Titán - popis prvku s fotografiou, popis jeho účinku na ľudský organizmus, ako aj potreba tohto chemického prvku. Charakteristika titánového kovu - vlastnosti, vlastnosti použitia kovu, pozitívne a negatívne vlastnosti

Sekcia 1. História a výskyt titánu v prírode.

titán — toto je prvok vedľajšej podskupiny štvrtej skupiny, štvrtej periódy periodickej sústavy chemických prvkov D. I. Dmitrija Ivanoviča Mendelejeva, s atómovým číslom 22. Jednoduchá látka. titán(Číslo CAS: 7440-32-6) - svetlo strieborná biela. Existuje v dvoch kryštalických modifikáciách: α-Ti so šesťuholníkovou tesne uzavretou mriežkou, β-Ti s kubickým telom centrovaným balením, teplota polymorfnej premeny α↔β je 883 °C. Teplota topenia 1660 ± 20 °C.

História a prítomnosť titánu v prírode

Titán bol pomenovaný po starogréckych postavách Titánov. Nemecký chemik Martin Klaproth ho takto pomenoval zo svojich osobných dôvodov, na rozdiel od Francúzov, ktorí sa snažili dávať názvy v súlade s chemickými charakteristikami prvku, ale odvtedy boli vlastnosti prvku neznáme, bol zvolený takýto názov.

Titán je 10. prvkom, pokiaľ ide o jeho počet na našej planéte. Množstvo titánu v zemská kôra rovná 0,57 % hmotnosti a 0,001 miligramu na 1 liter morskej vody. Ložiská titánu sa nachádzajú na území: Južno africkej republiky, Ukrajina, Ruská federácia, Kazachstan, Japonsko, Austrália, India, Cejlón, Brazília a Južná Kórea.

Autor: fyzikálne vlastnosti titánové svetlo strieborné kov, navyše sa vyznačuje vysokou viskozitou pri obrábaní a je náchylný na priľnutie k reznému nástroju, preto sa na elimináciu tohto efektu používajú špeciálne mazivá alebo nástreky. Pri izbovej teplote je pokrytý priesvitným filmom oxidu TiO2, vďaka čomu je odolný voči korózii vo väčšine agresívnych prostredí, okrem alkálií. Titánový prach má schopnosť explodovať s bodom vzplanutia 400 °C. Titánové hobliny sú horľavé.

Na výrobu čistého titánu alebo jeho zliatin sa vo väčšine prípadov používa oxid titaničitý s malým počtom zlúčenín. Napríklad rutilový koncentrát získaný zušľachťovaním titánových rúd. Zásoby rutilu sú však extrémne malé a v súvislosti s tým sa používa takzvaná syntetická rutilová alebo titánová troska získaná pri spracovaní koncentrátov ilmenitu.

Za objaviteľa titánu sa považuje 28-ročný anglický mních William Gregor. V roku 1790 pri vykonávaní mineralogických prieskumov vo svojej farnosti upozornil na rozšírenosť resp. nezvyčajné vlastnostičierny piesok v údolí Menakan na juhozápade Británie a začal ho skúmať. AT piesku kňaz objavil zrnká čierneho lesklého minerálu, priťahovaného obyčajným magnetom. Najčistejší titán, ktorý v roku 1925 získali Van Arkel a de Boer jodidovou metódou, sa ukázal byť tvárny a technologický. kov s mnohými cennými vlastnosťami, ktoré upútali pozornosť širokého spektra dizajnérov a inžinierov. V roku 1940 Croll navrhol horčíkovo-tepelnú metódu extrakcie titánu z rúd, ktorá je v súčasnosti stále hlavnou. V roku 1947 bolo vyrobených prvých 45 kg komerčne čistého titánu.

AT periodický systém prvkov Mendelejev Dmitrij Ivanovič titán má poradové číslo 22. Atómová hmotnosť prírodného titánu, vypočítaná z výsledkov štúdií jeho izotopov, je 47,926. Takže jadro neutrálneho atómu titánu obsahuje 22 protónov. Počet neutrónov, teda neutrálnych nenabitých častíc, je iný: častejšie 26, ale môže sa meniť od 24 do 28. Preto je počet izotopov titánu odlišný. Celkovo je dnes známych 13 izotopov prvku č.22. Prírodný titán pozostáva zo zmesi piatich stabilných izotopov, najpočetnejšie je zastúpený titán-48, ktorého podiel v prírodných rudách je 73,99 %. Titán a ďalšie prvky podskupiny IVB sú svojimi vlastnosťami veľmi podobné prvkom podskupiny IIIB (skupina skandium), hoci sa od ostatných líšia svojou schopnosťou vykazovať veľkú valenciu. Podobnosť titánu so skandiom, ytriom, ako aj s prvkami podskupiny VB - vanádom a nióbom, sa prejavuje aj v tom, že titán sa často nachádza v prírodných mineráloch spolu s týmito prvkami. S jednomocnými halogénmi (fluór, bróm, chlór a jód) môže vytvárať di-tri- a tetrazlúčeniny, so sírou a prvkami svojej skupiny (selén, telúr) - mono- a disulfidy, s kyslíkom - oxidy, oxidy a trioxidy .

Titán tiež tvorí zlúčeniny s vodíkom (hydridy), dusíkom (nitridy), uhlíkom (karbidy), fosforom (fosfidy), arzénom (arzidy), ako aj zlúčeniny s mnohými kovmi - intermetalické zlúčeniny. Titán tvorí nielen jednoduché, ale aj početné komplexné zlúčeniny, pričom mnohé z jeho zlúčenín s organickej hmoty. Ako je zrejmé zo zoznamu zlúčenín, na ktorých sa titán môže podieľať, je chemicky veľmi aktívny. A zároveň je titán jedným z mála kovov s mimoriadne vysokou odolnosťou proti korózii: je prakticky večný vo vzdušnej atmosfére, v studenej a vriacej vode a je veľmi odolný voči korózii. morská voda v roztokoch mnohých solí, anorganických a organických kyselín. Z hľadiska odolnosti voči korózii v morskej vode predčí všetky kovy, s výnimkou ušľachtilých - zlato, platina atď., väčšinu druhov nehrdzavejúcej ocele, niklu, medi a iných zliatin. Vo vode, v mnohých agresívnych prostrediach, čistý titán nepodlieha korózii. Odoláva titánovej a eróznej korózii, ku ktorej dochádza v dôsledku kombinácie chemických a mechanických účinkov na. V tomto smere nie je menejcenný najlepšie značky nehrdzavejúce ocele, zliatiny na báze medi a iné konštrukčné materiály. Titán dobre odoláva aj únavovej korózii, ktorá sa často prejavuje porušením celistvosti a pevnosti kovu (praskanie, lokálne korózne centrá atď.). Správanie titánu v mnohých agresívnych prostrediach, ako je dusík, chlorovodík, sírová, „aqua regia“ a iné kyseliny a zásady, je pre tento kov prekvapujúce a obdivuhodné.

Titán je veľmi žiaruvzdorný kov. Na dlhú dobu verilo sa, že sa topí pri 1800 ° C, ale v polovici 50. rokov. Anglickí vedci Diardorf a Hayes stanovili teplotu topenia čistého elementárneho titánu. Dosahovala 1668 ± 3 °C. Z hľadiska žiaruvzdornosti je titán na druhom mieste za kovmi ako volfrám, tantal, niób, rénium, molybdén, platinoidy, zirkónium a medzi hlavnými konštrukčnými kovmi je na prvom mieste. Najdôležitejšou vlastnosťou titánu ako kovu je jeho unikátnosť fyzikálno-chemické vlastnosti: nízka hustota, vysoká pevnosť, tvrdosť a pod.. Hlavná vec je, že tieto vlastnosti sa pri vysokých teplotách výrazne nemenia.

Titán je ľahký kov, jeho hustota pri 0°C je len 4,517 g/cm8 a pri 100°C je 4,506 g/cm3. Titán patrí do skupiny kovov so špecifickou hmotnosťou menšou ako 5 g/cm3. To zahŕňa všetky alkalických kovov(sodík, kadium, lítium, rubídium, cézium) so špecifickou hmotnosťou 0,9-1,5 g / cm3, horčík (1,7 g / cm3), (2,7 g / cm3) a iné.Titán viac ako 1,5-krát ťažší hliník, a v tomto s ním samozrejme stráca, no na druhej strane je 1,5-krát ľahší ako železo (7,8 g / cm3). Avšak, zaberá medzipolohu, pokiaľ ide o špecifickú hustotu medzi hliník a železo, titán ich svojimi mechanickými vlastnosťami mnohonásobne prevyšuje.). Titán má výraznú tvrdosť: je 12-krát tvrdší ako hliník, 4-krát žľaza a cuprum. Ďalšou dôležitou vlastnosťou kovu je jeho medza klzu. Čím je vyššia, tým lepšie odolávajú časti vyrobené z tohto kovu prevádzkovému zaťaženiu. Medza klzu titánu je takmer 18-krát vyššia ako medza klzu hliníka. Špecifická pevnosť titánových zliatin sa môže zvýšiť 1,5-2 krát. Jeho vysoká mechanické vlastnosti dobre konzervované pri teplotách až niekoľko stoviek stupňov. Čistý titán je vhodný pre všetky typy prác v teplých aj studených podmienkach: môže byť kovaný ako železo, potiahnite a dokonca z neho urobte drôt, zrolujte ho do plátov, pások, do fólie do hrúbky 0,01 mm.

Na rozdiel od väčšiny kovov má titán významný elektrický odpor: ak sa elektrická vodivosť striebra berie ako 100, potom elektrická vodivosť cuprum rovná 94, hliník - 60, železo a platina-15, zatiaľ čo titán je len 3,8. Titán je paramagnetický kov, nie je magnetizovaný, ako v magnetickom poli, ale nie je z neho vytláčaný, ako. Jeho magnetická susceptibilita je veľmi slabá, táto vlastnosť sa dá využiť v stavebníctve. Titán má relatívne nízku tepelnú vodivosť, len 22,07 W/(mK), čo je približne 3-krát nižšia tepelná vodivosť ako u železa, 7-krát u horčíka, 17-20-krát u hliníka a medi. V súlade s tým je koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti titánu nižší ako koeficient iných konštrukčných materiálov: pri 20 °C je 1,5-krát nižší ako koeficient železa, 2 - pre meď a takmer 3 - pre hliník. Titán je teda zlým vodičom elektriny a tepla.

Dnes sú zliatiny titánu široko používané v leteckej technike. Zliatiny titánu v priemyselnom meradle boli prvýkrát použité v leteckých konštrukciách. prúdové motory. Použitie titánu pri konštrukcii prúdových motorov umožňuje znížiť ich hmotnosť o 10...25%. Najmä od zliatiny titánu vyrábať kotúče a lopatky kompresorov, časti nasávania vzduchu, vodiace lopatky a upevňovacie prvky. Zliatiny titánu sú nevyhnutné pre nadzvukové lietadlá. Zvýšenie letových rýchlostí lietadiel viedlo k zvýšeniu teploty pokožky, v dôsledku čoho hliníkové zliatiny prestali spĺňať požiadavky kladené leteckou technikou pri nadzvukových rýchlostiach. Teplota pokožky v tomto prípade dosahuje 246...316 °C. Za týchto podmienok sa ako najprijateľnejší materiál ukázali zliatiny titánu. V 70. rokoch výrazne vzrástlo používanie titánových zliatin na draky civilných lietadiel. V lietadle na stredné vzdialenosti TU-204 je celková hmotnosť dielov vyrobených zo zliatin titánu 2570 kg. Použitie titánu vo vrtuľníkoch sa postupne rozširuje, hlavne pre časti systému hlavného rotora, pohonu a riadiaceho systému. Dôležité miesto zaujímajú zliatiny titánu v raketovej vede.

Vďaka vysokej odolnosti proti korózii v morskej vode sa titán a jeho zliatiny používajú pri stavbe lodí na výrobu vrtúľ, pokovovanie lodí, ponorky, torpéda atď. Mušle sa nelepia na titán a jeho zliatiny, čo výrazne zvyšuje odolnosť nádoby pri pohybe. Postupne sa oblasti použitia titánu rozširujú. Titán a jeho zliatiny sa používajú v chemickom, petrochemickom, celulózovom a papierenskom a potravinárskom priemysle, neželeznej metalurgii, energetike, elektronike, jadrovej technike, galvanickom pokovovaní, pri výrobe zbraní, na výrobu pancierových plátov, chirurgických nástrojov, chirurgické implantáty, odsoľovacie zariadenia, súčiastky pre pretekárske autá, športové vybavenie (golfové palice, horolezecké vybavenie), diely na hodinky a dokonca aj šperky. Nitridácia titánu vedie k vytvoreniu zlatého filmu na jeho povrchu, ktorý svojou krásou nie je horší ako skutočné zlato.

Objav TiO2 takmer súčasne a nezávisle na sebe urobili Angličan W. Gregor a nemecký chemik M. G. Klaproth. W. Gregor, skúmajúci zloženie magnetickej žľazy piesku(Creed, Cornwall, Anglicko, 1791), izoloval novú „zem“ (oxid) neznámeho kovu, ktorý nazval menaken. V roku 1795 objavil nemecký chemik Klaproth v r minerál rutil nový prvok a nazval ho titán. O dva roky neskôr Klaproth zistil, že oxidy rutilu a menakénu sú oxidy toho istého prvku, za ktorým zostal názov „titán“, ktorý navrhol Klaproth. Po 10 rokoch sa objav titánu uskutočnil po tretíkrát. Francúzsky vedec L. Vauquelin objavil titán v anatase a dokázal, že rutil a anatas sú identické oxidy titánu.

Objav TiO2 takmer súčasne a nezávisle na sebe urobili Angličan W. Gregor a nemecký chemik M. G. Klaproth. W. Gregor pri štúdiu zloženia magnetického železitého piesku (Creed, Cornwall, Anglicko, 1791) izoloval novú „zem“ (oxid) neznámeho kovu, ktorý nazval menaken. V roku 1795 objavil nemecký chemik Klaproth v r minerál rutil nový prvok a nazval ho titán. O dva roky neskôr Klaproth zistil, že rutil a menaken zem sú oxidy toho istého prvku, za ktorým zostal názov „titán“, ktorý navrhol Klaproth. Po 10 rokoch sa objav titánu uskutočnil po tretíkrát. Francúzsky vedec L. Vauquelin objavil titán v anatase a dokázal, že rutil a anatas sú identické oxidy titánu.

Prvú vzorku kovového titánu získal v roku 1825 J. Ya Berzelius. Kvôli vysokej chemickej aktivite titánu a zložitosti jeho čistenia získali Holanďania A. van Arkel a I. de Boer v roku 1925 vzorku čistého Ti tepelným rozkladom pár jodidu titánu TiI4.

Titán je 10. najrozšírenejší v prírode. Obsah v zemskej kôre je 0,57% hmotnosti, v morskej vode 0,001 mg/l. V ultrabázických horninách 300 g/t, v bázických horninách 9 kg/t, v kyslých horninách 2,3 kg/t, v íloch a bridliciach 4,5 kg/t. V zemskej kôre je titán takmer vždy štvormocný a je prítomný iba v kyslíkatých zlúčeninách. Vo voľnej forme sa nevyskytuje. Titán má v podmienkach zvetrávania a zrážok geochemickú afinitu k Al2O3. Koncentruje sa v bauxitoch zvetrávacej kôry a v morských ílovitých sedimentoch. Prenos titánu sa uskutočňuje vo forme mechanických fragmentov minerálov a vo forme koloidov. V niektorých íloch sa hromadí až 30 % hmotnosti TiO2. Titánové minerály sú odolné voči poveternostným vplyvom a tvoria veľké koncentrácie v sypačoch. Je známych viac ako 100 minerálov obsahujúcich titán. Najdôležitejšie z nich sú: rutil TiO2, ilmenit FeTiO3, titanomagnetit FeTiO3 + Fe3O4, perovskit CaTiO3, titanit CaTiSiO5. Primárne sú titánové rudy - ilmenit-titanomagnetit a ryža - rutil-ilmenit-zirkón.

Hlavné rudy: ilmenit (FeTiO3), rutil (TiO2), titanit (CaTiSiO5).

V roku 2002 sa 90 % vyťaženého titánu použilo na výrobu oxidu titaničitého TiO2. Svetová produkcia oxidu titaničitého bola 4,5 milióna ton ročne. Overené zásoby oxidu titaničitého (bez Ruská federácia) je asi 800 miliónov ton. Podľa US Geological Survey pre rok 2006, pokiaľ ide o oxid titaničitý a bez Ruská federácia, zásoby ilmenitových rúd sú 603-673 mil. ton a rutilu - 49,7-52,7 mil. rokov.

Rusko má po Číne druhé najväčšie zásoby titánu na svete. Základňa nerastných surovín titánu v Ruskej federácii pozostáva z 20 ložísk (z ktorých 11 je primárnych a 9 sypaných), pomerne rovnomerne rozptýlených po celej krajine. Najväčšie z preskúmaných ložísk (Yaregskoye) sa nachádza 25 km od mesta Ukhta (Republika Komi). Zásoby ložiska sa odhadujú na 2 miliardy ton rudy s priemerným obsahom oxidu titaničitého okolo 10 %.

Najväčším svetovým producentom titánu je ruská organizácia VSMPO-AVISMA.

Východiskovým materiálom na výrobu titánu a jeho zlúčenín je spravidla oxid titaničitý s relatívne malým množstvom nečistôt. Predovšetkým môže ísť o rutilový koncentrát získaný pri úprave titánových rúd. Zásoby rutilu vo svete sú však veľmi obmedzené a častejšie sa používa takzvaný syntetický rutil alebo titánová troska, získaná pri spracovaní koncentrátov ilmenitu. Na získanie titánovej trosky sa koncentrát ilmenitu redukuje v elektrickej oblúkovej peci, zatiaľ čo železo sa separuje na kovovú fázu () a neredukované oxidy titánu a nečistoty tvoria troskovú fázu. Bohatá troska sa spracováva chloridovou alebo kyselinou sírovou metódou.

V čistej forme a vo forme zliatin

Titánový pomník Gagarina na Leninskom prospekte v Moskve

kov sa používa v: chemickom priemyslu(reaktory, potrubia, čerpadlá, potrubné armatúry), vojenské priemyslu(pancier, pancier a protipožiarne bariéry v letectve, trupy ponoriek), priemyselné procesy (odsoľovacie závody, procesy celulóza a papier), automobilový priemysel, poľnohospodársky priemysel, potravinársky priemysel, piercingové šperky, medicínsky priemysel (protézy, osteoprotézy), zubné a endodontické nástroje, zubné implantáty, športové potreby, šperky (Alexander Khomov), mobilné telefóny, ľahké zliatiny atď. Je to najdôležitejší konštrukčný materiál pri stavbe lietadiel, rakiet a lodí.

Odlievanie titánu sa vykonáva vo vákuových peciach v grafitových formách. Používa sa aj vákuové odlievanie. Pre technologické ťažkosti sa v obmedzenej miere používa pri umeleckom odlievaní. Prvou monumentálnou liatou titánovou sochou na svete je pomník Jurija Gagarina na námestí pomenovanom po ňom v Moskve.

Titán je legujúcim doplnkom v mnohých zliatinách ocele a väčšina špeciálnych zliatin.

Nitinol (nikel-titán) je zliatina s tvarovou pamäťou používaná v medicíne a technológii.

Aluminidy titánu sú veľmi odolné voči oxidácii a žiaruvzdorné, čo následne predurčilo ich použitie v leteckom a automobilovom priemysle ako konštrukčné materiály.

Titán je jedným z najbežnejších getrových materiálov používaných vo vysokovákuových pumpách.

Biely oxid titaničitý (TiO2) sa používa vo farbách (ako je titánová biela), ako aj pri výrobe papiera a plastov. Doplnok stravy E171.

Organotitánové zlúčeniny (napr. tetrabutoxytitán) sa používajú ako katalyzátor a tvrdidlo v chemickom priemysle a priemysle farieb.

Anorganické zlúčeniny titánu sa používajú v chemickom, elektronickom priemysle a priemysle sklenených vlákien ako prísady alebo nátery.

Karbid titánu, diborid titánu, karbonitrid titánu sú dôležité zložky supertvrdých materiálov na spracovanie kovov.

Nitrid titánu sa používa na poťahovanie nástrojov, kostolných kupol a pri výrobe bižutérie, pretože. má farbu podobnú .

Titaničitan bárnatý BaTiO3, titaničitan olovnatý PbTiO3 a množstvo ďalších titaničitanov sú feroelektriká.

Existuje veľa zliatin titánu s rôznymi kovmi. Legujúce prvky sú rozdelené do troch skupín v závislosti od ich vplyvu na teplotu polymorfnej premeny: beta stabilizátory, alfa stabilizátory a neutrálne tvrdidlá. Prvé znižujú transformačnú teplotu, druhé ju zvyšujú a druhé ju neovplyvňujú, ale vedú k vytvrdzovaniu matrice v roztoku. Príklady alfa stabilizátorov: , kyslík, uhlík, dusík. Beta stabilizátory: molybdén, vanád, železo, chróm, Ni. Neutrálne tvrdidlá: zirkón, kremík. Beta stabilizátory sa zasa delia na beta-izomorfné a beta-eutektoidné tvoriace. Najbežnejšou zliatinou titánu je zliatina Ti-6Al-4V (VT6 v ruskej klasifikácii).

V roku 2005 firma Titanium Corporation zverejnila nasledujúci odhad spotreby titánu vo svete:

13 % - papier;

7% - strojárstvo.

15-25 dolárov za kilo, v závislosti od čistoty.

Čistota a kvalita hrubého titánu (titánovej špongie) je zvyčajne určená jeho tvrdosťou, ktorá závisí od obsahu nečistôt. Najbežnejšie značky sú TG100 a TG110.

Segment trhu spotrebného tovaru je v súčasnosti najrýchlejšie rastúcim segmentom trhu s titánom. Kým pred 10 rokmi bol tento segment len ​​1-2 na trhu s titánom, dnes sa rozrástol na 8-10 na trhu. Celkovo spotreba titánu v priemysle spotrebného tovaru rástla približne dvojnásobným tempom ako celý trh s titánom. Použitie titánu v športe je najdlhšie a má najväčší podiel na použití titánu v spotrebných výrobkoch. Dôvod popularity titánu v športovom vybavení je jednoduchý - umožňuje vám dosiahnuť pomer hmotnosti a pevnosti, ktorý prevyšuje akýkoľvek iný kov. Použitie titánu v bicykloch začalo asi pred 25-30 rokmi a bolo to prvé použitie titánu v športovom vybavení. Používajú sa hlavne zliatinové rúrky Ti3Al-2,5V ASTM Grade 9. Ďalšie diely vyrobené zo zliatin titánu zahŕňajú brzdy, ozubené kolesá a pružiny sedadiel. Použitie titánu pri výrobe golfových palíc prvýkrát začalo koncom 80. a začiatkom 90. rokov výrobcami palíc v Japonsku. Pred rokmi 1994-1995 bola táto aplikácia titánu v USA a Európe prakticky neznáma. To sa zmenilo, keď Callaway uviedla na trh svoju titánovú palicu Ruger, nazývanú Great Big Bertha. Vďaka zjavným výhodám a dobre premyslenému marketingu od Callaway sa titánové palice stali okamžite hitom. V krátkom čase sa titánové palice zmenili z exkluzívneho a drahého inventára malej skupiny špekulantov na široko používané väčšinou golfistov, pričom sú stále drahšie ako oceľové palice. Rád by som uviedol hlavné, podľa môjho názoru, trendy vo vývoji golfového trhu, ktorý prešiel od high-tech k masovej produkcii za krátkych 4-5 rokov po ceste iných odvetví s vysokými mzdovými nákladmi ako napr. ako výroba odevov, hračiek a spotrebnej elektroniky prešla výroba golfových palíc krajín s najlacnejšou pracovnou silou najprv na Taiwan, potom do Číny a teraz sa stavajú továrne v krajinách s ešte lacnejšou pracovnou silou, ako je Vietnam a Thajsko, titán sa určite používa pre vodičov, kde jeho vynikajúce vlastnosti poskytujú jasnú výhodu a odôvodňujú vyššiu cena. Titán však zatiaľ nenašiel veľmi rozšírené využitie na následných paliciach, keďže výraznému zvýšeniu nákladov nezodpovedá zodpovedajúce zlepšenie hry.V súčasnosti sa drivery vyrábajú najmä s kovanou úderovou plochou, kovanou alebo odlievanou zvrškou a liate dno.hranica takzvaného faktora návratnosti, v súvislosti s ktorou sa všetci výrobcovia palíc budú snažiť zvýšiť pružiace vlastnosti úderovej plochy. K tomu je potrebné zmenšiť hrúbku nárazovej plochy a použiť na to pevnejšie zliatiny, ako SP700, 15-3-3-3 a VT-23. Teraz sa zamerajme na využitie titánu a jeho zliatin na inom športové vybavenie. Duše pretekárskeho bicykla a ostatné diely sú vyrobené zo zliatiny ASTM Grade 9 Ti3Al-2,5V. Pri výrobe potápačských nožov sa používa prekvapivo značné množstvo titánového plechu. Väčšina výrobcov používa zliatinu Ti6Al-4V, ale táto zliatina neposkytuje odolnosť ostria čepele ako iné pevnejšie zliatiny. Niektorí výrobcovia prechádzajú na používanie zliatiny BT23.

titán. Chemický prvok, symbol Ti (lat. Titán, objavený v roku 1795 roku a je pomenovaný po hrdinovi gréckeho eposu Titan) . Má sériové číslo 22, atómová hmotnosť 47,90, hustota 4,5 g/cm3, bod topenia 1668 °C C, bod varu 3300 °C.

Titán je súčasťou viac ako 70 minerálov a je jedným z najbežnejších prvkov – jeho obsah v zemskej kôre je približne 0,6 %. Vo vzhľade je titán podobný oceli. Čistý kov je tvárny a dá sa ľahko opracovať tlakom.

Titán existuje v dvoch modifikáciách: do 882°С ako modifikáciaα so šesťhranným husto zabaleným kryštálová mriežka a odolnosťou nad 882°C je modifikáciaβ s telom centrovanou kubickou mriežkou.

Titán kombinuje vysokú pevnosť s nízkou hustotou a vysokou odolnosťou proti korózii. Vďaka tomu má v mnohých prípadoch značné výhody oproti takým základným konštrukčným materiálom, ako je oceľ. a hliník . Mnohé zliatiny titánu sú dvakrát pevnejšie ako oceľ s oveľa nižšou hustotou a lepšou odolnosťou proti korózii. Vzhľadom na nízku tepelnú vodivosť je však ťažké ho použiť na konštrukcie a diely pracujúce v podmienkach veľkých teplotných rozdielov a pri práci na tepelnú únavu. Medzi nevýhody titánu ako konštrukčného materiálu patrí relatívne nízky modul normálnej pružnosti.

Mechanický vlastnosti sú vysoko závislé od čistoty kovu a predchádzajúceho mechanického a tepelného spracovania. Vysoko čistý titán má dobré plastové vlastnosti.

Charakteristickou vlastnosťou titánu je schopnosť aktívne absorbovať plyny – kyslík, dusík a vodík. Tieto plyny sa rozpúšťajú v titáne až do známych limitov. Už malé nečistoty kyslíka a dusíka znižujú plastické vlastnosti titánu. Mierna prímes vodíka (0,01-0,005 %) výrazne zvyšuje krehkosť titánu.

Titán je stabilný na vzduchu pri bežných teplotách. Pri zahriatí na 400-550° Kov je pokrytý oxidovo-nitridovým filmom, ktorý pevne drží na kove a chráni ho pred ďalšou oxidáciou. Pri vyšších teplotách sa rýchlosť oxidácie a rozpúšťania kyslíka v titáni zvyšuje.

Titán interaguje s dusíkom pri teplotách nad 600 °C° C s tvorbou nitridového filmu ( TiN) a tuhé roztoky dusíka v titáne. Nitrid titánu má vysokú tvrdosť a topí sa pri 2950°C

Titán absorbuje vodík za vzniku pevných roztokov a hybridov(TiH a TiH2) . Na rozdiel od kyslíka a dusíka je možné takmer všetok absorbovaný vodík odstrániť z titánu jeho zahrievaním vo vákuu na 1000-1200°C

Uhlík a uhlíkaté plyny ( CO, CH 4) reagovať s titánom pri vysokej teplote (viac ako 1000° C) s tvorbou tvrdého a žiaruvzdorného karbidu titánu TiC (teplota topenia 3140°C ). Nečistota uhlíka výrazne ovplyvňuje mechanické vlastnosti titánu.

Fluór, chlór, bróm a jód interagujú s titánom pri relatívne nízkych teplotách (100-200° OD). V tomto prípade sa tvoria prchavé halogenidy titánu.

Mechanické vlastnosti titánu sú výrazné viac ako iné kovy, závisí od miery zaťaženia. Preto by sa mechanické testovanie titánu malo vykonávať za prísnejšie regulovaných a pevne stanovených podmienok ako testovanie iných konštrukčných materiálov.

Rázová húževnatosť titánu sa výrazne zvyšuje pri žíhaní v rozsahu 200-300° C, nie je pozorovaná žiadna výrazná zmena iných vlastností. Najväčšie zvýšenie plasticita titánu sa dosiahne po kalení z teplôt presahujúcich teplotu polymorfnej premeny a následnom temperovaní.

Čistý titán nepatrí medzi tepelne odolné materiály, pretože jeho pevnosť prudko klesá so zvyšujúcou sa teplotou.

Dôležitá vlastnosť titán je jeho schopnosť vytvárať pevné roztoky s atmosférickými plynmi a vodíkom. Pri zahrievaní titánu na vzduchu sa na jeho povrchu okrem bežného vodného kameňa vytvorí vrstva pozostávajúca z tuhého roztoku na báze a-Ti (alfitová vrstva), stabilizovaná kyslíkom, ktorej hrúbka závisí od teploty a trvania ohrevu. Táto vrstva má vyššiu transformačnú teplotu ako hlavná kovová vrstva a jej vznik na povrchu dielov alebo polotovarov môže spôsobiť krehký lom.

Titán a zliatiny na báze titánu sa vyznačujú vysokou odolnosťou proti korózii na vzduchu, v prírodnej studenej a horúcej sladkej vode, v morskej vode (na titánovej platni sa neobjavila stopa hrdze počas 10 rokov vystavenia morskej vode), ako aj ako v alkalických roztokoch, anorganické soli organické kyseliny a zlúčeniny aj pri varení. Titán je v odolnosti proti korózii podobný chrómniklovej nehrdzavejúcej oceli. Nekoroduje v morskej vode pri kontakte s nehrdzavejúcou oceľou a zliatinami medi a niklu. Vysoká odolnosť titánu proti korózii sa vysvetľuje tvorbou hustého homogénneho filmu na jeho povrchu, ktorý chráni kov pred ďalšou interakciou s prostredím. Takže v zriedenom kyselina sírová (do 5%) titán je stabilný pri izbovej teplote. Rýchlosť korózie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou kyseliny a dosahuje maximum pri 40 %, potom klesá na minimum pri 60 %, dosahuje druhé maximum pri 80 % a potom opäť klesá.

V zriedenej kyseline chlorovodíkovej (5-10%) pri izbovej teplote je titán celkom stabilný. So zvyšujúcou sa koncentráciou kyseliny a teplotou sa rýchlo zvyšuje rýchlosť korózie titánu. Korózia titánu kyselina chlorovodíková sa môže výrazne znížiť pridaním malého množstva oxidačných činidiel(HNO 3, KMnO 4, K 2 CrO 4, soli medi, železa). Titán je vysoko rozpustný v kyseline fluorovodíkovej. V alkalických roztokoch (koncentrácie do 20%) v chlade a pri zahrievaní je titán stabilný.

Ako konštrukčný materiál sa titán najviac používa v letectve, raketovej technike, pri stavbe lodí, vo výrobe nástrojov a strojárstve. Titán a jeho zliatiny si zachovávajú vysokú pevnosť pri vysokých teplotách, a preto sa môžu úspešne použiť na výrobu dielov vystavených vysokoteplotnému ohrevu. Z jeho zliatin sú teda vyrobené vonkajšie časti lietadla (motorové gondoly, krídelká, kormidlá) a mnoho ďalších komponentov a dielov - od motora až po skrutky a matice. Napríklad, ak sa v jednom z motorov vymenia oceľové skrutky za titánové, hmotnosť motora sa zníži takmer o 100 kg.

Oxid titánu sa používa na výrobu titánovej bielej. Takéto bielenie môže natrieť povrch niekoľkonásobne väčší ako rovnaké množstvo oloveného alebo zinkového bielenia. Navyše titánová beloba nie je jedovatá. Titán je široko používaný v metalurgii, a to aj ako legovací prvok v nehrdzavejúcich a žiaruvzdorných oceliach. Prídavky titánu do zliatin hliníka, niklu a medi zvyšujú ich pevnosť. Je neoddeliteľnou súčasťou tvrdých zliatin pre rezné nástroje a úspešné sú aj chirurgické nástroje zo zliatin titánu. Oxid titaničitý sa používa na obaľovanie zváracích elektród. Chlorid titaničitý (tetrachlorid) sa používa vo vojenských záležitostiach na vytváranie dymových clon a v čase mieru na fumigáciu rastlín počas jarných mrazov.

V elektrotechnike a rádiotechnike sa práškový titán používa ako absorbér plynov - pri zahriatí na 500 °C titán silne absorbuje plyny a tým poskytuje vysoké vákuum v uzavretom objeme.

Titán je v niektorých prípadoch nepostrádateľným materiálom v chemickom priemysle a pri stavbe lodí. Vyrábajú sa z nej diely určené na čerpanie agresívnych kvapalín, výmenníky tepla pracujúce v korozívnom prostredí, závesné zariadenia používané pri eloxovaní rôznych dielov. Titán je inertný v elektrolytoch a iných galvanizačných kvapalinách, a preto je vhodný na výrobu rôznych častí galvanizačných kúpeľov. Je široko používaný pri výrobe hydrometalurgických zariadení pre nikel-kobaltové závody, pretože má vysokú odolnosť proti korózii a erózii v kontakte s niklovými a kobaltovými suspenziami pri vysokých teplotách a tlakoch.

Titán je najstabilnejší v oxidačnom prostredí. V redukčných médiách titán pomerne rýchlo koroduje v dôsledku deštrukcie ochranného oxidového filmu.

Technický titán a jeho zliatiny sú vhodné pre všetky známe spôsoby tlakového spracovania. Môžu byť valcované za studena a za tepla, lisované, krimpované, hlboko ťahané, lemované. Z titánu a jeho zliatin sa získavajú prúty, prúty, pásy, rôzne valcované profily, bezšvíkové rúry, drôty a fólie.

Odolnosť titánu voči deformácii je vyššia ako u konštrukčných ocelí alebo zliatin medi a hliníka. Titán a jeho zliatiny sa spracovávajú tlakom v podstate rovnakým spôsobom ako austenitické nehrdzavejúce ocele. Najčastejšie sa titán kuje pri 800-1000°C. Na ochranu titánu pred kontamináciou plynom sa zahrievanie a tlakové spracovanie vykonáva čo najskôr. krátky čas. Vzhľadom na to, že pri teplotách >500°C vodík difunduje do titánu a jeho zliatin vysokou rýchlosťou, zahrievanie prebieha v oxidačnej atmosfére.

Titán a jeho zliatiny majú zníženú obrobiteľnosť podobne ako nerezové ocele austenitickej kvality. Pri všetkých typoch rezania sa najúspešnejšie výsledky dosahujú pri nízkych rýchlostiach a veľkých hĺbkach rezu, ako aj pri použití rezných nástrojov vyrobených z rýchlorezné ocele alebo tvrdých zliatin. Vďaka vysokej chemickej aktivite titánu pri vysokých teplotách sa zvára v atmosfére inertných plynov (hélium, argón). Zároveň je potrebné chrániť nielen roztavený zvarový kov pred interakciou s atmosférou a plynmi, ale aj všetky vysoko zahriate časti výrobkov, ktoré sa majú zvárať.

Niektoré technologické ťažkosti vznikajú pri výrobe odliatkov z titánu a jeho zliatin.

DEFINÍCIA

titán- dvadsiaty druhý prvok periodickej tabuľky. Označenie - Ti z latinského "titán". Nachádza sa vo štvrtom období IVB skupiny. Vzťahuje sa na kovy. Jadrový náboj je 22.

Titán je v prírode veľmi bežný; obsah titánu v zemskej kôre je 0,6 % (hm.), t.j. vyšší ako obsah tak široko používaných kovov v technológii ako je meď, olovo a zinok.

Ako jednoduchá látka titán je striebristo biely kov (obr. 1). Vzťahuje sa na ľahké kovy. Žiaruvzdorné. Hustota - 4,50 g/cm3. Teploty topenia a varu sú 1668 °C a 3330 °C. Odolný voči korózii pri vystavení vzduchu pri normálnej teplote, čo sa vysvetľuje prítomnosťou ochranného filmu zloženia TiO 2 na jeho povrchu.

Ryža. 1. Titán. Vzhľad.

Atómová a molekulová hmotnosť titánu

Relatívna molekulová hmotnosť látky(M r) je číslo, ktoré ukazuje, koľkokrát je hmotnosť danej molekuly väčšia ako 1/12 hmotnosti atómu uhlíka a príbuzný atómová hmotnosť prvok(A r) - koľkokrát je priemerná hmotnosť atómov chemického prvku väčšia ako 1/12 hmotnosti atómu uhlíka.

Keďže titán existuje vo voľnom stave vo forme monatomických molekúl Ti, hodnoty jeho atómových a molekulových hmotností sa zhodujú. Rovnajú sa 47,867.

Izotopy titánu

Je známe, že titán sa môže v prírode vyskytovať vo forme piatich stabilných izotopov 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti a 50Ti. Ich hmotnostné čísla sú 46, 47, 48, 49 a 50. Atómové jadro izotopu titánu 46 Ti obsahuje dvadsaťdva protónov a dvadsaťštyri neutrónov a zvyšné izotopy sa od neho líšia len počtom neutrónov.

Existujú umelé izotopy titánu s hmotnostnými číslami od 38 do 64, z ktorých najstabilnejší je 44 Ti s polčasom rozpadu 60 rokov, ako aj dva jadrové izotopy.

titánové ióny

Na vonkajšej energetickej úrovni atómu titánu sú štyri elektróny, ktoré sú valenčné:

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

Ako výsledok chemická interakcia titán daruje svoje valenčné elektróny, t.j. je ich donorom a mení sa na kladne nabitý ión:

Tio-2e -> Ti2+;

Tio-3e → Ti3+;

Tio-4e → Ti4+.

Molekula a atóm titánu

Vo voľnom stave existuje titán vo forme monatomických molekúl Ti. Tu sú niektoré vlastnosti, ktoré charakterizujú atóm a molekulu titánu:

Zliatiny titánu

Hlavná vlastnosť titánu, ktorá prispieva k jeho rozšírené používanie v modernej technológii - vysoká tepelná odolnosť ako samotného titánu, tak aj jeho zliatin s hliníkom a inými kovmi. Okrem toho majú tieto zliatiny vysokú tepelnú odolnosť - odolnosť pri zachovaní vysokých mechanických vlastností pri zvýšené teploty. To všetko robí zliatiny titánu veľmi cennými materiálmi pre výrobu lietadiel a rakiet.

Pri vysokých teplotách sa titán spája s halogénmi, kyslíkom, sírou, dusíkom a ďalšími prvkami. To je základ pre použitie zliatin titánu so železom (ferrotittánom) ako prísady do ocele.

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

PRÍKLAD 2

Titán je 4. najbežnejší vo výrobe, ale efektívnu technológiu jeho ťažba sa rozvinula až v 40. rokoch minulého storočia. Ide o kov striebornej farby, ktorý sa vyznačuje nízkou špecifickou hmotnosťou a jedinečnými vlastnosťami. Na analýzu stupňa distribúcie v priemysle a iných oblastiach je potrebné vyjadriť vlastnosti titánu a rozsah jeho zliatin.

Hlavné charakteristiky

Kov má nízku špecifickú hmotnosť - iba 4,5 g/cm³. Antikorózne vlastnosti sú spôsobené stabilným oxidovým filmom vytvoreným na povrchu. Vďaka tejto kvalite titán nemení svoje vlastnosti pri dlhšom pôsobení vody, kyseliny chlorovodíkovej. Poškodené miesta nevznikajú v dôsledku napätia, ktoré je hlavným problémom ocele.

Vo svojej čistej forme má titán nasledujúce vlastnosti a vlastnosti:

• nominálna teplota topenia - 1660 ° С;
• pod tepelným vplyvom +3 227 ° С vrie;
• pevnosť v ťahu - do 450 MPa;
• vyznačuje sa nízkym indexom elasticity - až 110,25 GPa;
• na stupnici HB je tvrdosť 103;
• medza klzu je jedna z najoptimálnejších medzi kovmi - až 380 MPa;
• tepelná vodivosť čistého titánu bez prísad - 16,791 W / m * C;
• minimálny koeficient tepelnej rozťažnosti;
• tento prvok je paramagnet.

Pre porovnanie, pevnosť tohto materiálu je 2-krát väčšia ako pevnosť čistého železa a 4-krát väčšia ako pevnosť hliníka. Titán má tiež dve polymorfné fázy – nízkoteplotnú a vysokoteplotnú.

Pre priemyselné potreby sa čistý titán nepoužíva kvôli jeho vysokým nákladom a požadovanému výkonu. Na zvýšenie tuhosti sa do kompozície pridávajú oxidy, hybridy a nitridy. Zriedkavo zmeňte vlastnosti materiálu, aby ste zlepšili odolnosť proti korózii. Hlavné typy prísad na získanie zliatin: oceľ, nikel, hliník. V niektorých prípadoch vykonáva funkcie dodatočného komponentu.

Oblasti použitia

Vďaka nízkej špecifickej hmotnosti a pevnostným parametrom je titán široko používaný v leteckom a vesmírnom priemysle. Používa sa ako hlavný konštrukčný materiál v čistej forme. V špeciálnych prípadoch sa znížením tepelnej odolnosti vyrábajú lacnejšie zliatiny. Zároveň zostáva nezmenená jeho odolnosť proti korózii a mechanická pevnosť.

Okrem toho materiál s titánovými prísadami našiel uplatnenie v nasledujúcich oblastiach:

• Chemický priemysel. Jeho odolnosť voči takmer všetkým agresívnym médiám, okrem organických kyselín, umožňuje vyrábať zložité zariadenia s dobrý výkonživotnosť bez opravy.
• Výroba vozidiel. Dôvodom je nízka merná hmotnosť a mechanická pevnosť. Vyrábajú sa z neho rámy alebo nosné konštrukčné prvky.
• Liek. Na špeciálne účely sa používa špeciálna zliatina nitinol (titán a nikel). Jeho charakteristickým znakom je tvarová pamäť. Aby sa znížila záťaž pacientov a minimalizovala sa pravdepodobnosť negatívnych účinkov na organizmus, mnohé lekárske dlahy a podobné pomôcky sú vyrobené z titánu.
• V priemysle sa kov používa na výrobu puzdier a jednotlivých prvkov zariadení.
• Šperky vyrobené z titánu majú jedinečný vzhľad a vlastnosti.

Vo väčšine prípadov sa materiál spracováva v továrni. Existuje však niekoľko výnimiek - poznanie vlastností tohto materiálu je súčasťou práce na zmene vzhľad výrobky a ich vlastnosti môžu byť vyrobené v domácej dielni.

Vlastnosti spracovania

Aby výrobok získal požadovaný tvar, je potrebné použiť špeciálne vybavenie - sústruh a frézku. Ručné rezanie alebo frézovanie titánu nie je možné kvôli jeho tvrdosti. Okrem výberu výkonu a iných charakteristík zariadenia je potrebné zvoliť správne rezné nástroje: frézy, frézy, výstružníky, vrtáky atď.

Toto zohľadňuje nasledujúce nuansy:

• Titánové hobliny sú vysoko horľavé. Je potrebné vynútiť chladenie povrchu dielu a pracovať pri minimálnych otáčkach.
• Ohýbanie výrobku sa vykonáva až po predbežnom zahriatí povrchu. V opačnom prípade sa pravdepodobne objavia praskliny.
• Zváranie. Je potrebné dodržiavať špeciálne podmienky.

titán - jedinečný materiál s dobrými prevádzkovými a technickými vlastnosťami. Ale pre jeho spracovanie by ste mali poznať špecifiká technológie, a čo je najdôležitejšie, bezpečnostné opatrenia.