазную.

Рис. 1. Сферы потребления диоксида титана

Страна, обладающая самым большим производственным потенциалом по диоксиду титана, - Китай (около 3 млн. т/год). Крупнейшими в мире его производителями являются следующие компании: DuPont Titaniun Technologies (США), National Titanium Dioxide Co., Ltd. Cristal (Саудовская Аравия), Huntsman Pigments (США), Tronox, Inc. (США), Kronos Worldwide, Inc. (США), Sachtleben Chemie GmbH (Германия; 100% акций принадлежат Rockwood Holding), Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd. (Япония).

Как упоминалось выше, основные потребляющие диоксид титана отрасли в мире - это лакокрасочная промышленность, производство пластмасс и бумаги (рис. 1). Большую часть в мировом потреблении диоксида титана занимает Китай. На втором и на третьем местах - Западная Европа и США соответственно.

Рис. 2. Структура потребления диоксида титана на российском рынке в 2015 г

Как следует из представленной на рис.2 структуры потребления диоксида титана на российском рынке, почти 95,1% этого продукта, поступающего на отечественный рынок, потребляется лакокрасочной отраслью. При этом больше всего (55,8%) диоксида титана используется в изготовлении красок водоэмульсионных и водно-дисперсионных, 31,3% потребляется на производство ЛКМ неводных, а 8,0% диоксида титана идет на прочие ЛКМ.

Спрос на диоксид титана на российском рынке за последние шесть лет колебался в пределах 67,2-82,9 тыс. т/год и до 2014 г. удовлетворялся исключительно за счет импорта.

Собственное производство диоксида титана до 2014 г. в России отсутствовало. Рассматривая ретроспективу, необходимо отметить, что до 2009 г. в ОАО «Соликамский магниевый завод» (г. Соликамск, Пермская обл.) диоксид титана производился в промышленных масштабах, но с 2009 г. после запуска производства титановой губки производство пигмента прекращено.

Рис. 3. Импорт диоксида титана в Россию в 2010-2015 гг., тыс. т

Небольшой объем диоксида титана до 2010 г. выпускался в ныне несуществующем Волгоградском ОАО «Химпром».

С середины 2014 г. на территории Российской Федерации диоксид титана производится в Армянском филиале ООО «Титановые инвестиции», зарегистрированного в Москве. В свою очередь, ЧАО «Юкрейниан Кемикал Продактс» (бывшее ЧАО «Крымский Титан»), зарегистрированное в Киеве, остается украинским предприятием, сдающим в долгосрочную аренду свой имущественный комплекс ООО «Титановые инвестиции». Такая комбинация позволила предприятию обеспечить бесперебойные поставки сырья, ввозимого из Украины, и сохранить европейские рынки сбыта, несмотря на санкции в отношении Крыма.

Рис. 4. Структура импорта диоксида титана в Россию в 2014 г. (по странам происхождения), тыс. т

Объем выпуска диоксида титана в Армянском филиале ООО «Титановые инвестиции» в июле-декабре 2014 г. составил 47,732 тыс. т, а в 2015 г. - 77,796 тыс. т.

Тем не менее уровень импорта в 2014 и 2015 гг. оставался высоким и составлял 80,3 и 67,6 тыс. т соответственно.

В 2014 г. более 30% российского рынка занимала Украина, представленная предприятиями ПАО «Сумыхимпром» (Украина, г. Сумы) и ЧАО «Крымский титан» (ныне ЧАО «Юкрейниан Кемикал Продактс», Республика Крым, г. Армянск). Более 18% поставок пришлось на США, представленные в основном компанией DuPont.

Рис. 5. Структура импорта диоксида титана в Россию в 2015 г. (по странам происхождения), тыс. т

В 2015 г. структура импорта несколько изменилась. Импорт диоксида титана из Украины возрос до 28,0 тыс. т и составил 41,4% всего импорта продукта в Россию.

Ввоз товара из Соединенных Штатов, напротив, снизился и составил 9,1 тыс. т (13,4% всего импорта).

Экспорт диоксида титана из России в 2010-2014 гг. осуществлялся почти полностью в страны Таможенного союза, был низким и составлял 0,1-0,4 тыс. т.

Рис. 6. Структура экспорта диоксида титана в Россию в 2015 г. (по странам происхождения), тыс. т

В 2015 г. в данной сфере внешнеторговой деятельности наблюдалась интересная картина: экспорт диоксида титана из России составил 74,56 тыс. т, причем 88,1% экспортируемого товара пришлось на Украину (рис. 6).

Таблица 1. Средние импортные цены на диоксид титана в 2014-2015 гг. (по странам происхождения, без НДС), долл./т

Страна-импортер	2014 г.	2015 г.
Германия
Финляндия
Великобритания
Саудовская Аравия

В 2014-2015 гг. американский диоксид титана, производимый хлоридным методом, соответствующий высоким техническим показателям и сравнительно невысокой ценой, был наиболее конкурентоспособен на российском рынке, о чем говорит значительная величина его продаж на российском рынке, несмотря на географическую отдаленность поставщиков от потребителей. Продукция ООО «Титановые инвестиции» и украинского ПАО «Сумыхимпром», несмотря на то, то производится сульфатным методом, также обладает хорошими техническими характеристиками и, пожалуй, самым оптимальным соотношением цена/качество для российского потребителя (табл. 1).

Ниже приведены характеристики диоксида титана производства некоторых компаний, ввозящих в Россию свою продукцию (табл. 2-5).

Таблица 2. Качественные характеристики диоксида титана ПАО «Сумыхимпром»

Показатель	SumTitan	SumTitan	SumTitan	SumTitan
Не менее
Массовая доля рутильной формы,%, не менее
Массовая доля веществ, растворимых в воде, %, не более
pH водной суспензии
Маслоемкость, г/100 пигмента, не более

Таблица 3. Качественные характеристики диоксида титана ООО «Титановые инвестиции»

Показатель
Массовая доля рутильной формы, %, не менее
Массовая доля летучих веществ, %, не более
Массовая доля водорастворимых веществ, %, не более
pH водной суспензии
Остаток на сите с сеткой 0045,%, не более
Разбеливающая способность, условные единицы, не менее
Укрывистость, г/м 2 , не более
Диспергируемость, мкм, не более
Белизна, условные единицы, не менее

Таблица 4. Качественные характеристики марок диоксида титана американской компании DuPont

Показатель	R-706 (для водных систем)
Структурная модификация	Рутильная	Рутильная	Рутильная	Рутильная
Массовая доля диоксида титана, %,
Массовая доля алюминия,%
Массовая доля аморфного диоксида кремния,%
Удельный вес, г/см 3
Насыпной объем, л/кг
Белизна, условные единицы
pH водной суспензии
Средний размер частицы, мкм
Маслоемкость, г/100 г пигмента, не более
Сопротивление при 30ºC (кОм)

Таблица 5. Качественные характеристики марок диоксида титана финской компании Sachtleben Pigments OY , предназначенных для применения в производстве ЛКМ

Показатель	Sachtleben RD3	Sachtleben R660	Sachtleben R-FD-I	Sachtleben 8700
Структурная модификация	Рутильная	Рутильная	Рутильная	Рутильно-анатазная, содержа-ние рутильной формы - min / 60%
Массовая доля диоксида титана, %,
Дополнительные компоненты	Al 2 O 3 , ZrO 3	Al 2 O 3 , ZrO 3
Удельный вес, г/см 3
Насыпная плотность, кг/м 3
Насыпная плотность утрамбованного продукта, кг/м 3
pH водной суспензии
Остаток на сите с сеткой 0,0044, %, не более
Средний размер частиц, мкм
Относительная разбеливающая способность, не менее
Маслоемкость (г/100 г пигмента)
Поверхностная обработка органическими веществами

Как видно из приведенных в табл. 2-5 данных, продукция ООО «Титановые инвестиции» незначительно уступает в качестве американской и европейской продукции, причем стоит существенно дешевле ее.

Учитывая интенсивное развитие лакокрасочной и полимерной промышленности, можно оценить, что к 2030 г. потребность в диоксиде титана на российском рынке будет достигать 220-260 тыс. т.

Из данного предположения следует, что существует необходимость создания и наращивания в России производственного потенциала по диоксиду титана.

Россия обладает хорошей сырьевой базой титансодержащего сырья в Республике Коми, в Читинской, Мурманской, Челябинской, Амурской, Тамбовской, Томской, Нижегородской, Омской, Тюменской областях, в Красноярском и Ставропольском краях. Наличие такой сырьевой базы позволяет организовать производство диоксида титана как сульфатным, так и хлоридным способом. Пока основным фактором, сдерживающим организацию этого производства, являются относительно низкие цены на диоксид титана и сравнительно невысокая рентабельность производства.

Рис. 7. Основные титановые месторождения в РФ

Крупнейшими месторождениями являются Ярегское (Республика Коми), Чинейское, Кручининское (Читинская обл.), Медведевское (Челябинская обл.) и Центральное (Тамбовская обл.) и др. (рис. 7). Необходимо отметить, что, помимо разведанных балансовых запасов титансодержащего сырья, Россия располагает огромными прогнозными ресурсами.

Поскольку потребность в диоксиде титана в России очень велика и отнюдь не полностью покрывается за счет внутреннего производства, а существующие на территории РФ технологии производства данного продукта являются далеко не совершенными, производство диоксида титана является интереснейшей сферой для научно-технических разработок и внедрения инноваций.

Так, в Томском политехническом университете (ТПУ) была разработана экономичная и экологичная технология производства диоксида титана, которая подразумевает применение в качестве основного реагента фторида аммония, более безопасного, чем серная кислота. Кроме того, данный реагент может использоваться повторно, что приводит к минимизации стоков. Новая технология способствует снижению до небольших объемов (от 20 тыс. т) пределов рентабельности, позволяя создать сеть небольших производств и, таким образом, снижая логистические расходы. Минусом фторидной технологии является лишь то, что в данном случае получает более грубодисперсный порошок пигмента, чем хлорным методом. Запуск производства мощностью 100 тыс. т/год оценивается разработчиками из Томского политехнического университета в 1,5 млрд. руб., тогда как по оценкам специалистов компании Kronos Worldwide Inc. на создание производства мощностью 150 тыс. т/год с использованием хлоридной технологии требуется не менее 1 млрд. долл. Срок создания производства по новой технологии оценивается специалистами из ТПУ в один-два года.

В октябре 2015 г. государственная корпорация «Росатом» одобрила проект АО «Сибирский химический комбинат» (АО «СХК») по созданию производства диоксида титана по фторидной технологии мощностью 20 тыс. т/год. Было решено выделить на изготовление первой партии продукции и маркетинговые исследования 3,6 млн. руб. После того как качество первых образцов продукции, произведенной в ТПУ по заказу АО «СХК», было одобрено на нескольких заводах-потребителях, руководство АО «Сибирский химический комбинат» заявило, что в 2017 г. запустит опытно-промышленное производство объемом 5 тыс. т/год, а в 2019 г. - промышленное - на 20 тыс. т/год. Развернется производство на площадках АО «СХК».

Кроме планируемого создания нового производства в Томской области, новшества и вводы готовятся и в Крымском федеральном округе: в частности, ООО «Титановые инвестиции» к 2018 г. намечает расширение мощностей по производству диоксида титана на 19 тыс. т (до 120 тыс. т/год).

Таким образом, есть надежда, что к 2018-2019 гг. в России суммарные мощности по производству диоксида титана достигнут 140 тыс. т/год, однако будет ли на него спрос на российском рынке полностью удовлетворен за счет внутреннего производства, учитывая что ООО «Титановые инвестиции» является экспортоориентированным предприятием, остается серьезным вопросом.

Титан как элемент открыт в 1791 г. Его промышлен­ное производство началось в 50-х годах XX века и по­лучило быстрое развитие. Титановые сплавы имеют на­иболее высокую удельную прочность среди всех метал­лических материалов, а также высокую жаропрочность и коррозионную стойкость и находят все более широ­кое применение в авиационной технике, химическом машиностроении и других областях техники. Титан ис­пользуют для легирования сталей. Двуокись титана TiO 2 используют для производства титановых белил и эмалей; карбид титана TiC - для особо твердых инст­рументальных сплавов.

Титан по распространению в природе занимает чет­вертое место среди металлов и входит в состав более чем 70 минералов. К основным промышленным титаносодержащим минералам относятся рутил (более 90% ТiO 2) и ильменит TiO 2 -FeO (60%TiO 2). Ильменит вхо­дит в состав титаномагнетитов - его смеси с магнит­ным железняком; они содержат до 20% ТiO 2 . К пер­спективным рудам относятся сфен CaO-SiO 2 -TiO2 (32-42% TiO 2) и перовскит СаО- TiO (60% ТiO 2).

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40 ... 45 % ТiO 2 , -30 % FеО, 20 % Fе 2 О 3 и 5 ... 7 % пустой породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FеО-ТiO 2 .

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак - разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса - титановый шлак - содержит 80 ... 90 % ТiO 2 , 2 ... 5 % FеО и примеси SiO 2 , А1 2 О 3 , СаО и др. Побочный продукт этого процесса - чугун - используют в металлургическом производстве.

Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропус-кании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи - хлор. При температуре 800 ... 1250 °С в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды СаС1 2> МgС1 2 и др.:

ТiO 2 + 2С + 2С1 2 = ТiСl + 2СО.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальиых установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при температуре 950 ... 1000 °С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция

ТiС1 2 = Тi + 2МgС1 2 .

Производство титана является технически сложным процессом. Двуокись титана TiO 2 - химически прочное соединение. Металлический титан (t ПЛ = 1725 °С), обла­дает большой активностью. Он бурно реагирует с азотом при температуре 500-600 °С и кислородом возду­ха при 1200-1300 °С, поглощает водород, взаимодейст­вует с углеродом и т. д. Наиболее широкое распростра­нение получил магниетермический способ, осуществля­емый по следующей технологической схеме: титановая руда ® обогащение ® плавка на титановый шлак ® получение четыреххлористого титана TiCl 4 ® восстановление титана магнием.

Обогащение титановых руд. Титаномагнетиты и другие бедные руды обогащают электромагнитным и другими способами, получая концентрат, содержащий до 50 % TiO 2 и около 35 % Fe 2 O 3 и FeO.

Плавку на титановый шлак проводят в электродуго­вой печи. Шихтой служат прессованные брикеты, со­стоящие из мелкоизмельченного концентрата, антрацита или угля и связующего (сульфитный щелок). В ре­зультате плавки получают богатый титановый шлак, со­держащий до 80 % TiO 2 . Побочным продуктом является чугун, содержащий до 0,5 % Ti. Измельченный шлак подвергают магнитной сепарации (для удаления желе­зосодержащих частиц), смешивают с мелким нефтяным коксом и связующим и спрессовывают в брикеты. После обжига при 700-800 °С брикеты направляют на хлори­рование.

Получение четыреххлористого титана TiCl 4 в гер­метизированных электрических печах представлено на рис. 2.9.

Нижнюю часть печи заполняют угольной (гра­фитовой) насадкой, которая служит электрическим со­противлением и нагревается при пропускании электри­ческого тока. В реакционной зоне печи выше уровня угольной насадки развивается температура 800…850 °С. При хлорировании образуется четыреххлористый титан по реакции TiO 2 +2C-T2Cl 2 =TiCl 4 +2CO. Пары четы­реххлористого титана находятся в паро-газовой смеси, содержащей SiCl 4 и другие хлориды; СО, С1 2 и другие газы.

Ее очищают от твердых частиц и охлаждают в кон­денсаторах, в результате чего получают жидкий четыреххлористый титан. Для более полной очистки от твердых частиц конденсат отстаивают и фильтруют.

Четыреххлористый титан отделя­ют от других хлоридов путем ректификации конденсата, основанной на различии температур кипения различных хлоридов. Жид­кий четыреххлористый титан направляют на восстановление.

В настоящее время для получения четыреххлористого титана начинают применять другие спо­собы хлорирования: в хлоратоpax непрерывного действия, в солевом расплаве; перспективным является хлорирование в кипя­щем слое.

Восстановление титана маг­нием из TiCl 4 проводят в герметичных реакторах (ретортах) из нержавеющей стали, установленных в электрических печах сопро­тивления. После установки в печь из реторты откачивают воздух и заполняют ее очищенным арго­ном; после нагрева до температу­ры 700° С заливают расплавлен­ный магний и начинают подачу жидкого TiCl 4 . Титан восстанав­ливается магнием по реакции TiCl 4 +2Mg=Ti+2MgCl 2 . Эта реакция сопровождается выделе­нием большого количества тепла и в реакторе поддерживается не­обходимая температура 800…900 °С без дополнительно­го нагрева за счет регулирования скорости подачи TiCl 4 . Частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу (титановая губка), пропитанную магнием и хлористым магнием. Расплав хлористого магния периодиче­ски удаляют через патрубок в дне реактора. В промыш­ленных реакторах (емкостью до 2 т) получают титано­вую губку, содержащую до 60% Ti, 30 °/o Mg и 10 % MgCl 2.

Рафинирование титановой губки производят мето­дом вакуумной дистилляции. Крышку охладившейся ре­торты снимают и вместо нее устанавливают водоохлаждаемый конденсатор; затем реторту снова устанавли­вают в печь. Дистилляция проводится при 950…1000 °С и вакууме около 10 -3 мм рт. ст. Примеси титановой губ­ки Mg и MgCl 2 расплавляются, частично испаряются и затем выделяются в конденсаторах. Получаемый обо­ротный магний возвращается в производство, MgCl 2 используют для производства магния.

Получение титановых слитков . Титановые слитки получают переплавкой титановой губки в вакуумных электрических дуговых печах. Расходуемый электрод изготавливают прессованием из измельченной титано­вой губки. Электрическая дуга горит между расходуе­мым электродом и ванной расплавленного металла, по­степенно заполняющего изложницу, затвердевающего и образующего слиток.

Наличие вакуума предохраняет металл от окисле­ния и способствует его очистке от поглощенных газов и примесей.

Для получения слитков может быть использована дробленая титановая губка, загружаемая в печь доза­тором. В этом случае дуга горит между расплавленным металлом и графитовым электродом, поднимаемым по мере заполнения изложницы металлом.

Для обеспечения высокого качества слитков плавку повторяют два раза. При второй плавке расходуемым электродом служит слиток, полученный при первой плавке.

Титановые сплавы выплавляют в электрических ду­говых вакуумных печах, аналогичных применяемым для переплавки титановой губки. В качестве шихтовых ма­териалов используют титановую губку и легирующие элементы в соответствии с заданным химическим соста­вом сплава. Из шихты прессованием при 280….330 °С изготавливают переплавляемый (расходуемый) элек­трод. Плавку ведут в вакууме или в атмосфере аргона. Перед началом плавки на поддон в качестве затравки насыпают слой стружки из сплава такого же состава. Для более равномерного распределения легирующих элементов в сплаве полученный слиток переплавляют вторично.

Натриетермический способ получения титана отличается от магниетермического тем, что титан из TiCl 4 восстанавливают ме­таллическим натрием. Этот процесс проводят при относительно не­высокой температуре, и титан в меньшей степени загрязняется примесями. Вместе с тем натриетермический способ технически более сложен.

Кальциееидридный способ основан на том, что при взаимо­действии двуокиси титана TiO 2 с гидридом кальция СаН 2 образу­ется гидрид титана ТiH2, из которого затем выделяется металли­ческий титан. Недостаток этого способа состоит в том, что получа­емый титан сильно загрязнен примесями.

Иодидный способ применяют для получения неболь­ших количеств титана очень высокой чистоты, до 99,99%. Он основан на реакции Ti+2I 2 « TiI 4 , которая при 100 …200 °С идет слева направо (образование Til 4), при 1300…1400 °С -в обратном направлении (разло­жение ТiI 4).

Рафинируемую титановую губку помещают в ретор­ту и нагревают до 100…200 °С; внутрь реторты вводят и разбивают ампулу с йодом, взаимодействующим с ти­таном по реакции Ti+2I 2 ® TiI 4 . Разложение TiI 4 ® Ti+2I 2 и выделение титана происходит на титановых проволоках, натянутых в реторте, нагретых до 1300… 1400 °С пропусканием тока.

Производство титана

Титан – металл стального цвета с Т пл =1665 0 С и плотностью ρ = 4,5 г/см 3 имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК). Чистый титан достаточно прочный (G в =250 МПа) и весьма пластичен (d =20…30%). Улучшение механических свойств титана достигается при легировании его Al, Cr, Mo, Nb, V, Zn, Sn и другими элементами. Сочетанием легирования и термической обработки получают сплавы на основе титана с пределом прочности при растяжении до 1300…1600 МПа, т.е. по механическим характеристикам титан может конкурировать с высокопрочными сталями. Следует также указать, что многие стали (особенно высокопрочные) с понижением температуры становятся хрупкими. Титан с понижением температуры становится прочнее и не теряет пластичности.

Благодаря тому, что титановые сплавы прочны, легки, тугоплавки, а также коррозионно устойчивы, они являются весьма ценным конструкционным материалом. Титан и его сплавы находят широкое применение в авиационной технике и ракетостроении, судостроении, химической и пищевой промышленности.

Наиболее широкое распространение получил магнийтермический способ получения титана. Титан и магний обычно производят на одном заводе: MgCl 2 – побочный продукт производства титана, служит сырьем для получения магния.

Процесс получения титана складывается из следующих этапов.

1 Добыча титановой руды. В земной коре титана приблизительно 0,61%. Известно более 70 минералов, содержащих титан. Промышленное значение имеют следующие минералы:

1) Ильменит (FeO·TiO 2)

2) Рутил (TiO 2)

2 Обогащение руды. Титановые руды обычно обогащаются. Содержание двуокиси титана (TiO 2) в рудах составляет 10…60%. В результате обогащения получают концентраты руд с содержанием 42…65%TiO 2 .

3 Производство титанового шлака заключается в отделении окислов железа от двуокиси титана. Этот процесс осуществляется путем плавления брикетов, состоящих из смеси концентрата, древесного угля и связующего, в специальных дуговых печах. В процессе плавки и выдержки при температуре 1700 0 C железо восстанавливается: FeO + C= Fe+CO 2 , далее оно науглероживается, и получается чугун. Оксид титана TiO 2 переходит в шлак, который скачивают и применяют для получения тетрахлорида титана (TiCl 4).

4 Получение тетрахлорида титана производится из титанового шлака (65…85% TiO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , FeO, CaO), который подвергают хлорированию. Для этого шлак брикетируют с коксом и связующим, прокаливают без доступа воздуха при 650…800ºC, после чего подвергают хлорированию в специальных шахтных печах электросопротивления при 800…1250 0 C. В присутствии углерода, интенсифицирующего реакцию, образуются TiCl 4: TiO 2 +Cl 2 +C→TiCl 4 +CO 2 . При этом в качестве побочных продуктов образуются хлориды других металлов (Ca, Mg, Fe и так далее). Смесь хлоридов в парообразном состоянии идет на разделение. По методу ректификации за счет различной температуры кипения хлоридов происходит очищение TiCl 4 от побочных продуктов. Малолетучие хлориды Mg и Ca и других металлов образуют жидкость, из которой электролизом получают магний и хлор.

5 Получение титановой губки из тетрахлорида титана осуществляется в специальных стальных ретортах. В стальной стакан реторты помещают магний, реторту закрывают крышкой с теплоизоляцией и откачивают из нее воздух. Затем реторту заполняют аргоном и подогревают до температуры 850…900 0 C. В нагретую реторту подают в парообразном состоянии TiCl 4 , который взаимодействует с расплавленным магнием:

TiCl 4 +Mg→Ti+MgCl 2 .

Металлический титан осаждается на стенках реторты в виде губки, а MgCl 2 в виде расплава периодически сливают через трубопровод по желобу. По окончании процесса реторту охлаждают и извлекают из печи. Получается титановая губка, имеющая состав: 55…60% Ti, 20…30% Mg, 15…20% MgCl 2 .

6 Очистка титановой губки методом вакуумной дистилляции заключается в выдержке губки в течение нескольких десятков часов в вакууме при температуре 900…950 0 C в специальной вакуумной печи. В результате Mg и MgCl 2 испаряются, и титановая губка становится более чистой.

7 Рафинирование титановой губки методом переплава. Плавка титана связана с большими техническими трудностями, так как при высоких температурах расплавленный титан очень активен, поэтому плавку титановой губки осуществляют в вакуумных электродуговых печах с медным водоохлаждаемым тиглем. Одним из электродов служит стержень из прессованной титановой губки, другим – расплавленный металл. Нижняя часть электрода при горении дуги оплавляется. Капли титана стекают в тигель, образуя после затвердевания слиток. Слитки получают массой 500кт…5т диаметром 800…850мм. Вакуум предохраняет слитки от окисления и способствует очищению металла от газов. Полученные слитки могут иметь дефекты (раковины, поры), поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. Чистота титана, полученного переплавкой губки, составляет обычно 99,6…99,7%. Более чистый титан получают методом йодидной очистки, основанной на термической диссоциации TiJ 4 на поверхности титановой проволоки (эффективный, но малопроизводительный и дорогой метод).

2.5 Классификация и маркировка металлических

конструкционных материалов

2.5.1 Классификация и маркировка сталей

Детали машин и приборов, передающие нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа и углерода.

Углеродистая сталь – сложный по химическому составу сплав железа Fe с углеродом C и другими постоянными примесями: марганцем Mn , кремнием Si , серой S и фосфором P , которые оказывают влияние на ее свойства. Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами (в процентах): С – до 2,14; Mn – до 0,8; Si – до 0,5; Р – до 0,07 и S – до 0,06.

Все стали классифицируют по следующим основным признакам.

По химическому составу – на углеродистые и легированные . По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (<.0,3% С ), среднеуглеродистые (0,3…0,7 %С ) и высокоуглеродистые (>0,7% С ). По количеству введенных элементов легированные стали разделяют на низколегированные с суммарным содержанием легирующих элементов до 5%, среднелегированные – 5…10% и высоколегированные – не более 10%. По качеству стали делят на стали обыкновенного качества – содержание S до 0,060% и Р до 0,070%, качественные – не более 0,040 % S и 0,035% Р , высококачественные – не более 0,025% S и 0,025% Р , особовысококачественные – не более 0,015% S и 0,025% Р .

По степени раскисления стали подразделяют на спокойные (сп) , раскисленные полностью марганцем, кремнием и алюминием; кипящие (кп) , раскисленные не полностью только марганцем; полуспокойные (пс) , занимающие промежуточное значение между спокойными и кипящими, раскисленные марганцем и кремнием.

По назначению стали классифицируют: конструкционные, инструментальные и стали со специальными физико-химическими свойствами .

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества наиболее дешевые. Их выпускают в виде различного проката. Маркируют их сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Чем больше цифра в марке стали, тем больше содержится в стали углерода, выше ее прочность и твердость, но ниже пластичность и вязкость. Степень раскисления обозначается добавлением в конце марки соответствующего индекса: сп, кп или пс . В марке спокойной стали такой индекс может отсутствовать. Например, несколько марок сталей: Ст0, Ст3кп, Ст4сп, Ст5пс.

Углеродистые конструкционные качественные стали маркируются двухзначными числами: 05, 08, 10, 15, 20…85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10% С , сталь 45…0,45% С и т.д.

Углеродистые инструментальные стали производят качественными: У7, У8, У9…У13 и высококачественными: У7А, У8А…У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а число – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А указывает, что сталь высококачественная.

К углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7…1,2%), например стали марок Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс, 15Г, 20Г, 25Г…70Г.

Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Принято обозначать: хром – Х , никель – Н , марганец – Г , кремний – С , молибден – М , вольфрам – В , титан – Т , ванадий – Ф , алюминий – Ю , медь – Д , ниобий – В , бор – Р , кобальт – К , цирконий – Ц , фосфор – П , редкоземельные металлы – Ч , азот – А . Цифры, стоящие после буквы, указывают на примерное содержание легирующего элемента в целых процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента около 1,0%. При этом в начале марки легированной конструкционной стали стоят две цифры, указывающие на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20ХН3 в среднем содержит 0,20% С, 1% Cr , 3% Ni. Если сталь содержит менее 0,1% углерода, то первой цифрой марки будет ноль, например 08Г2С (содержит 0,08% С).

В марке легированной инструментальной стали на первом месте стоит цифра, указывающая на содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь 5ХНТ содержит 0,5% С. Если на первом месте цифра отсутствует, то сталь содержит около 1% углерода, например: сталь ХВГ содержит 0,9…1,0% С.

По качеству легированные стали бывают качественные , высококачественные и особовысококачественные . То, что сталь высококачественная, означает буква А в конце марки, особовысококачественная – буква Ш в конце марки, например: 20ХН3А – сталь высококачественная, 30ХГСШ – особовысококачественная.

Назначение легированных сталей определяется их химическим составом. Конструкционные легированные стали содержат углерода примерно до 0,45…0,50% (например, стали 40Х, 45Х2Н2МА, 50ХН). Инструментальные легированные стали характеризуются большим содержанием углерода (например, стали 6ХВ2С, 9ХС, ХВГ). В то же время инструментальные стали, легированные такими элементами, как вольфрам, ванадий, молибден, могут содержать и меньшее количество углерода (например, стали 3Х2В8Ф, 4ХВ2С, 4Х2В5ФМ, 5ХГМ).

Легированные стали со специальными физико-химическими свойствами составляют особенную группу сталей. Это, в большинстве, стали средне- и высоколегированные. К ним относятся, например, рессорно-пружинные стали, имеющие высокий модуль упругости, (50С2, 60С2, 65Г, 70С3А, 50ХФА. 60С2Н2А); жаростойкие и жаропрочные стали, обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах (12ХМ, 12ХМФ, 15Х5ВФ, 10Х12В2МФ, 10Х18Н10Т, 08Х14Н16Б); коррозионно-стойкие или нержавеющие стали, стойкие против действия внешней среды, (08Х13, 40Х13, 12Х17, 15Х28, 12Х18Н8); износостойкие стали (ШХ15, 30Х10Г10, 110Г13Л).

Более полные сведения о специальных сталях, их назначении и свойствах приведены в учебниках по металловедению и в соответствующих стандартах.

Марки некоторых групп углеродистых и легированных сталей имеют свои особенности, указывающие на принадлежность к этой группе.

Так, быстрорежущие инструментальные стали обозначаются буквой Р (рапид – скорость) в начале марки. Цифры после буквы Р указывают на содержание основного легирующего элемента – вольфрама в целых процентах. Кроме того, в состав быстрорежущих сталей входит 4,5% хрома и 2,5% ванадия, которые в марке не обозначаются. При более высоком содержании ванадия его среднее количество обозначается в марке. Например, сталь Р6М5 содержит: 0,85…0,95% С; 5,5…6,5% W; 3,0…3,6% Mo; 3,0…3,6% Cr; 2,0…2,5% V, а сталь Р9Ф5: 1,4…1,5% C; 9,0…10,5% W; 4,5…5,1% V; 3,8…4,4% Cr.

Марка подшипниковых сталей начинается с буквы Ш , дальше идут буква Х (хром) и цифры, указывающие на содержание хрома в десятых долях процента. Например, стали марок ШХ6, ШХ9, ШХ15 содержат более 1% С и, соответственно, 0,6; 0,9; 1,5% Cr. Эти стали дополнительно могут быть легированы кремнием до 0,85% и марганцем – до 1,7% (например, стали ШХ15ГС, ШХ20ГС).

Автоматные стали с увеличенным содержанием серы и фосфора дополнительно легируются свинцом (0,15…0,35%) – обозначается в марке буквой С , селеном (0,08…0,30%) – Е , кальцием (0,002…0,008%) – Ц . Они имеют особенно хорошую обрабатываемость резанием, поэтому применяются для обработки на станках-автоматах. В начале марки этих сталей ставится буква А , после которой записывается двухзначное число, показывающее среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например: А12, АС14, АЦ30ХН, А35Е.

Литейные стали для получения фасонных отливок маркируются двухзначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. После числа ставится буква Л. Легированные литейные стали маркируются соответственно общепринятой системе, а в конце марки ставится буква Л. Для определения степени ответственности отливок в марке литейных сталей, как правило, после буквы Л через дефис записывается цифра І , ІІ или ІІІ : І – отливки общего назначения; ІІ – ответственного назначения; ІІІ – особо ответственного назначения. Например: 30Л-І, 35ХМЛ-ІІ, 110Г13Л-ІІІ.

2.5.2 Маркировка чугунов

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% С. Постоянных примесей в них также больше, чем в сталях.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые , серые обыкновенные , высокопрочные и ковкие чугуны. Название белых и серых чугунов определяется цветом излома, название ковкого – условное.

Серые обыкновенные, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.

Серыми обыкновенными называют чугуны с пластинчатой формой графита. При маркировке обозначаются буквами СЧ и двухзначным числом, показывающим наименьшее допустимое значение предела прочности при растяжении (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз. Например: СЧ15, СЧ25 (s в ³ 150 МПа).

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Принцип маркировки высокопрочных чугунов тот же, что и серых обыкновенных. Например: ВЧ38 (s в ³ 380 МПа).

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Маркируют ковкие чугуны двумя буквами КЧ и двумя цифрами, разделенными тире: первое число показывает наименьшее допустимое значение предела прочности на растяжение (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз, а второе – относительное удлинение (в процентах). Например: КЧ30-6 (s в ³ 300 МПа, d ³ 6%).

2.5.3 Маркировка меди и ее сплавов

Техническая медь маркируется буквой М и числом. Например: М00 (99,99% Cu), М0 (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu), М4 (99,0% Cu).

В состав медных сплавов могут входить: цинк – Ц , алюминий – А , марганец – Мц , кремний – К , железо – Ж , фосфор – Ф , никель – Н , свинец – С , олово – О , бериллий – Б .

Латунями называют сплавы меди с цинком. Они бывают двух- и многокомпонентными. Подразделяют латуни на литейные и деформируемые .

Литейные латуни обозначаются буквами ЛЦ . Дальше идет число, которое указывает на содержание цинка в процентах, затем буквы и числа, указывающие на состав и содержание компонентов. Например: ЛЦ40С2 (40% Zn, 2% Pb, остальное Cu), ЛЦ23А6Ж3Мц2 (23% Zn, 6% Al, 3% Fe, 2% Mn, остальное – Cu).

При маркировке деформируемых латуней после буквы Л идет число, указывающее содержание меди в целых процентах, потом буквы – индексы компонентов, входящих в состав сплава, и далее через дефис – числа, указывающие количество в процентах. Например: Л96 (96% С и 4% Zn), ЛАЖ60-І-І (60% Cu, 1% Al, 1% Fe, остальное – Zn).

Бронзы – сплавы меди с другими элементами. Разделяются на оловянные и безоловянные, деформируемые и литейные. Бронзы маркируют так же, как и латуни, только индекс Л заменяют индексом Бр . Например: БрОЦС4-4-2,5 (4% Sn, 4% Zn, 2,5% Pb, остальное – Cu) – деформируемая бронза. В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу после буквы, которая определяет его название. Например: Бр06Ц6С3 (6% Sn, 6% Zn, 3% Pb, остальное – Сu).

2.5.4 Маркировка алюминия и его сплавов

В зависимости от содержания примесей алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты – А999 (99,999% Аl), высокой чистоты – А995, А99, А97, А95 и технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5, А0. Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления на деформируемые и литейные .

Алюминиевые деформируемые сплавы при маркировке записывают буквами и цифрами. Например: АМц, АМг2, Д1, В95, АК6. Числа указывают на номер сплава. Химический состав и механические свойства указываются в справочной литературе.

Литейные алюминиевые сплавы маркируются буквами АЛ (алюминиевые литейные), далее идут числа, которые указывают на номер сплава. Например: АЛ2, АЛ4, АЛ9 и т.д. Химический состав и механические свойства также указываются в справочной литературе.

2.5.5 Маркировка магния и его сплавов

В зависимости от содержания примесей установлены такие марки магния: Мг96 (99,92% Mq), Мг95 (99,82% Mq). Магниевые сплавы делят на деформируемые и литейные .

Деформируемые магниевые сплавы маркируются буквами МА и числом, которое указывает на порядковый номер. Например: МА5, МА11, МА14, МА19.

Литейные магниевые сплавы обозначаются буквами МЛ и числом – порядковым номером сплава. Например: МЛ5, МЛ8, МЛ10.

2.5.6 Маркировка титана и его сплавов

Технический титан изготавливается следующих марок: ВТ1-00 (99,53% Ti), ВТ1-0 (99,48% Ti), ВТ1-1 (99,44% Ti). Титановые сплавы маркируются буквами ВТ и ОТ и числами, указывающими на номер сплава. Например: ВТ5, ВТ5-1,ОТ4, ОТ4-1, ВТ14, ВТ22. При этом состав и свойства сплавов приведены в справочной литературе. По способу изготовления изделий титановые сплавы бывают литейные и деформируемые .

2.5.7 Маркировка металлокерамических твердых сплавов

К ним относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана и тантала, связанных металлической связкой. В зависимости от состава карбидной основы, спеченные твердые сплавы выпускают трех групп.

Первую (вольфрамовую ) группу составляют сплавы системы WС-Co. Они маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например: ВК6 (94% WС, 6% Co). Вторую группу (титановольфрамовую ) образуют сплавы системы TiС-WС-Co. Они маркируются буквами ТК и цифрами, показывающими содержание (в процентах) карбида титана и кобальта. Например: Т30К4 (30% TiС, 4% Co, 66% WС).

Третью группу (титанотанталовольфрамовую ) образуют сплавы системы TiС-ТаС-WС-Co. Они маркируются буквами ТТК и цифрами. Цифра в марке после букв ТТ обозначает суммарное содержание (в процентах) карбидов TiС+ТаС, а после буквы К – количество кобальта. Например: ТТ8К6 (TiС+ТаС=8%, 6% Со, 84% WС).