Свойства и применение титана

Двадцатый век по мере развития научно-технического прогресса называли «веком электричества», «веком радио», «веком всеобщей грамотности», «веком автомобиля», «веком космонавтики», даже «веком самых жестоких войн», но металлурги называют 20 век «веком алюминия и титана». Титан – очень ценный металл не только благодаря замечательным свойствам, но и потому, что запасы его в земной коре велики - более 80 минералов содержат титан. Кларк титана (содержание в литосфере) составляет 0,66-0,73 %, это седьмое место среди металлов.

Титан – металл 4 группы периодической системы Д.И. Менделеева, порядковый номер 22, атомная масса 47, 88, плотность 4,5 г/см³. Это пограничный металл между легкими (до 5 г/см³) и тяжелыми металлами. Титан обладает высокой прочностью, твердостью и хорошей пластичностью. Высокая температура плавления позволяет получать жаропрочные сплавы, отличное сопротивление коррозии – использовать для работы в агрессивных средах. Чистый титан очень хорошо сваривается и пригоден для любых видов механической обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать, делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм. Особенно великолепными свойствами обладают сплавы на основе титана.

Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия (2,7 г/см³), но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см³), и, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан во много раз превосходит их по своим механическим свойствам, которые хорошо сохраняются при температурах до 500 – 700 °С.

Титан при повышенных температурах (более 400 °С) взаимодействует почти со всеми элементами Периодической системы, кроме щелочных и щелочноземельных металлов и инертных газов.

Прочность титана в 18 раз выше, чем у алюминия, а прочность его сплавов можно повысить в 1,5–2 раза.

Твердость в 12 раз больше, чем у алюминия, в 4 раза–железа и меди.

Тугоплавкость: температура плавления чистого элементарного титана 1668±3 °С. По тугоплавкости среди конструкционных металлов он стоит на первом месте:

Парамагнитность: магнитная восприимчивость титана очень слаба, это свойство используется при строительстве немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.

Титан обладает удивительным свойством – «памятью». В сплаве с никелем и водородом он «запоминает» форму изделия, которую ему 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 температуры, при которой изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму.

Титан имеет еще одно замечательное свойство – исключительную стойкость в условиях кавитации, т. е. при усиленной «бомбардировке» металла в жидкой или газообразной среде пузырьками воздуха. Эти пузырьки, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы и металлы, а вот титан прекрасно противостоит кавитации.

Титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах, во многих агрессивных средах. Дело в том, что реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах, а при обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала, он практически не вступает в реакции, потому что на поверхности чистого титана имеется инертная, тончайшая 0, 65 А (1А=10^-10 м) оксидная пленка, и металл ею «пассивируется», т. е. защищает сам себя от разрушения.

Титан находит широкое применение в самых различных отраслях промышленности.

Авиакосмическая промышленность была первым потребителем титана. Создание сверхзвуковых самолетов потребовало новых конструкционных материалов для двигателей, корпуса и обшивки. Сочетание низкой плотности (что обеспечивает малую массу изделий) с достаточной прочностью и коррозионной стойкостью, хорошие механические и технологические свойства сделали титан и его сплавы незаменимыми для авиа- и ракетостроения, судостроения и подводных лодок. Авиакосмическая техника и сейчас определяет темпы развития титановой промышленности.

В химическом и нефтяном машиностроении титан и его сплавы широко используются для изготовления коммуникаций. Трубы из титана практически незаменимы вследствие их высоких антикоррозионных характеристик и химической инертности к агрессивным средам и реактивам, хлор-газу, водным и кислым растворам хлора.

Цветная металлургия: наибольшее распространение титановое оборудование получило на предприятиях хлорной металлургии, кобальтово-никелевой и титаново-магниевой промышленности.

Чёрная металлургия: добавки титана повышают качество чугуна и стали.

Медицина, пищевая промышленность. Титан абсолютно биосовместим с организмом человека, его давно применяют в общей медицине, нейрохирургии и кардиохирургии, изготавливая из него различные препараты, инструменты, искусственные суставы, скобы, стенты, имплантаты и другие изделия.

Спорт: титановый спортивный инвентарь лёгкий и прочный.

Но титан имеет и свои недостатки, один из основных - высокая стоимость производства. Плавка титана может осуществляться только в вакууме или среде инертных газов. Титановая продукция имеет плохие антифрикционные свойства, высокую склонность к водородной хрупкости и солевой коррозии, плохую обрабатываемость резанием.

 

Задание 1.   Объяснить, чем обусловлено столь широкое применение титана в настоящее время?

 

 

Титаносодержащее сырьё

Титан - один из наиболее распространенных химических элементов как по содержанию его в земной коре (литосфере), так и по наличию минералов. По распространённости среди металлов титан занимает седьмое место, по разным оценкам его кларк от 0,63 до 0,75 %.

Титановые минералы встречаются почти во всех типах пород, особенно в глинах, бокситах, песках и песчаниках. Большинство минералов титана сформированы в соединении с кислородом и железом, в меньшей степени - с кальцием и кремнием. Практически во всех минералах титан находится в четырёхвалентной форме.

Насчитывается более 80 минералов, содержащих титан, они разбиты на 5 характерных групп.

1   Группа рутила. Минералы рутил, анатаз, брукит - полиморфные модификации ТО₂, состоят на 90-98 % из чистой окиси титана. Самый устойчивый минерал титана - рутил, имеет тетрагональную кристаллическую решётку. Анатаз и брукит неустойчивы, в природе встречаются только вместе с рутилом в осадочных породах, глинах и бокситах. Рутил - наиболее высококачественное сырьё для получения титана, но его месторождения немногочисленны, наиболее крупные находятся в Австралии, США и ЮАР. Австралия производит до 90% рутиловых концентратов.

2   Группа ильменита. Все минералы этой группы являются двойными окислами; кристаллизующимися в ре­шётке корунда. Наиболее распространённый из этой группы минералов ильменит FeTiO₃ (FeO*TiO₂) имеет промышленное значение. Часто в ильмените присутствует избыток ТiO₂ как примесь рутила. В результате совместной кристаллизации ильменита с гематитом (Fe₂O₃) или магнетитом (Fe₃O₄) образуются гематитоильменит FeTiO₃*Fe₂O₃ или титаномагнетит FeTiO₃*Fe₃O₄ соответственно. В зависимости от соотношения окислов железа и титана, физические свойства, химический и минералогический составы ильменита сильно колеблются. Цвет его изменяется от темно-металлического до серо-стального, плотность от 4,05 до 5,24 г/см³ и твердость от 5 до 6. Месторождения ильменита встречаются во многих странах, Австралия - самый крупный производитель ильменитовых концентратов.

Россия занимает 2-е место в мире по запасам ильменитовых руд, более 600 млн. тонн (против 800 млн. тонн в Китае), но почти все они расположены в неблагоприятных для широкой добычи районах, на севере Ямала и в Забайкалье. До сих пор почти половину потребности в концентратах закрывают за счёт экспорта.

Остальные минералы не имеют промышленного значения, так как не образуют достаточно больших месторождений в экономически выгодных районах добычи.

3 - Группа перовскита СаТiO₃.

4 - Группа пирохлора (Na, Са,..) (Nb, Тi)O (Р, ОН).

5 - Группа сфена СаТi(SiO₄)О.

Близость радиуса иона титана к радиусам ионов магния, алюминия, марганца, хрома, ванадия, ниобия, циркония, обусловливает присутствие этих и других редких элементов в рудах титана до нескольких процентов.

Задание 2. Заполнить таблицу

Минерал

Формула