Вечный, загадочный, космический, - все эти и многие другие эпитеты присваиваются в различных источниках титану. История открытия этого металла не была тривиальной: одновременно над выделением элемента в чистом виде трудились несколько ученых. Процесс изучения физических, химических свойств и определение областей его применения на сегодняшний день. Титан - металл будущего, место его в жизни человека еще окончательно не определено, что дает современным исследователям огромный простор для творчества и научных изысканий.
Характеристика
Химический элемент обозначается в периодической таблице Д. И. Менделеева символом Ti. Располагается в побочной подгруппе IV группы четвертого периода и имеет порядковый номер 22. титан - металл бело-серебристого цвета, легкий и прочный. Электронная конфигурация атома имеет следующую структуру: +22)2)8)10)2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2 . Соответственно, титан имеет несколько возможных степеней окисления: 2, 3, 4, в наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен.
Титан - сплав или металл?
Этот вопрос интересует многих. В 1910 году американский химик Хантер получил впервые чистый титан. Металл содержал всего 1 % примесей, но при этом его количество оказалось ничтожно мало и не давало возможности дальнейшего исследования его свойств. Пластичность полученного вещества достигалась толькопод воздействием высоких температур, при нормальных условиях (комнатной температуре) образец был слишком хрупок. Фактически этот элемент не заинтересовал ученых, так как перспективы его использования казались слишком неопределенными. Сложность получения и исследования еще больше снизили потенциал его применения. Только в 1925 году ученые-химики из Нидерландов И. де Бур и А. Ван-Аркел получили металл титан, свойства которого привлекли внимание инженеров и конструкторов всего мира. История исследования этого элемента начинается с 1790 года, именно в это время параллельно, независимо друг от друга, двое ученых открывают титан как химический элемент. Каждый из них получает соединение (оксид) вещества, не сумев выделить металл в чистом виде. Первооткрывателем титана считается английский минеролог монах Уильям Грегор. На территории своего прихода, расположенного в юго-западной части Англии, молодой ученый начал изучение черного песка долины Менакэна. Результатом стало выделение блестящих крупиц, которые являлись соединением титана. В это же время в Германии химик Мартин Генрих Клапрот выделил новое вещество из минерала рутиле. В 1797 году он же доказал, что открытые параллельно элементы являются аналогичными. Двуокись титана более века являлась загадкой для многих химиков, получить чистый металл оказалось не по силам даже Берцелиусу. Новейшие технологии XX века значительно ускорили процесс изучения упомянутого элемента и определили начальные направления его использования. При этом сфера применения расширяется постоянно. Ограничить её рамки может только сложность процесса получения такого вещества, как чистый титан. Цена сплавов и металла достаточно высока, поэтому на сегодняшний день он не может вытеснить традиционное железо и алюминий.
Происхождение названия
Менакин - первое название титана, которое применялось до 1795 года. Именно так, по территориальной принадлежности, назвал новый элемент У. Грегор. Мартин Клапрот присваивает элементу в 1797 году наименование «титан». В это время его французские коллеги во главе с достаточно авторитетным химиком А. Л. Лавуазье предлагают именовать вновь открытые вещества в соответствии с их основными свойствами. Немецкий ученый не был согласен с таким подходом, он вполне обоснованно считал, что на стадии открытия достаточно сложно определить все характеристики, свойственные веществу, и отразить их в названии. Однако следует признать, что интуитивно выбранный Клапротом термин в полной мере соответствует металлу - это неоднократно подчеркивали современные ученые. Существуют две основные теории возникновения названия титан. Металл мог быть обозначен так в честь эльфийской царицы Титании (персонаж германской мифологии). Такое название символизирует одновременно легкость и прочность вещества. Большинство ученых склоняются к версии использования древнегреческой мифологии, в которой титанами называли могучих сыновей богини земли Геи. В пользу этой версии говорит и название открытого ранее элемента - урана.
Нахождение в природе
Из металлов, которые в техническом отношении представляют ценность для человека, титан занимает четвертое место по степени распространенности в земной коре. Большим процентным содержанием в природе характеризуются только железо, магний и алюминий. Наибольшее содержание титана отмечено в базальтовой оболочке, чуть меньше его в гранитном слое. В морской воде содержание данного вещества невысокое - приблизительно 0,001 мг/л. Химический элемент титан достаточно активен, поэтому в чистом виде его встретить невозможно. Чаще всего он присутствует в соединениях с кислородом, при этом имеет валентность, равную четырем. Количество титаносодержащих минералов варьируется от 63 до 75 (в различных источниках), при этом на современном этапе исследований ученые продолжают открывать новые формы его соединений. Для практического использования наибольшее значение имеют следующие минералы:
- Ильменит (FeTiO 3).
- Рутил (TiO 2).
- Титанит (CaTiSiO 5).
- Перовскит (CaTiO 3).
- Титаномагнетит (FeTiO 3 +Fe 3 O 4) и т. д.
Все существующие титаносодержащие руды делят на россыпные и основные. Данный элемент является слабым мигрантом, он может путешествовать только в виде обломов камней или перемещения илистых придонных пород. В биосфере наибольшее количество титана содержится в водорослях. У представителей наземной фауны элемент накапливается в роговых тканях, волосе. Для человеческого организма характерно присутствие титана в селезенке, надпочечниках, плаценте, щитовидной железе.
Физические свойства
Титан - цветной металл, имеющий серебристо-белую окраску, внешне напоминает сталь. При температуре 0 0 С его плотность составляет 4,517 г/см 3 . Вещество имеет низкую удельную массу, что характерно для щелочных металлов (кадмий, натрий, литий, цезий). По плотности титан занимает промежуточную позицию между железом и алюминием, при этом его эксплуатационные характеристики выше, чем у обоих элементов. Основными свойствами металлов, которые учитываются при определении сферы их применения, являются и твердость. Титан прочнее алюминия в 12 раз, железа и меди - в 4 раза, при этом он значительно легче. Пластичность и предел его текучести позволяют производить обработку при низких и высоких температурных значениях, как и в случае с остальными металлами, т. е. методами клепки, ковки, сварки, проката. Отличительная характеристика титана - его низкая тепло- и электропроводность, при этом данные свойства сохраняются при повышенных температурах, вплоть до 500 0 С. В магнитном поле титан является парамагнитным элементом, он не притягивается, как железо, и не выталкивается, как медь. Очень высокие антикоррозийные показатели в агрессивных средах и при механических воздействиях уникальны. Более 10 лет нахождения в морской воде не изменили внешнего вида и состава пластины из титана. Железо в этом случае было бы уничтожено коррозией полностью.
Термодинамические свойства титана
- Плотность (при нормальных условиях) составляет 4,54 г/см 3 .
- Атомный номер - 22.
- Группа металлов - тугоплавкий, легкий.
- Атомная масса титана - 47,0.
- Температура кипения (0 С) - 3260.
- Молярный объем см 3 /моль - 10,6.
- Температура плавления титана (0 С) - 1668.
- Удельная теплота испарения (кДж/моль) - 422,6.
- Электросопротивление (при 20 0 С) Ом*см*10 -6 - 45.
Химические свойства
Повышенная коррозийная устойчивость элемента объясняется образованием на поверхности небольшой оксидной пленки. Она предотвращает (при нормальных условиях) с газами (кислород, водород), находящимися в окружающей атмосфере такого элемента, как металл титан. Свойства его изменяются под воздействием температуры. При ее повышении до 600 0 С происходит реакция взаимодействия с кислородом, в результате образуется оксид титана (TiO 2). В случае поглощения атмосферных газов образуются хрупкие соединения, которые не имеют никакого практического применения, именно поэтому сварка и плавка титана производятся в условиях вакуума. Обратимой реакцией является процесс растворения водорода в металле, он более активно происходит при повышении температуры (от 400 0 С и выше). Титан, особенно его мелкие частицы (тонкая пластина или проволока), сгорает в атмосфере азота. Химическая реакция взаимодействия возможна только при температуре 700 0 С, в результате образуется нитрид TiN. Со многими металлами формирует высокотвердые сплавы, часто является легирующим элементом. В реакцию с галогенами (хром, бром, йод) вступает только при наличии катализатора (высокой температуры) и при условии взаимодействия с сухим веществом. При этом образуются очень твердые тугоплавкие сплавы. С растворами большинства щелочей и кислот титан химически не активен, исключением является концентрированная серная (при длительном кипячении), плавиковая, горячие органические (муравьиная, щавелевая).
Месторождения
Наиболее распространены в природе ильменитовые руды - их запасы оцениваются в 800 млн тонн. Залежи рутиловых месторождений гораздо скромнее, но общий объем - при сохранении роста добычи - должен обеспечить человечество на ближайшие 120 лет таким металлом, как титан. Цена готового продукта будет зависеть от спроса и повышения уровня технологичности производства, но в среднем варьируется в диапазоне от 1200 до 1800 руб./кг. В условиях постоянного технического совершенствования значительно понижается себестоимость всех производственных процессов при их своевременной модернизации. Наибольшими запасами обладают Китай и Россия, также минерально-сырьевую базу имеют Япония, ЮАР, Австралия, Казахстан, Индия, Южная Корея, Украина, Цейлон. Месторождения отличаются объемами добычи и процентным содержанием титана в руде, геологические изыскания продолжаются постоянно, что дает возможность предполагать снижение рыночной стоимости металла и его более широкое применение. Россия на сегодняшний день является наиболее крупным производителем титана.
Получение
Для производства титана чаще всего используется его диоксид, содержащий минимальное количество примесей. Его получают путем обогащения ильменитовых концентратов или рутиловых руд. В электродуговой печи происходит термическая обработка руды, которая сопровождается отделением железа и образованием шлака, содержащего оксид титана. Сернокислый или хлоридный метод применяется для обработки свободной от железа фракции. Оксид титана является порошком серого цвета (см. фото). Металл титан получается при его поэтапной обработке.
Первой фазой является процесс спекания шлака с коксом и воздействия парами хлора. Полученный TiCl 4 восстанавливают магнием или натрием при воздействии температуры 850 0 С. Титановая губка (пористая сплавленная масса), полученная в результате химической реакции, очищается или переплавляется в слитки. В зависимости от дальнейшего направления использования, формируется сплав или металл в чистом виде (примеси удаляются путем нагрева до 1000 0 С). Для производства вещества с долей примесей 0,01 % используется йодидный метод. Он основан на процессе выпаривания из титановой губки, предварительно обработанной галогеном, его паров.
Сферы применения
Температура плавления титана является достаточно высокой, что при легкости металла является неоценимым преимуществом использования его в качестве конструкционного материала. Поэтому наибольшее применение он находит в судостроении, авиационной промышленности, изготовлении ракет, химических производствах. Титан достаточно часто используют в качестве легирующей добавки в различных сплавах, которые обладают повышенными характеристиками твердости и жаропрочности. Высокие антикоррозийные свойства и способность выдерживать большинство агрессивных сред делают этот металл незаменимым для химической промышленности. Из титана (его сплавов) изготавливают трубопроводы, емкости, запорную арматуру, фильтры, используемые при перегонке и транспортировке кислот и других химически активных веществ. Он востребован при создании приборов, работающих в условиях повышенных температурных показателях. Соединения титана используются для изготовления прочного режущего инструмента, красок, пластика и бумаги, хирургических инструментов, имплантатов, ювелирных изделий, отделочных материалов, применяется в пищевой промышленности. Все направления сложно описать. Современная медицина из-за полной биологической безопасности часто использует металл титан. Цена - это единственный фактор, который пока влияет на широту применения данного элемента. Справедливым является утверждение, что титан - материал будущего, изучая который, человечество перейдет на новый этап развития.
Многих интересует немного загадочный и не до конца изученный титан - металл, свойства которого отличаются некоторой двоякостью. Металл и самый прочный, и самый хрупкий.
Самый прочный и самый хрупкий металл
Его открыли двое ученых с разницей в 6 лет - англичанин У. Грегор и немец М. Клапрот. Название титана связывают, с одной стороны, с мифическими титанами, сверхъестественными и бесстрашными, с другой стороны, с Титанией - королевой фей.
Это один из самых распространенных в природе материалов, но процесс получения чистого металла отличается особой сложностью.
22 химический элемент таблицы Д. Менделеева Titanium (Ti) относится к 4 группе 4 периода.
Цвет титана серебристо-белый с выраженным блеском. Его блики переливаются всеми цветами радуги.
Это один из тугоплавких металлов. Он плавится при температуре +1660 °С (±20°). Титан отличается парамагнитностью: он не намагничивается в магнитном поле и не выталкивается из него.
Металл характеризуется низкой плотностью и высокой прочностью. Но особенность этого материала заключается в том, что даже минимальные примеси других химических элементов кардинально изменяют его свойства. При наличии ничтожной доли других металлов титан теряет свою жаропрочность, а минимум неметаллических веществ в его составе делают сплав хрупким.
Эта особенность обуславливает наличие 2 видов материала: чистого и технического.
- Титан чистого вида используют там, где требуется очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны.
- Технический материал применяется там, где ценятся такие параметры, как легкость, прочность и устойчивость к коррозии.
Вещество обладает свойством анизотропности. Это означает, что металл может изменять свои физические характеристики, исходя из приложенных усилий. На эту особенность следует обращать внимание, планируя применение материала.
Титан теряет прочность при малейшем присутствии в нем примесей других металлов
Проведенные исследования свойств титана в нормальных условиях подтверждают его инертность. Вещество не реагирует на элементы, находящиеся в окружающей атмосфере.
Изменение параметров начинается при повышении температуры до +400°С и выше. Титан вступает в реакцию с кислородом, может воспламеняться в азоте, впитывает газы.
Эти свойства затрудняют получение чистого вещества и его сплавов. Производство титана основано на применении дорогостоящей вакуумной аппаратуры.
Титан и конкуренция с другими металлами
Этот металл постоянно сравнивают с алюминием и сплавами железа. Многие химические свойства титаназначительно лучше, чем у конкурентов:
- По механической прочности титан превосходит железо в 2 раза, а алюминий в 6 раз. Прочность его увеличивается при снижении температуры, чего не отмечается у конкурентов.
Антикоррозионные характеристики титана значительно превышают показатели других металлов. - При температурах окружающей среды металл абсолютно инертен. Но при повышении температуры свыше +200°С вещество начинает поглощать водород, изменяя свои характеристики.
- При более высоких температурах титан вступает в реакции с другими химическими элементами. Он обладает высокой удельной прочностью, что в 2 раза превосходит свойства лучших сплавов железа.
- Антикоррозионные свойства титана значительно превышают показатели алюминия и нержавеющей стали.
- Вещество плохо проводит электричество. Титан имеет удельное электросопротивление в 5 раз выше, чем у железа, в 20 раз, чем у алюминия, и в 10 раз выше, чем у магния.
- Титан характеризуется низкой теплопроводностью, это обусловлено низким коэффициентом температурного расширения. Она меньше в 3 раза, чем у железа, и в 12, чем у алюминия.
Какими способами получают титан?
Материал занимает 10 место по распространению в природе. Существует около 70 минералов, содержащих титан в виде титановой кислоты или его двуокиси. Наиболее распространенные из них и содержащие высокий процент производных металла:
- ильменит;
- рутил;
- анатаз;
- перовскит;
- брукит.
Основные залежи титановых руд находятся в США, Великобритании, Японии, большие месторождения их открыты в России, Украине, Канаде, Франции, Испании, Бельгии.
Добыча титана — дорогой и трудозатратный процесс
Получение металла из них стоит очень дорого. Ученые разработали 4 способа производства титана, каждый из которых рабочий и эффективно используется в промышленности:
- Магниетермический способ. Добытое сырье, содержащее титановые примеси, перерабатывают и получают диоксид титана. Это вещество подвергается хлорированию в шахтных или солевых хлораторах при повышенном температурном режиме. Процесс очень медленный, ведется в присутствии углеродного катализатора. При этом твердый диоксид переводится в газообразное вещество — тетрахлорид титана. Полученный материал восстанавливается магнием или натрием. Сплав, образовавшийся при реакции, подвергают нагреванию в вакуумной установке до сверхвысоких температур. В результате реакции происходит испарение магния и его соединений с хлором. В конце процесса получают губкоподобный материал. Его плавят и получают титан высокого качества.
- Гидридно-кальциевый способ. Руду подвергают химической реакции и получают гидрид титана. Следующий этап — разделение вещества на составляющие. Титан и водород выделяют в процессе нагревания в вакуумных установках. По окончании процесса получают оксид кальция, который отмывают слабыми кислотами. Первые два способа относятся к промышленному производству. Они позволяют получать в кратчайшие сроки чистый титан с относительно небольшими издержками.
- Электролизный метод. Титановые соединения подвергают воздействию током большой силы. В зависимости от исходного сырья, соединения разделяются на составляющие: хлор, кислород и титан.
- Йодидный способ или рафинирование. Полученный из минералов диоксид титана обдают парами йода. В результате реакции образуется йодид титана, который нагревают до высокой температуры — +1300…+1400°С и воздействуют на него электрическим током. При этом из исходного материала выделяются составляющие: йод и титан. Металл, полученный данным способом, не имеет примесей и добавок.
Области применения
Применение титана зависит от степени его очистки от примесей. Наличие даже небольшого количества других химических элементов в составе сплава титана кардинально меняет его физико-механические характеристики.
Титан с некоторым количеством примесей называется техническим. Он имеет высокие показатели коррозийной стойкости, это легкий и очень прочный материал. От этих и других показателей зависит его применение.
- В химической промышленности из титана и его сплавов изготавливают теплообменники, различного диаметра трубы, арматуру, корпуса и детали для насосов различного назначения. Вещество незаменимо в местах, где требуются высокая прочность и стойкость к кислотам.
- На транспорте титан используют для изготовления деталей и агрегатов велосипедов, автомобилей, железнодорожных вагонов и составов. Применение материала уменьшает вес подвижных составов и автомобилей, придает легкость и прочность велосипедным деталям.
- Большое значение титан имеет в военно-морском ведомстве . Из него изготавливают детали и элементы корпусов для подводных лодок, пропеллеры для лодок и вертолетов.
- В строительной промышленности применяется сплав цинк-титан. Он используется как отделочный материал для фасадов и кровель. Этот очень прочный сплав имеет важное свойство: из него можно изготавливать архитектурные детали самой фантастической конфигурации. Он может принимать любую форму.
- В последнее десятилетие титан широко применяют в нефтедобывающей отрасли . Сплавы его применяют при изготовлении оборудования для сверхглубокого бурения. Материал используется для изготовления оборудования для добычи нефти и газа на морских шельфах.
У титана очень широкая область применения
Чистый титан имеет свои области применения. Он нужен там, где необходима стойкость к высоким температурам и при этом должна сохраняться прочность металла.
Его применяют в:
- авиастроении и космической отрасли для изготовления деталей обшивки, корпусов, элементов крепления, шасси;
- медицине для протезирования и изготовления сердечных клапанов и других аппаратов;
- технике для работы в криогенной области (здесь используют свойство титана — при снижении температуры усиливается прочность металла и не утрачивается его пластичность).
В процентном соотношении использование титана для производства различных материалов выглядит так:
- на изготовление краски используется 60 %;
- пластик потребляет 20 %;
- в производстве бумаги используют 13 %;
- машиностроение потребляет 7 % получаемого титана и его сплавов.
Сырье и процесс получения титана дорогостоящие, затраты на его производство компенсируются и окупаются сроком службы изделий из этого вещества, его способностью не менять свой внешний вид за весь период эксплуатации.
Титан и сплавы на его основе широко используются в самых разных сферах. Прежде всего, титановые сплавы нашли широкое применение в строительстве различной техники благодаря своей высокой коррозийной стойкости, механической прочности, небольшой плотности, жаропрочности и множеству других характеристик. Рассматривая свойства и применение титана, нельзя не отметить его довольно высокую стоимость. Однако она в полной мере компенсируется характеристиками и долговечностью материала.
Титан имеет высокую прочность и температуру плавления, отличается от других металлов долговечностью.
Основные свойства титана
Титан находится в IV группе четвертого периода периодической системы химических элементов. В самых устойчивых и наиболее важных соединениях элемент является четырехвалентным. Внешне титан напоминает сталь. Является переходным элементом. Температура плавления достигает почти 1700°, а кипения — 3300°. Что касается такого свойства, как скрытая теплота плавления и испарения, то у титана она практически в 2 раза превышает аналогичный показатель для железа.
Имеет 2 аллотропические модификации:
- Низкотемпературную, которая способна существовать до температуры в 882,5°.
- Высокотемпературную, устойчивую от температуры в 882,5° до температуры плавления.
Такие свойства, как удельная теплоемкость и плотность, располагают титан между двумя материалами с наиболее широким конструкционным использованием: железом и алюминием. Механическая прочность титана почти в 2 раза превышает эту характеристику у чистого железа и практически в 6 раз у алюминия. Однако свойства титана таковы, что он способен поглощать в больших количествах водород, кислород и азот, что негативно отражается на пластических характеристиках материала.
Материал характеризуется очень низкой теплопроводностью. Для сравнения, у железа она выше в 4 раза, а у алюминия в 12. Что касается такого свойства, как коэффициент термического расширения, то при комнатной температуре он имеет относительно низкое значение и возрастает с увеличением температуры.
Титан имеет малые модули упругости. При повышении температуры до 350° они начинают уменьшаться практически по линейному закону. Именно этот момент является существенным недостатком материала.
Титан характеризуется довольно большим значением удельного электросопротивления. Оно может колебаться в достаточно широких пределах и зависит от содержания примесей.
Титан является парамагнитным материалом. Для таких веществ характерно снижение магнитной восприимчивости в процессе нагревания. Однако титан является исключением — при повышении температуры его магнитная восприимчивость значительно возрастает.
Сферы применения титана
Медицинские инструменты из титанового сплава отличаются высокой коррозионной прочностью, биологической стойкостью и пластичностью.
Свойства материала обеспечивают довольно широкий спектр сфер его применения. Так, в больших объемах сплавы титана используются в строении судов и различной техники. Налажено применение материала в качестве легирующей добавки к сталям высокого качества и в качестве раскислителя. Сплавы с никелем нашли применение в технике и медицине. Такие соединения имеют уникальные свойства, в частности, они обладают памятью формы.
Налажено применение компактного титана в производстве деталей электровакуумных приборов, использующихся в условиях высоких температур. Свойства технического титана позволяют использовать его в производстве клапанов, трубопроводов, насосов, арматуры и других изделий, создаваемых для эксплуатации в агрессивных условиях.
Сплавы характеризуются недостаточной теплопрочностью, однако имеют высокую коррозийную стойкость. Это позволяет использовать различные сплавы на основе титана в химической сфере. К примеру, материал применяется в изготовлении насосов для прокачки серной и соляной кислоты. На сегодняшний день только сплавы на основе этого материала можно использовать в производстве разного рода оборудования для хлорной промышленности.
Использование титана в транспортной промышленности
Сплавы на основе этого материала используются при изготовлении бронетанковой части. А замена разнообразных конструкционных элементов, которые используются в транспортной промышленности, позволяет снижать расход топлива, увеличивать полезную грузоподъемность, повышать предел усталости изделий и улучшать множество других характеристик.
При производстве оборудования для химической промышленности из титана самое важное свойство — коррозионная стойкость металла.
Материал хорошо подходит для использования в строительстве железнодорожного транспорта. Одна из главных задач, которую нужно решить на железных дорогах, связана со снижением мертвого груза. Использование прутков и листов из титана позволяет существенно снизить общую массу состава, уменьшить размеры букс и шеек, сэкономить в тяге.
Вес имеет довольно существенное значение и для прицепного транспорта. Использование титана вместо стали при производстве колес и осей тоже позволяет существенно повысить полезную грузоподъемность.
Свойства материала делают возможным его использование в автомобилестроении. Материал характеризуется оптимальным сочетанием прочностных и весовых свойств для систем отведения отработанных газов и витых пружин. Применение титана и его сплавов позволяет существенно снизить объем отработанных газов, уменьшить затраты топлива и расширить применение лома и производственных отходов путем их переплава. Материал и содержащие его сплавы имеет множество преимуществ по сравнению с прочими используемыми решениями.
Главной задачей разработки новых деталей и конструкций является уменьшение их массы, от которой в той или иной степени зависит движение самого транспортного средства. Снижение веса движущихся узлов и частей делает потенциально возможным сокращение затрат топлива. Детали из титана неоднократно доказывали свою надежность. Они довольно широко применяются в авиакосмической промышленности и конструкциях гоночных автомобилей.
Использование этого материала позволяет не только уменьшить вес деталей, но и решить вопрос снижения объема отработанных газов.
Использование титана и его сплавов в сфере строительства
В строительстве широко используется сплав титана с цинком. Этот сплав характеризуется высокими механическими показателями и устойчивостью к коррозии, отличается высокой жесткостью и пластичностью. В составе сплава содержится до 0,2% легирующих добавок, выполняющих функции модификаторов структуры. Благодаря алюминию и меди обеспечивается требуемая пластичность. Кроме того, использование меди позволяет повысить предельную прочность материала на растяжение, а сочетание химических элементов способствует снижению коэффициента расширения. Сплав применяется и для производства длинных лент и листов с хорошими эстетическими характеристиками.
Титан часто используется в космических технологиях благодаря его легкости, прочности и тугоплавкости.
Среди главных качеств сплава титана с цинком, важных конкретно для строительства, можно отметить такие химические и физические свойства, как высокая устойчивость к коррозии, хороший внешний вид и безопасность для человеческого здоровья и окружающей среды.
Материал отличается хорошей пластичностью, без проблем поддается глубокой вытяжке, что позволяет использовать его в кровельных работах. У сплава нет никаких проблем с пайкой. Именно поэтому различные объемные конструкции и нестандартные архитектурные элементы вроде куполов и шпилей изготавливаются из цинк-титана, а не меди или оцинкованной стали. В решении подобных задач данный сплав является незаменимым.
Сфера использования сплава очень широка. Его применяют в фасадных и кровельных работах, из него изготавливаются изделия различной конфигурации и практически любой сложности, он широко применяется в производстве разнообразных декоративных изделий типа водостоков, отливов, кровельных коньков и т.д.
Этот сплав отличается очень продолжительным сроком службы. Более столетия он не будет требовать покраски и частых текущих ремонтных работ. Также среди существенных преимуществ материала следует выделить его способность восстанавливаться. Несущественные повреждения в виде царапин от веток, птиц и т.п. через какое-то время устраняются сами по себе.
Требования к строительным материалам становятся все более серьезными и строгими. Исследовательские компании ряда стран изучали почву вокруг зданий, построенных с использованием сплава цинка и титана. Результаты исследований подтвердили, что материал является полностью безопасным. Он не имеет канцерогенных свойств и не вредит человеческому здоровью. Цинк-титан является негорючим стройматериалом, что дополнительно повышает безопасность.
С учетом всех перечисленных положительных характеристик такой строительный материал в эксплуатации приблизительно в 2 раза дешевле, чем кровельная медь.
У сплава две степени окисления. С течением времени он меняет цвет и теряет металлический блеск. Сначала цинк-титан становится светло-серым, а еще через некоторое время приобретает благородный темно-серый оттенок. В настоящее время материал намеренно подвергается химическому старению.
Использование титана и его сплавов в медицине
Титан отлично совместим с человеческой тканью, поэтому активно применяется в области эндопротезирования.
Титан нашел широкое применение и в медицинской сфере. Среди преимуществ, которые позволили ему стать таким популярным, нужно отметить высокую прочность и устойчивость к коррозии. Кроме того, ни у одного из пациентов не было выявлено аллергии на титан.
В медицине применяются коммерчески чистый титан и сплав Ti6-4Eli. С его использованием изготавливаются хирургические инструменты, разнообразные внешние и внутренние протезы, вплоть до сердечных клапанов. Из титана производятся инвалидные коляски, костыли и прочие приспособления.
Ряд исследований и экспериментов подтверждает отличную биологическую совместимость материала и его сплавов с живой человеческой тканью. Мягкие и костные ткани срастаются с этими материалами без проблем. А низкий модуль упругости и высокий показатель удельной прочности делают титан очень хорошим материалом для эндопротезирования. Он заметно легче, чем жесть, сталь и сплавы на основе кобальта.
Таким образом, свойства титана позволяют активно использовать его в самых разнообразных сферах — от изготовления труб и кровли до медицинского протезирования и построения космических аппаратов.
В периодической системе химический элемент титан обозначается, как Ti (Titanium) и располагается в побочной подгруппе IV группы, в 4 периоде под атомным номером 22. Это серебристо-белый твёрдый металл, который входит в состав большого количества минералов. Купить титан вы можете на нашем сайте.
Открыли титан в конце 18 века химики из Англии и Германии Ульям Грегор и Мартин Клапрот, причём независимо друг от друга с шестилетней разницей. Название элементу дал именно Мартин Клапрот в честь древнегреческих персонажей титанов (огромных, сильных, бессмертных существ). Как оказалось, название стало пророческим, но чтобы познакомиться со всеми свойствами титана, человечеству понадобилось ещё больше 150 лет. Только через три десятилетия удалось получить первый образец металла титана. На тот момент времени его практически не использовали из-за хрупкости. В 1925 году после ряда опытов, при помощи йодидного метода химики Ван Аркель и Де Бур добыли чистый титан.
Благодаря ценным свойствам металла, на него сразу же обратили внимание инженеры и конструкторы. Это был настоящий прорыв. В 1940 году Кролль разработал магниетермический способ получения титана из руды. Этот способ актуален и на сегодняшний день.
Физические и механические свойства
Титан является довольно тугоплавким металлом. Температура его плавления составляет 1668±3°С. По этому показателю он уступает таким металлам, как тантал, вольфрам, рений, ниобий, молибден, тантал, цирконий. Титан - это парамагнитный металл. В магнитном поле он не намагничивается, но не выталкивается из него. Изображение 2
Титан обладает низкой плотностью (4,5 г/см³) и высокой прочностью (до 140 кг/мм²). Эти свойства практически не меняются при высоких температурах. Он более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия (2,7 г/см³), зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см³). По механическим свойствам титан намного превосходит эти металлы. По прочности титан и его сплавы располагаются в одном ряду со многими марками легированных сталей.
По стойкости к коррозии титан не уступает платине. Металл обладает отличной устойчивостью в условиях кавитации. Пузырьки воздуха, образующиеся в жидкой среде при активном движении титановой детали, практически не разрушают её.
Это прочный металл, способный сопротивляться разрушению и пластической деформации. Он в 12 раз твёрже алюминия и в 4 раза - меди и железа. Ещё один важный показатель - это предел текучести. С увеличением этого показателя улучшается сопротивление деталей из титана эксплуатационным нагрузкам.
В сплавах с определёнными металлами (особенно с никелем и водородом) титан способен «запоминать» форму изделия, созданную при определённой температуре. Такое изделие потом можно деформировать и оно надолго сохранит это положение. Если же изделие нагреть до температуры, при которой оно было сделано, то изделие примет первоначальную форму. Называют это свойство «памятью».
Теплопроводность титана сравнительно низкая и коэффициент линейного расширения соответственно тоже. Из этого следует, что металл плохо проводит электричество и тепло. Зато при низких температурах он является сверхпроводником электричества, что позволяет ему передавать энергию на значительные расстояния. Также титан обладает высоким электросопротивлением.
Чистый металл титан подлежит различным видам обработки в холодном и горячем состоянии. Его можно вытягивать и делать проволоку, ковать, прокатывать в ленты, листы и фольгу с толщиной до 0,01 мм. Из титана изготавливают такие виды проката: титановая лента
, титановая проволока
, титановые трубы
, титановые втулки
, титановый круг
, титановый пруток
.
Химические свойства
Чистый титан - это химически активный элемент. Благодаря тому, что на его поверхности формируется плотная защитная плёнка, металл обладает высокой устойчивостью к коррозии. Он не подвергается окислению на воздухе, в соленой морской воде, не меняется во многих агрессивных химических средах (например: разбавленная и концентрированная азотная кислота, царская водка). При высоких температурах титан взаимодействует с реагентами намного активнее. На воздухе при температуре 1200°С происходит его воспламенение. Возгораясь, металл даёт яркое свечение. Активная реакция происходит и с азотом, с образованием нитридной плёнки желто-коричневого цвета на поверхности титана.
Реакции с соляной и серной кислотами при комнатной температуре слабые, но при нагреве металл усиленно растворяется. В результате реакции образуются низшие хлориды и моносульфат. Также происходят слабые взаимодействия с фосфорной и азотной кислотами. Металл реагирует с галогенами. Реакция с хлором происходит при 300°С.
Активная реакция с водородом протекает при температуре чуть выше комнатной. Титан активно поглощает водород. 1 г титана может поглотить до 400 см³ водорода. Нагретый металл разлагает двуокись углерода и пары воды. Взаимодействие с парами воды происходит при температуре более 800°С. В результате реакции образуется окисел металла и улетучивается водород. При более высокой температуре горячий титан поглощает углекислый газ и образует карбид и окисел.
Способы получения
Титан является одним из самых распространённых элементов на Земле. Содержание его в недрах планеты по массе составляет 0,57%. Самая большая концентрация металла наблюдается в «базальтовой оболочке» (0,9%), в гранитных породах (0,23%) и в ультраосновных породах (0,03%). Существует около 70 минералов титана, в которых он содержится в виде титановой кислоты или двуокиси. Главные минералы титановых руд это: ильменит, анатаз, рутил, брукит, лопарит, лейкоксен, перовскит и сфен. Основные мировые производители титана - это Великобритания, США, Франция, Япония, Канада, Италия, Испания и Бельгия.
Существует несколько способов получения титана. Все они применяются на практике и вполне эффективны.
1. Магниетермический процесс.
Добывают руду, содержащую титан и перерабатывают его в диоксид, который медленно и при очень высоких температурных значениях подвергают хлорированию. Хлорирование проводят в углеродной среде. Затем хлорид титана, образовавшийся в результате реакции, восстанавливают магнием. Полученный металл нагревают в вакуумном оборудовании при высокой температуре. В результате магний и хлорид магния испаряются, остаётся титан с множеством пор и пустот. Губчатый титан переплавляют для получения качественного металла.
2. Гидридно-кальциевый метод.
Сначала получают гидрид титана, а затем разделяют его на компоненты: титан и водород. Процесс происходит в безвоздушном пространстве при высокой температуре. Образуется оксид кальция, который проходит отмывку слабыми кислотами.
Гидридно-кальциевый и магниетермический методы обычно используются в промышленных масштабах. Эти методы позволяют получить значительное количество титана за небольшой промежуток времени, с минимальными денежными затратами.
3. Электролизный метод.
Хлорид или диоксид титана подвергается воздействию высокой силы тока. В результате происходит разложение соединений.
4. Йодидный метод.
Диоксид титана взаимодействует с парами йода. Далее на титановый йодид воздействуют высокой температурой, в результате чего получается титан. Этот метод является наиболее эффективным, но и самым дорогостоящим. Титан получается очень высокой чистоты без примесей и добавок.
Применение титана
Благодаря хорошим антикоррозионным свойствам титан используют для изготовления химической аппаратуры. Высокая жаростойкость металла и его сплавов способствует применению в современной технике. Сплавы титана - это прекрасный материал для самолётостроения, ракетостроения и судостроения.
Из титана создают памятники. А колокола из этого металла известны необычайным и очень красивым звучанием. Двуокись титана является компонентом некоторых лекарственных препаратов, например: мази против кожных заболеваний. Также большим спросом пользуются соединения металла с никелем, алюминием и углеродом.
Титан и его сплавы нашли применение в таких сферах, как химическая и пищевая промышленность, цветная металлургия, электроника, ядерная техника, энергомашиностроение, гальванотехника. Вооружение, броневые плиты, хирургические инструменты и имплантаты, оросительные установки, спортинвентарь и даже украшения делают из титана и его сплавов. В процессе азотирования на поверхности металла образуется золотистая плёнка, не уступающая по красоте даже настоящему золоту.
| Краткие обозначения: | ||||
| σ в | - временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа |
ε | - относительная осадка при появлении первой трещины, % | |
| σ 0,05 | - предел упругости, МПа |
J к | - предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа |
|
| σ 0,2 | - предел текучести условный, МПа |
σ изг | - предел прочности при изгибе, МПа | |
| δ 5 ,δ 4 ,δ 10 | - относительное удлинение после разрыва, % |
σ -1 | - предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| σ сж0,05 и σ сж | - предел текучести при сжатии, МПа |
J -1 | - предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| ν | - относительный сдвиг, % |
n | - количество циклов нагружения | |
| s в | - предел кратковременной прочности, МПа | R и ρ | - удельное электросопротивление, Ом·м | |
| ψ | - относительное сужение, % |
E | - модуль упругости нормальный, ГПа | |
| KCU и KCV | - ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2 | T | - температура, при которой получены свойства, Град | |
| s T | - предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа | l и λ | - коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С) | |
| HB | - твердость по Бринеллю |
C | - удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T), [Дж/(кг·град)] | |
| HV
|
- твердость по Виккерсу | p n и r | - плотность кг/м 3 | |
| HRC э
|
- твердость по Роквеллу, шкала С |
а | - коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T), 1/°С | |
| HRB | - твердость по Роквеллу, шкала В |
σ t Т | - предел длительной прочности, МПа | |
| HSD
|
- твердость по Шору | G | - модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа | |
