Титаном назвали металл не зря. Имя принадлежит мифологическим древнегреческим божествам, олицетворявшим силу и мощь природы. Герой статьи делится своей силой с человеком.
Кто открыл суперметалл
История открытия рядовая. Химик и священник Грегор обнаружил оксид неизвестного металла, и дал ему название «менакеновая земля».
Стержень, состоящий из титановых кристаллов высокой чистоты
К сведению: «землями» раньше называли оксиды в химии и сыпучие горные породы в геологии.
Чуть позже немецкий химик Клапрот, исследуя минерал рутил, обнаружил в нем новый элемент, который назвал титаном.
Интересно: Клапрот ранее открыл новый элемент, и назвал его ураном. Это имя в греческой мифологии принадлежало отцу титанидов.
Чистый титан удалось получить талантливому исследователю Берцелиусу.
Режиссер «Титаника» об исчезновении «Титана»: это трагично и ужасно
Свойства титана
Титан относится к металлам; в периодической таблице Менделеева имеет № 22; он легкий, прочный, устойчив к коррозии. Внешне (цветом) похож на алюминий или нержавеющую сталь.
- На воздухе образует на поверхности оксидную пленку.
- Имеет высокую химическую и коррозионную стойкость (благодаря защитной оксидной пленке).
- Имеет две аллотропные модификации: низкотемпературная (существует до температуры 882°С) и высокотемпературная.
- Обладает парамагнитными свойствами.
- Титан образует с другими металлами интерметаллические соединений, его добавляют в сплавы.
Титановая пыль взрывается, а его стружка пожароопасна.
Металл образует с карбидами тугоплавкие высокотвердые соединения.
| Тита́н / Titanium (Ti), 22 |
| 47,867(1)[1] а. е. м. (г/моль) |
| [Ar] 3d2 4s2 |
| 147 пм |
| 132 пм |
| (+4e)68 (+2e)94 пм |
| 1,54 (шкала Полинга) |
| −1,63 |
| 2, 3, 4 |
| 657,8 (6,8281[2]) кДж/моль (эВ) |
| 4,54 г/см³ |
| 1670 °C 1943 K |
| 3560 K |
| 18,8 кДж/моль |
| 422,6 кДж/моль |
| 25,1[3] Дж/(K·моль) |
| 10,6 см³/моль |
| гексагональная плотноупакованная (α-Ti) |
| a=2,951 с=4,697 (α-Ti) |
| 1,587 |
| 380 K |
| (300 K) 21,9 Вт/(м·К) |
| 7440-32-6 |
Рекомендуем: ОЛОВО — разноликий металл
Месторождения
Титан называют редким металлом, что не совсем верно. По запасам титансодержащих руд элемент занимает 10 место.
Известно больше 100 таких руд. Среди них:
- рутил;
- титаномагнетит;
- ильменит;
- титанит.
Месторождения титансодержащих руд:
Добыча и переработка
Титан получают из концентрата титансодержащих руд методами пирометаллургии или сернокислотной переработки.
Концентраты из ильменитовых руд плавят в электродуговых печах.
При необходимости черновой металл рафинируют.
Марки титана и виды изделий
Виды выпускаемых титановых изделий:
Сплавы
Титановые сплавы по областям применения делятся на деформируемые и литейные.
| Марка сплава | Присадки |
| ВТ3-1 | Ti, Al, Cr, Mo, Fe, S |
| ВТ5-1 | Ti-Al-Sn |
| ПТ-7М | Ti-Al-Zr |
| ОТ4-1 | Ti-Al-Mn |
| ВТ18 | Ti-Al-Zr-Mo-Nb-Si |
| ВТ14 | Ti-A1-Мо-V |
Достоинства сплавов — сочетание высокой коррозионной стойкости с жаропрочностью и хорошей удельной прочностью.
Плюсы и минусы металла и его сплавов
Достоинства титановых сплавов:
- Соотношение прочность-плотность у титановых сплавов почти в 2 раза лучше, чем у легированных сталей.
- Высокая механическая прочность.
- Отличная коррозионная стойкость, что позволяет изделиям работать в агрессивных средах.
Часы из титанового сплава
К недостаткам титановых сплавов можно отнести:
- Высокая цена (титан гораздо дороже многих цветных металлов).
- При обработке металла и его сплавов возникает проблема налипания, что грозит быстрым износом режущих инструментов.
- Сложности при сварке титановых изделий.
Применение
Область применения титановых изделий широка, хотя может ограничиваться ценовой составляющей.
Заготовка титанового шпангоута истребителя F-15 до и после прессования на штамповочном прессе компании Alcoa усилием 45 тыс. тонн, май 1985
Есть случаи, когда титановые сплавы — единственные, которые возможно использовать в конкретных условиях.
- Надежность продукции из титана проверялась на гоночных автомобилях.
- Металл и его сплавы незаменимы в ракето- и судостроении, химической, энергетической промышленности.
- Титановые соединения востребованы в производстве конденсаторов турбин, труб для перекачки агрессивных жидкостей, сосудов высокого давления.
- Перспективная область применения титановых сплавов — оборудование для глубокого и сверхглубокого бурения.
- Не обходятся без титановых изделий оборонная и военная промышленности.
Титановый металлопрокат
Стоимость металла
Цена титана в порошке ПТМ-1 7500 рублей за килограмм (на 25.07.2020).
Рекомендуем: СУРЬМА — от красоты глаз до аккумуляторов
Похожие публикации
Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!
Источник: themineral.ru
Особенности титана как металла с превосходной коррозийной стойкостью
Наиболее значимыми для народного хозяйства были и остаются сплавы и металлы, объединяющие легкость и прочность. Титан относится именно к этой категории материалов и, кроме того, обладает превосходной коррозийной стойкостью.
Что такое титан
Титан – переходный металл 4 группы 4 периода. Молекулярная масса его составляет всего 22, что указывает на легкость материала. При этом вещество отличается исключительной прочностью: среди всех конструкционных материалов именно у титана самая высокая удельная прочность. Цвет серебристо-белый.
Что такое титан, расскажет видео ниже:
Понятие и особенности
Титан довольно распространен – по содержанию в земной коре занимает 10 место. Однако выделить действительно чистый металл удалось лишь в 1875 году. До этого вещество либо получали с примесями, либо называли металлическим титаном его соединения. Эта путаница привела к тому, что соединения металла стали использоваться значительно раньше, чем сам металл.
Обусловлено это особенностью материала: самые ничтожные примеси заметно влияют на свойства вещества, порой полностью лишая присущих ему качеств.
Так, самая небольшая доля других металлов лишает титан жаропрочности, что является одним из его ценных качеств. А небольшая добавка неметалла превращает прочный материал в хрупкий и непригодный к применению.
Эта особенность сразу же разделила получаемый металл на 2 группы: технический и чистый.
- Первый применяют в тех случаях, когда более всего нужна прочность, легкость и коррозийная стойкость, так как последнее качество титан не теряет никогда.
- Материал большой чистоты используется там, где нужен материал, работающий при очень больших нагрузках и больших температурам, но при этом отличающийся легкостью. Это, конечно, авиа- и ракетостроение.
Вторая особая черта вещества – анизотропность. Некоторые его физические качества изменяются в зависимости от приложения сил, что необходимо учитывать при применении.
При нормальных условиях металл инертен, не корродирует ни в морской воде, ни в морском или городском воздухе. Более того, это самое биологически инертное вещество из известных, благодаря чему в медицине широко применяются титановые протезы и имплантаты.
В то же время при повышении температуры он начинает реагировать с кислородом, азотом и даже водородом, а в жидком виде впитывает газы. Эта неприятная особенность крайне затрудняет и получение самого металла, и изготовление сплавов на его основе.
Последнее возможно только при использовании вакуумной аппаратуры. Сложнейший процесс производства превратил довольно распространенный элемент в весьма дорогостоящий.
Связь с другими металлами
Титан занимает промежуточное положение между двумя другими известнейшими конструкционными материалами – алюминием и железом, вернее говоря, сплавами железа. По многим параметрам металл превосходит «конкурентов»:
- механическая прочность титана в 2 раза выше, чем у железа, и в 6 раз, чем у алюминия. При этом прочность при снижении температуры возрастает;
- коррозийная стойкость намного выше, чем у железа и даже алюминия;
- при нормальной температуре титан инертен. Однако при повышении до 250 С, начинает поглощать водород, что сказывается на свойствах. По химической активности он уступает магнию, но, увы, превосходит железо и алюминий;
- металл намного слабее проводит электричество: его удельное электросопротивление выше, чем у железа 5 раз, выше, чем у алюминия в 20 раз, и выше, чем у магния в 10 раз;
- теплопроводность также намного ниже: меньше, чем 1 железа в 3 раза, и меньше, чем у алюминия в 12 раз. Однако это свойство обуславливает очень низкий коэффициент температурного расширения.
Плюсы и минусы
На деле недостатков у титана множество. Но сочетание прочности и легкости настолько востребовано, что ни сложный способ изготовления, ни необходимость исключительной чистоты не останавливают потребителей металла.
К несомненным плюсам вещества относятся:
- низкая плотность, что означает очень небольшой вес;
- исключительная механическая прочность как самого металла титан, так и его сплавов. При повышении температуры титановые сплавы превосходят все сплавы алюминия и магния;
- соотношение прочности и плотности – удельная прочность, достигает 30–35, что почти в 2 раза выше, чем у лучших конструкционных сталей;
- на воздухе титан подлежит покрытию тонким слоем оксида, который и обеспечивает превосходную коррозийную стойкость.
Недостатков у металла тоже хватает:
- стойкость к коррозии и инертность относится только к продукции с неактивной поверхностью. Титановая пыль или стружка, например, самовоспламеняются и сгорают с температурой в 400 С;
- очень сложный способ получения металла титан обеспечивает очень высокую стоимость. Материал намного дороже железа, алюминия или меди;
- способность впитывать атмосферные газы при повышении температуры требует применения при плавке и получении сплавов вакуумной аппаратуры, что тоже заметно увеличивает стоимость;
- титан отличается плохими антифрикционными свойствами – на трение он не работает;
- металл и его сплавы склонны к водородной коррозии, предотвратить которую сложно;
- титан плохо поддается обработке резанием. Сварка его тоже затруднена из-за фазового перехода во время нагревания.
Далее рассмотрены состав и структура титана.
Лист титана (фото)
Свойства и характеристики
Физические качества вещества сильно зависят от чистоты. Справочные данные описывают, конечно, чистый металл, но характеристики технического титана могут заметно отличаться.
- Плотность металла уменьшается при нагревании от 4,41 до 4,25 г/куб см. Фазовый переход изменяет плотность лишь на 0,15%.
- Температура плавления металла – 1668 С. температуру кипения – 3227 С. Титан является тугоплавким веществом.
- В среднем предел прочности на растяжение составляет 300–450 МПа, однако это показатель можно увеличить до 2000 МПА, прибегнув к закалке и старению, а также введению дополнительных элементов.
- По шкале НВ твердость составляет 103 и это не предел.
- Теплоемкость титана невелика – 0,523 кдж/(кг·К).
- Удельное электросопротивление — 42,1·10 -6 ом·см.
- Титан является парамагнитом. При снижении температуры его магнитная восприимчивость уменьшается.
- Металлу в целом свойственны пластичность и ковкость. Однако на эти свойства сильно влияют кислород и азот в сплаве. Оба элемента придают материалу хрупкость.
Вещество устойчиво ко многим кислотам, включая азотную, серную в низкой концентрации и практически все органические за исключением муравьиной. Это качество обеспечивает титану востребованность в химической, нефтехимической, бумажной промышленности и так далее.
Структура и состав
Титан – хоть и переходный металл, да и удельное электросопротивление имеет низкое, все же, является металлом и проводит электрический ток, а это означает упорядоченную структуру. При нагревании до определенной температуры структура изменяется:
- до 883 С устойчивой является α-фаза с плотностью в 4,55 г/куб. см. Она отличается плотной гексагональной решеткой. Кислород растворяется в этой фазе с образованием растворов внедрения и стабилизирует α-модификацию – отодвигает температурный предел;
- выше 883 С стабильна β-фаза с объемно-центрированной кубической решеткой. Плотность его несколько меньше – 4,22 г/куб. см. Эту структуру стабилизирует водород – при его растворении в титане также образуются растворы внедрения и гидриды.
Эта особенность очень затрудняет работу металлурга. Растворимость водорода при охлаждении титана резко уменьшается, и в сплаве выпадает гидрид водорода – γ-фаза.
Он становится причиной появления холодных трещин при сварке, поэтому производителям приходится применять дополнительные усилия после плавки металла, чтобы очистить его от водорода.
О том, где можно найти и как сделать титан, расскажем ниже.
Данное видео посвящено описанию титана как металла:
Производство и добыча
Титан весьма распространен, так что с рудами, содержащими металл, причем в довольно больших количествах, затруднений не возникает. Исходным сырьем выступает рутил, анатаз и брукит – диоксиды титана в разной модификации, ильменит, пирофанит – соединения с железом, и так далее.
А вот технология плавки титана сложна и требует дорогостоящей аппаратуры. Способы получения несколько отличаются, поскольку состав руды различен. Например, схема получения металла из ильменитовых руд выглядит так:
- получение титанового шлака – породу загружают в электродуговую печь вместе с восстановителем – антрацитом, древесным углем и прогревают до 1650 С. При этом отделяют железо, которое идет на получение чугуна и диоксида титана в шлаке;
- шлак хлорируют в шахтных или солевых хлораторах. Суть процесса сводится к тому, чтобы перевести твердый диоксид в газообразный тетрахлорид титана;
- в печах сопротивления в специальных колбах металл восстанавливают натрием или магнием из хлорида. В итоге получают простую массу – титановую губку. Это технический титан вполне пригодный для изготовления химической аппаратуры, например;
- если же требуется более чистый металл, прибегают к рафинированию – при этом металл реагирует с йодом с тем, чтобы получить газообразный йодид, а последний под действием температуры – 1300–1400 С, и электрического тока, разлагается, высвобождая чистый титан. Электрический ток подается через натянутую в реторте титановую проволоку, на которую и осаждается чистое вещество.
Чтобы получить титан в слитках, титановую губку переплавляют в вакуумной печи, чтобы предотвратить растворение водорода и азота.
Цена титана за 1 кг очень высока: в зависимости от степени чистоты металл стоит от 25 до 40 $ за 1 кг. С другой стороны, корпус кислотоупорного аппарата из нержавеющей стали обойдется в 150 р. и прослужит не более 6 месяцев. Титановый будет стоить около 600 р, но эксплуатируется в течение 10 лет. Много производств титана есть в России.
Области применения
Влияние степени очистки на физико-механические качества заставляет рассматривать применение титана именно с этой точки зрения. Так, технический, то есть, не самый чистый металл обладает превосходной коррозийной стойкостью, легкостью и прочностью, что и обуславливает его применение:
- химическая промышленность – теплообменники, трубы, корпуса, детали насосов, арматура и так далее. Материал незаменим на участках, где требуется стойкость к кислотам и прочность;
- транспортная промышленность – вещество используется для изготовления средств передвижения от железнодорожных составов до велосипедов. В первом случае, металл обеспечивает меньшую массу составов, что делает тягу более эффективной, в последнем – придает легкость и прочность, не зря ведь титановая велосипедная рама считается лучшей;
- военно-морское дело – из титана изготавливают теплообменники, выхлопные глушители для подводных лодок, клапан, пропеллеры и так далее;
- в строительстве широко применяют цинк-титан – прекрасный материал для отделки фасадов и кровель. Вместе с прочностью сплав обеспечивает еще одно важное для архитектуры достоинство – возможность придавать изделиям самую причудливую конфигурацию, способность к формообразованию у сплава неограниченная.
Чистый металл, кроме того, является очень стойким к высоким температурам и сохраняет при этом прочность. Применение очевидно:
- ракето- и авиастроение – из него изготавливают обшивку. Детали двигателей, элементы крепления, части шасси и так далее;
- медицина – биологическая инертность и легкость делает титан куда более перспективным материалом при протезировании, вплоть до сердечных клапанов;
- криогенная техника – титан является одним из немногих веществ, которые при снижении температуры становятся лишь прочнее и не утрачивает пластичности.
Титан – конструкционный материал самой высокой прочности при такой легкости и пластичности. Эти уникальные качества обеспечивают ему все более важную роль в народном хозяйстве.
О том, где взять титан для ножа, расскажет видео ниже:
Источник: stroyres.net
Титан — полезные свойства и особенности металла
Этот металл – один из самых распространенных на планете. Его значение для человека неоценимо: титан стал «дублером» поврежденных зубов и суставов. У него есть фанаты, стремящиеся заменить все свои кости титановыми.
Что представляет собой
Титан – элемент периодической системы Менделеева №22. Международное обозначение – Titanium (Ti).
Это блестящий серебристый металл. Легок, прочен, устойчив к коррозии.
По составу представляет собой конгломерат пяти стабильных изотопов.
История открытия
История открытия металла связана с именами нескольких ученых:
- В конце 18 века немец Мартин Клапрот и англичанин Уильям Грегор одновременно открыли диоксид вещества.
- Через десять лет их компанию пополнил француз Луи-Николя Воклен.
- К середине 19 века Иенс Берцелиус получил металлический титан.
- Еще через сто лет материал повышенной чистоты выделили голландцы.
Название нового вещества предложил Клапрот: по учрежденной им традиции химик назвал открытый элемент именем персонажа греческой мифологии.
Титаны – это дети главных богов греческого пантеона Зевса и Геи. То есть второе поколение богов.
Физико-химические характеристики
Свойства металла хорошо изучены:
Большой выбор украшений из натуральных камней и минералов со скидкой -50%
- Легко реагирует с кислотами даже малой концентрации.
- Это тугоплавкий металл: температура плавления – 1670°C. Для вскипания требуется вдвое больше.
- Пластичен, хрупкость обретает на морозе (-80°C).
- На прочность влияет степень очистки, но не температура.
- При комнатной температуре покрывается оксидной пленкой, что делает его устойчивым к коррозии (исключая щелочи).
- При обычном давлении существует два вида титана с разными типами решеток: высоко- и низкотемпературный.
Легкость, почти невесомость – главное свойство, по которому титан легко отличить от других металлов.
| Тита́н / Titanium (Ti), 22 |
| 47,867(1) а. е. м. (г/моль) |
| [Ar] 3d2 4s2 |
| 147 пм |
| 132 пм |
| (+4e)68 (+2e)94 пм |
| 1,54 (шкала Полинга) |
| −1,63 |
| 2, 3, 4 |
| 657,8 (6,8281) кДж/моль (эВ) |
| 4,54 г/см³ |
| 1670 °C 1943 K |
| 3560 K |
| 18,8 кДж/моль |
| 422,6 кДж/моль |
| 25,1 Дж/(K·моль) |
| 10,6 см³/моль |
| гексагональная плотноупакованная (α-Ti) |
| a=2,951 с=4,697 (α-Ti) |
| 1,587 |
| 380 K |
| (300 K) 21,9 Вт/(м·К) |
| 7440-32-6 |
Из-за повышенной вязкости механическая обработка металла затруднена. Этот недостаток устраняют, смазывая инструмент специальными составами.
Технология получения
Технический прогресс частично отразился на способе получения металла.
Сегодня титан получают двумя методами:
- Процесс Кролла. Один из основных, предложен в 1940 году ученым из Люксембурга Гийомом Кроллом. Заключается в восстановлении металлического титана магнием при высоких температурах. Комбинаты, вырабатывающее такое сырье, именуются титано-магниевыми.
- FFC Cambridge. Новацией является электрохимическая технология. Она предполагает прямое восстановление металла из оксида в расплавленной смеси хлорида и оксида кальция. Процесс назван по именам разработчиков, сотрудников Кембриджского университета Фрэя, Фартинга, Чена.
Цена продукта доступна: титан разной степени очистки на мировых биржах торгуют по $5,7 — 6,1 за кг.
Месторождения, добыча
Месторождения равномерно распределены по планете. Российские залежи рассредоточены по всей территории страны (20 рудников). Крупнейшее – на севере, в Республике Коми.
Добыча ведется традиционным способом, но предполагает использование средств защиты от пыли.
Мировые резервы руды оцениваются триллионом тонн. При нынешних темпах добычи титанового сырья хватит на полтора столетия.
Присутствие в природе
В природе титан представлен оксидами разных химических элементов (более ста). В свободном виде не встречается.
Это девятый по распространенности элемент земной коры – более полупроцента по массе.
Больше всего его в бокситах и морской осадочной глине.
Породы плохо выветриваются, образуя крупные россыпи.
Где используется
Титан так же прочен, как сталь, но вполовину легче. Он вдвое превосходит по прочности алюминий, но тяжелее всего на 60%. Этими достоинствами обусловлено использование человеком титана как металла.
Промышленность
Титановые сплавы – конструкционный материал номер один для строителей ракет, самолетов, океанских лайнеров. Чаще их выполняют из сплавов с другими металлами (особенно никелем и алюминием).
Титан легче других металлов, но способен работать при высоких температурах.
Более 8000 видов товара из 500 разновидностей натурального камня. Ежедневное обновление!
Есть и другие области применения металла:
- Трубы, насосы, другое оборудование для работы с агрессивными жидкостями.
- Военно-промышленный комплекс – бронированные жилеты, корпусы субмарин, детали ракет, самолетов.
- Установки для опреснения воды, очистки воздуха.
- Исходник при производстве целлюлозы, бумаги.
- Детали автомобилей, сельхозтехники, оборудование пищепрома.
- Спортивный инвентарь.
Более половины соединений вещества забирают производители лаков и красок. Это, например, титановые белила.
Все больше продукции из титана припадает на IT-сферу: корпус, начинка мобильных телефонов, других гаджетов.
Медицина
Прочный металл дружелюбен к процессам, протекающим в организме человека. Поэтому его активно задействуют как материал протезов конечностей, зубных имплантов. Медицина ценит его свойство безболезненно сращиваться с костной тканью. Поэтому титан относится к металлам будущего.
Безопасность для тканей организма человека сделала возможным применение металла для пирсинга.
Другие сферы
Из титана изготавливают корпусы часов класса люкс. Это материал ювелирных изделий.
Нитридом вещества «золотят» купола храмов, предметы декора. Четырехвалентный хлорид «создает» дымовую завесу и дымчатость стекла.
Пищевая добавка Е171 – это белый диоксид титана (TiO2), пищевой краситель.
Марки и сплавы
Номенклатура титановых сплавов насчитывает десятки позиций.
Самый востребованный – с алюминием и ванадием, 6% и 4% соответственно. На его производство тратится половина добываемого сырья.
Второй по популярности – ферротитан (соотношение титан-железо – 1:3). В черной металлургии это средство для очистки стали от примесей.
Чаще всего выплавляются следующие марки титана:
Предостережение
Металлическое вещество безопасно. Опасность исходит от титановой пыли: она провоцирует онкологию. Это проблема людей, работающих на добыче руды, и металлургов.
Кроме того, титановая пыль – потенциальное взрывчатое вещество.
Пожар может сотворить и стружка металла.
Источник: jgems.ru