1.1.3 生产流程及应用
从原料开始到生产出金属钛成品的生产流程及应用如图1—1所示。氧化钛是生产金属钛的原料,但其中大部分却以氧化钛的物质形态用于各方面,转变成金属钛的数量不超过全部氧化钛的20%。氧化钛大批量的需求领域,为要求具备优良白色度、耐气候性、遮蔽力和着色力等鲜明夺目的白色颜料方面,即成为涂料,印刷油墨、纸张、塑料、化纤、橡胶等不可缺少的原料。除了上述应用领域之外,近年来,作为导电性材料的防静电制剂、超微粒子用的 UV (紫外线)遮蔽材、产生空气净化作用光触媒材料等功能性材料发展也十分显著。除金属钛外,2005年日本国内氧化钛产量约为25万 t ,全世界约为400万砘。
氧化钛按前述化学反应,生成金属钛的第一步是利用还原工艺制出多孔质“海绵钛”。以海绵钛为原料,再制造出金属钛锭。海绵钛除用于生产纯金属钛以外,还可作为钢铁添加材料、生产钛粉末、钛铸件的原料。在制造钛铸锭方面,又可分为两大类,(1)将海绵钛先压制成电极,再利用其本身电弧自行熔化制造出钛铸锭;(2)从外部加热(电子束)将海绵钛熔化制成钛铸锭。无论哪种方法都须用活性金属在真空中操作,添加合金进行调整合金成分,作为原料也可将这些碎片、料头等收集起来,有效的利用,并和整料一同进行熔炼。钛铸锭形状为圆柱形或断面为矩形,对其形状并无严格规定。
钛铸锭是以热轧方式轧成半成品坯料及小坯料的。如薄板、焊接管、线材等制品,均是热轧成半成品后,再进行冷轧成最终成品的。在生产热轧钛材时,特别要注意加热情况下对质量产生的严重影响,就是在加热过程中,材料容易吸收氧和氢,影响其力学性能。纯钛和 c 合金的组织敏感性很强。在力学性能上,极易发生各向异性。日本和其他国家在加工钛材方面有很大差别,其不同之处是确立的分工体制,海绵钛与钛铸锭由钛专业厂生产,随后利用钢铁企业的轧钢设备制成产品。它也有与轧钢不同之处,例如存在着同素异晶转变和可进行热处理以及与合金系列许多类似等。但这样做可以有效地发挥钢铁企业在轧制方面长年积累起来的技术。许多钛合金都是在钢铁企业中开发出来的,这反映了日本专业化的制造体制。在美国,钛的专业工厂是从海绵钛开始一直到加工成材,是自始至终一气呵成的。在其他国家有两种情况,一种是专门生产海绵钛;另—种是从熔炼铸锭一直到加工材,采用这种生产工艺流程的企业,几乎无一例外。表1—1是世界各主要国家钛工业企业名称及其产品种类。
轧制成材的产品,当然还要进行必要的加工,制成最终的成品。除此以外,还有一部分是直接制造出成品的,那就是粉末制品和铸造制品。粉末制品即用调整配比成分得到钛合金粉末,用压力成形法或是注塑成形法,制成所需产品,各种钛合金制品可以比较简单地生产出来。医疗器械等制品即为其代表例。一方面是采用传统的铸造成形法,如生产阀门类产品的沙模铸造成形法,另一方面为获得精密铸造品而采用的溶注蜡模法( lost wax )。这可以大幅度提高铸造技术以及产品质量。