Титан

алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не

уменьшаются.

Физические и механические свойства титана

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он

плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф

и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана.

Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким

металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, 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/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с

удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий,

кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см3, магний (1,7

г/см3), алюминий (2,7 г/см3) 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/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное

положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам

во много раз их превосходит.

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). Титан обладает 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. Предел текучести у титана почти

в 18 раз выше, чем у алюминия. 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.

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 водорода азота, кислорода, углерода

и др. Если увеличение содержания кислорода и азота сразу сказывается на их

механических свойствах, то влияние водорода более сложное и может

проявляться не сразу, а в процессе эксплуатации изделия. Недооценка этого

влияния при первых шагах применения титана привела к серьезным авариям.

Многочисленные случаи неожиданных хрупких разрушений готовых титановых

конструкций в авиации США даже стали причиной некоторого кризиса в

производстве титана в 1945–1955 гг. Сегодня же водород специально вводят в

титановые сплавы, как временный или постоянный легирующий элемент. Это

позволяет сильно упростить многие технологические операции при изготовлении

титановых изделий (горячую обработку давлением, резание, сварку, формовку)

и улучшить их свойства. При необходимости водород удаляют отжигом в

вакууме.

Титан имеет еще одно замечательное свойство – исключительную

стойкость 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, и особенно с никелкм и

водородом) 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

операций 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.

Температурные, электрические и магнитные свойства титана.

Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07

Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7

раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент

линейного термического расширения у титана ниже, чем у других

конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 -

у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, 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 свойство можно использовать при строительстве, например,

немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.

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, представляет интерес для радиоэлектроники и электротехники.

Получение титана

Цена – вот что еще тормозит производство и потребление, титана.

Собственно, высокая стоимость – не врожденный порок титана. В земной коре

его много – 0,63%. Минералы, содержащие титан находятся повсеместно.

Важнейшие из них титаномагнетиты FeTiO3(nFe3O4, ильменит FeTiO3, сфен

CaTiSiO5 и рутил TiO2. (В России месторождения титановых руд находятся на

Урале, а крупнейший производитель Верхне-Салдинское ПО). Среди

конструкционных металлов титан по распространенности занимает четвертое

место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Высокая цена титана –

следствие сложности извлечения его из руд и применение вакуумного

оборудования при переплавке. При промышленном получении титана руду или

концентрат переводят в диоксид титана, который затем хлорируют. Однако даже

при 800-1000(С хлорирование протекает медленно. С достаточной для

практических целей скоростью оно происходит в присутствии углерода,

связывающего кислород в основном в CO2:

TiO2+2Cl2+2C=TiCl4+2CO2

Хлорид титана (IV) восстанавливают магнием

TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2

а образующуюся смесь подвергают нагреванию в вакууме. При этом магний и его

хлорид испаряются и осаждаются в конденсаторе. Остаток - губчатый титан

-переплавляют, получая компактный ковкий металл. Для очистки от кислорода,

углерода и других вредных примесей восстановление титана проводят в

герметичной аппаратуре в атмосфере аргона, а очистку и переплавку в

глубоком вакууме.

Для получения титана высокой чистоты применяют иодидный метод,

предложеннй еще в 1925 году. Суть этой технологии, в деталях разработана в

30-х гг. немецким химиком Вильгельмом Кроллем, и заключается в следующем.

Черновой металл, загрязненный примесями, нагретый до 100-200° С,

взаимодействуя с йодом, образует четырехйодистый титан. Дальнейшее

нагревание йодида до температуры примерно 1300–1500° С приводит к его

разложению на титан и йод. Причем парообразный йод соединяется снова с

черновым металлом, а титан осаждается на раскаленной поверхности затравки

из титана же. Примеси, находящиеся в черновом металле, взаимодействуют с

йодом и не попадают на раскаленный чистый титан.

Ti(загрязненный)+2I2(газ)(100-200(С(TiI4(газ) (1300-

1500(С(Ti(чистый)+2I2(газ)

Применение титана и его соединений.

Выше, описывая свойства, коротко уже упоминались отдельные области

применения титановых сплавов. Сегодня титановые сплавы широко применяют в

авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были

использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение

титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на

10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки

компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные

изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост

скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры

обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять

требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых

скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих

условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы.

В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для

планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая

масса деталей из титановых сплавов составляет 2570 кг.

Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным

образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы

управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.

Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его

сплавы находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов,

обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы

не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его

движении.

Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы

применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумаж-ной и пищевой

промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике,

ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для

изготовления броневых плит, хирургического инструмента, хирургических

имплантатов, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей,

спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), деталей ручных

часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его

поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.

Из титана созданы памятники Ю.А. Гагарину и монумент покорителям

космоса в Москве, обелиск в честь успехов освоения Вселенной в Женеве.

Совершенно необычный аспект применения титана - колокольный звон.

Колокола, отлитые из этого металла, обладают необычайным, очень красивым

звучанием.

Из соединений титана наиболее широко применяется двуокись. 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. Двуокись титана входит в состав некоторых медицинских препаратов,

в частности мазей против кожных болезней,

Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет

наибольшие количества TiO2. 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.

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.

Среди новых материалов, которым наука приписывает большое будущее,

следует отметить соединения титана с алюминием и никелем и углеродом. О

свойствах никелида титана упоминалось выше. Интерметаллиды Ti3Al, TiAl,

TiAl3 предполагается использовать при рабочих температурах до 700(С.

Карбиды титана обладают очень высокой твердостью и износостойкостью, сто

позволяет использовать их вместо алмазных насадок в качестве режущего

инструмента.

Список использованной литературы.

1. Н.Л. Глинка Общая химия: Учебное пособие для вузов.–24-е изд.–Л.:

Химия,1985.–704 с.

2. Популярная библиотека химических элементов. Под ред. И.В. Петрянова-

Соколова. Издание3-е, книга первая «Водород–палладий». М.: Наука,

1983.– 576 с.

3. Л.Б. Зубков Космический металл: (Все о титане).–М.: Наука, 1987.–128

с.–(Серия «Наука и технический прогресс»).

4. Б.А. Колачев, В.И. Елагин, В.А. Ливанов. Металловедение и

термическая обработка цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов.

М.: «МИСИС», 1999.–416 с.

Страницы: 1, 2