Температура на топене на титан във вакуум. Характеристики на титана като метал с отлична устойчивост на корозия

– елемент 4 от група 4 на период. Преходният метал, проявяващ както основни, така и киселинни свойства, е доста разпространен в природата - 10-то място. Най-интересно за Национална икономикае комбинация от висока твърдост на метала и лекота, което го прави незаменим елемент за самолетостроенето. Тази статия ще ви разкаже за маркировките, легирането и други свойства на металния титан, ще даде основни характеристикиИ Интересни фактиза него.

от външен видМеталът най-много прилича на стоманата, но механичните му качества са по-високи. В същото време титанът е лек - молекулна маса 22. Физичните свойства на елемента са проучени доста добре, но те силно зависят от чистотата на метала, което води до значителни отклонения.

Освен това неговата специфичност Химични свойства. Титанът е алкално устойчив, азотна киселина, и в същото време реагира бурно със сухи халогени, а при по-високи температури с кислород и азот. Още по-зле, започва да абсорбира водород дори при стайна температура, ако има активна повърхност. И в стопилката той абсорбира кислород и водород толкова интензивно, че топенето трябва да се извърши във вакуум.

Друга важна характеристика, която определя физическите характеристики, е наличието на 2 фази на състоянието.

• Ниска температура– α-Ti има хексагонална плътно опакована решетка, плътността на веществото е 4,55 g/куб. cm (при 20 C).
• Висока температура– β-Ti се характеризира с обемно центрирана кубична решетка, съответно фазовата плътност е по-ниска – 4,32 g/куб. виж (при 900C).

Температурата на фазов преход е 883 C.

IN нормални условияметалът е покрит със защитен оксиден филм. При липсата му титанът представлява голяма опасност. Така че титановият прах може да експлодира, температурата на такава светкавица е 400C. Титановите стружки са пожароопасен материал и се съхраняват в специална среда.

Видеото по-долу обяснява структурата и свойствата на титана:

Свойства и характеристики на титана

Днес титанът е най-здравият сред всички съществуващи технически материали, следователно, въпреки трудността на получаването и високите изисквания за безопасност за него, той се използва доста широко. физически характеристикиелементите са доста необичайни, но са много зависими от чистотата. По този начин чистият титан и сплавите се използват активно в ракетостроенето и самолетостроенето, но техническият титан е неподходящ, тъй като поради примеси губи здравина, когато високи температури.

Плътност на метала

Плътността на веществото варира в зависимост от температурата и фазата.

• При температури от 0 до точката на топене намалява от 4,51 до 4,26 g/куб. cm, а по време на фазовия преход се увеличава с 0,15%, след което отново намалява.
• Плътност течен метале 4,12 g/cc. cm и след това намалява с повишаване на температурата.

Точки на топене и кипене

Фазовият преход разделя всички свойства на метала на качества, които α- и β-фазите могат да проявят. Така плътността до 883 C се отнася до качествата на α-фазата, а точките на топене и кипене се отнасят до параметрите на β-фазата.

• Точката на топене на титана (в градуси) е 1668+/-5 C;
• Точката на кипене достига 3227 С.

Изгарянето на титан се обсъжда в това видео:

Механични характеристики

Титанът е приблизително 2 пъти по-здрав от желязото и 6 пъти по-здрав от алуминия, което го прави толкова ценен конструктивен материал. Индикаторите се отнасят до свойствата на α-фазата.

• Якостта на опън на веществото е 300–450 MPa. Индикаторът може да бъде увеличен до 2000 MPa чрез добавяне на някои елементи, както и чрез прибягване до специална обработка - втвърдяване и стареене.

Интересно е, че титанът запазва високата си специфична якост дори при най-много ниски температури. Освен това с понижаване на температурата якостта на огъване се увеличава: при +20 С показателят е 700 МРа, а при -196 – 1100 МРа.

• Еластичността на метала е относително ниска, което е значителен недостатък на веществото. Модул на еластичност при нормални условия 110,25 GPa. В допълнение, титанът се характеризира с анизотропия: еластичността в различни посоки достига различни стойности.
• Твърдостта на веществото по скалата на HB е 103. Освен това този показател е среден. В зависимост от чистотата на метала и естеството на примесите, твърдостта може да бъде по-висока.
• Номиналната граница на провлачване е 250–380 MPa. Колкото по-висок е този показател, толкова по-добре продуктите, направени от веществото, издържат на натоварвания и толкова по-устойчиви са на износване. Индексът на титана надвишава този на алуминия 18 пъти.

В сравнение с други метали, които имат същата решетка, металът има много прилична пластичност и ковкост.

Топлинен капацитет

Металът има ниска топлопроводимост, следователно в съответните области - производството на термоелектроди, например, не се използва.

• Неговата топлопроводимост е 16,76 l, W/(m × deg). Това е 4 пъти по-малко от желязото и 12 пъти по-малко от желязото.
• Но коефициентът на топлинно разширение на титана е незначителен при нормална температураи се увеличава с повишаване на температурата.
• Топлинният капацитет на метала е 0,523 kJ/(kg K).

Електрически характеристики

Както най-често се случва, ниската топлопроводимост осигурява и ниска електрическа проводимост.

• Електрическото съпротивление на метала е много високо - 42,1·10 -6 ohm·cm при нормални условия. Ако приемем, че проводимостта на среброто е 100%, то проводимостта на титана ще бъде 3,8%.
• Титанът е парамагнетик, тоест не може да се намагнетизира в поле, както желязото, но не може да бъде изтласкан извън полето, тъй като няма. Това свойство намалява линейно с понижаване на температурата, но след преминаване на минимум леко се увеличава. Специфичната магнитна чувствителност е 3,2 10 -6 G -1. Струва си да се отбележи, че чувствителността, подобно на еластичността, образува анизотропия и варира в зависимост от посоката.

При температура от 3,8 K титанът става свръхпроводник.

Устойчивост на корозия

При нормални условия титанът има много високи антикорозионни свойства. Във въздуха той е покрит със слой от титанов оксид с дебелина 5–15 микрона, което осигурява отлична химическа инертност. Металът не корозира във въздуха, морски въздух, морска вода, мокър хлор, хлорна вода и много други технологични разтвори и реактиви, което прави материала незаменим в химическата, хартиената и петролната промишленост.

Когато температурата се повиши или металът стане много смачкан, картината се променя драстично. Металът реагира с почти всички газове, изграждащи атмосферата, като в течно състояние също ги абсорбира.

Безопасност

Титанът е един от най-биологично инертните метали. В медицината се използва за производство на протези, тъй като е устойчив на корозия, лек и издръжлив.

Титановият диоксид не е толкова безопасен, въпреки че се използва много по-често - в козметологията, Хранително-вкусовата промишленост, Например. Според някои данни - UCLA, изследване на професора по патология Robert Schiestle, наночастиците от титанов диоксид влияят на генетичния апарат и могат да допринесат за развитието на рак. Освен това веществото не прониква в кожата, така че използването на слънцезащитни продукти, които съдържат диоксид, не представлява опасност, но вещество, което влиза в тялото - с хранителни оцветители, биологични добавки - може да бъде опасно.

Титанът е уникално здрав, твърд и лек метал с много интересни химични и физични свойства. Тази комбинация е толкова ценна, че дори трудностите с топенето и пречистването на титан не спират производителите.

Това видео ще ви каже как да различите титан от стомана:

Свойства на титан

В периодичната таблица на елементите на Менделеев титанът има пореден номер 22. Неутралния му атом се състои от ядро, чийто заряд е 22 единици. положително електричество и има 22 електрона извън ядрото.

И така, ядрото на неутрален титанов атом съдържа 22 протона. Броят на неутроните, т.е. неутралните незаредени частици, е различен: обикновено 26, но може да варира от 24 до 28. Следователно броят на изотопите на титан е различен. Има само пет стабилни естествени изотопа на титан: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. Това е установено през 1936 г. от немския физик Ф. В. Астън. Преди неговото изследване се смяташе, че титанът изобщо няма изотопи. Естествените стабилни изотопи на титана са разпределени както следва (отн.%): 46 Ti - 7,99; 47 Ti - 7.32; 48 Ti - 73.97; 49 Ti - 5.46; 50 Ti - 5,25.

Освен естествени, титанът може да има и редица изкуствени изотопи, получени чрез радиоактивното му облъчване. Така, ако титанът бъде бомбардиран с неутрони или α-частици, е възможно да се получи радиоактивен изотоп на титан 52 Ti с полуживот 41,9 минути, който произвежда β- и γ-лъчение. Изкуствено са получени и други изотопи на титана (42 Ti, 43 Ti, 44 Ti, 45 Ti, 51 Ti, 52 Ti, 53 Ti, 54 Ti), някои от тях са силно радиоактивни, с различен период на полуразпад. По този начин изотопът 44 Ti има период на полуразпад от само 0,58 s, а изотопът 45 Ti има период на полуразпад от 47 години.

Радиусът на титаниевата сърцевина е 5 fm. Около положително зареденото титаново ядро ​​електроните са разположени в четири орбити K, L, M, N: на K - два електрона, на L - осем, на M - 10, на N - два. Титановият атом може свободно да отдаде два електрона от N и M орбитите. По този начин най-стабилният титанов йон е четиривалентен. Невъзможно е да се „изтръгне“ петият електрон от М орбитата, така че титанът никога не може да бъде повече от четиривалентен йон. В същото време титановият атом може да се откаже не от четири, а от три, два или един електрон от N и M орбитите. В тези случаи той става три-, дву- или едновалентен йон

Титанът с различни валентности има различни йонни радиуси. Така радиусът на йона Ti 4+ е 64 pm, йонът Ti 3+ е 69, Ti 2+ е 78, Ti 1+ е 95 pm.

Дълго време не можеха точно да определят атомната маса на титана (атомното тегло). През 1813 г. Й. Я. Берцелиус получава невероятно завишена стойност - 288,16. През 1823 г. немският химик Хайнрих Розе установява, че атомното тегло на титана е 61,6. През 1829 г. ученият няколко пъти изяснява стойността: 50,63; 48.27 и 48.13. Измерванията на английския химик Т. Е. Торн се оказват по-близки до истинските - 48,09. Тази стойност обаче продължава до 1928 г., когато изследването на химиците Бакстър и Бътлър дава окончателната стойност на атомното тегло от 47,9. Атомната маса на естествения титан, изчислена от резултатите от изследванията на неговите изотопи, е 47,926. Тази стойност е почти идентична със стойността на международните таблици.

В периодичната таблица на елементите на Менделеев титанът се намира в група IVB, която освен него включва цирконий, хафний и курчатий. Елементите от тази група, за разлика от елементите на въглеродната група (IVA), имат метални свойства. В съединенията дори на самия титан способността за образуване на киселина е по-слабо изразена, отколкото във всеки елемент от въглеродната група. Въпреки че титанът се нарежда най-високо в своята подгрупа, той е най-малко активният метален елемент. Така титановият диоксид е амфотерен, а циркониевият и хафниевият диоксид имат слабо изразени основни свойства. Титанът, повече от другите елементи от подгрупа IVB, е близо до елементите от подгрупа IVA - силиций, германий, калай. Четиривалентният титан се различава от силиция и германия по по-голямата си склонност към образуване на комплексни съединения различни видове, който е особено подобен на калая.

Титанът и други елементи от подгрупа IVB са много сходни по свойства с елементите от подгрупа IIIB (скандиева група), въпреки че се различават от последните по способността си да проявяват по-голяма валентност. Титанът е дори по-близо до скандия, отколкото до елементите от подгрупа IVA. Сходството на титана със скандий, итрий, както и с елементи от подгрупа VB - ванадий и ниобий се изразява и в това, че в природните минерали титанът често се среща вместо тези елементи, изоморфно заместващи един друг.

От кристалохимията на кислородните съединения е известно, че характерното координационно число за титана е 6 и единственият координационен полиедър, съответстващ на това число, е октаедърът. Освен това, в нито едно от кислородните съединения титановите атоми нямат координационно число, по-голямо от 6. При такава координация средното разстояние между титан и кислород е 2 Å. В структури, които се характеризират статистическо разпределение Ti 4+ и Nb 5+ атоми в октаедри, съответното средно разстояние между титан и ниобий също е 2 Å. От това следва, че йонните радиуси на титан и ниобий са близки.

Близостта на йонните радиуси на елементите е задължително условие за възможността за изоморфизъм между тях. За титана това условие е най-пълно удовлетворено от ниобия, тантала, тривалентното желязо и циркония.

Сега нека да видим какво химични съединенияможе да образува титан с други елементи. С едновалентни халогени (флуор, бром, хлор и йод) може да образува ди-, три- и тетра-съединения, със сяра и елементи от нейната група (селен, телур) - моно- и дисулфиди, с кислород - оксиди, диоксиди и триоксиди. Титанът образува съединения и с водород (хидриди), азот (нитриди), въглерод (карбиди), фосфор (фосфиди), арсен (арсиди), както и съединения с много метали - интерметални съединения. Титанът образува не само прости, но и множество сложни съединения; много от неговите съединения с органични вещества са известни.

Както се вижда от списъка на съединенията, в които титанът може да участва, той е химически много активен. И в същото време титанът е един от малкото метали с изключително висока устойчивост на корозия: той е практически вечен във въздуха, в студена и вряща вода и е много устойчив в морска вода, в разтвори на много соли, неорганични и органични киселини. . По устойчивост на корозия в морска вода превъзхожда всички метали, с изключение на благородните - злато, платина и др., повечето видове неръждаема стомана, никел, мед и други сплави. Във вода и в много агресивни среди чистият титан не е обект на корозия. Защо се случва това? Защо е толкова активен и често яростен, с експлозии, реагирайки с почти всички елементи? периодичната таблицаТитанът устойчив ли е на корозия? Факт е, че реакциите на титан с много елементи се случват само при високи температури. При обикновени температури химическата активност на титана е изключително ниска и той практически не реагира. Това се дължи на факта, че върху свежа повърхност от чист титан, веднага щом се образува, много бързо се появява инертен, тънък (няколко ангстрьома) филм от титанов диоксид, който расте добре с метала, предпазвайки го от по-нататъшно окисляване. Дори ако този шамар бъде премахнат, тогава във всяка среда, съдържаща кислород или други силни окислители (например в азотна или хромна киселина), този филм се появява отново и металът, както се казва, е „пасивен“ от него, т.е. защитава се от по-нататъшно унищожение.

Известно е, че устойчивостта на корозия на всеки метал се определя от стойността на неговия електроден потенциал, т.е. разликата в електрическия потенциал между метала и електролитния разтвор. Отрицателни стойностипотенциалът на електрода показва загубата на метални йони от неговата повърхност и преминаването им в разтвор, т.е. разтворимостта и корозията на метала. Положителната стойност показва, че металът е стабилен в този разтвор, не отделя своите йони и не корозира. Така че, за прясно почистена титанова повърхност, измерените стойности на потенциала на електрода във вода, във водни разтвори и в много киселини и алкали варират от -0,27 до -0,355 V, т.е. металът, изглежда, трябва да бързо се разтварят. Въпреки това, в повечето водни разтвориелектродният потенциал на титана много бързо се повишава от отрицателен до положителни стойностидо приблизително +0,5 V и корозията спира почти мигновено: титанът се пасивира и става в най-висока степенустойчиви на корозия.

Нека разгледаме по-отблизо поведението на чистия титан в различни агресивни среди. Вече говорихме за изключителната му устойчивост в атмосферата, в прясна и океанска вода, дори и при нагряване. Титанът е устойчив на ерозионна корозия, която възниква в резултат на комбинация от химически и механични ефекти върху метала. В това отношение той не отстъпва на най-добрите класове неръждаеми стомани, сплави на медна основа и други конструкционни материали. Титанът също така се съпротивлява добре на уморната корозия, която често се проявява под формата на увреждане на целостта на метала (напукване, локална корозия и др.). Поведението на титан в много агресивни среди, като азотна, солна, сярна, царска вода и други киселини и основи, предизвиква изненада и възхищение за този метал.

В азотната киселина, която е силен окислител, в който много метали бързо се разтварят, титанът е изключително устойчив. При всяка концентрация на азотна киселина (от 10 до 99%), при всякаква температура скоростта на корозия на титан в азотна киселина не надвишава 0,1-0,2 mm/година. Само червената димяща азотна киселина, пренаситена (20% или повече) със свободни азотни диоксиди, е опасна: чистият титан реагира бурно и експлозивно в нея. Въпреки това, веднага щом добавите поне малко вода (1-2% или повече) към такава киселина, реакцията завършва и корозията на титана спира.

Титанът е стабилен в солна киселина само в разредени разтвори. Например в 0,5% солна киселина, дори при нагряване до 100° C, скоростта на корозия на титан не надвишава 0,01 mm/година, в 10% при стайна температура скоростта на корозия достига 0,1 mm/година, а в 20% при 20° C - 0,58 mm/година. При нагряване скоростта на корозия на титан в солна киселина рязко се увеличава. Така дори в 1,5% солна киселина при 100°C скоростта на корозия на титана е 4,4 mm/година, а в 20% солна киселина при нагряване до 60°C вече е 29,8 mm/година. Това се обяснява с факта, че солната киселина, особено при нагряване, разтваря пасивиращия филм от титанов диоксид и металът започва да се разтваря. Въпреки това, скоростта на корозия на титан в солна киселина при всички условия остава по-ниска от тази на неръждаемите стомани.

В ниска концентрация на сярна киселина (до 0,5-1%) титанът е устойчив дори при температури на разтвора до 50 - 95 ° C. Той е устойчив още повече концентрирани разтвори(10-20%) при стайна температура, при тези условия скоростта на корозия на титан не надвишава 0,005-0,01 mm/година. Но с повишаване на температурата на разтвора, титанът в сярна киселина, дори при относително слаба концентрация (10-20%), започва да се разтваря и скоростта на корозия достига 9-10 mm / година. Сярна киселина, подобно на солната киселина, разрушава защитния филм на титановия диоксид и повишава неговата разтворимост. Тя може да бъде рязко намалена, ако към разтворите на тези киселини се добави определено количество азотна, хромна, манганова киселина, хлорни съединения или други окислители, които бързо пасивират повърхността на титана със защитен филм и спират по-нататъшното му разтваряне. Ето защо титанът е практически единственият метал, който не се разтваря в "регия водка": в него при обикновени температури (10-20 ° C) корозията на титан не надвишава 0,005 mm / година. Титанът също леко корозира във вряща „регия водка“, но в него, както е известно, много метали и дори златото се разтварят почти моментално.

Титанът корозира много слабо в повечето органични киселини (оцетна, млечна, винена) и разредени основи и разтвори на много хлоридни соли във физиологичен разтвор. Но титанът взаимодейства много бурно с хлоридната стопилка при температури над 375°C.

В стопилката на много метали чистият титан проявява удивителна устойчивост. В течен горещ магнезий, калай, галий, живак, литий, натрий, калий и в разтопена сяра титанът практически не корозира и само при много високи температури на стопилките (над 300-400 ° C) скоростта на корозия в тях може да достигне 1 mm/година. Има обаче много агресивни разтвори и стопилки, в които титанът се разтваря много интензивно. Основният "враг" на титана е флуороводородна киселина (HF). Дори в 1% разтвор скоростта на корозия на титана е много висока, а в по-концентрирани разтвори титанът се „топи“ като лед в топла вода. Флуорът - този "унищожаващ всичко" (гръцки) елемент - реагира бурно с почти всички метали и ги изгаря.

Титанът не може да издържи дори на ниски концентрации на флуоросилициева и фосфорна киселина, водороден прекис, сух хлор и бром, алкохоли, включително алкохолна тинктура от йод, и разтопен цинк. Въпреки това устойчивостта на титана може да се увеличи чрез добавяне на различни окислители - така наречените инхибитори, например към разтвори на солна и сярна киселина - азотна и хромна. Йоните също могат да бъдат инхибитори различни металив разтвор: желязо, мед и др.

Някои метали могат да бъдат въведени в титан, увеличавайки неговата устойчивост десетки и стотици пъти, например до 10% цирконий, хафний, тантал, волфрам. Въвеждането на 20-30% молибден в титана прави тази сплав толкова устойчива на всякакви концентрации на солна, сярна и други киселини, че дори може да замени златото при работа с тези киселини. Най-голям ефект се постига чрез добавяне на четири метала от платиновата група към титана: платина, паладий, родий и рутений. Само 0,2% от тези метали са достатъчни, за да намалят скоростта на корозия на титана в кипяща концентрирана солна и сярна киселина десетки пъти. Трябва да се отбележи, че благородните платиноиди влияят само на издръжливостта на титана и ако се добавят към, да речем, желязо, алуминий, магнезий, разрушаването и корозията на тези структурни метали не намаляват.

Какво са физични свойстватитан, което го прави най-добрият от всички познати структурни метали?

Титанът е много огнеупорен метал. Дълго време се смяташе, че се топи при 1800 ° C, но в средата на 50-те години. Английските учени Deardorff и Hayes установиха точката на топене на чист елементарен титан. Беше 1668±3°C. По своята огнеупорност титанът е на второ място след такива метали като волфрам, тантал, ниобий, ренин, молибден, метали от платиновата група, цирконий, а сред основните структурни метали е на първо място:

Най-важната характеристика на титана като метал е неговата уникалност физикохимични характеристики: ниска плътност, висока якост, твърдост и др. Основното е, че тези свойства не се променят значително при високи температури.

Титанът е лек метал, плътността му при 0°C е само 4,517 g/cm3, а при 100°C - 4,506 g/cm3. Титанът принадлежи към групата на металите със специфично тегло под 5 g/cm3. Това включва всички алкални метали (натрий, калий, литий, рубидий, цезий) със специфично тегло от 0,9-1,5 g/cm3, магнезий (1,7 g/cm3), алуминий (2,7 g/cm3 3) и др. Титанът е повече от 1,5 пъти по-тежък от алуминия и в това, разбира се, губи от него, но е 1,5 пъти по-лек от желязото (7,8 g/cm3). Въпреки това, заемане специфично теглоМеждинно място между алуминия и желязото, титанът многократно превъзхожда както алуминия, така и желязото по своите механични свойства.

Какви са тези свойства, които позволяват на титана да се използва широко като конструктивен материал? На първо място, силата на метала, т.е. способността му да устои на разрушаване, както и на необратими промени във формата (пластична деформация). В зависимост от вида на напрегнатото състояние - опън, натиск, огъване и други условия на изпитване (температура, време) се използват различни показатели за характеризиране на якостта на метала: граница на провлачване, якост на опън, граница на умора и др. Във всички тези показатели , титанът значително превъзхожда алуминия, желязото и дори мн най-добрите маркида стане.

Специфичната якост на титановите сплави може да се увеличи 1,5-2 пъти. Високите му механични свойства се запазват добре при температури до няколкостотин градуса. Други метали или просто не могат да издържат на такива температури, или са силно отслабени.

Чистият титан е силно пластичен метал, което се дължи на благоприятното съотношение на осите „с” и „а” в неговата шестоъгълна решетка и наличието в него на множество системи от равнини на приплъзване и двойняване. Въпреки че се смята, че металите с хексагонална кристална решетка са много пластични, титанът, поради посочените характеристики на неговите кристали, е наравно с високопластичните метали от различен тип кристална решетка. В резултат на това чистият титан е подходящ за всички видове обработка при горещи и студени условия: той може да бъде изкован като желязо, изтеглен и дори направен на тел, навит на листове, ленти и фолио с дебелина до 0,01 mm.

Интересно е да се отбележи, че титан дълги години, до производството на чист метал, се считаше за много чуплив материал. Това се дължи на наличието на примеси в титана, особено азот, кислород, въглерод и т.н. Дори малко количество от тях засяга, и то доста значително, свойствата на титана, включително неговата пластичност. Същото може да се каже и за твърдостта на титана. Колкото по-голям е броят на примесите в метала, толкова по-висок е той. Така твърдостта на титан, съдържащ хилядни от процента кислород, азот, въглерод, желязо, е 400-600 МРа, а когато същите примеси се съдържат в стотни от процента, твърдостта му се увеличава до 900-1000 МРа.

Защо се случва това? Кислородът и азотът са силно разтворими в титана, особено в неговата нискотемпературна α-модификация. С въвеждането им в октаедричните кухини на титановите кристали започва деформация на неговата кристална решетка, увеличава се твърдостта на междуатомните връзки и в резултат на това се увеличават твърдостта, якостта и границата на провлачване и пластичността на метала намалява. Най-вредният примес е водородът: дори малки количества от него рязко намаляват пластичността на метала и особено неговата ударна якост. Въглеродът се разтваря в титан в много по-малка степен и има малък ефект върху намаляването на пластичността на метала. Желязото влошава механичните свойства на титана само ако се съдържа в 0,5% или повече. Други метали имат малък ефект върху тези свойства.

И така, чистият хитан е твърд, издръжлив, пластичен, доста вискозен и еластичен метал. Твърдостта му по скалата на Бринел е около 1000 mn/m2. За сравнение посочваме, че желязото има само 350-450 ppm, медта - 350, лятият магнезий - 294, деформираният магнезий - 353, а алуминият - само 170 ppm. Нормалният модул на еластичност на титана е 108 хиляди mN / m2, по еластичност той е само малко по-нисък от медта и стоманата, но е по-еластичен от алуминия и магнезия.

Титанът има висока граница на провлачване - приблизително 250 MN/m2. Това е 2,5 пъти по-високо от това на желязото, 3 пъти от това на медта и почти 20 пъти от това на алуминия. Следователно титанът издържа на смачкващи удари и други натоварвания, които могат да деформират титаниевите части, по-добре от тези метали.

Височина и вискозитет на титан.Перфектно издържа на ефектите от отчупване и срязване и натоварвания. Тази издръжливост обяснява друго забележително свойство на титана - неговата изключителна устойчивост при условия на кавитация, т.е. при повишено "бомбардиране" на метала в течна среда от въздушни мехурчета, които се образуват по време на бързото движение или въртене на метална част в течност. среден. Тези въздушни мехурчета, спуквайки се върху повърхността на метала, причиняват много силни микроудари на течността върху повърхността на движещото се тяло. Те бързо разрушават много материали, включително метали, но титанът перфектно се противопоставя на кавитацията.

Тестовете в морска вода на бързо въртящи се дискове от титан и други метали показаха, че при въртене в продължение на два месеца титаниевият диск практически не губи тегло. Неговите външни ръбове, където скоростта на въртене и следователно кавитацията е максимална, не са се променили. Други дискове не издържаха теста: всички те бяха с повредени външни ръбове и много от тях напълно се разпаднаха.

Титан има още един невероятно свойство- "памет". Когато се легира с определени метали (например никел), той „запомня“ формата на продукта, който е направен от него при определена температура. Ако такъв продукт след това бъде деформиран, например, навит в пружина, огънат, тогава той ще остане в това положение за за дълго време. След нагряване до температурата, при която е произведен продуктът, той се връща в първоначалната си форма. Това свойство на титана се използва широко в космическите технологии (големи антени, преди това компактно сгънати, са разположени на кораба). Наскоро лекарите започнаха да използват това свойство на титана за безкръвни операции на кръвоносни съдове: тел от титанова сплав се вкарва в болен, стеснен съд и след това, затопляйки се до телесна температура, се извива в оригиналната пружина и разширява съда.

Температурни, електрически и магнитни свойстватитан. Има сравнително ниска топлопроводимост, само 22,07 W/(mK), което е приблизително 3 пъти по-ниско от топлопроводимостта на желязото, 7 пъти по-ниско от това на магнезия, 17-20 пъти по-ниско от това на алуминия и меда. Съответно, коефициентът на линейно топлинно разширение на титана е по-нисък от този на други структурни метали: при стайна температура (20 ° C) за титан е 8,5 10 -6 / ° C, за желязо - 11,7 10 -6 / ° C , за мед - 17 10 -6 / ° C, за алуминий - 23,9 / ° C. Електрическата проводимост на титана също е относително ниска. Обяснява се, че този имот е доста висок електрическо съпротивлениетитан: при стайна температура е 42,1 10 -6 Ohm cm С повишаване на температурата електрическото съпротивление на титана се увеличава още повече, а с понижаване на температурата рязко намалява; близо до абсолютната нула титанът става свръхпроводим.

Титанът е типичен парамагнетик, неговата магнитна чувствителност при 20° C е само 3,2±0,4 10 -6 единици. Както знаете, алуминият и магнезият са парамагнитни, но медта е диамагнитна, а желязото е феромагнитно.

Разгледахме химичните и физичните свойства на титана, които като цяло благоприятстват широкото използване на този метал. Титанът обаче има много и отрицателни качества. Например, той може спонтанно да се запали, а в някои случаи дори да експлодира.

Вече беше казано, че в концентрирана азотна киселина титанът е изключително устойчив, но в червен дим, пренаситен с азотни оксиди, защитният филм от титанов диоксид върху металната повърхност моментално се разрушава и чистият титан започва да реагира с киселината с експлозия . Тази реакция е причината за експлозията на титаниеви резервоари за гориво на един от американските космически ракети. Титанът реагира експлозивно и със сух хлор. Има начин да предотвратите тези експлозивни реакции. Струва си да добавите само 1-2% вода към димяща червена азотна киселина и още по-малко към сух хлор - 0,5-1% и незабавно ще се появи защитен филм върху металната повърхност. По-нататъшното окисление на титана ще бъде предотвратено и няма да настъпи експлозия.

Под формата на тънки стърготини, дървени стърготини или прах титанът може да се запали спонтанно дори без външна топлина. Такива случаи са наблюдавани при неговите тестове на опън в кислородна атмосфера в момента на разкъсване. Това отново се обяснява с високата активност на свежата, неокислена титанова повърхност и силния екзотермичен характер на реакцията му с кислорода.

Титанът може да гори не само в кислородна атмосфера, но дори и в атмосфера на азот, който също е силен окислител на титана. Следователно, гасенето на горящ титан с азот, както и с вода, въглероден двуокис, не можете: те се разлагат, освобождавайки кислород, който след това взаимодейства с горещ титан и предизвиква експлозия.

Друг недостатък на титана е способността му да поддържа високи физико-механични свойства само до температура от 400-450 ° C, а с добавяне на някои легиращи метали - до 600 ° C, и тук той има сериозни конкуренти - топлина- устойчиви специални стомани. Въпреки това, в температурния диапазон под нулата титанът няма равен. Желязото става крехко още при температура от -40° C, специалните нискотемпературни стомани - под -100° C. Но титанът и неговите сплави не се разпадат при температури до -253° C (в течен водород) и дори до до -260° C (в течен хелий). Това много важно свойство на титана открива големи перспективи за използването му в криогенните технологии и за работа в открития космос.

Титанът реагира с много метали. При триене с части от по-мек метал титанът може да откъсне метални частици от тях и да залепи метала към себе си, докато от по-твърд метал, напротив, титановите частици ще откъснат титаниевата част и ще покрият друга част. Освен това никаква грес или масло не помага за предотвратяване на слепването на частиците. За кратко това явление може да бъде отслабено само чрез използване на люспест молибденит или графит като смазка. Но титанът се заварява с други метали много лошо. Този проблем все още не е решен почти напълно, въпреки че заваряването на титанови продукти върви добре.

Титанът е твърд метал, както вече знаем, по-твърд от желязото, алуминия и медта. Но все пак не по-твърди от специалните, изключително твърди инструментални стомани, от които се правят остри инструменти, ножове и скалпели. Титанът тук не е приложим.

Титанът е лош проводник на електричество и топлина. Не можете да направите проводници от него, но фактът, че той е един от малкото метали, които са свръхпроводници на електричество при ниски температури, отваря големи перспективи пред него в електрическите технологии за пренос на енергия на дълги разстояния.

Титанът е парамагнитен метал: той не се магнетизира като желязото в магнитно поле, но не се изтласква от него като медта. Неговата магнитна чувствителност е много слаба; тези свойства могат да се използват в конструкцията, например, на немагнитни кораби, инструменти и апарати.

Така че титанът има повече предимства, отколкото недостатъци, а фактът, че той е по-нисък по други характеристики от някои специални стомани и сплави, се компенсира от едно най-важно обстоятелство. Лекота, здравина, пластичност, твърдост, издръжливост и много други качества са комбинирани в един метал толкова органично, че това обещава голямо бъдеще за титана.

Преди да ви разкажем как титанът, неговите сплави и съединения се използват днес и какви перспективи се отварят за този метал в близко бъдеще, нека разгледаме подробно колко широко е разпространен този невероятен метал в нашата Вселена, на планетата Земя, под каква форма е се намира в скалите на земната кора, какви находища се образуват, как се добиват, обогатяват рудите и се обработват концентратите. Нека проследим дългия и труден път на получаване на чист титан, неговата обработка и използване от хората.

По-голямата част от титана се изразходва за нуждите на авиационната и ракетната техника и морското корабостроене. Той, както и феротитанът, се използва като легираща добавка към висококачествени стомани и като дезоксидант. Техническият титан се използва за производство на контейнери, химически реактори, тръбопроводи, фитинги, помпи, клапани и други продукти, работещи в агресивни среди. Компактният титан се използва за направата на мрежи и други части на електрически вакуумни устройства, работещи при високи температури.

По отношение на използването като конструктивен материал Ti е на 4-то място, на второ място след Al, Fe и Mg. Титановите алуминиди са много устойчиви на окисляване и топлоустойчиви, което от своя страна определя използването им в авиационното и автомобилното производство като структурни материали. Биологичната безвредност на този метал го прави отличен материал за хранително-вкусовата промишленост и реконструктивната хирургия.

Открити са титан и неговите сплави широко приложениев техниката поради високата си механична якост, която се запазва при високи температури, устойчивост на корозия, топлоустойчивост, специфична якост, ниска плътност и др. полезни свойства. Високата цена на този метал и материалите на негова основа в много случаи се компенсират от по-високите им характеристики, а в някои случаи те са единствената суровина, от която може да се направи оборудване или конструкции, които могат да работят в тези специфични условия.

Титановите сплави играят голяма роля V авиационна техника, където се стремят да получат най-много олекотен дизайнкомбинирани с необходимата якост. Ti е лек в сравнение с други метали, но в същото време може да работи при високи температури. Базираните на Ti материали се използват за направата на корпуса, крепежните части, захранващия комплект, частите на шасито и различни възли. Тези материали се използват и в конструкции на самолети. реактивни двигатели. Това ви позволява да намалите теглото им с 10-25%. Титанови сплави се използват за производство на компресорни дискове и лопатки, части за въздухозаборници и водачи в двигатели и различни крепежни елементи.

Друга област на приложение е ракетната техника. Поради краткотрайната работа на двигателите и бързото преминаване на плътни слоеве на атмосферата в ракетната наука проблемите на якостта на умора, статичната издръжливост и частично пълзенето са елиминирани до голяма степен.

Техническият титан, поради недостатъчно високата си термична якост, не е подходящ за използване в авиацията, но поради изключително високата си устойчивост на корозия, в някои случаи е незаменим в химическа индустрияи корабостроене. По този начин се използва в производството на компресори и помпи за изпомпване на такива агресивни среди като сярна и солна киселина и техните соли, тръбопроводи, спирателни вентили, автоклав, различни видове контейнери, филтри и др. Само Ti има устойчивост на корозия в такива среди като мокър хлор, водни и киселинни разтвори на хлор, следователно оборудването за хлорната промишленост се прави от този метал. Използва се и за производство на топлообменници, работещи в корозивни среди, например азотна киселина (непушачи). В корабостроенето титанът се използва за производството на витла, обшивка на кораби, подводници, торпеда и др. Черупките не залепват за този материал, което рязко увеличава съпротивлението на съда при движение.

Титановите сплави са обещаващи за използване в много други приложения, но тяхното разпространение в технологиите е възпрепятствано от високата цена и недостатъчното изобилие от този метал.

Титановите съединения също се използват широко в различни индустрии. Карбидът (TiC) има висока твърдост и се използва в производството режещи инструментии абразивни материали. Бял диоксид (TiO2) се използва в бои (напр. титаниево бяло) и в производството на хартия и пластмаси. Органо-титановите съединения (например тетрабутоксититан) се използват като катализатор и втвърдител в химическата и бояджийската промишленост. Неорганични съединения Ti се използва в химическата електроника и производството на фибростъкло като добавка. Диборидът (TiB 2) е важен компонент на свръхтвърдите материали за обработка на метали. Нитрид (TiN) се използва за покритие на инструменти.

Страница 1

Топлопроводимостта на титана е - 14 0 W/m deg, което е малко по-ниско от топлопроводимостта на легираната стомана. Материалът е добре кован, щампован и обработен чрез рязане. Заваряването на титанови продукти се извършва с волфрамов електрод в защитна аргонова атмосфера. IN напоследъктитанът се използва за производството на широка гама от тръби, листове и валцувани продукти.

Топлопроводимостта на титана е ниска - приблизително 13 пъти по-ниска от алуминия и 4 4 пъти по-ниска от желязото.

Топлопроводимостта на титана е близка до топлопроводимостта на неръждаемата стомана и е 14 kcal/m C час. Титанът е добре изкован, щампован и задоволително обработен. При температури над 200 C има тенденция да абсорбира газове. Титанът се заварява с волфрамов електрод в защитна аргонова атмосфера.

Топлопроводимостта на титана и неговите сплави е приблизително 15 пъти по-ниска от тази на алуминия и 3 5 - 5 пъти по-ниска от тази на стоманата. Коефициентът на линейно топлинно разширение на титана също е значително по-нисък от този на алуминия и неръждаемата стомана.

Топлопроводимостта на титана е - 14 0 W / (m - K), което е малко по-ниско от топлопроводимостта на легираната стомана. Материалът е добре кован, щампован и обработен чрез рязане. Заваряването на титанови продукти се извършва с волфрамов електрод в защитна аргонова атмосфера. Напоследък титанът се използва за производството на широка гама от тръби, листове и валцувани продукти.

Коефициентът на топлопроводимост на титана в работния температурен диапазон (20 - 400 C) е 0 057 - 0 055 cal / (cm-s - C), което е приблизително 3 пъти по-малко от топлопроводимостта на желязото, 16 пъти по-малко от топлопроводимостта на медта и близка до топлопроводимостта на аустенитния клас на неръждаемите стомани.

Следователно, например, топлопроводимостта на титана е 8 - 10 пъти по-малка от топлопроводимостта на алуминия.

Получените изчислени стойности на фононната топлопроводимост на титана съвпадат с оценката на тази стойност, направена в работата, където е приета равна на 3 -: - 5 W / m-deg.

При легиране, както и при увеличаване на съдържанието на примеси, топлопроводимостта на титана като правило намалява. При нагряване топлопроводимостта на сплавите, като чист титан, се увеличава; вече при 500 - 600 С се доближава до топлопроводимостта на нелегирания титан.

Модулът на еластичност на титана е почти половината от този на желязото, е на същото ниво като този на медните сплави и е значително по-висок от този на алуминия. Топлопроводимостта на титана е ниска: тя е около 7% от топлопроводимостта на алуминия и 16-5% от топлопроводимостта на желязото. Това трябва да се има предвид при нагряване на метал за обработка под налягане и заваряване. Електрическото съпротивление на титана е приблизително 6 пъти по-голямо от това на желязото и 20 пъти по-голямо от това на алуминия.

На първо място, трябва да се има предвид, че топлопроводимостта на титана и неговите сплави при ниски температури е много ниска. При стайна температура топлопроводимостта на титана е приблизително 3% от топлопроводимостта на медта и е няколко пъти по-ниска от тази на стоманите например (топлопроводимостта на титана е 0,0367 cal/cm sec C, а топлопроводимостта на стомана 40 е 0,142 кал. С повишаване на температурата топлопроводимостта на титановите сплави се увеличава и се доближава до топлопроводимостта на стоманите. скорости на нагряване и охлаждане на търговски чист титан (VT1 сплав) с напречно сечение 150 mm (фиг.

Титанът има ниска топлопроводимост, която е 13 пъти по-малка от топлопроводимостта на алуминия и 4 пъти по-малка от топлопроводимостта на желязото. С повишаване на температурата топлопроводимостта на титана леко намалява и при 700 C е 0,0309 cal/cm sec CC.

Титанът има ниска топлопроводимост, която е 13 пъти по-малка от топлопроводимостта на алуминия и 4 пъти по-малка от топлопроводимостта на желязото. С повишаване на температурата топлопроводимостта на титана леко намалява и при 700 C е 0,0309 cal/cm sec C.

При заваряване чрез топене за получаване на съединение добро качествоНеобходима е надеждна защита от атмосферни газове (O2, Nj, H2) за метала на заварената връзка, нагрят до температура над 400 С от двете страни на шева. Растежът на зърната се утежнява от ниската топлопроводимост на титана, което увеличава времето на престой на заваръчния метал при високи температури. За да се преодолеят тези трудности, заваряването се извършва при възможно най-ниското влагане на топлина.

Титан стана известен на хората едва преди около 200 години. Историята на откриването му е свързана с имената на немския химик Клапрот и английския любител изследовател Макгрегър. През 1825 г. И. Берцелиус е първият, който изолира чист метал титан, но до 20-ти век този метал се счита за рядък и следователно неподходящ за практическа употреба.

До наше време обаче е установено, че титанът се нарежда на девето място сред останалите по отношение на разпространението. химически елементи, а масовата му част в земната кора е 0,6%. Титанът се намира в много минерали, чиито запаси възлизат на стотици хиляди тонове. Значителни находища на титанови руди се намират в Русия, Норвегия, САЩ, в Южна Африка, а в Австралия, Бразилия и Индия има открити разсипи от пясъци, съдържащи титан, удобни за добив.

Титанът е лек и пластичен метал със сребристо-бял цвят, точка на топене 1660±20 C, точка на кипене 3260 C, плътност на две модификации и съответно равна на α-Ti - 4,505 (20 C) и β-Ti - 4,32 (900 В) g/cm3. Титанът има висока механична якост, която се запазва дори при високи температури. Има висок вискозитет, което по време на обработката му налага нанасянето на специални покрития върху режещия инструмент.

При обикновени температури повърхността на титана е покрита с пасивиращ оксиден филм, който прави титана устойчив на корозия в повечето среди (с изключение на алкалните). Титановите стърготини са опасни от пожар, а титановият прах е експлозивен.

Титанът не се разтваря в разредени разтвори на много киселини и основи (с изключение на флуороводородна, фосфорна и концентрирана сярна киселина), но в присъствието на комплексообразователи лесно взаимодейства дори със слаби киселини.

При нагряване на въздух до температура от 1200C титанът се запалва, образувайки оксидни фази с променлив състав. Титановият хидроксид се утаява от разтвори на титанови соли, чието калциниране прави възможно получаването на титанов диоксид.

При нагряване титанът реагира и с халогени. По-специално, така се получава титанов тетрахлорид. В резултат на редукция на титанов тетрахлорид с алуминий, силиций, водород и някои други редуциращи агенти се получават титанов трихлорид и титанов дихлорид. Титанът реагира с бром и йод.

При температури над 400C титанът реагира с азота, за да образува титанов нитрид. Титанът също реагира с въглерод, за да образува титанов карбид. При нагряване титанът абсорбира водород, образувайки титанов хидрид, който се разлага при повторно нагряване, освобождавайки водород.

Най-често като изходен материал за производството на титан се използва титанов диоксид с малко количество примеси. Това може да бъде или титанова шлака, получена от преработката на илменитови концентрати, или рутилов концентрат, който се получава от обогатяването на титанови руди.

Концентратът от титанова руда се подлага на пирометалургична обработка или обработка със сярна киселина. Продуктът от обработката със сярна киселина е прах от титанов диоксид. Когато се използва пирометалургичният метод, рудата се синтерова с кокс и се обработва с хлор, за да се получат пари от титанов тетрахлорид, които след това се редуцират с магнезий при 850C.

Получената титанова „гъба“ се претопява и стопилката се почиства от примеси. За рафиниране на титан се използва йодиден метод или електролиза. Титановите слитъци се произвеждат чрез дъгова, плазмена или електронно-лъчева обработка.

По-голямата част от производството на титан отива в авиационната, ракетната и морската корабостроителна промишленост. Титанът се използва като легираща добавка към висококачествени стомани и като деоксидиращ агент.

От него се произвеждат различни части на електрически вакуумни устройства, компресори и помпи за изпомпване на агресивни среди, химически реактори, инсталации за обезсоляване и много други съоръжения и конструкции. Поради своята биологична безопасност, титанът е отличен материал за използване в хранително-вкусовата и медицинската промишленост.