Так выглядит чистый титан!
Титан, по своему, уникальный элемент. Из главных особенностей титана особенно можно выделить две, нет, даже три наиболее важных и интересных. Первое и самое важное для велосипедистов свойство титана - его высокая удельная прочность (прочность отнесенная к плотности материала, см обзорную статью) то есть титановая рама будет иметь вес примерно равный раме из алюминия, в аналогичной геометрии естественно, но прочность ее будет выше прочности рамы из стали. Вторая особенность титана неразрывно связана с третьей. Без титана невозможно представить современную гражданскую и военную авиацию, так как титановые сплавы основное сырье для сопловых лопаток газотурбинных двигателей – основного движителя современной авиации! Титановые лопатки турбин работают в поистине адских условиях: высокая температура, окислительная атмосфера, наличие ионов серы и фосфора в продуктах горения топлива, пылевые частички разогнанные потоком до больших скоростей и имеющие высокие энергии. И, наконец, сумасшедшая центробежная сила стремящаяся оторвать лопатку от вала – вал авиационного газотурбинного двигателя может иметь частоту вращения до 30 000 оборотов в минуту! И среди немногочисленных материалов способных работать в таких условиях первое место заслуженно занимает титан.
Адские условия работы титана
Титан способен длительное время работать при высоких температурах, при этом сохраняя свои механические прочностные свойства. Такое свойство материала называется жаропрочностью. Также при длительном нахождении в горячей среде титан не подвержен окислению и коррозии - это свойство материалов в науке и технике называют жаростойкостью.Но, несмотря, на такие прекрасные свойства титана увидеть наездника на велосипеде с титановой рамой – большая редкость. Титану нет места в крупносерийном велосипедном производстве. Титан очень технологически сложен в производстве, обработке, сварке, и к тому же очень дорогостоящий материал. Теперь же давайте познакомимся с технологией добычи обработки титана и тогда мы сможем понять, почему титан стоит таких денег.
Титан добывают из оксида титана TiO2, также этот материал известен как рутил, либо из руд содержащих оксид титана после их обогащения.
Так выглядит титановая руда - рутил
Оксид титана подвергают обработке горячими парами хлора при наличии кокса.
TiO2+2Cl2+2C=TiCl4+2CO2
Этот процесс протекает при высоких температурах длительное время и естественно требует дорогих, энергоносителей. Также известно, что хлор очень токсичный и химически активный газ. Поэтому производство титана в развитых странах требует больших капиталовложений на очистные, улавливающие хлор, сооружения и уплат больших экологических сборов. Титан украинского и русского производства по этой причине выгодно отличается на мировом рынке своей ценой. Так как законодательства в наших странах очень лояльны к титановым гигантам, а экологические инспекции уделяют больше внимания рынкам и СТО чем большим металлургическим комбинатам. Дальнейший процесс производства титана объясняет, почему заводы по производству титана называются титаномагниевые комбинаты. Из четыреххлористого титана чистый титан получают методом металлотермии. Суть этого метода в том, что химически более активный металл вытесняет из химических соединений менее активный металл, как правило, со значительным выделением тепла. Из хлорида титан восстанавливают магнием.
TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2
Для получения 1 кг титана приходиться израсходовать почти 2 килограмма магния. Полученный в результате титан засоренный примесями, имеет пористую структуру и называется титановой губкой.
Титановая губка
Для получения чистого титана его необходимо переплавить и очистить (рафинировать). Но процесс переплава титана тоже технологически сложен и энергоемок. Ведь при низких и высоких температурах на поверхности титана присутствует тончайшая пленка оксида титана TiO2, которая защищает его от окисления и коррозии так же, как алюминий защищает пленка оксида алюминия Al2O3. Оксидная пленка титана не настолько прочна как пленка оксида алюминия, и в жидком виде она абсолютно не защищает сам металл. И как только титан становиться жидким, и соприкасается с воздухом, он начинает активно реагировать с кислородом, превращаясь обратно в руду, а также активно растворяет в себе азот, водород, существенно снижая свои механические свойства. Поэтому титан приходиться плавить в вакууме.
Вакуумно-дуговая печь
Очищенные сортовые титановые сплавы делятся на две группы: альфа-сплавы и бета-сплавы. Альфа-сплавы имеют меньшее количество легирующих элементов и благодаря этому изделия из таких сплавов можно получать прокатом, а также эти сплавы прекрасно свариваются. Именно они и применяются в велосипедной индустрии. Бета сплавы содержат большее и число и количество легирующих элементов, плохо свариваются, а конечные изделия из них получают не деформацией, а литейными методами. Механизм легирования титана аналогичен механизму легирования алюминия, который мы уже рассматривали, но также титан легируется за счет образования в нем интерметаллидов – химических соединений двух металлов, например алюменида титана AlTi. Из альфа-сплавов титана производят трубный, круглый, листовой прокат, который используется для создания велосипедной рамы.Казалось бы, все трудности позади и из полученного проката можно сварить раму, но не тут то было. Мы же помним, что как только титан достигнет температуры плавления, он активно реагирует с кислородом воздуха и растворяет в себе азот и другие газы. А процесс сварки не возможен без расплавления металла. Как же быть? Небольшие изделия варят в струе дорогостоящего аргона высшего сорта, аргон технической чистоты не применяют из-за наличия примесей. Причем при сварке необходимо защищать аргоном не только зону дуги, но также и обратную сторону сварочного шва. Более крупные и громоздкие изделия свариваются в вакуумных камерах или камерах, которые вакуумируются, а затем заполняются чистым аргоном. Только так можно получить крепкую, очень надежную и в то же время легкую раму.
Рама из титана
Титан при механической обработке сильно налипает на режущий инструмент, поэтому при производстве таких узлов рамы как рулевой стакан, втулка каретки, дропауты - резец токарного станка или фрезу поливают специальными смазывающе-охлаждающими жидкостями.Если рассматривать сварное изделие из любого металла или сплава, прочность в сварочных швах всегда будет ниже, чем прочность основного металла. При сварке алюминия и стали, падение прочности может достигать 30-40% от прочности материала рамы. При сварке титана падение прочности составляет не более чем 10-13%. Именно поэтому титановая рама - это очень надежная рама!
Также титановые сплавы, как и стали, гасят высокочастотные колебания от неровной дороги, а других у нас нет, и в обозримом будущем не предвидится, создавая дополнительный комфорт для «пятой точки» наездника.
