Титан и его сплавы: удельный вес и температура плавления

Что представляет собой

Титан — элемент периодической системы Менделеева No. 22. Международный номинал — Титан (Ti).

это блестящий серебристый металл. Легкий, прочный, устойчивый к коррозии.

По составу это конгломерат пяти стабильных изотопов.

Месторождения космического материала

Наиболее распространены месторождения ильменита, объем которых составляет около 800 млн тонн. Запасы рутиловых полезных ископаемых намного меньше, но если рост добычи продолжится, все они могут обеспечить человечество еще на 100 лет. По запасам титана Россия уступает только Китаю и имеет 20 разведанных месторождений. Большинство из них являются сложными, из них также извлекаются железо, фосфор, ванадий и цирконий. Сегодня российская металлургическая компания ВСМПО-АВИСМА считается крупнейшим производителем титана в мире».

Обширные месторождения находятся в Южной Африке, Украине, Канаде, США, Бразилии, Австралии, Швеции, Норвегии, Египте, Казахстане, Индии и Южной Корее, которые различаются содержанием металлов в полезных ископаемых и объемом добычи; геологические изыскания не прекращаются. Запасы минералов, содержащих титан, также были обнаружены на Луне, некоторые из которых в десятки раз богаче крупных месторождений на Земле. Это вселяет надежду на снижение рыночных цен на металл и расширение области использования.

Как сверлить титан, титановые сплавы

Достоинства / недостатки

Преимущества:
• низкая плотность (4500 кг / м3) способствует снижению массы артефактов;
• высокая механическая стойкость. Следует отметить, что при высоких температурах (250-500 ° C) титановые сплавы обладают большей прочностью, чем высокопрочные алюминиевые и магниевые сплавы;
• необычно высокая коррозионная стойкость за счет способности Ti образовывать сплошные тонкие пленки (5-15 мкм) оксида TiO2 на поверхности, прочно связанные с массой металла;
• удельная прочность (отношение прочности к плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и выше, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.

Недостатки:
• высокая стоимость производства, Ti намного дороже железа, алюминия, меди, магния;
• активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, так что Ti и его сплавы можно плавить только в вакууме или в среде инертного газа;
• трудности, связанные с производством титановых отходов;
• плохие антифрикционные свойства из-за адгезии Ti ко многим материалам; титан в сочетании с титаном вообще не может работать при трении;
• высокая склонность Ti и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;
• плохая обрабатываемость, как у аустенитных нержавеющих сталей;
• высокая химическая активность, склонность к росту зерна при высоких температурах и фазовые превращения во время цикла сварки вызывают трудности при сварке титана.

История открытия

История открытия металла связана с именами нескольких ученых:

• В конце 18 века немец Мартин Клапрот и англичанин Уильям Грегор одновременно открыли диоксид вещества.
• Десять лет спустя к их компании присоединился француз Луи-Николя Воклен.
• К середине 19 века Йенс Берцелиус получил металлический титан.
• Спустя сто лет голландцы выделили материал высокой чистоты.

Жезл из кристаллов титана высокой чистоты

Название новому веществу было предложено Клапротом: согласно установленной им традиции, химик назвал обнаруженный элемент именем персонажа из греческой мифологии.

Титаны — дети главных богов греческого пантеона Зевса и Гайи. То есть второе поколение богов.

Литье титана

При нагревании до температуры плавления титан активно вступает в реакцию с компонентами воздуха.

Чтобы этого не происходило, в духовках откачивали воздух, создавали разрежение. Оставшийся воздух вытесняли инертными газами: смесью аргона и гелия. В промышленных литейных цехах остаточное давление инертных газов колеблется от 1,33 до 0,13 Па.

Было разработано несколько технологий:

В вакуумной камере металл плавится, разливается в формы. При охлаждении до температуры, при которой металл теряет свою химическую активность, он образует кристаллическую структуру.

Метод литья по выплавляемым моделям (MVL) — это использование выплавляемых восков или обожженных форм. На поверхности модели создается огнеупорная оболочка. Форсунки максимально близки.

Технология литья корпуса предполагает использование тонкостенных форм. Их кладут на нагретую модельную пластину и покрывают термореактивной смолой. Начинка выполняется по вертикали и горизонтали.

Специально разработан температурный режим охлаждения отливок. По всему объему обеспечивается однородная структура, поэтому в отливке не возникают внутренние напряжения.

Метод FFC Cambridge

Нельзя не упомянуть метод FFC Cambridge. Этот метод стал очень популярным, во многом из-за того, что его можно использовать для обеспечения непрерывного создания нужного нам металла непосредственно из его оксида. Метод очень интересный: ванна заполняется электролитом, в состав которого входят известь (негашеная известь) и CaCl2. Электроды на основе графита устанавливаются прямо в ванной. Начинает течь ток, в результате чего температура ванны поднимается до тысячи градусов по Цельсию. В этот момент начинается химическая реакция: кальций и кислород отделяются, анод окисляется, а затем катод со временем начинает превращаться в губку, полностью состоящую из желаемого титана. Полученное сырье отправляется в лабораторию, где оно проходит процесс очистки, а также переплавку. Это процесс преобразования хлорида титана в чистый металл с использованием метода Кембриджского FFC.

Запасы руды.

Резервные фонды по диоксиду титана (TiO2) на 2002 год составляют около 800 млн тонн. Эти данные составлены без учета запасов титана на территории России. Наша страна занимает второе место в мире по месторождениям полезных ископаемых, пригодных для производства титана. Самое крупное месторождение руд находится недалеко от города Ухта, а их общий вес составляет около 2 000 000 000 тонн. Ученые из Соединенных Штатов Америки подсчитали, что всех известных месторождений титана на данный момент хватит на 150 лет при условии сохранения темпов производства титана.

Соединения, содержащие титан.

Титан очень распространен в природе. Процент этого металла в недрах земли составляет 0,57, что является десятым результатом среди других. В то же время лишь некоторые породы могут похвастаться содержанием в них этого драгоценного металла. Обычно титан содержится в глине или сланце, но среднее его содержание составляет около четырех с половиной килограммов на тонну породы.

К сожалению, все исследования титана в чистом виде в природе оказались бесплодными — его можно найти по принципу оксида алюминия — он сконцентрирован в различных осадочных породах.

Также стоит отметить, что в природе существуют такие глины, в которых содержится почти 27-30 процентов титана. Это связано с размывом горных пород, которому титан оказывает значительное сопротивление.

Какими способами получают титан?

По натуральному распределению материал занимает 10 место. Известно около 70 минералов, содержащих титан в виде титановой кислоты или диоксида титана. Наиболее распространенные из них, содержащие высокий процент производных металлов:

• ильменит;
• рутил;
• анатаз;
• перовскит;
• брукит.

Основные месторождения титановых руд находятся в США, Великобритании, Японии, крупные месторождения открыты в России, Украине, Канаде, Франции, Испании, Бельгии.

Добыча титана — дорогостоящий и трудоемкий процесс

Добывать из них металл очень дорого. Учеными разработано 4 метода производства титана, каждый из которых рабочий и эффективно используется в промышленности:

1. Магниево-термический метод. Добываемое сырье, содержащее примеси титана, перерабатывается и получается диоксид титана. Это вещество хлорируют в шахтах или соляных хлораторах при повышенных температурах. Процесс очень медленный, проводится в присутствии угольного катализатора. При этом твердый диоксид превращается в газообразное вещество — тетрахлорид титана. Полученный материал восстанавливают магнием или натрием. Сплав, образующийся в ходе реакции, нагревается в вакуумной установке при сверхвысоких температурах. В результате реакции происходит испарение магния и его соединений с хлором. По окончании процесса получается пористый материал. Он отлит и получен титан высокого качества.
2. Метод гидрида кальция. Минерал химически реагирует с образованием гидрида титана. Следующий этап — разделение вещества на составляющие. Титан и водород выделяются при нагревании в вакуумных установках. В конце процесса получается оксид кальция, который промывают слабыми кислотами. Первые два метода относятся к промышленному производству. Они позволяют получить чистый титан в кратчайшие сроки при относительно невысоких затратах.
3. Метод электролиза. Соединения титана подвергаются воздействию высоких токов. В зависимости от сырья соединения делятся на компоненты: хлор, кислород и титан.
4. Йодид или метод очистки. Диоксид титана, полученный из минералов, опрыскивают парами йода. В результате реакции образуется йодид титана, который нагревается до высокой температуры — + 1300… + 1400 ° и подвергается воздействию электрического тока. В этом случае из исходного материала отделяются компоненты: йод и титан. Металл, полученный этим методом, не содержит примесей и добавок.

Физико-химические характеристики

Свойства металла хорошо изучены:

• Он легко вступает в реакцию с кислотами даже при низких концентрациях.
• это тугоплавкий металл с температурой плавления 1670 ° C. Для кипячения требуется вдвое больше.
• он эластичен и становится хрупким на морозе (-80 ° C).
• На прочность влияет степень чистоты, а не температура.
• При комнатной температуре покрывается оксидной пленкой, что делает его устойчивым к коррозии (кроме щелочей).
• При нормальном давлении существует два типа титана с разными типами решетки: высокотемпературный и низкотемпературный.

Легкость, практически невесомость — главное свойство, по которому титан легко отличить от других металлов.

Свойства атомаИмя, символ, номерАтомная масса(молярная масса)Электронная конфигурацияРадиус атомаХимические свойстваКовалентный радиусИонный радиусЭлектроотрицательностьЭлектродный потенциалСостояния окисленияИонизированная энергия(первый электрон)Термодинамические свойства простого веществаПлотность (до нет.)Температура плавленияТемпература кипенияУд тепло плавленияУд теплота испаренияМолярная теплоемкостьМолярный объемКристаллическая решетка простого веществаРетикулярная структураПараметры решеткиC / a отчетТемпература ДебаяДругие характеристикиТеплопроводностьКоличество CAS

Титан / Титан (Ti), 22

47,867 (1) в см (г / моль)

Ar 3d2 4s2

147 вечера

132 вечера

(+ 4e) 68 (+ 2e) 94 вечера

1,54 (шкала Полинга)

-1,63

2, 3, 4

657,8 (6,8281) кДж / моль (эВ)

4,54 г / см³

1670 ° С 1943 К

3560 К

18,8 кДж / моль

422,6 кДж / моль

25,1 Дж / (кмоль)

10,6 см³ / моль

шестиугольник компактный (α-Ti)

а = 2,951 с = 4,697 (α-Ti)

1,587

380 К

(300 K) 21,9 Вт / (м K)

7440-32-6

Из-за более высокой вязкости обработка металлов затруднена. Этот недостаток устраняется смазкой инструмента специальными составами.

Технология получения

Отчасти технический прогресс отразился на способе получения металла.

Сегодня титан добывают двумя способами:

1. Кролл процесс. Один из основных, предложенный в 1940 году люксембургским ученым Гийомом Кроллем. Он заключается в восстановлении металлического титана магнием при высоких температурах. Комбайны, производящие такое сырье, называются титано-магниевыми.
2. FFC Кембридж. Электрохимическая технология — это инновация. Он включает прямое восстановление металла из оксида в расплавленную смесь хлорида и оксида кальция. Процесс назван в честь разработчиков, сотрудников Кембриджского университета Фрея, Фартинга, Чена.

Цена продукта доступна: титан разной степени очистки торгуется на мировых биржах по 5,7 — 6,1 долларов за кг.

Месторождения, добыча

Отложения равномерно распределены по планете. Российские месторождения разбросаны по стране (20 шахт). Самый крупный находится на севере, в Республике Коми.

Вытяжка осуществляется традиционным способом, но предполагает использование пылезащитных устройств.

Мировые запасы руды оцениваются в триллионы тонн. При нынешних темпах добычи титанового сырья этого хватит на полтора века.

Достоинства / недостатки

Преимущества:
• низкая плотность (4500 кг / м3) способствует снижению массы артефактов;
• высокая механическая стойкость. Следует отметить, что при высоких температурах (250-500 ° C) титановые сплавы обладают большей прочностью, чем высокопрочные алюминиевые и магниевые сплавы;
• необычно высокая коррозионная стойкость за счет способности Ti образовывать сплошные тонкие пленки (5-15 мкм) оксида TiO2 на поверхности, прочно связанные с массой металла;
• удельная прочность (отношение прочности к плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и выше, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.

Недостатки:
• высокая стоимость производства, Ti намного дороже железа, алюминия, меди, магния;
• активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, так что Ti и его сплавы можно плавить только в вакууме или в среде инертного газа;
• трудности, связанные с производством титановых отходов;
• плохие антифрикционные свойства из-за адгезии Ti ко многим материалам; титан в сочетании с титаном вообще не может работать при трении;
• высокая склонность Ti и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;
• плохая обрабатываемость, как у аустенитных нержавеющих сталей;
• высокая химическая активность, склонность к росту зерна при высоких температурах и фазовые превращения во время цикла сварки вызывают трудности при сварке титана.

Плюсы и минусы металла и его сплавов

Преимущества титановых сплавов:

1. Отношение прочности к плотности у титановых сплавов почти в 2 раза лучше, чем у легированных сталей.
2. Высокая механическая стойкость.
3. Отличная коррозионная стойкость, что позволяет изделиям работать в агрессивных средах.

Часы из титанового сплава

К недостаткам титановых сплавов можно отнести:

1. Высокая цена (титан намного дороже многих цветных металлов).
2. При обработке металла и его сплавов возникает проблема адгезии, которая грозит быстрым износом режущего инструмента.
3. Сложность сварки титановых изделий.

Химические свойства

Высокая коррозионная стойкость обусловлена ​​тем, что в нормальных условиях на поверхности металла остается оксидная пленка. Однако в виде пыли, мелкой стружки или проволоки он может самовоспламеняться и взорваться. Титан устойчив к водным растворам хлора и ко многим разбавленным щелочам и кислотам, за исключением фтористоводородной, ортофосфорной и серной кислот. Сварка и плавка производятся под вакуумом, ведь даже при небольшом нагреве проявляется одно из основных свойств титана — активное поглощение газов из окружающей атмосферы.

Реакция с водородом, которая начинается при 60 ° C, обратима; полученные гидриды снова разлагаются при нагревании. На воздухе при температуре 1200 ° C титан светится ярким белым пламенем и способен гореть только в атмосфере азота при температуре выше 400 ° C с образованием нитридов. Для взаимодействия с галогенами необходимыми условиями являются отсутствие влажности и наличие катализатора — высокая температура. При взаимодействии с углеродом получается сверхтвердый карбид. С большинством металлов титан образует конструкционные или жаропрочные сплавы и высокопрочные интерметаллические соединения и часто используется в качестве важного легирующего компонента.

Область применения

Титан и сплавы на его основе используются во многих областях: химической, металлургической. Это конструкционный материал для космонавтики, оборонной промышленности, авиации. Из него изготавливают медицинские инструменты и принадлежности для оборудования. Пластины вшиты в бронежилеты, они представляют собой защитные щиты.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Люминесценция в ультрафиолетовом излучении

нефлуоресцентный

ПРИМЕНЕНИЕ

Титановые изделия

Титановые сплавы играют важную роль в авиастроении, где целью является получение максимально легкой конструкции в сочетании с необходимой прочностью. Титан легкий по сравнению с другими металлами, но в то же время он может работать при высоких температурах. Титановые сплавы используются для изготовления накладок, деталей крепления, силовых агрегатов, деталей шасси и различных узлов. Кроме того, эти материалы используются при создании реактивных двигателей для самолетов. Это позволяет снизить их вес на 10-25%. Титановые сплавы используются для производства дисков и лопаток компрессоров, деталей воздухозаборников и направляющих лопаток, а также крепежа.

Титан и его сплавы также используются в ракетной технике. Благодаря кратковременной работе двигателей и быстрому прохождению плотных слоев атмосферы в ракетной технике в значительной степени устраняются проблемы сопротивления усталости, статического сопротивления и частичной ползучести.

Из-за недостаточно высокой термической стойкости технический титан не подходит для использования в авиации, но из-за очень высокой коррозионной стойкости он незаменим в некоторых случаях в химической промышленности и судостроении. Поэтому он используется в производстве компрессоров и насосов для перекачивания агрессивных жидкостей, таких как серная и соляная кислоты и их соли, труб, клапанов, автоклавов, контейнеров различных типов, фильтров и т.д. Только титан устойчив к коррозии в таких средах, как влажный хлор, водные и кислотные растворы хлора, поэтому оборудование для хлорной промышленности изготавливается из этого металла. Теплообменники изготовлены из титана, которые работают в агрессивных средах, например, в азотной кислоте (для некурящих). В судостроении титан используется для производства гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. Снаряды не прилипают к титану и его сплавам, что значительно увеличивает прочность корабля при движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других областях, но их распространение в технологии ограничено высокой стоимостью и дефицитом титана.

Титан — Ti

Молекулярный вес	47,88 г / моль
Происхождение названия	Свое название минерал получил в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи.
Статус IMA	подтверждено в 2010 г

Основные сведения

Титан — химический элемент с атомным номером 22, атомной массой 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г / см3, Tпл = 1668 + (-) 5 ° С, Tкип = 3260 ° С. Этот материал сочетает в себе легкость, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения и возможность работы в широком диапазоне температур.

Высокопрочные конструкционные ТС

Высокопрочные сплавы — ВТ-14, ВТ-22, ВТ-23, ВТ-15 (1000,0-1500,0 МПа).

ВТ-22 — сварная машина с высокими прочностными и закаливаемыми характеристиками. Он нашел широкое применение в производстве отечественных самолетов: Ил-76/86/96, Ан-72 / 74/124/224/148, Як-42, МиГ-29 и других. Этот автомобиль используется для производства крупных деталей для внутреннего силового агрегата, узлов шасси и сварных узлов, таких как поперечные балки и тележки основных шасси.

ВТ-22И, полученный высокотехнологичным методом изотермической деформации в условиях сверхпластичности, может обеспечить изготовление тонкостенных деталей сложной конфигурации и надежную сварку титановых сплавов. Высокий и стабильный уровень механических свойств достигается за счет однородной мелкозернистой структуры, что снижает трудоемкость обработки деталей на 35-40%.

Трубки из титанового сплава для теплообменников

Нахождение в природе

Титан занимает 10-е место по распространенности в природе. Содержание в земной коре 0,57% по массе, в морской воде — 0,001 мг / л. В ультраосновных породах 300 г / т, в основных породах — 9 кг / т, в кислых породах 2,3 кг / т, в глинах и сланцах 4,5 кг / т. В земной коре титан почти всегда четырехвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободной форме не встречается. Титан в условиях старения и седиментации имеет геохимическое сродство к Al2O3. Он сконцентрирован в бокситах коры выветривания и в морских глинистых отложениях. Титан передается в виде механических фрагментов минералов и в виде коллоидов. В некоторых глинах накапливается до 30% TiO2 по весу. Титановые руды устойчивы к атмосферным воздействиям и образуют большие скопления в россыпях. Известно, что более 100 минералов содержат титан. Наиболее важные: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит (сфен) CaTiSiO5. Первичные минералы титана — ильменит-титаномагнетит и россыпные минералы — рутил-ильменит-циркон.

При какой температуре плавится

Металлические элементы, какими бы они ни были, плавятся почти один за другим. Этот процесс происходит при нагревании. Он может быть как внешним, так и внутренним. Первое происходит в духовке, а для второго используется резистивный нагрев, пропускающий электричество или индукционный нагрев. Воздействие почти такое же. При нагревании амплитуда молекулярных колебаний увеличивается. Образуются структурные дефекты решетки, которые сопровождаются разрывом межатомных связей. Под сплавлением мы понимаем процесс разрушения решетки и накопления таких дефектов.

У разных веществ разные температуры плавления. Теоретически металлы делятся на:

1. Низкая температура плавления: достаточная температура до 600 градусов Цельсия для получения жидкого вещества.
2. Средняя плавка: требуемая температура от 600 до 1600 ⁰С.
3. Тугоплавкие металлы — это металлы, для плавления которых требуется температура выше 1600 ° C.

Плавление железа

Температура плавления железа довольно высока. Для технически чистого элемента требуется температура +1539 ° С. Это вещество содержит примесь — серу, извлекать ее разрешено только в жидком виде.

Чистый материал без примесей можно получить электролизом солей металлов.

Плавление чугуна

Чугун — лучший металл для литья. Высокая текучесть и низкая усадка делают возможным более эффективное использование на этапе литья. Итак, рассмотрим показатели температуры кипения чугуна в градусах Цельсия:

• Серый — температурный режим может достигать 1260 градусов. После заливки в формы температура может подниматься до 1400.
• Белый — температура достигает 1350 градусов. Разливается по формам с показателем 1450.

Важно! Плавка такого металла, как чугун, на 400 градусов ниже, чем у стали. Это значительно снижает потребление энергии во время обработки.

Плавление стали

Литье стали при температуре 1400 ° C

Сталь — это сплав железа с углеродом. Главное его достоинство — прочность, так как это вещество способно надолго сохранять свой объем и форму. Это связано с тем, что частицы находятся в равновесии. Следовательно, силы притяжения и отталкивания между частицами равны.

Ссылка! Сталь плавится при 1400 ° С.

Плавление алюминия и меди

Температура плавления алюминия составляет 660 градусов, а значит, его можно плавить в домашних условиях.

Чистая медь составляет 1083 градуса, а для медных сплавов — от 930 до 1140 градусов.

Что такое температура плавления

Каждый металл обладает уникальными свойствами, и этот список включает его температуру плавления. Во время плавления металл переходит из одного состояния в другое, т.е из твердого состояния в жидкое. Чтобы расплавить металл, необходимо подвести к нему тепло и нагреть до необходимой температуры — этот процесс называется точкой плавления. К тому времени, когда температура достигнет желаемой отметки, он все еще может быть твердым. Если продолжить воздействие, металл или сплав начнут плавиться.

Растворение и кипячение — это не одно и то же. Точку перехода вещества из твердого в жидкое состояние часто называют точкой плавления металла. В расплавленном состоянии молекулы не имеют определенного расположения, но притяжение удерживает их бок о бок; в жидкой форме кристаллическое тело оставляет объем, но форма теряется.

При кипении объем теряется, молекулы очень слабо взаимодействуют между собой, хаотично перемещаются в разные стороны и отрываются от поверхности. Температура кипения — это процесс, при котором давление пара металла равно давлению внешней среды.

Чтобы упростить разницу между критическими точками нагрева, мы подготовили для вас простую таблицу:

Свойства Точка плавления Точка кипения

Физическое состояние	Сплав плавится, кристаллическая структура разрушается, зернистость переходит	Перейти в газообразное состояние, некоторые молекулы могут вылететь из расплава
Фаза перехода	Баланс между твердым телом и жидкостью	Баланс давления между парами металла и воздухом
Влияние внешнего давления	Без изменений	Есть изменения, температура понижается при разряде

Марки титана и виды изделий

Виды выпускаемой титановой продукции:

• тарелки;
• трубки;
• провод;
• аукционы;
• пыль;
• листы.

Марка титана	Чистота (содержание чистого Ti)
VT1-0	99,24–99,7%
VT1-00	99,58–99,9%
ВТ1-00св	99,39–99,9%

Теплопроводность стали и титана

Титана

он широко распространен в земной коре, где его содержание составляет около 6%, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Однако промышленный способ его добычи был разработан только в 40-х годах 20 века. Благодаря достижениям в области авиации и ракет интенсивно развивалось производство титана и его сплавов. Это связано с сочетанием таких ценных свойств титана, как низкая плотность, высокая удельная прочность
(s in / r × g), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитные свойства и ряд других ценных физико-механических характеристик.

Основные сведения о титане

Титан — химический элемент с атомным номером 22, атомной массой 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г / см3, Tпл = 1668 + (-) 5 ° С, Tкип = 3260 ° С. Титан и титановые сплавы сочетают в себе легкий вес, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения и способность работать в широком диапазоне температур.

История открытия титана

Оксид титана TiO2 был впервые открыт в 1789 году английским ученым, минералогом В. Грегором, который при изучении магнитного железистого песка выделил оксид неизвестного металла, назвав его Менакеновой. Первый образец металлического титана был получен в 1825 году шведским химиком-минералом и ученым Дж. Берцелиусом.

Теории происхождения названия

Есть две теории происхождения названия:

• Первый, подчеркивающий основные свойства металлического титана — легкость и прочность, связан с именем персонажа немецкой легенды — эльфийской королевы Титании.
• Другая теория относится к древнегреческой мифологии, где титанов называли могущественными братьями — богами второго поколения, детьми богов Урана и Геи. Отголоски этого также слышны в названии элемента урана.

Присутствие в природе

В природе титан представлен оксидами различных химических элементов (более сотни). В свободной форме не встречается.

Не считается редким металлом: содержание в породах исчисляется в килограммах на тонну (от 2,3 до 9).

это девятый по содержанию элемент в земной коре — более половины процента по массе.

В основном он состоит из бокситов и морской осадочной глины.

Скалы не очень подвержены воздействию стихии, образуя крупные россыпи.

Добыча и переработка

Титан получают из концентрата титансодержащих минералов пирометаллургией или обработкой серной кислотой.

Плавка концентратов ильменитовых руд осуществляется в электродуговых печах.

При необходимости необработанный металл очищается.

Где используется

Титан прочен, как сталь, но весит вдвое меньше. Он вдвое прочнее алюминия, но только на 60% тяжелее. Эти преимущества связаны с использованием титана в качестве металла людьми.

Промышленность

Титановые сплавы — конструкционный материал номер один для строителей ракет, самолетов и океанских лайнеров. Чаще всего их делают из сплавов с другими металлами (особенно никелем и алюминием).

Заготовка титановой рамы истребителя F-15 до и после прессования на формовочном прессе Alcoa 45000 тонн, май 1985 г

Титан легче других металлов, но может работать при высоких температурах.

Есть и другие области применения металла:

• Трубы, насосы, другое оборудование для работы с агрессивными жидкостями.
• Военно-промышленный комплекс: бронежилеты, корпуса подводных лодок, ракетные и авиационные детали.
• Установки для опреснения воды, очистки воздуха.
• Исходный код для производства целлюлозы, бумаги.
• Запчасти к автомобилям, сельхозтехнике, оборудованию для пищевой промышленности.
• Спортивное оборудование.

Более половины соединений вещества устранены производителями лакокрасочных материалов. Это, например, титановая белила.

Все больше и больше изделий из титана используется в сфере IT — корпуса, наполнители для сотовых телефонов и другие гаджеты.

Медицина

Прочный металл — друг процессов, происходящих в организме человека. Поэтому его активно используют как материал для протезов конечностей, дентальных имплантатов. Медицина ценит его свойство безболезненно сливаться с костной тканью. Поэтому титан относится к металлам будущего.

Безопасность для тканей человеческого тела позволила использовать для пирсинга металл.

Другие сферы

Корпуса роскошных часов выполнены из титана. Это ювелирный материал.

Часы из титанового сплава

Азотированные вещества «позолочивают» купола храмов, предметы декора. Четырехвалентный хлорид «создает» дымовую завесу и стеклянную дымку.

Пищевая добавка E171 — это белый диоксид титана (TiO2), пищевой краситель.

Марки и сплавы

Номенклатура титановых сплавов включает десятки позиций.

Наиболее востребованы алюминий и ванадий, соответственно 6% и 4%. На его производство уходит половина добываемого сырья.

На втором месте по популярности — ферротитан (соотношение титана и железа 1: 3). В черной металлургии это инструмент для очистки стали от примесей.

Чаще всего отливают следующие виды титана:

• VT1-0;
• VT1-00;
• ВТ1-00 С.

это технический материал без легирующих добавок. Содержит минимум примесей: содержание Ti (%) — 99,24+.

Производство и изготовление

Благодаря изобилию в природе добыча титансодержащих минералов не представляет трудностей. Наиболее распространенными минералами, содержащими этот металл, являются брукит, ильменит, анатаз и рутил. Однако дополнительные методы обработки титана (литье, закалка и старение) считаются дорогостоящими. Чтобы получить чистый металл из минерала, нужно выполнить несколько шагов:

1. В первую очередь, титановый шлак извлекается путем нагрева ильменита до 1650 градусов.
2. Затем шлак проходит процесс хлорирования.
3. Затем титановую губку производят в печах сопротивления.
4. Завершающим этапом обработки для получения чистого металла является рафинирование.

Если необходимо получить титановые слитки, губку на основе титана переплавляют в вакуумной печи.

Магниетермический процесс

Восстановление магния — популярный метод производства металлов. Технологический процесс:

1. Рециркулируемый конденсат магния плавится.
2. Конденсат хлорида магния отводится.
3. При температуре 800 градусов жидкий тетрахлорид титана с жидким магнием подается в форму для застывания. Скорость подачи 2,1–2,3 г / ч см2.

Температура постепенно понижается до 600 градусов.

Гидридно-кальциевый метод

Это промышленный метод восстановления металла. Рабочий процесс:

1. При температуре 500 градусов Цельсия металлический кальций насыщается водородом.
2. Затем его смешивают с диоксидом титана. Компоненты нагревают в реторте, постепенно повышая температуру до 1100 градусов.
3. Спеченные детали вымываются из реторты.
4. Дальнейшая обработка проводится соляной кислотой.
5. Порошок титана сушат и готовят в индукционных печах при температуре около 1400 градусов.

Спеченная масса должна подвергаться давлению 10-3 мм.

Электролизный метод

Способ получения сплава, основанный на использовании электрического тока. Напряжение влияет на TiO2, TiCl4. Перед этим их растворяют расплавом фторидных солей.

Йодидный метод

Способ получения металла после термической диссоциации TiJ4. Первоначально его получают в результате реакции паров йода с металлическим титаном.

Для получения сплава высокой чистоты необходимо применить последний метод получения соединения. Первые три метода позволяют быстро получить технический титан.

Физические свойства элемента

Титан — химический элемент периодической таблицы Менделеева, он находится в IV группе четвертого периода. Он имеет атомный номер 22, молярную массу 47,867, обозначается символом Ti и имеет степени окисления от 2 до 4, его четырехвалентные соединения являются наиболее стабильными. При нормальном давлении температура плавления титана составляет 1670 ± 2 ° С, он относится к цветным тугоплавким металлам и по внешнему виду напоминает сталь.

Твердость, пластичность и предел текучести являются важными параметрами для любого металла, которые определяют область применения. Титан в 12 раз прочнее алюминия, в 4 раза прочнее меди и железа. Кроме того, он намного легче всех остальных (плотность титана всего 4,54 г / см 3) и легко обрабатывается сваркой, клепкой, ковкой и прокаткой. Важными особенностями являются низкая теплопроводность и электропроводность, которые остаются неизменными даже при высоких температурах.

Титан обладает парамагнитными свойствами: он не намагничивается в магнитном поле, как никель и железо, и не вытесняется, как серебро и золото. Его плохие антифрикционные свойства обусловлены адгезией ко многим материалам. Показатели коррозионной стойкости и устойчивости к механическим воздействиям уникальны: титановые пластины, пролежавшие на морском дне десять лет, не претерпят изменений внешнего вида и состава, а железо за это время полностью разложится.

От чего зависит температура плавления

У разных веществ разная температура, при которой структура полностью перестраивается в жидкое состояние. Если брать во внимание металлы и сплавы, стоит отметить следующие моменты:

1. Металлы в чистом виде встречаются нечасто. Температура напрямую зависит от его состава. В качестве примера указываем олово, в которое могут быть добавлены другие вещества (например, серебро). Примеси делают материал более или менее устойчивым к нагреванию.
2. Есть сплавы, которые благодаря своему химическому составу могут переходить в жидкое состояние при температуре выше ста пятидесяти градусов. Также существуют сплавы, которые могут «прилипнуть» при нагревании до трех тысяч градусов и выше. Учитывая, что при изменении кристаллической решетки меняются физико-механические свойства, а условия эксплуатации могут определяться температурой нагрева. Следует отметить, что температура плавления металла — важное свойство вещества. Пример тому — авиационное оборудование.

Термическая обработка в большинстве случаев практически не меняет термостойкость. Единственный верный способ повысить устойчивость к нагреву — внести изменения в химический состав, для этого сталь легируют.

Способ получения из сырья

Сырье — диоксид титана, содержащий мало примесей. Для этого требуется концентрат рутила, полученный путем обогащения минерала. Но его мировые запасы невелики, и чаще всего используется титановый шлак (синтетический рутил), который получают термической обработкой — обогащением ильменитовых концентратов в электродуговой печи. В результате железо в виде чугуна собирается на дне специальной ванны, и остается серый порошок — шлак, содержащий оксид титана. Его измельчают, смешивают с древесным углем, брикетируют и хлорируют в печах, где пары тетрахлорида титана образуются в присутствии углерода при 800 ° C.

Впоследствии они очищаются и восстанавливаются в специальных реакторах с магнием при 950 ° C. На стенках образуется спеченная пористая масса, титановая губка, которую прокаливают в вакууме, чтобы отделить ее от соединений магния. Для изготовления титановых слитков полученную губку переплавляют в дуговых вакуумных печах. Это защищает металл от окисления и способствует окончательному выделению примесей. Готовые слитки чистотой до 99,7% используются для обработки давлением (прокатка, штамповка, ковка).

Читайте также: Самое тугоплавкое вещество: температура плавления вольфрама