Титан: Физические характеристики и свойства одного из самых твердых металлов. Особенности титана и его сплавов

Нахождение титана в природе

Титан занимает почётное четвёртое место по содержанию в земной коре среди важных для человека металлов, уступая только железу, магнию и алюминию. Максимальное его количество сосредоточено в нижнем, базальтовом слое, немного меньше — в гранитном. Принимая во внимание высокую химическую активность, найти титан в чистом виде не представляется возможным. Наиболее распространены четырёхвалентные оксиды, которые концентрируются в рудах коры выветривания и в морской глине.

Сегодня насчитывают до 75 титановых минералов, а учёные периодически заявляют об открытии всё новых форм и соединений. Для промышленной переработки наибольшее значение имеют:

• Ильменит.
• Лейкоксен (продукт изменения ильменита).
• Рутил.
• Титанит (сфен).
• Перовскит.
• Анатаз.
• Титаномагнетит.
• Брукит.

Титан — слабый мигрант, он может переноситься только в виде механических обломков каменной породы или при перемещениях коллоидных илистых слоёв водоёмов. Для биосферы характерно содержание максимальных количеств этого металла в морских водорослях, у животных он обнаружен в шерсти и роговых тканях, в организме человека присутствует в щитовидной железе, селезёнке, надпочечниках и плаценте.

Можно ли пробить титан? Титановая пластина

[править] История открытия

В 1791 году английский химик и минералог Уильям Грегор открыл новый элемент в минерале менаканните и назвал его «менаканумом». Немецкий химик Мартин Клапрот в 1795 году повторно открыл его в минерале рутил и предоставил ему красивое название «титан». За 2 года выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, который с тех пор носит величественное имя — титан. Впервые металлический титан добыл Берцелиус в 1825 году, но это был очень загрязненный металл. Многие ученые пытались получить титан в чистом виде и только в 1875 г. российский ученый Д. К. Кириллов впервые смог получить металлический титан, содержащий несколько процентов смеси. В 1910 г. американский химик Хантер смог выработать несколько граммов чистого титана, который содержал несколько десятых долей процента смесей, которые делают его практически непригодным для обработки. И хотя соли титана уже находили применение, лишь в 1925 году полученный голландскими учеными Ван Аркелем и где Буре титан высокой чистоты продемонстрировал свои уникальные свойства.

Месторождения космического материала

Самыми распространёнными являются залежи ильменита, они составляют порядка 800 млн тонн. Запасы рутиловых руд значительно меньше, но при сохранении роста добычи все они могут обеспечить человечество ещё на 100 лет. По запасам титана Россия уступает только Китаю и насчитывает 20 разведанных месторождений. Большинство из них — комплексные, где добывают также железо, фосфор, ванадий и цирконий. Сегодня крупнейшим мировым производителем титана считается российская металлургическая .
Обширные залежи располагаются на территории ЮАР, Украины, Канады, США, Бразилии, Австралии, Швеции, Норвегии, Египта, Казахстана, Индии и Южной Кореи. Они различаются содержанием металла в рудах и объёмами добычи, геологические изыскания не прекращаются. Даже на Луне были обнаружены запасы титаносодержащих руд, некоторые из них в десятки раз богаче крупных месторождений Земли. Это позволяет надеяться на снижение рыночных цен металла и расширение сферы использования.

Как, чем сверлить титан, титановые сплавы

Источники титанового лома

На основе нормативной документации титановый лом делят на:

• крупный без оловянных добавок;
• отходы от обработки листового материала;
• нелегированный (кусками);
• стружку;
• кусковой лом;
• отходы металлургии.

Велосипедная рама, изготовленная из сплава титана

К категории производственных отходов относят чистый металл без сторонних примесей и сплавы в виде кускового лома. Это элементы магистральных трубопроводов, сгустители и корпусы вакуумных фильтров, остатки титановых листов, детали запорной арматуры. В перечень необходимо включить технологические элементы теплообменного оборудования, различную тару для транспортировки и хранения химически активных веществ, оборудование с узлами быстрого вращения. К последнему разряду относятся сушилки, сепараторы, центрифуги, компрессоры, лопатки различных турбин.

В список бытовых изделий входят рамы велосипедов, колесные диски машин, корпуса наручных часов и смартфонов. Титан присутствует в конструктивных элементах автомобилей, а его сплавы в деталях ходовой части и двигателей внутреннего сгорания. Из жаропрочных марок титановых соединений могут быть сделаны глушители шатуны, клапаны и коромысла.

К группе отходов обработки ГОСТ относит стружку, обрезки любых заготовок, элементов и труб. Вторичное сырьё, принимаемое по данной категории, не должно иметь загрязнений, окисленной поверхности, остатков краски или лака.

К приемке допускается сыпучая не гофрированная стружка без каких-либо примесей. Не допускаются даже включения в виде мелких обломков режущего инструмента. Любой титановый лом превышает по цене стружку в два раза.

Запасы и добыча

Основные руды: ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603—673 млн т., а рутиловых — 49,7—52,7 млн т. Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

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

Крупнейший в мире производитель титана — российская .

[править] Распространение

Среднее содержание титана в земной коре (кларк) 0,45 % (по другим данным — 0,61 % до глубины 16 км). Только три других важных металла — алюминий, железо и магний — распространены в природе больше, чем титан. Наиболее богаты титаном пегматиты гранитов и щелочных пород.

К началу XXI в. известно около 100 титановых минералов. В состав ряда минералов титан входит как примесь.

Главные минералы титановых руд: ильменит (43,7-52,8 % ТіО 2); рутил, анатаз и брукит (94,2-99,5); лейкоксен (61,9-97,6); лопарит (38,3-41); сфен (33,7-40,8); перовскит (38,7-57,8).

Количество титана в земной коре в несколько раз превышает запасы меди, цинка, свинца, золота, серебра, платины, хрома, вольфрама, ртути, молибдена, висмута, сурьмы, никеля и олова вместе взятых. Кларк титана в основных изверженных породах составляет 20,46 атомных %.

Характеристики и свойства

Характеристики титана напрямую зависят от количества примесей, содержащихся в его составе. Физические параметры:

1. Удельная прочность — 450 МПа.
2. Температура плавления титана — 1668 градусов.
3. Температура кипения — 3227 градусов.
4. Предел прочности у сплавов — 2000 Мпа.
5. Упругость титана — 110,25 Гпа.
6. Твердость металла — 103 НВ.
7. Предел текучести — 380 Мпа.

Структура и свойства этого металла обуславливают его низкую электропроводность. В нормальных условиях титан обладает высоким показателем устойчивости к коррозийным процессам.

Физические свойства металла

Титан представляет собой серебристо-белый металл. Он тугоплавкий, немного тяжелее алюминия. Однако при чуть большем весе прочность титана в три раза больше. Поддаётся различным способам обработки. Устойчив к воздействию влаги и кислот. Основные свойства титана были описаны выше.

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.

Это один из наиболее жаростойких металлов, известных в металлургии.

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.

Интересно то, что высокую удельную прочность титан сохраняет и при самых низких температурах. Более того, при понижении температуры прочность на изгиб растет: при +20 С показатель составляет 700 МПа, а при -196 – 1100 МПа.

• 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.

При температуре 3,8 К титан становится сверхпроводником.

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:

[править] Прочность

Сверло с покрытием из нитрида титана
При удельной прочности титан не имеет соперников среди промышленных металлов. Даже такой металл, как алюминий, уступил ряду позиций титана, который только в 1,7 раза тяжелее алюминия, но в шесть раз прочнее. И что особенно важно, титан сохраняет свою прочность при высоких температурах (до 500° C, а при добавлении легирующих элементов — 650° C), в то время как прочность большинства алюминиевых сплавов резко падает уже при 300° C.

Титан — очень твердый металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза — с железо и медь. Чем выше предел текучести металла, то лучше детали из него противостоят эксплуатационной нагрузкой, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Граница текучести титана в 18 раз выше, чем у алюминия, и в 2,5 раза — чем у железа.

Химические свойства титана

В нормальных условиях на поверхности этого металла образуется оксидная плёнка, которая защищает его от разрушительного воздействия влаги и кислот. К химическим свойствам титана можно отнести его устойчивость к воздействию щелочей, растворам хлора. Имеет степень окисления +4. С кислородом начинает взаимодействовать при температуре в 600 градусов. Титановая стружка может самовоспламеняться при нагревании.

Кристаллическая решётка титана:

Изотопы

Известны изотопы титана с массовыми числами от 38 до 63 (количество протонов 22, нейтронов от 16 до 41), и 2 ядерных изомера.

Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46Ti (изотопная распространенность 7,95 %), 47Ti (7,75 %), 48Ti (73,45 %), 49Ti (5,51 %), 50Ti (5,34 %).

Среди искусственных изотопов самые долгоживущие 44Ti (период полураспада 60 лет) и 45Ti (период полураспада 184 минуты).

Физические свойства

Титан — легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: ?-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 A; с=4,697 A; z=2; пространственная группа C6mmc

), ?-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой (a=3,269 A; z=2; пространственная группа
Im3m
), температура перехода ?-? 883 °C, ?H перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1671 °C, точка кипения 3260 °C, плотность ?-Ti и ?-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см?, атомная плотность 5,71×1022 ат/см³. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере.

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

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей пленкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400°С.

Виды сплавов

Титановые сплавы можно разделить на три большие группы:

1. Соединения на основе химических соединений. Представители этой группы имеют жаропрочную структуру и низкую плотность. Снижение плотности напрямую влияет на снижение веса материала. Такие сплавы используют при изготовлении деталей для автомобилей, каркасов для летательных аппаратов и корпусов для кораблей.
2. Жаропрочные сплавы с низкой плотностью. Это аналог соединений с никелем, но с меньшей ценой. В зависимости от химического состава меняется устойчивость сплава титана к высоким температурам.
3. Конструкционные — высокопрочные соединения, которые легко поддаются обработке благодаря высокому показателю пластичности. Из этих сплавов изготавливаются детали, которые устанавливаются в оборудовании, работающим с большими нагрузками.

При производстве титановых сплавов используется официальная маркировка, которая указывает на то, с какими металлами он соединён.

Физические свойства

Основные характеристики титана:

• температуры: плавления 1668 градусов Цельсия, кипения – 3227;
• предел текучести: от 250 до 380 МПа;
• упругость – 110 Гпа, различается в разных направлениях;
• средняя твердость сплавов по НВ – 103;
• плотность: при комнатной температуре 4500 кг/м3, при температуре плавления – 4120 кг/м3;
• теплоемкость – 531 Дж на один килограмм при нагреве на градус;
• теплопроводность – 18 Вт/(м·град);
• удельное сопротивление – 42,1·10-6 Ом·см.

При охлаждении до 3,8°К (-270°С) металл становится сверхпроводником.

Химические свойства

В твердом состоянии Тi химически устойчив, не окисляется при высокой влажности, морской атмосфере, при контакте с агрессивными средами. При нагреве до температуры плавления становится активным. Взаимодействует со всеми компонентами воздуха:

• кислородом, образуются твердые оксиды;
• азотом, он упрочняет структуру, повышает предел прочности, критическая концентрация 0,2%, выше этого показателя металл становится хрупким;
• водород ухудшает технологические свойства;
• углерод повышает температуру фазовых изменений.

При нагреве до температуры плавления металл необходимо изолировать.

Двоякость свойств металла титан

Многих интересует немного загадочный и не до конца изученный титан — металл, свойства которого отличаются некоторой двоякостью. Металл и самый прочный, и самый хрупкий.

Самый прочный и самый хрупкий металл

Его открыли двое ученых с разницей в 6 лет — англичанин У. Грегор и немец М. Клапрот.

Название титана связывают, с одной стороны, с мифическими титанами, сверхъестественными и бесстрашными, с другой стороны, с Титанией — королевой фей.

Это один из самых распространенных в природе материалов, но процесс получения чистого металла отличается особой сложностью.

Свойства титана

22 химический элемент таблицы Д. Менделеева Titanium (Ti) относится к 4 группе 4 периода.

Цвет титана серебристо-белый с выраженным блеском. Его блики переливаются всеми цветами радуги.

Это один из тугоплавких металлов. Он плавится при температуре +1660 °С (±20°). Титан отличается парамагнитностью: он не намагничивается в магнитном поле и не выталкивается из него.Металл характеризуется низкой плотностью и высокой прочностью.

Но особенность этого материала заключается в том, что даже минимальные примеси других химических элементов кардинально изменяют его свойства.

При наличии ничтожной доли других металлов титан теряет свою жаропрочность, а минимум неметаллических веществ в его составе делают сплав хрупким.

Эта особенность обуславливает наличие 2 видов материала: чистого и технического.

1. Титан чистого вида используют там, где требуется очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны.
2. Технический материал применяется там, где ценятся такие параметры, как легкость, прочность и устойчивость к коррозии.

Вещество обладает свойством анизотропности. Это означает, что металл может изменять свои физические характеристики, исходя из приложенных усилий. На эту особенность следует обращать внимание, планируя применение материала.

Титан теряет прочность при малейшем присутствии в нем примесей других металлов

Проведенные исследования свойств титана в нормальных условиях подтверждают его инертность.

Вещество не реагирует на элементы, находящиеся в окружающей атмосфере.Изменение параметров начинается при повышении температуры до +400°С и выше.

Титан вступает в реакцию с кислородом, может воспламеняться в азоте, впитывает газы.

Эти свойства затрудняют получение чистого вещества и его сплавов. Производство титана основано на применении дорогостоящей вакуумной аппаратуры.

Титан и конкуренция с другими металлами

Этот металл постоянно сравнивают с алюминием и сплавами железа. Многие химические свойства титаназначительно лучше, чем у конкурентов:

1. По механической прочности титан превосходит железо в 2 раза, а алюминий в 6 раз. Прочность его увеличивается при снижении температуры, чего не отмечается у конкурентов. Антикоррозионные характеристики титана значительно превышают показатели других металлов.
2. При температурах окружающей среды металл абсолютно инертен. Но при повышении температуры свыше +200°С вещество начинает поглощать водород, изменяя свои характеристики.
3. При более высоких температурах титан вступает в реакции с другими химическими элементами. Он обладает высокой удельной прочностью, что в 2 раза превосходит свойства лучших сплавов железа.
4. Антикоррозионные свойства титана значительно превышают показатели алюминия и нержавеющей стали.
5. Вещество плохо проводит электричество. Титан имеет удельное электросопротивление в 5 раз выше, чем у железа, в 20 раз, чем у алюминия, и в 10 раз выше, чем у магния.
6. Титан характеризуется низкой теплопроводностью, это обусловлено низким коэффициентом температурного расширения. Она меньше в 3 раза, чем у железа, и в 12, чем у алюминия.

Какими способами получают титан?

Материал занимает 10 место по распространению в природе. Существует около 70 минералов, содержащих титан в виде титановой кислоты или его двуокиси. Наиболее распространенные из них и содержащие высокий процент производных металла:

• ильменит;
• рутил;
• анатаз;
• перовскит;
• брукит.

Основные залежи титановых руд находятся в США, Великобритании, Японии, большие месторождения их открыты в России, Украине, Канаде, Франции, Испании, Бельгии.

Добыча титана – дорогой и трудозатратный процесс

Получение металла из них стоит очень дорого. Ученые разработали 4 способа производства титана, каждый из которых рабочий и эффективно используется в промышленности:

1. Магниетермический способ. Добытое сырье, содержащее титановые примеси, перерабатывают и получают диоксид титана. Это вещество подвергается хлорированию в шахтных или солевых хлораторах при повышенном температурном режиме. Процесс очень медленный, ведется в присутствии углеродного катализатора. При этом твердый диоксид переводится в газообразное вещество – тетрахлорид титана. Полученный материал восстанавливается магнием или натрием. Сплав, образовавшийся при реакции, подвергают нагреванию в вакуумной установке до сверхвысоких температур. В результате реакции происходит испарение магния и его соединений с хлором. В конце процесса получают губкоподобный материал. Его плавят и получают титан высокого качества.
2. Гидридно-кальциевый способ. Руду подвергают химической реакции и получают гидрид титана. Следующий этап – разделение вещества на составляющие. Титан и водород выделяют в процессе нагревания в вакуумных установках. По окончании процесса получают оксид кальция, который отмывают слабыми кислотами. Первые два способа относятся к промышленному производству. Они позволяют получать в кратчайшие сроки чистый титан с относительно небольшими издержками.
3. Электролизный метод. Титановые соединения подвергают воздействию током большой силы. В зависимости от исходного сырья, соединения разделяются на составляющие: хлор, кислород и титан.
4. Йодидный способ или рафинирование. Полученный из минералов диоксид титана обдают парами йода. В результате реакции образуется йодид титана, который нагревают до высокой температуры – +1300…+1400°С и воздействуют на него электрическим током. При этом из исходного материала выделяются составляющие: йод и титан. Металл, полученный данным способом, не имеет примесей и добавок.

Марки титана и сплавов

Наиболее распространенными марками титана являются ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-00св. Титан указанных марок называется техническим. Данные марки не содержат в своем составе легирующие элементы, только незначительное количество примесей. Содержание Ti в марке ВТ1-0 составляет приблизительно 99,24-99,7%, в ВТ1-00 – 99,58-99,9%, ВТ1-00св – 99,39-99,9%. ВТ1-0, ВТ1-00 поставляется в виде листов, плит, прутков и труб. Проволока чаще всего используется для различных сварочных целей и производится из марки ВТ1-00св.

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

Титановый сплав ВТ5 содержит 5% алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается. Из марки ВТ5 получают титановые прутки (круги), проволоку и трубы, а также листы. Его применяют при изготовлении деталей, работающих при температуре до 400 °С.

Сплав титана ВТ5-1 помимо 5% алюминия содержит 2-3% олова. Олово улучшает его технологические свойства. Из марки ВТ5-1 изготавливают все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением: титановые плиты, а также листы, поковки, штамповки, профили, трубы и проволоку. Он предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных (отрицательных) до + 450 °С.

Титановые сплавы ОТ4 и ОТ4-1 в качестве легирующих элементов содержат алюминий и марганец. Они обладают высокой технологической пластичностью (хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии) и хорошо свариваются всеми видами сварки. Указанный материал идет, в основном, на изготовление титановых плит и листов, лент и полос, а также прутков и кругов, поковок, профилей и труб. Из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 изготовляют с применением сварки, штамповки и гибки детали, работающие до температуры 350 °С. Данные материалы имеют недостатки: 1) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; 2) большая склонность к водородной хрупкости. В сплаве ПТ3В марганец заменяется на ванадий.

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

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

Как распознать титан

В обычных бытовых условиях от других металлов титан отличить можно при помощи нескольких методов.

Математический метод

Эффективно применить математический подход для распознания титана несложно при наличии нескольких образцов разного металла. Данный метод основан на весе изделия, нуждающегося в идентификации.

Следует учесть, что показатель плотности у визуально схожих металлов существенно отличается.

Показатель плотности составляет:

• титан 4,5;
• дюраль и алюминий 2,7;
• железо 7,8.

На плотность стали влияет состав конкретной марки, но эта разница не является существенной при использовании данного метода. Поэтому на практике принято считать, что она равна показателю железа. Взвешивание изделий одинакового объема, изготовленных из разных материалов, покажет образец из титана.

Идентифицировать титановое изделие при отсутствии образцов из алюминия или стали для сравнения помогут простые математические расчеты, для которых надо определить объём и вес исследуемого образца. Для изделий сложной конфигурации определить объём поможет закон Архимеда. Объём воды, который вытолкнет изделие при погружении в емкость, будет равен объему этого самого изделия. Удобно использовать емкость с нанесенной на нее шкалой деления. С учетом показателя плотности воды один грамм вымещенной жидкости равняется кубическому сантиметру объема.

Следы на кафеле или стекле

Очень простой и доступный метод позволяет без труда выяснить, является ли титановым имеющийся в руках исследователя предмет. Примечательно, что титан оставляет практически не смываемые узоры на кафельной плитке или стеклянной поверхности.

Потребуется заостренным краем образца провести по поверхности одного из указанных материалов. Титан оставит не царапины, а именно следы, смыть которые нелегко. Именно этот способ используется для нанесения графических изображений на автобусные стекла. Он позволяет эффективно и легко проверить титан. Алюминиевый или стальной образец способен лишь слегка поцарапать поверхность. Для проведения опыта нет необходимости очищать и обезжиривать стеклянную или кафельную поверхность.

Применение абразива

Без труда отличить титан от нержавейки поможет станок для заточки инструмента или любой другой абразивный материал (даже асфальтовое покрытие на дороге). Если при контакте исследуемого образца с абразивом появится фонтанчик искр, имеющих яркий белый цвет, то это точно титан. Обработка стальной поверхности даст минимальное количество искр красноватого или желтоватого оттенка.

Нержавеющая сталь обладает высоким уровнем пожарной безопасности, потому практически не дает искр. Это свойство позволяет применять инструменты из нержавейки в условиях высокой пожарной опасности.

Примечательно, что воздействие абразива на алюминиевые детали искрами не сопровождается.

Таким образом это наиболее доступный и эффективный метод.

Гальванический способ

Использовать методику несложно в мастерской или гараже. В основе данной технологии идентификации титана лежит его способность изменять цвет в процессе анодирования.

Для исследования потребуется обычная аккумуляторная батарея для автомобиля, к плюсовой клемме которой подсоединяется пластина из титана. К «минусу» источника энергии подсоединяют стальной прут, обернутый ваткой. Вату необходимо пропитать кока-колой или любым соляным раствором.

При обработке титана с ваткой он изменит свой цвет за нескольких секунд. Оттенок, получаемый в результате возникновения оксидной пленки, определяется периодом контакта и рабочим напряжением. Цвет принципиального значения не имеет, важен сам факт окрашивания.

Специфические методы идентификации титана

На практике применяют несколько специфических методов, позволяющих отличить титан от алюминия, магния или нержавейки.

• Получив от анализируемого образца тонкую стружку, ее необходимо поджечь. Стружка из титана сразу воспламеняется, и ярко горит, а алюминиевая только плавится.
• Поместив стружку дюралюминия в раствор щелочи, несложно отметить бурное выделение водорода.
• Титан и его сплавы обладают низкой теплопроводностью. Поэтому при нагреве одного края детали противоположный останется холодным.
• Низкий показатель теплопроводности создает впечатление теплого металла в руках в отличие от холодящего алюминия или стали. Но в случае с нержавеющей сталью метод применять не рекомендуется, поскольку она тоже покажется теплой на ощупь.
• При ударе молотком по испытуемому образцу на стальной поверхности следов не останется, на титановой возникнет небольшая вмятина, а на алюминиевой поверхности образуется заметный дефект.

Важно понимать, что состав сплава напрямую определяет его технические свойства. Поэтому применительно к некоторым многокомпонентным материалам бытовые методы идентификации металла способны принести ошибочный результат. Наиболее точным методом служит анализ химического состава исследуемого образца при помощи специализированного оборудования.

Достоинства / недостатки

Достоинства:
• малая плотность (4500 кг/м3) способствует уменьшению массы выпускаемых изделий;
• высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;
• необычайно высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью Ti образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO2, прочно связанные с массой металла;
• удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.

Недостатки:
• высокая стоимость производства, Ti значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;
• активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего Ti и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;
• трудности вовлечения в производство титановых отходов;
• плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием Ti на многие материалы; титан в паре с титаном вообще не может работать на трение;
• высокая склонность Ti и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;
• плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса;
• большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.

[править] Применение

Титан и его сплавы с Al, V, Mo, ​​Mn, Cr, Si, Fe, Sn, Zr, Nb, Ta применяются как конструкционный металл в авиационной и ракетной технике, судостроительной, энергомашиностроительной, пищевой, медицинской промышленности и цветной металлургии, где они надежно и длительно эксплуатируются во многих химических агрессивных средах. Самое главное значение имеют титано-ванадиевые сплавы, которые имеют высокую прочность, ковкость и свариваемость; карбид титана применяется для изготовления сверхтвердых сплавов, диоксид титана — для производства устойчивых титановых белил, пластмасс и в целлюлозно-бумажной промышленности; оксид титана TiO имеет металлическую проводимость, используется в электрохромных системах.

Титан является одним из немногих металлов с высокой коррозионной стойкостью: он устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумажной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии.

По своей коррозионной стойкостью в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных — золота, платины и др., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. Дело в том, что реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакцию. Это связано с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом, тончайшая (в несколько ангстрем пленка диоксида титана (пассивация), которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, пассивируется, то есть защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Свойства и применение титановых сплавов

Титановые сплавы лишены основных недостатков чистого металла. При добавлении сторонних материалов изменяются его характеристики. Ключевые свойства титановых сплавов:

• устойчивость к коррозийным процессам;
• малая плотность;
• большая удельная прочность.

Также сплавы более устойчивы к воздействию высоких температур. Благодаря повышенной защите от воздействия кислот и щелочей сплавы на основе этого материала получили популярность в химической промышленности и медицине. Их используют в строительстве, изготовлении оборудования, машин, самолётов, ракет и кораблей.

Титан и соединения на его основе распространены в различных направлениях промышленности. Этот металл обладает уникальными характеристиками, которые выделяют его на фоне других материалов. Из-за сложностей получения чистого металла цена на него достаточно высока.

В чистом виде и в виде сплавов

Часы из титанового сплава Заготовка титанового шпангоута истребителя F-15 до и после прессования на штамповочном прессе компании Alcoa усилием 45 тыс. тонн, май 1985

Использование металлического титана во многих отраслях промышленности обусловлено тем, что его прочность примерно равна прочности стали при том, что он на 45 % легче. Титан на 60 % тяжелее алюминия, но прочнее его примерно вдвое.

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

Существует множество титановых сплавов с различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов: алюминий, кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, никель. Нейтральные упрочнители: цирконий, олово, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие.

Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации — ВТ6), содержащий около 6% алюминия и около 4% ванадия. По соотношению кристаллических фаз он классифицируется как (α+β)-сплав. На его производство идёт до 50% добываемого титана.

Ферротитан (сплав титана с железом, содержащий 18—25% титана) используют в чёрной металлургии для раскисления стали и удаления растворённых в ней нежелательных примесей (сера, азот, кислород).

В 1980-х годах около 60-65 % добываемого в мире титана использовалось в строительстве летательных аппаратов и ракет, 15% — в химическом машиностроении, 10% — в энергетике, 8% — в строительстве судов и для опреснителей воды.

В виде соединений

• Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171.
• Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.
• Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.
• Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана — важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.
• Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, так как имеет цвет, похожий на золото.
• Титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов — сегнетоэлектрики.
• Тетрахлорид титана используется для иридизации стёкла и для создания дымовых завес.

Свойства атома титана:

Плюсы и минусы металла и его сплавов

Достоинства титановых сплавов:

1. Соотношение прочность-плотность у титановых сплавов почти в 2 раза лучше, чем у легированных сталей.
2. Высокая механическая прочность.
3. Отличная коррозионная стойкость, что позволяет изделиям работать в агрессивных средах.

Часы из титанового сплава
К недостаткам титановых сплавов можно отнести:

1. Высокая цена (титан гораздо дороже многих цветных металлов).
2. При обработке металла и его сплавов возникает проблема налипания, что грозит быстрым износом режущих инструментов.
3. Сложности при сварке титановых изделий.

[править] Титан — антикоррозионный металл

[править] Поведение титана и его сплавов в различных агрессивных средах

Реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, такая, что хорошо срастается с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1А = 10−10 м) пленка диоксида титана, что предохраняет его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорится, ею «пассивируется», то есть защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

[править] Влияние легирующих элементов в титане на коррозионную стойкость

Все присутствующие в титане легирующие элементы по коррозионной стойкости можно разделить на четыре группы. К первой группе относятся элементы, которые легко пассивируются, повышают коррозионную стойкость титана за счет торможения анодного процесса (в разной степени и в зависимости от природы среды). К этой группе относятся: Мо, ТаNb, Zr, V (расположены в порядке убывания благоприятного воздействия на коррозионную стойкость).

Ко второй группе металлов, оказывающих похож влияние на коррозионную стойкость титана, относятся Cr, Ni, Mn, Fe . Эти элементы, некоторые из которых сами являются коррозионно (Cr, Ni), хотя и не сильно, но снижают коррозионную стойкость титана, особенно в кислотах-неокислителях по мере повышения легирования титана.

К третьей группе легирующих элементов, имеющих общие черты влияния на коррозионную стойкость титана, относятся Al, Sn, С. Установлено, что добавки алюминия снижают коррозионную стойкость титана в активном и пассивном состояниях. В нейтральных средах алюминий (до 5 % Al) хотя и оказывает негативное влияние, но оно невелико. Понижение коррозионной стойкости при легировании алюминием связано с облегчением анодного и катодного процессов вследствие изменения химической природы пассивных пленок.

К четвертой группе легирующих элементов, которые однотипно влияют на коррозионную стойкость титана, относятся металлы с низким сопротивлением катодной процесса. По возрастанию эффективности воздействия на титан эти элементы располагаются в следующий ряд: CuW, МоNi, Re, Ru, Pd, Pt.

Доказано, что введение в титановые сплавы таких элементов, как молибден, ниобий, цирконий, тантал, не лимитируется по количеству. Они повышают коррозионную стойкость, способствуют увеличению прочности.

[править] Особенности взаимодействия титана с воздухом

Воздух, представляющий собой смесь различных газов, является сложной газовой фазой, действие которой на титан может быть весьма многообразным. При этом взаимодействие титана с кислородом воздуха отличается от взаимодействия титана с чистым кислородом, поскольку на это взаимодействие оказывает влияние азот и другие составные части воздуха. В то же время следует иметь в виду, что при всей сложности газовой фазы (воздух) действие ее на титан следует рассматривать прежде всего как реакцию взаимодействия с ним активной и достаточно значительной по количеству составляющей — кислорода.

Литье титана

Во время нагрева до температуры плавления титан активно реагирует с компонентами воздуха.

Чтобы этого не происходило, воздух в печах откачивали, создавали вакуум. Остатки воздуха стали вытеснять инертными газами: смесью аргона и гелия. На промышленных литейных установках остаточное давление инертных газов колеблется от 1,33 до 0,13 Па.

Разработано несколько технологий:

В вакуумной камере металл расплавляют, разливают по формам. Охлаждают до температуры, когда металл теряет химическую активность, образует кристаллическую структуру.

Метод вакуумного литья (МВЛ) по выплавляемым моделям заключается в использовании выплавляемых или выжигаемых форм. На поверхности модели создают огнеупорную оболочку. Отливки получаются максимально приближенной формы.

Технология оболочечного литья предусматривает использование тонкостенных разъемных форм. Их устанавливают на разогретую модельную плиту, чтобы покрыть термоактивной смолой. Заливка производится вертикально и горизонтально.

Специально разрабатывается температурный режим остывания отливок. Предусмотрено равномерное структурирование по всему объему, чтобы в литье не возникали внутренние напряжения.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с титаном достаточно много. Стоит начать с того, что гонг(музыкальный инструмент) изготовлен из чистого титана. Трубы изготавливаемые для перекачки нефти и газа производятся из титана из-за его прочности и короззийной устойчивости. Еще одним интересным моментом является то, что титан в виде порошка является легковоспламеняющимся веществом. Соединения на основе титанового порошка используются в пиротехнии. Так же титан используется в качестве электрода в литиевых и литий-ионных батареях.

Способ получения из сырья

Исходное сырьё — двуокись титана, содержащая мало посторонних примесей. Для этого нужен рутиловый концентрат, получаемый обогащением руды. Но его мировые запасы невелики, и чаще применяют титановый шлак (синтетический рутил), который получают термической обработкой — обогащением ильменитовых концентратов в электродуговой печи. В результате железо в виде чугуна собирается на дне специальной ванны, и остаётся порошок серого цвета — шлак, содержащий оксид титана. Его измельчают, смешивают с углём, брикетируют и хлорируют в печах, где при 800 °C в присутствии углерода образуются пары четырёххлористого титана.
Потом их очищают и в специальных реакторах восстанавливают магнием при 950 °C. На стенках образуется спёкшаяся пористая масса, титановая губка, которую для сепарации от соединений магния прокаливают в вакууме. Чтобы изготовить слитки титана используют плавку полученной губки в вакуумно-дуговых печах. Это предохраняет металл от окисления и способствует окончательному освобождению от примесей. Готовые слитки с чистотой до 99,7% используют для обработки давлением (прокатка, штамповка, ковка).

Источники

• https://metalloy.ru/splavy/titan-i-ego-splavy
• https://tokar.guru/metally/unikalnye-svoystva-metalla-titan-plotnost-i-temperatura-plavleniya.html
• https://chem.ru/titan.html
• https://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/tsvetnyie/titan/fizicheskie-harakteristiki-i-svoystva.html
• https://ChemicalStudy.ru/titan-svoystva-atoma-himicheskie-i-fizicheskie-svoystva/
• https://svarkaprosto.ru/tehnologii/temperatura-plavleniya-titana
• https://www.metotech.ru/titan-opisanie.htm
• https://TheMineral.ru/metally/titan

Получение

Брусок кристаллического титана (чистота 99,995 %, вес ?283 г, длина ?14 см, диаметр ?25 мм), изготовленный на иодидным методом ван Аркеля и де Бура
Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок диоксида титана TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl4: TiO2 + 2C + 2Cl2 =TiCl4 + 2CO

Образующиеся пары TiCl4 при 850 °C восстанавливают Mg: TiCl4+ 2Mg = 2MgCl2+ Ti

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Ильменитовые концентраты восстанавливают в электродуговых печах с последующим хлорированием возникающих титановых шлаков. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура кристалла

Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная модификация, существующая до 882 °C, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периодами а = 0,296 нм и с = 0,472 нм. Высокотемпературная модификация имеет решетку объемноцентрированного куба с периодом а = 0,332 нм. Полиморфное превращение (882 °C) при медленном охлаждении происходит по нормальному механизму с образованием равноосных зерен, а при быстром охлаждении — по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры. Титан обладает высокой коррозионной и химической стойкостью благодаря защитной окисной пленке на его поверхности. Он не корродирует в пресной и морской воде, минеральных кислотах, царской водке и др.