Титан тяжелый или легкий металл

Титан был первоначально назван «грегоритом» британским химиком преподобным Уильямом Грегором, который открыл его в 1791 году. Затем титан был независимо открыт немецким химиком М. Х. Клапротом в 1793 году. Он назвал его титаном в честь титанов из греческой мифологии — «воплощение естественной силы». Только в 1797 году Клапрот обнаружил, что его титан был элементом, ранее открытым Грегором.

Характеристики и свойства

Титан — это химический элемент с символом Ti и атомным номером 22. Это блестящий металл с серебристым цветом, низкой плотностью и высокой прочностью. Он устойчив к коррозии в морской воде и хлоре.

Элемент встречается в ряде месторождений полезных ископаемых, главным образом рутила и ильменита, которые широко распространены в земной коре и литосфере.

Титан используется для производства прочных лёгких сплавов. Двумя наиболее полезными свойствами металла являются коррозионная стойкость и отношение твёрдости к плотности, самое высокое из любого металлического элемента. В своём нелегированном состоянии этот металл столь же прочен, как некоторые стали, но менее плотный.

Физические свойства металла

Это прочный металл с низкой плотностью, довольно пластичный (особенно в бескислородной среде), блестящий и металлоидно-белый. Относительно высокая температура плавления более 1650 °C (или 3000 °F) делает его полезным в качестве тугоплавкого металла. Он парамагнитный и имеет довольно низкую электрическую и теплопроводность.

По шкале Мооса твёрдость титана равняется 6. По этому показателю он немного уступает закалённой стали и вольфраму.

Коммерчески чистые (99,2%) титаны имеют предельную прочность на разрыв около 434 МПа, что соответствует обычным низкосортным стальным сплавам, но при этом титан гораздо легче.

Химические свойства титана

Как алюминий и магний, титан и его сплавы сразу же окисляются при воздействии воздуха. Он медленно реагирует с водой и воздухом при температуре окружающей среды, потому что образует пассивное оксидное покрытие, которое защищает объёмный металл от дальнейшего окисления.

Атмосферная пассивация даёт титану отличную стойкость к коррозии почти эквивалентную платине. Титан способен противостоять атаке разбавленных серных и соляных кислот, растворов хлорида и большинства органических кислот.

Титан является одним из немногих элементов, которые сгорают в чистом азоте, реагируя при 800° C (1470° F) с образованием нитрида титана. Из-за своей высокой реакционной способности с кислородом, азотом и некоторыми другими газами титановые нити применяются в титановых сублимационных насосах в качестве поглотителей для этих газов. Такие насосы недороги и надёжно производят чрезвычайно низкое давление в системах сверхвысокого вакуума.

Обычными титаносодержащими минералами являются анатаз, брукит, ильменит, перовскит, рутил и титанит (сфен). Из этих минералов только рутил и ильменит имеют экономическое значение, но даже их трудно найти в высоких концентрациях.

Титан содержится в метеоритах и он был обнаружен на Солнце и звёздах M-типа с температурой поверхности 3200° C (5790° F).

Известные в настоящее время способы извлечения титана из различных руд являются трудоёмкими и дорогостоящими.

Производство и изготовление

В настоящее время разработаны и используются около 50 сортов титана и титановых сплавов. На сегодняшний день признаётся 31 класс титанового металла и сплавов, из которых классы 1−4 являются коммерчески чистыми (нелегированными). Они отличаются прочностью на разрыв в зависимости от содержания кислорода, причём класс 1 является наиболее пластичным (самая низкая прочность на разрыв с содержанием кислорода 0,18%), а класс 4 — наименее пластичный (максимальная прочность на разрыв с содержанием кислорода 0,40%).

Оставшиеся классы представляют собой сплавы, каждый из которых обладает конкретными свойствами:

  • пластичность;
  • прочность;
  • твёрдость;
  • электросопротивление;
  • удельная коррозионная стойкость и их комбинации.

В дополнение к данным спецификациям титановые сплавы также изготавливаются для соответствия требованиям аэрокосмической и военной техники (SAE-AMS, MIL-T), стандартам ISO и спецификациям по конкретным странам, а также требованиям конечных пользователей для аэрокосмических, военных, медицинских и промышленных применений.

Коммерчески чистый плоский продукт (лист, плита) может быть легко сформирован, но обработка должна учитывать тот факт, что металл имеет «память» и тенденцию к возврату назад. Особенно это касается некоторых высокопрочных сплавов.

Титан часто используется для изготовления сплавов:

  • с алюминием;
  • с ванадием;
  • с медью (для затвердевания);
  • с железом;
  • с марганцем;
  • с молибденом и другими металлами.

Области применения

Титановые сплавы в форме листа, плиты, стержней, проволоки, отливки находят применение на промышленных, аэрокосмических, рекреационных и развивающихся рынках. Порошковый титан используется в пиротехнике как источник ярких горящих частиц.

Поскольку сплавы титана имеют высокое отношение прочности на разрыв к плотности, высокую коррозионную стойкость, устойчивость к усталости, высокую стойкость против трещин и способность выдерживать умеренно высокие температуры, они используются в самолётах, при бронировании, в морских кораблях, космических кораблях и ракетах.

Для этих применений титан легирован алюминием, цирконием, никелем, ванадием и другими элементами для производства различных компонентов, включая критические конструктивные элементы, огневые стены, шасси, выхлопные трубы (вертолёты) и гидравлические системы. Фактически около двух третей произведённого титанового металла используется в авиационных двигателях и рамах.

Читайте также:  Гибкий трос для дрели

Поскольку сплавы титана устойчивы к коррозии морской водой, они используются для изготовления гребных валов, оснастки теплообменников и т. д. Эти сплавы используются в корпусах и компонентах устройств наблюдения и мониторинга океана для науки и военных.

Удельные сплавы применяются в скважинных и нефтяных скважинах и никелевой гидрометаллургии для их высокой прочности. Целлюлозно-бумажная промышленность использует титан в технологическом оборудовании, подверженном воздействию агрессивных сред, таких как гипохлорит натрия или влажный хлорный газ (в отбеливании). Другие применения включают ультразвуковую сварку, волновую пайку.

Кроме того, эти сплавы используются в автомобилях, особенно в автомобильных и мотоциклетных гонках, где крайне важны низкий вес, высокая прочность и жёсткость.

Титан используется во многих спортивных товарах: теннисные ракетки, клюшки для гольфа, валы из лакросса; крикет, хоккей, лакросс и футбольные шлемы, а также велосипедные рамы и компоненты.

Благодаря своей долговечности титан стал более популярным для дизайнерских ювелирных изделий (в частности, титановых колец). Его инертность делает его хорошим выбором для людей с аллергией или тех, кто будет носить украшения в таких средах, как плавательные бассейны. Титан также легирован золотом для производства сплава, который может быть продан как 24-каратное золото, потому что 1% легированного Ti недостаточно, чтобы потребовать меньшую отметку. Полученный сплав представляет собой примерно твёрдость 14-каратного золота и более прочен, чем чистое 24-каратное золото.

Меры предосторожности

Титан является нетоксичным даже в больших дозах. В виде порошка или в виде металлической стружки, он представляет собой серьёзную опасность пожара и, при нагревании на воздухе, опасность взрыва.

Свойства и применение титановых сплавов

Ниже представлен обзор наиболее часто встречающихся титановых сплавов, которые делятся на классы, их свойства, преимущества и промышленные применения.

7 класс

Класс 7 механически и физически эквивалентен классу 2 чистого титана, за исключением добавления промежуточного элемента палладия, что делает его сплавом. Он обладает превосходной свариваемостью и эластичностью, наиболее коррозионной стойкостью из всех сплавов этого типа.

Класс 7 используется в химических процессах и компонентах производственного оборудования.

11 класс

Класс 11 очень похож на класс 1, за исключением добавления палладия для повышения коррозионной стойкости, что делает его сплавом.

Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав можно использовать особенно в тех случаях, когда коррозия вызывает проблемы:

  • химическая обработка;
  • производство хлоратов;
  • опреснение;
  • морские применения.

Ti 6Al-4V, класс 5

Сплав Ti 6Al-4V, или титан 5 класса, наиболее часто используется. На его долю приходится 50% общего потребления титана во всём мире.

Удобство использования заключается в его многочисленных преимуществах. Ti 6Al-4V может подвергаться термообработке для повышения его прочности. Этот сплав обладает высокой прочностью при малой массе.

Это лучший сплав для использования в нескольких отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, медицинская, морская и химическая перерабатывающая промышленность. Его можно использовать при создании:

  • авиационных турбин;
  • компонентов двигателя;
  • конструктивных элементов самолёта;
  • аэрокосмических крепёжных изделий;
  • высокопроизводительных автоматических деталей;
  • спортивного оборудования.

Ti 6AL-4V ELI, класс 23

Класс 23 — хирургический титан. Сплав Ti 6AL-4V ELI, или класс 23, является версией более высокой чистоты Ti 6Al-4V. Он может быть изготовлен из рулонов, нитей, проводов или плоских проводов. Это лучший выбор для любой ситуации, когда требуется сочетание высокой прочности, малой массы, хорошей коррозионной стойкости и высокой вязкости. Он обладает превосходной устойчивостью к повреждениям.

Он может использоваться в биомедицинских применениях, таких как имплантируемые компоненты из-за его биосовместимости, хорошей усталостной прочности. Его также можно использовать в хирургических процедурах для изготовления таких конструкций:

  • ортопедические штифты и винты;
  • зажимы для лигатуры;
  • хирургические скобы;
  • пружины;
  • ортодонтические приборы;
  • криогенные сосуды;
  • устройства фиксации кости.

12 класс

Титан класса 12 обладает отличной высококачественной свариваемостью. Это высокопрочный сплав, который обеспечивает хорошую прочность при высоких температурах. Титан класса 12 обладает характеристиками, подобными нержавеющим сталям серии 300.

Его способность формироваться различными способами делает его полезным во многих приложениях. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его неоценимым для производственного оборудования. Класс 12 можно использовать в следующих отраслях:

  • теплообменники;
  • гидрометаллургические применения;
  • химическое производство с повышенной температурой;
  • морские и воздушные компоненты.

Ti 5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn — это сплав, который может обеспечить хорошую свариваемость с устойчивостью. Он также обладает высокой температурной стабильностью и высокой прочностью.

Ti 5Al-2,5Sn в основном используется в авиационной сфере, а также в криогенных установках.

В природе титан встречается в составе таких минералов как титанит, ильменит или рутил. В чистом виде он представляет собой серебристо-серый легкий металл с самой высокой удельной прочностью. По внешнему виду его сложно отличить от алюминия или нержавейки. Метод с магнитом здесь не подойдет, так как магнит тоже не притягивает ни алюминий, ни большинство нержавеющих сталей. Чтобы развеять все сомнения, что у вас в руках образец из настоящего титана, необходимо провести один из доступных вам тестов.

Читайте также:  Миксер насадка для перфоратора

Определение по искре

Это один из самых безошибочных методов определения титана. Для него вам понадобится болгарка или точильный станок, а при отсутствии таковых подойдет любая абразивная поверхность, например, мелкий напильник или асфальт. При соприкосновении алюминия с вращающимся точильным кругом происходит стачивание материала практически без искрообразования. Контакт абразива и стали сопровождается потоком искр, которые имеют цвет от светло-желтого до темно-красного.

Татан же при трении об абразивную поверхность или при резке режущим диском образует поток длинных искр ярко белого цвета. Дело в том, что этот металл обладает свойством пирофорности, в результате чего маленькие частицы материала, образующиеся при стачивании или пилении, воспламеняются и искрятся на воздухе. Эти искры гораздо ярче и горячее тех, что образуются при обработке стали, поэтому имеют белый цвет и создают повышенную пожарную опасность. Титановый порошок даже используется в пиротехнике для получения ярких пиротехнических фонтанов.

Определение по массе

Самый легкий из этих трех металлов алюминий, самый тяжелый – сталь. Например, титановая пластина будет в полтора раза тяжелее алюминиевой и в два раза легче, чем стальная. Если образец сравнить не с чем, то придется использовать математический метод. Плотность рассматриваемых металлов нам известна и составляет:

  • у титана – 4.5 г/см³
  • у алюминия – 2.7 г/см³
  • у нержавеющей стали 7.8 г/см³

Это масса, приходящаяся на единицу объема. Остается взвесить изделие на точных весах и определить его объем. Если изделие имеет сложную форму, то проще узнать объем архимедовским способом. Опустите образец в емкость с водой и по объему вытесненной воды узнаете искомую величину. Останется вычислить плотность, разделив массу на объем, а затем свериться, соответствует ли она плотности титана.

Определение по следу на стекле

Данный способ самый легкий и основан на способности титана налипать на стекло при трении, то есть им можно рисовать. Такой же эффект наблюдается и при проведении острым краем по гладкому кафелю, что обусловлено высоким коэффициентом трения чистого титана. Если нержавейка царапает стеклянную поверхность, то к большому удивлению этот твердый металл не повреждает стекло, а оставляет на нем характерный металлический след, смыть который можно только при помощи очень сильной плавиковой кислоты. Алюминием же нельзя ни повредить стекло, ни рисовать на нем. Следует также учесть, что некоторые титановые сплавы тоже не оставляют рисунка.

Проверка анодированием

Известно, что в результате естественного окисления на воздухе на поверхности титана образуется слой оксида TiO2. Электрохимическим способом можно получить оксидный слой с эффектом окрашивания. Для проведения эксперимента необходим 12-вольтовый аккумулятор автомобиля или несколько батареек крона. Титановый образец присоединяют проводом к электроду «+». К электроду «-» присоединяют любой железный стержень, обмотанный кусочком ткани, смоченным в соляном растворе или в любой другой токопроводящей жидкости (уксус, кола). Если этой тканью провести по титановой поверхности, то она мгновенно окрасится, чего никогда не случится с нержавеющими и алюминиевыми изделиями.

Существует и ряд других методов тестирования, позволяющих отличить настоящий титан от других металлов, окружающих нас в быту. Например, при тактильном контакте титановые предметы кажутся более теплыми. Если нагреть одну часть детали, то другая будет оставаться холодной, что говорит о его низкой теплопроводности. Резка титана гораздо тяжелее, чем других металлов. На диск налипают частицы материала, что делает резку нестабильной и небезопасной. Для точного определения титана рекомендуется провести не один, а несколько способов.

Глава 4. ЗНАКОМЬТЕСЬ – ТИТАН!

Брусок металла неяркого серебристо-серого цвета. ”Сталь” — привычно мелькает в сознании. Но стоит взять брусок в руку, как на мгновение возникает ощущение нереальности происходящего: металл оказывается удивительно, неправдоподобно легким. Это не сталь, а титан.

Любопытно наблюдать за реакцией людей, плохо знакомых с цветными металлами, когда к ним в руки попадает какой- нибудь предмет из титана. Первоначальное удивление (темный металл, а такой легкий!) сменяется недоумением, а затем убеждением, что их "разыгрывают”, и они пытаются разобраться, где же скрывается подвох: вертят предмет в руках, говорят, что внутри металла имеются пустоты и тому подобное. Но никакого подвоха нет. Титан действительно почти вдвое легче железа и всего лишь в полтора раза тяжелее алюминия. Один кубический сантиметр железа имеет массу 7,8 грамма, алюминия — 2,7, титана — 4,5 грамма. Надо признать все же, что 4,5 грамма в кубическом сантиметре не так уж и мало, особенно если учесть, что в кубическом сантиметре магния содержится 1,7 грамма, а такой металл, как литий, вдвое легче воды.

Поскольку к легким относят металлы, удельная масса которых не превышает 5 граммов на кубический сантиметр, то титан, следовательно, самый тяжелый среди легких металлов. Но и ”самый тяжелый”, он все-таки по праву принадлежит к числу легких металлов.

Читайте также:  Замена дворников в шевроле авео 2010

Однако легкость сама по себе еще ничего не решает. Легок натрий, но он плавится уже при температуре около 100 °С и как щелочной металл настолько активен, что его нельзя хранить на открытом воздухе. Хранят этот элемент в керосине. Еще легче и активнее металл литий. Он, как и остальные щелочные металлы, так непрочен, что легко режется обыкновенным ножом.

Мы привыкли к тому, что всякий конструкционный материал имеет свои достоинства и недостатки. Если алюминий,

например, почти в три раза легче стали, то он и в несколько раз менее прочен и плавится уже при 660 градусах, тогда как точка плавления стали находится выше 1500 °С. Примерно то же самое можно сказать и о магнии.

Интересно, а насколько титан уступает стали по прочности? Титан не уступает стали: он в полтора раза прочнее! Но, может быть, этот металл плавится при невысоких температурах? Титан плавится только при 1660 °С, то есть при более высокой температуре, чем железо и сталь. Так что не зря титан отливает стальным блеском: этот отлив не обманывает.

Но, кроме хорошей прочности, конструкционный материал обязательно должен иметь и такое важное качество, как пластичность. Пластичность — это способность материала изменять свою форму не разрушаясь, и именно в этой способности титану долго было отказано. Еще в сороковые годы нашего века о титане писали, что он ”хрупок и легко превращается в порошок при дроблении в ступке”. Любопытна и следующая запись: "Попытки вытянуть проволоку из титана безуспешны”.

Меньше всего хотелось бы иронизировать над автором приведенных строк, тем более что он поставил перед собой задачу ”заполнить досадный пробел в литературе, посвященной столь важному и интересному химическому элементу”.

На протяжении полутора столетий подлинных свойств металла не знал никто в мире. Но как только стали получать титан достаточной степени чистоты, сразу выяснилось, что причиной хрупкости металла являются примеси, а чистый титан очень пластичный материал. Его куют, как железо, вытягивают в проволоку, прокатывают в листы, трубы, ленты и даже в фольгу толщиной в сотые доли миллиметра.

Титан — более упругий металл, чем магний и алюминий, но менее упругий, чем сталь. Он гораздо тверже алюминия, магния, меди, железа и почти не уступает особо обработанным легированным сталям. Титан — один из немногих металлов, которые наряду с высокой прочностью и пластичностью обладают хорошей вязкостью, то есть противостоят воздействию ударов. Этот металл характеризуется еще и таким ценным свойством, как отличная выносливость.

Важный показатель любого металла — предел текучести. Чем он выше, тем лучше металл сопротивляется нагрузкам, стремящимся смять его, изменить размеры и форму изготовленной из него детали. У титана предел текучести весьма высок: в два с половиной раза выше, чем у железа, в три с лишним раза выше, чем у меди, и почти в 18 раз превосходит этот же показатель для алюминия.

Итак, титан гораздо прочнее и легче обычной углеродистой стали, получаемой из чугуна. Но в современном машиностроении широко распространены не столько углеродистые, сколько легированные стали, то есть сплавы на основе железа с добавками никеля, хрома, марганца, молибдена, вольфрама, а также других цветных и редких металлов. Легированные стали значительно прочнее углеродистых и в несколько раз прочнее технического титана. Выходит, что титан все-таки уступает стали? Нет не уступает! Титан тоже можно легировать и тогда получают сплавы, прочность которых в два- три раза больше прочности чистого титана.

Титановые сплавы — это, быть может, самые совершенные материалы, которыми располагает современная техника. Они превосходят все другие распространенные металлы по такому важному показателю, как удельная прочность. Что это такое? Не что иное, как прочность, приходящаяся на единицу массы.

Чтобы нагляднее постичь это, представим себе такую картину. На помост выходят тяжелоатлеты. Вряд ли нас удивит то, что грузный человек поднимает большую тяжесть. Ведь так оно и должно быть: те, кто полегче, обладают, как правило, меньшей силой, а от массивного, с мощными бицепсами атлета мы ждем и высокого результата. Не зря же в тяжелоатлетическом спорте введены различные весовые категории. А теперь вообразим, что после этого тяжелоатлета на помост вышел скромный, на первый взгляд ничем не примечательный спортсмен, худощавый, среднего роста и с первой попытки покорил тот же самый вес. Кто же из них сильнее? Конечно же, худощавый!

Такую же аналогию можно провести относительно титановых сплавов и специальных сталей. Титановые сплавы почти вдвое легче, а нагрузки выдерживают почти такие же.

Если бы все достоинства титана заключались только в его легкости и прочности, то и этого было бы уже достаточно для развития титановой промышленности, так как и в этом случае игра стоила свеч и нашлось бы немало отраслей, заинтересованных в таком материале. Но, помимо прочности и легкости, титан отличается еще и замечательной стойкостью против коррозии.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector