Титан занимает 4-е место по распространению в производстве, но эффективная технология его извлечения была разработана только в 40-х гг прошлого века. Это металл серебристого цвета, характеризующийся небольшой удельной массой и уникальными характеристиками. Для анализа степени распространения в промышленности и других сферах необходимо озвучить свойства титана и области применения его сплавов.
Основные характеристики
Металл обладает малой удельной массой – всего 4.5 г/см³. Антикоррозийные качества обусловлены устойчивой оксидной пленкой, образующейся на поверхности. Благодаря этому качеству титан не изменяет своих свойств при длительном нахождении в воде, соляной кислоте. Не возникают поврежденные участки из-за воздействия напряжения, что является основной проблемой стали.
В чистом виде титан обладает следующими качествами и характеристиками:
- номинальная температура плавления — 1 660°С;
- при термическом воздействии +3 227°С закипает;
- предел прочности при растяжении – до 450 МПа;
- характеризуется небольшим показателем упругости – до 110,25 ГПа;
- по шкале НВ твердость составляет 103;
- предел текучести один из самых оптимальных среди металлов – до 380 Мпа;
- теплопроводность чистого титана без добавок – 16,791 Вт/м*С;
- минимальный коэффициент термического расширения;
- этот элемент является парамагнитом.
Для сравнения, прочность этого материала в 2 раза больше, чем у чистого железа и в 4 раза такого же показателя алюминия. Также титан имеет две полиморфные фазы – низкотемпературную и высокотемпературную.
Для производственных нужд чистый титан не применяется из-за его дороговизны и требуемых эксплуатационных качеств. Для повышения жесткости в состав добавляют оксиды, гибриды и нитриды. Реже изменяют характеристики материала для улучшения стойкости к коррозии. Основные виды добавок для получения сплавов: сталь, никель, алюминий. В некоторых случаях он выполняет функции дополнительного компонента.
Области применения
Благодаря небольшой удельной массе и прочностным параметрам титан широко используется в авиационной и космической промышленности. Его применяют в качестве основного конструкционного материала в чистом виде. В особых случаях за счет уменьшения жаропрочности делают более дешевые сплавы. При этом его сопротивление коррозии и механическая прочность остаются неизменными.
Кроме этого, материал с добавками титана нашел применение в следующих областях:
- Химическая промышленность. Его стойкость практически ко всем агрессивным средам, кроме органических кислот, позволяет изготавливать сложное оборудование с хорошими показателями безремонтного срока службы.
- Производство транспортных средств. Причина – небольшая удельная масса и механическая прочность. Из него делают каркасы или несущие элементы конструкций.
- Медицина. Для особых целей применяется специальный сплав нитинол (титан и никель). Его отличительное свойство – память формы. Для уменьшения нагрузки пациентов и минимизации вероятности негативного воздействия на организм многие медицинские шины и подобные им устройства делают из титана.
- В промышленности металл применяется для изготовления корпусов и отдельных элементов оборудования.
- Ювелирные украшения из титана обладают уникальным внешним видом и качествами.
В большинстве случаев материал обрабатывается в заводских условиях. Но есть ряд исключений – зная свойства этого материала, часть работ по изменению внешнего вида изделия и его характеристик можно выполнять в домашней мастерской.
Особенности обработки
Для придания изделию нужной формы необходимо использовать специальное оборудование – токарный и фрезерный станок. Ручное резание или фрезеровка титана невозможна из-за его твердости. Помимо выбора мощности и других характеристик оборудования необходимо правильно подобрать режущие инструменты: фрезы, резцы, развертки, сверла и т.д.
При этом учитываются такие нюансы:
- Титановая стружка легко воспламеняется. Необходимо принудительное охлаждение поверхности детали и работа на минимальных скоростях.
- Гибка изделия выполняется только после предварительного разогрева поверхности. В противном случае велика вероятность появления трещин.
- Сварка. Обязательно соблюдение особых условий.
Титан – уникальный материал с хорошими эксплуатационными и техническими качествами. Но для его обработки следует знать специфику технологии, а главное – технику безопасности.
Совмещение в одном веществе прочности и легкости – параметр ценный настолько, что остальные качества и особенности материала могут совершенно игнорироваться. дорог в , стоек к температурам только в сверхчистом виде, сложен в использовании, но все это оказывается второстепенным по сравнению с комбинацией малого веса и высокой прочности.
Данная статья расскажет вам о применении титана в военной авиации, промышленности, медицине, авиастроении, для изготовления ювелирных изделий, о сплавах титана, и применении в быту.
Область использования металла была бы значительно шире, если бы не высокая стоимость его получения. Из-за этого применяют титан лишь в тех областях, где использование столь дорогого вещества экономически оправдано. Обуславливает применение не только прочность и легкость, но и стойкость к коррозии, сравнимая со стойкостью благородных металлов и долговечности.
Свойства металла необыкновенно сильно зависят от чистоты, поэтому применение технического и чистого титана рассматриваются как 2 отдельных вопроса.
О том, благодаря каким свойствам титан так широко используется в промышленности, расскажет это видео:
Технический металл
Технический титан может содержать разнообразные примеси, не сказывающиеся на химических свойствах вещества, однако имеющих влияние на физические. Технический титан теряет такое ценное качество, как жаропрочность и способность работать при температурах выше 500–600 С. А вот коррозийная его стойкость никак не уменьшается.
- Этим и обусловлено его применение – в химической промышленности и в любой другой области, где необходимо обеспечить стойкость изделий в агрессивных средах. Из титана изготавливают емкости для хранения, арматуру, части реакторов, трубопроводов и насосов, назначением которых является перемещение неорганических и органических кислот и оснований. Такими же свойствами в большинстве своем обладают и титановые сплавы.
- Малый вес совместно с коррозийной стойкостью обеспечивает и другое применение – при изготовлении транспортной техники, в частности, железнодорожного транспорта. Использование титановых листов и прутков при изготовлении вагонов и поездов позволяет уменьшить массу составов, а, значит, уменьшить размеры букс и шеек, сделав тягу более эффективной.
В обыкновенных автомобилях из титана изготавливают системы отведения отработанных газов и витые пружины. В гоночных автомобилях титановые движущие узлы позволяют заметно облегчить машину и улучшить ее свойства.
- Незаменим титан в производстве бронетанковой техники: вот где соединение прочности и легкости оказывается решающим.
- Высокая коррозийная стойкость и легкость делает материал привлекательным и для военно-морского дела. Титан применяют при изготовлении тонкостенных труб и теплообменников, выхлопных глушителей на подводных лодках, клапанов, пропеллеров, элементов турбин и так далее.
Изделия из титана (фото)
Чистый металл
Чистый металл проявляет очень высокую жаропрочность, способность работать в условиях высокой нагрузки и высокой температуры. А, учитывая его малый вес, применение металла в ракето- и авиастроении оказывается очевидным.
- Из металла и его сплавов изготавливают детали крепления, обшивку, части шасси, силовой набор и так далее. Кроме того, материал используется при конструировании авиационных двигателей, что позволяет снизить их вес на 10–25%.
- Ракеты при прохождении через плотные слои атмосферы испытывают чудовищные нагрузки. Применение титана и его сплавов позволяет разрешить задачу статической выносливости аппарата, усталостной прочности и в какой-то мере ползучести.
- Еще одно применение чистого титана – изготовление деталей электровакуумных приборов, рассчитанных на эксплуатацию в условиях перегрузок.
- Незаменим металл в производстве криогенной техники: прочность титана с понижением температуры только увеличивается, но при этом сохраняется некоторая пластичность.
- Титан является едва ли не самым биологически инертным веществом. Коммерчески чистый металл используют для изготовления всех видов внешних и внутренних протезов вплоть до сердечных клапанов. Титан совместим с биологической тканью и не вызвал ни единого случая аллергии. Кроме того, материал применяют для хирургических инструментов, инвалидных костылей, колясок и так далее.
Однако при всей своей стойкости к температурам и долговечности металл не используется при изготовлении подшипников, втулок и других деталей, где предполагается трение. Титан обладает низкими антифрикционными свойствами и с помощью добавок этот вопрос не решается.
Титан хорошо полируется, анодируется – цветное анодирование, поэтому часто применяется в художественных произведениях и в архитектуре. Примером может послужить памятник первому искусственному спутнику земли или памятник. Ю. Гагарину.
Про маркировку на изделиях из титана, инструкции по его применению и иные важные моменты использования металла в строительстве, расскажем ниже.
В видео ниже показан процесс андонирования титана:
Его использование в строительстве
Конечно, львиная доля титана используется в авиастроении и в транспортной промышленности, где особенно важно сочетание прочности и легкости. Однако и в строительстве материал применяется, и применялся бы шире, если бы не высокая стоимость.
Обшивка титаном
Эта технология распространена пока мало, но, например, в Японии титановые листы очень широко используют для отделки крыш и даже внутренних интерьеров. Доля материала, расходуемого в строительстве, значительно выше доли, используемой в авиасекторе.
Связано это как с прочностью такой облицовки, так и с ее удивительными декоративными возможностями. Методом анодного окисления на поверхности листа можно получить слой оксидов разной толщины. Цвет при этом изменяется. Изменяя время отжига и интенсивность, можно получить желтый, бирюзовый, синий, розовый, зеленый цвета.
При анодировании в атмосфере азота изготавливают листы со слоем нитрида титана. Таким образом, получают самые разнообразные оттенки золота. Эта технология используется при реставрации памятников архитектуры – восстановление церквей, например.
Фальцевые кровли
Этот вариант уже получил весьма широкое распространение. Но, правда, основой его служит не сам титан, а его сплав с .
Сами по себе фальцевые кровли известны очень давно, но давно не пользовались популярностью. Однако сегодня благодаря моде на стили хай-так и техно появилась потребность в ломаных и сплайновых поверхностях, особенно переходящих в фасад здания. А такую возможность и предоставляет .
Ее способность к формообразованию практически безгранична. А применение сплава обеспечивает и исключительную прочность, и самый необычный внешний вид. Хотя справедливости ради базовый матово-стальной цвет считается самым респектабельным.
Поскольку цинк-титан обладает вполне достойной ковкостью, из сплава изготавливают разнообразные сложные декоративные детали: коньки крыш, водостойкие отливы, карнизы и прочее.
Такая область применения титана как облицовка фасада рассмотрена кратко ниже.
Облицовка фасада
При изготовлении облицовочных панелей также используется цинк-титан. Применяют панели и для облицовки фасадов, и для отделки интерьеров. Причина та же – комбинация прочности, исключительной легкости и декоративности.
Выпускаются панели самой разной формы – в виде ламелей, ромбов, модулей, чешуи и так далее. Самое интересное, это то, что панели могут быть не плоскими, а принимать едва ли не любые объемные формы. В результате такая отделка возможна на стенах и зданиях любой, самой немыслимой конфигурации.
Легкость изделия обуславливает и другое совершенно уникальное применение. Обычный вентилируемый фасад подразумевает и зазор между облицовкой и утеплителем. Однако легкие панели цинк-титана можно крепить на подвижные открывающиеся механизмы, образуя систему, наподобие жалюзи. Пластины по необходимости могут отклоняться от плоскости на угол в 90 градусов.
Титан обладает уникальным сочетанием прочности, легкости и коррозийной стойкости. Эти качества обуславливают его применение, несмотря на высокую стоимость материала.
О том, как сделать кольцо из титана, расскажет это видео:
Титан - элемент IV группы побочной подгруппы периодической системы, порядковый номер 22, атомный вес 47,9. Химический знак - Ti. Титан открыт в 1795году и назван в честь героя греческого эпоса Титана. Он входит в состав более чем 70 минералов и является одним из распространенных элементов - содержание его в земной коре составляет примерно 0,6 %. Это металл серебристо-белой окраски. Его температура плавления равна 1665 °С. Коэффициент линейного расширения титана в интервале 20 – 100 °С составляет 8,3×10 -6 град -1 , а теплопроводность l = 15,4 Вт/(м×К). Он существует в двух полиморфных видоизменениях: до 882 °С в виде a-модификации, обладающей гексагональной плотно-упакованной кристаллической решеткой с параметрами а = 2,95 Å и с = 4,86 Å; а выше данной температуры устойчивой является b-трансформация с объемноцентрированной кубической решеткой (а = 3,31 Å).
Металл сочетает большую прочность с малой плотностью r = 4,5 г/см 3 и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при службе на термическую усталость. Металл обладает ползучестью как при повышенных, так и при комнатной температурах. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.
Металл высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами. Под влиянием примесей пластичность его резко изменяется. Кислород хорошо растворяется в титане и сильно снижает данную характеристику уже в области малых концентраций. Пластические свойства металла уменьшаются и при добавлении азота. При содержании азота более 0,2 % наступает хрупкое разрушение титана. Вместе с тем кислород и азот повышают временное сопротивление и выносливость металла. В этом отношении они являются полезными примесями.
Вредной примесью является водород. Он резко снижает ударную вязкость титана даже при очень малых концентрациях, за счет образования гидридов. На прочностные характеристики металла водород не оказывает заметного влияния в широком интервале концентраций.
Чистый титан не относится к жаропрочным материалам, так как прочность его резко уменьшается с повышением температуры.
Важной особенностью металла является его способность образовывать твердые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твердого раствора на основе a-Ti (альфитированный), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Он имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.
Титан характеризуется значительной коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, естественной холодной, горячей пресной и морской воде, растворах щелочей, солей неорганических и органических кислот и соединений даже при кипячении. Он стоек по отношению к разбавленным серной, соляной (до 5 %), азотной всех концентраций (кроме дымящейся), уксусной и молочной кислотам, хлоридам и царской водке. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной защитной пленки, состав которой зависит от окружающей среды и условий ее образования. В большинстве случаев это диоксид - TiO 2 . При определенных условиях металл, взаимодействующий с соляной кислотой, может покрываться защитным слоем гидрида - TiH 2 . Титан устойчив против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением.
Начало промышленного применения титана как конструкционного материала относится к сороковым годам прошлого столетия. В данном качестве титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Он сохраняет высокие прочностные характеристики при повышенных температурах и поэтому с успехом применяется для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву.
В настоящее время титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твердых сплавов для режущих инструментов. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четыреххлористый титан применяют в военном деле для создания дымовых завес.
В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качествепоглотителя газов - при нагревании до 500 °С он энергично абсорбирует газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объеме высокий вакуум. В связи с этим его применяют для изготовления деталей электронных ламп.
Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него делают детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно-активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для производства различных деталей гальванических ванн. Его широко употребляют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при больших температурах и давлениях.
Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах он корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной пленки.
Сплавы титана с различными элементами являются более перспективными материалами, чем технически-чистый металл.
Основными легирующими компонентами промышленных титановых сплавов являются ванадий, молибден, хром, марганец, медь, алюминий и олово. Практически же титан образует сплавы со всеми металлами, за исключением щелочноземельных элементов, а также с кремнием, бором, водородом, азотом и кислородом.
Наличие полиморфных превращений титана, хорошая растворимость многих элементов в нем, образование химических соединений, обладающих переменной растворимостью, позволяют получить широкую гамму титановых сплавов с разнообразными свойствами.
Они обладают тремя основными преимуществами по сравнению с другими сплавами: малым удельным весом, высокими химическими свойствами и отличной коррозионной стойкостью. Сочетание легкости с большой прочностью делают их особенно перспективными материалами как заменители специальных сталей для авиационной промышленности, а значительная коррозионная стойкость - для судостроения и химической промышленности.
Во многих случаях применение титановых сплавов оказывается экономически выгодным, несмотря на высокую стоимость титана. Например, применение литых титановых насосов с высочайшей коррозионной стойкостью на одном из предприятий России позволило снизить эксплуатационные расходы на один насос в 200 раз. Таких примеров можно привести немало.
В зависимости от характера влияния, оказываемого легирующими элементами на полиморфные превращения титана при сплавлении, все сплавы делятся на три группы:
1) с a-фазой (алюминий);
2) с b-фазой (хром, марганец, железо, медь, никель, бериллий, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден, ниобий и тантал);
3) с a + b-фазами (олово, цирконий германий).
Сплавы титана с алюминием имеют меньшую плотность и большую удельную прочность, чем чистый или технически чистый титан. По удельной прочности они превосходят многие нержавеющие и теплостойкие стали в интервале 400 - 500 °С. Эти сплавы обладают более высокой жаропрочностью и наивысшим сопротивлением ползучести, чем многие другие на основе титана. Они также имеют повышенный модуль нормальнойупругости. Сплавы не подвергаются коррозии и слабо окисляются при высоких температурах. Они обладают хорошей свариваемостью, причем даже при значительном содержании алюминия материал шва и околошовной зоны не приобретает хрупкости. Добавка алюминия уменьшает пластичность титана. Наиболее интенсивно это влияние сказывается при содержании алюминия более 7,5 %. Добавка олова в сплавы повышает их прочностные характеристики. При концентрации в них до 5 % Sn заметного снижения пластических свойств не наблюдается. Кроме того, введение олова в сплавы повышает их сопротивляемость окислению и ползучести. Сплавы, содержащие 4 - 5 % Аl и 2 – 3 % Sn, сохраняют значительную механическую прочность до 500 °С.
Цирконий не оказывает большого влияния на механические свойства сплавов, но его присутствие способствует увеличению сопротивления ползучести и повышению длительной прочности. Цирконий является ценным компонентом титановых сплавов.
Сплавы данного типа достаточно пластичны: прокатываются, штампуются и куются в горячем состоянии, свариваются аргоно-дуговой и контактной сваркой, удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают хорошей коррозионной стойкостью в концентрированной азотной кислоте, в атмосфере, растворах поваренной соли при цикличных нагрузках и морской воде. Они предназначаются для изготовления деталей, работающих при температурах от 350 до 500 °С при длительных нагрузках и до 900 °С при кратковременных нагрузках. Сплавы поставляются в виде листов, прутков, полос, плит, поковок, штамповок, прессованных профилей, труб и проволоки.
При комнатной температуре они сохраняют кристаллическую решетку, присущую модификации a-титана. В большинстве случаев эти сплавы применяют в отожженном состоянии.
К титановым сплавам с термодинамически устойчивой b-фазой относятся системы, содержащие в своем составе алюминий (3,0 - 4,0 %), молибден (7,0 - 8,0 %) и хром (10,0 - 15,0 %). Однако при этом теряется одно из основных преимуществ титановых сплавов - относительно малая плотность. Это является основной причиной того, что данные сплавы не получили широкого распространения. После закалки с 760 - 780 °С и старения при 450 - 480 °С они имеют временное сопротивление 130 – 150 кГ/мм 2 , это эквивалентно стали с s в = 255 кГ/мм 2 . Однако эта прочность не сохраняется при нагревании, что является основным недостатком указанных сплавов. Они поставляются в виде листов, прутков и поковок.
Наилучшее сочетание свойств достигается в сплавах, состоящих из смеси a- и b-фaз. Непременным компонентом в них является алюминий. Содержание алюминия не только расширяет область температур, при которых сохраняется стабильность a-фазы, но и повышает термическую устойчивость b-составляющей. Кроме того, этот металл уменьшает плотность сплава и тем самым компенсирует увеличение данного параметра, связанное с введением тяжелых легирующих элементов. Они обладают хорошей прочностью и пластичностью. Из них изготовляют листы, прутки, поковки и штамповки.Детали из таких сплавов можно соединять точечной, стыковой и аргоно-дуговой сваркой в защитной атмосфере. Они удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и в морской воде, обладают хорошей термической стабильностью.
Иногда, кроме алюминия и молибдена, в сплавы добавляется небольшое количество кремния. Это способствует тому, что сплавы в горячем состоянии хорошо поддаются прокатке, штамповке и ковке, а также увеличивается сопротивление ползучести.
Широкое применение находит карбид титана TiC и сплавы на его основе. Карбид титана обладает большой твердостью и очень высокой температурой плавления, что и определяет основные области его применения. Его давно применяют как компонент твердых сплавов для режущих инструментов и штампов. Типичными титансодержащими твердыми сплавами для режущего инструмента являются сплавы Т5К10, Т5К7, Т14К8, Т15К6, ТЗ0К4 (первая цифра соответствует содержанию карбида титана, а вторая - концентрации цементирующего металлического кобальта в %). Карбид титана применяют также в качестве абразивного материала как в порошке, так и в цементированном виде. Его температура плавления выше 3000 °С. Он обладает большой электропроводностью, а при низких температурах - сверхпроводимостью. Ползучесть данного соединения мала вплоть до 1800 °С. При комнатной температуре он хрупок. Карбид титана стоек в холодных и горячих кислотах - соляной, серной, фосфорной, щавелевой, на холоде - в хлорной кислоте, а также в их смесях.
Большое распространение получили жаростойкие материалы на основе карбида титана, легированного молибденом, танталом, ниобием, никелем, кобальтом и другими элементами. Это позволяет получить материалы, в которых сочетаются большая прочность, сопротивляемость ползучести и окислению при высоких температурах карбида титана с пластичностью и сопротивлением тепловому удару металлов. На этом же принципе основано получение жаростойких материалов на основе других карбидов, а также боридов, силицидов, которые объединяются под общим названием керамико-металлических материалов.
Сплавы на основе карбида титана сохраняют достаточно высокую жаропрочность до 1000 – 1100 °С. Они обладают высокой износоустойчивостью и стойкостью против коррозии. Ударная вязкость сплавов мала, и это является основным препятствием для широкого их распространения.
Карбид титана и сплавы на его основе с карбидами других металлов применяют в качестве огнеупорных материалов. Тигли из карбида титана и сплава его с карбидом хрома не смачиваются и практически не взаимодействуют в течение длительного времени с расплавленным оловом, висмутом, свинцом, кадмием и цинком. Не смачивают карбид титана расплавленная медь при 1100 - 1300 °С и серебро при 980 °С в вакууме, алюминий при 700 °С в атмосфере аргона. Сплавы на основе карбида титана с карбидом вольфрама или тантала с добавкой до 15 % Со при 900 – 1000 °С в течение длительного времени почти не поддаются действию расплавленного натрия и висмута.
Вечный, загадочный, космический, - 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 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 обозначается в периодической таблице Д. И. Менделеева символом Ti. Располагается в побочной подгруппе IV группы четвертого периода и имеет порядковый номер 22. 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 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:
- Ильменит (FeTiO 3).
- Рутил (TiO 2).
- Титанит (CaTiSiO 5).
- Перовскит (CaTiO 3).
- Титаномагнетит (FeTiO 3 +Fe 3 O 4) и т. д.
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 и твердость. Титан прочнее алюминия в 12 раз, железа и меди - в 4 раза, при этом он значительно легче. Пластичность 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
- Плотность (при нормальных условиях) составляет 4,54 г/см 3 .
- Атомный номер - 22.
- Группа металлов - тугоплавкий, легкий.
- Атомная масса титана - 47,0.
- Температура кипения (0 С) - 3260.
- Молярный объем см 3 /моль - 10,6.
- Температура плавления титана (0 С) - 1668.
- Удельная теплота испарения (кДж/моль) - 422,6.
- 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) 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 (TiO 2). 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 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.
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 TiCl 4 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 (Titanium), Ti,- химический элемент IV группы периодической системы
элементов Д. И. Менделеева. Порядковый номер 22, атомный вес 47,90. Состоит
из 5 устойчивых изотопов; получены также искусственно радиоактивные изотопы.
В 1791 году английский химик У. Грегор нашёл в песке из местечка Менакан
(Англия, Корнуолл) новую «землю», названную им менакановой. В 1795 году
немецкий химик М. Клаирот открыл в минерале рутиле неизвестную еще землю, металл которой он назвал Титан [в греч. мифологии титаны - дети Урана (Неба) и Геи (Земли)]. В 1797 году Клапрот доказал тождество этой земли с открытой У. Грегором. Чистый титан выделен в 1910 году американским химиком Хантером посредством восстановления четырёххлористого титана натрием в железной бомбе.
Нахождение в природе
Титан относится к числу наиболее распространённых в природе элементов, его
содержание в земной коре составляет 0,6% (весовых). Встречается главным образом
в виде двуокиси TiO2 или её соединений - титанатов. Известно свыше
60 минералов, в состав которых входит титан Он содержится также в почве, в
животных и растительных организмах. Ильменит FeTiO3 и
рутил TiO2 служат основным сырьём для получения титана. В
качестве источника титана приобретают значение шлаки от плавки
титано-магнетитов и ильменита.
Физические и химические свойства
Титан существует в двух состояниях: аморфный - темносерый порошок, плотность 3,392-3,395г/см3, и кристаллический, плотность 4,5 г/см
3. Для кристаллического титана известны две модификации с точкой
перехода при 885° (ниже 885° устойчивая гексагональная форма, выше -
кубическая); t°пл. ок. 1680°; t кип. выше 3000°. Титан активно поглощает газы (водород, кислород, азот), которые делают его очень
хрупким. Технический металл поддаётся горячей обработке давлением. Совершенно чистый металл может быть прокатан на холоду. На воздухе при обыкновенной температуре титан не изменяется, при накаливании образует смесь окиси Ti2 O3 и нитрида TiN. В токе кислорода при красном калении окисляется до двуокиси TiO2. При высоких температурах реагирует с углеродом,
кремнием, фосфором, серой и др. Устойчив к морской воде, азотной кислоте,
влажному хлору, органическим кислотам и сильным щелочам. Растворяется в
серной, соляной и плавиковой кислотах, лучше всего - в смеси HF и HNO3
. Добавление к кислотам окислителя предохраняет металл от коррозии при
комнатной температуре. В соединениях проявляет валентность 2, 3 и 4. Наиболее устойчивы и имеют наибольшее практическое значение соединения Ti(IV). Наименее устойчивы производные Ti(II). Соединения Ti(III) устойчивы в растворе и являются сильными восстановителями. С кислородом титан даёт амфотерную двуокись титана, закись Ti0 и окись Ti2O3, имеющие
основной характер, а также некоторые промежуточные окислы и перекись TiO3
. Галогениды четырёхвалентного титана, за исключением TiCl4 -
кристаллические тела, легкоплавкие и летучие в водном растворе гидрализованы, склонны к образованию комплексных соединений, из которых в технологии и аналитической практике имеет значение фтортитанат калия K2TiF6. Важное значение имеют карбид TiC и нитрид TiN- металлоподобные вещества, отличающиеся большой твёрдостью (карбид титан тверже карборунда), тугоплавкостью (TiC, t°пл. 3140°; TiN, t°пл. 3200°) и хорошей
электропроводностью.
Получение
Соединения титана получили применение в промышленности в начале 20 в.
Организация производства титана относится к 1946 (в 1948 выплавлено 10 m, 72OO т в 1954 и ок. 20000 т в 1955). Способ получония основан на
восстановлении четырёххлористого титана металлическим магнием в атмосфере
аргона или гелия. Компактный металл получается переплавкой в дуговых печах.
Компактный металл высокой чистоты образуется при термической диссоциации
тетраиодида титана. Большое значение приобрело восстановление TiCI4
натрием вместо магния.
