Титан как металл. Металл титан

Титан в виде оксида (IV) был открыт английским любителем-минералогом У. Грегором в 1791 году в магнитных железистых песках местечка Менакан (Англия); в 1795 году немецкий химик М. Г. Клапрот установил, что минерал рутил представляет собой природный оксид этого же металла, названного им "титаном" [в греческой мифологии титаны - дети Урана (Неба) и Геи (Земли)]. Выделить Титан в чистом виде долго не удавалось; лишь в 1910 году американский ученый М. А. Хантер получил металлический Титан нагреванием его хлорида с натрием в герметичной стальной бомбе; полученный им металл был пластичен только при повышенных температурах и хрупок при комнатной из-за высокого содержания примесей. Возможность изучать свойства чистого Титана появилась только в 1925, когда нидерландские ученые А. Ван-Аркел и И. де Бур методом термической диссоциации иодида титана получили металл высокой чистоты, пластичный при низких температурах.

Распространение Титана в природе. Титан - один из распространенных элементов, среднее содержание его в земной коре (кларк) составляет 0,57% по массе (среди конструкционных металлов по распространенности занимает 4-е место, уступая железу, алюминию и магнию). Больше всего Титана в основных породах так называемых "базальтовой оболочки" (0,9%), меньше в породах "гранитной оболочки" (0,23%) и еще меньше в ультраосновных породах (0,03%) и др. К горным породам, обогащенным Титаном, относятся пегматиты основных пород, щелочные породы, сиениты и связанные с ними пегматиты и другие. Известно 67 минералов Титан, в основном магматического происхождения; важнейшие - рутил и ильменит.

В биосфере Титан в основном рассеян. В морской воде его содержится 10 -7 %; Титан - слабый мигрант.

Физические свойства Титана. Титан существует в виде двух аллотропических модификаций: ниже температуры 882,5 °С устойчива α-форма с гексагональной плотноупакованной решеткой (а = 2,951Å, с = 4,679Å), a выше этой температуры - β-форма с кубической объемноцентрированной решеткой а = 3,269Å. Примеси и легирующие добавки могут существенно изменять температуру α/β превращения.

Плотность α-формы при 20°С 4,505 г/см 3 , a при 870°С 4,35 г/см 3 ; β-формы при 900°С 4,32 г/см 3 ; атомный радиус Ti 1,46 Å, ионные радиусы Ti + 0,94 А, Ti 2+ 0,78 Å, Ti 3+ 0,69 Å, Ti 4+ 0,64 Å; Т пл 1668 °С, Т кип 3227 °С; теплопроводность в интервале 20-25°С 22,065 вт/(м·К) ; температурный коэффициент линейного расширения при 20°С 8,5·10 -6 , в интервале 20-700°С 9,7·10 -6 ; теплоемкость 0,523 кдж/(кг·К) ; удельное электросопротивление 42,1·10 -6 ом·см при 20 °С; температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С; обладает сверхпроводимостью ниже 0,38 К. Титан парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,2·10 -6 при 20 °С. Предел прочности 256 Мн/м 2 (25,6 кгс/мм 2), относительное удлинение 72% , твердость по Бринеллю менее 1000 Мн/м 2 (100 кгс/мм 2). Модуль нормальной упругости 108 000 Мн/м 2 (10 800 кгс/мм 2). Металл высокой степени чистоты ковок при обычной температуре.

Применяемый в промышленности технический Титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865-920 °С. Для технического Титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность около 4,32 г/см 3 , предел прочности 300-550 Мн/м 2 (30-55кгс/мм 2), относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м 2 (115-165 кгс/мм 2). Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d 2 4s 2 .

Химические свойства Титана. Чистый Титан - химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления +4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500-550 °С коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной оксидной пленки.

С кислородом воздуха заметно взаимодействует при температуре выше 600 °С с образованием ТiO 2 . Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении окисной пленки путем удара или трения возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках.

Оксидная пленка не защищает Титан в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), и поэтому его плавка и сварка должны проводиться в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Титан обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практическое использования; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при 400 °С и выше. Растворимость водорода в Титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме. С азотом Титан реагирует при температуре выше 700 °С, причем получаются нитриды типа TiN; в виде тонкого порошка или проволоки Титан может гореть в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в Титане значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными твердостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий путем травления или механической обработки. Титан энергично взаимодействует с сухими галогенами, по отношению к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора.

Металл устойчив в азотной кислоте всех концентраций (за исключением красной дымящейся, вызывающей коррозионное растрескивание Титана, причем реакция иногда идет со взрывом), в слабых растворах серной кислоты (до 5% по массе). Соляная, плавиковая, концентрированная серная, а также горячие органических кислоты: щавелевая, муравьиная и трихлоруксусная реагируют с Титаном.

Титан коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумагоделательной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии. Титан образует с С, В, Se, Si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твердостью. Карбид TiC (t пл 3140 °С) получают нагреванием смеси TiO 2 с сажей при 1900-2000 °С в атмосфере водорода; нитрид TiN (t пл 2950 °С) - нагреванием порошка Титан в азоте при температуре выше 700 °С. Известны силициды TiSi 2 , TiSi и бориды TiB, Ti 2 B 5 , TiB 2 . При температуpax 400-600 °C Титан поглощает водород с образованием твердых растворов и гидридов (TiH, TiH 2). При сплавлении TiO 2 со щелочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (например, Na 2 TiO 3 и Na 4 TiO 4), а также полититанаты (например, Na 2 Ti 2 O 5 и Na 2 Ti 3 O 7). К титанатам относятся важнейшие минералы Титана, например, ильменит FeTiO 3 , перовскит CaTiO 3 . Все титанаты малорастворимы в воде. Оксид Титана (IV), титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат TiOSO 4 . При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается Н 2 ТiO 3 , из которой получают оксид Титана (IV). При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения Ti (IV), образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава Н 4 ТiO 5 и H 4 TiO 8 и соответствующие им соли; эти соединения окрашены в желтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации Титана), что используется для аналитического определения Титана.

Получение Титана. Наиболее распространенным методом получения металлического Титана является магниетермический метод, то есть восстановление тетрахлорида Титана металлическим магнием (реже - натрием):

TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2 .

В обоих случаях исходным сырьем служат оксидные руды Титана - рутил, ильменит и другие. В случае руд типа ильменитов Титан в форме шлака отделяется от железа путем плавки в электропечах. Шлак (так же, как рутил) подвергают хлорированию в присутствии углерода с образованием тетрахлорида Титана, который после очистки поступает в восстановительный реактор с нейтральной атмосферой.

Титан по этому процессу получается в губчатом виде и после измельчения переплавляется в вакуумных дуговых печах на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав. Магниетермический метод позволяет создать крупное промышленное производство Титана с замкнутым технологическим циклом, так как образующийся при восстановлении побочный продукт - хлорид магния направляется на электролиз для получения магния и хлора.

В ряде случаев для производства изделий из Титана и его сплавов выгодно применять методы порошковой металлургии. Для получения особо тонких порошков (например, для радиоэлектроники) можно использовать восстановление оксида Титана (IV) гидридом кальция.

Применение Титана. Основные преимущества Титана перед другими конструкционными металлами: сочетание легкости, прочности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы по абсолютной, а тем более по удельной прочности (т. е. прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство сплавов на основе других металлов (например, железа или никеля) при температурах от -250 до 550 °С, а по коррозионности они сравнимы со сплавами благородных металлов. Однако как самостоятельный конструкционный материал Титан стал применяться только в 50-е годы 20 века в связи с большими техническими трудностями его извлечения из руд и переработки (именно поэтому Титан условно относили к редким металлам). Основная часть Титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Сплавы Титана с железом, известные под названием "ферротитан" (20-50% Титана), в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем.

Технический Титан идет на изготовление емкостей, химические реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и других изделий, работающих в агрессивных средах, например, в химическом машиностроении. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из Титана. Он служит для покрытия изделий из стали. Использование Титана дает во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). Биологическая безвредность Титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии. В условиях глубокого холода прочность Титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Титан хорошо поддается полировке, цветному анодированию и других методам отделки поверхности и поэтому идет на изготовление различных художественных изделий, в т. ч. и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли. Из соединений Титана практическое значение имеют оксиды, галогениды, а также силициды, используемые в технике высоких температур; бориды и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид Титана, обладающий высокой твердостью, входит в состав инструментальных твердых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала.

Оксид титана (IV) и титанат бария служат основой титановой керамики, а титанат бария - важнейший сегнетоэлектрик.

Титан в организме. Титан постоянно присутствует в тканях растений и животных. В наземных растениях его концентрация - около 10 -4 % , в морских - от 1,2·10 -3 до 8·10 -2 %, в тканях наземных животных - менее 2·10 -4 %, морских - от 2·10 -4 до 2·10 -2 %. Накапливается у позвоночных животных преимущественно в роговых образованиях, селезенке, надпочечниках, щитовидной железе, плаценте; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление Титана с продуктами питания и водой составляет 0,85 мг; выводится с мочой и калом (0,33 и 0,52 мг соответственно).

НАПИШИТЕ НАМ СЕЙЧАС!

ЖМИТЕ НА КНОПКУ В ПРАВОМ НИЖНЕМ УГЛУ ЭКРАНА, ПИШИТЕ И ПОЛУЧИТЕ ЕЩЕ ЛУЧШУЮ ЦЕНУ!

Компания «ПерфектМеталл» закупает, наряду с другими металлами, лом титана. Любые пункты приема металлолома компании примут у вас титан, изделия из сплавов титана, титановую стружку и т.п. Откуда титан попадает в пункты сдачи металлолома? Все очень просто, этот металл нашел очень широкое применение как в промышленных целях, так и в быту человека. Сегодня этот металл используется при строительстве космических и военных ракет, много его используется и в самолетостроении. Из титана строят прочные и легкие морские суда. Химическая промышленность, ювелирное дело, не говоря уже об очень широком применении титана в медицинской промышленности. И все это из за того, что титан и его сплавы обладают рядом уникальных свойств.

Титан – описание и свойства

Земная кора, как известно, насыщенна многочисленным рядом химических элементов. Среди часто встречающихся среди них — титан. Можно сказать, что он находится на 10-м месте ТОПа самых распространенных хим элементов Земли. Титан - металл серебристо-белого цвета, стоек ко многим агрессивным средам, не подвержен окислению в ряде мощнейших кислот, исключениями являются лишь плавиковая, ортофосфорная серная кислота в высокой концентрации. Титан в чистом виде относительно молод, его получили лишь в 1925 году.

Пленка оксида, которая покрывает титан в чистом виде, служит весьма надежной защитой этого металла от коррозии. Ценится титан и за его низкую теплопроводность, для сравнения — титан в 13 раз хуже проводит тепло чем алюминий, а вот с проводимостью электричества обратная картина — титан обладает гораздо большим сопротивлением. Все же самой главная отличительная черта титана — его колоссальная прочность. Опять же если сравнить ее теперь с чистым железом, то титан в два раза превышает его прочность!

Сплавы титана

Сплавы из титана обладают так же выдающимися свойствами, среди которых на первом месте, как вы уже могли догадаться — прочность. Как конструкционный материал, титан уступает в прочности лишь бериллиевым сплавам. Однако неоспоримым преимуществом сплавов титана является их высокая стойкость к истиранию, износу и в то же время достаточная пластичность.

Титановые сплавы устойчивы к воздействию целого ряда активных кислот, солей, гидроксидов. Эти сплавы не боятся и высокотемпературных воздействий, именно поэтому из титана и его сплавов изготавливают турбины реактивных двигателей, да и вообще широко используются в ракетостроении и авиационной промышленности.

Где используется титан

Титан используется там, где необходим очень прочный материал, обладающий максимальной стойкостью к различным видам негативного воздействия. Например, в химической промышленности титановые сплавы применяются для производства насосов, емкостей и трубопроводов для транспортировки агрессивных жидкостей. В медицине титан служит для протезирования и обладает отличной биологической совместимостью с организмом человека. Кроме того, сплав титана и никеля – нитинол – обладает “памятью”, что позволяет использовать его в ортопедической хирургии. В металлургии титан служит легирующим элементом, который вводят в состав некоторых видов стали.

Благодаря сохранению пластичности и прочности под воздействием низких температур, металл используют в криогенной технике. В авиа- и ракетостроении титан ценится за свою жаропрочность, а наиболее широкое распространение здесь получил его сплав с алюминием и ванадием: именно из него изготавливают детали для корпусов летательных аппаратов и реактивных двигателей.

В свою очередь, в судостроении титановые сплавы применяют для изготовления металлических изделий с повышенной коррозийной устойчивостью. Но, помимо промышленного использования, титан служит сырьем для создания украшений и аксессуаров, так как он хорошо поддается таким методам обработки, как полировка или анодирование. В частности, из него отливают корпуса наручных часов и ювелирные украшения.

Титан получил широкое применение в составе различных соединений. Например, диоксид титана входит в состав красок, используется в процессе производства бумаги и пластика, а нитрид титана выступает в роли защитного покрытия инструментов. Несмотря на то, что титан называют металлом будущего, на данном этапе сфера его применения серьезно ограничена высокой стоимостью получения.

Таблица 1

Химический состав промышленных титановых сплавов.
Тип сплава	Марка сплава	Химический состав, % (остальное Ti)
		Аl	V	Mo	Mn	Cr	Si	Другие элементы
a	ВТ5 ВТ5-1	4,3-6,2 4,5-6,0	— —	— —	— —	— —	— —	— 2-3Sn
Псевдо-a	ОТ4-0 ОТ4-1 ОТ4 ВТ20 ВТ18	0,2-1,4 1,0-2,5 3,5-5,0 6,0-7,5 7,2-8,2	— — — 0,8-1,8 —	— — — 0,5-2,0 0,2-1,0	0,2-1,3 0,7-2,0 0,8-2,0 — —	— — — — —	— — — — 0,18-0,5	— — — 1,5-2,5Zr 0,5-1,5Nb 10-12Zr
a + b	ВТ6С ВТ6 ВТ8 ВТ9 ВТ3-1 ВТ14 ВТ16 ВТ22	5,0-6,5 5,5-7,0 6,0-7,3 5,8-7,0 5,5-7,0 4,5-6,3 1,6-3,0 4,0-5,7	3,5-4,5 4,2-6,0 — — — 0,9-1,9 4,0-5,0 4,0-5,5	— — 2,8-3,8 2,8-3,8 2,0-3,0 2,5-3,8 4,5-5,5 4,5-5,0	— — — — — — — —	— — — — 1,0-2,5 — — 0,5-2,0	— — 0,20-0,40 0,20-0,36 0,15-0,40 — — —	— — — 0,8-2,5Zr 0,2-0,7Fe — — 0,5-1,5Fe
b	ВТ15	2,3-3,6	—	6,8-8,0	—	9,5-11,0	—	1,0Zr

Титан – химический элемент IV группы 4 периода периодической системы Менделеева, атомный номер 22; прочный и легкий металл серебристо-белого цвета. Существует в следующих кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решеткой и β-Ti с кубической объемно-центрированной упаковкой.

Титан стал известен человеку всего около 200 лет назад. История его открытия связана с именами немецкого химика Клапрота и английского исследователя-любителя Мак-Грегора. В 1825 году И. Берцелиус первым сумел выделить чистый металлический титан, однако вплоть до XX века этот металл считался редким и поэтому непригодным для практического применения.

Однако к нашему времени установлено, что по распространенности титан занимает девятое место среди других химических элементов, а его массовая доля в земной коре составляет 0,6%. Титан содержится во многих минералах, чьи запасы исчисляются сотнями тысяч тонн. Значительные месторождения титановых руд находятся на территории России, Норвегии, США, на юге Африки, а в Австралии, Бразилии, Индии расположены удобные для добычи открытые россыпи титансодержащих песков.

Титан – легкий и пластичный металл серебристо-белого цвета, температура плавления 1660±20 C, температура кипения 3260 C, плотность двух модификаций и соответственно равна α-Ti - 4,505 (20 C) и β-Ti - 4,32 (900 C) г/см3. Титан отличается высокой механической прочностью, сохраняющейся даже при высоких температурах. Имеет высокую вязкость, что при его механической обработке требует нанесения специальных покрытий на режущий инструмент.

При обычной температуре поверхность титана покрывается пассивирующей оксидной пленкой, что делает титан коррозионностойким в большинстве сред (за исключением щелочной). Титановая стружка пожароопасна, а титановая пыль – взрывоопасна.

Титан не растворяется в разбавленных растворах многих кислот и щелочей (кроме плавиковой, ортофосфорной и концентрированной серной кислот), однако в присутствии комплексообразователей легко взаимодействует даже со слабыми кислотами.

При нагревании на воздухе до температуры 1200С титан загорается, образуя оксидные фазы переменного состава. Из растворов солей титана выпадает в осадок гидроксид титана, прокаливание которого позволяет получить диоксид титана.

При нагревании титан также взаимодействует с галогенами. В частности, так получают тетрахлорид титана. В результате восстановления тетрахлорида титана алюминием, кремнием, водородом и некоторыми другими восстановителями получают трихлорид и дихлорид титана. Титан взаимодействует с бромом и иодом.

При температуре более 400С титан вступает в реакцию с азотом, образуя нитрид титана. Титан взаимодействует и с углеродом с образованием карбида титана. При нагревании титан поглощает водород, при этом образуется гидрид титана, при повторном нагревании разлагающийся с выделением водорода.

Чаще всего в качестве исходного материала для производства титана выступает диоксид титана с небольшим количеством примесей. Это может быть как титановый шлак, получаемый при переработке ильменитовых концентратов, так и рутиловый концентрат, который получают при обогащении титановых руд.

Концентрат титановых руд подвергается пирометаллургической или сернокислотной переработке. Продуктом сернокислотной обработки становится порошок диоксида титана. При использовании пирометаллургического метода руда спекается с коксом и обрабатывается хлором с получением паров тетрахлорида титана, которые затем при 850С восстанавливаются магнием.

Полученная титановая «губка» переплавляется, расплав очищается от примесей. Для рафинирования титана применяется иодидный способ или электролиз. Титановые слитки получают путем дуговой, плазменной или электроннолучевой переработки.

Большая часть производства титана поступает на нужды авиационной и ракетной промышленности, а также морского судостроения. Титан используется как легирующая добавка к качественным сталям и в качестве раскислителя.

Из него изготовляют различные детали электровакуумных приборов, компрессоры и насосы для перекачки агрессивных сред, химические реакторы, опреснительные установки и многое другое оборудование и конструкции. Благодаря своей биологической безвредности титан является превосходным материалом для применения в пищевой и медицинской промышленности.

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Его, а также ферротитан используют как легирующую добавку к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

По использованию в качестве конструкционного материала Ti 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 данного металла делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость данного металла и материалов на его основе во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным сырьем, 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. Ti легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из материалов на основе Ti изготавливают 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 компрессоров, детали воздухозаборников и направляющих в двигателях, различный крепеж.

Еще одной областью применения является ракетостроение. 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 тепловой прочности не пригоден для применения 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 Ti обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Также из него делают теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостроении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На данный материал 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 недостаточной распространенностью данного металла.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид (TiC) обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид (TiO 2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения Ti применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид (TiB 2)- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид (TiN) применяется для покрытия инструментов.

Титановые сплавы - разбираемся в подробностях

Металл титан - распространенный в природе металл, в земной коре его больше, чем меди, свинца и цинка. При плотности 4,51 г/см3 титан имеет прочность 267...337 МПа, а его сплавы-до 1 250 МПа. Это тускло-серый металл с температурой плавления 1668 0С, коррозионно стоек при нормальной температуре даже в сильных агрессивных средах, но очень активен при нагреве выше 400 0С. В кислороде способен к самовозгоранию. Бурно реагирует с азотом. Окисляется водяным паром, углекислым газом, поглощает водород. Теплопроводность титана более чем в два раза ниже, чем у углеродистой стали. Поэтому при сварке титана, несмотря на его высокую температуру плавления, требуется меньше тепла.

Титан может находиться в виде двух основных стабильных фаз, отличающихся строением кристаллической решетки. При нормальной температуре он существует в виде α-фазы с мелкозернистой структурой, не чувствительной к скорости охлаждения. При температуре выше 882 0С образуется β-фаза с крупным зерном и высокой чувствительностью к скорости охлаждения. Легирующие элементы и примеси могут стабилизировать α-фазу (алюминий, кислород, азот) или β-фазу (хром, марганец, ванадий). Поэтому сплавы титана условно разделяют на три группы: α, α + β и β сплавы. Первые (ВТ1, ВТ5-1) термически не упрочняются, пластичны, обладают хорошей свариваемостью. Вторые (ОТ4, ВТЗ, ВТ4, ВТ6, ВТ8) при малых добавках β-стабилизаторов также свариваются хорошо. Они термически обрабатываются. Сплавы с β-структурой, например ВТ15, ВТ22, упрочняются термообработкой. Они свариваются хуже, склонны к росту зерен и к холодным трещинам.
При комнатной температуре поверхность титана растворяет кислород, образуется его твердый раствор в α-титане. Возникает слой насыщенного раствора, который предохраняет титан от дальнейшего окисления. Этот слой называют алъфированным. При нагреве титан вступает в химическое соединение с кислородом, образуя ряд окислов от Ti6O до TiO2. По мере окисления изменяется окраска оксидной пленки от золотисто-желтой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. По этим цветам в околошовной зоне можно судить о качестве защиты металла при сварке. С азотом титан, взаимодействуя активно при температуре более 500 0С, образует нитриды, повышающие прочность, но резко снижающие пластичность металла. Растворимость водорода в жидком титане больше, чем в стали, но с понижением температуры она резко падает, водород выделяется из раствора. При затвердевании металла это может вызвать пористость и замедленное разрушение сварных швов после сварки. Все титановые сплавы не склонны к образованию горячих трещин, но склонны к сильному укрупнению зерна в металле шва и околошовной зоны, что ухудшает свойства металла.
Технология сварки титановых сплавов

Из-за высокой химической активности титановые сплавы удается сваривать дуговой сваркой в инертных газах неплавящимся и плавящимся электродом, дуговой сваркой под флюсом, электронным лучом, электрошлаковой и контактной сваркой. Расплавленный титан жидкотекуч, шов хорошо формируется при всех способах сварки.

Основная трудность сварки титана - это необходимость надежной защиты металла, нагреваемого выше температуры 400 0С, от воздуха.

Дуговую сварку ведут в среде аргона и в его смесях с гелием. Сварку с местной защитой производят, подавая газ через сопло горелки, иногда с насадками, увеличивающими зону защиты. С обратной стороны стыка деталей устанавливают медные подкладные планки с канавкой, по длине которой равномерно подают аргон. При сложной конструкции деталей, когда осуществить местную защиту трудно, сварку ведут с общей защитой в камерах с контролируемой атмосферой. Это могут быть камеры-насадки для защиты части свариваемого узла, жесткие камеры из металла или мягкие из ткани со смотровыми окнами и встроенными рукавицами для рук сварщика. В камеры помещают детали, сварочную оснастку и горелку. Для крупных ответственных узлов применяют обитаемые камеры объемом до 350 м 3, в которых устанавливают сварочные автоматы и манипуляторы. Камеры вакуумируются, затем заполняются аргоном, через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.

Аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом детали толщиной 0,5... 1,5 мм сваривают встык без зазора и без присадки, а толщиной более 1,5 мм - с присадочной проволокой. Кромки свариваемых деталей и проволока должны зачищаться так, чтобы был снят насыщенный кислородом альфированный слой. Проволока должна пройти вакуумный отжиг при температуре 900... 1000 0С в течение 4 ч. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Детали толщиной более 10... 15 мм можно сваривать за один проход погруженной дугой. После образования сварочной ванны увеличивают расход аргона до 40...50 л/мин, что приводит к обжатию дуги. Затем электрод опускают в сварочную ванну. Давление дуги оттесняет жидкий металл, дуга горит внутри образовавшегося углубления, ее проплавляющая способность увеличивается.
Узкий шов с глубоким про-плавлением при сварке неплавя-щимся электродом в аргоне можно получать, применяя флюсы-пасты АН-ТА, АНТ17А на основе фтористого кальция с добавками. Они частично рафинируют и модифицируют металл шва, а также уменьшают пористость.

Дуговую сварку титановых сплавов плавящимся электродом (проволокой диаметром 1,2...2,0 мм) выполняют на постоянном токе обратной полярности на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос электродного металла. В качестве защитной среды применяют смесь из 20 % аргона и 80 % гелия или чистый гелий. Это позволяет увеличить ширину шва и уменьшить пористость.

Титановые сплавы можно сваривать дуговой сваркой под бескислородными фтористыми флюсами сухой грануляции АНТ1, АНТЗ для толщины 2,5...8,0 мм и АНТ7 для более толстого металла. Сварку ведут электродной проволокой диаметром 2,0...5,0 мм с вылетом электрода 14...22 мм на медной или на флюсомедной подкладке, либо на флюсовой подушке. Структура металла в результате модифицирующего действия флюса получается более мелкозернистой, чем при сварке в инертных газах.

При электрошлаковой сварке используют пластинчатые электроды из того же титанового сплава, что и свариваемая деталь, толщиной 8...12 мм и шириной, равной толщине свариваемого металла. Используют тугоплавкие фторидные флюсы АНТ2, АНТ4, АНТ6. Чтобы через флюс не проникал кислород, шлаковую ванну дополнительно защищают аргоном. Металл зоны термического влияния защищают, увеличивая ширину формирующих водоохлаждаемых ползунов и продувая в зазор между ними и деталью аргон. Сварные соединения после электрошлаковой сварки имеют крупнокристаллическую структуру, но свойства их близки к основному металлу. Перед электрошлаковой сваркой, так же как и перед дуговой, флюсы должны быть прокалены при температуре 200...300 0С.

Электронно-лучевая сварка титановых сплавов обеспечивает наилучшую защиту металла от газов и мелкозернистую структуру шва. Требования к сборке по сравнению с другими способами жестче.

При всех способах сварки титановых сплавов нельзя допускать перегрева металла. Нужно применять способы и приемы, позволяющие влиять на кристаллизацию металла: электромагнитное воздействие, колебания электрода или электронного луча поперек стыка, ультразвуковое воздействие на сварочную ванну, импульсный цикл дуговой сварки и т.п. Все это позволит получать более мелкую структуру шва и высокие свойства сварных соединений.

Характеристики металла титан и его применение

Металл титан является легким серебристо-белым металлом. Титановые сплавы обладают легкостью и прочностью, высокой коррозийной стойкостью и низким коэффициентом теплового расширения. Кроме того, титан - металл, который способен сохранять свои свойства в диапазоне температур от – 290 до +600 градусов Цельсия.

Оксид этого металла впервые обнаружил в 1789 У. Грегор. Во время исследования железистого песка ему удалось выделить окись неизвестного до селе металла, которой он дал название менакеновая. Один из первых образцов металлического титана был получен в 1825 Й. Я. Берцелиусом.

Особенности

В периодической таблице Менделеева титан - элемент, находящийся в 4-ой группе 4-ого периода под номером 22. В наиболее устойчивых соединениях данный элемент четырехвалентен. Своим внешним видом он немного напоминает сталь и относится к переходным элементам. Температура плавления титана 1668±4°С, а кипит он при 3300 градусах Цельсия. Что касается скрытой теплоты плавления и испарения этого металла, то она почти в 2 раза больше, нежели у железа.

Титан - металл серебристого оттенка
Сегодня существуют две аллотропические модификации титана. Первая – низкотемпературная альфа-модификация. Вторая – высокотемпературная бетта-маодификация. По плотности, а также удельной теплоемкости этот металл занимает место между алюминием и железом.

Характеристика титана имеет ряд положительных особенностей. Механическая прочность его вдвое больше чистого железа и в шесть раз выше алюминия. Однако, титан способен поглощать кислород, водород и азот. Они могут резко снижать его пластические свойства. Если титан смешивается с углеродом, то образуются тугоплавкие карбиды, которые имеют высокую твердость.

Титану свойственна низкая теплопроводность, которая в 4 раза меньше, чем у алюминия, и в 13 раз, чем у железа. Также титан обладает довольно высоким удельным электросопротивлением.

Титан является парамагнитным металлом, а как известно, парамагнитные вещества обладают магнитной восприимчивостью, которая падает при нагревании. Однако, титан – исключение, так как его восприимчивость только увеличивается с температурой.

Достоинства:
Малая плотность, которая способствует уменьшению массы материала;
Высокая механическая прочность;
Высокая коррозийная стойкость;
Высокая удельная прочность.

Недостатки:
Высокая стоимость производства;
Активное взаимодействие со всеми газами, из-за чего плавят его только в вакууме либо среде инертных газов;
Плохие антифрикционные свойства;
Сложности вовлечения в производство титановых отходов;
Склонность к солевой коррозии, водородной хрупкости;
Довольно плохая обрабатываемость резанием;
Большая химическая активность.

Использование

Применение титана наиболее востребовано в производстве ракетной и авиационной техники, морском судостроении.

Кольца
Его используют в качестве легирующей примеси к качественным сталям. Технический титан расходуется на изготовление емкостей и химических реакторов, трубопроводов и арматуры, насосов и клапанов, плюс ко всему изделий, функционирующих в агрессивных средах. Компактный титан применяется для изготовления сеток и других деталей электровакуумных приборов, которые работают в высоких температурах.

Механическая прочность, коррозийная стойкость, удельная прочность, жаропрочность и другие свойства титана позволяют широко применять его в технике. Высокая стоимость этого металла и сплавов компенсируется большой работоспособностью. В некоторых ситуациях титановые сплавы являются единственными использующимися для изготовления того или иного оборудования либо конструкций, способных работать в конкретных условиях.

Изначально добыча титана производилась для нужд производства красителей. Однако, использование этого металла в качестве конструкционного материала привело к расширению добычи титановой руды, а также поиску и освоению новых месторождений

Брусок чистого (99,995 %) титана
В прошлом титан был побочным продуктом, а во многих случаях препятствовал, к примеру, добыче железной руды. Сегодня же рудники эксплуатируются только для получения этого металла, как главного продукта.

Чтобы добывать титановую руду, не нужно обладать каким-либо специальным и проводить сложные операции. Если титановые минералы находят в песчаных месторождениях, то собираются они с помощью землесосных снарядов, проходя через которые они попадают на баржи, а те в свою очередь доставляют их на обогатительную установку. Но, если же минералы титана находят в горных породах, то здесь уже не используют даже горное оборудование.

Руда измельчается для обеспечения эффективного разделения минеральных компонентов. После, чтобы отделить ильменит от посторонних материалов применяется влажная магнитная сепарация малой интенсивности. Затем остаточный ильменит обогащается с помощью гидравлических классификаторов и столов. Потом обогащение производится методом сухой магнитной сепарации, обладающей высокой интенсивностью.

Свойство металла титан и его место в продуктах

Титан – химический элемент, довольно широко распространённый в природе. Это металл, серебристо-серый и твёрдый; он входит в состав многих минералов, и добывать его можно почти везде – Россия занимает второе место в мире по добыче титана.

Много титана в титанистом железняке – ильмените, относящемся к сложным оксидам, и золотисто-красном рутиле, являющемся полиморфной (многообразной и способной существовать в разных кристаллических структурах) модификацией двуокиси титана – химикам известно три таких природных соединения.

Титан часто встречается в горных породах, но в почвах, особенно песчаных, его ещё больше. Среди титаносодержащих горных пород можно назвать перовскит – он считается довольно распространённым; титанит – силикат титана и кальция, которому приписываются лечебные и даже магические свойства; анатаз – также полиморфное соединение – простой оксид; и брукит – красивый кристалл, часто встречающийся в Альпах, а у нас, в России – на Урале, Алтае и в Сибири.

Заслуга открытия титана принадлежит сразу двоим учёным – немцу и англичанину. Английский учёный Уильям Мак-Грегор не был химиком, но минералами очень интересовался, и однажды, в конце XVIII века, выделил из чёрного песка Корнуэлла неизвестный металл, и вскоре написал о нём статью.

Эту статью читал и известный немецкий учёный, химик М.Г. Клапрот, и он через 4 года после Мак-Грегора обнаружил оксид титана (так он назвал этот металл, а англичане называли его менаккином – по названию места, где он был найден) в красном песке, распространённом в Венгрии. Когда учёный сравнил соединения, найденные в чёрном и красном песке, они оказались оксидами титана – так что этот металл был открыт обоими учёными независимо.

Кстати, название металла не имеет никакого отношения к древнегреческим Богам Титанам (хотя есть и такая версия), а назвали его в честь Титании – царицы фей, о которой писал Шекспир. Это название связывается с лёгкостью титана – его необычно низкой плотностью.

После этих открытий многие учёные не раз пытались выделить чистый титан из его соединений, но в XIX веке это удавалось плохо - даже великий Менделеев считал этот металл редким, и потому интересным только для «чистой» науки, а не для применения в практических целях. Но учёные XX века поняли, что титана в природе много – около 70 минералов содержат его в своём составе, и сегодня известно множество таких месторождений. Если говорить о металлах, широко используемых человеком в технике, то можно найти только три, которых в природе больше, чем титана – это магний, железо и алюминий. Химики ещё говорят, что, если количественно объединить все запасы меди, серебра, золота, платины, свинца, цинка, хрома и ещё некоторых металлов, которыми богата Земля, то титана получится больше, чем их всех.

Выделять из соединений чистый титан химики научились только в 1940 году – это сделали американские учёные.
Многие свойства титана уже изучены, и он применяется в разных сферах науки и промышленности, но мы здесь не будем подробно рассматривать эту сторону его применения – нам интересно биологическое значение титана.

Использование титана в медицине и пищевой промышленности тоже нас интересует – в этих случаях титан поступает непосредственно в организм человека, или контактирует с ним. Одно из свойств этого металла очень радует: учёные, в том числе и медики, считают титан безопасным для человека, хотя при его избыточном поступлении в организм могут возникать хронические лёгочные заболевания.
Титан в продуктах

Титан есть в морской воде, тканях растений и животных, а значит, и в продуктах растительного и животного происхождения. Растения получают титан из почвы, на которой растут, а животные получают его, поедая эти растения, однако вначале – уже в XIX веке - химики открыли титан в организме животных, а уже потом в растениях. Эти открытия снова были сделаны англичанином и немцем – Г. Ризом и А. Адергольдом.

В организме человека титана около 20 мг, и поступает он обычно с продуктами питания и водой. Титан есть в яйцах и молоке, в мясе животных и растениях – их листьях, стеблях, плодах и семенах, но вообще в продуктах питания его немного. Растения, особенно водоросли, содержат больше титана, чем ткани животных; много его в кладофоре – кустистой ярко-зелёной водоросли, часто встречающейся в пресных водоёмах и морях.
Значение титана для организма человека

Зачем титан нужен организму человека? Учёные говорят, что его биологическая роль не выяснена, но он участвует в процессе образования эритроцитов в костном мозге, в синтезе гемоглобина и в процессе формирования иммунитета.

Титан есть в головном мозге человека, в слуховом и зрительном центрах; в женском молоке он есть всегда, причём в определённых количествах. Концентрации титана в организме активизируют обменные процессы, и улучшают общий состав крови, снижая в ней содержание холестерина и мочевины.

В сутки человек получает около 0,85 мг титана, с водой и продуктами питания, а также с воздухом, но в желудочно-кишечном тракте он всасывается слабо – от 1 до 3%.

Для человека титан нетоксичен или малотоксичен, и о летальной дозе у медиков тоже нет данных, но при регулярном вдыхании двуокиси титана он накапливается в лёгких, и тогда развиваются хронические заболевания, сопровождающиеся одышкой и кашлем с мокротой – трахеит, альвеолит и др. Накопление титана вместе с другими, более токсичными элементами, вызывает воспаления и даже гранулематоз – тяжёлое заболевание сосудов, опасное для жизни.

Избыток и недостаток титана

Чем может объясняться избыточное поступление титана в организм? Поскольку, как уже сказано, титан применяется во многих областях науки и промышленности, избыток титана и даже отравление им часто грозит рабочим разных производств: машиностроительных, металлургических, лакокрасочных и т.д. Наиболее токсичен хлорид титана: достаточно отработать на таком производстве около 3-х лет, не особенно соблюдая технику безопасности, и хронические заболевания не замедлят проявиться.

Лечат такие заболевания обычно антибиотиками, пеногасителями, кортикостероидами, витаминами; больные должны находиться в покое и получать обильное питьё.

Дефицит титана – как у человека, так и у животных, не выявлен и не описан, и в этом случае можно предположить, что его действительно не бывает.

В медицине титан необыкновенно популярен: из него делают превосходные инструменты, и при этом доступные и недорогие – титан стоит от 15 до 25 долларов за килограмм. Любят титан ортопеды, стоматологи и даже нейрохирурги – и неудивительно.

Оказывается, у титана есть ценное для медиков качество – биологическая инертность: это означает, что конструкции из него прекрасно себя ведут в организме человека, и абсолютно безопасны для мышечных и костных тканей, которыми они обрастают со временем. Структура тканей при этом не меняется: титан не подвержен коррозии, а его механические свойства очень высоки. Достаточно сказать, что в морской воде, которая по составу очень близка к лимфе человека, титан может разрушаться со скоростью 0,02 мм за 1000 лет, а в растворах щелочей и кислот он по устойчивости похож на платину.

Среди всех используемых в медицине сплавов титановые отличаются чистотой, и примесей в них почти нет, чего нельзя сказать о кобальтовых сплавах или нержавеющей стали.

Внутренние и наружные протезы, изготовленные из титановых сплавов, не разрушаются и не деформируются, хотя всё время выдерживают рабочие нагрузки: механическая прочность титана в 2-4 раза выше, чем у чистого железа, и в 6-12 раз выше, чем у алюминия.

Пластичность титана позволяет делать с ним всё, что угодно – резать, сверлить, шлифовать, ковать при низких температурах, прокатывать – из него получается даже тонкая фольга.

Температура его плавления, однако, довольно высока – около 1670°C.

Электропроводность у титана очень низкая, и он относится к немагнитным металлам, поэтому пациентам с титановыми конструкциями в организме можно назначать физиотерапевтические процедуры – это безопасно.

В пищевой промышленности используется диоксид титана – в качестве красителя, обозначающегося как Е171. Им окрашивают конфеты и жвачку, кондитерские изделия и порошковые продукты, лапшу, крабовые палочки, изделия из фарша; им же осветляют глазури и муку.

В фармакологии диоксидом титана окрашивают лекарства, а в косметологии – кремы, гели, шампуни и другие средства.

металл титан свойство металла титан характеристики металла титан