Области применения, основные характеристики и свойства титана и его сплавов. Физические характеристики и свойства одного из самых твердых металлов

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

Титан относится к группе тугоплавких металлов, его температура плавления равна 1668°С. Титан имеет две аллотропические модификации α и ß. Модификация α низкотемпературная и существует при нагреве 882,5°С, имеет гексагональную решетку. При темпертуре 882,5°С α-модификация переходит в ß - модификацию, имеющую объемноцентрированную кубическую рещетку. При переходе α-титана в ß - титан объем металла несколько уменьшается, а электропроводность скачкообразн возрастает.

Основными достоинствами титана являются плотность (4,5 г/см 3), большая коррозионная стойкость и высокая механическая прочность. Несмотря на то, что титан химически весьма активен и легко реагирует с большим количеством элементов, он обладает высокой коррозионной стойкостью благодаря защитному действию образующейся на его поверхности прочной и плотной окисной пленки. В большинстве коррозионных сред титан и его сплавы имеют более высокую стойкость, чем кислотостойкие стали и алюминий.

При введении легирующих элементов можно получать сплавы, обладающие высокой механической прочностью. Основными легирующими элементами являются Al, Sn, Мn, Cr, Мо, V. Легирующие элементы влияют на устойчивость аллотропических модификаций титана. В соответствии с влиянием легирующих элементов на аллотропические превращения титановые сплавы классифицируются по структуре следующим образом:

1) а-титановые сплавы, структура которых состоит из α-фазы (например, сплав ВТ5-1);

2) α+ß - сплавы, в структуре которых присутствуют обе фазы (ВТЗ-1, ВТ6);

3) ß - сплавы, структура которых состоит из механически стабильной ß - фазы (ВТ15); двухфазные (α+ß)-сплавы и ß - сплавы в отличие от α-сплавов упрочняются термической обработкой.

Сплавы титана обладают не только более высокой механической прочностью, но и большей коррозионной стойкостью, чем чистый титан. Титан и его сплавы хорошо поддаются горячей и холодной обработке давлением, хорошо свариваются в инертной среде, но обладают низкими антифрикционными свойствами и, сравнительно со сталью, хуже обрабатываются резанием.

Сплавы титана широко применяют в авиационной и ракетной технике, в химической промышленности, цветной металлургии и других отраслях, где использование титановых сплавов определяется их ценными антикоррозионными свойствами. Так, титановые теплообменники, работающие в азотной кислоте, имеют скорость коррозии в 60 раз меньшую, чем аналогичные теплообменники из нержавеющей стали. Из титана изготавливают оборудование для хлорной промышленности, гребные винты и т.п.

Титан (Ti) (Titanium) - химический элемент с порядковым номером 22 в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, атомный вес 47, 88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4, 51 г/с м³, tпл.=1668+ (-)5°С, tкип.=3260°С.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышением температуры до 350°С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана - существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивлеиие, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8 до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0, 45 К он становится сверхпроводником.

Титан - парамагнитный металл. У парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила - его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Для технического титана марок ВТ-00 и ВТ1-0 плотность приблизительно 4, 32 г/с м³. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапозоне температур (от -290°С до 600°С).

Металл обладает рядом полезных свойств, делающих его одним из основных материалов в отдельных отраслях промышленности. Титановый прокат используется в ракетостроение и авиастроение, химической промышленности, судостроение, машиностроение

Так например, титановый лист и титановый пруток применяется при создании корпусов атомных подводных лодок;
титановые трубы используются в химической промышленности вследствие их высоких антикоррозионных характеристик и химической инертности к реактивам;
титановая проволока используется как присадочная проволока для создания каркасов, форм, корпусов изтитановых сплавов стратегического назначения.

Титановая проволока часто используется в медицинской промышленности, в частности стоматологии. К полезным свойствам продукции из титанового проката можно отнести высокую механическую прочность, коррозионную стойкость (стоек во многих химически активных средах), жаропрочность (t пл = 1668 °С), а также малую плотность (4, 505 г/см 3). Основные физические и химические свойства титана можно посмотреть в данной таблице. Но титан имеет и свои недостатки. Одним из основных недостатков является высокая стоимость производства. Плавка титана может осуществляться только в вакууме или среде инертных газов, т.к. данный металл активно взаимодействует (особенно в жидком состоянии) со всеми газами, составляющими атмосферу. Также титановая продукция имеет плохие антифрикционные свойства, высокую склонность к водородной хрупкости и солевой коррозии, плохую обрабатываемость резанием и свариваемость.

Основой производства технического титана и его сплавов служит титановая губка, получаемая магниетермическим методом. Титановая губка - пористое серое вещество с насыпной массой 1, 5-2, 0 г/см 3 и очень высокой вязкостью.

В зависимости от содержания примесей технический титан разделяют на несколько сортов:GR1 (самый чистый титан),GR2 (более загрязненный).

Сплавы титана

По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой мехнической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах (см. рис.2). Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.

Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостоении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид титана обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид титана - важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов

В настоящее время известно довольно большое разнообразие титановых сплавов, отличающихся по химическому составу, механическим и технологическим свойствам. Наиболее употребляемые легирующие элементы в титановых сплавах: алюминий, ванадий, молибден, марганец, хром, кремний, олово, цирконий, железо.

Титановый сплав ВТ5 содержит помимо титана 5% алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается.

Из титана (сплава) ВТ5 получают титановые прутки, титановая проволока и титановые трубы. Его применяют при изготовлении деталей, работающих при температуре до 400 °С.

Сплав титана ВТ5-1 помимо 5% алюминия содержит 2-3% олова. Олово улучшает его технологические свойства. Изтитанового сплава ВТ5-1 изготовляют все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением: титановые листы, плиты, поковки, штамповки, профили, титановые трубы и титановая проволока. Он предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных до 450 °С.

Титановые сплавы ОТ4 и ОТ4-1 помимо титана содержат алюминий и марганец. Они обладают высокой технологической пластичностью (хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии) и хорошо свариваются всеми видами сварки. Титан данных марок идеет в основном на изготовление титановых листов, лент и полос, а также изготовляются титановые прутки, поковки, профили и титановые трубы. Из титановых сплавов ОТ4 иОТ4-1 изготовляют с применением сварки, штамповки и гибки детали, работающие до температуры 350 °С. Данные сплавы имеют недостатки: 1) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; 2) большая склонность к водородной хрупкости. В сплаве ПТ3В марганец заменяется на ванадий.

Титановый сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный листовой сплав по сравнению с ВТ5-1. Упрочнение сплаваВТ20 обусловлено его легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия. Титан ВТ20 отличается высокой жаропрочностью. Он хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 500 °С.

Титановый сплав ВТ3-1 относится к системе Ti - Al - Cr - Mo - Fe - Si. Он обычно подвергается изотермическому отжигу. Такой отжиг обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. СплавВТ3-1 относится к числу наиболее освоенных в производстве сплавов. Он предназначен для длительной работы при 400 - 450 °С; это жаропрочный сплав с довольно высокой длительной прочностью. Из него поставляют титановые прутки, профили, плиты, поковки, штамповки.

Титан и его сплавы

Плавится титан при температуре 1660°С, аллотропичен, вредные примеси N, C, O, H. Пленка TiO2 защищает титан от окисления, коррозии в любой воде, некоторых кислотах. Он плавится, льется, сваривается в среде аргона, подвергается ОМД. Из титана изготавливают лист, трубы, профиль, проволоку. Сплавы его с Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si, Ga, Ge, La, Nb, Ta, Zr, W, Mo, Co, Si, имеют повышенную прочность, жаропрочность, коррозионную стойкость.Титановые сплавы термообрабатываются.

Титановые сплавы деформируются, льются, изготавливаются из порошков, закаливаются, отпускаются, хорошо мехобрабатываются.

Деформируемые сплавы титана:

− ά – сплавы: ВТ5, ВТ-5-1, ОТ-4;

− ά – β сплавы: ВТ-6, ВТ14, ВТ8; ВТ15

Литейные сплавы: ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, ВТ3-1Л

Порошковые сплавы титана получают из порошков прессованием, они прочны, пластичны.

Из титановых сплавов изготавливают обшивку самолетов, морских судов, подводных лодок, корпуса ракет, двигателей, деталей турбин, компрессоров, гребные винты, баллоны для сжиженных газов, емкости для химических средств и много других изделий. Титановые сплавы можно подвергать, отжигу, закалке, старению и ХТО. Отжиг α – сплавов проводят при 800 – 850 0С, а α + β – сплавов – при 750 -800 0С. Вакуумный отжиг позволяет уменьшить содержание водорода, что приводит к повышению ударной вязкости, уменьшению разрушений и растрес- кивания.

При высокой концентрации легирующего элемента и закалке возникает мартенситная α׀׀ – фаза с ромбической решеткой и ω – фаза с гексагональной структурой. В процессе старения закаленных сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом α׀׀ и β – фаз. Деформируемые сплавы титана хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, свариваются, обладают высокой сопротивляемости коррозии.

Характерные особенности титана – малая плотность 4,51 кг/дм3 , высокая прочность, которая сохраняется до 6000С, коррозионная стойкость. Они определяют область его применения. Титановые сплавы сочетают высокую прочность (σВ= 800-1500 МПа) с хорошей пластичностью (δ= 12- 25%), относительно хорошую жаропрочность до 600- 7000С, высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах кроме HCL, HF. α- титановые сплавы не стареют и используются в криогенных установках до гелиевых температур (-2720С). Одним из недостатков титановых сплавов является их плохая обрабатываемость режущим инструментом.

Титан. Изобретение титана. Титан и его сплавы.

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана.

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в природных рудах 73,99%. Титан и другие элементы подгруппы IVВ очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ – ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместе с этими элементами. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди- три- и, тетрасоединения, с серой и элементами ее группы (селеном, теллуром) – моно- и дисульфиды, с кислородом – оксиды, диоксиды и триоксиды.

Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами – интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами. Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных – золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности и прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте. Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан – легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит.). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза–железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5–2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электрическим сопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия – 60, железа и платины –15, а титана–всего 3,8. Титан – парамагнитный металл, он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве. Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 - у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан – плохой проводник электричества и тепла.

Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы. В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая масса деталей из титановых сплавов составляет 2570 кг. Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.
Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для изготовления броневых плит, хирургического инструмента, хирургических имплантатов, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), деталей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.

Титан и его сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в атм. условиях, пресной и морской воде, растворах большинства хлоридов, гипохлоритов, двуокиси хлора и мн. солей минеральных к-т как при обычной, так и при повышенных темп-рах. Высокой коррозионной стойкостью титан и его сплавы обладают также в кислых окислит. средах (азотная и хромовая к-ты и др.) и в растворе щелочей. В неокислит, кислотах (серной, соляной) титан имеет удовлетворит. коррозионную стойкость при обычных темп-pax и концентрации к-т до 8- 10%. С повышением темп-ры, концентрации к-т и щелочей скорость коррозии титана резко возрастает. Для серной к-ты наблюдаются два максимума скорости коррозии, соответствующие 40- и 75%-ной концентрации. В 40%-ной серной к-те процесс коррозии идет с выделением водорода, такая к-та характеризуется наибольшей электропроводностью и максим, концентрацией водородных ионов. В 75%-ном растворе процесс коррозии сопровождается восстановлением серной к-ты до H3S и свободной серы, а при высоких концентрациях (80- 90 %) выделяются S02 и свободная сера. В фосфорной к-те титан относительно более стоек и сохраняет высокую коррозионную стойкость до 30%-ного раствора, с повышением концентрации скорость коррозии усиливается. Добавки окислителей (K2Cr207; HNOs; Fe+ + + ; Си + +) резко снижают скорость коррозии титана и его сплавов в соляной и серной к-тах.

Титана: α-титан - гексагональная, β-титан - кубическая...

Титан занимает 4-е место по распространению в производстве, но эффективная технология его извлечения была разработана только в 40-х гг прошлого века. Это металл серебристого цвета, характеризующийся небольшой удельной массой и уникальными характеристиками. Для анализа степени распространения в промышленности и других сферах необходимо озвучить свойства титана и области применения его сплавов.

Основные характеристики

Металл обладает малой удельной массой – всего 4.5 г/см³. Антикоррозийные качества обусловлены устойчивой оксидной пленкой, образующейся на поверхности. Благодаря этому качеству титан не изменяет своих свойств при длительном нахождении в воде, соляной кислоте. Не возникают поврежденные участки из-за воздействия напряжения, что является основной проблемой стали.

В чистом виде титан обладает следующими качествами и характеристиками:

номинальная температура плавления — 1 660°С;
при термическом воздействии +3 227°С закипает;
предел прочности при растяжении – до 450 МПа;
характеризуется небольшим показателем упругости – до 110,25 ГПа;
по шкале НВ твердость составляет 103;
предел текучести один из самых оптимальных среди металлов – до 380 Мпа;
теплопроводность чистого титана без добавок – 16,791 Вт/м*С;
минимальный коэффициент термического расширения;
этот элемент является парамагнитом.

Для сравнения, прочность этого материала в 2 раза больше, чем у чистого железа и в 4 раза такого же показателя алюминия. Также титан имеет две полиморфные фазы – низкотемпературную и высокотемпературную.

Для производственных нужд чистый титан не применяется из-за его дороговизны и требуемых эксплуатационных качеств. Для повышения жесткости в состав добавляют оксиды, гибриды и нитриды. Реже изменяют характеристики материала для улучшения стойкости к коррозии. Основные виды добавок для получения сплавов: сталь, никель, алюминий. В некоторых случаях он выполняет функции дополнительного компонента.

Области применения

Благодаря небольшой удельной массе и прочностным параметрам титан широко используется в авиационной и космической промышленности. Его применяют в качестве основного конструкционного материала в чистом виде. В особых случаях за счет уменьшения жаропрочности делают более дешевые сплавы. При этом его сопротивление коррозии и механическая прочность остаются неизменными.

Кроме этого, материал с добавками титана нашел применение в следующих областях:

Химическая промышленность. Его стойкость практически ко всем агрессивным средам, кроме органических кислот, позволяет изготавливать сложное оборудование с хорошими показателями безремонтного срока службы.
Производство транспортных средств. Причина – небольшая удельная масса и механическая прочность. Из него делают каркасы или несущие элементы конструкций.
Медицина. Для особых целей применяется специальный сплав нитинол (титан и никель). Его отличительное свойство – память формы. Для уменьшения нагрузки пациентов и минимизации вероятности негативного воздействия на организм многие медицинские шины и подобные им устройства делают из титана.
В промышленности металл применяется для изготовления корпусов и отдельных элементов оборудования.
Ювелирные украшения из титана обладают уникальным внешним видом и качествами.

В большинстве случаев материал обрабатывается в заводских условиях. Но есть ряд исключений – зная свойства этого материала, часть работ по изменению внешнего вида изделия и его характеристик можно выполнять в домашней мастерской.

Особенности обработки

Для придания изделию нужной формы необходимо использовать специальное оборудование – токарный и фрезерный станок. Ручное резание или фрезеровка титана невозможна из-за его твердости. Помимо выбора мощности и других характеристик оборудования необходимо правильно подобрать режущие инструменты: фрезы, резцы, развертки, сверла и т.д.

При этом учитываются такие нюансы:

Титановая стружка легко воспламеняется. Необходимо принудительное охлаждение поверхности детали и работа на минимальных скоростях.
Гибка изделия выполняется только после предварительного разогрева поверхности. В противном случае велика вероятность появления трещин.
Сварка. Обязательно соблюдение особых условий.

Титан – уникальный материал с хорошими эксплуатационными и техническими качествами. Но для его обработки следует знать специфику технологии, а главное – технику безопасности.

Краткие обозначения:
σ в	- временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа	ε	- относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ 0,05	- предел упругости, МПа	J к	- предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ 0,2	- предел текучести условный, МПа	σ изг	- предел прочности при изгибе, МПа
δ 5 ,δ 4 ,δ 10	- относительное удлинение после разрыва, %	σ -1	- предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа
σ сж0,05 и σ сж	- предел текучести при сжатии, МПа	J -1	- предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа
ν	- относительный сдвиг, %	n	- количество циклов нагружения
s в	- предел кратковременной прочности, МПа	R и ρ	- удельное электросопротивление, Ом·м
ψ	- относительное сужение, %	E	- модуль упругости нормальный, ГПа
KCU и KCV	- ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2	T	- температура, при которой получены свойства, Град
s T	- предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа	l и λ	- коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)
HB	- твердость по Бринеллю	C	- удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T), [Дж/(кг·град)]
HV	- твердость по Виккерсу	p n и r	- плотность кг/м 3
HRC э	- твердость по Роквеллу, шкала С	а	- коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T), 1/°С
HRB	- твердость по Роквеллу, шкала В	σ t Т	- предел длительной прочности, МПа
HSD	- твердость по Шору	G	- модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

/моль)

История

Открытие диоксида титана (TiO 2) сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот . У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, ), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 году немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля - оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз: французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз - идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году швед Й. Я. Берцелиус . Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI 4 .

Титан не находил промышленного применения, пока люксембуржец Г. Кролл (англ.) русск. в 1940 году не запатентовал простой магниетермический метод восстановления металлического титана из тетрахлорида ; этот метод (процесс Кролла (англ.) русск. ) до настоящего времени остаётся одним из основных в промышленном получении титана.

Происхождение названия

Металл получил своё название в честь титанов , персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи . Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном .

Нахождение в природе

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре - 0,57 % по массе, в морской воде - 0,001 мг/л . В ультраосновных породах 300 г/т , в основных - 9 кг/т , в кислых 2,3 кг/т , в глинах и сланцах 4,5 кг/т . В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al 2 O 3 . Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов . До 30 % TiO 2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO 2 , ильменит FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , перовскит CaTiO 3 , титанит (сфен) CaTiSiO 5 . Различают коренные руды титана - ильменит-титаномагнетитовые и россыпные - рутил-ильменит-цирконовые .

Месторождения

Крупные коренные месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Канады, США, Китая, Норвегии, Швеции, Египта, Австралии, Индии, Южной Кореи, Казахстана; россыпные месторождения имеются в Бразилии, Индии, США, Сьерра-Леоне, Австралии . В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5 %) и Украина (40,2 %) . Крупнейшее месторождение в России - Ярегское .

Запасы и добыча

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO 2 . Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603-673 млн т., а рутиловых - 49,7-52,7 млн т . Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 % .

Крупнейший в мире производитель титана - российская компания «ВСМПО-АВИСМА » .

Получение

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак , получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки - порошок диоксида титана TiO 2 . Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором , получая пары тетрахлорида титана TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O {\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2C+2Cl_{2}\rightarrow TiCl_{4}+2CO}}}

Образующиеся пары TiCl 4 при 850 °C восстанавливают магнием :

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i {\displaystyle {\mathsf {TiCl_{4}+2Mg\rightarrow 2MgCl_{2}+Ti}}}

Кроме этого, в настоящее время начинает получать популярность так называемый процесс FFC Cambridge, названный по именам его разработчиков Дерека Фрэя, Тома Фартинга и Джорджа Чена из Кембриджского университета , где он был создан. Этот электрохимический процесс позволяет осуществлять прямое непрерывное восстановление титана из оксида в расплаве смеси хлорида кальция и негашёной извести (оксида кальция). В этом процессе используется электролитическая ванна, наполненная смесью хлорида кальция и извести, с графитовым расходуемым (либо нейтральным) анодом и катодом, изготовленным из подлежащего восстановлению оксида. При пропускании через ванну тока температура быстро достигает ~1000-1100 °C, и расплав оксида кальция разлагается на аноде на кислород и металлический кальций :

2 C a O → 2 C a + O 2 {\displaystyle {\mathsf {2CaO\rightarrow 2Ca+O_{2}}}}

Полученный кислород окисляет анод (в случае использования графита), а кальций мигрирует в расплаве к катоду, где и восстанавливает титан из его оксида:

O 2 + C → C O 2 {\displaystyle {\mathsf {O_{2}+C\rightarrow CO_{2}}}} T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O {\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2Ca\rightarrow Ti+2CaO}}}

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций, и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода. При использовании инертного анода (например, диоксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярного хлора .

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом , выделяя Ti из TiCl 4 . Для получения титановых слитков применяют дуговую, электронно-лучевую или плазменную переработку.

Физические свойства

Титан - лёгкий серебристо-белый металл . При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α -Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония , пространственная группа C 6mmc , параметры ячейки a = 0,2953 нм , c = 0,4729 нм , Z = 2 ) и высокотемпературный β -Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония , пространственная группа Im 3m , параметры ячейки a = 0,3269 нм , Z = 2 ), температура перехода α↔β 883 °C, теплота перехода ΔH =3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг ). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β -фазу и снижают температуру перехода α↔β . При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω -Ti) . Плотность α -Ti и β -Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C) . Атомная плотность α-титана 5,67⋅10 22 ат/см³ .

Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90 (англ.) русск. ) . Температура кипения 3287 °C . При достаточно низкой температуре (-80°C) , титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях C p = 25,060 кДж/(моль·K) , что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K) . Теплота плавления 15 кДж/моль , теплота испарения 410 кДж/моль . Характеристическая дебаевская температура 430 К . Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C . Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10 −6 К −1 в интервале от −120 до +860 °C . Молярная энтропия α -титана S 0 = 30,7 кДж/(моль·К) . Для титана в газовой фазе энтальпия формирования ΔH 0
f = 473,0 кДж/моль , энергия Гиббса ΔG 0
f = 428,4 кДж/моль , молярная энтропия S 0 = 180,3 кДж/(моль·К) , теплоёмкость при постоянном давлении C p = 24,4 кДж/(моль·K)

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки . Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790-800 МПа , модуль нормальной упругости 103 ГПа , модуль сдвига 39,2 ГПа . У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140-170 МПа, относительное удлинение 55-70%, твёрдость по Бринеллю 716 МПа .

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок .

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO 2 , благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Химические свойства

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона 2− . Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотная пассивная пленка из оксидов и гидрида титана. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости титана заметно при повышении содержания воды в агрессивной среде с 0,5 до 8,0 %, что подтверждается электрохимическими исследованиями электродных потенциалов титана в растворах кислот и щелочей в смешанных водно-органических средах .

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiO x . Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO 2 . Гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O и диоксид TiO 2 амфотерны .

При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC.

Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении.
Металл применяется в химической промышленности (реакторы , трубопроводы , насосы , трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.
Титан является физиологически инертным , благодаря чему применяется в медицине (протезы, остеопротезы, зубные имплантаты), в стоматологических и эндодонтических инструментах, украшениях для пирсинга .
Титановое литьё выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литьё по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве .
Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов [каких? ] .
Нитинол (никель-титан) - сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.
Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что, в свою очередь, определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
Титан является одним из наиболее распространённых

Титан (Titanium),Ti,- химический элемент IV группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Порядковый номер 22, атомный вес 47,90. Состоит из 5 устойчивых изотопов; получены также искусственно радиоактивные изотопы.

В 1791 году английский химик У. Грегор нашёл в песке из местечка Менакан (Англия, Корнуолл) новую «землю», названную им менакановой. В 1795 году немецкий химик М. Клаирот открыл в минерале рутиле неизвестную еще землю, металл которой он назвал Титан [в греч. мифологии титаны - дети Урана (Неба) и Геи (Земли)]. В 1797 году Клапрот доказал тождество этой земли с открытой У. Грегором. Чистый титан выделен в 1910 году американским химиком Хантером посредством восстановления четырёххлористого титана натрием в железной бомбе.

Нахождение в природе

Титан относится к числу наиболее распространённых в природе элементов, его содержание в земной коре составляет 0,6% (весовых). Встречается главным образом в виде двуокиси TiO 2 или её соединений - титанатов. Известно свыше 60 минералов, в состав которых входит титан Он содержится также в почве, в животных и растительных организмах.Ильменит FeTiO 3 ирутил TiO 2 служат основным сырьём для получения титана. В качестве источника титана приобретают значение шлаки от плавкититано-магнетитов и ильменита.

Физические и химические свойства

Титан существует в двух состояниях: аморфный - темносерый порошок, плотность 3,392-3,395г/см 3 , и кристаллический, плотность 4,5 г/см 3 . Для кристаллического титана известны две модификации с точкой перехода при 885° (ниже 885° устойчивая гексагональная форма, выше - кубическая); t° пл около 1680°;t° кип выше 3000°. Титан активно поглощает газы (водород, кислород, азот), которые делают его очень хрупким. Технический металл поддаётся горячей обработке давлением. Совершенно чистый металл может быть прокатан на холоду. На воздухе при обыкновенной температуре титан не изменяется, при накаливании образует смесь окисиTi 2 O 3 и нитридаTiN. В токе кислорода при красном калении окисляется до двуокисиTiO 2 . При высоких температурах реагирует с углеродом, кремнием, фосфором, серой и др. Устойчив к морской воде, азотной кислоте, влажному хлору, органическим кислотам и сильным щелочам. Растворяется в серной, соляной и плавиковой кислотах, лучше всего - в смесиHFиHNO 3 . Добавление к кислотам окислителя предохраняет металл от коррозии при комнатной температуре. Галогениды четырёхвалентного титана, за исключениемTiCl 4 - кристаллические тела, легкоплавкие и летучие в водном растворе гидрализованы, склонны к образованию комплексных соединений, из которых в технологии и аналитической практике имеет значение фтортитанат калияK 2 TiF 6 . Важное значение имеют карбидTiCи нитридTiN- металлоподобные вещества, отличающиеся большой твёрдостью (карбид титан тверже карборунда), тугоплавкостью (TiC,t° пл = 3140°; TiN,t° пл = 3200°) и хорошей электропроводностью.

Химический элемент №22. Титан.

Электронная формула титана имеет вид: 1s 2 |2s 2 2p 6 |3s 2 3p 6 3d 2 |4s 2 .

Порядковый номер титана в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева – 22. Номер элемента обозначает заряд ярда, следовательно у титана заряд ядра - +22, масса ядра – 47,87. Титан находится в четвертом периоде, в побочной подгруппе. Номер периода указывает на количество электронных слоев. Номер группы обозначает количество валентных электронов. Побочная подгруппа указывает на то, что титан относится к d-элементам.

Титан имеет два валентных электрона на s-орбитали внешнего слоя и два валентных электрона наd-орбитали предвнешнего слоя.

Квантовые числа для каждого валентного электрона:

4s4s

С галогенами и водородом Ti(IV) образует соединения видаTiX 4 , имеющиеsp 3 →q 4 вид гибридизации.

Титан – металл. Является первым элементом d-группы. Наиболее устойчивым и распространенным являетсяTi +4 . Так же существуют соединения с более низкими степенями окисления –Ti 0 ,Ti -1 ,Ti +2 ,Ti +3 , но эти соединения легко окисляются воздухом, водой или другими реагентами вTi +4 . Отрыв четырех электронов требует больших затрат энергии, поэтому ионTi +4 реально не существует и соединенияTi(IV) обычно включают связи ковалентного характера.Ti(IV) в некоторых отношениях сходен с элементами –Si,Ge,SnиPb, особенно сSn.