Титан - описание на елемента със снимка, описание на ефекта му върху човешкото тяло, както и необходимостта от този химичен елемент. Характеристики на метален титан - свойства, характеристики на използването на метал, положителни и отрицателни качества

Раздел 1. История и поява на титан в природата.

Титан — това еелемент от странична подгрупа на четвърта група, четвъртия период от периодичната система на химичните елементи на Д. И. Дмитрий Иванович Менделеев, с атомен номер 22. Просто вещество титан(CAS номер: 7440-32-6) - светло сребристо бяло. Съществува в две кристални модификации: α-Ti с хексагонална плътно опакована решетка, β-Ti с кубична плътно центрирана опаковка, температурата на полиморфната трансформация α↔β е 883 °C. Точка на топене 1660±20 °C.

История и присъствие в природата на титана

Titanium е кръстен на древногръцките знаци титани. Немският химик Мартин Клапрот го е нарекъл така по свои лични причини, за разлика от французите, които се опитват да дават имена в съответствие с химичните характеристики на елемента, но тъй като тогава свойствата на елемента са били неизвестни, е избрано такова име.

Титанът е 10-ият елемент по отношение на броя му на нашата планета. Количеството титан в земната кораравно на 0,57% тегловни и 0,001 милиграма на 1 литър морска вода. Находищата на титан се намират на територията на: Южно Африканска република, Украйна, Руска федерация, Казахстан, Япония, Австралия, Индия, Цейлон, Бразилия и Южна Корея.

от физични свойстватитан светло сребро метал, освен това се характеризира с висок вискозитет по време на обработка и е склонен към залепване към режещия инструмент, така че се използват специални смазочни материали или пръскане, за да се елиминира този ефект. При стайна температура той е покрит с полупрозрачен филм от TiO2 оксид, поради което е устойчив на корозия в повечето агресивни среди, с изключение на алкали. Титановият прах има способността да експлодира с температура на възпламеняване 400 °C. Титановите стружки са запалими.

За производството на чист титан или неговите сплави в повечето случаи се използва титанов диоксид с малък брой съединения, включени в него. Например, рутилов концентрат, получен чрез обогатяване на титанови руди. Но запасите от рутил са изключително малки и във връзка с това се използва така нареченият синтетичен рутил или титанова шлака, получена при преработката на илменитови концентрати.

За откривател на титана се смята 28-годишният английски монах Уилям Грегър. През 1790 г., докато провежда минералогични проучвания в своята енория, той обръща внимание на разпространението и необичайни свойствачерен пясък в долината Менакан в югозападната част на Великобритания и започна да го изследва. AT пясъксвещеникът открил зърна от черен блестящ минерал, привлечен от обикновен магнит. Получен през 1925 г. от Ван Аркел и де Боер по йодидния метод, най-чистият титан се оказва пластичен и технологичен металс много ценни свойства, които привлякоха вниманието на широк кръг дизайнери и инженери. През 1940 г. Крол предлага магнезиево-термичен метод за извличане на титан от руди, който все още е основен в момента. През 1947 г. са произведени първите 45 кг търговски чист титан.

AT периодична системаелементи Менделеев Дмитрий Ивановичтитанът има сериен номер 22. Атомната маса на естествения титан, изчислена от резултатите от изследванията на неговите изотопи, е 47,926. И така, ядрото на неутрален титанов атом съдържа 22 протона. Броят на неутроните, т.е. неутралните незаредени частици, е различен: по-често 26, но може да варира от 24 до 28. Следователно броят на изотопите на титан е различен. Общо сега са известни 13 изотопа на елемент № 22. Естественият титан се състои от смес от пет стабилни изотопа, титан-48 е най-широко представеният, неговият дял в естествените руди е 73,99%. Титанът и други елементи от подгрупа IVB са много сходни по свойства с елементите от подгрупа IIIB (скандиева група), въпреки че се различават от последните по способността си да проявяват голяма валентност. Сходството на титана със скандий, итрий, както и с елементи от VB подгрупата - ванадий и ниобий, се изразява и в това, че титанът често се среща в природните минерали заедно с тези елементи. С едновалентни халогени (флуор, бром, хлор и йод) може да образува ди-три- и тетра съединения, със сяра и елементи от нейната група (селен, телур) - моно- и дисулфиди, с кислород - оксиди, диоксиди и триоксиди .

Титанът образува съединения и с водород (хидриди), азот (нитриди), въглерод (карбиди), фосфор (фосфиди), арсен (арсиди), както и съединения с много метали - интерметални съединения. Титанът образува не само прости, но и множество сложни съединения, много от неговите съединения с органична материя. Както се вижда от списъка на съединенията, в които титанът може да участва, той е химически много активен. И в същото време титанът е един от малкото метали с изключително висока устойчивост на корозия: той е практически вечен във въздушната атмосфера, в студена и вряща вода и е много устойчив на корозия. морска вода, в разтвори на много соли, неорганични и органични киселини. По устойчивост на корозия в морска вода превъзхожда всички метали, с изключение на благородните - злато, платина и др., повечето видове неръждаема стомана, никел, мед и други сплави. Във вода, в много агресивни среди, чистият титан не е обект на корозия. Устойчив на титанова и ерозионна корозия, която възниква в резултат на комбинация от химически и механични ефекти върху. В това отношение той не е по-нисък най-добрите маркинеръждаеми стомани, сплави на медна основа и други структурни материали. Титанът също така се противопоставя добре на уморната корозия, която често се проявява под формата на нарушения на целостта и здравината на метала (напукване, локални корозионни центрове и др.). Поведението на титана в много агресивни среди, като азотна, солна, сярна, "царска вода" и други киселини и основи, е изненадващо и възхитително за този метал.

Титанът е много огнеупорен метал. Дълго времесмяташе се, че се топи при 1800 ° C, но в средата на 50-те години. Английските учени Diardorf и Hayes установиха точката на топене на чист елементарен титан. Тя възлиза на 1668 ± 3 ° C. По своята огнеупорност титанът е на второ място след такива метали като волфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиди, цирконий, а сред основните структурни метали е на първо място. Най-важната характеристика на титана като метал е неговата уникалност физикохимични характеристики: ниска плътност, висока якост, твърдост и др. Основното е, че тези свойства не се променят значително при високи температури.

Титанът е лек метал, неговата плътност при 0°C е само 4,517 g/cm8, а при 100°C е 4,506 g/cm3. Титанът принадлежи към групата на металите със специфично тегло под 5 g/cm3. Това включва всички алкални метали(натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) със специфично тегло 0,9-1,5 g / cm3, магнезий (1,7 g / cm3), (2,7 g / cm3) и др. Титан повече от 1,5 пъти по-тежък алуминий, и в това, разбира се, той губи от него, но от друга страна е 1,5 пъти по-лек от желязото (7,8 g / cm3). Въпреки това, заемайки междинна позиция по отношение на специфичната плътност между алуминийи желязото титанът ги превъзхожда многократно по своите механични свойства.). Титанът има значителна твърдост: той е 12 пъти по-твърд от алуминия, 4 пъти жлезаи купрум. Друга важна характеристика на метала е неговата граница на провлачване. Колкото по-високо е, толкова по-добре частите от този метал издържат на експлоатационни натоварвания. Границата на провлачване на титана е почти 18 пъти по-висока от тази на алуминия. Специфичната якост на титановите сплави може да се увеличи 1,5-2 пъти. Неговото високо механични свойствадобре запазени при температури до няколкостотин градуса. Чистият титан е подходящ за всички видове работа при горещи и студени условия: може да бъде изкован като желязо, издърпайте и дори направете тел от него, навийте го на листове, ленти, във фолио с дебелина до 0,01 мм.

За разлика от повечето метали, титанът има значително електрическо съпротивление: ако електрическата проводимост на среброто се приеме за 100, тогава електрическата проводимост купрумравен на 94, алуминий - 60, желязо и платина-15, докато титанът е само 3,8. Титанът е парамагнитен метал, не се магнетизира, както в магнитно поле, но не се изтласква от него, като. Неговата магнитна чувствителност е много слаба, това свойство може да се използва в строителството. Титанът има сравнително ниска топлопроводимост, само 22,07 W / (mK), което е приблизително 3 пъти по-ниско от топлопроводимостта на желязото, 7 пъти на магнезия, 17-20 пъти на алуминия и медта. Съответно, коефициентът на линейно термично разширение на титана е по-нисък от този на другите конструкционни материали: при 20 ° C той е 1,5 пъти по-нисък от този на желязото, 2 - за медта и почти 3 - за алуминия. По този начин титанът е лош проводник на електричество и топлина.

Днес титановите сплави се използват широко в авиационната техника. Титановите сплави в промишлен мащаб за първи път са използвани в конструкции на самолети. реактивни двигатели. Използването на титан в конструкцията на реактивните двигатели позволява да се намали теглото им с 10...25%. По-специално от титанови сплавипроизвежда компресорни дискове и лопатки, части за всмукване на въздух, направляващи лопатки и крепежни елементи. Титановите сплави са незаменими за свръхзвукови самолети. Увеличаването на скоростта на полета на самолета доведе до повишаване на температурата на кожата, в резултат на което алуминиевите сплави вече не отговарят на изискванията, наложени от авиационната технология при свръхзвукови скорости. Температурата на кожата в този случай достига 246...316 °C. При тези условия титановите сплави се оказаха най-приемливият материал. През 70-те години употребата на титанови сплави за корпуса на гражданските самолети се увеличи значително. В самолета за средни разстояния ТУ-204 общата маса на частите от титанови сплави е 2570 кг. Използването на титан в хеликоптерите постепенно се разширява, главно за части от системата на главния ротор, задвижването и системата за управление. Важно място заемат титановите сплави в ракетната наука.

Поради високата устойчивост на корозия в морската вода, титанът и неговите сплави се използват в корабостроенето за производството на витла, обшивка на кораби, подводници, торпеда и др. Черупките не залепват за титан и неговите сплави, което рязко увеличава устойчивостта на съда при движение. Постепенно областите на приложение на титана се разширяват. Титанът и неговите сплави се използват в химическата, нефтохимическата, целулозно-хартиената и хранително-вкусовата промишленост, цветната металургия, енергетиката, електрониката, ядрената технология, галванопластиката, в производството на оръжия, за производство на бронирани плочи, хирургически инструменти, хирургически импланти, инсталации за обезсоляване, части за състезателни автомобили, спортно оборудване (стикове за голф, оборудване за катерене), части за часовници и дори бижута. Азотирането на титан води до образуването на златист филм върху повърхността му, който не отстъпва по красота на истинското злато.

Откриването на TiO2 е направено почти едновременно и независимо от англичанина У. Грегор и немския химик М. Г. Клапрот. W. Gregor, изследващ състава на магнитната жлеза пясък(Крийд, Корнуол, Англия, 1791), изолира нова "земя" (оксид) от неизвестен метал, който той нарече менакен. През 1795 г. немският химик Клапрот открива в минералрутил нов елемент и го нарекоха титан. Две години по-късно Клапрот установява, че рутилът и менакеновите оксиди са оксиди на един и същи елемент, зад който остава името „титан“, предложено от Клапрот. След 10 години откриването на титан се извършва за трети път. Френският учен Л. Воклен открива титана в анатаза и доказва, че рутилът и анатазът са идентични титанови оксиди.

Откриването на TiO2 е направено почти едновременно и независимо от англичанина У. Грегор и немския химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, изучавайки състава на магнитния железен пясък (Крийд, Корнуол, Англия, 1791 г.), изолира нова "земя" (оксид) от неизвестен метал, който той нарече менакен. През 1795 г. немският химик Клапрот открива в минералрутил нов елемент и го нарекоха титан. Две години по-късно Клапрот установява, че рутилът и менакенската земя са оксиди на един и същи елемент, зад което остава името „титан“, предложено от Клапрот. След 10 години откриването на титан се извършва за трети път. Френският учен Л. Воклен открива титана в анатаза и доказва, че рутилът и анатазът са идентични титанови оксиди.

Първата проба от метален титан е получена през 1825 г. от Й. Я. Берцелиус. Поради високата химическа активност на титана и сложността на неговото пречистване, холандците А. ван Аркел и И. де Боер през 1925 г. получават чист титанов образец чрез термично разлагане на пари на титанов йодид TiI4.

Титанът е 10-ият най-разпространен в природата. Съдържанието в земната кора е 0,57% от масата, в морската вода 0,001 mg / l. В ултраосновни скали 300 g/t, в основни скали 9 kg/t, в кисели скали 2,3 kg/t, в глини и шисти 4,5 kg/t. В земната кора титанът е почти винаги четиривалентен и присъства само в кислородни съединения. Не се среща в свободна форма. Титанът при условия на атмосферни влияния и валежи има геохимичен афинитет към Al2O3. Концентриран е в бокситите на кората на изветряне и в морските глинести седименти. Преносът на титан се извършва под формата на механични фрагменти от минерали и под формата на колоиди. В някои глини се натрупва до 30% TiO2 от теглото. Титановите минерали са устойчиви на атмосферни влияния и образуват големи концентрации в разсипи. Известни са повече от 100 минерала, съдържащи титан. Най-важните от тях са: рутил TiO2, илменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiSiO5. Има първични титанови руди - илменит-титаномагнетит и разсипни - рутил-илменит-циркон.

Основни руди: илменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).

През 2002 г. 90% от добития титан е използван за производството на титанов диоксид TiO2. Световното производство на титанов диоксид е 4,5 милиона тона годишно. Доказани запаси от титанов диоксид (без Руска федерация) са около 800 милиона тона.За 2006 г., според US Geological Survey, по отношение на титанов диоксид и без Руска федерация, запасите от илменитови руди са 603-673 милиона тона, а рутил - 49,7-52,7 милиона тона.По този начин при сегашния темп на производство на доказаните световни запаси от титан (с изключение на Руската федерация) ще продължи повече от 150 години.

Русия има вторите по големина в света запаси от титан след Китай. Основата на минералните ресурси на титан в Руската федерация се състои от 20 находища (от които 11 първични и 9 разпръснати), сравнително равномерно разпръснати в цялата страна. Най-голямото от проучените находища (Ярегское) се намира на 25 км от град Ухта (Република Коми). Запасите на находището се оценяват на 2 милиарда тона руда със средно съдържание на титанов диоксид около 10%.

Най-големият производител на титан в света е руската организация VSMPO-AVISMA.

По правило изходният материал за производството на титан и неговите съединения е титанов диоксид със сравнително малко количество примеси. По-специално, това може да бъде рутилов концентрат, получен по време на обогатяването на титанови руди. Запасите от рутил в света обаче са много ограничени и по-често се използва така нареченият синтетичен рутил или титанова шлака, получена при преработката на илменитови концентрати. За да се получи титанова шлака, илменитовият концентрат се редуцира в електродъгова пещ, докато желязото се разделя на метална фаза (), а нередуцираните титанови оксиди и примеси образуват шлакова фаза. Богатата шлака се обработва по метода на хлорид или сярна киселина.

В чист вид и под формата на сплави

Титанов паметник на Гагарин на Ленински проспект в Москва

метал се използва в: хим индустрия(реактори, тръбопроводи, помпи, тръбопроводна арматура), воен индустрия(бронежилетки, бронирани и противопожарни прегради в авиацията, корпуси на подводници), промишлени процеси (инсталации за обезсоляване, процесицелулоза и хартия), автомобилна промишленост, селскостопанска промишленост, хранително-вкусова промишленост, бижута за пиърсинг, медицинска промишленост (протези, остеопротези), стоматологични и ендодонтски инструменти, зъбни импланти, спортни стоки, търговски артикули за бижута (Александър Хомов), мобилни телефони, леки сплави и др. Той е най-важният структурен материал в самолетостроенето, ракетостроенето и корабостроенето.

Леенето на титан се извършва във вакуумни пещи в графитни форми. Използва се и леене под вакуум. Поради технологични затруднения се използва ограничено в художественото леене. Първата монументална скулптура от лят титан в света е паметникът на Юрий Гагарин на площада на негово име в Москва.

Титанът е легираща добавка в много сплави стомании повечето специални сплави.

Нитинол (никел-титан) е сплав с памет за формата, използвана в медицината и технологиите.

Титановите алуминиди са много устойчиви на окисляване и топлоустойчиви, което от своя страна определя използването им в авиационната и автомобилната индустрия като структурни материали.

Титанът е един от най-разпространените газопоглъщащи материали, използвани във високовакуумните помпи.

Белият титанов диоксид (TiO2) се използва в бои (като титаниево бяло), както и в производството на хартия и пластмаси. Хранителна добавка E171.

Органотитановите съединения (напр. тетрабутоксититан) се използват като катализатор и втвърдител в химическата и бояджийската промишленост.

Неорганичните титанови съединения се използват в химическата, електронната промишленост, промишлеността със стъклени влакна като добавки или покрития.

Титанов карбид, титанов диборид, титанов карбонитрид са важни компоненти на свръхтвърди материали за обработка на метали.

Титановият нитрид се използва за покриване на инструменти, църковни куполи и в производството на бижута, т.к. има цвят, подобен на .

Бариевият титанат BaTiO3, оловният титанат PbTiO3 и редица други титанати са сегнетоелектрици.

Има много титанови сплави с различни метали. Легиращите елементи се разделят на три групи в зависимост от влиянието им върху температурата на полиморфната трансформация: бета стабилизатори, алфа стабилизатори и неутрални втвърдители. Първите понижават температурата на трансформация, вторите я повишават, а вторите не я влияят, а водят до втвърдяване на матрицата в разтвора. Примери за алфа стабилизатори: , кислород, въглерод, азот. Бета стабилизатори: молибден, ванадий, желязо, хром, Ni. Неутрални втвърдители: цирконий, силиций. Бета-стабилизаторите от своя страна се делят на бета-изоморфни и бета-евтектоидни. Най-често срещаната титанова сплав е сплавта Ti-6Al-4V (VT6 в руската класификация).

През 2005г твърд titanium corporation публикува следната оценка на потреблението на титан в света:

13% - хартия;

7% - машиностроене.

15-25$ за килограм в зависимост от чистотата.

Чистотата и степента на груб титан (титанова гъба) обикновено се определя от неговата твърдост, която зависи от съдържанието на примеси. Най-често срещаните марки са TG100 и TG110.

Пазарният сегмент на потребителските стоки в момента е най-бързо развиващият се сегмент на титановия пазар. Докато преди 10 години този сегмент беше само 1-2 от пазара на титан, днес той е нараснал до 8-10 от пазара. Като цяло потреблението на титан в индустрията за потребителски стоки е нараснало с около два пъти по-бързо от целия пазар на титан. Употребата на титан в спорта е най-продължителната и има най-голям дял от употребата на титан в потребителските продукти. Причината за популярността на титана в спортното оборудване е проста - той ви позволява да получите съотношение на тегло и здравина, превъзхождащо всеки друг метал. Използването на титан във велосипедите започва преди около 25-30 години и е първото използване на титан в спортно оборудване. Основно се използват тръби от сплав Ti3Al-2,5V ASTM клас 9. Други части, изработени от титанови сплави, включват спирачки, зъбни колела и пружини на седалките. Използването на титан в производството на голф стикове за първи път започва в края на 80-те и началото на 90-те години от производителите на стикове в Япония. Преди 1994-1995 г. това приложение на титан беше почти непознато в САЩ и Европа. Това се промени, когато Callaway представи своя титаниев стик Ruger, наречен Great Big Bertha, на пазара. Благодарение на очевидните предимства и добре обмисления маркетинг от Callaway, титаниевите стикове се превърнаха в хит. За кратък период от време титаниевите стикове преминаха от ексклузивния и скъп инвентар на малка група спекуланти до широко използвани от повечето голфъри, като същевременно са по-скъпи от стоманените стикове. Бих искал да цитирам основните, според мен, тенденции в развитието на пазара на голф; той премина от високотехнологични към масово производство за кратки 4-5 години, следвайки пътя на други индустрии с високи разходи за труд като като производството на дрехи, играчки и потребителска електроника, производството на стикове за голф навлезе държавас най-евтината работна ръка първо в Тайван, след това в Китай, а сега се строят фабрики в страни с още по-евтина работна ръка, като Виетнам и Тайланд, титанът определено се използва за шофьори, където превъзходните му качества дават ясно предимство и оправдават по-висока цена. Въпреки това, титанът все още не е намерил много широко приложение в следващите клубове, тъй като значителното увеличение на разходите не е съчетано със съответното подобрение в играта.В момента драйверите се произвеждат главно с кована ударна повърхност, кована или лята горна част и лято дъно , границата на така наречения фактор на връщане, във връзка с който всички производители на клубове ще се опитат да увеличат пружинните свойства на ударната повърхност. За да направите това, е необходимо да се намали дебелината на ударната повърхност и да се използват по-здрави сплави за нея, като SP700, 15-3-3-3 и VT-23. Сега нека се съсредоточим върху използването на титан и неговите сплави на друг спортна екипировка. Тръбите за състезателни велосипеди и други части са направени от сплав Ti3Al-2,5V ASTM клас 9. Изненадващо голямо количество титанов лист се използва в производството на ножове за гмуркане. Повечето производители използват сплав Ti6Al-4V, но тази сплав не осигурява издръжливост на ръба на острието, както други по-здрави сплави. Някои производители преминават към използване на сплав BT23.

Титан. Химичен елемент, символ Ti (лат. Titanium, открит през 1795 г година и е кръстен на героя от гръцкия епос Титан) . Има сериен номер 22, атомно тегло 47,90, плътност 4,5 g/cm3, точка на топене 1668° С, точка на кипене 3300°C.

Титанът влиза в състава на повече от 70 минерала и е един от най-разпространените елементи – съдържанието му в земната кора е приблизително 0,6%. На външен вид титанът е подобен на стоманата. Чистият метал е пластичен и може лесно да се обработва чрез натиск.

Титанът съществува в две модификации: до 882°С като модификацияα с шестоъгълни плътно опаковани кристална решетка, а устойчивостта над 882°C е модификациятаβ с тялоцентрирана кубична решетка.

Титанът съчетава висока якост с ниска плътност и висока устойчивост на корозия. Поради това в много случаи той има значителни предимства пред такива основни структурни материали като стомана.и алуминий . Редица титанови сплави са два пъти по-здрави от стоманата с много по-ниска плътност и по-добра устойчивост на корозия. Въпреки това, поради ниската топлопроводимост, е трудно да се използва за конструкции и части, работещи при условия на големи температурни разлики, и при работа при термична умора. Недостатъците на титана като конструктивен материал включват относително нисък модул на нормална еластичност.

Механични свойствата са силно зависими от чистотата на метала и предходната механична и топлинна обработка. Титанът с висока чистота има добри пластични свойства.

Характерно свойство на титана е способността активно да абсорбира газове - кислород, азот и водород. Тези газове се разтварят в титан до известни граници. Вече малките примеси от кислород и азот намаляват пластичните свойства на титана. Лека добавка на водород (0,01-0,005%) значително повишава крехкостта на титана.

Титанът е стабилен на въздух при обикновени температури. При нагряване до 400-550° С метала е покрит с оксидно-нитриден филм, който се държи здраво върху метала и го предпазва от по-нататъшно окисление. При по-високи температури скоростта на окисление и разтваряне на кислорода в титана се увеличава.

Титанът взаимодейства с азота при температури над 600° C с образуването на нитриден филм ( TiN) и твърди разтвори на азот в титан. Титановият нитрид има висока твърдост и се топи при 2950°C.

Титанът абсорбира водород, за да образува твърди разтвори и хибриди(TiH и TiH 2 ) . За разлика от кислорода и азота, почти целият абсорбиран водород може да бъде отстранен от титан чрез нагряване във вакуум при 1000-1200°C.

Въглерод и въглеродни газове ( CO, CH 4 ) реагират с титан при висока температура (повече от 1000° В) с образуването на твърд и огнеупорен титанов карбид TiC (точка на топене 3140°C ). Примесът на въглерод значително влияе върху механичните свойства на титана.

Флуорът, хлорът, бромът и йодът взаимодействат с титан при относително ниски температури (100-200° ОТ). В този случай се образуват летливи титанови халогениди.

Механичните свойства на титана са значителни Повече ▼в сравнение с други метали, зависи от скоростта на прилагане на товара. Следователно механичното изпитване на титан трябва да се извършва при по-стриктно регулирани и фиксирани условия, отколкото изпитването на други структурни материали.

Ударната якост на титана се увеличава значително при отгряване в диапазона 200-300° C, не се наблюдава забележима промяна в други свойства. Най-голямото увеличениепластичността на титана се постига след закаляване от температури, надвишаващи температурата на полиморфна трансформация, и последващо темпериране.

Чистият титан не принадлежи към топлоустойчиви материали, тъй като силата му рязко намалява с повишаване на температурата.

Важна характеристикатитанът е способността му да образува твърди разтвори с атмосферни газове и водород. Когато титанът се нагрява във въздуха, на повърхността му, в допълнение към обичайната скала, се образува слой, състоящ се от твърд разтвор на основатаα-Ti (алфитен слой), стабилизиран с кислород, чиято дебелина зависи от температурата и продължителността на нагряване. Този слой има по-висока температура на трансформация от основния метален слой и образуването му върху повърхността на части или полуготови продукти може да причини крехко счупване.

Титанът и сплавите на основата на титан се характеризират с висока устойчивост на корозия във въздуха, в естествена студена и гореща прясна вода, в морска вода (следа от ръжда не се появи на титанова плоча за 10 години излагане на морска вода), както и както в алкални разтвори, неорганични соли, органични киселини и съединения дори при варене. Титанът е сходен по устойчивост на корозия с хром-никелова неръждаема стомана. Не корозира в морска вода при контакт с неръждаема стомана и медно-никелови сплави. Високата устойчивост на корозия на титана се обяснява с образуването на плътен хомогенен филм върху повърхността му, който предпазва метала от по-нататъшно взаимодействие с околната среда. И така, в разреденсярна киселина (до 5%) титанът е стабилен при стайна температура. Скоростта на корозия се увеличава с увеличаване на концентрацията на киселина, достигайки максимум при 40%, след това намалява до минимум при 60%, достига втори максимум при 80% и след това отново намалява.

В разредена солна киселина (5-10%) при стайна температура титанът е доста стабилен. Тъй като концентрацията на киселината и температурата се увеличават, скоростта на корозия на титана се увеличава бързо. Корозия на титан солна киселинаможе да бъде значително намален чрез добавяне на малки количества окислители(HNO 3, KMnO 4, K 2 CrO 4, соли на мед, желязо). Титанът е силно разтворим във флуороводородна киселина. В алкални разтвори (концентрации до 20%) на студено и при нагряване титанът е стабилен.

Като конструктивен материал титанът намира най-широко приложение в авиацията, ракетната техника, в строителството на кораби, в уредостроенето и машиностроенето. Титанът и неговите сплави запазват високи якостни характеристики при високи температури и следователно могат успешно да се използват за производство на детайли, подложени на високотемпературно нагряване. И така, външните части на самолетите (гондоли на двигателя, елерони, кормила) и много други компоненти и части са направени от неговите сплави - от двигателя до болтове и гайки. Например, ако стоманените болтове се сменят с титаниеви в един от двигателите, масата на двигателя ще намалее с почти 100 кг.

Титановият оксид се използва, за да направи титана бял. Такава варова боя може да боядисва повърхност няколко пъти по-голяма от същото количество оловна или цинкова варова боя. Освен това титановото бяло не е отровно. Титанът се използва широко в металургията, включително като легиращ елемент в неръждаеми и топлоустойчиви стомани. Добавките на титан към алуминиеви, никелови и медни сплави повишават тяхната здравина. Той е неразделна част от твърдите сплави за режещи инструменти, а хирургическите инструменти от титанови сплави също са успешни. Титанов диоксид се използва за покриване на заваръчни електроди. Титанов тетрахлорид (тетрахлорид) се използва във военните дела за създаване на димни екрани, а в мирно време за фумигиране на растения по време на пролетни мразове.

В електротехниката и радиотехниката прахообразният титан се използва като газов абсорбер - при нагряване до 500 ° C титанът енергично абсорбира газове и по този начин осигурява висок вакуум в затворен обем.

Титанът в някои случаи е незаменим материал в химическата промишленост и в корабостроенето. От него се произвеждат части, предназначени за изпомпване на агресивни течности, топлообменници, работещи в корозивни среди, устройства за окачване, използвани при анодизиране на различни части. Титанът е инертен в електролити и други течности за галванопластика и следователно е подходящ за производството на различни части на вани за галванопластика. Той се използва широко в производството на хидрометалургично оборудване за никел-кобалтови инсталации, тъй като има висока устойчивост на корозия и ерозия при контакт с никелови и кобалтови суспензии при високи температури и налягания.

Титанът е най-стабилен в окислителни среди. В редуциращи среди титанът корозира доста бързо поради разрушаването на защитния оксиден филм.

Техническият титан и неговите сплави се поддават на всички известни методи за обработка под налягане. Могат да се валцуват в студено и горещо състояние, да се щамповат, гофрират, дълбоко изтеглят, разкрояват. От титан и неговите сплави се получават пръти, пръти, ленти, различни валцувани профили, безшевни тръби, тел и фолио.

Устойчивостта на деформация на титана е по-висока от тази на конструкционните стомани или медни и алуминиеви сплави. Титанът и неговите сплави се обработват под налягане почти по същия начин като аустенитните неръждаеми стомани. Най-често титанът се кове при 800-1000°C. За да се предпази титанът от замърсяване с газ, нагряването и обработката под налягане се извършват възможно най-скоро. кратко време. Поради факта, че при температури >500°C водородът дифундира в титан и неговите сплави с висока скорост, нагряването се извършва в окислителна атмосфера.

Титанът и неговите сплави имат намалена обработваемост, подобно на неръждаемите стомани с аустенитен клас. При всички видове рязане най-успешни резултати се постигат при ниски скорости и голяма дълбочина на рязане, както и при използване на режещи инструменти, изработени от бързорежещи стоманиили твърди сплави. Поради високата химическа активност на титана при високи температури, той се заварява в атмосфера на инертни газове (хелий, аргон). В същото време е необходимо да се защити не само разтопеният заваръчен метал от взаимодействие с атмосферата и газовете, но и всички силно нагрети части на продуктите, които ще бъдат заварени.

Някои технологични трудности възникват при производството на отливки от титан и неговите сплави.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Титан- двадесет и вторият елемент от периодичната таблица. Обозначение - Ti от латинския "титан". Намира се в четвърти период, IVB група. Отнася се за метали. Ядреният заряд е 22.

Титанът е много разпространен в природата; съдържанието на титан в земната кора е 0,6% (тегл.), т.е. по-високо от съдържанието на такива широко използвани в технологиите метали като мед, олово и цинк.

Като просто веществотитанът е сребристобял метал (фиг. 1). Отнася се за леки метали. Огнеупорен. Плътност - 4.50 g/cm 3 . Точките на топене и кипене са съответно 1668 o C и 3330 o C. Устойчив на корозия при излагане на въздух при нормална температура, което се обяснява с наличието на защитен филм от TiO 2 състав на повърхността му.

Ориз. 1. Титан. Външен вид.

Атомно и молекулно тегло на титан

Относително молекулно тегло на веществото(M r) е число, показващо колко пъти масата на дадена молекула е по-голяма от 1/12 от масата на въглероден атом и роднина атомна масаелемент(A r) - колко пъти средната маса на атомите на химичен елемент е по-голяма от 1/12 от масата на въглероден атом.

Тъй като титанът съществува в свободно състояние под формата на моноатомни Ti молекули, стойностите на неговите атомни и молекулни маси съвпадат. Те са равни на 47,867.

Изотопи на титан

Известно е, че титанът може да се среща в природата под формата на пет стабилни изотопа 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti и 50Ti. Техните масови числа са съответно 46, 47, 48, 49 и 50. Атомното ядро ​​на титановия изотоп 46 Ti съдържа двадесет и два протона и двадесет и четири неутрона, а останалите изотопи се различават от него само по броя на неутроните.

Има изкуствени изотопи на титан с масови числа от 38 до 64, сред които най-стабилен е 44 Ti с период на полуразпад 60 години, както и два ядрени изотопа.

титанови йони

На външното енергийно ниво на титановия атом има четири валентни електрона:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 .

Като резултат химично взаимодействиетитанът отдава валентните си електрони, т.е. е техен донор и се превръща в положително зареден йон:

Ti 0 -2e → Ti 2+;

Ti 0 -3e → Ti 3+;

Ti 0 -4e → Ti 4+ .

Молекула и атом на титан

В свободно състояние титанът съществува под формата на едноатомни Ti молекули. Ето някои свойства, които характеризират атома и молекулата на титана:

Титанови сплави

Основното свойство на титана, допринасящо за неговото широко използванев съвременната технология - висока устойчивост на топлина както на самия титан, така и на неговите сплави с алуминий и други метали. В допълнение, тези сплави имат висока устойчивост на топлина - устойчивост за поддържане на високи механични свойства при повишени температури. Всичко това прави титановите сплави много ценни материали за самолетостроенето и ракетостроенето.

При високи температури титанът се свързва с халогени, кислород, сяра, азот и други елементи. Това е основата за използването на титанови сплави с желязо (феротитан) като добавка към стоманата.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Титанът е 4-тият най-разпространен в производството, но ефективна технологиядобивът му е разработен едва през 40-те години на миналия век. Това е сребрист метал, характеризиращ се с ниско специфично тегло и уникални характеристики. За да се анализира степента на разпространение в промишлеността и други области, е необходимо да се изразят свойствата на титана и обхвата на неговите сплави.

Основни характеристики

Металът има ниско специфично тегло - само 4,5 g/cm³. Антикорозионните свойства се дължат на стабилен оксиден филм, образуван на повърхността. Благодарение на това качество титанът не променя свойствата си при продължително излагане на вода, солна киселина. Повредените зони не се появяват поради напрежение, което е основният проблем на стоманата.

В чистата си форма титанът има следните качества и характеристики:

• номинална точка на топене — 1660°С;
• при термично въздействие +3 227 ° С кипи;
• якост на опън - до 450 MPa;
• характеризиращ се с нисък индекс на еластичност - до 110,25 GPa;
• по скалата на HB твърдостта е 103;
• границата на провлачване е една от най-оптималните сред металите - до 380 MPa;
• топлопроводимост на чист титан без добавки - 16.791 W / m * C;
• минимален коефициент на топлинно разширение;
• този елемент е парамагнетик.

За сравнение, здравината на този материал е 2 пъти по-голяма от чистото желязо и 4 пъти по-голяма от тази на алуминия. Титанът има и две полиморфни фази – нискотемпературна и високотемпературна.

За промишлени нужди чистият титан не се използва поради високата му цена и необходимата производителност. За да се увеличи твърдостта, към състава се добавят оксиди, хибриди и нитриди. Рядко променяйте характеристиките на материала, за да подобрите устойчивостта на корозия. Основните видове добавки за получаване на сплави: стомана, никел, алуминий. В някои случаи той изпълнява функциите на допълнителен компонент.

Области на използване

Поради ниското си специфично тегло и якостни параметри, титанът се използва широко в авиационната и космическата индустрия. Използва се като основен конструктивен материал в чист вид. В специални случаи чрез намаляване на устойчивостта на топлина се получават по-евтини сплави. В същото време неговата устойчивост на корозия и механична якост остават непроменени.

В допълнение, материалът с титанови добавки е намерил приложение в следните области:

• Химическа индустрия. Неговата устойчивост на почти всички агресивни среди, с изключение на органични киселини, прави възможно производството на сложно оборудване добро представянеексплоатационен живот без ремонт.
• Производство на превозни средства. Причината е ниското специфично тегло и механична якост. От него се изработват рамки или носещи конструктивни елементи.
• Лекарство. За специални цели се използва специална сплав нитинол (титан и никел). Неговата отличителна черта е паметта на формата. За да се намали натоварването на пациентите и да се сведе до минимум вероятността от негативни ефекти върху тялото, много медицински шини и подобни устройства са направени от титан.
• В промишлеността металът се използва за производството на кутии и отделни елементи на оборудването.
• Бижутаизработени от титан имат уникален външен вид и качества.

В повечето случаи материалът се обработва в завода. Но има редица изключения - познаването на свойствата на този материал е част от работата по промяната външен видпродукти и техните характеристики могат да бъдат направени в домашната работилница.

Характеристики на обработка

За да придадете на продукта желаната форма, е необходимо да използвате специално оборудване - струг и фреза. Ръчното рязане или фрезоване на титан не е възможно поради неговата твърдост. В допълнение към избора на мощност и други характеристики на оборудването, е необходимо да изберете правилните режещи инструменти: фрези, фрези, райбери, свредла и др.

Това отчита следните нюанси:

• Титановите стружки са силно запалими. Необходимо е принудително охлаждане на повърхността на детайла и работа при минимални скорости.
• Огъването на продукта се извършва само след предварително нагряване на повърхността. В противен случай има вероятност да се появят пукнатини.
• Заваряване. Трябва да се спазват специални условия.

Титан - уникален материалс добри експлоатационни и технически качества. Но за обработката му трябва да знаете спецификата на технологията и най-важното - мерките за безопасност.