Температура испарения титана. Металл титан

Титан (лат. titanium), ti, химический элемент iv группы периодической системы Менделеева; атомный номер 22, атомная масса 47,90; имеет серебристо-белый цвет, относится к лёгким металлам. Природный Т. состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46 ti (7,95%), 47 ti (7,75%), 48 ti (73,45%), 49 ti (5,51%), 50 ti (5,34%). Известны искусственные радиоактивные изотопы 45 ti (ti 1/2 = 3,09 ч , 51 ti (ti 1/2 = 5,79 мин ) и др.

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

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

В биосфере Т. в основном рассеян. В морской воде его содержится 1 · 10 -7 %; Т. - слабый мигрант.

Физические свойства. Т. существует в виде двух аллотропических модификаций: ниже температуры 882,5 °С устойчива a -форма с гексагональной плотноупакованной решёткой (а = 2,951 å, с = 4,679 å), а выше этой температуры - b -форма с кубической объёмно-центрированной решёткой а = 3,269 å. Примеси и легирующие добавки могут существенно изменять температуру a / b превращения.

Плотность a -формы при 20 °С 4,505 г/см 3 а при 870 °С 4,35 г/см 3 b -формы при 900 °С 4,32 г/см 3 ; атомный радиус ti 1,46 å, ионные радиусы ti + 0,94 å, ti 2+ 0,78 å, ti 3+ 0,69 å, ti 4+ 0,64 å, t пл 1668±5°С, t кип 3227 °С; теплопроводность в интервале 20-25 °С 22,065 вт/ (м ? К) ; температурный коэффициент линейного расширения при 20 °С 8,5 ? 10 -6 , в интервале 20-700 °С 9,7 ? 10 -6 ; теплоёмкость 0,523 кдж/ (кг ? К) ; удельное электросопротивление 42,1 ? 10 -6 ом ? см при 20 °С; температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С; обладает сверхпроводимостью ниже 0,38±0,01 К. Т. парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость (3,2±0,4) ? 10 -6 при 20°С. Предел прочности 256 Мн/м 2 (25,6 кгс/мм 2) , относительное удлинение 72%, твёрдость по Бринеллю менее 1000 Мн/м 2 (100 кгс/мм 2) . Модуль нормальной упругости 108000 Мн/м 2 (10800 кгс/мм 2) . Металл высокой степени чистоты ковок при обычной температуре.

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

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

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

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

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

Т. коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумагоделательной и др. отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии. Т. образует с С, В, se, si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твёрдостью. Карбид tig (t пл 3140 °С) получают нагреванием смеси tio 2 с сажей при 1900-2000 °С в атмосфере водорода; нитрид tin (t пл 2950 °С) - нагреванием порошка Т. в азоте при температуре выше 700 °С. Известны силициды tisi 2 , ti 5 si 3 , tisi и бориды tib, ti 2 b 5 , tib 2 . При температурах 400-600 °С Т. поглощает водород с образованием твёрдых растворов и гидридов (tih, tih 2). При сплавлении tio 2 со щелочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (например, na 2 tio 3 и na 4 tio 4), а также полититанаты (например, na 2 ti 2 o 5 и na 2 ti 3 o 7). К титанатам относятся важнейшие минералы Т., например ильменит fetio 3 , перовскит catio 3 . Все титанаты малорастворимы в воде. Двуокись Т., титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат tioso 4 . При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается h 2 tio 3 , из которой получают двуокись Т. При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения ti (iv), образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава h 4 tio 5 и h 4 tio 8 и соответствующие им соли; эти соединения окрашены в жёлтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации Т.), что используется для аналитического определения Т.

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

ticl 4 + 2mg = ti + 2mgcl 2 .

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

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

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

Мировое производство металлического Т. развивалось весьма быстро: около 2 т в 1948, 2100 т в 1953, 20 000 т в 1957; в 1975 оно превысило 50 000 т.

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

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

Двуокись титана и титанат бария служат основой титановой керамики, а титанат бария - важнейший сегнетоэлектрик.

С. Г. Глазунов.

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

Лит.: Глазунов С. Г., Моисеев В. Н., Конструкционные титановые сплавы, М., 1974; Металлургия титана, М., 1968; Горощенко Я. Г., Химия титана, [ч. 1-2], К., 1970-72; zwicker u., titan und titanlegierungen, b., 1974; bowen h. i. m., trace elements in biochemistry, l.- n. y., 1966.

Cтраница 1

Теплопроводность титана составляет - 14 0 Вт / м град, что несколько ниже теплопроводности легированной стали. Материал хорошо куется, штампуется, обрабатывается резанием. Сварка изделий из титана производится вольфрамовым электродом в защитной атмосфере аргона. В последнее время титан используется для изготовления широкого ассортимента труб, листа, проката.  

Теплопроводность титана низкая - примерно в 13 раз ниже алюминия и в 4 4 раза ниже железа.  

Теплопроводность титана близка к теплопроводности нержавеющей стали и составляет 14 ккал / м С час. Титан хорошо куется, штампуется и удовлетворительно обрабатывается резанием. При температуре более 200 С склонен поглощать газы. Сварка титана производится вольфрамовым электродом в защитной атмосфере аргона.  

Теплопроводность титана и его сплавов примерно в 15 раз ниже, чем у алюминия, и в 3 5 - 5 раз ниже, чем у стали. Коэффициент линейного термического расширения титана также значительно ниже, чем у алюминия и нержавеющей стали.  

Теплопроводность титана составляет - 14 0 Вт / (м - К), что несколько ниже теплопроводности легированной стали. Материал хорошо куется, штампуется, обрабатывается резанием. Сварка изделий из титана производится вольфрамовым электродом в защитной атмосфере аргона. В последнее время титан используется для изготовления широкого ассортимента труб, листа, проката.  

Коэффициент теплопроводности титана в области рабочих температур (20 - 400 С) составляет 0 057 - 0 055 кал / (см-с - С), что примерно в 3 раза меньше теплопроводности железа, в 16 раз меньше теплопроводности меди и близко к теплопроводности нержавеющих сталей аустенитного класса.  

Поэтому, например, теплопроводность титана в 8 - 10 раз меньше теплопроводности алюминия.  

Полученные расчетные значения фононнои теплопроводности титана совпадают с оценкой этой величины, сделанной в работе , где она принята равной 3 -: - 5 вт / м-град.  

При легировании так же, как и при увеличении содержания примесей, теплопроводность титана, как правило, уменьшается. При нагреве теплопроводность сплавов, как и чистого титана, увеличивается; уже при 500 - 600 С она приближается к теплопроводности нелегированного титана.  

Модуль упругости титана почти вдвое меньше модуля упругости железа, находится на одном уровне с модулем медных сплавов и значительно выше, чем у алюминия. Теплопроводность титана низкая: она составляет около 7 % от теплопроводности алюминия и 16 5 % от теплопроводности железа. Это необходима учитывать при нагреве металла для обработки давлением и при сварке. Электросопротивление титана примерно в 6 раз больше чем у железа и в 20 раз больше, чем у алюминия.  

Прежде всего необходимо учитывать, что теплопроводность титана и его сплавов при невысоких температурах очень низка. При комнатной температуре теплопроводность титана равна приблизительно 3 % от теплопроводности меди и в несколько раз ниже, чем, например, у сталей (теплопроводность титана равна 0 0367 кал / см сек С, а теплопроводность стали 40 равна 0 142 кал. С повышением температуры теплопроводность титановых сплавов возрастает и приближается к теплопроводности сталей. Это сказывается на скоростях нагрева титановых сплавов в зависимости от температуры, на которую они нагреваются, что видно по скоростям нагрева и охлаждения технически чистого титана (сплав ВТ1) сечением 150 мм (фиг.  

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше теплопроводности железа. С повышением температуры теплопроводность титана несколько понижается и при 700 С составляет 0 0309 кал / см сек СС.  

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше теплопроводности железа. С повышением температуры теплопроводность титана несколько понижается и при 700 С составляет 0 0309 кал / см сек С.  

При сварке плавлением для получения соединения хорошего качества необходима надежная защита от газов атмосферы (О2, Nj, H2) металла сварного соединения, нагретого до температуры выше 400 С с обеих сторон шва. Рост зерна усугубляется низкой теплопроводностью титана, увеличивающей время пребывания металла сварного соединения при высоких температурах. Для преодоления указанных трудностей сварку выполняют при минимально возможной погонной энергии.  

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

Титан относится к группе тугоплавких металлов, его температура плавления равна 1668°С. Титан имеет две аллотропические модификации α и ß. Модификация α низкотемпературная и существует при нагреве 882,5°С, имеет гексагональную решетку. При темпертуре 882,5°С α-модификация переходит в ß - модификацию, имеющую объемноцентрированную кубическую рещетку. При переходе α-титана в ß - титан объем металла несколько уменьшается, а электропроводность скачкообразн возрастает. Основными достоинствами титана являются плотность (4,5 г/см 3), большая коррозионная стойкость и высокая механическая прочность. Несмотря на то, что титан химически весьма активен и легко реагирует с большим количеством элементов, он обладает высокой коррозионной стойкостью благодаря защитному действию образующейся на его поверхности прочной и плотной окисной пленки. В большинстве коррозионных сред титан и его сплавы имеют более высокую стойкость, чем кислотостойкие стали и алюминий. При введении легирующих элементов можно получать сплавы, обладающие высокой механической прочностью. Основными легирующими элементами являются Al, Sn, Мn, Cr, Мо, V. Легирующие элементы влияют на устойчивость аллотропических модификаций титана. В соответствии с влиянием легирующих элементов на аллотропические превращения титановые сплавы классифицируются по структуре следующим образом: 1) а-титановые сплавы, структура которых состоит из α-фазы (например, сплав ВТ5-1); 2) α+ß - сплавы, в структуре которых присутствуют обе фазы (ВТЗ-1, ВТ6); 3) ß - сплавы, структура которых состоит из механически стабильной ß - фазы (ВТ15); двухфазные (α+ß)-сплавы и ß - сплавы в отличие от α-сплавов упрочняются термической обработкой. Сплавы титана обладают не только более высокой механической прочностью, но и большей коррозионной стойкостью, чем чистый титан. Титан и его сплавы хорошо поддаются горячей и холодной обработке давлением, хорошо свариваются в инертной среде, но обладают низкими антифрикционными свойствами и, сравнительно со сталью, хуже обрабатываются резанием. Сплавы титана широко применяют в авиационной и ракетной технике, в химической промышленности, цветной металлургии и других отраслях, где использование титановых сплавов определяется их ценными антикоррозионными свойствами. Так, титановые теплообменники, работающие в азотной кислоте, имеют скорость коррозии в 60 раз меньшую, чем аналогичные теплообменники из нержавеющей стали. Из титана изготавливают оборудование для хлорной промышленности, гребные винты и т.п.

Титан (Ti) (Titanium) - химический элемент с порядковым номером 22 в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, атомный вес 47, 88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4, 51 г/с м³, tпл.=1668+ (-)5°С, tкип.=3260°С.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышением температуры до 350°С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана - существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивлеиие, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8 до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0, 45 К он становится сверхпроводником.

Титан - парамагнитный металл. У парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила - его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Для технического титана марок ВТ-00 и ВТ1-0 плотность приблизительно 4, 32 г/с м³. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапозоне температур (от -290°С до 600°С).

Металл обладает рядом полезных свойств, делающих его одним из основных материалов в отдельных отраслях промышленности. Титановый прокат используется в ракетостроение и авиастроение, химической промышленности, судостроение, машиностроение

Так например, титановый лист и титановый пруток применяется при создании корпусов атомных подводных лодок;
титановые трубы используются в химической промышленности вследствие их высоких антикоррозионных характеристик и химической инертности к реактивам;
титановая проволока используется как присадочная проволока для создания каркасов, форм, корпусов изтитановых сплавов стратегического назначения.

Титановая проволока часто используется в медицинской промышленности, в частности стоматологии. К полезным свойствам продукции из титанового проката можно отнести высокую механическую прочность, коррозионную стойкость (стоек во многих химически активных средах), жаропрочность (t пл = 1668 °С), а также малую плотность (4, 505 г/см 3). Основные физические и химические свойства титана можно посмотреть в данной таблице. Но титан имеет и свои недостатки. Одним из основных недостатков является высокая стоимость производства. Плавка титана может осуществляться только в вакууме или среде инертных газов, т.к. данный металл активно взаимодействует (особенно в жидком состоянии) со всеми газами, составляющими атмосферу. Также титановая продукция имеет плохие антифрикционные свойства, высокую склонность к водородной хрупкости и солевой коррозии, плохую обрабатываемость резанием и свариваемость.

Основой производства технического титана и его сплавов служит титановая губка, получаемая магниетермическим методом. Титановая губка - пористое серое вещество с насыпной массой 1, 5-2, 0 г/см 3 и очень высокой вязкостью.

В зависимости от содержания примесей технический титан разделяют на несколько сортов:GR1 (самый чистый титан),GR2 (более загрязненный).

Сплавы титана

По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой мехнической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах (см. рис.2). Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.

Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостоении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид титана обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид титана - важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов

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

Титановый сплав ВТ5 содержит помимо титана 5% алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается.

Из титана (сплава) ВТ5 получают титановые прутки, титановая проволока и титановые трубы. 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. Изтитанового сплава ВТ5-1 изготовляют все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением: титановые листы, плиты, поковки, штамповки, профили, титановые трубы и титановая проволока. Он предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных до 450 °С.

Титановые сплавы ОТ4 и ОТ4-1 помимо титана содержат алюминий и марганец. Они обладают высокой технологической пластичностью (хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии) и хорошо свариваются всеми видами сварки. Титан данных марок идеет в основном на изготовление титановых листов, лент и полос, а также изготовляются титановые прутки, поковки, профили и титановые трубы. Из титановых сплавов ОТ4 иОТ4-1 изготовляют с применением сварки, штамповки и гибки детали, работающие до температуры 350 °С. Данные сплавы 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 сплав по сравнению с ВТ5-1. Упрочнение сплаваВТ20 обусловлено его легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия. Титан ВТ20 отличается высокой жаропрочностью. Он 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. СплавВТ3-1 относится к числу наиболее освоенных в производстве сплавов. Он предназначен для длительной работы при 400 - 450 °С; это жаропрочный сплав с довольно высокой длительной прочностью. Из него поставляют титановые прутки, профили, плиты, поковки, штамповки.

Титан и его сплавы

Плавится титан при температуре 1660°С, аллотропичен, вредные примеси N, C, O, H. Пленка TiO2 защищает титан от окисления, коррозии в любой воде, некоторых кислотах. Он плавится, льется, сваривается в среде аргона, подвергается ОМД. Из титана изготавливают лист, трубы, профиль, проволоку. Сплавы его с Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si, Ga, Ge, La, Nb, Ta, Zr, W, Mo, Co, Si, имеют повышенную прочность, жаропрочность, коррозионную стойкость.Титановые сплавы термообрабатываются.

Титановые сплавы деформируются, льются, изготавливаются из порошков, закаливаются, отпускаются, хорошо мехобрабатываются.

Деформируемые сплавы титана:

− ά – сплавы: ВТ5, ВТ-5-1, ОТ-4;

− ά – β сплавы: ВТ-6, ВТ14, ВТ8; ВТ15

Литейные сплавы: ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, ВТ3-1Л

Порошковые сплавы титана получают из порошков прессованием, они прочны, пластичны.

Из титановых сплавов изготавливают обшивку самолетов, морских судов, подводных лодок, корпуса ракет, двигателей, деталей турбин, компрессоров, гребные винты, баллоны для сжиженных газов, емкости для химических средств и много других изделий. Титановые сплавы можно подвергать, отжигу, закалке, старению и ХТО. Отжиг α – сплавов проводят при 800 – 850 0С, а α + β – сплавов – при 750 -800 0С. Вакуумный отжиг позволяет уменьшить содержание водорода, что приводит к повышению ударной вязкости, уменьшению разрушений и растрес- кивания.

При высокой концентрации легирующего элемента и закалке возникает мартенситная α׀׀ – фаза с ромбической решеткой и ω – фаза с гексагональной структурой. В процессе старения закаленных сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом α׀׀ и β – фаз. Деформируемые сплавы титана хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, свариваются, обладают высокой сопротивляемости коррозии.

Характерные особенности титана – малая плотность 4,51 кг/дм3 , высокая прочность, которая сохраняется до 6000С, коррозионная стойкость. Они определяют область его применения. Титановые сплавы сочетают высокую прочность (σВ= 800-1500 МПа) с хорошей пластичностью (δ= 12- 25%), относительно хорошую жаропрочность до 600- 7000С, высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах кроме HCL, HF. α- титановые сплавы не стареют и используются в криогенных установках до гелиевых температур (-2720С). Одним из недостатков титановых сплавов является их плохая обрабатываемость режущим инструментом.

Титан. Изобретение титана. Титан и его сплавы.

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана.

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в природных рудах 73,99%. Титан и другие элементы подгруппы IVВ очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ – ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместе с этими элементами. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди- три- и, тетрасоединения, с серой и элементами ее группы (селеном, теллуром) – моно- и дисульфиды, с кислородом – оксиды, диоксиды и триоксиды.

Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами – интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами. Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных – золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности и прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте. Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан – легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит.). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза–железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5–2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электрическим сопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия – 60, железа и платины –15, а титана–всего 3,8. Титан – парамагнитный металл, он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве. Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 - у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан – плохой проводник электричества и тепла.

Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы. В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая масса деталей из титановых сплавов составляет 2570 кг. Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.
Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для изготовления броневых плит, хирургического инструмента, хирургических имплантатов, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), деталей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.

Титан и его сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в атм. условиях, пресной и морской воде, растворах большинства хлоридов, гипохлоритов, двуокиси хлора и мн. солей минеральных к-т как при обычной, так и при повышенных темп-рах. Высокой коррозионной стойкостью титан и его сплавы обладают также в кислых окислит. средах (азотная и хромовая к-ты и др.) и в растворе щелочей. В неокислит, кислотах (серной, соляной) титан имеет удовлетворит. коррозионную стойкость при обычных темп-pax и концентрации к-т до 8- 10%. С повышением темп-ры, концентрации к-т и щелочей скорость коррозии титана резко возрастает. Для серной к-ты наблюдаются два максимума скорости коррозии, соответствующие 40- и 75%-ной концентрации. В 40%-ной серной к-те процесс коррозии идет с выделением водорода, такая к-та характеризуется наибольшей электропроводностью и максим, концентрацией водородных ионов. В 75%-ном растворе процесс коррозии сопровождается восстановлением серной к-ты до H3S и свободной серы, а при высоких концентрациях (80- 90 %) выделяются S02 и свободная сера. В фосфорной к-те титан относительно более стоек и сохраняет высокую коррозионную стойкость до 30%-ного раствора, с повышением концентрации скорость коррозии усиливается. Добавки окислителей (K2Cr207; HNOs; Fe+ + + ; Си + +) резко снижают скорость коррозии титана и его сплавов в соляной и серной к-тах.

Титана: α-титан - гексагональная, β-титан - кубическая...

Свойства титана

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Его нейтральный атом состоит из ядра, заряд которого равен 22 ед. положительного электричества, и находиться вне ядра 22 электронов.

Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Устойчивых природных изотопов титана всего пять: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. Это установил в 1936 г. немецкий физик Ф. В. Астон. До его исследований считалось, что титан изотопов вообще не имеет. Природные устойчивые изотопы титана распределяются следующим образом (в отн. %): 46 Ti - 7,99; 47 Ti - 7,32; 48 Ti - 73,97; 49 Ti - 5,46; 50 Ti - 5,25.

Кроме естественных, титан может иметь и целый ряд искусственных изотопов, получаемых с помощью его радиоактивного облучения. Так, если бомбардировать титан нейтронами или α-частицами, можно получить радиоактивный изотоп титана 52 Ti с периодом полураспада - 41,9 мин, который дает β- и γ-излучения. Искусственно получены и другие изотопы титана (42 Ti, 43 Ti, 44 Ti, 45 Ti, 51 Ti, 52 Ti, 53 Ti, 54 Ti), некоторые из них сильнорадиоактивные, с различными сроками полураспада. Так, у изотопа 44 Ti период полураспада всего 0,58 с, а у изотопа 45 Ti - 47 лет.

Радиус ядра титана равен 5 фм. Вокруг положительно заряженного ядра титана на четырех орбитах К, L, М, N располагаются электроны: на К - два электрона, на L - восемь, на M - 10, на N - два. С орбит N и М атом титана может свободно отдавать по два электрона. Таким образом, наиболее устойчивый ион титана - четырехвалентный. Пятым электрон с орбиты М "вырвать" невозможно, поэтому титан никогда не бывает больше чем четырехвалентным ионом. В то же время с орбит N и М атом титана может отдавать не четыре, а три, два или один электрон. В этих случаях он становится трех-, двух- или одновалентным ионом

Титан различной валентности имеет неодинаковые ионные радиусы. Так, радиус иона Ti 4+ равен 64 пм, иона Ti 3+ - 69, Ti 2+ - 78, Ti 1+ - 95 пм.

Долгое время не могли точно определить атомную массу титана (атомный вес). В 1813 г. Й. Я. Берцелиус получил неправдоподобно завышенную величину - 288,16. В 1823 г. немецкий химик Генрих Розе установил, что атомный вес титана ранен 61,6. В 1829 г. ученый несколько раз уточнял величину: 50,63; 48,27 и 48,13. Ближе к истинным оказались измерения английского химика Т. Э. Торна - 48,09. Однако это значение продержалось до 1928 г., когда исследования химиков Бакстера и Бутлера дали окончательную величину атомного веса - 47,9. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследования его изотопов, составляет 47,926. Эта величина практически идентична значению интернациональных таблиц.

В периодической системе элементов Менделеева титан расположен в группе IVB, в которую, кроме него, входит цирконий, гафний, курчатовий. Элементы данной группы в отличие от элементов группы углерода (IVА) обладают металлическими свойствами. У соединений даже самого титана кислотообразующая способность выражена слабее, чем у любого элемента группы углерода. Хотя титан занимает самое верхнее место в своей подгруппе, он является наименее активным металлическим элементом. Так, двуокись титана амфотерна, а двуокиси циркония и гафния обладают слабо выраженными основными свойствами. Титан больше, чем другие элементы подгруппы IVB, близок к элементам подгруппы IVA - кремнию, германию, олову. Четырехвалентный титан отличается от кремния и германия большей склонностью к образованию комплексных соединений различных типов, чем особенно сходен с оловом.

Титан и другие элементы подгруппы IVB очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIB (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Титан к скандию даже ближе, чем к элементам подгруппы IVA. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ - ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместо с этими элементами, изоморфно замещая друг друга.

Из кристаллохимии кислородных соединений известно, что характерное координационное число для титана равно 6, а единственным координационным полиэдром, соответствующим этому числу, является октаэдр. Причем ни в одном из кислородных соединений атомы титана не имеют координационного числа больше 6. В такой координации среднее расстояние между титаном и кислородом равно 2 Å. В структурах, для которых характерно статистическое распределение атомов Ti 4+ и Nb 5+ в октаэдрах, соответствующее среднее расстояние между титаном и ниобием также составляет 2 Å. Из этого следует вывод о близости ионных радиусов титана и ниобия.

Близость ионных радиусов элементов - непременное условие возможности изоморфизма между ними. Для титана наиболее полно этому условию удовлетворяют ниобий, тантал, трехвалентное железо и цирконий.

А теперь рассмотрим, какие же химические соединении с другими элементами может образовывать титан. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди-, три- и тетрасоединения, с серой и элементами её группы (селеном, теллуром) - моно- и дисульфиды, с кислородом - оксиды, диоксиды и триоксиды. Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами - интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами.

Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных - золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Почему же это происходит? Почему так активно, а нередко и бурно, со взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодической системы титан стоек к коррозии? А 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 реакции. Связано это 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, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту шлепку 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, ею "пассивируется", т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Известно, что коррозионная стойкость любого металла определяется величиной его электродного потенциала, т. е. разностью электрических потенциалов между металлом и раствором электролита. Отрицательные значения электродного потенциала свидетельствуют об убыли ионов металла с его поверхности и о переходе их в раствор, т. е. о растворимости и коррозии металла. Положительное значение указывает на то, что металл обладает стойкостью в данном растворе, не отдает своих ионов и не корродируется. Так вот, для свежеочищенной поверхности титана измеренные значения электродного потенциала в воде, в водных растворах, во многих кислотах и щелочах колеблются от -0,27 до -0,355 В, т. е. металл, казалось бы, должен быстро растворяться. Однако в большинство водных растворов электродный потенциал титана очень быстро поднимается от отрицательных до положительных значений, примерно до +0,5 В, и коррозия практически моментально прекращается: титан пассивируется и становится в высшей степени коррозионно-стойким.

Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах. Об исключительной его стойкости в атмосфере, в пресной и океанической воде даже при нагревании мы уже говорили. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности к прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана по многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, "царская водка" и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

В азотной кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро растворяются очень многие металлы, титан исключительно стоек. При любой концентрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах скорость коррозии титана в азотной кислоте не превышает 0,1-0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1- 2% и более), как реакция заканчивается, и коррозия титана прекращается.

В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С - 0,58 мм/год. При нагревании скорость коррозии титана в соляной кислоте резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С - уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.

В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5-1%) титан стоек даже при температуре раствора до 50 - 95° С. Стоек он и в более концентрированных растворах (10- 20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005-0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10-20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозия достигает 9-10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Её можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяющийся в "царской водке": в ней при обычных температурах (10-20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей "царской водке", а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.

Очень слабо корродирует титан в большинство органических кислот (уксусной, молочной, винной), и разбавленных щелочах, и растворах многих хлористых солей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше 375° С титан взаимодействует очень бурно.

В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не корродирует, и лишь при очень высоких температурах расплавов (выше 300-400° С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных растворов и расплавов, в которых титан растворяется очень интенсивно. Главный "враг" титана - плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более концентрированных растворах титан "тает", как лед в горячей воде. Фтор - этот "разрушающий всё" (греч.) элемент - бурно реагирует практически со всеми металлами и сжигает их.

Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спиртам, в том числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители - так называемые ингибиторы, например, в растворы соляной и серной кислот - азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и др.

В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20-30% молибдена делает этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соляной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десятки раз. Следует отметить, что благородные платиноиды влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не уменьшаются.

Каковы же физические свойства титана, сделавшие его лучшим из всех, известных конструкционных металлов?

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время, считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Xeйc установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3°C. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, ренин, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте:

Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан - легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см 3 , а при 100° С - 4,506 г/см 3 . Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см 3 . Сюда входят все щелочные металлы (натрий, калий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9-1,5 г/см 3 , магний (1,7 г/см 3), алюминий (2,7 г/см 3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см 3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз превосходит и алюминий и железо.

Каковы же эти свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал? Прежде всего, прочность металла, т. е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). В зависимости от вида напряженного состояния - растяжения, сжатия, изгиба и других условий испытания (температура, время) для характеристики прочности металла используются различные показатели: предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др. По всем этим показателям титан значительно превосходит алюминий, железо и даже многие лучшие марки стали.

Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5-2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Другие же металлы либо просто не выдерживают таких температур, либо сильно разупрочняются.

Чистый титан - высокопластичный металл, что обусловлено благоприятным соотношением осей "с" и "а" в его гексагональной решетке и наличием в ней множества систем плоскостей скольжения и двойникования. Хотя и считается, что металлы с гексагональной кристаллической решеткой очень пластичны, титан в силу указанных особенностей его кристаллов стоит в одном ряду с высокопластичными металлами, имеющими иной тип кристаллической решетки. В результате чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

Интересно отметить, что титан долгие годы, вплоть до получения чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было с наличием в титане примесей, особенно азота, кислорода, углерода и др. Даже их небольшое количество влияет, и весьма существенно, на свойства титана, в том числе на его пластичность. То же самое можно сказать и о твердости титана. Она тем выше, чем больше в металле примесей. Так, твердость титана, содержащего тысячные доли процента кислорода, азота, углерода, железа, составляет 400-600 МПа, а при содержания тех же примесей в сотые доли процента твердость его повышается до 900-1000 МПа.

Почему это происходит? Кислород и азот хорошо растворимы в титане, особенно в его низкотемпературной α-модификации. С их внедрением в октаэдрические пустоты кристаллов титана начинается деформация его кристаллической решетки, повышается жесткость межатомных связей и, как следствие, увеличивается твердость, прочность, предел текучести, снижается пластичность металла. Самой вредной примесью является водород: даже незначительные количества его резко снижают пластичность металла и особенно его ударную вязкость. Углерод растворяется в титане в гораздо меньшей степени и мало влияет на понижение пластичности металла. Железо ухудшает механические свойства титана, только если его содержится 0,5% и выше. Другие металлы почти не воздействуют на эти свойства.

Итак, чистый читан - это твердый, прочный, пластичный, достаточно вязкий и упругий металл. Твердость его по шкале Бринеля составляет около 1000 мн/м 2 . Для сравнения укажем, что железо имеет всего 350-450 мн/м 2 , медь - 350, магний литой - 294, магний деформированный - 353, а алюминий - всего 170 мн/м 2 . Модуль нормальной упругости титана 108 тыс. мн/м 2 , по упругости он лишь немного уступает меди и стали, но является более упругим, чем алюминий и магний.

Титан имеет высокий предел текучести - примерно 250 мн/м 2 . Это выше в 2,5 раза, чем у железа, в 3 раза, чем у меди, и почти в 20 раз, чем у алюминия. Следовательно, титан лучше этих металлов сопротивляется сминающим ударим и другим нагрузкам, способным деформировать титановые детали.

Высота и вязкость титана. Он отлично противостоит воздействию сколовых и сдвиговых ударов и нагрузок. Этой выносливостью объясняется еще одно замечательное свойство титана - исключительная стойкость его в условиях кавитации, т. е. при усиленной "бомбардировке" металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в жидкой среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы, и металлы в том числе, а вот титан прекрасно противостоит кавитации.

Испытания в морской воде быстровращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения, а, следовательно, и кавитация максимальны, не изменились. Другие диски не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежденными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан обладает еще одним удивительным свойством - "памятью". В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем) он "запоминает" форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство титана широко используется в космической технике (на корабле разворачиваются вынесенные в космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные). Недавно это свойство титана стали использовать медики для бескровных операции на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из титанового сплава, а потом она, разогреваясь до температуры тела, скручивается в первоначальную пружинку и расширяет сосуд.

Заслуживают внимания температурные, электрические и магнитные свойства титана. Он обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(м К), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз - магния, в 17-20 раз - алюминия и меда. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных металлов: при комнатной температуре (20° С) у титана он равен 8,5 10 -6 /°С, у железа - 11,7 10 -6 /°С, у меди- 17 10 -6 /°С, у алюминия - 23,9/°С. Сравнительно невелика и электропроводность титана. Объясняется, это свойство довольно высоким электрическим сопротивлением титана: при комнатной температуре оно составляет 42,1 10 -6 Ом см. С повышением температуры электросопротивление титана еще больше увеличивается, а с понижением ее резко надает, вблизи абсолютного нуля титан становится сверхпроводимым.

Титан - типичный парамагнетик, его магнитная восприимчивость при 20° С всего 3,2±0,4 10 -6 ед. Как известно, парамагнитными являются алюминий и магний, а вот медь диамагнитна, железо - ферромагнетик.

Мы рассмотрели химические и физические свойства титана, которые в целом благоприятствуют широкому использованию этого металла. Однако у титана есть немало и отрицательных качеств. Например, он может самовозгораться, а в некоторых случаях даже и взрываться.

Уже говорилось, что в концентрированной азотной кислоте титан исключительно стоек, а вот в красной дымящей, пересыщенной окислами азота, защитная пленка диоксида титана на поверхности металла моментально разрушается и чистый титан начинает реагировать с кислотой со взрывом. Такая реакция была причиной взрыва титановых топливных баков одной из американских космических ракет. Со взрывом реагирует титан и с сухим хлором. Есть способ предотвратить эти взрывные реакции. Стоит добавить в дымящую красную азотную кислоту всего 1-2% воды, а в сухой хлор и того меньше - 0,5-1%, и на поверхности металла тут же появится защитная пленка. Дальнейшее окисление титана предотвратится и взрыва не произойдет.

В виде тонкой стружки, опилок или порошка титан может самовозгораться даже без подвода тепла извне. Такие случаи наблюдались при его испытаниях на разрыв в атмосфере кислорода в момент разрыва. Это объясняется опять-таки высокой активностью свежей, неокисленной поверхности титана и сильной экзотермичностью реакции его взаимодействии с кислородом.

Титан может гореть не только в атмосфере кислорода, но даже в атмосфере азота, являющегося также сильным окислителем титана. Поэтому гасить горящий титан азотом, как и водой, углекислым газом, нельзя: они разлагаются, выделяя кислород, который затем взаимодействует с раскаленным титаном и дает взрыв.

Еще одним недостатком титана является его способность сохранять высокие физико-механические свойства лишь до температуры 400-450° С, а с добавками некоторых легирующих металлов - до 600° С, и здесь у него есть серьезные конкуренты - жаропрочные спецстали. Однако в минусовом диапазоне температур титану равных нет. Железо становится хрупким уже при температуре -40° С, специальные низкотемпературные стали - ниже -100° С. А вот титан и его сплавы не разрушаются при температурах до -253° С (в жидком водороде) и даже до -260° С (в жидком гелии). Это очень важное свойство титана открывает ему большие перспективы для использования в криогенной технике и для работы в космическом пространстве.

Титан реагирует со многими металлами. При трении с деталями из более мягкого металла титан может срывать с них металлические частицы и прилеплять к себе металл, а из более твердого, наоборот, частицы титана будут срываться с титановой детали и покрывать другую деталь. Причем никакая жировая или масляная смазка не помогает исключить взаимоналипание частиц. В течение небольшого времени это явление можно ослабить, лишь применив в качестве смазки чешуйчатые молибденит или графит. А вот сваривается титан с другими металлами очень плохо. Практически полностью эта проблема пока не решена, хотя сварка титановых изделий проходит отлично.

Титан - твердый металл, как мы уже знаем, тверже железа, алюминия, меди. Но все же не тверже специальных, особотвёрдых инструментальных сталей, из которых делают острые инструменты, ножи, скальпели. Здесь титан неприменим.

Титан - плохой проводник электричества и тепла. Проводов из него не сделаешь, а вот то, что он один из очень немногих металлов является при низких температурах сверхпроводником электричества, открывает ему большие перспективы в электрической технике передачи энергии на большие расстояния.

Титан - парамагнитный металл: он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойства можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.

Итак, титан имеет больше достоинств, чем недостатков, и то, что он по иным характеристикам уступает некоторым специальным сталям и сплавам, компенсируется одним важнейшим обстоятельством. Легкость, прочность, пластичность, твердость, стойкость и многие другие качества соединены в одном металле так органично, что это сулит титану большое будущее.

Прежде чем рассказать, как используются титан, его сплавы и соединения сегодня и какие перспективы открываются перед этим металлом в недалеком завтра, рассмотрим подробно, как распространен этот удивительный металл в нашей Вселенной, на планете Земля, в каком виде встречается в породах земной коры, какие месторождения образует, как добываются, обогащаются руды, перерабатываются концентраты. Проследим долгий и нелегкий путь получения чистого титана, его обработки и использования человеком.