Z jakich metali składa się tytan? Stopy tytanu

DEFINICJA

Tytan w postaci wlewka - twardy, srebrzystobiały metal (ryc. 1), kowalny i ciągliwy, łatwy w obróbce. Jednak nawet niewielka ilość zanieczyszczeń radykalnie zmienia jego właściwości mechaniczne, czyniąc go twardszym i bardziej kruchym.

Ryż. 1. Tytan. Wygląd.

Główne stałe tytanu podano w poniższej tabeli.

Tabela 1. Właściwości fizyczne i gęstość tytanu.

Tytan ma sześciokątną, zwartą strukturę, która w wysokich temperaturach przekształca się w strukturę sześcienną skupioną wokół ciała.

Występowanie tytanu w przyrodzie

Tytan zajmuje dziewiąte miejsce wśród wszystkich pierwiastków chemicznych pod względem liczebności w skorupie ziemskiej. Jego zawartość w nim wynosi 0,63% (mas.). Tytan występuje w przyrodzie wyłącznie w postaci związków. Spośród minerałów tytanu najważniejsze to rutyl TiO 2, ilmenit FeTiO 3 i perowskit CaTiO 3.

Krótki opis właściwości chemicznych i gęstości tytanu

W zwykłych temperaturach tytan w postaci zwartej (tj. w postaci wlewków, grubego drutu itp.) w powietrzu jest odporny na korozję. Na przykład, w przeciwieństwie do stopów na bazie żelaza, nie rdzewieje nawet w wodzie morskiej. Wyjaśnia to tworzenie się cienkiej, ale ciągłej i gęstej ochronnej warstwy tlenku na powierzchni. Po podgrzaniu film ulega zniszczeniu, a aktywność tytanu zauważalnie wzrasta. Zatem w atmosferze tlenu kompaktowy tytan zapala się dopiero w temperaturze białego ciepła (1000 o C), zamieniając się w proszek tlenku TiO2. Reakcje z azotem i wodorem przebiegają w przybliżeniu w tej samej temperaturze, ale znacznie wolniej, i powstają azotek tytanu TiN i wodorek tytanu TiH 4.

Ti + O2 = TiO2;

2Ti + N2 = 2TiN;

Ti + 2H 2 = TiH 4.

Powierzchnia tytanu znacząco wpływa na szybkość reakcji utleniania: cienkie wióry tytanu zapalają się po wprowadzeniu do płomienia, a bardzo drobne proszki piroforyczne zapalają się samorzutnie w powietrzu.

Reakcja z halogenami rozpoczyna się od niskiego ogrzewania i z reguły towarzyszy jej uwolnienie znacznej ilości ciepła i zawsze tworzą się tetrahalogenki. Dopiero w interakcji z jodem wymaga wyższych temperatur (200 o C).

Ti + 2Cl2 = TiCl4;

Ti + 2Br 2 = TiBr 4.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia

Wyznacz gęstość wodoru mieszaniny helu i tlenu o objętości odpowiednio 300 dm 3 i 100 dm 3.

Rozwiązanie

Znajdźmy ułamki objętościowe substancji w mieszaninie:

j = V gaz / V mieszanina_gazu;

j (O 2) = V (O 2) / V mieszanina_gazu;

j(O2) = 100 / (300 + 100) = 100 / 400 = 0,25.

j (He) = V(He) / V mieszanina_gazu ;

j(He) = 300 / (300 + 100) = 300 / 400 = 0,75.

Ułamki objętościowe gazów będą pokrywać się z ułamkami molowymi, tj. w przypadku ułamków ilości substancji jest to konsekwencja prawa Avogadro. Znajdźmy warunkową masę cząsteczkową mieszaniny:

M r warunkowy (mieszanina) = j (O 2) × M r (O 2) + j (He) × M r (He);

M r warunkowy (mieszanina) = 0,25 × 32 + 0,75 × 20 = 8 + 15 = 23.

Znajdźmy gęstość względną mieszaniny względem tlenu:

D H2 (mieszanina) = M r warunkowy (mieszanina) / M r (O 2);

D H 2 (mieszanina) = 23 / 2 = 11,5.

Odpowiedź

Względna gęstość wodoru mieszaniny helu i tlenu wynosi 11,5.

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia	Określ gęstość wodoru mieszaniny gazów, w której udział masowy dwutlenku siarki wynosi 60%, a dwutlenku węgla 40%.
Rozwiązanie	Ułamki objętościowe gazów będą pokrywać się z ułamkami molowymi, tj. w przypadku ułamków ilości substancji jest to konsekwencja prawa Avogadro. Znajdźmy warunkową masę cząsteczkową mieszaniny: M r warunkowy (mieszanina) = j (SO 2) × M r (SO 2) + j (CO 2) × M r (CO 2);

Tytan jest pierwiastkiem chemicznym z grupy IV, okresu 4 układu okresowego Mendelejewa, o liczbie atomowej 22; trwały i lekki srebrno-biały metal. Występuje w następujących modyfikacjach kryształów: α-Ti z sześciokątną, gęsto upakowaną siatką i β-Ti z sześciennym upakowaniem skupionym na ciele.

Tytan stał się znany człowiekowi dopiero około 200 lat temu. Historia jego odkrycia związana jest z nazwiskami niemieckiego chemika Klaprotha i angielskiego badacza-amatora McGregora. W 1825 r. I. Berzelius jako pierwszy wyizolował czysty tytan metaliczny, jednak aż do XX wieku metal ten był uważany za rzadki i dlatego nie nadawał się do praktycznego zastosowania.

Jednak do naszych czasów ustalono, że tytan zajmuje dziewiąte miejsce pod względem liczebności wśród innych pierwiastków chemicznych, a jego udział masowy w skorupie ziemskiej wynosi 0,6%. Tytan występuje w wielu minerałach, których zasoby sięgają setek tysięcy ton. Znaczące złoża rud tytanu znajdują się w Rosji, Norwegii, USA, Afryce Południowej, a w Australii, Brazylii i Indiach znajdują się otwarte złoża piasków zawierających tytan, dogodnych do wydobycia.

Tytan to lekki i ciągliwy metal o srebrzystobiałej barwie, temperatura topnienia 1660±20 C, temperatura wrzenia 3260 C, gęstość dwóch modyfikacji i odpowiednio równa α-Ti - 4,505 (20 C) i β-Ti - 4,32 (900 C) g/cm3. Tytan charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną, która utrzymuje się nawet w wysokich temperaturach. Posiada dużą lepkość, co podczas obróbki wymaga nałożenia specjalnych powłok na narzędzie skrawające.

W zwykłych temperaturach powierzchnia tytanu pokryta jest pasywującą warstwą tlenku, dzięki czemu tytan jest odporny na korozję w większości środowisk (z wyjątkiem zasadowych). Wióry tytanu stwarzają zagrożenie pożarowe, a pył tytanowy jest wybuchowy.

Tytan nie rozpuszcza się w rozcieńczonych roztworach wielu kwasów i zasad (z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego, fosforowego i stężonego kwasu siarkowego), ale w obecności czynników kompleksujących łatwo wchodzi w interakcję nawet ze słabymi kwasami.

Tytan podgrzany na powietrzu do temperatury 1200C zapala się tworząc fazy tlenkowe o zmiennym składzie. Wodorotlenek tytanu wytrąca się z roztworów soli tytanu, których kalcynacja umożliwia otrzymanie dwutlenku tytanu.

Po podgrzaniu tytan reaguje również z halogenami. W szczególności w ten sposób otrzymuje się czterochlorek tytanu. W wyniku redukcji czterochlorku tytanu glinem, krzemem, wodorem i innymi środkami redukującymi otrzymuje się trójchlorek i dichlorek tytanu. Tytan reaguje z bromem i jodem.

W temperaturach powyżej 400°C tytan reaguje z azotem, tworząc azotek tytanu. Tytan reaguje również z węglem, tworząc węglik tytanu. Po podgrzaniu tytan pochłania wodór, tworząc wodorek tytanu, który rozkłada się po ponownym podgrzaniu, uwalniając wodór.

Najczęściej jako materiał wyjściowy do produkcji tytanu stosuje się dwutlenek tytanu z niewielką ilością zanieczyszczeń. Może to być żużel tytanowy otrzymywany z przerobu koncentratów ilmenitu lub koncentrat rutylowy otrzymywany ze wzbogacania rud tytanu.

Koncentrat rudy tytanu poddawany jest obróbce pirometalurgicznej lub kwasem siarkowym. Produktem obróbki kwasem siarkowym jest proszek dwutlenku tytanu. W przypadku metody pirometalurgicznej rudę spieka się z koksem i poddaje działaniu chloru w celu wytworzenia par czterochlorku tytanu, który następnie redukuje się magnezem w temperaturze 850°C.

Powstałą „gąbkę” tytanową przetapia się, a stop oczyszcza się z zanieczyszczeń. Do rafinacji tytanu stosuje się metodę jodkową lub elektrolizę. Wlewki tytanowe produkowane są metodą obróbki łukowej, plazmowej lub wiązką elektronów.

Większość produkcji tytanu trafia do przemysłu lotniczego, rakietowego i stoczniowego. Tytan stosowany jest jako dodatek stopowy do stali wysokiej jakości oraz jako środek odtleniający.

Wykonuje się z niego różne części elektrycznych urządzeń próżniowych, kompresory i pompy do pompowania agresywnych mediów, reaktory chemiczne, instalacje odsalania i wiele innych urządzeń i konstrukcji. Tytan ze względu na swoje bezpieczeństwo biologiczne jest doskonałym materiałem do stosowania w przemyśle spożywczym i medycznym.

Tytan w postaci tlenku (IV) odkrył angielski mineralog-amator W. Gregor w 1791 roku w magnetycznych piaskach żelazistych miasta Menacan (Anglia); w 1795 roku niemiecki chemik M. G. Klaproth ustalił, że mineralny rutyl jest naturalnym tlenkiem tego samego metalu, który nazwał „tytanem” [w mitologii greckiej tytani są dziećmi Urana (Nieba) i Gai (Ziemi)]. Przez długi czas nie było możliwe wyizolowanie tytanu w czystej postaci; dopiero w 1910 roku amerykański naukowiec M.A. Hunter uzyskał metaliczny Tytan poprzez ogrzewanie jego chlorku z sodem w szczelnie zamkniętej stalowej bombie; Otrzymany przez niego metal był plastyczny tylko w podwyższonych temperaturach i kruchy w temperaturze pokojowej ze względu na dużą zawartość zanieczyszczeń. Możliwość badania właściwości czystego tytanu pojawiła się dopiero w 1925 roku, kiedy holenderscy naukowcy A. Van Arkel i I. de Boer uzyskali metal o wysokiej czystości, plastyczny w niskich temperaturach, wykorzystując termiczną dysocjację jodku tytanu.

Rozmieszczenie Tytana w przyrodzie. Tytan jest jednym z powszechnych pierwiastków, jego średnia zawartość w skorupie ziemskiej (clarke) wynosi 0,57% wagowo (wśród metali konstrukcyjnych zajmuje 4. miejsce pod względem liczebności, za żelazem, aluminium i magnezem). Większość tytanu znajduje się w skałach podstawowych tzw. „powłoki bazaltowej” (0,9%), mniej w skałach „powłoki granitowej” (0,23%), a jeszcze mniej w skałach ultrazasadowych (0,03%) itp. Do skał wzbogaconych w tytan zaliczają się pegmatyty skał podstawowych, skał alkalicznych, sjenity i związane z nimi pegmatyty oraz inne. Istnieje 67 znanych minerałów tytanu, głównie pochodzenia magmowego; najważniejsze to rutyl i ilmenit.

Tytan jest głównie rozproszony w biosferze. Woda morska zawiera jej 10 -7%; Tytan jest słabym imigrantem.

Właściwości fizyczne Tytana. Tytan występuje w postaci dwóch modyfikacji alotropowych: poniżej temperatury 882,5 °C forma α z sześciokątną, gęsto upakowaną siatką (a = 2,951 Å, c = 4,679 Å) jest stabilna, a powyżej tej temperatury - β -forma z sześcienną siatką skupioną na ciele a = 3,269 Å. Zanieczyszczenia i dodatki stopowe mogą znacząco zmieniać temperaturę przemiany α/β.

Gęstość formy α w temperaturze 20°C wynosi 4,505 g/cm3, a w temperaturze 870°C 4,35 g/cm3; forma β w 900°C 4,32 g/cm3; promień atomowy Ti 1,46 Å, promienie jonowe Ti + 0,94 Å, Ti 2+ 0,78 Å, Ti 3+ 0,69 Å, Ti 4+ 0,64 Å; Temperatura topnienia 1668°C, temperatura wrzenia 3227°C; przewodność cieplna w zakresie 20-25°C 22,065 W/(m K); współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej w temperaturze 20°C 8,5·10 -6, w zakresie 20-700°C 9,7·10 -6; pojemność cieplna 0,523 kJ/(kg·K); oporność elektryczna 42,1·10 -6 om·cm przy 20 °C; współczynnik temperaturowy oporu elektrycznego 0,0035 przy 20 °C; ma nadprzewodnictwo poniżej 0,38 K. Tytan jest paramagnetykiem, właściwa podatność magnetyczna 3,2·10 -6 w temperaturze 20 °C. Wytrzymałość na rozciąganie 256 MN/m2 (25,6 kgf/mm2), wydłużenie względne 72%, twardość Brinella poniżej 1000 MN/m2 (100 kgf/mm2). Normalny moduł sprężystości 108 000 MN/m2 (10 800 kgf/mm2). Metal o wysokiej czystości jest plastyczny w zwykłych temperaturach.

Tytan techniczny stosowany w przemyśle zawiera domieszki tlenu, azotu, żelaza, krzemu i węgla, które zwiększają jego wytrzymałość, zmniejszają ciągliwość oraz wpływają na temperaturę przemiany polimorficznej, która zachodzi w przedziale 865-920°C. Dla technicznych gatunków tytanu VT1-00 i VT1-0 gęstość wynosi około 4,32 g/cm 3 , wytrzymałość na rozciąganie 300-550 MN/m 2 (30-55 kgf/mm 2), wydłużenie nie mniejsze niż 25%, twardość Brinella 1150 -1650 Mn/m 2 (115-165 kgf/mm 2). Konfiguracja zewnętrznej powłoki elektronowej atomu Ti to 3d 2 4s 2.

Właściwości chemiczne Tytana. Czysty tytan jest chemicznie aktywnym pierwiastkiem przejściowym, w związkach ma stopień utlenienia +4, rzadziej +3 i +2. W zwykłych temperaturach do 500-550°C jest odporny na korozję, co tłumaczy się obecnością na jego powierzchni cienkiej, ale trwałej warstwy tlenku.

Reaguje zauważalnie z tlenem atmosferycznym w temperaturach powyżej 600 °C, tworząc TiO2. W przypadku niewystarczającego smarowania cienkie wióry tytanowe mogą zapalić się podczas obróbki. Jeśli w środowisku występuje wystarczające stężenie tlenu, a warstwa tlenku zostanie uszkodzona w wyniku uderzenia lub tarcia, metal może zapalić się w temperaturze pokojowej i stosunkowo dużymi kawałkami.

Warstwa tlenkowa nie chroni tytanu w stanie ciekłym przed dalszą interakcją z tlenem (w przeciwieństwie do np. aluminium), dlatego jego topienie i spawanie należy przeprowadzać w próżni, w atmosferze gazu obojętnego lub łuku krytym. Tytan ma zdolność pochłaniania gazów atmosferycznych i wodoru, tworząc kruche stopy nienadające się do praktycznego zastosowania; w obecności aktywowanej powierzchni absorpcja wodoru zachodzi już w temperaturze pokojowej z małą szybkością, która znacznie wzrasta w temperaturze 400°C i wyższej. Rozpuszczalność wodoru w Tytanie jest odwracalna i gaz ten można prawie całkowicie usunąć poprzez wyżarzanie w próżni. Tytan reaguje z azotem w temperaturach powyżej 700°C i powstają azotki typu TiN; w postaci drobnego proszku lub drutu tytan może palić się w atmosferze azotu. Szybkość dyfuzji azotu i tlenu w Tytanie jest znacznie niższa niż w wodorze. Warstwa powstająca w wyniku oddziaływania z tymi gazami charakteryzuje się zwiększoną twardością i kruchością i wymaga usunięcia z powierzchni wyrobów tytanowych poprzez trawienie lub obróbkę mechaniczną. Tytan silnie oddziałuje z suchymi halogenami i jest stabilny w stosunku do mokrych halogenów, ponieważ wilgoć odgrywa rolę inhibitora.

Metal jest stabilny w kwasie azotowym we wszystkich stężeniach (z wyjątkiem czerwonego dymiącego kwasu, który powoduje pękanie korozyjne Tytana, a reakcja zachodzi czasem z eksplozją), w słabych roztworach kwasu siarkowego (do 5% wag.) . Z Tytanem reagują kwasy chlorowodorowy, fluorowodorowy, stężony siarkowy, a także gorące kwasy organiczne: szczawiowy, mrówkowy i trichlorooctowy.

Tytan jest odporny na korozję w powietrzu atmosferycznym, wodzie morskiej i atmosferze morskiej, w mokrym chlorze, wodzie chlorowanej, gorących i zimnych roztworach chlorków, w różnych roztworach technologicznych i odczynnikach stosowanych w przemyśle chemicznym, naftowym, papierniczym i innych, a także w hydrometalurgia. Tytan tworzy związki metalopodobne z C, B, Se, Si, charakteryzujące się ogniotrwałością i dużą twardością. Węglik TiC (t.t. 3140°C) otrzymuje się przez ogrzewanie mieszaniny TiO2 z sadzą w temperaturze 1900-2000°C w atmosferze wodoru; Azotek TiN (t.t. 2950°C) – poprzez ogrzewanie proszku tytanu w azocie w temperaturze powyżej 700°C. Znane są krzemki TiSi 2, TiSi i borki TiB, Ti 2 B 5, TiB 2. W temperaturach 400-600 °C Tytan absorbuje wodór, tworząc roztwory stałe i wodorki (TiH, TiH2). Kiedy TiO2 łączy się z zasadami, powstają sole kwasu tytanowego: meta- i ortotytaniany (na przykład Na2 TiO3 i Na4 TiO 4), a także politytaniany (na przykład Na2 Ti2O5 i Na2Ti3O7). Tytaniany obejmują najważniejsze minerały Tytana, na przykład ilmenit FeTiO 3, perowskit CaTiO 3. Wszystkie tytaniany są słabo rozpuszczalne w wodzie. Tlenek tytanu (IV), kwasy tytanowe (wytrąca się) i tytaniany rozpuszczają się w kwasie siarkowym, tworząc roztwory zawierające siarczan tytanylu TiOSO 4 . Podczas rozcieńczania i ogrzewania roztworów w wyniku hydrolizy osadza się H 2 TiO 3, z którego otrzymuje się tlenek tytanu (IV). Po dodaniu nadtlenku wodoru do kwaśnych roztworów zawierających związki Ti (IV) powstają kwasy nadtlenkowe (nadtlenkowe) o składzie H 4 TiO 5 i H 4 TiO 8 oraz ich odpowiednie sole; związki te mają barwę żółtą lub pomarańczowo-czerwoną (w zależności od stężenia tytanu), co stosuje się do analitycznego oznaczania tytanu.

Zdobycie Tytana. Najpopularniejszą metodą wytwarzania tytanu metalicznego jest metoda magnezowo-termiczna, czyli redukcja czterochlorku tytanu magnezem metalicznym (rzadziej sodem):

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.

W obu przypadkach surowcami wyjściowymi są rudy tlenku tytanu – rutyl, ilmenit i inne. W przypadku rud typu ilmenit Tytan w postaci żużla oddziela się od żelaza poprzez wytapianie w piecach elektrycznych. Żużel (podobnie jak rutyl) jest chlorowany w obecności węgla, tworząc czterochlorek tytanu, który po oczyszczeniu trafia do reaktora redukcyjnego z obojętną atmosferą.

Tytan w tym procesie otrzymuje się w postaci gąbczastej, a po zmieleniu przetapia się w próżniowych piecach łukowych na wlewki z dodatkiem dodatków stopowych, jeśli wymagany jest stop. Metoda magnezowo-termiczna umożliwia produkcję przemysłową tytanu na dużą skalę w zamkniętym cyklu technologicznym, ponieważ produkt uboczny powstający podczas redukcji - chlorek magnezu - jest kierowany do elektrolizy w celu wytworzenia magnezu i chloru.

W niektórych przypadkach korzystne jest stosowanie metod metalurgii proszków do wytwarzania wyrobów z tytanu i jego stopów. Aby uzyskać szczególnie drobne proszki (na przykład do elektroniki radiowej), można zastosować redukcję tlenku tytanu (IV) wodorkiem wapnia.

Zastosowanie Tytana. Główne zalety Titana w porównaniu z innymi metalami konstrukcyjnymi: połączenie lekkości, wytrzymałości i odporności na korozję. Stopy tytanu w postaci absolutnej, a tym bardziej pod względem wytrzymałości właściwej (tj. Wytrzymałości związanej z gęstością) przewyższają większość stopów na bazie innych metali (na przykład żelaza lub niklu) w temperaturach od -250 do 550 ° C i pod względem pod względem korozji są porównywalne ze stopami metali szlachetnych. Jednakże tytan zaczęto stosować jako samodzielny materiał konstrukcyjny dopiero w latach 50. XX wieku ze względu na duże trudności techniczne związane z jego wydobyciem z rud i obróbką (dlatego tytan umownie zaliczany był do metali rzadkich). Główną część Tytana przeznacza się na potrzeby lotnictwa i technologii rakietowej oraz przemysłu stoczniowego. Stopy tytanu z żelazem, zwane „ferrotytanem” (20-50% tytanu), służą jako dodatek stopowy i środek odtleniający w metalurgii wysokiej jakości stali i stopów specjalnych.

Tytan techniczny wykorzystywany jest do produkcji zbiorników, reaktorów chemicznych, rurociągów, armatury, pomp i innych wyrobów pracujących w środowiskach agresywnych np. w inżynierii chemicznej. W hydrometalurgii metali nieżelaznych stosuje się sprzęt wykonany z tytanu. Służy do powlekania wyrobów stalowych. Zastosowanie tytanu w wielu przypadkach zapewnia świetny efekt techniczny i ekonomiczny nie tylko ze względu na zwiększoną żywotność urządzeń, ale także możliwość intensyfikacji procesów (jak np. W hydrometalurgii niklu). Bezpieczeństwo biologiczne tytanu sprawia, że jest on doskonałym materiałem do produkcji sprzętu dla przemysłu spożywczego i chirurgii rekonstrukcyjnej. W warunkach głębokiego mrozu wytrzymałość Tytana wzrasta przy zachowaniu dobrej ciągliwości, co umożliwia wykorzystanie go jako materiału konstrukcyjnego w technologii kriogenicznej. Tytan dobrze nadaje się do polerowania, anodowania barwnego i innych metod wykańczania powierzchni, dlatego jest używany do wytwarzania różnych wyrobów artystycznych, w tym rzeźb monumentalnych. Przykładem jest pomnik w Moskwie, zbudowany na cześć wystrzelenia pierwszego sztucznego satelity Ziemi. Spośród związków tytanu praktyczne znaczenie mają tlenki, halogenki, a także krzemki stosowane w technologii wysokotemperaturowej; borki i ich stopy stosowane jako moderatory w elektrowniach jądrowych ze względu na ich ogniotrwałość i duży przekrój poprzeczny wychwytu neutronów. Węglik tytanu, charakteryzujący się dużą twardością, wchodzi w skład twardych stopów narzędziowych stosowanych do produkcji narzędzi skrawających oraz jako materiał ścierny.

Tlenek tytanu (IV) i tytanian baru stanowią podstawę ceramiki tytanowej, a tytanian baru jest najważniejszym ferroelektrykiem.

Tytan w korpusie. Tytan jest stale obecny w tkankach roślin i zwierząt. W roślinach lądowych jego stężenie wynosi około 10 -4%, w roślinach morskich - od 1,2 10 -3 do 8 10 -2%, w tkankach zwierząt lądowych - niecałe 2 10 -4%, w tkankach morskich - od 2 10 -4 do 2,10 -2%. Gromadzi się u kręgowców głównie w formacjach rogowych, śledzionie, nadnerczach, tarczycy, łożysku; słabo wchłaniany z przewodu pokarmowego. U ludzi dzienne spożycie tytanu z pożywienia i wody wynosi 0,85 mg; wydalane z moczem i kałem (odpowiednio 0,33 i 0,52 mg).

/mol)

Fabuła

Odkrycia dwutlenku tytanu (TiO 2) dokonali niemal jednocześnie i niezależnie od siebie Anglik W. Gregor i niemiecki chemik M. G. Klaproth. W. Gregor badając skład magnetycznego piasku żelazistego (Creed, Kornwalia, Anglia) wyizolował nową „ziemię” (tlenek) nieznanego metalu, którą nazwał menaken. W 1795 roku niemiecki chemik Klaproth odkrył nowy pierwiastek w mineralnym rutylu i nazwał go tytanem. Dwa lata później Klaproth ustalił, że rutyl i ziemia menakenowa są tlenkami tego samego pierwiastka, co dało podstawę do zaproponowanej przez Klaprotha nazwy „tytan”. Dziesięć lat później odkrycie tytanu miało miejsce po raz trzeci: francuski naukowiec L. Vauquelin odkrył tytan w anatazie i udowodnił, że rutyl i anataz to identyczne tlenki tytanu.

Pierwszą próbkę tytanu metalicznego uzyskał w 1825 roku Szwed J. J. Berzelius. Ze względu na dużą aktywność chemiczną tytanu i trudność jego oczyszczenia, czystą próbkę Ti uzyskali Holendrzy A. van Arkel i I. de Boer w 1925 roku w wyniku termicznego rozkładu par jodku tytanu TiI 4 .

Tytan znalazł zastosowanie przemysłowe dopiero u Luksemburczyka G. Krolla (Język angielski) Rosyjski nie opatentował prostej magnezowo-termicznej metody redukcji metalicznego tytanu z czterochlorku w 1940 r.; ta metoda (proces Kroll (Język angielski) Rosyjski) do dziś pozostaje jednym z głównych w przemysłowej produkcji tytanu.

pochodzenie imienia

Metal otrzymał swoją nazwę na cześć tytanów, postaci ze starożytnej mitologii greckiej, dzieci Gai. Nazwę pierwiastka nadał Martin Klaproth zgodnie ze swoimi poglądami na nomenklaturę chemiczną, w przeciwieństwie do francuskiej szkoły chemicznej, która próbowała nazwać pierwiastek na podstawie jego właściwości chemicznych. Ponieważ sam niemiecki badacz zauważył niemożność określenia właściwości nowego pierwiastka jedynie na podstawie jego tlenku, wybrał dla niego nazwę z mitologii, analogicznie do odkrytego wcześniej uranu.

Będąc w naturze

Tytan znajduje się na 10. miejscu pod względem rozpowszechnienia w przyrodzie. Zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 0,57% wag., w wodzie morskiej – 0,001 mg/l. W skałach ultrazasadowych 300 g/t, w skałach zasadowych - 9 kg/t, w skałach kwaśnych 2,3 kg/t, w iłach i łupkach 4,5 kg/t. W skorupie ziemskiej tytan jest prawie zawsze czterowartościowy i występuje tylko w związkach tlenu. Nie znaleziono w darmowej formie. W warunkach wietrzenia i opadów tytan wykazuje powinowactwo geochemiczne z Al 2 O 3 . Koncentruje się w boksytach zwietrzałych skorupy i w morskich osadach ilastych. Tytan transportowany jest w postaci mechanicznych fragmentów minerałów oraz w postaci koloidów. W niektórych glinach gromadzi się do 30% wagowych TiO2. Minerały tytanu są odporne na warunki atmosferyczne i tworzą duże stężenia w podkładkach. Znanych jest ponad 100 minerałów zawierających tytan. Najważniejsze z nich to: rutyl TiO 2, ilmenit FeTiO 3, tytanomagnetyt FeTiO 3 + Fe 3 O 4, perowskit CaTiO 3, tytanit (sfen) CaTiSiO 5. Wyróżnia się pierwotne rudy tytanu - ilmenit-tytan-magnetyt i rudy placerowe - rutyl-ilmenit-cyrkon.

Miejsce urodzenia

Duże pierwotne złoża tytanu znajdują się w Republice Południowej Afryki, Rosji, Ukrainie, Kanadzie, USA, Chinach, Norwegii, Szwecji, Egipcie, Australii, Indiach, Korei Południowej, Kazachstanie; Złoża placerów znajdują się w Brazylii, Indiach, USA, Sierra Leone i Australii. W krajach WNP czołowe miejsca w rozpoznanych zasobach rud tytanu zajmują Federacja Rosyjska (58,5%) i Ukraina (40,2%). Największym złożem w Rosji jest Jaregskoje.

Rezerwy i produkcja

Od 2002 r. 90% wydobytego tytanu wykorzystywano do produkcji dwutlenku tytanu TiO 2 . Światowa produkcja dwutlenku tytanu wynosiła 4,5 miliona ton rocznie. Potwierdzone zasoby dwutlenku tytanu (bez Rosji) wynoszą około 800 mln ton.Według US Geological Survey, w 2006 roku, w przeliczeniu na dwutlenek tytanu z wyłączeniem Rosji, zasoby rud ilmenitowych wynoszą 603-673 mln ton, a rud rutylowych - 49,7-52,7 mln ton. Zatem przy obecnym tempie wydobycia potwierdzone światowe zasoby tytanu (z wyłączeniem Rosji) wystarczą na ponad 150 lat.

Rosja posiada drugie po Chinach największe zasoby tytanu na świecie. Baza zasobów mineralnych tytanu w Rosji składa się z 20 złóż (w tym 11 złóż pierwotnych i 9 aluwialnych), dość równomiernie rozmieszczonych na terenie całego kraju. Największe ze zbadanych złóż (Yaregskoje) położone jest 25 km od miasta Uchta (Republika Komi). Zasoby złoża szacowane są na 2 miliardy ton rudy o średniej zawartości dwutlenku tytanu na poziomie około 10%.

Największym na świecie producentem tytanu jest rosyjska firma VSMPO-AVISMA.

Paragon

Z reguły materiałem wyjściowym do produkcji tytanu i jego związków jest dwutlenek tytanu ze stosunkowo niewielką ilością zanieczyszczeń. W szczególności może to być koncentrat rutylu otrzymywany ze wzbogacania rud tytanu. Jednak zasoby rutylu na świecie są bardzo ograniczone i coraz częściej stosuje się tzw. żużel rutylowy syntetyczny lub tytanowy, otrzymywany z przeróbki koncentratów ilmenitowych. Aby otrzymać żużel tytanowy, koncentrat ilmenitu redukuje się w elektrycznym piecu łukowym, żelazo oddziela się na fazę metaliczną (żeliwo), a niezredukowane tlenki tytanu i zanieczyszczenia tworzą fazę żużlową. Żużel bogaty przerabia się metodą chlorkową lub kwasowo-siarkową.

Koncentrat rudy tytanu poddawany jest obróbce kwasem siarkowym lub pirometalurgii. Produktem obróbki kwasem siarkowym jest proszek dwutlenku tytanu TiO2. Metodą pirometalurgiczną rudę spieka się z koksem i poddaje działaniu chloru, w wyniku czego powstają pary tetrachlorku tytanu TiCl 4:

T ja O 2 + 2 do + 2 do l 2 → T ja do l 4 + 2 do O (\ Displaystyle (\ mathsf (TiO_ (2) + 2C + 2Cl_ (2) \rightarrow TiCl_ (4) + 2CO)})

Powstałe pary TiCl 4 są redukowane magnezem w temperaturze 850 °C:

T ja do l 4 + 2 M sol → 2 M sol do l 2 + T ja (\ Displaystyle (\ mathsf (TiCl_ (4) + 2Mg \rightarrow 2MgCl_ (2) + Ti)})

Ponadto tak zwany proces FFC Cambridge, nazwany na cześć jego twórców Dereka Fraya, Toma Farthinga i George'a Chena z Uniwersytetu w Cambridge, gdzie został stworzony, zaczyna zyskiwać obecnie na popularności. Ten proces elektrochemiczny umożliwia bezpośrednią, ciągłą redukcję tytanu z tlenku w stopionej mieszaninie chlorku wapnia i wapna palonego (tlenku wapnia). W procesie tym wykorzystuje się kąpiel elektrolityczną wypełnioną mieszaniną chlorku wapnia i wapna, z grafitową anodą protektorową (lub neutralną) i katodą wykonaną z redukowalnego tlenku. Gdy prąd przepływa przez kąpiel, temperatura szybko osiąga ~ 1000-1100 ° C, a stopiony tlenek wapnia rozkłada się na anodzie na tlen i wapń metaliczny:

2 do za O → 2 do za + O 2 (\ Displaystyle (\ mathsf (2CaO \rightarrow 2Ca + O_ (2))))

Powstały tlen utlenia anodę (w przypadku zastosowania grafitu), a wapń migruje w stopie do katody, gdzie redukuje tytan z jego tlenku:

O 2 + do → do O 2 (\ Displaystyle (\ mathsf (O_ (2) + C \rightarrow CO_ (2)))) T ja O 2 + 2 do za → T ja + 2 do za O (\ Displaystyle (\ mathsf (TiO_ (2) + 2Ca \ Rightarrow Ti + 2CaO)})

Powstały tlenek wapnia ponownie dysocjuje na tlen i metaliczny wapń, a proces jest powtarzany aż do całkowitego przekształcenia katody w gąbkę tytanową lub wyczerpania się tlenku wapnia. W tym procesie chlorek wapnia stosuje się jako elektrolit nadający stopieniu przewodność elektryczną i ruchliwość aktywnych jonów wapnia i tlenu. Podczas stosowania obojętnej anody (na przykład dwutlenku cyny) zamiast dwutlenku węgla na anodzie uwalniany jest tlen cząsteczkowy, który mniej zanieczyszcza środowisko, ale proces w tym przypadku staje się mniej stabilny, a dodatkowo w niektórych warunkach , rozkład chlorku staje się bardziej korzystny energetycznie niż tlenku wapnia, co powoduje uwolnienie chloru cząsteczkowego.

Powstałą tytanową „gąbkę” topi się i oczyszcza. Tytan rafinuje się metodą jodkową lub elektrolizą, oddzielając Ti od TiCl 4 . Aby uzyskać wlewki tytanowe, stosuje się obróbkę łukową, wiązką elektronów lub plazmą.

Właściwości fizyczne

Tytan to lekki srebrzystobiały metal. Przy normalnym ciśnieniu występuje w dwóch odmianach krystalicznych: niskotemperaturowej α-Ti z sześciokątną, gęsto upakowaną siatką (układ sześciokątny, grupa przestrzenna C 6mmc, parametry komórki A= 0,2953 nm, C= 0,4729 nm, Z = 2 ) i wysokotemperaturowy β-Ti z sześciennym wypełnieniem skupionym wokół korpusu (układ sześcienny, grupa przestrzenna Jestem 3M, parametry komórki A= 0,3269 nm, Z = 2 ), temperatura przejścia α↔β 883 °C, ciepło przejścia Δ H=3,8 kJ/mol (87,4 kJ/kg). Większość metali rozpuszczonych w tytanie stabilizuje fazę β i obniża temperaturę przejścia α↔β. Przy ciśnieniach powyżej 9 GPa i temperaturach powyżej 900°C tytan przekształca się w fazę heksagonalną (ω -Ti). Gęstości α-Ti i β-Ti wynoszą odpowiednio 4,505 g/cm3 (w temperaturze 20°C) i 4,32 g/cm3 (w temperaturze 900°C). Gęstość atomowa α-tytanu wynosi 5,67⋅10 22 at/cm3.

Temperatura topnienia tytanu pod ciśnieniem normalnym wynosi 1670 ± 2°C, czyli 1943 ± 2 K (przyjęta jako jeden z wtórnych punktów kalibracyjnych skali temperatury ITS-90 (Język angielski) Rosyjski) . Temperatura wrzenia 3287 °C. W wystarczająco niskich temperaturach (-80°C) tytan staje się dość kruchy. Ciepło molowe w warunkach normalnych C str= 25,060 kJ/(mol · K), co odpowiada pojemności cieplnej właściwej wynoszącej 0,523 kJ/(kg·K). Ciepło topnienia 15 kJ/mol, ciepło parowania 410 kJ/mol. Charakterystyczna temperatura Debye'a wynosi 430 K. Przewodność cieplna 21,9 W/(mK) przy 20°C. Współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej wynosi 9,2·10 −6 K −1 w zakresie od −120 do +860 °C. Entropia molowa α-tytanu S 0 = 30,7 kJ/(mol · K). W przypadku tytanu w fazie gazowej entalpia tworzenia wynosi Δ H0
F= 473,0 kJ/mol, Energia Gibbsa Δ G0
F= 428,4 kJ/mol, entropia molowa S 0 = 180,3 kJ/(mol·K), pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu C str= 24,4 kJ/(mol·K)

Plastik, zgrzewalny w atmosferze obojętnej. Charakterystyka wytrzymałościowa w niewielkim stopniu zależy od temperatury, ale w dużym stopniu zależy od czystości i obróbki wstępnej. Dla tytanu technicznego twardość Vickersa wynosi 790-800 MPa, normalny moduł sprężystości wynosi 103 GPa, a moduł sprężystości przy ścinaniu wynosi 39,2 GPa. Tytan o wysokiej czystości, wyżarzany w próżni, ma granicę plastyczności 140-170 MPa, wydłużenie względne 55-70%, twardość Brinella 716 MPa.

Posiada dużą lepkość, podczas obróbki ma skłonność do przyklejania się do narzędzia skrawającego, dlatego wymaga nanoszenia na narzędzie specjalnych powłok oraz różnorodnych smarów.

W zwykłych temperaturach jest pokryty ochronną, pasywującą warstwą tlenku TiO 2, dzięki czemu jest odporny na korozję w większości środowisk (z wyjątkiem zasadowych).

Właściwości chemiczne

Łatwo reaguje nawet ze słabymi kwasami w obecności czynników kompleksujących, np. oddziałuje z kwasem fluorowodorowym w wyniku tworzenia kompleksowego anionu 2-. Tytan jest najbardziej podatny na korozję w środowiskach organicznych, ponieważ w obecności wody na powierzchni produktu tytanowego tworzy się gęsta pasywna warstwa tlenków i wodorków tytanu. Najbardziej zauważalny wzrost odporności korozyjnej tytanu zauważalny jest przy wzroście zawartości wody w środowisku agresywnym od 0,5 do 8,0%, co potwierdzają badania elektrochemiczne potencjałów elektrodowych tytanu w roztworach kwasów i zasad w mieszanych wodno-organicznych głoska bezdźwięczna.

Po podgrzaniu na powietrzu do temperatury 1200°C Ti zapala się jasnym białym płomieniem, tworząc fazy tlenkowe o zmiennym składzie TiOx. Wodorotlenek TiO(OH) 2·xH 2 O wytrąca się z roztworów soli tytanu i po dokładnej kalcynacji otrzymuje się tlenek TiO 2. Wodorotlenek TiO(OH) 2 xH 2 O i dwutlenek TiO 2 są amfoteryczne.

Kiedy tytan oddziałuje z węglem, powstaje węglik tytanu Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC.

Tytan w postaci stopów jest najważniejszym materiałem konstrukcyjnym w przemyśle lotniczym, rakietowym i stoczniowym.
Metal znajduje zastosowanie w przemyśle chemicznym (reaktory, rurociągi, pompy, armatura rurociągów), przemyśle wojskowym (kamizelki kuloodporne, pancerze lotnicze i bariery ogniowe, kadłuby okrętów podwodnych), procesach przemysłowych (odsalalnie, procesy celulozowo-papiernicze), przemyśle motoryzacyjnym, przemysł rolniczy, przemysł spożywczy, artykuły sportowe, biżuteria, telefony komórkowe, stopy lekkie itp.
Tytan jest fizjologicznie obojętny, dzięki czemu znajduje zastosowanie w medycynie (protezy, osteoprotezy, implanty zębowe), w instrumentach stomatologicznych i endodontycznych oraz w biżuterii do piercingu.
Odlewanie tytanu odbywa się w piecach próżniowych do form grafitowych. Stosowane jest również odlewanie próżniowe metodą traconego wosku. Ze względu na trudności technologiczne w ograniczonym zakresie stosowany jest w odlewnictwie artystycznym. Pierwszą w praktyce światowej monumentalną rzeźbą odlewaną z tytanu jest pomnik Jurija Gagarina na placu jego imienia w Moskwie.
Tytan jest dodatkiem stopowym wielu stali stopowych i większości stopów specjalnych [ które?] .
Nitinol (nikiel-tytan) to stop z pamięcią kształtu stosowany w medycynie i technologii.
Glinki tytanu są bardzo odporne na utlenianie i żaroodporne, co z kolei zdecydowało o ich zastosowaniu w przemyśle lotniczym i samochodowym jako materiałów konstrukcyjnych.
Tytan jest jednym z najpowszechniejszych

Najbardziej znaczące dla gospodarki narodowej były i pozostają stopy i metale, które łączą w sobie lekkość i wytrzymałość. Tytan należy specjalnie do tej kategorii materiałów, a ponadto ma doskonałą odporność na korozję.

Tytan jest metalem przejściowym z grupy 4, okresu 4. Jego masa cząsteczkowa wynosi zaledwie 22, co świadczy o lekkości materiału. Jednocześnie substancja charakteryzuje się wyjątkową wytrzymałością: spośród wszystkich materiałów konstrukcyjnych tytan ma najwyższą wytrzymałość właściwą. Kolor jest srebrzysto-biały.

Poniższy film pokaże Ci, czym jest tytan:

Koncepcja i funkcje

Tytan jest dość powszechny - zajmuje 10. miejsce pod względem zawartości w skorupie ziemskiej. Jednak prawdziwie czysty metal udało się wyizolować dopiero w 1875 roku. Wcześniej substancję albo otrzymywano z zanieczyszczeniami, albo jej związki nazywano metalicznym tytanem. To zamieszanie doprowadziło do zastosowania związków metali znacznie wcześniej niż samego metalu.

Wynika to ze specyfiki materiału: najbardziej nieistotne zanieczyszczenia znacząco wpływają na właściwości substancji, czasami całkowicie pozbawiając ją jej nieodłącznych właściwości.

Zatem najmniejsza proporcja innych metali pozbawia tytan odporności na ciepło, co jest jedną z jego cennych właściwości. Niewielki dodatek niemetalu sprawia, że trwały materiał staje się kruchy i nienadający się do użytku.

Ta cecha natychmiast podzieliła powstały metal na 2 grupy: techniczną i czystą.

Pierwszy stosowany tam, gdzie najbardziej potrzebna jest wytrzymałość, lekkość i odporność na korozję, ponieważ tytan nigdy nie traci tej drugiej jakości.
Materiał o wysokiej czystości stosowany tam, gdzie potrzebny jest materiał, który może pracować pod bardzo dużymi obciążeniami i wysokimi temperaturami, a jednocześnie jest lekki. Jest to oczywiście inżynieria lotnicza i rakietowa.

Drugą szczególną cechą substancji jest anizotropia. Niektóre jego właściwości fizyczne zmieniają się w zależności od przyłożonych sił, co należy wziąć pod uwagę podczas stosowania.

W normalnych warunkach metal jest obojętny i nie koroduje ani w wodzie morskiej, ani w powietrzu morskim lub miejskim. Co więcej, jest to najbardziej obojętna biologicznie substancja, dlatego tytanowe protezy i implanty znajdują szerokie zastosowanie w medycynie.

Jednocześnie wraz ze wzrostem temperatury zaczyna reagować z tlenem, azotem, a nawet wodorem, a w postaci płynnej pochłania gazy. Ta nieprzyjemna cecha sprawia, że niezwykle trudno jest uzyskać sam metal i wytworzyć na jego bazie stopy.

To drugie jest możliwe tylko przy użyciu sprzętu próżniowego. Złożony proces produkcji sprawił, że dość powszechny element stał się bardzo drogi.

Związek z innymi metalami

Tytan zajmuje pozycję pośrednią pomiędzy dwoma innymi dobrze znanymi materiałami konstrukcyjnymi - aluminium i żelazem, a raczej stopami żelaza. Pod wieloma względami metal przewyższa swoich „konkurentów”:

Wytrzymałość mechaniczna tytanu jest 2 razy większa niż żelaza i 6 razy większa niż aluminium. Jednocześnie wytrzymałość wzrasta wraz ze spadkiem temperatury;
odporność na korozję jest znacznie wyższa niż w przypadku żelaza, a nawet aluminium;
W normalnych temperaturach tytan jest obojętny. Jednak po podniesieniu do 250 C zaczyna wchłaniać wodór, co wpływa na jego właściwości. Pod względem aktywności chemicznej jest gorszy od magnezu, ale niestety lepszy od żelaza i aluminium;
metal przewodzi prąd znacznie słabiej: jego oporność elektryczna jest 5 razy większa niż żelaza, 20 razy większa niż aluminium i 10 razy większa niż magnezu;
przewodność cieplna jest również znacznie niższa: 3 razy mniejsza niż żelazo i 12 razy mniejsza niż aluminium. Jednak ta właściwość powoduje bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Zalety i wady

Tak naprawdę tytan ma wiele wad. Jednak połączenie wytrzymałości i lekkości jest tak pożądane, że ani złożona metoda produkcji, ani potrzeba wyjątkowej czystości nie powstrzymują konsumentów metali.

Do niewątpliwych zalet substancji należą:

niska gęstość, co oznacza bardzo niską wagę;
wyjątkowa wytrzymałość mechaniczna zarówno samego tytanu metalicznego, jak i jego stopów. Wraz ze wzrostem temperatury stopy tytanu mają lepsze właściwości niż wszystkie stopy aluminium i magnezu;
stosunek wytrzymałości do gęstości - wytrzymałości właściwej - osiąga 30–35, czyli prawie 2 razy więcej niż w przypadku najlepszych stali konstrukcyjnych;
Tytan wystawiony na działanie powietrza pokrywa się cienką warstwą tlenku, co zapewnia doskonałą odporność na korozję.

Metal ma również wiele wad:

Odporność na korozję i obojętność dotyczy wyłącznie produktów o nieaktywnej powierzchni. Na przykład pył lub wióry tytanu ulegają samozapłonowi i spalają się w temperaturze 400 ° C;
Bardzo złożona metoda otrzymywania tytanu metalicznego zapewnia bardzo wysoki koszt. Materiał jest znacznie droższy niż żelazo lub;
zdolność do pochłaniania gazów atmosferycznych przy wzroście temperatury wymaga stosowania urządzeń próżniowych podczas topienia i wytwarzania stopów, co również znacznie zwiększa koszty;
tytan ma słabe właściwości przeciwcierne - nie działa na tarcie;
metal i jego stopy są podatne na korozję wodorową, której trudno zapobiec;
Tytan jest trudny w obróbce. Spawanie jest również trudne ze względu na przemianę fazową podczas ogrzewania.

Blacha tytanowa (zdjęcie)

Właściwości i cechy

Zależy w dużej mierze od czystości. Dane referencyjne opisują oczywiście czysty metal, ale właściwości tytanu technicznego mogą się znacznie różnić.

Gęstość metalu zmniejsza się po podgrzaniu z 4,41 do 4,25 g/cm 3. Przejście fazowe zmienia gęstość tylko o 0,15%.
Temperatura topnienia metalu wynosi 1668 C. Temperatura wrzenia wynosi 3227 C. Tytan jest substancją ogniotrwałą.
Średnio wytrzymałość na rozciąganie wynosi 300–450 MPa, ale liczbę tę można zwiększyć do 2000 MPa, stosując hartowanie i starzenie, a także wprowadzenie dodatkowych elementów.
W skali HB twardość wynosi 103 i to nie jest granica.
Pojemność cieplna tytanu jest niska – 0,523 kJ/(kg·K).
Specyficzna oporność elektryczna - 42,1·10 -6 om·cm.
Tytan jest paramagnetykiem. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się jego podatność magnetyczna.
Metal ogólnie charakteryzuje się ciągliwością i kowalnością. Jednakże na te właściwości duży wpływ ma zawartość tlenu i azotu w stopie. Obydwa elementy powodują, że materiał jest kruchy.

Substancja jest odporna na wiele kwasów, w tym azotowy, siarkowy w niskich stężeniach i prawie wszystkie kwasy organiczne z wyjątkiem kwasu mrówkowego. Ta jakość zapewnia popyt na tytan w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, papierniczym i tak dalej.

Struktura i skład

Tytan, choć jest metalem przejściowym i ma niską rezystywność elektryczną, jest nadal metalem i przewodzi prąd elektryczny, co oznacza uporządkowaną strukturę. Po podgrzaniu do określonej temperatury struktura zmienia się:

do 883 C faza α o gęstości 4,55 g/m3 jest stabilna. cm Wyróżnia się gęstą sześciokątną siatką. Tlen rozpuszcza się w tej fazie tworząc roztwory śródmiąższowe i stabilizuje modyfikację α – przesuwa granicę temperatury;
powyżej 883 C faza β z siatką sześcienną skupioną na ciele jest stabilna. Jego gęstość jest nieco mniejsza - 4,22 g / metr sześcienny. patrz Ta struktura jest stabilizowana przez wodór - po rozpuszczeniu w tytanie powstają również roztwory śródmiąższowe i wodorki.

Cecha ta bardzo utrudnia pracę metalurga. Po ochłodzeniu tytanu rozpuszczalność wodoru gwałtownie maleje, a w stopie wytrąca się wodorowodór, faza γ.

Powoduje zimne pęknięcia podczas spawania, więc producenci muszą włożyć większy wysiłek po stopieniu metalu, aby oczyścić go z wodoru.

Poniżej powiemy Ci, gdzie możesz znaleźć i jak zrobić tytan.

Ten film opisuje tytan jako metal:

Produkcja i ekstrakcja

Tytan jest bardzo powszechny, więc nie ma trudności z rudami zawierającymi metal i to w dość dużych ilościach. Surowcami wyjściowymi są rutyl, anataz i strumyk – dwutlenek tytanu w różnych modyfikacjach, ilmenit, pirofanit – związki z żelazem i tak dalej.

Jest to jednak skomplikowane i wymaga drogiego sprzętu. Metody ekstrakcji są nieco inne, ponieważ skład rudy jest inny. Na przykład schemat pozyskiwania metalu z rud ilmenitu wygląda następująco:

otrzymanie żużla tytanowego - skałę ładuje się do elektrycznego pieca łukowego wraz z czynnikiem redukującym - antracytem, węglem drzewnym i podgrzewa do temperatury 1650 C. Jednocześnie oddziela się żelazo, które służy do produkcji żeliwa i dwutlenku tytanu w żużlu ;
Żużel jest chlorowany w kopalniach lub chloratorach solnych. Istota procesu polega na przekształceniu stałego dwutlenku tytanu w gazowy czterochlorek tytanu;
w piecach oporowych w specjalnych kolbach metal jest redukowany sodem lub magnezem z chlorku. W rezultacie uzyskuje się prostą masę - gąbkę tytanową. Ten techniczny tytan nadaje się na przykład do produkcji sprzętu chemicznego;
jeśli potrzebny jest czystszy metal, uciekają się do rafinacji - w tym przypadku metal reaguje z jodem w celu otrzymania jodku gazowego, który pod wpływem temperatury - 1300-1400 C i prądu elektrycznego rozkłada się, uwalniając czysty tytan. Prąd elektryczny doprowadzany jest poprzez naciągnięty w retorcie tytanowy drut, na którym osadzana jest czysta substancja.

Aby otrzymać wlewki tytanowe, gąbkę tytanową topi się w piecu próżniowym, aby zapobiec rozpuszczeniu wodoru i azotu.

Cena tytanu za 1 kg jest bardzo wysoka: w zależności od stopnia czystości metal kosztuje od 25 do 40 dolarów za 1 kg. Z drugiej strony korpus aparatu ze stali kwasoodpornej będzie kosztować 150 rubli. i potrwa nie dłużej niż 6 miesięcy. Tytan będzie kosztować około 600 rubli, ale będzie używany przez 10 lat. W Rosji istnieje wiele zakładów produkujących tytan.

Obszary zastosowań

Wpływ stopnia oczyszczenia na właściwości fizyczne i mechaniczne zmusza do rozważenia tego z tego punktu widzenia. Zatem techniczny, czyli nie najczystszy metal, ma doskonałą odporność na korozję, lekkość i wytrzymałość, co determinuje jego zastosowanie:

przemysł chemiczny– wymienniki ciepła, rury, obudowy, części pomp, armatura i tak dalej. Materiał jest niezbędny w obszarach, w których wymagana jest odporność na kwasy i wytrzymałość;
branża transportowa– substancja służy do produkcji pojazdów – od pociągów po rowery. W pierwszym przypadku metal zapewnia mniejszą masę związków, co zwiększa efektywność trakcji, w drugim nadaje lekkość i wytrzymałość, nie bez powodu tytanowa rama rowerowa uznawana jest za najlepszą;
sprawy morskie– wymienniki ciepła, tłumiki wydechowe do łodzi podwodnych, zawory, śmigła itp. są wykonane z tytanu;
V budowa Tytan ma szerokie zastosowanie - doskonały materiał do wykończenia fasad i dachów. Oprócz wytrzymałości stop zapewnia jeszcze jedną ważną zaletę dla architektury – możliwość nadawania produktom najdziwniejszych konfiguracji; zdolność stopu do kształtowania jest nieograniczona.

Czysty metal jest również bardzo odporny na wysokie temperatury i zachowuje swoją wytrzymałość. Zastosowanie jest oczywiste:

do produkcji rakiet i samolotów - wykonywana jest z niego obudowa. Części silnika, elementy mocujące, części podwozia i tak dalej;
medycyna – obojętność biologiczna i lekkość sprawia, że tytan jest znacznie bardziej obiecującym materiałem na protetykę, w tym zastawki serca;
technologia kriogeniczna – tytan jest jedną z nielicznych substancji, które wraz ze spadkiem temperatury stają się jedynie mocniejsze i nie tracą swojej ciągliwości.

Tytan jest materiałem konstrukcyjnym o najwyższej wytrzymałości, przy jednocześnie lekkości i plastyczności. Te unikalne cechy zapewniają mu coraz ważniejszą rolę w gospodarce narodowej.

Poniższy film powie Ci, gdzie zdobyć tytan na nóż: