Температура плавления титана и его сплавов

Полученные в промышленных условиях слитки титана называют техническим титаном. Он имеет практически все те свойства, которыми обладает химически чистый титан. Технический титан в отличие от химически чистого содержит повышенное количество некоторых элементов-примесей. В разных странах в зависимости от технологических особенностей процесса технический титан содержит примеси (в %): железа 0,15-0,3; углерода 0,05-0,1; водорода 0,006-0,013; азота 0,04-0,07; кислорода 0,1-0,4. Наилучшие качественные показатели по содержанию вышеперечисленных примесей имеет технический титан, выпускаемый в СССР. В целом эти примеси практически не ухудшают физические, механические, технологические свойства технического титана по сравнению с химически чистым металлом.

Технический титан – это металл серебристо-серого цвета с едва заметным светло-золотистым оттенком. Он легок, почти в 2 раза легче железа, но все же тяжелее алюминия: 1 см 3 титана весит 4,5 г, железа 7,8 г, а алюминия 2,7 г. Плавится технический титан почти при 1700° С, сталь – при 1500° С, алюминий – при 600° С. Он в 1,5 раза прочнее стали и в несколько раз прочнее алюминия, очень пластичный: технический титан легко прокатывать в листы и даже в очень тонкую фольгу, толщиной в доли миллиметра, его можно вытягивать в прутки, проволоку, делать из него ленты, грубы. Технический титан обладает высокой вязкостью, т. е. хорошо противостоит воздействию ударов и поддается ковке, при этом он имеет высокую упругость и отличную выносливость. У технического титана довольно высокий предел текучести, он сопротивляется любым усилиям и нагрузкам, стремящимся смять, изменить форму и размеры изготовленной детали. Это его свойство выше в 2,5 раза, чем у железа, в 3 раза, чем у меди, и в 18 раз, чем у алюминия. У титана гораздо более высокая твердость, чем у алюминия, магния, меди, железа и некоторых сортов стали, однако ниже, чем у инструментальных сталей.

Технический титан – металл очень большой коррозионной стойкости. Он практически не изменяется и не разрушается на воздухе, в воде, исключительно стоек при обычной температуре во многих кислотах, даже в "царской водке", во многих агрессивных средах.

У титана имеется еще множество уникальных качеств. Например, стойкость к кавитации, слабые магнитные свойства, низкие электропроводность и теплопроводность и т. н. Но есть у титана и недостатки. Главный – его большая дороговизна, он в 3 раза дороже стали, в 3-5 раза дороже алюминия. Титан не универсальный коррозионно-стойкий конструкционный материал, у него несколько более низкие по сравнению с лучшими сортами легированных сталей значения модулей упругости и ползучести, он может разупрочняться при высоких температурах, склонен к абразивному износу, плохо работает на резьбовых соединениях. Все эти недостатки снижают эффективность применения технического титана в чистом виде, что в общем-то характерно и для других конструкционных металлов; железа, алюминия, магния. Многие, почти все, недостатки чистого титана устраняются при легировании его различными металлами и создании сплавов на его основе. В качестве наилучших конструкционных и коррозионно-стойких материалов сплавы титана имеют огромное преимущество.

Титан, будучи весьма химически активным металлом, имеет благоприятные металлохимические свойства для образования прочных соединений – типа непрерывных и ограниченных твердых растворов, ковалентных и ионных соединений.

Титан, как известно, относится к металлам переходных групп. Он расположен в IVA группе периодической системы элементов. Непосредственными его аналогами по группе являются цирконий и гафний. Они имеют по два электрона (2S) на последнем электронном уровне и по два электрона (2d) на предпоследнем уровне, не полностью (до 10d) заполненном электронами. Поэтому валентность может меняться от 1 до 4, наиболее устойчивые соединения четырехвалентны. По своим металлохимическим свойствам металлы IVA группы очень близки между собой, поэтому они и могут образовывать твердые растворы Ti-Zr-Hf в широком диапазоне содержаний. Они сходны с металлами соседних групп: VA (ванадий, ниобий, тантал) и IVA (хром, молибден, вольфрам). С ними титан образует широкие области твердых растворов.

Все эти восемь металлов дают непрерывные твердые растворы с α- и β-титаном (цирконий, гафний) и с β-титаном (ванадий, ниобий, тантал, хром, плутоний, индий), играя важную роль в образовании титановых сплавов и сплавов на основе этих металлов с титаном. К этой же группе элементов относятся скандий и уран.

В целом насчитывается более 50 элементов, дающих с титаном твердые растворы, на основе которых можно производить титановые сплавы и их соединения.

Сплавы титана с алюминием. Они наиболее важны в техническом и промышленном отношении. Внедрение алюминия в технический титан даже в небольших количествах (до 13%) позволяет резко повышать жаропрочность сплава при снижении его плотности и стоимости. Этот сплав – отличный конструкционный материал. Добавка 3-8% алюминия повышает температуру превращения α-титана в β-титан. Алюминий является практически единственным легирующим стабилизатором α-титана, увеличивающим его прочность при постоянстве свойств пластичности и вязкости титанового сплава и повышении его жаропрочности, сопротивления ползучести и модуля упругости. Этим устраняется существенный недостаток титана.

Помимо улучшения механических свойств сплавов при различных температурах, увеличивается их коррозионная стойкость и взрывоопасность при работе деталей из титановых сплавов в азотной кислоте.

Алюминий-титановые сплавы выпускаются нескольких марок и содержат 3-8% алюминия, 0,4-0,9% хрома, 0,25-0,6% железа, 0,25-0,6% кремния, 0,01% бора. Все они коррозионно-стойкие, высокопрочные и жаропрочные сплавы на основе титана. С увеличением содержания алюминия в сплавах температура их плавления несколько снижается, однако механические свойства значительно улучшаются и температура разупрочнения повышается.

Эти сплавы сохраняют высокую прочность до 600° С.

Сплавы титана с железом. Своеобразным сплавом является соединение титана с железом, так называемый ферротитан, представляющий собой твердый раствор TiFe2 в α-железе.

Ферротитан облагораживающе действует на сталь, так как он, активно поглощая кислород, является одним из лучших раскислителей стали. Ферротитан так же активно поглощает из расплавленной стали азот, образуя нитрид титана, другие примеси, способствует равномерному распределению прочих примесей и образованию мелкозернистых структур стали.

Кроме ферротитана, на основе железа и титана производятся и другие сплавы, широко используемые в черной металлургии. Феррокарботитан – железотитановый сплав, содержащий 7-9% углерода, 74-75% железа, 15-17% титана. Ферросиликотитан – сплав, состоящий из железа (около 50%), титана (30%) и кремния (20%). Оба эти сплава также применяются для раскисления сталей.

Сплавы титана с медью. Даже небольшие присадки меди к титану и другим его сплавам повышают их стабильность в процессе эксплуатации, увеличивается и их жаропрочность. Кроме того, 5-12% титана добавляют в медь для получения так называемою купротитана: им пользуются, чтобы очистить, расплавленную медь и бронзу от кислорода и азота. Легирование меди титаном производится только очень небольшими его добавками, уже при 5% титана медь становится нековкой.

Сплавы титана с марганцем. Марганец, введенный в технический титан или в его сплавы, делает их прочнее, они сохраняют пластичность и легко обрабатываются при прокатке. Марганец – недорогой и недефицитный металл, поэтому он широко применяется (до 1,5%) при легировании титановых сплавов, предназначенных для листовой прокатки. Богатый марганцем (70%) сплав называется мангантитаном. Оба металла являются энергетическими раскислителями. Этот сплав, как и купротитан, хорошо очищает от кислорода, азота и других примесей медь и бронзу при отливках.

Сплавы титана с молибденом, хромом и другими металлами. Основная цель добавки этих металлов – повысить прочность и жаропрочность титана и его сплавов при сохранении высокой пластичности. Оба металла легируют их в комбинации: молибден предотвращает нестабильность титан-хромовых сплавов, делающихся хрупкими при высоких температурах. Сплавы титана с молибденом по стойкости против коррозии в кипящих неорганических кислотах превосходят техническим титан в 1000 раз. Для повышения коррозиестойкости в титан добавляют некоторые тугоплавкие редкие и благородные металлы: тантал, ниобий, палладий.

Значительное количество весьма ценных в научно-техническом отношении композиционных материалов можно производить на основе карбида титана. Это главным образом жаростойкие изделия из металлокерамики, в основе которых лежит карбид титана. В них совмещается твердость, тугоплавкость и химическая стойкость карбида титана с пластичностью и сопротивлением тепловому удару цементирующих металлов – никеля и кобальта. В них можно вводить ниобий, тантал, молибден и тем самым еще больше повышать стойкость и жаропрочность этих композиций на основе карбида титана.

Сейчас известно более 30 различных сплавов титана с другими металлами, удовлетворяющих практически любым техническим требованиям. Это пластичные сплавы с низкой прочностью (300-800 МПа) и рабочей температурой 100-200° С, со средней прочностью (600-000 МПа) и рабочей температурой 200-300° С, конструкционные сплавы с повышенной прочностью (800-1100 МПа) и рабочей температурой 300-450° С, высокопрочные (100-1400 МПа) термомеханически обрабатываемые сплавы с нестабильной структурой и рабочей температурой 300-400° С, высокопрочные (1000- 1300 МПа) коррозионно-стойкие и жаропрочные сплавы с рабочей температурой 600-700° С, особо коррозионно-стойкие сплавы со средней прочностью (400-900 МПа) и рабочей температурой 300-500° С.

Читайте также:  Присадка для повышения цетанового числа

Технический титан и его сплавы выпускаются в виде листов, плит, полос, лент, фольги, прутков, проволоки, труб, поковок и штамповок. Эти полуфабрикаты являются исходным материалом для изготовления из титана и его сплавов различных изделий. Для этого полуфабрикаты надо обработать ковкой, штамповкой, фасонным литьем, резанием, сваркой и т. п.

Как же ведут себя этот прочный, стойкий метал и его сплавы в обрабатывающих процессах? Многие полуфабрикаты используются непосредственно, например, трубы и листы. Все они проходит предварительную термическую обработку. Затем для очистки поверхности подвергаются обработке гидропескоструйной или корундовым песком. Листовые изделия еще травят и шлифуют. Так были подготовлены титановые листы для монумента покорителям космоса на ВДНХ и для памятника Ю. А. Гагарину на площади его имени в Москве. Монументы из листового титана будут стоять вечно.

Слитки титана и его сплавов могут подвергаться ковке и штамповке, но только в горячем состоянии. Поверхности слитков, печей и штампов должны быть тщательно очищены от примесей, так как титан и его сплавы могут быстро с ними прореагировать и загрязниться. Рекомендуется даже перед ковкой и штамповкой покрывать заготовки специальной эмалью. Нагрев не должен превышать температур полного полиморфного превращения. Ковка производится по специальной технологии – сначала слабыми, а потом более сильными и частыми ударами. Дефекты неправильно проведенной горячей деформации, приведшие к нарушению структуры и свойств полуфабрикатов последующей обработкой, в том числе и термической, исправить нельзя.

Листовой штамповке в холодном виде может подвергаться только технический титан и его сплав с алюминием и марганцем. Все остальные листовые титановые сплавы, как менее пластичные, требуют нагрева опять же с соблюдением строгого контроля температур, очистки поверхности от "охрупченного" слоя.

Резка и рубка листов толщиной до 3 мм могут производиться в холодном состоянии, свыше 3 мм – при нагреве по специальным режимам. Титан и его сплавы обладают высокой чувствительностью к надрезу и поверхностным дефектам, что требует специальных зачисток кромок в местах, подвергающихся деформации. Обычно в связи с этим предусматриваются припуски на размеры вырубаемых заготовок деталей и пробиваемых отверстий.

Резание, токарная, фрезерная и другие виды обработки деталей из титана и его сплавов затрудняются их низкими антифрикционными свойствами, вызывающими налипание металла на рабочие поверхности инструмента. С чем это связано? Между титановой стружкой и инструментом имеется очень небольшая контактная поверхность, в этой зоне возникают большие удельные давления и температуры. Отвод тепла из этой зоны затруднителен, так как титан обладает низкой теплопроводностью и может как бы "растворять" в себе металл инструмента. В результате титан налипает на инструмент, и он быстро изнашивается. Приваривание и налипание титана на контактируемые поверхности режущего инструмента приводят к изменению геометрических параметров инструмента. При механической обработке титановых изделий для уменьшения налипания и задирания титана, отвода тепла применяют сильно охлажденные жидкости. Для фрезерования они должны быть очень вязкими. Пользуются резцами из сверхтвердых сплавов, обработку ведут на очень небольших скоростях. В целом механическая обработка титана во много раз более трудоемкая операция, чем обработки стальных изделий.

Сверление отверстий в титановых изделиях тоже является сложной проблемой, связанной в основном с отводом стружки. Налипая на рабочие поверхности сверла, она скапливается в отводящих канавках его, пакетируется. Вновь образующаяся стружка движется уже по прилипшей. Все это снижает скорость сверления и повышает износ сверла.

Целый ряд титановых изделий изготавливать методами ковки и штамповки нецелесообразно из-за технологических трудностей производства и большого количества отходов. Многие детали сложной формы гораздо выгоднее изготавливать фасонным литьем. Это весьма перспективное направление в производстве изделий из титана и его сплавов. Но на пути его развития есть ряд осложнений: расплавленный титан реагирует и с атмосферными газами, и практически со всеми известными огнеупорами, и с формовочными материалами. В связи с этим плавка титана и его сплавов производится в вакууме, а формовочный материал должен быть химически нейтральным по отношению к расплаву. Обычно формы, в которые он отливается, – это графитовые кокили, реже керамические и металлические.

Несмотря на трудности этой технологии, фасонные отливки сложных деталей из титана и его сплавов получаются при строгом соблюдении технологии очень качественными. Ведь расплавы титана и его сплавов обладают отличными литейными свойствами: у них высокая жидкотекучесть, сравнительно небольшая (всего 2-3%) линейная усадка при затвердевании, они даже в условиях затрудненной усадки не дают горячих трещин, не образуют рассеянную пористость. Литье в вакууме имеет массу преимуществ: во-первых, исключается образование окисных пленок, шлаковых включений, газовой пористости; во-вторых, повышается жидкотекучесть расплава, что влияет на заполнение всех полостей литейной формы. Кроме того, на жидкотекучесть и полноценную заполняемость полостей литейных форм существенно влияют, например, центробежные силы. Поэтому, как правило, фасонные отливки из титана производятся центробежной заливкой.

Еще одним чрезвычайно перспективным методом изготовления деталей и изделий из титана является порошковая металлургия. Сначала получают очень мелкозернистый, скорее даже тонкодисперсный, порошок титана. Затем он спрессовывается в холодном виде в металлических пресс-формах. Далее при температурах 900-1000° С, а для высокоплотных конструкционных изделий при 1200-1300° С пресс-изделия спекаются. Разработаны и методы горячего прессования при температурах, близких к температуре спекания, которые позволяют повысить конечную плотность изделий и снизить трудоемкость процесса их изготовления.

Разновидностью динамического горячего прессования является горячая штамповка и выдавливание (экструзия) из порошков титана. Главное преимущество порошкового метода изготовления деталей и изделий – почти безотходное производство. Если по обычной технологии (слиток-полуфабрикат-изделие) выход годного составляет всего 25-30%, то при порошковой металлургии коэффициент использования металла повышается в несколько раз, снижается трудоемкость изготовления изделий, уменьшаются трудозатраты на механическую обработку. Методами порошковой металлургии можно организовать производство из титана новых изделий, изготовление которых традиционными методами невозможно: пористые фильтрующие элементы, газопоглотители, металлополимерные покрытия и т. п.

К сожалению, порошковый метод имеет существенные недостатки. Прежде всего он взрыво- и пожароопасен, поэтому требует принятия целого комплексе мер для предотвращения опасных явлений. Данным методом можно получать изделия только сравнительно простой формы и конфигурации: кольца, цилиндры, крышки, диски, планки, крестовины и: т. п. Но в целом порошковая металлургия титана имеет будущее, так как экономит большое количество металла, снижает себестоимость изготовления деталей, повышает производительность труда.

Еще один важнейший аспект рассматриваемой проблемы – соединение титана. Как соединить титановые изделия (листы, лепты, детали и др.) между собой и с другими изделиями? Мы знаем три основных метода соединения металлов – это сварка, пайка и клепка их. Как же ведет себя титан во всех этих операциях? Вспомним, что титан обладает, особенно при повышенных температурах, высокой химической активностью. При взаимодействии с кислородом, азотом, водородом воздуха зона расплавленного металла насыщается этими газами, изменяется микроструктура металла в месте разогрева, может происходить загрязнение посторонними примесями, и сварной шов будет хрупким, пористым, непрочным. Поэтому обычные методы сварки титановых изделий неприемлемы. Сварка титана требует постоянного и неукоснительного предохранения сварного шва от загрязнения примесями и газами воздуха. Технология сварки титановых изделий предусматривает ее проведение с большой скоростью только в атмосфере инертных газов с применением специальных бескислородных флюсов. Наиболее качественная сварка производится в специальных обитаемых или необитаемых камерах, зачастую автоматическими методами. Необходим постоянный контроль состава газа, флюсов, температуры, скорости сварки, а также качества шва визуальным, рентгеновским и другими методами. Сварной титановый шов хорошего качества должен иметь золотистый оттенок без всякой побежалости. Особо крупные изделия сваривают в специальных герметично закрытых помещениях, заполненных инертным газом. Работу производит сварщик высокой квалификации, он работает в скафандре с индивидуальной системой жизнеобеспечения.

Небольшие титановые изделия можно соединять методами пайки. Здесь возникают те же проблемы предохранения разогретых свариваемых частей от загрязнения газами воздуха и примесями, делающими пайку ненадежной. Кроме того, обычные припои (олово, медь и другие металлы) не пригодны. Используются только серебро и алюминий высокой степени чистоты.

Соединения титановых изделий с помощью клепки или болтов тоже имеют свои особенности. Титановая клепка очень трудоемкий процесс; на нее приходится тратить вдвое больше времени, чем на алюминиевую. Резьбовое соединение титановых изделий ненадежно, так как титановые гайки и болты при завинчивании начинают налипать и задираться, и оно может не выдержать больших напряжений. Поэтому болты и гайки из титана обязательно покрывают тонким слоем серебра или синтетической пленкой из тефлона, а уж потом используют для завинчивания.

Свойство титана к налипанию и задиранию, обусловленное высоким коэффициентом трения, не позволяет применять его без специальной предварительной обработки в трущихся изделиях; при скольжении по любому металлу титан, налипая на трущуюся деталь, быстро изнашивается, деталь буквально вязнет в липком титане. Для устранения этого явления приходится специальными методами упрочнять поверхностный слой титана в изделиях, работающих на скольжение. Производится азотирование или оксидирование титановых изделий: их при высоких температурах (850-950° С) выдерживают в течение определенного времени в атмосфере чистого азота или кислорода. В результате на поверхности образуется тонкая нитридная или окисная пленка высокой микротвердости. Такая обработка приближает износостойкость титана к специальным поверхностно обработанным сталям и позволяет применять его в трущихся и скользящих изделиях.

Читайте также:  Дезинфицирующая лампа для дома

Вечный, загадочный, космический, материал будущего – все эти и многие другие эпитеты присваиваются в различных источниках титану. История открытия этого металла не была тривиальной: одновременно над выделением элемента в чистом виде трудились несколько ученых. Процесс изучения физических, химических свойств и определение областей его применения не закончен на сегодняшний день. Титан – металл будущего, место его в жизни человека еще окончательно не определено, что дает современным исследователям огромный простор для творчества и научных изысканий.

Характеристика

Химический элемент титан (Titanium) обозначается в периодической таблице Д. И. Менделеева символом Ti. Располагается в побочной подгруппе IV группы четвертого периода и имеет порядковый номер 22. Простое вещество титан – металл бело-серебристого цвета, легкий и прочный. Электронная конфигурация атома имеет следующую структуру: +22)2 )8 )10 )2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2 . Соответственно, титан имеет несколько возможных степеней окисления: 2, 3, 4, в наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен.

Титан – сплав или металл?

Этот вопрос интересует многих. В 1910 году американский химик Хантер получил впервые чистый титан. Металл содержал всего 1 % примесей, но при этом его количество оказалось ничтожно мало и не давало возможности дальнейшего исследования его свойств. Пластичность полученного вещества достигалась толькопод воздействием высоких температур, при нормальных условиях (комнатной температуре) образец был слишком хрупок. Фактически этот элемент не заинтересовал ученых, так как перспективы его использования казались слишком неопределенными. Сложность получения и исследования еще больше снизили потенциал его применения. Только в 1925 году ученые-химики из Нидерландов И. де Бур и А. Ван-Аркел получили металл титан, свойства которого привлекли внимание инженеров и конструкторов всего мира. История исследования этого элемента начинается с 1790 года, именно в это время параллельно, независимо друг от друга, двое ученых открывают титан как химический элемент. Каждый из них получает соединение (оксид) вещества, не сумев выделить металл в чистом виде. Первооткрывателем титана считается английский минеролог монах Уильям Грегор. На территории своего прихода, расположенного в юго-западной части Англии, молодой ученый начал изучение черного песка долины Менакэна. Результатом опытов с магнитом стало выделение блестящих крупиц, которые являлись соединением титана. В это же время в Германии химик Мартин Генрих Клапрот выделил новое вещество из минерала рутиле. В 1797 году он же доказал, что открытые параллельно элементы являются аналогичными. Двуокись титана более века являлась загадкой для многих химиков, получить чистый металл оказалось не по силам даже Берцелиусу. Новейшие технологии XX века значительно ускорили процесс изучения упомянутого элемента и определили начальные направления его использования. При этом сфера применения расширяется постоянно. Ограничить её рамки может только сложность процесса получения такого вещества, как чистый титан. Цена сплавов и металла достаточно высока, поэтому на сегодняшний день он не может вытеснить традиционное железо и алюминий.

Происхождение названия

Менакин – первое название титана, которое применялось до 1795 года. Именно так, по территориальной принадлежности, назвал новый элемент У. Грегор. Мартин Клапрот присваивает элементу в 1797 году наименование «титан». В это время его французские коллеги во главе с достаточно авторитетным химиком А. Л. Лавуазье предлагают именовать вновь открытые вещества в соответствии с их основными свойствами. Немецкий ученый не был согласен с таким подходом, он вполне обоснованно считал, что на стадии открытия достаточно сложно определить все характеристики, свойственные веществу, и отразить их в названии. Однако следует признать, что интуитивно выбранный Клапротом термин в полной мере соответствует металлу – это неоднократно подчеркивали современные ученые. Существуют две основные теории возникновения названия титан. Металл мог быть обозначен так в честь эльфийской царицы Титании (персонаж германской мифологии). Такое название символизирует одновременно легкость и прочность вещества. Большинство ученых склоняются к версии использования древнегреческой мифологии, в которой титанами называли могучих сыновей богини земли Геи. В пользу этой версии говорит и название открытого ранее элемента – урана.

Нахождение в природе

Из металлов, которые в техническом отношении представляют ценность для человека, титан занимает четвертое место по степени распространенности в земной коре. Большим процентным содержанием в природе характеризуются только железо, магний и алюминий. Наибольшее содержание титана отмечено в базальтовой оболочке, чуть меньше его в гранитном слое. В морской воде содержание данного вещества невысокое – приблизительно 0,001 мг/л. Химический элемент титан достаточно активен, поэтому в чистом виде его встретить невозможно. Чаще всего он присутствует в соединениях с кислородом, при этом имеет валентность, равную четырем. Количество титаносодержащих минералов варьируется от 63 до 75 (в различных источниках), при этом на современном этапе исследований ученые продолжают открывать новые формы его соединений. Для практического использования наибольшее значение имеют следующие минералы:

Все существующие титаносодержащие руды делят на россыпные и основные. Данный элемент является слабым мигрантом, он может путешествовать только в виде обломов камней или перемещения илистых придонных пород. В биосфере наибольшее количество титана содержится в водорослях. У представителей наземной фауны элемент накапливается в роговых тканях, волосе. Для человеческого организма характерно присутствие титана в селезенке, надпочечниках, плаценте, щитовидной железе.

Физические свойства

Титан – цветной металл, имеющий серебристо-белую окраску, внешне напоминает сталь. При температуре 0 0 С его плотность составляет 4,517 г/см 3 . Вещество имеет низкую удельную массу, что характерно для щелочных металлов (кадмий, натрий, литий, цезий). По плотности титан занимает промежуточную позицию между железом и алюминием, при этом его эксплуатационные характеристики выше, чем у обоих элементов. Основными свойствами металлов, которые учитываются при определении сферы их применения, являются предел текучести и твердость. Титан прочнее алюминия в 12 раз, железа и меди – в 4 раза, при этом он значительно легче. Пластичность чистого вещества и предел его текучести позволяют производить обработку при низких и высоких температурных значениях, как и в случае с остальными металлами, т. е. методами клепки, ковки, сварки, проката. Отличительная характеристика титана – его низкая тепло- и электропроводность, при этом данные свойства сохраняются при повышенных температурах, вплоть до 500 0 С. В магнитном поле титан является парамагнитным элементом, он не притягивается, как железо, и не выталкивается, как медь. Очень высокие антикоррозийные показатели в агрессивных средах и при механических воздействиях уникальны. Более 10 лет нахождения в морской воде не изменили внешнего вида и состава пластины из титана. Железо в этом случае было бы уничтожено коррозией полностью.

Термодинамические свойства титана

  1. Плотность (при нормальных условиях) составляет 4,54 г/см 3 .
  2. Атомный номер – 22.
  3. Группа металлов – тугоплавкий, легкий.
  4. Атомная масса титана – 47,0.
  5. Температура кипения ( 0 С) – 3260.
  6. Молярный объем см 3 /моль – 10,6.
  7. Температура плавления титана ( 0 С) – 1668.
  8. Удельная теплота испарения (кДж/моль) – 422,6.
  9. Электросопротивление (при 20 0 С) Ом*см*10 -6 – 45.

Химические свойства

Повышенная коррозийная устойчивость элемента объясняется образованием на поверхности небольшой оксидной пленки. Она предотвращает (при нормальных условиях) химические реакции с газами (кислород, водород), находящимися в окружающей атмосфере такого элемента, как металл титан. Свойства его изменяются под воздействием температуры. При ее повышении до 600 0 С происходит реакция взаимодействия с кислородом, в результате образуется оксид титана (TiO2). В случае поглощения атмосферных газов образуются хрупкие соединения, которые не имеют никакого практического применения, именно поэтому сварка и плавка титана производятся в условиях вакуума. Обратимой реакцией является процесс растворения водорода в металле, он более активно происходит при повышении температуры (от 400 0 С и выше). Титан, особенно его мелкие частицы (тонкая пластина или проволока), сгорает в атмосфере азота. Химическая реакция взаимодействия возможна только при температуре 700 0 С, в результате образуется нитрид TiN. Со многими металлами формирует высокотвердые сплавы, часто является легирующим элементом. В реакцию с галогенами (хром, бром, йод) вступает только при наличии катализатора (высокой температуры) и при условии взаимодействия с сухим веществом. При этом образуются очень твердые тугоплавкие сплавы. С растворами большинства щелочей и кислот титан химически не активен, исключением является концентрированная серная (при длительном кипячении), плавиковая, горячие органические (муравьиная, щавелевая).

Месторождения

Наиболее распространены в природе ильменитовые руды – их запасы оцениваются в 800 млн тонн. Залежи рутиловых месторождений гораздо скромнее, но общий объем – при сохранении роста добычи – должен обеспечить человечество на ближайшие 120 лет таким металлом, как титан. Цена готового продукта будет зависеть от спроса и повышения уровня технологичности производства, но в среднем варьируется в диапазоне от 1200 до 1800 руб./кг. В условиях постоянного технического совершенствования значительно понижается себестоимость всех производственных процессов при их своевременной модернизации. Наибольшими запасами титановых руд обладают Китай и Россия, также минерально-сырьевую базу имеют Япония, ЮАР, Австралия, Казахстан, Индия, Южная Корея, Украина, Цейлон. Месторождения отличаются объемами добычи и процентным содержанием титана в руде, геологические изыскания продолжаются постоянно, что дает возможность предполагать снижение рыночной стоимости металла и его более широкое применение. Россия на сегодняшний день является наиболее крупным производителем титана.

Читайте также:  Отжиг стали 40х режимы

Получение

Для производства титана чаще всего используется его диоксид, содержащий минимальное количество примесей. Его получают путем обогащения ильменитовых концентратов или рутиловых руд. В электродуговой печи происходит термическая обработка руды, которая сопровождается отделением железа и образованием шлака, содержащего оксид титана. Сернокислый или хлоридный метод применяется для обработки свободной от железа фракции. Оксид титана является порошком серого цвета (см. фото). Металл титан получается при его поэтапной обработке.

Первой фазой является процесс спекания шлака с коксом и воздействия парами хлора. Полученный TiCl4 восстанавливают магнием или натрием при воздействии температуры 850 0 С. Титановая губка (пористая сплавленная масса), полученная в результате химической реакции, очищается или переплавляется в слитки. В зависимости от дальнейшего направления использования, формируется сплав или металл в чистом виде (примеси удаляются путем нагрева до 1000 0 С). Для производства вещества с долей примесей 0,01 % используется йодидный метод. Он основан на процессе выпаривания из титановой губки, предварительно обработанной галогеном, его паров.

Сферы применения

Температура плавления титана является достаточно высокой, что при легкости металла является неоценимым преимуществом использования его в качестве конструкционного материала. Поэтому наибольшее применение он находит в судостроении, авиационной промышленности, изготовлении ракет, химических производствах. Титан достаточно часто используют в качестве легирующей добавки в различных сплавах, которые обладают повышенными характеристиками твердости и жаропрочности. Высокие антикоррозийные свойства и способность выдерживать большинство агрессивных сред делают этот металл незаменимым для химической промышленности. Из титана (его сплавов) изготавливают трубопроводы, емкости, запорную арматуру, фильтры, используемые при перегонке и транспортировке кислот и других химически активных веществ. Он востребован при создании приборов, работающих в условиях повышенных температурных показателях. Соединения титана используются для изготовления прочного режущего инструмента, красок, пластика и бумаги, хирургических инструментов, имплантатов, ювелирных изделий, отделочных материалов, применяется в пищевой промышленности. Все направления сложно описать. Современная медицина из-за полной биологической безопасности часто использует металл титан. Цена – это единственный фактор, который пока влияет на широту применения данного элемента. Справедливым является утверждение, что титан – материал будущего, изучая который, человечество перейдет на новый этап развития.

Титан – элемент 4 группы 4 периода. Переходный металл, проявляет и основные, и кислотные свойства, довольно широко распространен в природе – 10 место. Наиболее интересным для народного хозяйства является сочетание высокой твердости металла и легкости, что делает его незаменимым элементом для авиастроения. Данная статья расскажет вам о маркировке, легирующих и иных свойствах металла титана, даст общую характеристику и интересные факты о нем.

Структура металла

По внешнему виду металл больше всего напоминает сталь, однако механические его качества выше. При этом титан отличается малым весом – молекулярная масса 22. Физические свойства элемента изучены довольно хорошо, однако сильно зависят от чистоты металла, что приводит к существенным отклонениям.

Кроме того, имеет значение его специфические химические свойства. Титан устойчив к щелочам, азотной кислоте, и в то же время бурно взаимодействует с сухими галогенами, а при более высокой температуре – с кислородом и азотом. Хуже того, он начинает поглощать водород еще при комнатной температуре, если имеется активная поверхность. А в расплаве впитывает кислород и водород настолько интенсивно, что расплавление приходится проводить в вакууме.

Еще одна важная особенность, определяющая физические характеристики – существование 2 фаз состояния.

  • Низкотемпературная – α-Ti имеет гексагональную плотноупакованную решетку, плотность вещества – 4,55 г/куб. см (при 20 С).
  • Высокотемпературная – β-Ti характеризуется объемно-центрированный кубической решеткой, плотность фазы, соответственно, меньше – 4, 32 г/куб. см. (при 900С).

В обычных условиях металл покрывается защитной оксидной пленкой. При ее отсутствии титан представляет большую опасность. Так, титановая пыль может взрываться, температура такой вспышки 400С. Титановая стружка является пожароопасным материалом и хранится в специальной среде.

Далее мы рассмотрим магнитные, механические, химические и физические свойства титана, его сплавов и их применение.

О структуре и свойствах титана рассказывает видео ниже:

Свойства и характеристики титана

Титан на сегодня является самым прочным среди всех существующих технических материалов, поэтому, несмотря на сложность получения и высокие требования по безопасности к производственному процессу, применяется достаточно широко. Физические характеристики элемента довольно необычны, однако очень сильно зависят от чистоты. Так, чистый титан и сплавы активно применяются в ракето- и авиастроении, а технический непригоден, так как из-за примесей теряет прочность при высоких температурах.

Плотность металла

Плотность вещества изменяется в зависимости от температуры и фазы.

  • При температурах от 0 до температуры плавления уменьшается от 4,51 до 4,26 г/куб. см, причем во время фазового перехода повышаете на 0,15%, а затем вновь уменьшается.
  • Плотность жидкого металла составляет 4,12 г/куб. см, а затем уменьшается с повышением температуры.

Температуры плавления и кипения

Фазовый переход разделяет все свойства металла на качества, которые может проявлять α- и β-фазы. Так, плотность до 883 С, относится к качествам α-фазы, а температуры плавления и кипения – к параметрам β-фазы.

  • Температура плавления титана (в градусах) составляет 1668+/-5 С;
  • Температура кипения достигает 3227 С.

Далее указана краткая характеристика титана с т.з. механических особенностей.

Горение титана рассмотрено в этом видеоролике:

Механические особенности

Титан примерно в 2 раза прочнее железа и в 6 раз – алюминия, что и делает его столь ценным конструкционным материалом. Показатели относятся к свойствам α-фазы.

  • Предел прочности вещества при растяжении составляет 300–450 МПа. Показатель можно увеличить до 2000 МПа, добавив некоторые элементы, а также прибегнув к специальной обработке – закалке и старению.
  • Упругость металла относительно невелика, что является существенным недостатком вещества. Модуль упругости при нормальных условиях 110,25 ГПа. Кроме того, титану свойственна анизотропия: упругость по разным направлениям достигает разного значения.
  • Твердость вещества по шкале НВ составляет 103. Причем показатель это усредненный. В зависимости от чистоты металла и характера примесей твердость может быть и выше.
  • Условный предел текучести составляет 250–380 МПа. Чем выше этот показатель, тем лучше изделия из вещества противостоят нагрузкам и тем больше сопротивляются износу. Показатель титана превосходит показатель алюминия в 18 раз.

По сравнению с другими металлами, имеющими такую же решетку, металл обладает очень приличной пластичностью и ковкостью.

Далее рассмотрена удельная теплоемкость титана.

Теплоемкость

Металл отличается низкой теплопроводностью, поэтому в соответствующих областях – изготовление термоэлектродов, например, не применяется.

  • Теплопроводность его составляет 16,76 l , Вт/(м × град). Это меньше чем у железа в 4 раза и в 12 раз меньше, чем у алюминия.
  • Зато коэффициент термического расширения у титана ничтожен при нормальной температуре и возрастает при повышении температуры.
  • Теплоемкость металла составляет 0,523 кдж/(кг·К).

Электрические характеристики

Как чаще всего и бывает, низкая теплопроводность обеспечивает и низкую электропроводность.

  • Удельное электросопротивление металла весьма велико – 42,1·10 -6 ом·см в нормальных условиях. Если считать проводимость серебра равной 100%, то проводимость титана будет равна 3,8%.
  • Титан является парамагнитом, то есть, его нельзя намагничивать в поле, как железо, но и выталкиваться из поля, как медь он не будет. Свойство это с понижением температуры линейно уменьшается, но, пройдя минимум, несколько увеличивается. Удельная магнитная восприимчивость составляет 3,2 10 -6 Г -1 . Стоит отметить, что восприимчивость, так же как и упругость образует анизотропию и изменяется в зависимости от направления.

Коррозионная стойкость

В нормальных условиях титан отличается очень высокими антикоррозийными свойствами. На воздухе его покрывает слой оксида титана толщиной в 5–15 мкм, что и обеспечивает отличную химическую инертность. Металл не корродирует в воздухе, морском воздухе, морской воде, влажном хлоре, хлорной воде и многочисленных других технологических растворах и реагентах, что делает материал незаменимым в химической, бумагоделательной, нефтяной промышленности.

При повышении температуры или сильном измельчении металла картина резко меняется. Металл реагирует едва ли не со всеми газами, входящими в состав атмосферы, а в жидком состоянии еще и впитывает их.

Далее рассмотрена токсичность титана.

Безопасность

Титан является одним из самых биологически инертных металлов. В медицине он применяется для изготовления протезов, так как отличается стойкостью к коррозии, легкостью и долговечностью.

Диоксид титана не столь безопасен, хотя используется куда чаще – в косметологической, пищевой промышленности, например. По некоторым данным – UCLA, исследования профессора патологии Роберта Шистла, наночастицы диоксида титана воздействуют на генетический аппарат и могут способствовать развитию рака. Причем через кожный покров вещество не проникает, поэтому применение солнцезащитных средств, в составе которых есть диоксид, опасности не представляет, а вот вещество, попадающее внутрь организма – с пищевыми красителями, биологическими биодобавками, может оказаться опасным.

Титан – уникально прочный, твердый и легкий металл с очень интересными химическими и физическими свойствами. Это сочетание настолько ценно, что даже сложности с выплавкой и очисткой титана производителей не останавливают.

О том, как отличить титан от стали, этот видеосюжет и расскажет:

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector