Титан якийсь метал. Титан - опис елемента з фото, характеристика його впливу на організм людини, а також потреба у цьому хімічному елементі

Титан - металфей. Принаймні елемент названий на честь цариці цих міфічних істот. Титанія, як і всі її родичі, відзначилася легкістю.

Літати феям дозволяють не тільки крила, а й малу вагу. Титан також легкий. Щільність елемента найменша серед металів. У цьому подібність із феями закінчується і починається чиста наука.

Хімічні та Фізичні властивостітитану

Титан – елементсріблясто-білого кольору, з вираженим блиском. У відблисках металу можна розглянути і рожевий, і синій, і червоний. Переливатися всіма кольорами веселки характерна особливість 22-го елемента.

Його випромінювання завжди яскраве, адже титан стійкийдо корозії. Від неї матеріал захищений оксидною плівкою. Вона формується на поверхні при стандартних температурах.

В результаті, корозія металу не страшна ні на повітрі, ні у воді, ні в більшості агресивних середовищ, наприклад, . Так хіміки прозвали суміш концентрованих та кислот.

Плавиться 22-й елемент при 1660 градусів Цельсія. Виходить, титан – кольоровий металтугоплавкою групи. Горіти матеріал починає раніше ніж розм'якшуватися.

Біле полум'я з'являється при 1 200 градусів. Закипає речовину при 3260 за шкалою Цельсія. Плавлення елемента робить його в'язким. Доводиться використовувати спеціальні реагенти, що перешкоджають налипання.

Якщо рідка маса металу тягуча і клейка, то стан порошку титан вибухонебезпечний. Для спрацьовування «бомби» достатньо нагрівання до 400 градусів Цельсія. Приймаючи теплову енергію елемент погано її передає.

Як електропровідник титан теж не використовують. Натомість матеріал цінують за міцність. У поєднанні з малою щільністю та вагою, вона знадобиться у багатьох галузях промисловості.

Хімічно титан досить активний. Так чи інакше, метал взаємодіє з більшістю елементів. Винятки: - інертні гази, , натрій, калій, , кальцій і .

Така мала кількість байдужих титану речовин ускладнює процес отримання чистого елемента. Нелегко зробити і сплави металів титану. Проте промисловці навчилися це робити. Занадто вже висока практична користь сумішей на основі 22 речовини.

Застосування титану

Складання літаків і ракет, — ось де в першу чергу знадобиться титан. Метал купитинеобхідно, щоб підвищити жаростійкість і жароміцність корпусних. Жаростійкість - опір високим температурам.

Вони, наприклад, при розгоні ракети у атмосфері неминучі. Жароміцність – збереження в «вогняних» обставинах ще й більшості механічних властивостей сплаву. Тобто з титаном експлуатаційні характеристикидеталей не змінюються в залежності від умов довкілля.

Придатна і стійкість 22-го металу до корозії. Ця властивість важлива вже не тільки у справі виробництва машин. Елемент йде на колби та інший посуд для хімічних лабораторій, стає сировиною для ювелірних виробів.

Сировина не з дешевих. Проте, у всіх галузях витрати окупаються терміном служби титанових виробів, їхньою здатністю зберігати первозданний вигляд.

Так, серія посуду пітерської фірми «Нева» «Метал ТитанПК» дозволяє використовувати при смаженні металеві ложки. Тефлон би вони знищили, подряпали. Титановому ж покриттю дарма нападки стали, алюмінію.

Це, до речі, стосується прикрас. Кільце або золото просто подряпати. Моделі із титану залишаються гладкими десятиліття. Тому 22-й елемент почали розглядати, як сировину для обручок.

Сковорода "Титан Метал"легкий, як і посуд з тефлоном. 22-ий елемент лише трохи важчий за алюміній. Це надихнуло не лише представників легкої промисловості, а й фахівців автомобілебудування. Не секрет, що у машинах багато алюмінієвих деталей.

Вони необхідні зниження маси транспорту. Але, титан міцніший. Щодо представницьких машин автомобілебудування вже майже повністю перейшло на використання 22-го металу.

Деталі з титану та його сплавів знижують масу двигуна внутрішнього згорянняна 30%. Полегшується і корпус, щоправда, зростає ціна. Алюміній, все ж таки, дешевше.

Фірма «Нева Метал Титан», відгукипро яку залишають, як правило, зі знаком плюс, виготовляє посуд. Автомобільні бренди використовують титан для машин. надають елементу форму кілець, сережок та браслетів. У цій черзі перерахувань не вистачає медичних компаній.

22-ий метал – сировина для протезів та хірургічних інструментів. Продукція майже не має часу, тому легко стерилізується. До того ж титан, будучи легким, витримує колосальні навантаження. Що ще потрібно, чи, наприклад, замість колінних зв'язок ставиться чужорідна деталь?

Відсутність у матеріалі доби цінується успішними рестораторами. Чистота скальпелів хірурга важлива. Але важлива і чистота робочих поверхонь кухарів. Щоб їжа була безпечною, її обробляють та пропарюють на титанових столах.

Вони не дряпаються, легко миються. Заклади середнього рівня, як правило, користуються сталевим начинням, проте, вона поступаються як. Тому в ресторанах із Мішленівськими зірками обладнання титанове.

Видобуток титану

Елемент входить до 20 найбільш поширених на Землі, перебуваючи рівно посередині рейтингу. За масою кори планети вміст титану дорівнює 0,57%. На літр морської води 24 металу припадає 0,001 міліграма. У сланцях та глинах елемента міститься 4,5 кілограми на тонну.

У кислих породах, тобто багатих на кремнезем, на титан припадають 2,3 кілограма з кожної тисячі. В основних покладах, що утворилися з магми, 22 металу близько 9 кіло на тонну. Найменше титану ховається в ультраосновних породах із 30-відсотковим вмістом кремнезему – 300 грамів на 1 000 кілограмів сировини.

Незважаючи на поширеність у природі, чистий титан у ній не зустрічається. Матеріалом для отримання 100% металу став його йодит. Термічне розкладання речовини провели Аркель та Де Бур. Це нідерландські хіміки. Експеримент вдався 1925-го року. До 1950-х запустили масове виробництво.

Сучасники, як правило, видобувають титан із його діоксиду. Це мінерал, званий рутилом. У ньому найменша кількість сторонніх домішок. Походять, як і титаніт і .

Під час переробки ільменітових руд залишається шлак. Він і служить матеріалом для отримання 22-го елемента. На виході він пористий. Доводиться вести вторинну переплавку у вакуумних печах з додаванням.

Якщо ведеться робота з діоксидом титану, до нього домішують магній та хлор. Суміш нагрівають у вакуумних печах. Температуру піднімають доти, доки всі зайві елементи не випаруються. На дні ємностей залишається чистий титан. Метод названий магнієтермічним.

Відпрацьовано і гідридно-кальцієвий метод. Він ґрунтується на електролізі. Струм високої сили дозволяє розділити гідрид металу на титан і водень. Продовжує застосовуватись і йодитний спосіб видобутку елемента, відпрацьований у 1925 році. Однак, у 21-му столітті він найбільш трудомісткий і дорогий, тому починає забуватись.

Ціна титану

на метал титан цінавстановлюється за кілограм. На початку 2016-го, це близько 18 доларів США. Світовий ринок 22-го елемента за останній рік досяг 7000000 тонн. Найбільші постачальники – Росія та Китай.

Це з розвіданими у яких і придатними розробки запасами. У другому півріччі 2015-го попит на титанові та листи почав знижуватися.

Реалізують метал у вигляді дроту, різних деталей, наприклад, труб. Вони набагато дешевші за біржові ціни. Але, треба враховувати, що у злитках йде чистий титан, а виробах використані сплави з його основі.

Титан- Легкий міцний метал сріблясто-білого кольору. Існує у двох кристалічних модифікаціях: α-Ti з гексагональними щільноупакованими гратами, β-Ti з кубічною об'ємно-центрованою упаковкою, температура поліморфного перетворення α↔β 883 °C. Титан і титанові сплави поєднують легкість, міцність, високу корекцію розширення, можливість роботи в широкому діапазонітемператур.

Дивіться також:

СТРУКТУРА

Титан має дві алотропічні модифікації. Низькотемпературна модифікація, що існує до 882 °C, має гексагональну щільноупаковану решітку з періодами а = 0,296 нм та с = 0,472 нм. Високотемпературна модифікація має решітку об'ємноцентрованого куба з періодом а = 0,332 нм.
Поліморфне перетворення (882 °C) при повільному охолодженні відбувається за нормальним механізмом з утворенням рівноосних зерен, а при швидкому охолодженні — за мартенситним механізмом з утворенням голчастої структури.
Титан має високу корозійну та хімічну стійкість завдяки захисній окисній плівці на його поверхні. Він не кородує у прісній та морській воді, мінеральних кислотах, царській горілці та ін.

ВЛАСТИВОСТІ

Точка плавлення 1671 °C, точка кипіння 3260 °C, щільність α-Ti та β-Ti відповідно дорівнює 4,505 (20 °C) та 4,32 (900 °C) г/см³, атомна щільність 5,71×1022 ат/ см³. Пластичний, зварюється в інертній атмосфері.
Технічний титан, що застосовується в промисловості, містить домішки кисню, азоту, заліза, кремнію і вуглецю, що підвищують його міцність, знижують пластичність і впливають на температуру поліморфного перетворення, яке відбувається в інтервалі 865-920 °С. Для технічного Титану марок ВТ1-00 і ВТ1-0 щільність близько 4,32 г/см 3 межа міцності 300-550 Мн/м 2 (30-55кгс/мм 2), відносне подовженняне нижче 25%, твердість за Брінеллем 1150-1650 Мн/м 2 (115-165 кгс/мм 2). Є парамагнетиком. Зміна зовнішньої електронної оболонки атома Ti 3d24s2.

Має високу в'язкість, при механічної обробкисхильний до налипання на різальний інструмент, і тому потрібне нанесення спеціальних покриттів на інструмент різних мастил.

При звичайній температурі покривається захисною плівкою, що пасивує оксиду TiO 2 , завдяки цьому корозійностійкий в більшості середовищ (крім лужної). Титанова пил має властивість вибухати. Температура спалаху становить 400 °C.

ЗАПАСИ І ВИБУТОК

Основні руди: ільменіт (FeTiO 3), рутил (TiO 2), титаніт (CaTiSiO 5).

На 2002 рік, 90% титану, що видобувається, використовувалося на виробництво діоксиду титану TiO 2 . Світове виробництво діоксиду титану становило 4,5 млн. т на рік. Підтверджені запаси діоксиду титану (без Росії) становлять близько 800 млн т. На 2006 рік, за оцінкою Геологічної служби США, у перерахунку на діоксид титану і без урахування Росії, запаси ільменітових руд становлять 603-673 млн т., а рутилових - 4. 52.7 млн ​​т. Таким чином, за нинішніх темпів видобутку світових розвіданих запасів титану (без урахування Росії) вистачить більш ніж на 150 років.

Росія має другі у світі, після Китаю, запаси титану. Мінерально-сировинну базу титану Росії становлять 20 родовищ (з них 11 корінних та 9 розсипних), досить рівномірно розосереджених територією країни. Найбільше з розвіданих родовищ знаходиться за 25 км від міста Ухта (Республіка Комі). Запаси родовища оцінюються у 2 мільярди тонн.

Концентрат титанових руд піддають сірчанокислотної або пірометалургійної переробки. Продукт сірчанокислотної обробки - порошок діоксиду титану TiO2. Пірометалургійним методом руду спікають з коксом і обробляють хлором, отримуючи пари тетрахлориду титану їх при 850 °C відновлюють магнієм.

Отриману титанову губку переплавляють і очищають. Ільменітові концентрати відновлюють в електродугових печах з подальшим хлоруванням титанових шлаків, що виникають.

ПОХОДЖЕННЯ

Титан знаходиться на 10-му місці за поширеністю у природі. Вміст у земній корі – 0,57 % за масою, у морській воді – 0,001 мг/л. У ультраосновних породах 300 г/т, в основних - 9 кг/т, у кислих 2,3 кг/т, у глинах та сланцях 4,5 кг/т. У земній корі титан майже завжди чотирихвалентний і присутній тільки в кисневих сполуках. У вільному вигляді не зустрічається. Титан в умовах вивітрювання та осадження має геохімічну спорідненість з Al2O3. Він концентрується в бокситах кори вивітрювання та в морських глинистих осадах.
Перенесення титану здійснюється у вигляді механічних уламків мінералів та у вигляді колоїдів. До 30% TiO 2 за вагою накопичується у деяких глинах. Мінерали титану стійкі до вивітрювання та утворюють великі концентрації у розсипах. Відомо понад 100 мінералів, що містять титан. Найважливіші з них: рутил TiO 2 , ільменіт FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe3O 4 , перовскіт CaTiO 3 , титаніт CaTiSiO 5 . Розрізняють корінні руди титану – ільменіт-титаномагнетитові та розсипні – рутил-ільменіт-цирконові.
Родовища титану знаходяться на території ПАР, Росії, України, Китаю, Японії, Австралії, Індії, Цейлону, Бразилії, Південної Кореї, Казахстану. У країнах СНД чільне місце з розвіданих запасів титанових руд посідає РФ (58.5%) та Україна (40.2%).

ЗАСТОСУВАННЯ

Титанові сплави грають велику рольв авіаційній техніці, де прагнуть отримати найлегшу конструкцію у поєднанні з необхідною міцністю. Титан легкий у порівнянні з іншими металами, але водночас може працювати за високих температур. З титанових сплавіввиготовляють обшивку, деталі кріплення, силовий набір, деталі шасі, різні агрегати. Також ці матеріали застосовуються в конструкціях авіаційних реактивних двигунів. Це дозволяє зменшити їхню масу на 10-25%. З титанових сплавів виробляють диски та лопатки компресора, деталі повітрозабірника та напрямного апарату, кріплення.

Також титан та його сплави використовують у ракетобудуванні. Через короткочасну роботу двигунів і швидкого проходження щільних шарів атмосфери в ракетобудуванні значною мірою знімаються проблеми втомної міцності, статичної витривалості та частково повзучості.

Технічний титан через недостатньо високу тепломіцність не придатний для застосування в авіації, але завдяки виключно високому опору корозії у ряді випадків незамінний у хімічній промисловості та суднобудуванні. Так його застосовують при виготовленні компресорів та насосів для перекачування таких агресивних середовищ, як сірчане та соляна кислотата їх солі, трубопроводів, запірної арматури, автоклав, різноманітних ємностей, фільтрів тощо. Тільки титан має корозійну стійкість у таких середовищах, як вологий хлор, водні та кислі розчини хлору, тому з даного металу виготовляють обладнання для хлорної промисловості. З титану роблять теплообмінники, що працюють у корозійно-активних середовищах, наприклад в азотної кислоти(Не димить). У суднобудуванні титан використовується для виготовлення гребних гвинтів, Обшивка морських суден, підводних човнів, торпед і т.д. На титан та його сплави не налипають черепашки, які різко підвищують опір судна за його руху.

Титанові сплави є перспективними для використання в багатьох інших застосуваннях, але їх поширення в техніці стримується високою вартістю та дефіцитністю титану.

Титан (англ. Titanium) - Ti

КЛАСИФІКАЦІЯ

Strunz (8-е видання)	1/A.06-05
Dana (7-е видання)	1.1.36.1
Nickel-Strunz (десяте видання)	1.AB.05

ВЛАСТИВОСТІ ТА ЗАСТОСУВАННЯ ТИТАНУ

Титан (Ti) відкрито в 1795 р. і названо на честь героя грецького епосу Титану. Він входить до складу більш ніж 70 мінералів і є одним із найпоширеніших елементів - вміст його в земній корі становить приблизно 0,6%. Титан існує у двох модифікаціях: до 882°С у вигляді модифікації а з гексагональною щільно упакованою кристалічною решіткою, а вище 882°С стійкістю є модифікація β з об'ємноцентрованими кубічними ґратами. Нижче наведено основні фізичні властивості титану:

Атомна маса
Щільність при 20°С, г/см3
Температура, °С:
плавлення
Питома теплоємність, кал/г
Теплопровідність кал/(см·сек·град)
Прихована теплота плавлення, кал/г
Коефіцієнт лінійного розширення, 1/град
Питомий електроопір,
Тимчасовий опір при розтягуванні титану, кг/мм2
Модуль пружності, кг/мм2
Твердість НВ, кг/мм2

Титан поєднує велику міцність із малою щільністю та високою корозійною стійкістю. Завдяки цьому в багатьох випадках він має значні переваги перед такими основними конструкційними матеріалами, як сталь і алюміній. Ряд титанових сплавів за міцністю вдвічі перевершує сталь при значно меншій щільності та кращій корозійній стійкості. Однак через низьку теплопровідність утруднюється його застосування для конструкцій і деталей, що працюють в умовах великих температурних перепадів, і при роботі на термічну втому. До недоліків титану як конструкційного матеріалу слід також віднести відносно низький модуль нормальної пружності.

Титан високої чистоти має хороші пластичні властивості. Під впливом домішок пластичність різко змінюється. Кисень добре розчиняється в титані і сильно знижує його пластичні властивості в області малих концентрацій.

Зменшуються пластичні властивості титану та при введенні в нього азоту. При вмісті азоту в титані >0,2% настає тендітна його руйнація. Разом з тим, кисень і азот підвищують тимчасовий опір і витривалість титану і в цьому відношенні є корисними домішками.

Шкідливою домішкою в титані є водень. Він різко знижує ударну в'язкість титану навіть за дуже малих концентраціях.

На характеристики титану водень не надає помітного впливу в широкому інтервалі концентрацій.

Механічні властивості титану значно більшою мірою, ніж в інших металів, залежать від швидкості застосування навантаження. Тому механічні випробування титану слід проводити за більш строго регламентованих та фіксованих умов, ніж випробування інших конструкційних матеріалів.

Ударна в'язкість титану істотно зростає при відпалі в інтервалі 200-300 ° С, помітної зміни інших властивостей не спостерігається. Найбільше підвищення пластичності титану досягається після гарту з температур, що перевищують температуру поліморфного перетворення, та подальшої відпустки.

Чистий титан не відноситься до жароміцних матеріалів, так як міцність його різко зменшується з підвищенням температури.

Важливою особливістю титану є його здатність утворювати тверді розчини з атмосферними газами та воднем. При нагріванні титану на повітрі на його поверхні, крім звичайної окалини, утворюється шар, що складається з твердого розчину на основі -Ti (альфітований шар), стабілізованого киснем, товщина якого залежить від температури і тривалості нагріву. Цей шар має більше високу температуруперетворення, ніж основний шар металу, та його утворення на поверхні деталей або напівфабрикатів може спричинити крихке руйнування.

Титан і сплави на основі титану характеризуються високою корозійною стійкістю в атмосфері повітря, у природній холодній та гарячій прісної води, у морській воді, а також у розчинах лугів, неорганічних солей, органічних кислот та сполук навіть при кип'ятінні. Він не піддається корозії в морській воді, перебуваючи в контакті з нержавіючою сталлю та мідно-нікелевими сплавами. Висока корозійна стійкість титану пояснюється утворенням на поверхні щільної однорідної плівки, яка захищає метал від подальшої взаємодії з навколишнім середовищем.

Як конструкційний матеріал титан найбільше застосування знаходить в авіації, ракетній техніці, при спорудженні морських суден, приладобудуванні та машинобудуванні. Титан і його сплави зберігають високі характеристики міцності при високих температурах і тому з успіхом можуть застосовуватися для виготовлення деталей, що піддаються високотемпературному нагріванню.

В даний час основна кількість титану використовується для виготовлення титанових білил. Титан широко застосовують у металургії, у тому числі як легуючий елемент у нержавіючих і жаростійких сталях. Добавки титану в сплави алюмінію, нікелю та міді підвищують їхню міцність. Він являється складовоютвердих сплавів для різальних інструментів. Двоокис титану використовують для обмазування зварювальних електродів. Чотирьоххлористий титан застосовують у військовій справі для створення димових завіс.

У електротехніці та радіотехніці використовують порошкоподібний титан як поглинач газів - при нагріванні до 500°С титан енергійно поглинає гази і тим самим забезпечує в замкнутому обсязі високий вакуум.

Титан у ряді випадків є незамінним матеріалом у хімічній промисловості та в суднобудуванні. З нього виготовляють деталі, призначені для перекачування агресивних рідин, теплообмінники, що працюють у корозійно-активних середовищах, підвісні пристрої, що використовуються при анодуванні різних деталей. Титан інертний в електролітах та інших рідинах, що застосовуються в гальваностегії, і тому придатний для виготовлення різних деталей гальванічних ванн. Його широко використовують при виготовленні гідрометалургійної апаратури для нікелево-кобальтових заводів, оскільки він має високу стійкість проти корозії та ерозії в контакті з нікелевими та кобальтовими шламами при високих температурах та тисках.

Титан найбільш стійкий в окисних середовищах. У відновлювальних середовищах титан корродує досить швидко внаслідок руйнування окисної захисної плівки.

Технічний титан та його сплави піддаються всім відомим методам обробки тиском. Вони можуть прокочуватися в холодному і гарячому станах, штампуватися, обтискатися, піддаватися глибокій витяжці, розвалюватися. З титану та його сплавів отримують стрижні, прутки, смуги,

різні профілі прокату, безшовні труби, дріт та фольгу.

Опір деформації у титану вищий, ніж у конструкційних сталей або мідних і алюмінієвих сплавів. Титан та його сплави обробляються тиском приблизно так само, як і нержавіючі сталі аустенітного класу. Найчастіше титан піддають ковці при 800-1000 ° С. Щоб запобігти титану від забруднення газами, нагрівання та обробку його тиском виробляють у можливо короткий час. Зважаючи на те, що при температурах >500°С водень дифундує в титан та його сплави з величезними швидкостями, нагрівання ведуть в окислювальній атмосфері.

Титан і його сплави мають знижену оброблюваність різанням подібно нержавіючим сталямаустенітного класу. При всіх видах різання найбільш успішні результати досягаються при невеликих швидкостях і глибині різання, а також при використанні ріжучого інструментуіз швидкорізальних сталей або твердих сплавів.

Через високу хімічну активність титану при високих температурах зварювання його ведуть в атмосфері інертних газів(гелію, аргону). При цьому захищати від взаємодії з атмосферою та газами необхідно не тільки розплавлений метал шва, але всі сильно нагріті частини виробів, що зварюються.

Великі технологічні проблеми виникають при виробництві з титану та його сплавів виливків.

СПЛАВИ ТИТАНУ

Багато сплавів титану з іншими елементами є перспективнішими матеріалами, ніж технічний титан.

Основними легуючими елементами у промислових титанових сплавах є ванадій, молібден, хром, марганець, мідь, алюміній та олово. Практично ж титан утворює сплави з усіма металами, крім лужноземельних, і навіть з кремнієм, бором, воднем, азотом і киснем.

Наявність поліморфних перетворень титану, хороша розчинність багатьох елементів у титані та утворення хімічних сполук, що мають змінну розчинність у титані, дозволяють отримати широку гаму титанових сплавів з різноманітними властивостями.

Залежно від характеру впливу на поліморфні перетворення титану, всі елементи можна розбити на три групи:

стабілізуючі α-фазу (алюміній);

що підвищують стабільність β-фази (хром, марганець, залізо, мідь, нікель, берилій, вольфрам, кобальт, ванадій, молібден, ніобій, тантал);

легуючі, що мало впливають на стабільність α- і β-фаз (олово, цирконій, германій).

Титанові сплави, леговані елементами, що підвищують стабільність -фази, зазвичай не зміцнюються термічною обробкою. Сплави, леговані елементами, що підвищують стабільність -фази, значно зміцнюються в результаті термічної обробки.

Титанові сплави можна піддавати всім основним видам термічної обробки: гартуванню, відпалу, старінню, відпустці, хіміко-термічній обробці. Найчастіше застосовують відпал.

Сплави титану з алюмінієммають меншу щільність і більшу питому міцність, ніж чистий чи технічно чистий титан. За питомою міцністю метали титану з алюмінієм перевершують багато нержавіючі і теплостійкі метали в інтервалі 400—500°С. Сплави титану з алюмінієм мають більш високу жароміцність і більш високий опір повзучості, ніж багато інших сплавів титану.

Алюміній підвищує модуль нормальної пружності титану.

Сплави титану з алюмінієм не піддаються корозії і слабко окислюються за високих температур. Це дозволяє проводити гарячу обробку сплавів при більш високих нагріваннях, ніж нелегованого титану. Вони мають гарну зварюваність, причому навіть при значному вмісті алюмінію матеріал шва і навколошовної зони не набуває крихкості. Добавка алюмінію зменшує пластичність титану. Найбільш інтенсивно цей вплив позначається при вмісті алюмінію понад 7,5%.

Добавка олова в сплави титану з алюмінієм підвищує характеристики сплаву. При концентрації у таких сплавах олова до 5% помітного зниження пластичних властивостей немає. Крім того, добавка олова в сплави титану з алюмінієм підвищує їх опір окислення і повзучості. Сплави, що містять 4-5% Аl та 2-3% Sn, зберігають значну механічну міцність до 500°С.

Цирконій не надає великого впливуна механічні властивостісплавів титану з алюмінієм, але його присутність сприяє збільшенню опору повзучості та підвищенню тривалої міцності. Цирконій є цінним компонентом титанових сплавів.

Основою отримання високожароміцних титанових сплавів є сплав, що містить —36% А1. Добавки до цього сплаву інших легуючих елементів дають жароміцні матеріали, що мають високу міцність при 1000°С і вище і хороші технологічні властивості.

Сплав ВТ5прокочується, штампується і кується в гарячому стані, зварюється аргоно-дуговий і контактним зварюванням, задовільно обробляється різанням, має гарну корозійну стійкість у концентрованій азотній кислоті та морській воді. З цього металу виготовляють деталі, що працюють при температурах до 400°С. Він володіє низькими антифрикційними властивостями і непридатний для виготовлення деталей, що труться. Сплав ВТ5 поставляється у вигляді листів, прутків, пакувань, труб та дроту.

Сплави типу ВТ5-1призначаються виготовлення деталей, які працюють при температурах до 500°З тривалих навантаженнях і до 900°С при короткочасних навантаженнях. Вони досить пластичні при гарячій обробці тиском і можуть виготовлятися у вигляді листів, смуг, плит, поковок, штампувань, пресованих профілів, труб і дроту, добре зварюються і мають високу корозійну стійкість в атмосфері і розчинах кухонної солі при циклічних навантаженнях.

Сплав ВТ4призначений в основному для виготовлення листів, стрічок та смуг. Для деталей простої форми допускається штампування у холодному стані. При штампуванні деталей складнішої форми потрібно підігрів до 500°С. Сплав має задовільну оброблюваність різанням і зварюється аргоно-дуговим зварюванням. По корозійній стійкості сплав ВТ4 близький до сплавів ВТ5. Зі сплаву ВТ4 виготовляють деталі, що працюють при температурах до 350°С.

Сплав ОТ4за властивостями та областями застосування аналогічний сплаву ВТ4.

Сплав ВТ 10володіє високим опором повзучості та високою термічною стійкістю. Він задовільно зварюється всіма видами зварювання і призначений для виготовлення деталей, працюю-

тих при температурах до 500°С. Зі сплаву ВТ10 готують поковки, штампування прутки та смуги.

Сплави ВТ5, ВТ5-1, ВТ4, ОТ4 і ВТ10 при кімнатній температурі зберігають кристалічні ґрати, властиві модифікації α-титану. Найчастіше ці сплави застосовують у отожженном стані. Температура їх відпалу вище температури відпалу технічного титану. Як сплав з α-структурою можна розглядати і технічний титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1, ВТ1-2).

Титанові сплави з термодинамічно стійкою β-фазоюможна отримати лише за високих концентраціях легуючих елементів (ванадія, молібдену, ніобію, танталу та інших.). Однак при цьому губиться одна з основних переваг титанових сплавів відносно мала щільність. Це є основною причиною того, що титанові сплави зі стабільною β-фазою не набули широкого поширення.

Титанові сплави зі структурою, представленою однією β-фазою, можна механічно отримати загартуванням титанових сплавів, що містять досить високу концентрацію перехідних елементів. До таких сплавів відноситься сплав ВТ 15, що містить 3-4% А1, 7-8% Мо і 10-15% Сr. Після загартування з 760-780 ° С і старіння при 450 - 480 ° Сплав має тимчасовий опір 130-150 кг/мм2, це еквівалентно стали з тимчасовим опором 255 кг/мм2. Однак, ця міцність не зберігається при нагріванні, що є основним недоліком зазначених сплавів. Сплав поставляється у вигляді листів, прутків та поковок.

Найкраще поєднання властивостей досягається в сплавах, що складаються з суміші - і -фаз. Неодмінним компонентом майже всіх таких сплавах є алюміній. Вміст у сплавах алюмінію не тільки розширює область температур, при яких зберігається стабільність -фази, але підвищує і термічну стабільність -фази. Крім того, алюміній зменшує щільність сплаву і цим компенсує збільшення щільності, пов'язане з введенням важких легуючих елементів.

Зі сплаву ВТ6 виготовляють листи, прутки, поковки та штампування. Вони мають гарну міцність і пластичність. Температура нагрівання сплаву під час обробки тиском зазвичай не перевищує 1000°С. Деталі зі сплаву ВТ6 можна з'єднувати точковим, стиковим та аргоно-дуговим зварюванням у захисній атмосфері. Для відновлення пластичності металу після зварювання потрібно відпалити при 700—800°С. Сплави цього типу задовільно обробляються різанням, мають високу корозійну стійкість у вологій атмосфері і в морській воді. Міцність сплавів підвищується після гарту з наступним старінням при 450-550 ° С. Сплави мають гарну термічну стабільність.

До сплавів групи ВТ6 можна віднести і BT5 сплав. Цей сплав, крім алюмінію та молібдену, легується невеликою кількістю кремнію. Сплав у гарячому стані добре піддається прокатці, штампування та кування. Кування здійснюється при 900 - 1000 ° С. Сплав має також високу корозійну стійкість і термічну стабільність і опір повзучості. Він задовільно обробляється різанням і добре зварюється точковим, роликовим і стиковим зварюванням. Застосовують сплав головним чином термічно обробленому стані.

Самостійну групу сплавів складають сплави ВТ3 та ВТ3-1. Ці сплави мають більшу термохімічну стабільність порівняно зі сплавами типу ВТ6. Сплав ВТ3-1, що містить, крім алюмінію і хрому, молібден, має більш високу термічну стабільність і меншу схильність до прояву крихкості при нагріванні, ніж сплав ВТ3, і має більш дрібнозернисту структуру.

Титанові сплави, що складаються із суміші α- та β-фаз, застосовують у відпаленому або стабілізованому стані.

Для сплаву ВТ3 рекомендується проводити відпал при 750±10°З охолодження на повітрі, для сплаву ВТ3-1 гомогенізацію при 870 ±10°С, охолодження з піччю до 650°С, витримку при цій же температурі приблизно 1 год і наступне охолодження; для сплаву ВТ6 - відпал при 80 ± 10 ° С та охолодження на повітрі; для сплаву ВТ8 - гомогенізацію при 800 ± 10 ° С протягом 1 год, охолодження на повітрі до 590 ± 10 ° С, витримку 1 год, охолодження на повітрі. Ефект від термічного зміцнення сплавів ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ6 та ВТ8 відносно невеликий.

Для сплаву ВТ 14 термічної обробкою, що зміцнює, є загартування у воді з 860-880°С з подальшим старінням при 480-500°С. Відпал цього сплаву, що забезпечує отримання високої пластичності та задовільної міцності, проводиться нагріванням до 750-850 ° С з подальшим охолодженням на повітрі. Сплав ВТ 14 чутливий до перегріву в процесі гарячої обробки тиском та термічної обробки. При нагріванні вище 920-930 ° С різко погіршуються його механічні властивості. У зв'язку з цим гарячу деформацію сплаву ВТ 14 доцільно проводити при температурах трохи більше 930°С.

В даний час розроблені титанові сплави, що володіють у загартованому стані високою пластичністю, необхідною для виготовлення складних деталей, і сильно зміцнюються при подальшому старінні або відпустці.

Практично всі титанові сплави, що деформуються, можуть застосовуватися як ливарні матеріали. Найчастіше виготовлення деталей методом лиття застосовується сплав ВТ6 і технічний титан (ВТ1-1). Метал для фасонного лиття виплавляють у вакуумних дугових печах з графітовим тиглем, покритим гарнісажем. Заливка металу та охолодження форм виробляються або в атмосфері інертних газів, або у вакуумі. Форми виготовляють з графіту, керамічних матеріалівабо металів, які не взаємодіють з титаном та титановими ливарними сплавами.

Широке застосування знаходить карбід титану TiC та сплави на основі карбіду титану. Карбід титану має велику твердість і дуже високу температуру плавлення, що і визначає основні області його застосування. Карбід титану давно застосовують як компонент твердих сплавів для різального інструменту та штампів. Особливо ефективно використання ріжучого інструменту, що містить карбід титану, для в'язких матеріалів. Типовими титансодержащими твердими сплавами для ріжучого інструменту є сплави Т5КЮ, Т5К7, Т14К8, Т15К6, Т30К4 (перша цифра відповідає вмісту карбіду титану, а друга - вмісту цементуючого металевого кобальту в %. Карбід титану застосовують так як у цементованому вигляді.

Температура плавлення титану карбіду >3000°С. Він має велику електропровідність, а при низьких температурах- Надпровідністю. Повзучість титану незначна мала до температури 1800°С. При кімнатній температурі він тендітний. Карбід титану стійок у холодних та гарячих кислотах — соляній, сірчаній, фосфорній, щавлевій, на холоді — у хлорній кислоті, а також у сумішах деяких кислот.

Багато методів одержання чистого карбіду титану зводяться до хімічного відділення карбіду з навуглероженого феросплаву. Однак найбільше практичне значеннямає метод навуглерожування порошкоподібного металевого титану або двоокису титану нижче за температуру плавлення складових. Прикладом такого методу може бути прожарювання двоокису титану з сажею у вугільних патронах. Значна кількість карбіду титану виходить у вигляді проміжного продукту при виготовленні чотирихлористого титану.

Велике поширення набули жаростійкі матеріали на основі карбіду титану, легованого молібденом, танталом, ніобієм, нікелем, кобальтом та іншими елементами. Легування карбіду титану металами дозволяє отримати матеріали, в яких поєднуються велика міцність, опірність повзучості та окислення при високих температурах карбіду титану з пластичністю та опором тепловому удару металів. На цьому принципі засновано отримання жаростійких матеріалів на основі інших карбідів, а також боридів, силіцидів, які об'єднуються під загальною назвою кераміко-металевих матеріалів.

Сплави на основі карбіду титану зберігають досить високу жароміцність до 1000-1100°С. Ці сплави мають високу зносостійкість і стійкість проти корозії. Ударна в'язкість сплавів на основі карбіду титану мала, і це є основною перешкодою для їх поширення.

Карбід титану і сплави карбіду титану з карбідами інших металів застосовують як вогнетривкі матеріали. Тиглі з карбіду титану та сплаву карбіду титану з карбідом хрому не змочуються і практично не взаємодіють протягом тривалого часу з розплавленим оловом, вісмутом, свинцем, кадмієм та цинком. Не змочують карбід титану розплавлена ​​мідь при 1100-1300 ° С та срібло при 980 ° С у вакуумі, алюміній при 700 ° С в атмосфері аргону. Сплави на основі карбіду титану з карбідом вольфраму або карбідом танталу з добавкою до 15% при 900-1000° протягом тривалого часу майже не піддаються дії розплавленого натрію і вісмуту.

Для приготування сплавів на основі карбіду титану складові їх розмелюються разом дуже високого ступеня дисперсності і потім суміші пресують із застосуванням пластифікатора в задані форми. Отримані таким чином заготовки спікають за високих температур. Композиції на основі карбіду практично не мають ковкості. Злегка спечені пресування можна обробляти на токарному верстаті алмазним інструментом, а складні деталі. абразивними колами. Після остаточного спікання матеріал обробляється лише шліфуванням. Методом видавлювання з маси на основі карбіду титану можна виготовити труби, стрижні, листи та вироби складного перерізу. Більш щільний продукт можна отримати шляхом гарячого пресування. Основним вихідним матеріаломдля отримання компактного титану і напівфабрикатів титану є губчастий титан (титанова губка), одержувана різними методами з титанової сировини.

Вічний, загадковий, космічний, - всі ці та багато інших епітетів присвоюються в різних джерелахтитану. Історія відкриття цього металу була тривіальною: одночасно над виділенням елемента в чистому виглядіпрацювали кілька вчених. Процес вивчення фізичних, хімічних властивостей та визначення областей його застосування на сьогоднішній день. Титан - метал майбутнього, місце у житті ще остаточно не визначено, що дає сучасним дослідникам величезний простір для творчості та наукових пошуків.

Характеристика

Хімічний елемент позначається у періодичній таблиці Д. І. Менделєєва символом Ti. Розташовується в побічній підгрупі IV групи четвертого періоду і має порядковий номер 22. титан - метал біло-сріблястого кольору, легкий та міцний. Електронна конфігурація атома має наступну структуру: +22) 2) 8) 10) 2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2 . Відповідно, титан має кілька можливих ступенів окислення: 2, 3, 4, у найбільш стійких сполуках він чотиривалентний.

Титан – сплав чи метал?

Це питання цікавить багатьох. 1910 року американський хімік Хантер отримав вперше чистий титан. Метал містив лише 1 % домішок, та заодно його кількість виявилося мізерно мало і давало можливості подальшого дослідження його властивостей. Пластичність отриманої речовини досягалася тільки під впливом високих температур, за нормальних умов (кімнатної температури) зразок був дуже крихкий. Фактично, цей елемент не зацікавив вчених, оскільки перспективи його використання здавалися надто невизначеними. Складність отримання та дослідження ще більше знизили потенціал його застосування. Лише у 1925 році вчені-хіміки з Нідерландів І. де Бур та А. Ван-Аркел отримали метал титан, властивості якого привернули увагу інженерів та конструкторів усього світу. Історія дослідження цього елемента починається з 1790 року, саме в цей час паралельно, незалежно один від одного, двоє вчених відкривають титан як хімічний елемент. Кожен з них отримує сполуку (оксид) речовини, не зумівши виділити метал у чистому вигляді. Першовідкривачем титану вважається англійський мінеролог монах Вільям Грегор. На території свого приходу, розташованого в південно-західній частині Англії, молодий вчений розпочав вивчення чорного піску долини Менакена. Результатом стало виділення блискучих крупинок, які були сполукою титану. У той же час у Німеччині хімік Мартін Генріх Клапрот виділив нову речовину з мінералу рутиле. У 1797 році він довів, що відкриті паралельно елементи є аналогічними. Двоокис титану більше століття була загадкою для багатьох хіміків, отримати чистий метал виявилося не під силу навіть Берцеліусу. Нові технології XX століття значно прискорили процес вивчення згаданого елемента та визначили початкові напрямки його використання. При цьому сфера застосування постійно розширюється. Обмежити її рамки може лише складність процесу одержання такої речовини, як чистий титан. Ціна сплавів та металу досить висока, тому на сьогоднішній день він не може витіснити традиційне залізо та алюміній.

походження назви

Менакін - перша назва титану, яка застосовувалася до 1795 року. Саме так, за територіальною належністю назвав новий елемент У. Грегор. Мартін Клапрот присвоює елементу в 1797 найменування «титан». У цей час його французькі колеги на чолі з досить авторитетним хіміком А. Л. Лавуазьє пропонують іменувати знову відкриті речовини відповідно до їх основних властивостей. Німецький вчений не був згоден з таким підходом, він цілком обґрунтовано вважав, що на стадії відкриття досить складно визначити всі характеристики, властиві речовині та відобразити їх у назві. Проте слід визнати, що інтуїтивно обраний Клапротом термін повною мірою відповідає металу – це неодноразово наголошували сучасні вчені. Існують дві основні теорії виникнення назви титану. Метал міг бути позначений на честь ельфійської цариці Титанії (персонаж німецької міфології). Така назва символізує одночасно легкість та міцність речовини. Більшість вчених схиляються до версії використання давньогрецької міфології, у якій титанами називали могутніх синів богині землі Геї. На користь цієї версії говорить і назва відкритого елемента - урану.

Знаходження у природі

З металів, які у технічному відношенні представляють цінність для людини, титан займає четверте місце за ступенем поширеності у земній корі. Великим відсотковим вмістом у природі характеризуються лише залізо, магній та алюміній. Найбільший вміст титану відзначено у базальтовій оболонці, трохи менше його у гранітному шарі. У морській воді вміст цієї речовини невисокий - приблизно 0,001 мг/л. Хімічний елемент титан є досить активним, тому в чистому вигляді його зустріти неможливо. Найчастіше він є у сполуках з киснем, у своїй має валентність, рівну чотирьом. Кількість мінералів, що містять титан, варіюється від 63 до 75 (у різних джерелах), при цьому на сучасному етапі досліджень вчені продовжують відкривати нові форми його сполук. Для практичного використаннянайбільше значення мають такі мінерали:

1. Ільменіт (FeTiO 3).
2. Рутил (TiO 2).
3. Титаніт (CaTiSiO 5).
4. Перовскіт (CaTiO 3).
5. Титаномагнетит (FeTiO 3 +Fe 3 O 4) і т.д.

Усі існуючі титановмісні руди ділять на розсипні та основні. Цей елемент є слабким мігрантом, він може подорожувати лише у вигляді обломів каменів або переміщення мулистих придонних порід. У біосфері найбільше титану міститься у водоростях. У представників наземної фауни елемент накопичується у рогових тканинах, волоссі. Для людського організмухарактерна присутність титану в селезінці, надниркових залозах, плаценті, щитовидній залозі.

Фізичні властивості

Титан – кольоровий метал, що має сріблясто-біле забарвлення, зовні нагадує сталь. При температурі 0 0 його щільність становить 4,517 г/см 3 . Речовина має низьку питому масу, що притаманно лужних металів (кадмій, натрій, літій, цезій). По щільності титан займає проміжну позицію між залізом та алюмінієм, при цьому його експлуатаційні характеристики вищі, ніж обидва елементи. Основними властивостями металів, які враховуються щодо сфери їх застосування, є і твердість. Титан міцніший за алюміній у 12 разів, заліза та міді - у 4 рази, при цьому він значно легший. Пластичність і межа його плинності дозволяють робити обробку при низьких і високих температурних значеннях, як і у випадку з іншими металами, тобто методами клепки, кування, зварювання, прокату. Відмітна характеристика титану - його низька тепло-і електропровідність, при цьому дані властивості зберігаються при підвищених температурах, аж до 500 0 С. У магнітному полі титан є парамагнітним елементом, він не притягується як залізо і не виштовхується, як мідь. Дуже високі антикорозійні показники агресивних середовищахі при механічних впливівунікальні. Понад 10 років перебування у морській воді не змінили зовнішнього вигляду та складу пластини з титану. Залізо у разі було знищено корозією повністю.

Термодинамічні властивості титану

1. Щільність (за нормальних умов) становить 4,54 г/см 3 .
2. Атомний номер – 22.
3. Група металів – тугоплавкий, легкий.
4. Атомна маса титану – 47,0.
5. Температура кипіння (0С) – 3260.
6. Молярний об'єм см3/моль - 10,6.
7. Температура плавлення титану (0С) – 1668.
8. Питома теплота випаровування (кДж/моль) – 422,6.
9. Електроопір (при 20 0 С) Ом * см * 10 -6 - 45.

Хімічні властивості

Підвищена стійкість корозійного елемента пояснюється утворенням на поверхні невеликої оксидної плівки. Вона запобігає (за нормальних умов) з газами (кисень, водень), що знаходяться в навколишній атмосфері такого елемента, як метал титан. Властивості його змінюються під впливом температури. За її підвищенні до 600 0 З відбувається реакція взаємодії з киснем, у результаті утворюється оксид титану (TiO 2). У разі поглинання атмосферних газівутворюються крихкі сполуки, які не мають жодного практичного застосування, саме тому зварювання та плавлення титану виробляються в умовах вакууму. Оборотною реакцією є процес розчинення водню в металі, він більш активно відбувається при підвищенні температури (від 400 0 С і вище). Титан, особливо його дрібні частинки (тонка пластина чи дріт), згоряє в атмосфері азоту. Хімічна реакція взаємодії можлива лише за температури 700 0 З, у результаті утворюється нітрид TiN. З багатьма металами формує високотверді сплави, що часто є легуючим елементом. В реакцію з галогенами (хром, бром, йод) вступає лише за наявності каталізатора (високої температури) та за умови взаємодії із сухою речовиною. При цьому утворюються дуже тверді сплави тугоплавкі. З розчинами більшості лугів та кислот титан хімічно не активний, винятком є ​​концентрована сірчана (при тривалому кип'ятінні), плавикова, гарячі органічні (мурашина, щавлева).

Місце народження

Найбільш поширені у природі ільменітові руди – їх запаси оцінюються у 800 млн тонн. Поклади рутилових родовищ набагато скромніші, але загальний обсяг - за збереження зростання видобутку - повинен забезпечити людство на найближчі 120 років таким металом, як титан. Ціна готового продукту залежатиме від попиту та підвищення рівня технологічності виробництва, але в середньому варіюється в діапазоні від 1200 до 1800 руб/кг. У разі постійного технічного вдосконалення значно знижується собівартість всіх виробничих процесівза їх своєчасної модернізації. Найбільші запаси мають Китай і Росія, також мінерально-сировинну базу мають Японія, ПАР, Австралія, Казахстан, Індія, Південна Корея, Україна, Цейлон. Родовища відрізняються обсягами видобутку та відсотковим вмістом титану в руді, геологічні дослідження продовжуються постійно, що дає можливість припускати зниження ринкової вартості металу та його ширше застосування. Росія на сьогоднішній день є найбільшим виробником титану.

Отримання

Для виробництва титану найчастіше використовується його діоксид, що містить мінімальну кількість домішок. Його одержують шляхом збагачення концентрацій ільменіту або рутилових руд. У електродуговій печі відбувається термічна обробка руди, що супроводжується відділенням заліза та утворенням шлаку, що містить оксид титану. Сірчанокислий або хлоридний метод застосовується для обробки вільної від заліза фракції. Оксид титану є порошком сірого кольору(Див. фото). Метал титан виходить під час його поетапної обробки.

Першою фазою є процес спікання шлаку з коксом та впливу парами хлору. Отриманий TiCl 4 відновлюють магнієм або натрієм при температурі 850 0 С. Титанова губка (пориста сплавлена ​​маса), отримана в результаті хімічної реакціїочищається або переплавляється в зливки. Залежно від подальшого напряму використання формується сплав або метал у чистому вигляді (домішки видаляються шляхом нагрівання до 1000 0 С). Для виробництва речовини з часткою домішок 0,01% використовують йодидний метод. Він ґрунтується на процесі випарювання з титанової губки, попередньо обробленої галогеном, його пари.

Сфера застосування

Температура плавлення титану є досить високою, що при легкості металу є неоціненною перевагою використання його як конструкційний матеріал. Тому найбільше застосування він знаходить у суднобудуванні, авіаційній промисловості, виготовленні ракет, хімічних виробництвах. Титан досить часто використовують як легуючу добавку в різних сплавах, які мають підвищені характеристики твердості і жароміцності. Високі антикорозійні властивості та здатність витримувати більшість агресивних середовищ роблять цей метал незамінним для хімічної промисловості. З титану (його сплавів) виготовляють трубопроводи, ємності, запірну арматуру, фільтри, що використовуються при перегонці та транспортуванні кислот та інших хімічно активних речовин. Він затребуваний під час створення приладів, які працюють у умовах підвищених температурних показниках. З'єднання титану використовуються для виготовлення міцного різального інструменту, фарб, пластику та паперу, хірургічних інструментів, імплантатів, ювелірних виробів, оздоблювальних матеріалів, застосовується у харчовій промисловості. Усі напрямки складно описати. Сучасна медицина через повну біологічну безпеку часто використовує метал титан. Ціна - це єдиний фактор, який поки що впливає на широту застосування цього елемента. Справедливим є твердження, що титан – матеріал майбутнього, вивчаючи який, людство перейде на новий етапрозвитку.

Титанові сплави - знаємо подробиці

Метал титан - поширений у природі метал, у земній корі його більше, ніж міді, свинцю та цинку. При щільності 4,51 г/см3 титан має міцність 267...337 МПа, яке сплави-до 1 250 МПа. Це тьмяно-сірий метал з температурою плавлення 1668 0С, корозійно стійкий при нормальній температурінавіть у сильних агресивних середовищах, але дуже активний при нагріванні понад 400 0С. У кисні здатний до самозаймання. Бурхливо реагує з азотом. Окислюється водяною парою, вуглекислим газом, поглинає водень. Теплопровідність титану більш ніж удвічі нижча, ніж у вуглецевої сталі. Тому при зварюванні титану, незважаючи на його високу температуру плавлення, потрібно менше тепла.

Титан може бути у вигляді двох основних стабільних фаз, що відрізняються будовою кристалічної решітки. При нормальній температурі він існує у вигляді α-фази з дрібнозернистою структурою, не чутливою до швидкості охолодження. При температурі вище 882 0С утворюється -фаза з великим зерном і високою чутливістю до швидкості охолодження. Легуючі елементи та домішки можуть стабілізувати α-фазу (алюміній, кисень, азот) або β-фазу (хром, марганець, ванадій). Тому сплави титану умовно поділяють три групи: α, α + β і β сплави. Перші (ВТ1, ВТ5-1) термічно не зміцнюються, пластичні, мають гарну зварюваність. Другі (ВІД4, ВТЗ, ВТ4, ВТ6, ВТ8) при малих добавках β-стабілізаторів також добре зварюються. Вони термічно обробляються. Сплави з β-структурою, наприклад, ВТ15, ВТ22, зміцнюються термообробкою. Вони зварюються гірше, схильні до зростання зерен та холодних тріщин.
При кімнатній температурі поверхню титану розчиняє кисень, утворюється його твердий розчин α-титані. Виникає шар насиченого розчину, який оберігає титан від подальшого окиснення. Цей шар називають ал'фірованим. При нагріванні титан вступає у хімічну сполуку з киснем, утворюючи ряд оксидів від Ti6O до TiO2. У міру окислення змінюється забарвлення оксидної плівки від золотисто-жовтої до темно-фіолетової, що переходить у білу. За цими кольорами в навколошовній зоні можна судити про якість захисту металу під час зварювання. З азотом титан, взаємодіючи активно при температурі понад 500 0С, утворює нітриди, що підвищують міцність, але різко знижують пластичність металу. Розчинність водню в рідкому титані більша, ніж у сталі, але зі зниженням температури вона різко падає, водень виділяється з розчину. При затвердінні металу це може спричинити пористість та уповільнене руйнування зварних швівпісля зварювання. Усі титанові сплави не схильні до утворення гарячих тріщин, але схильні до сильного укрупнення зерна у металі шва та навколошовної зони, що погіршує властивості металу.
Технологія зварювання титанових сплавів

Через високу хімічну активність титанові сплави вдається зварювати дуговим зварюванням в інертних газах електродом, що не плавиться і плавиться, дуговим зварюванням під флюсом, електронним променем, електрошлаковим і контактним зварюванням. Розплавлений титан рідкий, шов добре формується при всіх способах зварювання.

Основні труднощі зварювання титану - це необхідність надійного захистуметалу, що нагрівається вище за температуру 400 0С, від повітря.

Дугове зварювання ведуть у середовищі аргону та його сумішах з гелієм. Зварювання з місцевим захистом роблять, подаючи газ через сопло пальника, іноді з насадками, що збільшують зону захисту. З зворотного бокустику деталей встановлюють мідні підкладні планки з канавкою, довжиною якої рівномірно подають аргон. При складної конструкціїдеталей, коли здійснити місцевий захист важко, зварювання ведуть спільним захистому камерах із контрольованою атмосферою. Це можуть бути камери-насадки для захисту частини вузла, що зварюється, жорсткі камери з металу або м'які з тканини з оглядовими вікнами і вбудованими рукавицями для рук зварювальника. У камери поміщають деталі, зварювальне оснащення та пальник. Для великих відповідальних вузлів застосовують жилі камери об'ємом до 350 м3, в яких встановлюють зварювальні автомати та маніпулятори. Камери вакуумуються, потім заповнюються аргоном, через шлюзи до них входять зварювальники у скафандрах.

Аргонодуговим зварюванням вольфрамовим електродом деталі завтовшки 0,5... 1,5 мм зварюють встик без зазору і без присадки, а товщиною понад 1,5 мм - з дротом присадки. Кромки деталей, що зварюються, і дріт повинні зачищатися так, щоб був знятий насичений киснем альфований шар. Дріт повинен пройти вакуумний відпал при температурі 900... 1000 0С протягом 4 год. Зварювання ведуть постійному струмі прямої полярності. Деталі завтовшки більше 10...15 мм можна зварювати за один прохід зануреною дугою. Після утворення зварювальної ванни збільшують витрату аргону до 40...50 л/хв, що призводить до обтиснення дуги. Потім електрод опускають у зварювальну ванну. Тиск дуги відтісняє рідкий метал, дуга горить всередині поглиблення, що утворилася, її проплавляюча здатність збільшується.
Вузький шов з глибоким проплавленням при зварюванні електродом, що не плавиться, в аргоні можна отримувати, застосовуючи флюси-пасти АН-ТА, АНТ17А на основі фтористого кальцію з добавками. Вони частково рафінують та модифікують метал шва, а також зменшують пористість.

Дугове зварювання титанових сплавів електродом, що плавиться (дротом діаметром 1,2...2,0 мм) виконують на постійному струмі зворотної полярності на режимах, що забезпечують дрібнокрапельне перенесення електродного металу. Як захисне середовище застосовують суміш з 20% аргону і 80% гелію або чистий гелій. Це дозволяє збільшити ширину шва та зменшити пористість.

Титанові сплави можна зварювати дуговим зварюванням під безкисневими фтористими флюсами сухої грануляції АНТ1, АНТЗ для товщини 2,5...8,0 мм та АНТ7 для товстішого металу. Зварювання ведуть електродним дротом діаметром 2,0...5,0 мм із вильотом електрода 14...22 мм на мідній або флюсомідній підкладці, або на флюсовій подушці. Структура металу в результаті модифікуючої дії флюсу виходить більш дрібнозернистою, ніж при зварюванні в інертних газах.

При електрошлаковому зварюванні використовують пластинчасті електроди з того ж титанового сплаву, що і деталь, що зварюється, товщиною 8...12 мм і шириною, що дорівнює товщині металу, що зварюється. Використовують тугоплавкі фторидні флюси АНТ2, АНТ4, АНТ6. Щоб крізь флюс не проникав кисень, шлакову ванну додатково захищають аргоном. Метал зони термічного впливу захищають, збільшуючи ширину формують водоохолоджуваних повзунів і продуваючи зазор між ними і деталлю аргон. Зварні з'єднання після електрошлакового зварювання мають крупнокристалічну структуру, але властивості їх близькі до основного металу. Перед електрошлаковим зварюванням, так само як і перед дуговою, флюси повинні бути прожарені при температурі 200...300 0С.

Електронно-променеве зварювання титанових сплавів забезпечує найкращий захистметалу від газів та дрібнозернисту структуру шва. Вимоги до збирання в порівнянні з іншими способами жорсткіше.

За всіх способів зварювання титанових сплавів не можна допускати перегріву металу. Потрібно застосовувати способи та прийоми, що дозволяють впливати на кристалізацію металу: електромагнітний вплив, коливання електрода або електронного променя поперек стику, ультразвуковий вплив на зварювальну ванну, імпульсний цикл дугового зварювання тощо. Все це дозволить отримувати дрібнішу структуру шва та високі властивості зварних з'єднань.

Характеристики металу титан та його застосування

Метал титан є легким сріблясто-білим металом. Титанові сплави мають легкість і міцність, високу корозійну стійкість і низький коефіцієнт теплового розширення. Крім того, титан – метал, який здатний зберігати свої властивості в діапазоні температур від – 290 до +600 градусів Цельсія.

Оксид цього металу вперше виявив у 1789 р. У. Грегор. Під час дослідження залізистого піску йому вдалося виділити окис невідомого до села металу, яким він дав назву менакенова. Один з перших зразків металевого титану був отриманий у 1825 р. Й. Я. Берцеліусом.

Особливості

У періодичної таблиці Менделєєва титан - елемент, що у 4-ой групі 4-ого періоду під номером 22. У найбільш стійких з'єднаннях даний елемент чотиривалентний. Своїм зовнішнім виглядомвін трохи нагадує сталь і відноситься до перехідних елементів. Температура плавлення титану 1668±4°С, а кипить при 3300 градусах Цельсія. Що стосується прихованої теплоти плавлення та випаровування цього металу, то вона майже в 2 рази більша, ніж у заліза.

Титан – метал сріблястого відтінку.
Сьогодні є дві алотропічні модифікації титану. Перша – низькотемпературна альфа-модифікація. Друга – високотемпературна бета-маодифікація. За щільністю, а також питомої теплоємностіцей метал займає місце між алюмінієм та залізом.

Характеристика титану має ряд позитивних особливостей. Механічна міцність його вдвічі більша від чистого заліза і в шість разів вища за алюміній. Однак, титан здатний поглинати кисень, водень та азот. Вони можуть різко знижувати його пластичні властивості. Якщо титан поєднується з вуглецем, то утворюються тугоплавкі карбіди, які мають високу твердість.

Титану властива низька теплопровідність, яка у 4 рази менша, ніж у алюмінію, та у 13 разів, ніж у заліза. Також титан має досить високий питомий електроопір.

Титан є парамагнітним металом, а як відомо, парамагнітні речовини мають магнітну сприйнятливість, яка падає при нагріванні. Проте, титан – виняток, оскільки його сприйнятливість лише збільшується із температурою.

Переваги:
Мала щільність, що сприяє зменшенню маси матеріалу;
Висока механічна міцність;
Висока корозійна стійкість;
Висока питома міцність.

Недоліки:
Висока вартістьвиробництва;
Активна взаємодія з усіма газами, через що плавлять його лише у вакуумі чи середовищі інертних газів;
Погані антифрикційні властивості;
Труднощі залучення у виробництво титанових відходів;
Схильність до сольової корозії, водневої крихкості;
Досить погана оброблюваність різанням;
p align="justify"> Велика хімічна активність.

Використання

Застосування титану найбільше затребуване у виробництві ракетної та авіаційної техніки, морському суднобудуванні.

Кільця
Його використовують як легуючу домішку до якісних сталей. Технічний титан витрачається на виготовлення ємностей та хімічних реакторів, трубопроводів та арматури, насосів та клапанів, плюс до всього виробів, що функціонують в агресивних середовищах. Компактний титан застосовується для виготовлення сіток та інших деталей електровакуумних приладів, що працюють у високих температурах.

Механічна міцність, корозійна стійкість, питома міцність, жароміцність та інші властивості титану дозволяють широко застосовувати його в техніці. Висока вартість цього металу та сплавів компенсується великою працездатністю. У деяких ситуаціях титанові сплави є єдиними для виготовлення того чи іншого обладнання або конструкцій, здатних працювати в конкретних умовах.

Спочатку видобуток титану вироблялася потреб виробництва барвників. Однак, використання цього металу як конструкційний матеріал призвело до розширення видобутку титанової руди, а також пошуку та освоєння нових родовищ.

Брусок чистого (99,995%) титану
У минулому титан був побічним продуктом, а часто перешкоджав, наприклад, видобутку залізняку. Сьогодні ж рудники експлуатуються лише отримання цього металу, як головного продукту.

Щоб добувати титанову руду, не потрібно мати будь-яку спеціальну і проводити складні операції. Якщо титанові мінерали знаходять у піщаних родовищах, то вони збираються за допомогою землесосних снарядів, проходячи через які вони потрапляють на баржі, а ті в свою чергу доставляють їх на збагачувальну установку. Але якщо ж мінерали титану знаходять у гірських породах, то тут уже не використовують навіть гірниче обладнання.

Руда подрібнюється для забезпечення ефективного розподілу мінеральних компонентів. Після того, щоб відокремити ільменіт від сторонніх матеріалів застосовується волога магнітна сепарація малої інтенсивності. Потім залишковий ільменіт збагачується за допомогою гідравлічних класифікаторів та столів. Потім збагачення проводиться методом сухої магнітної сепарації, що має високу інтенсивність.

Властивість металу титан та його місце у продуктах

Титан – хімічний елемент, досить поширений у природі. Це метал, сріблясто-сірий та твердий; він входить до складу багатьох мінералів, і добувати його можна майже скрізь - Росія посідає друге місце у світі з видобутку титану.

Багато титану в титаністому залізняку – ільменіті, що відноситься до складних оксидів, і золотисто-червоному рутилу, що є поліморфною (різноманітною і здатною існувати в різних кристалічних структурах) модифікацією двоокису титану – хімікам відомо три такі природні сполуки.

Титан часто зустрічається в гірських породах, але в ґрунтах, особливо піщаних, його ще більше. Серед гірських порід, що містять титан, можна назвати перовскіт - він вважається досить поширеним; титаніт – силікат титану та кальцію, якому приписуються лікувальні та навіть магічні властивості; анатаз - також поліморфна сполука - простий оксид; і брукіт - гарний кристал, що часто зустрічається в Альпах, а в нас, в Росії - на Уралі, Алтаї та в Сибіру.

Заслуга відкриття титану належить відразу двом вченим – німцю та англійцю. Англійський учений Вільям Мак-Грегор не був хіміком, але мінералами дуже цікавився, і одного разу, наприкінці XVIII століття, виділив із чорного піску Корнуелла невідомий метал, і невдовзі написав про нього статтю.

Цю статтю читав відомий німецький учений, хімік М.Г. Клапрот, і він через 4 роки після Мак-Грегора виявив оксид титану (так він назвав цей метал, а англійці називали його менаккіном – за назвою місця, де його знайшли) у червоному піску, поширеному в Угорщині. Коли вчений порівняв сполуки, знайдені у чорному та червоному піску, вони виявилися оксидами титану – отже цей метал було відкрито обома вченими незалежно.

До речі, назва металу не має жодного відношення до давньогрецьких богів Титанів (хоча є і така версія), а назвали його на честь Титанії – цариці фей, про яку писав Шекспір. Ця назва пов'язується з легкістю титану – його надзвичайно низькою щільністю.

Після цих відкриттів багато вчених не раз намагалися виділити чистий титан з його сполук, але в XIX столітті це вдавалося погано - навіть великий Менделєєв вважав цей метал рідкісним, і тому цікавим тільки для «чистої» науки, а не для застосування в практичних цілях. Але вчені XX століття зрозуміли, що титану в природі багато - близько 70 мінералів містять його у своєму складі, і сьогодні відомо безліч таких родовищ. Якщо говорити про метали, що широко використовуються людиною в техніці, то можна знайти лише три, яких у природі більше, ніж титану – це магній, залізо та алюміній. Хіміки ще кажуть, що якщо кількісно об'єднати всі запаси міді, срібла, золота, платини, свинцю, цинку, хрому та ще деяких металів, на які багата Земля, то титану вийде більше, ніж їх усіх.

Виділяти зі сполук чистий титан хіміки навчилися лише 1940 року – це зробили американські вчені.
Багато властивостей титану вже вивчені, і він застосовується у різних сферах науки і промисловості, але ми тут не будемо докладно розглядати цей бік його застосування – нам цікаве біологічне значення титану.

Використання титану в медицині та харчовій промисловості теж нас цікавить - у цих випадках титан надходить безпосередньо в організм людини, або контактує з ним. Одна з властивостей цього металу дуже тішить: вчені, в тому числі і медики, вважають титан безпечним для людини, хоча при надмірному надходженні в організм можуть виникати хронічні легеневі захворювання.
Титан у продуктах

Титан є у морській воді, тканинах рослин та тварин, а значить, і в продуктах рослинного та тваринного походження. Рослини одержують титан із ґрунту, на якому ростуть, а тварини одержують його, поїдаючи ці рослини, проте спочатку – вже у XIX столітті – хіміки відкрили титан в організмі тварин, а вже потім у рослинах. Ці відкриття знову були зроблені англійцем та німцем – Г. Різом та А. Адергольдом.

В організмі людини титану близько 20 мг, і надходить він зазвичай із продуктами харчування та водою. Титан є в яйцях і молоці, в м'ясі тварин і рослинах - їх листі, стеблах, плодах і насінні, але взагалі в продуктах харчування його небагато. Рослини, особливо водорості, містять більше титану, ніж тканин тварин; багато його в скарбниці - кущистої яскраво-зеленої водорості, що часто зустрічається в прісних водоймах і морях.
Значення титану для організму людини

Навіщо титан потрібен організму людини? Вчені кажуть, що його біологічна роль не з'ясована, але він бере участь у процесі утворення еритроцитів у кістковому мозку, у синтезі гемоглобіну та у процесі формування імунітету.

Титан є в головному мозку людини, у слуховому та зоровому центрах; у жіночому молоці він є завжди, причому у певних кількостях. Концентрації титану в організмі активізують обмінні процеси і покращують загальний склад крові, знижуючи в ній вміст холестерину та сечовини.

За добу людина отримує близько 0,85 мг титану, з водою та продуктами харчування, а також з повітрям, але у шлунково-кишковому тракті він всмоктується слабо – від 1 до 3%.

Для людини титан нетоксичний або малотоксичний, і про летальну дозу у медиків теж немає даних, але при регулярному вдиханні двоокису титану він накопичується в легенях, і тоді розвиваються хронічне захворювання, що супроводжуються задишкою та кашлем з мокротою – трахеїт, альвеоліт та ін. Накопичення титану разом з іншими, більш токсичними елементами, викликає запалення і навіть гранулематоз – тяжке захворюваннясудин, небезпечне життя.

Надлишок та нестача титану

Чим може пояснюватися надмірне надходження титану в організм? Оскільки, як сказано, титан застосовується у багатьох галузях науки і промисловості, надлишок титану і навіть отруєння їм часто загрожує робітникам різних виробництв: машинобудівних, металургійних, лакофарбових тощо. Найбільш токсичний хлорид титану: достатньо відпрацювати на такому виробництві близько 3-х років, не особливо дотримуючись техніки безпеки, і хронічні захворювання не забаряться.

Лікують такі захворювання зазвичай антибіотиками, піногасниками, кортикостероїдами, вітамінами; хворі повинні перебувати у спокої та отримувати рясне питво.

Дефіцит титану - як у людини, так і у тварин, не виявлено і не описано, і в цьому випадку можна припустити, що його дійсно не буває.

У медицині титан надзвичайно популярний: з нього роблять чудові інструменти, і при цьому доступні та недорогі – титан коштує від 15 до 25 доларів за кілограм. Люблять титан ортопеди, стоматологи та навіть нейрохірурги – і не дивно.

Виявляється, титан має цінну для медиків якість – біологічну інертність: це означає, що конструкції з нього чудово поводяться в організмі людини, і абсолютно безпечні для м'язових і кісткових тканин, якими вони обростають з часом. Структура тканин при цьому не змінюється: титан не схильний до корозії, а його механічні властивості дуже високі. Досить сказати, що у морській воді, яка за складом дуже близька до лімфи людини, титан може руйнуватися зі швидкістю 0,02 мм за 1000 років, а в розчинах лугів та кислот він за стійкістю схожий на платину.

Серед усіх використовуваних у медицині сплавів титанові відрізняються чистотою, і домішок у них майже немає, чого не можна сказати про кобальтові сплави або нержавіючу сталь.

Внутрішні та зовнішні протези, виготовлені з титанових сплавів, не руйнуються і не деформуються, хоча весь час витримують робочі навантаження: механічна міцність титану в 2-4 рази вища, ніж у чистого заліза, і в 6-12 разів вища, ніж у алюмінію.

Пластичність титану дозволяє робити з ним все, що завгодно – різати, свердлити, шліфувати, кувати за низьких температур, прокатувати – з нього виходить навіть тонка фольга.

Температура його плавлення, однак, досить висока - близько 1670 ° C.

Електропровідність у титану дуже низька, і він відноситься до немагнітних металів, тому пацієнтам з титановими конструкціями в організмі можна призначати фізіотерапевтичні процедури – це безпечно.

У харчовій промисловості використовується діоксид титану - як барвник, що позначається як Е171. Їм фарбують цукерки та жуйку, кондитерські виробита порошкові продукти, локшину, крабові палички, вироби з фаршу; їм же освітлюють глазурі та борошно.

У фармакології діоксидом титану забарвлюють ліки, а в косметології – креми, гелі, шампуні та інші засоби.

метал титан властивості металу титан характеристики металу титан