Титан — химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см 3 , Tпл=1668+(-)5 °С, Tкип=3260 °С. Данный материал сочетает легкость, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.
История открытия
Оксид титана TiO2 впервые был обнаружен в 1789 году английским ученым, специалистом в области минералогии У. Грегором, который при исследовании магнитного железистого песка выделил окись неизвестного металла, назвав ее менакеновой. Первый образец металлического титана получил в 1825 году шведский химик и минераловед Й. Я. Берцелиус.
Свойства титана
В периодической системе элементов Д. И. Менделеева Ti расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4 °С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения почти в два раза больше, чем у железа.
Титан — САМЫЙ ПРОЧНЫЙ МЕТАЛЛ НА ЗЕМЛЕ!
Известны две аллотропические модификации титана (две разновидности данного металла, имеющие одинаковый химический состав, но различное строение и свойства). Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 °С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С и до температуры плавления.
По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но указанный материал может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.
Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза — железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.
Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. Модули упругости характеризуют способность материала упруго деформироваться при приложении к нему силы. Анизотропия заключается в различии свойств упругости в зависимости от направления действия силы. С повышением температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости Ti — существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.
Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10 -8 до 80·10 -6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.
Анодирование титана (титановых украшений)
Титан — парамагнитный металл. Обычно у парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании уменьшается. Магнитная восприимчивость характеризует связь между намагниченностью вещества и магнитным полем в этом веществе. Данный материал составляет исключение из этого правила — его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.
Физические и механические свойства
Атомный номер | 22 |
Атомная масса | 47,00 |
Плотность при 20°С, г/cм 3 | 4,505 |
Температура плавления, °С | 1668 |
Температура кипения, °С | 3260 |
Скрытая теплота плавления, Дж/г | 358 |
Скрытая теплота испарения, кДж/г | 8,97 |
Теплота плавления, кДж/моль | 18,8 |
Теплота испарения, кДж/моль | 422,6 |
Молярный объем, см³/моль | 10,6 |
Удельная теплоемкость при 20°С, кДж/(кг·°С) | 0,54 |
Удельная теплопроводность при 20°С, Вт/(м·К) | 18,85 |
Коэффициент линейного термического расширения при 25°С, 10 -6 м/мК | 8,15 |
Удельное электросопротивление при 20°С, Ом·см·10 -6 | 45 |
Модуль нормальной упругости, гПа | 112 |
Модуль сдвига, гПа | 41 |
Коэффициент Пуассона | 0,32 |
Твердость, НВ | 130. 150 |
Цвет искры | Ослепительно-белый длинный насыщенный пучок искр |
Группа металлов | Тугоплавкий, легкий металл |
Химические свойства
Ковалентный радиус: | 132 пм |
Радиус иона: | (+4e) 68 (+2e) 94 пм |
Электроотрицательность (по Полингу): | 1,54 |
Электродный потенциал: | — 1,63 |
Степени окисления: | 2, 3, 4 |
Марки титана и сплавов
Наиболее распространенными марками титана являются ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-00св. Титан указанных марок называется техническим. Данные марки не содержат в своем составе легирующие элементы, только незначительное количество примесей. Содержание Ti в марке ВТ1-0 составляет приблизительно 99,24-99,7%, в ВТ1-00 — 99,58-99,9%, ВТ1-00св — 99,39-99,9%. ВТ1-0, ВТ1-00 поставляется в виде листов, плит, прутков и труб.
Проволока чаще всего используется для различных сварочных целей и производится из марки ВТ1-00св.
В настоящее время известно довольно большое число серийных титановых сплавов, отличающихся по химическому составу, механическим и технологическим свойствам. Наиболее распространенные легирующие элементы в таких материалах: алюминий, ванадий, молибден, марганец, хром, кремний, олово, цирконий, железо.
Титановый сплав ВТ5 содержит 5% алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается. Из марки ВТ5 получают титановые прутки (круги), проволоку и трубы, а также листы. Его применяют при изготовлении деталей, работающих при температуре до 400 °С.
Сплав титана ВТ5-1 помимо 5% алюминия содержит 2-3% олова. Олово улучшает его технологические свойства. Из марки ВТ5-1 изготавливают все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением: титановые плиты, а также листы, поковки, штамповки, профили, трубы и проволоку. Он предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных (отрицательных) до + 450 °С.
Титановые сплавы ОТ4 и ОТ4-1 в качестве легирующих элементов содержат алюминий и марганец. Они обладают высокой технологической пластичностью (хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии) и хорошо свариваются всеми видами сварки. Указанный материал идет, в основном, на изготовление титановых плит и листов, лент и полос, а также прутков и кругов, поковок, профилей и труб.
Из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 изготовляют с применением сварки, штамповки и гибки детали, работающие до температуры 350 °С. Данные материалы имеют недостатки: 1) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; 2) большая склонность к водородной хрупкости. В сплаве ПТ3В марганец заменяется на ванадий.
Титановый сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный листовой материал по сравнению с ВТ5-1. Упрочнение марки ВТ20 обусловлено ее легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия, однако, он отличается высокой жаропрочностью. Данный материал хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 500 °С.
Титановый сплав ВТ3-1 относится к системе Ti — Al — Cr — Mo — Fe — Si. Он обычно подвергается изотермическому отжигу. Такой отжиг обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. Марка ВТ3-1 относится к числу наиболее освоенных в производстве сплавов.
Он предназначен для длительной работы при 400 — 450 °С; это жаропрочный материал с довольно высокой длительной прочностью. Из него поставляют прутки (титановые круги), профили, плиты, поковки, штамповки.
Достоинства / недостатки
-
Достоинства:
- малая плотность (4500 кг/м 3 ) способствует уменьшению массы выпускаемых изделий;
- высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;
- необычайно высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью Ti образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO2, прочно связанные с массой металла;
- удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.
-
Недостатки:
- высокая стоимость производства, Ti значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;
- активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего Ti и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;
- трудности вовлечения в производство титановых отходов;
- плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием Ti на многие материалы; титан в паре с титаном вообще не может работать на трение;
- высокая склонность Ti и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;
- плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса;
- большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.
Области применения
Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Его, а также ферротитан используют как легирующую добавку к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.
По использованию в качестве конструкционного материала Ti находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность данного металла делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.
Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость данного металла и материалов на его основе во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным сырьем, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.
Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Ti легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из материалов на основе Ti изготавливают обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты.
Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборников и направляющих в двигателях, различный крепеж.
Еще одной областью применения является ракетостроение. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.
Технический титан из-за недостаточно высокой тепловой прочности не пригоден для применения в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только Ti обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Также из него делают теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостроении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На данный материал не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.
Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и недостаточной распространенностью данного металла.
Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид (TiC) обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика.
Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения Ti применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид (TiB2)- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид (TiN) применяется для покрытия инструментов.
Источник: www.metotech.ru
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
Титан – премиальный материал для рукояток ножей
Рукоятки дорогих ножей массовых производителей, а также кастомных мастеров зачастую изготавливаются из титанового сплава. Этот легкий и в то же время прочный материал, позволяет создавать разнообразные складные ножи, в том числе и с уникальным, художественным дизайном.
Источник фото: https://stankiexpert.ru/stanki/tokarnye/obrabotka-titana-na-tokarnom-stanke.html
Сложность обработки титана приводит к существенному увеличению его цены, которая в среднем в три раза выше стали и не позволяет использовать его повсеместно. Тем не менее изделия из титана применяются в различных отраслях. В химической промышленности используются титановые ёмкости, трубопроводы и насосы. В медицине титановые протезы и различные биоматериалы. В авиационной и ракетной промышленности изготавливают различные детали самолетов и ракет.
Источник фото: https://cvetnoiprokat.ru/uslugi/izgotovlenie-detalej-iz-titana
Чистый титан практически не применяется в промышленности. Чаще всего используются сплавы с различными металлами, в первую очередь алюминием и ванадием. Применяемый в промышленности титан делиться на несколько категорий, в зависимости от его фазового состояния. При нагреве до температуры 880±20° он находиться в виде альфа-фазы и имеет гексагональную кристаллическую решетку.
При более высоких температурах титан переходит в бета-фазу, имеющую решетку объемноцентрированного куба. В соответствии с этим промышленные сплавы делятся на: альфа сплавы (условное обозначение ТА), бета сплавы (TB) и альфа — бета сплавы (ТС).
Источник фото: https://moscow.promportal.su/goods/36917933/polosa-titanovaya-10h700-mm-ot4-gost-22178-76.htm
Альфа сплавы титана наиболее твердые, самые дорогие и используются для создания прочных конструкций, например для изготовления рам велосипедов. Для альфа-фазы алюминий является единственной легирующей добавкой, которая, увеличивая прочность сплава, не снижает резко его пластичность. Другие стабилизаторы — кислород, азот и углерод — даже в небольших количествах приводят к резкому повышению прочности и снижению пластичности титана. Сплавы титана с алюминием содержат до 7% алюминия и производятся при температурах до 850°.
Источник фото: https://velojournal.net/dorogo-i-nadezhno-podborka-titanovykh-graviynykh-velosipedov
Существуют и сплавы на основе бета-титана. Однако они обладают низкой термостабильностью, не подходят для использования при высоких температурах и редко применяется в промышленности.
Наиболее распространенными являются альфа-бета сплавы титана. Самым популярным из них считается сплав Ti6AL4V, используемый в промышленности для изготовления различных рам, труб и крепежных деталей. Он формируется в виде альфа-фазы с кристаллической структурой плотно упакованных равных сфер и бета-фазы с кубической кристаллической структурой.
В его состав входят — 6 % алюминия, 4% — ванадия и 90% титана. Алюминий в этом сплаве отвечает за стабилизацию альфа-фазы, а ванадий — бета-фазы. Твердость Ti6AL4V составляет порядка 47 единиц по шкале Роквелла. Сплав имеет плотность 4500 кг/м³ и прочность на разрыв более 900 МПа.
В ножевой индустрии титан может подвергаться самой разнообразной обработке, которая способствует как увеличению его функциональных качеств, так и эстетической красоты. В честности титан поддается различным видам пескоструйной обработки, галтовки, травления, полировки. В настоящее время на рукоятках ножей чаще всего используют галтовку (стоунвош) или травление в самые разнообразные цвета. Рукоятка из титанового сплава позволяет использовать любые виды замков, но в первую очередь фрейм-лок, на который в обязательном порядке монтируется проставка из закаленной стали (т.н. «сухарь»). Он предотвращает залипание замка и дает возможность пользоваться ножом долгие годы.
Источник фото: https://www.nozhikov.ru/product/skladnoy-nozh-0095-titan
Еще одним вариантом применения титана в ножевой индустрии стала разработка американскими специалистами так называемого «титанового дамаска», выпускаемого под маркой Timascus. Материал состоит из нескольких видов титановых сплавов по аналогии создания дамасской стали. В частности, для его изготовления применяются сплавы CP-Ti и Ti6Al4V.
Соединение материалов происходит путем сварки в вакууме с использованием плавиковой и азотной кислот. Полученный материал обладает уникальным рисунком и устойчивостью к коррозии. Он позволяет изготавливать больстеры, навершия и другие элементы рукоятей на ножах с фиксированным клинком, и целые плашки рукоятей для складных ножей.
Источник фото: https://www.nozhikov.ru/product/skladnoy-nozh-ckf-terra-damasskaya-stal-rukoyat-timaskus
Титановые сплавы за последнее столетие стали символами развития металлургических технологий и внесли свой уникальный вклад в самые разные отрасли. Для ножевой индустрии титан стал символом надежности, легкости и премиального качества любого изделия.
Источник: tsprof.com