Свойства титана

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Его нейтральный атом состоит из ядра, заряд которого равен 22 ед. положительного электричества, и находиться вне ядра 22 электронов.

Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Устойчивых природных изотопов титана всего пять: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. Это установил в 1936 г. немецкий физик Ф. В. Астон. До его исследований считалось, что титан изотопов вообще не имеет. Природные устойчивые изотопы титана распределяются следующим образом (в отн. %): 46 Ti - 7,99; 47 Ti - 7,32; 48 Ti - 73,97; 49 Ti - 5,46; 50 Ti - 5,25.

Кроме естественных, титан может иметь и целый ряд искусственных изотопов, получаемых с помощью его радиоактивного облучения. Так, если бомбардировать титан нейтронами или α-частицами, можно получить радиоактивный изотоп титана 52 Ti с периодом полураспада - 41,9 мин, который дает β- и γ-излучения. Искусственно получены и другие изотопы титана (42 Ti, 43 Ti, 44 Ti, 45 Ti, 51 Ti, 52 Ti, 53 Ti, 54 Ti), некоторые из них сильнорадиоактивные, с различными сроками полураспада. Так, у изотопа 44 Ti период полураспада всего 0,58 с, а у изотопа 45 Ti - 47 лет.

Радиус ядра титана равен 5 фм. Вокруг положительно заряженного ядра титана на четырех орбитах К, L, М, N располагаются электроны: на К - два электрона, на L - восемь, на M - 10, на N - два. С орбит N и М атом титана может свободно отдавать по два электрона. Таким образом, наиболее устойчивый ион титана - четырехвалентный. Пятым электрон с орбиты М "вырвать" невозможно, поэтому титан никогда не бывает больше чем четырехвалентным ионом. В то же время с орбит N и М атом титана может отдавать не четыре, а три, два или один электрон. В этих случаях он становится трех-, двух- или одновалентным ионом

Титан различной валентности имеет неодинаковые ионные радиусы. Так, радиус иона Ti 4+ равен 64 пм, иона Ti 3+ - 69, Ti 2+ - 78, Ti 1+ - 95 пм.

Долгое время не могли точно определить атомную массу титана (атомный вес). В 1813 г. Й. Я. Берцелиус получил неправдоподобно завышенную величину - 288,16. В 1823 г. немецкий химик Генрих Розе установил, что атомный вес титана ранен 61,6. В 1829 г. ученый несколько раз уточнял величину: 50,63; 48,27 и 48,13. Ближе к истинным оказались измерения английского химика Т. Э. Торна - 48,09. Однако это значение продержалось до 1928 г., когда исследования химиков Бакстера и Бутлера дали окончательную величину атомного веса - 47,9. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследования его изотопов, составляет 47,926. Эта величина практически идентична значению интернациональных таблиц.

В периодической системе элементов Менделеева титан расположен в группе IVB, в которую, кроме него, входит цирконий, гафний, курчатовий. Элементы данной группы в отличие от элементов группы углерода (IVА) обладают металлическими свойствами. У соединений даже самого титана кислотообразующая способность выражена слабее, чем у любого элемента группы углерода. Хотя титан занимает самое верхнее место в своей подгруппе, он является наименее активным металлическим элементом. Так, двуокись титана амфотерна, а двуокиси циркония и гафния обладают слабо выраженными основными свойствами. Титан больше, чем другие элементы подгруппы IVB, близок к элементам подгруппы IVA - кремнию, германию, олову. Четырехвалентный титан отличается от кремния и германия большей склонностью к образованию комплексных соединений различных типов, чем особенно сходен с оловом.

Титан и другие элементы подгруппы IVB очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIB (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Титан к скандию даже ближе, чем к элементам подгруппы IVA. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ - ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместо с этими элементами, изоморфно замещая друг друга.

Из кристаллохимии кислородных соединений известно, что характерное координационное число для титана равно 6, а единственным координационным полиэдром, соответствующим этому числу, является октаэдр. Причем ни в одном из кислородных соединений атомы титана не имеют координационного числа больше 6. В такой координации среднее расстояние между титаном и кислородом равно 2 Å. В структурах, для которых характерно статистическое распределение атомов Ti 4+ и Nb 5+ в октаэдрах, соответствующее среднее расстояние между титаном и ниобием также составляет 2 Å. Из этого следует вывод о близости ионных радиусов титана и ниобия.

Близость ионных радиусов элементов - непременное условие возможности изоморфизма между ними. Для титана наиболее полно этому условию удовлетворяют ниобий, тантал, трехвалентное железо и цирконий.

А теперь рассмотрим, какие же химические соединении с другими элементами может образовывать титан. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди-, три- и тетрасоединения, с серой и элементами её группы (селеном, теллуром) - моно- и дисульфиды, с кислородом - оксиды, диоксиды и триоксиды. Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами - интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами.

Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных - золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Почему же это происходит? Почему так активно, а нередко и бурно, со взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодической системы титан стоек к коррозии? А дело в том, что реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту шлепку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею "пассивируется", т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Известно, что коррозионная стойкость любого металла определяется величиной его электродного потенциала, т. е. разностью электрических потенциалов между металлом и раствором электролита. Отрицательные значения электродного потенциала свидетельствуют об убыли ионов металла с его поверхности и о переходе их в раствор, т. е. о растворимости и коррозии металла. Положительное значение указывает на то, что металл обладает стойкостью в данном растворе, не отдает своих ионов и не корродируется. Так вот, для свежеочищенной поверхности титана измеренные значения электродного потенциала в воде, в водных растворах, во многих кислотах и щелочах колеблются от -0,27 до -0,355 В, т. е. металл, казалось бы, должен быстро растворяться. Однако в большинство водных растворов электродный потенциал титана очень быстро поднимается от отрицательных до положительных значений, примерно до +0,5 В, и коррозия практически моментально прекращается: титан пассивируется и становится в высшей степени коррозионно-стойким.

Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах. Об исключительной его стойкости в атмосфере, в пресной и океанической воде даже при нагревании мы уже говорили. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности к прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана по многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, "царская водка" и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

В азотной кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро растворяются очень многие металлы, титан исключительно стоек. При любой концентрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах скорость коррозии титана в азотной кислоте не превышает 0,1-0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1- 2% и более), как реакция заканчивается, и коррозия титана прекращается.

В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С - 0,58 мм/год. При нагревании скорость коррозии титана в соляной кислоте резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С - уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.

В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5-1%) титан стоек даже при температуре раствора до 50 - 95° С. Стоек он и в более концентрированных растворах (10- 20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005-0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10-20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозия достигает 9-10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Её можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяющийся в "царской водке": в ней при обычных температурах (10-20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей "царской водке", а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.

Очень слабо корродирует титан в большинство органических кислот (уксусной, молочной, винной), и разбавленных щелочах, и растворах многих хлористых солей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше 375° С титан взаимодействует очень бурно.

В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не корродирует, и лишь при очень высоких температурах расплавов (выше 300-400° С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных растворов и расплавов, в которых титан растворяется очень интенсивно. Главный "враг" титана - плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более концентрированных растворах титан "тает", как лед в горячей воде. Фтор - этот "разрушающий всё" (греч.) элемент - бурно реагирует практически со всеми металлами и сжигает их.

Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спиртам, в том числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители - так называемые ингибиторы, например, в растворы соляной и серной кислот - азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и др.

В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20-30% молибдена делает этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соляной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десятки раз. Следует отметить, что благородные платиноиды влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не уменьшаются.

Каковы же физические свойства титана, сделавшие его лучшим из всех, известных конструкционных металлов?

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время, считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Xeйc установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3°C. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, ренин, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте:

Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан - легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см 3 , а при 100° С - 4,506 г/см 3 . Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см 3 . Сюда входят все щелочные металлы (натрий, калий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9-1,5 г/см 3 , магний (1,7 г/см 3), алюминий (2,7 г/см 3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см 3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз превосходит и алюминий и железо.

Каковы же эти свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал? Прежде всего, прочность металла, т. е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). В зависимости от вида напряженного состояния - растяжения, сжатия, изгиба и других условий испытания (температура, время) для характеристики прочности металла используются различные показатели: предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др. По всем этим показателям титан значительно превосходит алюминий, железо и даже многие лучшие марки стали.

Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5-2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Другие же металлы либо просто не выдерживают таких температур, либо сильно разупрочняются.

Чистый титан - высокопластичный металл, что обусловлено благоприятным соотношением осей "с" и "а" в его гексагональной решетке и наличием в ней множества систем плоскостей скольжения и двойникования. Хотя и считается, что металлы с гексагональной кристаллической решеткой очень пластичны, титан в силу указанных особенностей его кристаллов стоит в одном ряду с высокопластичными металлами, имеющими иной тип кристаллической решетки. В результате чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

Интересно отметить, что титан долгие годы, вплоть до получения чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было с наличием в титане примесей, особенно азота, кислорода, углерода и др. Даже их небольшое количество влияет, и весьма существенно, на свойства титана, в том числе на его пластичность. То же самое можно сказать и о твердости титана. Она тем выше, чем больше в металле примесей. Так, твердость титана, содержащего тысячные доли процента кислорода, азота, углерода, железа, составляет 400-600 МПа, а при содержания тех же примесей в сотые доли процента твердость его повышается до 900-1000 МПа.

Почему это происходит? Кислород и азот хорошо растворимы в титане, особенно в его низкотемпературной α-модификации. С их внедрением в октаэдрические пустоты кристаллов титана начинается деформация его кристаллической решетки, повышается жесткость межатомных связей и, как следствие, увеличивается твердость, прочность, предел текучести, снижается пластичность металла. Самой вредной примесью является водород: даже незначительные количества его резко снижают пластичность металла и особенно его ударную вязкость. Углерод растворяется в титане в гораздо меньшей степени и мало влияет на понижение пластичности металла. Железо ухудшает механические свойства титана, только если его содержится 0,5% и выше. Другие металлы почти не воздействуют на эти свойства.

Итак, чистый читан - это твердый, прочный, пластичный, достаточно вязкий и упругий металл. Твердость его по шкале Бринеля составляет около 1000 мн/м 2 . Для сравнения укажем, что железо имеет всего 350-450 мн/м 2 , медь - 350, магний литой - 294, магний деформированный - 353, а алюминий - всего 170 мн/м 2 . Модуль нормальной упругости титана 108 тыс. мн/м 2 , по упругости он лишь немного уступает меди и стали, но является более упругим, чем алюминий и магний.

Титан имеет высокий предел текучести - примерно 250 мн/м 2 . Это выше в 2,5 раза, чем у железа, в 3 раза, чем у меди, и почти в 20 раз, чем у алюминия. Следовательно, титан лучше этих металлов сопротивляется сминающим ударим и другим нагрузкам, способным деформировать титановые детали.

Высота и вязкость титана. Он отлично противостоит воздействию сколовых и сдвиговых ударов и нагрузок. Этой выносливостью объясняется еще одно замечательное свойство титана - исключительная стойкость его в условиях кавитации, т. е. при усиленной "бомбардировке" металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в жидкой среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы, и металлы в том числе, а вот титан прекрасно противостоит кавитации.

Испытания в морской воде быстровращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения, а, следовательно, и кавитация максимальны, не изменились. Другие диски не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежденными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан обладает еще одним удивительным свойством - "памятью". В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем) он "запоминает" форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство титана широко используется в космической технике (на корабле разворачиваются вынесенные в космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные). Недавно это свойство титана стали использовать медики для бескровных операции на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из титанового сплава, а потом она, разогреваясь до температуры тела, скручивается в первоначальную пружинку и расширяет сосуд.

Заслуживают внимания температурные, электрические и магнитные свойства титана. Он обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(м К), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз - магния, в 17-20 раз - алюминия и меда. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных металлов: при комнатной температуре (20° С) у титана он равен 8,5 10 -6 /°С, у железа - 11,7 10 -6 /°С, у меди- 17 10 -6 /°С, у алюминия - 23,9/°С. Сравнительно невелика и электропроводность титана. Объясняется, это свойство довольно высоким электрическим сопротивлением титана: при комнатной температуре оно составляет 42,1 10 -6 Ом см. С повышением температуры электросопротивление титана еще больше увеличивается, а с понижением ее резко надает, вблизи абсолютного нуля титан становится сверхпроводимым.

Титан - типичный парамагнетик, его магнитная восприимчивость при 20° С всего 3,2±0,4 10 -6 ед. Как известно, парамагнитными являются алюминий и магний, а вот медь диамагнитна, железо - ферромагнетик.

Мы рассмотрели химические и физические свойства титана, которые в целом благоприятствуют широкому использованию этого металла. Однако у титана есть немало и отрицательных качеств. Например, он может самовозгораться, а в некоторых случаях даже и взрываться.

Уже говорилось, что в концентрированной азотной кислоте титан исключительно стоек, а вот в красной дымящей, пересыщенной окислами азота, защитная пленка диоксида титана на поверхности металла моментально разрушается и чистый титан начинает реагировать с кислотой со взрывом. Такая реакция была причиной взрыва титановых топливных баков одной из американских космических ракет. Со взрывом реагирует титан и с сухим хлором. Есть способ предотвратить эти взрывные реакции. Стоит добавить в дымящую красную азотную кислоту всего 1-2% воды, а в сухой хлор и того меньше - 0,5-1%, и на поверхности металла тут же появится защитная пленка. Дальнейшее окисление титана предотвратится и взрыва не произойдет.

В виде тонкой стружки, опилок или порошка титан может самовозгораться даже без подвода тепла извне. Такие случаи наблюдались при его испытаниях на разрыв в атмосфере кислорода в момент разрыва. Это объясняется опять-таки высокой активностью свежей, неокисленной поверхности титана и сильной экзотермичностью реакции его взаимодействии с кислородом.

Титан может гореть не только в атмосфере кислорода, но даже в атмосфере азота, являющегося также сильным окислителем титана. Поэтому гасить горящий титан азотом, как и водой, углекислым газом, нельзя: они разлагаются, выделяя кислород, который затем взаимодействует с раскаленным титаном и дает взрыв.

Еще одним недостатком титана является его способность сохранять высокие физико-механические свойства лишь до температуры 400-450° С, а с добавками некоторых легирующих металлов - до 600° С, и здесь у него есть серьезные конкуренты - жаропрочные спецстали. Однако в минусовом диапазоне температур титану равных нет. Железо становится хрупким уже при температуре -40° С, специальные низкотемпературные стали - ниже -100° С. А вот титан и его сплавы не разрушаются при температурах до -253° С (в жидком водороде) и даже до -260° С (в жидком гелии). Это очень важное свойство титана открывает ему большие перспективы для использования в криогенной технике и для работы в космическом пространстве.

Титан реагирует со многими металлами. При трении с деталями из более мягкого металла титан может срывать с них металлические частицы и прилеплять к себе металл, а из более твердого, наоборот, частицы титана будут срываться с титановой детали и покрывать другую деталь. Причем никакая жировая или масляная смазка не помогает исключить взаимоналипание частиц. В течение небольшого времени это явление можно ослабить, лишь применив в качестве смазки чешуйчатые молибденит или графит. А вот сваривается титан с другими металлами очень плохо. Практически полностью эта проблема пока не решена, хотя сварка титановых изделий проходит отлично.

Титан - твердый металл, как мы уже знаем, тверже железа, алюминия, меди. Но все же не тверже специальных, особотвёрдых инструментальных сталей, из которых делают острые инструменты, ножи, скальпели. Здесь титан неприменим.

Титан - плохой проводник электричества и тепла. Проводов из него не сделаешь, а вот то, что он один из очень немногих металлов является при низких температурах сверхпроводником электричества, открывает ему большие перспективы в электрической технике передачи энергии на большие расстояния.

Титан - парамагнитный металл: он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойства можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.

Итак, титан имеет больше достоинств, чем недостатков, и то, что он по иным характеристикам уступает некоторым специальным сталям и сплавам, компенсируется одним важнейшим обстоятельством. Легкость, прочность, пластичность, твердость, стойкость и многие другие качества соединены в одном металле так органично, что это сулит титану большое будущее.

Прежде чем рассказать, как используются титан, его сплавы и соединения сегодня и какие перспективы открываются перед этим металлом в недалеком завтра, рассмотрим подробно, как распространен этот удивительный металл в нашей Вселенной, на планете Земля, в каком виде встречается в породах земной коры, какие месторождения образует, как добываются, обогащаются руды, перерабатываются концентраты. Проследим долгий и нелегкий путь получения чистого титана, его обработки и использования человеком.

Поскольку титан представляет собой металл, обладающий хорошей твердостью, но невысокой прочностью в промышленном производстве большее распространение получили сплавы на основе титана. Сплавы с различной структурой зерна, отличаются между собой строением и типом кристаллической решетки.

Их можно получить при обеспечении в процессе производства определенных температурных режимов. А путем добавления к титану различных легирующих элементов можно получать сплавы, характеризующиеся более высокими эксплуатационными и технологическими свойствами.

При добавлении легирующих элементов и различных типах кристаллических решеток в структурах на основе титана можно получить более высокую по сравнению с чистым металлом жаропрочность и прочность . При этом полученные структуры характеризуются небольшой плотностью, хорошими антикоррозионными свойствами и хорошей пластичностью, что расширяет сферу их использования.

Характеристика титана

Титан представляет собой легкий металл, сочетающий в себе высокую твердость и небольшую прочность , что усложняет его обработку. Температура плавления этого материала в среднем составляет 1665°С . Материал характеризуется невысокой плотностью (4,5г/см3) и хорошей антикоррозионной способностью.

На поверхности материала образуется окисная пленка толщиной в несколько нм, что исключает процессы коррозии титана в морской и пресной воде, атмосфере, окислению под действием органических кислот, процессов кавитации и в конструкциях, находящихся под напряжением.

В обычном состоянии материал не обладает жаропрочностью, для него характерно явление ползучести при комнатных температурах. Однако в условиях холода и глубокого холода материал характеризуется высокими прочностными характеристиками.

Титан отличается низким значением модуля упругости, это ограничивает его использование для изготовления конструкций, в которых необходима жесткость. В чистом состоянии металл обладает высокими противорадиационными характеристиками и не обладает магнитными свойствами.

Титан характеризуется хорошими пластическими свойствами и легко поддается обработке при комнатных температурах и выше. Сварные швы из титана и его соединений обладают пластичностью и прочностью. Однако, для материала свойственны интенсивные процессы поглощения газов при нахождении в неустойчивом химическом состоянии, возникающем при повышении температуры. Титан в зависимости от газа, с которым соединяется, образует гидридные, оксидные, карбидные соединения, плохо влияющие на его технологические свойства.

Материал характеризуется плохой приспособленностью к обработке резанием , в результате ее проведения он в течение короткого промежутка времени прилипает на инструмент , что снижает его ресурс. Проведение обработки титана резанием возможно с использованием охлаждения интенсивного типа на больших подачах, при низких скоростях обработки и значительной глубине резания. Кроме того в качестве инструмента для обработки выбирается быстрорежущая сталь.

Материал характеризуется высокой химической активностью, что обуславливает использование инертных газов при проведении работ по выплавке, литье титана или проведении дуговой сварки.

В процессе использования титановые изделия необходимо защищать от возможного поглощения газов при вероятности повышения эксплуатационных температур.

Титановые сплавы

Широкое распространение получили структуры на основе титана с добавлением таких легирующих элементов, как:

Структуры, получаемые деформированием сплавов титановой группы, используются для изготовления изделий, проходящих механическую обработку.

По прочности различают:

• Высокопрочные материалы, прочность которых составляет более 1000МПа;
• Структуры, обладающие средней прочностью, в диапазоне значений от 500 до 1000МПа;
• Низкопрочные материалы, с прочностью ниже 500МПа.

По области использования:

• Структуры, обладающие коррозионной стойкостью.
• Конструкционные материалы;
• Жаропрочные структуры;
• Структуры с высокой стойкостью к действию холода.

Виды сплавов

По входящим в состав легирующим элементам выделяют шесть основных видов сплавов.

Сплавы типа α-сплавы

Сплавы типа α-сплавы на основе титана с применением для легирования алюминия, олова, циркония, кислорода характеризуются хорошей свариваемостью, понижением границы застывании титана и увеличением его жидкотекучести . Указанные свойства позволяют использовать так называемые α-сплавы для получения заготовок фасонным способом или при отливке деталей . Получаемые изделия этого типа обладают высокой термической стойкостью, что позволяет использовать их для изготовления ответственных деталей, работающих в температурных условиях до 400°С .

При минимальных количествах легирующих элементов соединения называются техническим титаном. Он характеризуется хорошей термической устойчивостью, и обладают отличными сварными характеристиками при проведении сварочных работ на различных аппаратах. Материал обладает удовлетворительными характеристиками по возможности обработки резанием. Не рекомендуется повышение прочности для сплавов этого типа с применением термообработки, материалы этого типа используются после проведения отжига. Сплавы, содержащие цирконий обладают наибольшей стоимостью и отличаются высокой технологичностью.

Формы поставки сплава представлены в виде проволоки, труб, прутков сортового проката, поковок. Наиболее используемым материалом этого класса является сплав ВТ5-1 , характеризующийся средней прочностью, жаропрочностью до 450°С и отличными характеристиками при работе в условиях низких и сверхнизких температур. Этот сплав не практикуется упрочнять термическими способами, однако его использование в условиях низких температур предполагает минимальное количество легирующих материалов.

Сплавы типа β-сплавы

Сплавы β-типа получаются при легировании титана ванадием, молибденом, никелем, при этом получаемые структуры характеризуются повышением прочности в диапазоне от комнатных до отрицательных температур по сравнению с α-сплавами. При их использовании увеличивается жаропрочность материала, его температурная стабильность, однако при этом наблюдается снижение пластических характеристик сплавов этой группы.

Для получения устойчивых характеристик сплавы этой группы должны быть легированы значительным количеством указанных элементов. Исходя из высокой стоимости этих материалов, широкого промышленного распространения структуры этой группы не получили. Для сплавов этой группы характерно противодействие ползучести, возможность повышения прочности различными способами, возможность механической обработки. Однако, с увеличением рабочей температуры до 300°С сплавы этой группы приобретают хрупкость .

Псевдо α-сплавы

Псевдо α-сплавы , большую часть легирующих элементов которых составляют компоненты α-фазы с добавлениями до 5% элементов группы β . Наличие β-фазы в сплавах добавляет к преимуществам легирующих элементов α-группы свойство пластичности. Увеличение жаростойкости сплавов этой группы достигается использованием алюминия, кремния и циркония. Последний из перечисленных элементов оказывает положительное воздействие на растворение β-фазы в структуре сплава. Однако, для этих сплавов характерны и недостатки , среди которых хорошее поглощение титаном водорода и образование гидридов, с возможностью возникновения водородной хрупкости. Водород фиксируется в соединении в форме гидридной фазы, уменьшает вязкость и пластические характеристики сплава и способствует увеличению хрупкости соединения.Одним из наиболее распространенных материалов этой группы является титановый сплав марки ВТ18 , обладающий жаропрочностью до 600°С, обладает хорошими характеристиками пластичности. Перечисленные свойства позволяют применять материал для изготовления деталей компрессоров в авиастроении . Термическая обработка материала включает отжиг при температурах около 1000°С с дальнейшим воздушным охлаждением или двойной отжиг, позволяющий на 15% увеличить его сопротивление разрыву.

Псевдо β- сплавы

Псевдо β- сплавы характеризуются наличием после проведения закалки или нормализации наличием только β-фазы. В состоянии отжига структура этих сплавов представлена α-фазой со значительным количеством легирующих компонентов группы β . Эти сплавы характеризуются самым большим среди титановых соединений показателем удельной прочности , обладают низкой термической стойкостью. Кроме того, сплавы этой группы мало подвержены хрупкости при воздействии водорода, однако обладают высокой чувствительностью к содержанию углерода и кислорода, влияющим на снижение вязких и пластичных свойств сплава. Эти сплавы характеризуются плохой свариваемостью, широким диапазоном механических характеристик, обуславливаемых неоднородностью состава и низкой стабильностью при работе в условиях высоких температур .Форма выпуска сплава представлена листами, поковками, прутками и полосовым металлом, с рекомендуемым использованием в течение длительного времени при температурах не выше 350°С. Примером такого сплава является ВТ 35 , для которого свойственна обработка давлением при воздействии температуры. После выполнения закалки материал характеризуется высокими пластическими характеристиками и способностью к деформации в холодном состоянии. Проведение операции старения для этого сплава обуславливает многократное упрочнение при наличии высокой вязкости.

Сплавы типа α+β

Сплавы типа α+β с возможными включениями интерметаллидов характеризуются меньшей хрупкостью при воздействии гидритов по сравнению со сплавами 1 и 3 групп. Кроме того, для них свойственна большая технологичность и удобство обработки с использованием различных методов по сравнению со сплавами α-группы. При проведении сварки с использованием материала этого типа для повышения пластичности шва после окончания операции требуется проведение отжига. Материалы этой группы изготавливаются в форме лент, листового металла, поковок, штамповок и прутков. Самым распространенным материалом этой группы является сплав ВТ6 , характеризуется хорошей деформируемостью при температурной обработке, сниженной вероятностью водородной хрупкости. Из этого материала производят несущие детали самолетов и жаропрочные изделия для компрессоров двигателей в авиации. Практикуется использование отожженных или упрочненных температурной обработкой сплавов ВТ6. Например, детали тонкостенного профиля или листовые заготовки отжигают при температуре 800°С в дальнейшем охлаждая на воздухе или оставляя в печи.

Сплавы из титана на базе интерметаллидов.

Интерметаллиды — сплав 2ух металлов, один из которых титан.

Получение изделий

Структуры, получаемые литьем, осуществляемым в специальные формы из металла в условиях ограничения доступа активных газов, учитывая высокую активность титановых сплавов при повышении температуры. Сплавы, получаемые при помощи литья, обладают худшими свойствами, по сравнению со сплавами, получающимися методом деформации. Термическая обработка с целью повышения прочности для сплавов этого типа не проводится, поскольку оказывает существенное воздействие на показатели пластичности этих структур.

Монумент в честь покорителей космоса воздвигнут в Москве в 1964 г. Почти семь лет (1958-1964) ушло на проектирование и сооружение этого обелиска. Авторам пришлось решать не только архитектурнохудожественные, но и технические задачи. Первой из них был выбор материалов, в том числе и облицовочных. После долгих экспериментов остановились на отполированных до блеска титановых листах.

Действительно, по многим характеристикам, и прежде всего по коррозионной стойкости, титан превосходит подавляющее большинство металлов и сплавов. Иногда (особенно в популярной литературе) титан называют вечным металлом. Но расскажем сначала об истории этого элемента.

Окисел или не окисел?

До 1795 г. элемент № 22 назывался «менакином». Так назвал его в 1791 г. английский химик и минералог Уильям Грегор, открывший новый элемент в минерале менаканите (не ищите это название в современных минералогических справочниках - менаканит тоже переименован, сейчас он называется ильменитом).

Спустя четыре года после открытия Грегора немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил новый химический элемент в другом минерале - рутиле - ив честь царицы эльфов Титании (германская мифология) назвал его титаном.

По другой версии название элемента происходит от титанов, могучих сыновей богини земли - Геи (греческая мифология).

В 1797 г. выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, и хотя Грегор сделал это раньше, за новым элементом утвердилось имя, данное ему Клапротом.

Но ни Грегору, ни Клапроту не удалось получить элементный титан . Выделенный ими белый кристаллический порошок был двуокисью титана TiO 2 . Восстановить этот окисел, выделить из пего чистый металл долгое время не удавалось никому из химиков.

В 1823 г. английский ученый У. Волластон сообщил, что кристаллы, обнаруженные им в металлургических шлаках завода «Мертир-Тидвиль», - не что иное, как чистый титан. А спустя 33 года известный немецкий химик Ф. Вёлер доказал, что и эти кристаллы были опять-таки соединением титана, на этот раз - металлоподобным карбонитридом.

Много лет считалось, что металлический титан впервые был получен Берцелиусом в 1825 г. при восстановлении фтортитаната калия металлическим натрием . Однако сегодня, сравнивая свойства титана и продукта, полученного Берцелиусом, можно утверждать, что президент Шведской академии наук ошибался, ибо чистый titabnum быстро растворяется в плавиковой кислоте (в отличие от многих других кислот), а металлический титан Берцелиуса успешно сопротивлялся ее действию.

В действительности Ti был впервые получен лишь в 1875 г. русским ученым Д. К. Кирилловым. Результаты этой работы опубликованы в его брошюре «Исследования над титаном». Но работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Еще через 12 лет довольно чистый продукт - около 95% титана - получили соотечественники Берцелиуса, известные химики Л. Нильсон и О. Петерсон, восстанавливавшие четыреххлористый титан металлическим натрием в стальной герметической бомбе.

В 1895 г. французский химик А. Муассан, восстанавливая двуокись титана углеродом в дуговой печи и подвергая полученный материал двукратному рафинированию, получил титан, содержавший всего 2% примесей, в основном углерода. Наконец, в 1910 г. американский химик М. Хантер, усовершенствовав способ Нильсона и Петерсона, сумел получить несколько граммов титана чистотой около 99%. Именно поэтому в большинстве книг приоритет получения металлического титана приписывается Хантеру, а не Кириллову, Нильсону или Муассану.

Однако ни Хантер, ни его современники не предсказывали титану большого будущего. Всего несколько десятых процента примесей содержалось в металле, но эти примеси делали титан хрупким, непрочным, непригодным к механической обработке. Поэтому некоторые соединения титана нашли применение раньше, чем сам металл. Четыреххлористый Ti, например, широко использовали в первую мировую войну для создания дымовых завес.

№22 в медицине

В 1908 г. в США и Норвегии началось изготовление белил не из соединений свинца и цинка , как делалось прежде, а из двуокиси титана. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же у титановых белил больше отражательная способность, они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода. В медицинской литературе описан случай, когда человек за один раз «принял» 460 г двуокиси титана! (Интересно, с чем он ее спутал?) «Любитель» двуокиси титана не испытал при этом никаких болезненных ощущений. TiO 2 входит в состав некоторых медицинских препаратов, в частности мазей против кожных болезней.

Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет наибольшие количества TiO 2 . Мировое производство этого соединения намного превысило полмиллиона тонн в год. Эмали на основе двуокиси титана широко используют в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву в судостроении, строительстве и машиностроении. Срок службы сооружений и деталей при этом значительно повышается. Титановыми белилами окрашивают ткани, кожу и другие материалы.

Ti в промышленности

Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Как наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, ее вводят в резиновые смеси. Однако все достоинства соединений титана кажутся несущественными на фоне уникальных свойств чистого металлического титана.

Элементный титан

В 1925 г. голландские ученые ван Аркель и де Бур иодидным способом (о нем - ниже) получили титан высокой степени чистоты - 99,9%. В отличие от титана, полученного Хантером, он обладал пластичностью: его можно было ковать на холоде, прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже тончайшую фольгу. Но даже не это главное. Исследования физикохимических свойств металлического титана приводили к почти фантастическим результатам. Оказалось, например, что титан, будучи почти вдвое легче железа (плотность титана 4,5 г/см 3), по прочности превосходит многие стали. Сравнение с алюминием тоже оказалось в пользу титана: титан всего в полтора раза тяжелее алюминия, но зато в шесть раз прочнее и, что особенно важно, он сохраняет свою прочность при температурах до 500°С (а при добавке легирующих элементов - до 650°С), в то время как прочность алюминиевых и магниевых сплавов резко падает уже при 300°С.

Титан обладает и значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза - железа и меди . Еще одна важная характеристика металла - предел текучести. Чем он выше, тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия.

В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электросопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия - 60, железа и платины - 15, а титана - всего 3,8. Вряд ли нужно объяснять, что это свойство, как и немагнитность титана, представляет интерес для радиоэлектроники и электротехники.

Замечательна устойчивость титана против коррозии. На пластинке из этого металла за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следов коррозии. Из титановых сплавов сделаны несущие винты современных тяжелых вертолетов. Рули поворота, элероны и некоторые другие ответственные детали сверхзвуковых самолетов тоже изготовлены из этих сплавов. На многих химических производствах сегодня можно встретить целые аппараты и колонны, выполненные из титана.

Как получают титан

Цена - вот что еще тормозит производство и потребление титана. Собственно, высокая стоимость - не врожденный порок титана. В земной коре его много - 0,63%. Все еще высокая цена титана - следствие сложности извлечения его из руд. Объясняется она высоким сродством титана ко многим элементам и прочностью химических связей в его природных соединениях. Отсюда - сложности технологии. Вот как выглядит магниетермический способ производства титана, разработанный в 1940 г. американским ученым В. Кроллем.

Двуокись титана с помощью хлора (в присутствии углерода) переводят в четыреххлористый титан:

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2 .

Процесс идет в шахтных электропечах при 800-1250°С. Другой вариант - хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl Следующая операция (в одинаковой мере важная и трудоемкая) - очистка TiCl 4 от примесей - проводится разными способами и веществами. Четыреххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136°С.

Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния по реакции

TiCl 4 + 2Mg → T + 2MgCl 2 .

Эта реакция идет в стальных реакторах при 900°С. В результате образуется так называемая титановая губка, пропитанная магнием и хлоридом магния. Их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950°С, а титановую губку затем спекают или переплавляют в компактный металл.

Натриетермический метод получения металлического титана в принципе мало чем отличается от магниетермического. Эти два метода наиболее широко применяются в промышленности. Для получения более чистого титана и поныне используется иодидный метод, предложенный ван Аркелем и де Буром. Металлотермический губчатый титан превращают в иодид TiI 4 , который затем возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида титапа встречают раскаленную до 1400°С титановую проволоку. При этом иодид разлагается, и на проволоке нарастает слой чистого титана. Этот метод производства титана малопроизводителен и дорог, поэтому в промышленности он применяется крайне ограниченно.

Несмотря на трудоемкость и энергоемкость производства титана, оно уже стало одной из важнейших подотраслей цветной металлургии. Мировое производство титана развивается очень быстрыми темпами. Об этом можно судить даже по тем обрывочным сведениям, которые попадают в печать.

Известно, что в 1948 г. в мире было выплавлено лишь 2 т титана, а спустя 9 лет - уже 20 тыс. т. Значит, в 1957 г. 20 тыс. т титана приходилось на все страны, а в 1980 г. только США потребляли. 24,4 тыс. т. титана... Еще недавно, кажется, титан называли редким металлом - сейчас он важнейший конструкционный материал. Объясняется это только одним: редким сочетанием полезных свойств элемента № 22. И, естественно, потребностями техники.

Роль титана как конструкционного материала, основы высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники, быстро возрастает. Именно в сплавы идет большая часть выплавляемого в мире титана. Широко известен сплав для авиационной промышленности, состоящий из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия . В 1976 г. в американской печати появились сообщения о новом сплаве того же назначения: 85% титана, 10% ванадия, 3% алюминия и 2% железа. Утверждают, что этот сплав не только лучше, но и экономичнее.

А вообще в титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия . Последние (в количестве 0,1-0,2%) повышают и без того высокую химическую стойкость титановых сплавов.

Прочность титана повышают и такие «легирующие добавки», как азот и кислород. Но вместе с прочностью они повышают твердость и, главное, хрупкость титана, поэтому их содержание строжайше регламентируется: в сплав допускается не более 0,15% кислорода и 0,05% азота.

Несмотря на то что титан дорог, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Вот характерный пример. Корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава - 600 рублей. Но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый - 10 лет. Прибавьте затраты на замену стальных реакторов, вынужденные простои оборудования - и станет очевидно, что применять дорогостоящий титан бывает выгоднее, чем сталь.

Значительные количества титана использует металлургия. Существуют сотни марок сталей и других сплавов, в состав которых титан входит как легирующая добавка. Его вводят для улучшения структуры металлов, увеличения прочности и коррозийной стойкости.

Некоторые ядерные реакции должны совершаться в почти абсолютной пустоте. Ртутными насосами разрежение может быть доведено до нескольких миллиардных долей атмосферы. Но этого недостаточно, а ртутные насосы на большее неспособны. Дальнейшая откачка воздуха осуществляется уже особыми титановыми насосами. Кроме того, для достижения еще большего разрежения по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан.

Титан часто называют металлом будущего. Факты, которыми уже сейчас располагают наука и техника, убеждают, что это не совсем так - титан уже стал металлом настоящего.

Перовскит и сфен . Ильменит - метатитанат железа FeTiO 3 - содержит 52,65% TiO 2 . Название этого минерала связано с тем, что он был найден на Урале в Ильменских горах. Крупнейшие россыпи ильменитовых песков имеются в Индии. Другой важнейший минерал - рутил представляет собой двуокись титана. Промышленное значение имеют также титаномагнетиты - природная смесь ильменита с минералами железа. Богатые месторождения титановых руд есть в СССР, США, Индии, Норвегии, Канаде, Австралии и других странах. Не так давно геологи открыли в Северном Прибайкалье новый титансодержащий минерал, который был назван ландауитом в честь советского физика академика Л. Д. Ландау. Всего на земном шаре известно более 150 значительных рудных и россыпных месторождений титана.

Титан в виде оксида (IV) был открыт английским любителем-минералогом У. Грегором в 1791 году в магнитных железистых песках местечка Менакан (Англия); в 1795 году немецкий химик М. Г. Клапрот установил, что минерал рутил представляет собой природный оксид этого же металла, названного им "титаном" [в греческой мифологии титаны - дети Урана (Неба) и Геи (Земли)]. Выделить Титан в чистом виде долго не удавалось; лишь в 1910 году американский ученый М. А. Хантер получил металлический Титан нагреванием его хлорида с натрием в герметичной стальной бомбе; полученный им металл был пластичен только при повышенных температурах и хрупок при комнатной из-за высокого содержания примесей. Возможность изучать свойства чистого Титана появилась только в 1925, когда нидерландские ученые А. Ван-Аркел и И. де Бур методом термической диссоциации иодида титана получили металл высокой чистоты, пластичный при низких температурах.

Распространение Титана в природе. Титан - один из распространенных элементов, среднее содержание его в земной коре (кларк) составляет 0,57% по массе (среди конструкционных металлов по распространенности занимает 4-е место, уступая железу, алюминию и магнию). Больше всего Титана в основных породах так называемых "базальтовой оболочки" (0,9%), меньше в породах "гранитной оболочки" (0,23%) и еще меньше в ультраосновных породах (0,03%) и др. К горным породам, обогащенным Титаном, относятся пегматиты основных пород, щелочные породы, сиениты и связанные с ними пегматиты и другие. Известно 67 минералов Титан, в основном магматического происхождения; важнейшие - рутил и ильменит.

В биосфере Титан в основном рассеян. В морской воде его содержится 10 -7 %; Титан - слабый мигрант.

Физические свойства Титана. Титан существует в виде двух аллотропических модификаций: ниже температуры 882,5 °С устойчива α-форма с гексагональной плотноупакованной решеткой (а = 2,951Å, с = 4,679Å), a выше этой температуры - β-форма с кубической объемноцентрированной решеткой а = 3,269Å. Примеси и легирующие добавки могут существенно изменять температуру α/β превращения.

Плотность α-формы при 20°С 4,505 г/см 3 , a при 870°С 4,35 г/см 3 ; β-формы при 900°С 4,32 г/см 3 ; атомный радиус Ti 1,46 Å, ионные радиусы Ti + 0,94 А, Ti 2+ 0,78 Å, Ti 3+ 0,69 Å, Ti 4+ 0,64 Å; Т пл 1668 °С, Т кип 3227 °С; теплопроводность в интервале 20-25°С 22,065 вт/(м·К) ; температурный коэффициент линейного расширения при 20°С 8,5·10 -6 , в интервале 20-700°С 9,7·10 -6 ; теплоемкость 0,523 кдж/(кг·К) ; удельное электросопротивление 42,1·10 -6 ом·см при 20 °С; температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С; обладает сверхпроводимостью ниже 0,38 К. Титан парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,2·10 -6 при 20 °С. Предел прочности 256 Мн/м 2 (25,6 кгс/мм 2), относительное удлинение 72% , твердость по Бринеллю менее 1000 Мн/м 2 (100 кгс/мм 2). Модуль нормальной упругости 108 000 Мн/м 2 (10 800 кгс/мм 2). Металл высокой степени чистоты ковок при обычной температуре.

Применяемый в промышленности технический Титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865-920 °С. Для технического Титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность около 4,32 г/см 3 , предел прочности 300-550 Мн/м 2 (30-55кгс/мм 2), относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м 2 (115-165 кгс/мм 2). Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d 2 4s 2 .

Химические свойства Титана. Чистый Титан - химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления +4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500-550 °С коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной оксидной пленки.

С кислородом воздуха заметно взаимодействует при температуре выше 600 °С с образованием ТiO 2 . Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении окисной пленки путем удара или трения возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках.

Оксидная пленка не защищает Титан в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), и поэтому его плавка и сварка должны проводиться в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Титан обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практическое использования; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при 400 °С и выше. Растворимость водорода в Титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме. С азотом Титан реагирует при температуре выше 700 °С, причем получаются нитриды типа TiN; в виде тонкого порошка или проволоки Титан может гореть в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в Титане значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными твердостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий путем травления или механической обработки. Титан энергично взаимодействует с сухими галогенами, по отношению к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора.

Металл устойчив в азотной кислоте всех концентраций (за исключением красной дымящейся, вызывающей коррозионное растрескивание Титана, причем реакция иногда идет со взрывом), в слабых растворах серной кислоты (до 5% по массе). Соляная, плавиковая, концентрированная серная, а также горячие органических кислоты: щавелевая, муравьиная и трихлоруксусная реагируют с Титаном.

Титан коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумагоделательной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии. Титан образует с С, В, Se, Si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твердостью. Карбид TiC (t пл 3140 °С) получают нагреванием смеси TiO 2 с сажей при 1900-2000 °С в атмосфере водорода; нитрид TiN (t пл 2950 °С) - нагреванием порошка Титан в азоте при температуре выше 700 °С. Известны силициды TiSi 2 , TiSi и бориды TiB, Ti 2 B 5 , TiB 2 . При температуpax 400-600 °C Титан поглощает водород с образованием твердых растворов и гидридов (TiH, TiH 2). При сплавлении TiO 2 со щелочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (например, Na 2 TiO 3 и Na 4 TiO 4), а также полититанаты (например, Na 2 Ti 2 O 5 и Na 2 Ti 3 O 7). К титанатам относятся важнейшие минералы Титана, например, ильменит FeTiO 3 , перовскит CaTiO 3 . Все титанаты малорастворимы в воде. Оксид Титана (IV), титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат TiOSO 4 . При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается Н 2 ТiO 3 , из которой получают оксид Титана (IV). При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения Ti (IV), образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава Н 4 ТiO 5 и H 4 TiO 8 и соответствующие им соли; эти соединения окрашены в желтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации Титана), что используется для аналитического определения Титана.

Получение Титана. Наиболее распространенным методом получения металлического Титана является магниетермический метод, то есть восстановление тетрахлорида Титана металлическим магнием (реже - натрием):

TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2 .

В обоих случаях исходным сырьем служат оксидные руды Титана - рутил, ильменит и другие. В случае руд типа ильменитов Титан в форме шлака отделяется от железа путем плавки в электропечах. Шлак (так же, как рутил) подвергают хлорированию в присутствии углерода с образованием тетрахлорида Титана, который после очистки поступает в восстановительный реактор с нейтральной атмосферой.

Титан по этому процессу получается в губчатом виде и после измельчения переплавляется в вакуумных дуговых печах на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав. Магниетермический метод позволяет создать крупное промышленное производство Титана с замкнутым технологическим циклом, так как образующийся при восстановлении побочный продукт - хлорид магния направляется на электролиз для получения магния и хлора.

В ряде случаев для производства изделий из Титана и его сплавов выгодно применять методы порошковой металлургии. Для получения особо тонких порошков (например, для радиоэлектроники) можно использовать восстановление оксида Титана (IV) гидридом кальция.

Применение Титана. Основные преимущества Титана перед другими конструкционными металлами: сочетание легкости, прочности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы по абсолютной, а тем более по удельной прочности (т. е. прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство сплавов на основе других металлов (например, железа или никеля) при температурах от -250 до 550 °С, а по коррозионности они сравнимы со сплавами благородных металлов. Однако как самостоятельный конструкционный материал Титан стал применяться только в 50-е годы 20 века в связи с большими техническими трудностями его извлечения из руд и переработки (именно поэтому Титан условно относили к редким металлам). Основная часть Титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Сплавы Титана с железом, известные под названием "ферротитан" (20-50% Титана), в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем.

Технический Титан идет на изготовление емкостей, химические реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и других изделий, работающих в агрессивных средах, например, в химическом машиностроении. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из Титана. Он служит для покрытия изделий из стали. Использование Титана дает во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). Биологическая безвредность Титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии. В условиях глубокого холода прочность Титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Титан хорошо поддается полировке, цветному анодированию и других методам отделки поверхности и поэтому идет на изготовление различных художественных изделий, в т. ч. и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли. Из соединений Титана практическое значение имеют оксиды, галогениды, а также силициды, используемые в технике высоких температур; бориды и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид Титана, обладающий высокой твердостью, входит в состав инструментальных твердых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала.

Оксид титана (IV) и титанат бария служат основой титановой керамики, а титанат бария - важнейший сегнетоэлектрик.

Титан в организме. Титан постоянно присутствует в тканях растений и животных. В наземных растениях его концентрация - около 10 -4 % , в морских - от 1,2·10 -3 до 8·10 -2 %, в тканях наземных животных - менее 2·10 -4 %, морских - от 2·10 -4 до 2·10 -2 %. Накапливается у позвоночных животных преимущественно в роговых образованиях, селезенке, надпочечниках, щитовидной железе, плаценте; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление Титана с продуктами питания и водой составляет 0,85 мг; выводится с мочой и калом (0,33 и 0,52 мг соответственно).

Совмещение в одном веществе прочности и легкости – параметр ценный настолько, что остальные качества и особенности материала могут совершенно игнорироваться. дорог в , стоек к температурам только в сверхчистом виде, сложен в использовании, но все это оказывается второстепенным по сравнению с комбинацией малого веса и высокой прочности.

Данная статья расскажет вам о применении титана в военной авиации, промышленности, медицине, авиастроении, для изготовления ювелирных изделий, о сплавах титана, и применении в быту.

Область использования металла была бы значительно шире, если бы не высокая стоимость его получения. Из-за этого применяют титан лишь в тех областях, где использование столь дорогого вещества экономически оправдано. Обуславливает применение не только прочность и легкость, но и стойкость к коррозии, сравнимая со стойкостью благородных металлов и долговечности.

Свойства металла необыкновенно сильно зависят от чистоты, поэтому применение технического и чистого титана рассматриваются как 2 отдельных вопроса.

О том, благодаря каким свойствам титан так широко используется в промышленности, расскажет это видео:

Технический металл

Технический титан может содержать разнообразные примеси, не сказывающиеся на химических свойствах вещества, однако имеющих влияние на физические. Технический титан теряет такое ценное качество, как жаропрочность и способность работать при температурах выше 500–600 С. А вот коррозийная его стойкость никак не уменьшается.

• Этим и обусловлено его применение – в химической промышленности и в любой другой области, где необходимо обеспечить стойкость изделий в агрессивных средах. Из титана изготавливают емкости для хранения, арматуру, части реакторов, трубопроводов и насосов, назначением которых является перемещение неорганических и органических кислот и оснований. Такими же свойствами в большинстве своем обладают и титановые сплавы.
• Малый вес совместно с коррозийной стойкостью обеспечивает и другое применение – при изготовлении транспортной техники, в частности, железнодорожного транспорта. Использование титановых листов и прутков при изготовлении вагонов и поездов позволяет уменьшить массу составов, а, значит, уменьшить размеры букс и шеек, сделав тягу более эффективной.

В обыкновенных автомобилях из титана изготавливают системы отведения отработанных газов и витые пружины. В гоночных автомобилях титановые движущие узлы позволяют заметно облегчить машину и улучшить ее свойства.

• Незаменим титан в производстве бронетанковой техники: вот где соединение прочности и легкости оказывается решающим.
• Высокая коррозийная стойкость и легкость делает материал привлекательным и для военно-морского дела. Титан применяют при изготовлении тонкостенных труб и теплообменников, выхлопных глушителей на подводных лодках, клапанов, пропеллеров, элементов турбин и так далее.

Изделия из титана (фото)

Чистый металл

Чистый металл проявляет очень высокую жаропрочность, способность работать в условиях высокой нагрузки и высокой температуры. А, учитывая его малый вес, применение металла в ракето- и авиастроении оказывается очевидным.

• Из металла и его сплавов изготавливают детали крепления, обшивку, части шасси, силовой набор и так далее. Кроме того, материал используется при конструировании авиационных двигателей, что позволяет снизить их вес на 10–25%.
• Ракеты при прохождении через плотные слои атмосферы испытывают чудовищные нагрузки. Применение титана и его сплавов позволяет разрешить задачу статической выносливости аппарата, усталостной прочности и в какой-то мере ползучести.
• Еще одно применение чистого титана – изготовление деталей электровакуумных приборов, рассчитанных на эксплуатацию в условиях перегрузок.
• Незаменим металл в производстве криогенной техники: прочность титана с понижением температуры только увеличивается, но при этом сохраняется некоторая пластичность.
• Титан является едва ли не самым биологически инертным веществом. Коммерчески чистый металл используют для изготовления всех видов внешних и внутренних протезов вплоть до сердечных клапанов. Титан совместим с биологической тканью и не вызвал ни единого случая аллергии. Кроме того, материал применяют для хирургических инструментов, инвалидных костылей, колясок и так далее.

Однако при всей своей стойкости к температурам и долговечности металл не используется при изготовлении подшипников, втулок и других деталей, где предполагается трение. Титан обладает низкими антифрикционными свойствами и с помощью добавок этот вопрос не решается.

Титан хорошо полируется, анодируется – цветное анодирование, поэтому часто применяется в художественных произведениях и в архитектуре. Примером может послужить памятник первому искусственному спутнику земли или памятник. Ю. Гагарину.

Про маркировку на изделиях из титана, инструкции по его применению и иные важные моменты использования металла в строительстве, расскажем ниже.

В видео ниже показан процесс андонирования титана:

Его использование в строительстве

Конечно, львиная доля титана используется в авиастроении и в транспортной промышленности, где особенно важно сочетание прочности и легкости. Однако и в строительстве материал применяется, и применялся бы шире, если бы не высокая стоимость.

Обшивка титаном

Эта технология распространена пока мало, но, например, в Японии титановые листы очень широко используют для отделки крыш и даже внутренних интерьеров. Доля материала, расходуемого в строительстве, значительно выше доли, используемой в авиасекторе.

Связано это как с прочностью такой облицовки, так и с ее удивительными декоративными возможностями. Методом анодного окисления на поверхности листа можно получить слой оксидов разной толщины. Цвет при этом изменяется. Изменяя время отжига и интенсивность, можно получить желтый, бирюзовый, синий, розовый, зеленый цвета.

При анодировании в атмосфере азота изготавливают листы со слоем нитрида титана. Таким образом, получают самые разнообразные оттенки золота. Эта технология используется при реставрации памятников архитектуры – восстановление церквей, например.

Фальцевые кровли

Этот вариант уже получил весьма широкое распространение. Но, правда, основой его служит не сам титан, а его сплав с .

Сами по себе фальцевые кровли известны очень давно, но давно не пользовались популярностью. Однако сегодня благодаря моде на стили хай-так и техно появилась потребность в ломаных и сплайновых поверхностях, особенно переходящих в фасад здания. А такую возможность и предоставляет .

Ее способность к формообразованию практически безгранична. А применение сплава обеспечивает и исключительную прочность, и самый необычный внешний вид. Хотя справедливости ради базовый матово-стальной цвет считается самым респектабельным.

Поскольку цинк-титан обладает вполне достойной ковкостью, из сплава изготавливают разнообразные сложные декоративные детали: коньки крыш, водостойкие отливы, карнизы и прочее.

Такая область применения титана как облицовка фасада рассмотрена кратко ниже.

Облицовка фасада

При изготовлении облицовочных панелей также используется цинк-титан. Применяют панели и для облицовки фасадов, и для отделки интерьеров. Причина та же – комбинация прочности, исключительной легкости и декоративности.

Выпускаются панели самой разной формы – в виде ламелей, ромбов, модулей, чешуи и так далее. Самое интересное, это то, что панели могут быть не плоскими, а принимать едва ли не любые объемные формы. В результате такая отделка возможна на стенах и зданиях любой, самой немыслимой конфигурации.

Легкость изделия обуславливает и другое совершенно уникальное применение. Обычный вентилируемый фасад подразумевает и зазор между облицовкой и утеплителем. Однако легкие панели цинк-титана можно крепить на подвижные открывающиеся механизмы, образуя систему, наподобие жалюзи. Пластины по необходимости могут отклоняться от плоскости на угол в 90 градусов.

Титан обладает уникальным сочетанием прочности, легкости и коррозийной стойкости. Эти качества обуславливают его применение, несмотря на высокую стоимость материала.

О том, как сделать кольцо из титана, расскажет это видео:

---