ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ
TITANIUM ALLOY FOR CORROSION RESISTANT MATERIALS

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к титановому сплаву для коррозионно-стойких материалов.
Уровень техники
[0002] На поверхности титана образуется оксидная пленка, поэтому он хуже поддается коррозии по сравнению с обычными металлами, в результате чего он находит широкое применение там, где нужна коррозионная стойкость. Однако при таком целевом использовании существует потребность в титане, обладающем еще лучшей коррозионной стойкостью, и для ее удовлетворения коррозионную стойкость титана повышали до сих пор путем добавления к нему других элементов. Например, в качестве титана с повышенной коррозионной стойкостью известны сплавы Ti-Pd, которые также предусмотрены в японском промышленном стандарте (JIS) как тип 11, тип 12 и тип 13. Это сплавы, содержащие 0,12-0,25% по массе Pd в чистом титане. Кроме того, помимо Pd традиционно в них содержатся Со, Ni и т.п. (см. патентные документы 1 и 2).
[0003] Между тем, титан обладает ценными свойствами по сравнению с обычными металлами, а именно он обладает не только превосходной коррозионной стойкостью, но и малым весом и высокой прочностью, поэтому множество различных его сплавов используется в различных областях применения, таких как спортивные товары, например оборудование для гольфа и велосипеды. Однако титановые сплавы являются дорогими по сравнению с обычными металлами, и в настоящее время изучается возможность полезного употребления дешевых вторичных (т.е. повторно используемых) титановых сплавов, которые получают переработкой не только титановой губки, производимой из титановых руд, но и титановых сплавов, которые уже были выведены на рынок, но вышли из употребления. Однако, когда даже небольшое количество другого элемента смешивают с титаном, от которого требуется коррозионная стойкость, как указано выше, коррозия может начаться на этом элементе, и поэтому вторичные титановые сплавы не используют в качестве титановых сплавов для коррозионно-стойких материалов. Кроме того, элементы платиновой группы, такие как Pd, как правило, дороже по сравнению с титаном, и поэтому в прошлом титановые сплавы для коррозионно-стойких материалов были очень дороги. Другими словами, обычные титановые сплавы для коррозионно-стойких материалов имеют недостаток, заключающийся в том, что их нельзя произвести с небольшими затратами и при этом сохранить возможность избежать ухудшения коррозионной стойкости.
Патентный документ 1: патент Японии №2132925
Патентный документ 2: публикация заявки на патент Японии № Hei-4-57735
Сущность изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
[0004] В свете изложенных проблем задачей настоящего изобретения является обеспечение титанового сплава для коррозионно-стойких материалов, который может быть произведен с небольшими затратами при сохранении возможности избежать ухудшения коррозионной стойкости.
[0005] С целью решения вышеуказанных проблем авторы настоящего изобретения провели интенсивные исследования и установили, что возможно избежать ухудшения коррозионной стойкости в том случае, когда в титановом сплаве содержится определенное количество или менее по меньшей мере одного из Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn, таким образом создав настоящее изобретение. А именно в соответствии с настоящим изобретением предложен титановый сплав для коррозионно-стойких материалов, который отличается тем, что он содержит 0,01-0,12% по массе в сумме по меньшей мере одного из элементов платиновой группы, по меньшей мере один из Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn, в число которых входит по меньшей мере один из Sn и Mn, а остальное составляет Ti и примеси, в котором общее содержание Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn составляет 5% по массе или менее.
[0006] Под тем, что в титановом сплаве содержится Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn, подразумевается, что каждый из Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn присутствует в титановом сплаве в количестве, превышающем уровень неизбежных примесей. Содержание каждого из этих элементов может быть измерено при помощи обычно используемого аналитического оборудования. Обычно содержания этих элементов на уровне неизбежных примесей в титановом сплаве соответственно составляют, максимум: Al - 0,007% по массе, Cr - 0,007% по массе, Zr - 0,001% по массе, Nb - 0,001% по массе, Si - 0,004% по массе, Sn - 0,001% по массе и Mn - 0,001% по массе. Следовательно, под тем, что в титановом сплаве содержится Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn, в описании настоящего изобретения подразумевается, что каждый из этих элементов присутствует в титановом сплаве в количестве, превышающем соответствующую указанную величину.
Преимущества изобретения
[0007] В соответствии с настоящим изобретением в титановом сплаве для коррозионно-стойких материалов содержатся Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn, так что возможно повторно использовать вторичные титановые сплавы, получаемые из изделий, в которых был использован по меньшей мере один из Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением в титановом сплаве для коррозионно-стойких материалов содержится 0,01-0,12% по массе в сумме по меньшей мере одного из элементов платиновой группы, а общее содержание Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn составляет 5% по массе или менее. Посредством этого возможно избежать ухудшения коррозионной стойкости. Другими словами, возможно обеспечить титановый сплав для коррозионно-стойких материалов, который может быть произведен с малыми затратами при сохранении возможности избежать ухудшения коррозионной стойкости.
Подробное описание предпочтительного варианта реализации
[0008] Далее будет приведено описание предпочтительного варианта реализации титанового сплава для коррозионно-стойких материалов. Сначала будет приведено описание количества каждого элемента, содержащегося в титановом сплаве для коррозионно-стойких материалов, и причины установления такого его количества. Титановый сплав для коррозионно-стойких материалов по данному варианту реализации обычно содержит элемент платиновой группы, любой или оба из Co и Ni, по меньшей мере один из Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn, в число которых входит по меньшей мере один из Sn и Mn, а остальное составляет Ti и примеси.
[0009] Элемент платиновой группы является существенным компонентом титанового сплава для коррозионно-стойких материалов, и его содержание составляет 0,01-0,12% по массе. Содержание элемента платиновой группы составляет 0,01-0,12% по массе по той причине, что когда элемент платиновой группы содержится в количестве меньше 0,01% по массе, коррозионная стойкость титанового сплава для коррозионно-стойких материалов не достигает удовлетворительного уровня, что может вызвать коррозию, а с другой стороны, даже если содержание указанного элемента превышает 0,12% по массе, нельзя ожидать наличия улучшенной коррозионной стойкости при дальнейшем увеличении его содержания, а кроме того, существует вероятность увеличения стоимости титанового сплава для коррозионно-стойких материалов. В качестве такого элемента платиновой группы можно использовать Ru, Rh, Pd, Os, Ir и Pt, а предпочтительно использовать Pd.
[0010] Co и Ni являются необязательными компонентами, и их содержание составляет 0,05-2,00% по массе. Они могут содержаться в титановом сплаве для коррозионно-стойких материалов вместо Ti, содержащегося в титановом сплаве в качестве остатка от существенных компонентов, таких как элемент платиновой группы и по меньшей мере один из описываемых ниже Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn. Они содержатся в количестве 0,05-2,00% по массе, чем обеспечивается преимущество дальнейшего улучшения коррозионной стойкости одновременно с повышением прочности титанового сплава для коррозионно-стойких материалов. Когда общее количество Co и Ni меньше 0,05% по массе, сложно достичь преимущества дальнейшего улучшения коррозионной стойкости одновременно с повышением прочности титанового сплава.
[0011] Указанный по меньшей мере один из элементов Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn, в число которых входит по меньшей мере один из Sn и Mn, является существенным компонентом титанового сплава для коррозионно-стойких материалов, и общее содержание Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn составляет 5% по массе или менее. Количество этих элементов лежит в указанном диапазоне по той причине, что когда общее содержание Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn превосходит 5% по массе, коррозионная стойкость титанового сплава для коррозионно-стойких материалов ухудшается, что вызывает коррозию. С этой точки зрения, общее их содержание предпочтительно составляет 3% или менее, более предпочтительно - 2% или менее.
[0012] К примерам примесей относятся такие неизбежные примеси, как С, О, Н и Fe, и при этом в титановом сплаве для коррозионно-стойких материалов может содержаться небольшое количество какого-либо другого элемента в той мере, что это не приводит к снижению преимуществ настоящего изобретения. В частности, в качестве элементов, оказывающих меньшее влияние на коррозионную стойкость, известны V, Mo и W, которые могут содержаться в титановом сплаве для коррозионно-стойких материалов при условии, что их общее содержание составляет примерно 5% по массе или менее.
[0013] Вышеуказанный титановый сплав для коррозионно-стойких материалов предпочтительно используют для изготовления трубопроводов, теплообменников, электролизных резервуаров и т.п., например установки по рафинированию никеля, которые применяются в таких окружающих средах, в которых они подвергаются воздействию концентрированной серной кислоты, сульфата никеля или хлорида никеля при температуре примерно 250°С.
Примеры
[0014] Далее настоящее изобретение будет более подробно описано со ссылкой на примеры без намерения ограничить ими настоящее изобретение.
Приготовление образцов
Примеры 1-8, Сравнительные примеры 1-11 и Контрольные примеры 1-21
[0015] Титановые сплавы для коррозионно-стойких материалов приготовили путем составления образцов для оценки коррозионной стойкости сплава в соответствующих Примерах, Сравнительных примерах и Контрольных примерах, используя чистый титан и соответствующие компоненты так, чтобы компоненты, указанные в таблицах 1 и 2, содержались в них в указанных в этих таблицах 1 и 2 количествах. В Сравнительном примере 1 был использован чистый титан. Сначала путем луночной дуговой плавки были получены слитки титановых сплавов каждого из составов толщиной 20 мм, шириной 70 мм и длиной 90 мм. Затем полученные таким образом слитки подвергли горячей прокатке до толщины 3 мм, кислотной промывке для удаления с поверхности окалины и нарезали на испытательные образцы шириной 50 мм и длиной 100 мм. После этого одну из сторон испытательного образца отполировали наждачной бумагой №200, в то время как боковые и задняя их стороны были покрыты герметиком, чтобы воздействию подвергалась только полированная поверхность. Таким образом подготовили каждый образец для оценки коррозионной стойкости. Поскольку обычные титановые сплавы для коррозионно-стойких материалов изготавливают из титановой губки или т.п., были получены коррозионно-стойкие титановые сплавы (Серийные примеры 1-4), содержавшие компоненты, приведенные в таблице 3, которые были подвергнуты такой же оценке, как в Примерах и Сравнительных примерах.
[0016]
Таблица 1
Компоненты, %*
Всего**
Pd
Co
Ni
Mn
Sn
Al
Cr
Zr
Nb
Si
Пример 1
0,05
3
3
Пример 2
0,05
0,35
4
4
Пример 3
0,05
3
3
Контрольный пример 1
0,02
3
3
Контрольный пример 2
0,1
3
3
Пример 4
0,05
0,35
1
1
2
Пример 5
0,05
0,1
0,15
3
3
Контрольный пример 3
0,05
0,01
0,01
0,02
Контрольный пример 4
0,05
0,35
0,01
0,01
0,02
Контрольный пример 5
0,05
0,35
0,01
0,01
0,02
Пример 6
0,05
0,2
0,15
0,01
0,01
0,02
Контрольный пример 6
0,05
4
4
Контрольный пример 7
0,05
3,5
3,5
Контрольный пример 8
0,05
0,1
0,15
3
3
Контрольный пример 9
0,05
2
2
4
Контрольный пример 10
0,05
2
2
Контрольный пример 11
0,05
0,1
0,2
0,2
0,5
Контрольный пример 12
0,05
1
1
Пример 7
0,05
1
1
Контрольный пример 13
0,05
0,5
0,5
1
Пример 8
0,05
1
1
2
Контрольный пример 14
0,05
1
1
2
Контрольный пример 15
0,05
0,1
0,1
Контрольный пример 16
0,05
0,1
0,1
Контрольный пример 17
0,05
0,4
0,4
Контрольный пример 18
0,05
1
1
Контрольный пример 19
0,05
1
1
Контрольный пример 20
0,05
1,5
1,5
Контрольный пример 21
0,05
1
0,6
1,6
* Численные значения в таблице приведены в процентах по массе.
** Приведено общее содержание Mn, Sn, Al, Cr, Zr, Nb и Si.
[0017]
Таблица 2
Компоненты, %*
Всего**
Pd
Co
Ni
Mn
Sn
Al
Cr
Zr
Nb
Si
Сравнительный пример 1
-
0
Сравнительный пример 2
0,05
6
6
Сравнительный пример 3
0,05
0,35
6
6
Сравнительный пример 4
0,05
6
6
Сравнительный пример 5
0,05
3
3
6
Сравнительный пример 6
0,05
0,1
0,2
6
6
Сравнительный пример 7
0,05
6
7
13
Сравнительный пример 8
0,05
2
5
7
Сравнительный пример 9
0,05
6
6
Сравнительный пример 10
0,05
5,5
5,5
Сравнительный пример 11
0,05
6
6
* Численные значения в таблице приведены в процентах по массе.
** Приведено общее содержание Mn, Sn, Al, Cr, Zr, Nb и Si.
[0018]
Таблица 3
Компоненты, %*
Всего**
Pd
Co
Ni
Mn
Sn
Al
Cr
Zr
Nb
Si
Серийный пример 1
0,05
0
Серийный пример 2
0,05
0,35
0
Серийный пример 3
0,05
0,35
0
Серийный пример 4
0,02
0,2
0,15
0
* Численные значения в таблице приведены в процентах по массе.
** Приведено общее содержание Mn, Sn, Al, Cr, Zr, Nb и Si.
Испытание на стойкость к хлориду никеля
[0019] Каждый из образцов в Примерах, Сравнительных примерах, Контрольных примерах и Серийных примерах был испытан на коррозионную стойкость путем погружения в 20%-ный раствор хлорида никеля при 100°С на 100 ч, затем поверхность каждого из образцов исследовали визуально и при помощи оптического микроскопа. Таким образом оценивали текстуру поверхности. По результатам данной оценки символом «Ο» обозначены образцы, для которых не обнаружено различий между начальным состоянием их поверхности и состоянием их поверхности после погружения в раствор хлорида никеля; символом «Δ» обозначены образцы, на которых между этими состояниями слегка заметно увеличение неровности поверхности или нечто подобное; и символом «×» обозначены образцы, на которых между этими состояниями явно заметно увеличение неровности поверхности или нечто подобное. Результаты представлены в таблице 4. При осуществлении оценки коррозионной стойкости массу каждого образца измеряли до и после погружения в раствор хлорида никеля при помощи электронных весов, способных определять массу с точностью до 0,1 мг, и уменьшение массы (ΔМ) получили как разность этих величин. Для оценки коррозионной стойкости по нижеследующей формуле на основании площади поверхности каждого образца до погружения была рассчитана удельная коррозия:
2
2
Удельная коррозия (г/м) = ΔМ(г)/S(м).
Результаты представлены в таблице 4.
Испытание на стойкость к горячей серной кислоте
[0020] Каждый из образцов в Примерах, Сравнительных примерах, Контрольных примерах и Серийных примерах был испытан на коррозионную стойкость путем погружения в 5%-ный раствор серной кислоты при 240°С на 1 ч, и удельная коррозия была рассчитана так же, как в испытании на стойкость к хлориду никеля. Результаты представлены в таблице 4.
Испытание на стойкость к горячей соляной кислоте
[0021] Каждый из образцов в Примерах, Сравнительных примерах, Контрольных примерах и Серийных примерах был испытан на коррозионную стойкость путем погружения в кипящий 10%-ный раствор соляной кислоты на 1 ч, и удельная коррозия была рассчитана так же, как и в испытании на стойкость к хлориду никеля. Результаты представлены в таблице 4.
Испытание на щелевую коррозию
[0022] По два образца, соответствующих каждому из Примеров, Сравнительных примеров, Контрольных примеров и Серийных примеров, наложили друг на друга испытываемыми поверхностями друг к другу и погрузили на 100 ч в 20%-ный раствор NaCl при 90°С, значение рН раствора довели по 1 соляной кислотой. Таким образом было осуществлено испытание на щелевую коррозию. Так же, как в испытании на стойкость к хлориду никеля, символом «O» обозначены образцы, для которых не обнаружено различий в состоянии их поверхности до и после испытания; символом «Δ» обозначены образцы, на которых между этими состояниями слегка заметно увеличение неровности поверхности или нечто подобное; и символом «×» обозначены образцы, на которых между этими состояниями явно заметно увеличение неровности поверхности или нечто подобное. Результаты представлены в таблице 4.
[0023]
[0024] Из таблицы 4 также видно, что титановый сплав для коррозионно-стойких материалов, содержащий 0,01-0,12% по массе в сумме по меньшей мере одного из элементов платиновой группы, по меньшей мере один из Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn, в число которых входит по меньшей мере один из Sn и Mn, а остальное составляет Ti и примеси, в котором общее содержание Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn составляет 5% по массе или менее, или титановый сплав для коррозионно-стойких материалов, содержащий 0,01-0,12% по массе в сумме по меньшей мере одного из элементов платиновой группы, 0,05-2,00% по массе в сумме любого или обоих из Со и Ni, по меньшей мере один из Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn, в число которых входит по меньшей мере один из Sn и Mn, а остальное составляет Ti и примеси, в котором общее содержание Al, Cr, Zr, Nb, Si, Sn и Mn составляет 5% по массе или менее, обладает великолепной коррозионной стойкостью по сравнению с соответствующими Сравнительными примерами и эквивалентной коррозионной стойкостью, как и серийные (обычные) титановые сплавы для коррозионно-стойких материалов, изготавливаемые из титановой губки.
[0025] Другими словами, понятно, что титановый сплав для коррозионно-стойких материалов по настоящему изобретению позволяет избежать ухудшения коррозионной стойкости даже при том, что он изготавливается из вторичных (повторно используемых) титановых сплавов или чего-либо подобного, а значит, производится с низкой себестоимостью при одновременном сохранении возможности избежать ухудшения коррозионной стойкости.