Свойства титана

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Его нейтральный атом состоит из ядра, заряд которого равен 22 ед. положительного электричества, и находиться вне ядра 22 электронов.

Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Устойчивых природных изотопов титана всего пять: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. Это установил в 1936 г. немецкий физик Ф. В. Астон. До его исследований считалось, что титан изотопов вообще не имеет. Природные устойчивые изотопы титана распределяются следующим образом (в отн. %): 46 Ti - 7,99; 47 Ti - 7,32; 48 Ti - 73,97; 49 Ti - 5,46; 50 Ti - 5,25.

Кроме естественных, титан может иметь и целый ряд искусственных изотопов, получаемых с помощью его радиоактивного облучения. Так, если бомбардировать титан нейтронами или α-частицами, можно получить радиоактивный изотоп титана 52 Ti с периодом полураспада - 41,9 мин, который дает β- и γ-излучения. Искусственно получены и другие изотопы титана (42 Ti, 43 Ti, 44 Ti, 45 Ti, 51 Ti, 52 Ti, 53 Ti, 54 Ti), некоторые из них сильнорадиоактивные, с различными сроками полураспада. Так, у изотопа 44 Ti период полураспада всего 0,58 с, а у изотопа 45 Ti - 47 лет.

Радиус ядра титана равен 5 фм. Вокруг положительно заряженного ядра титана на четырех орбитах К, L, М, N располагаются электроны: на К - два электрона, на L - восемь, на M - 10, на N - два. С орбит N и М атом титана может свободно отдавать по два электрона. Таким образом, наиболее устойчивый ион титана - четырехвалентный. Пятым электрон с орбиты М "вырвать" невозможно, поэтому титан никогда не бывает больше чем четырехвалентным ионом. В то же время с орбит N и М атом титана может отдавать не четыре, а три, два или один электрон. В этих случаях он становится трех-, двух- или одновалентным ионом

Титан различной валентности имеет неодинаковые ионные радиусы. Так, радиус иона Ti 4+ равен 64 пм, иона Ti 3+ - 69, Ti 2+ - 78, Ti 1+ - 95 пм.

Долгое время не могли точно определить атомную массу титана (атомный вес). В 1813 г. Й. Я. Берцелиус получил неправдоподобно завышенную величину - 288,16. В 1823 г. немецкий химик Генрих Розе установил, что атомный вес титана ранен 61,6. В 1829 г. ученый несколько раз уточнял величину: 50,63; 48,27 и 48,13. Ближе к истинным оказались измерения английского химика Т. Э. Торна - 48,09. Однако это значение продержалось до 1928 г., когда исследования химиков Бакстера и Бутлера дали окончательную величину атомного веса - 47,9. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследования его изотопов, составляет 47,926. Эта величина практически идентична значению интернациональных таблиц.

В периодической системе элементов Менделеева титан расположен в группе IVB, в которую, кроме него, входит цирконий, гафний, курчатовий. Элементы данной группы в отличие от элементов группы углерода (IVА) обладают металлическими свойствами. У соединений даже самого титана кислотообразующая способность выражена слабее, чем у любого элемента группы углерода. Хотя титан занимает самое верхнее место в своей подгруппе, он является наименее активным металлическим элементом. Так, двуокись титана амфотерна, а двуокиси циркония и гафния обладают слабо выраженными основными свойствами. Титан больше, чем другие элементы подгруппы IVB, близок к элементам подгруппы IVA - кремнию, германию, олову. Четырехвалентный титан отличается от кремния и германия большей склонностью к образованию комплексных соединений различных типов, чем особенно сходен с оловом.

Титан и другие элементы подгруппы IVB очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIB (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Титан к скандию даже ближе, чем к элементам подгруппы IVA. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ - ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместо с этими элементами, изоморфно замещая друг друга.

Из кристаллохимии кислородных соединений известно, что характерное координационное число для титана равно 6, а единственным координационным полиэдром, соответствующим этому числу, является октаэдр. Причем ни в одном из кислородных соединений атомы титана не имеют координационного числа больше 6. В такой координации среднее расстояние между титаном и кислородом равно 2 Å. В структурах, для которых характерно статистическое распределение атомов Ti 4+ и Nb 5+ в октаэдрах, соответствующее среднее расстояние между титаном и ниобием также составляет 2 Å. Из этого следует вывод о близости ионных радиусов титана и ниобия.

Близость ионных радиусов элементов - непременное условие возможности изоморфизма между ними. Для титана наиболее полно этому условию удовлетворяют ниобий, тантал, трехвалентное железо и цирконий.

А теперь рассмотрим, какие же химические соединении с другими элементами может образовывать титан. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди-, три- и тетрасоединения, с серой и элементами её группы (селеном, теллуром) - моно- и дисульфиды, с кислородом - оксиды, диоксиды и триоксиды. Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами - интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами.

Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных - золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Почему же это происходит? Почему так активно, а нередко и бурно, со взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодической системы титан стоек к коррозии? А дело в том, что реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту шлепку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею "пассивируется", т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Известно, что коррозионная стойкость любого металла определяется величиной его электродного потенциала, т. е. разностью электрических потенциалов между металлом и раствором электролита. Отрицательные значения электродного потенциала свидетельствуют об убыли ионов металла с его поверхности и о переходе их в раствор, т. е. о растворимости и коррозии металла. Положительное значение указывает на то, что металл обладает стойкостью в данном растворе, не отдает своих ионов и не корродируется. Так вот, для свежеочищенной поверхности титана измеренные значения электродного потенциала в воде, в водных растворах, во многих кислотах и щелочах колеблются от -0,27 до -0,355 В, т. е. металл, казалось бы, должен быстро растворяться. Однако в большинство водных растворов электродный потенциал титана очень быстро поднимается от отрицательных до положительных значений, примерно до +0,5 В, и коррозия практически моментально прекращается: титан пассивируется и становится в высшей степени коррозионно-стойким.

Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах. Об исключительной его стойкости в атмосфере, в пресной и океанической воде даже при нагревании мы уже говорили. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности к прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана по многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, "царская водка" и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

В азотной кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро растворяются очень многие металлы, титан исключительно стоек. При любой концентрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах скорость коррозии титана в азотной кислоте не превышает 0,1-0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1- 2% и более), как реакция заканчивается, и коррозия титана прекращается.

В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С - 0,58 мм/год. При нагревании скорость коррозии титана в соляной кислоте резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С - уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.

В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5-1%) титан стоек даже при температуре раствора до 50 - 95° С. Стоек он и в более концентрированных растворах (10- 20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005-0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10-20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозия достигает 9-10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Её можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяющийся в "царской водке": в ней при обычных температурах (10-20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей "царской водке", а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.

Очень слабо корродирует титан в большинство органических кислот (уксусной, молочной, винной), и разбавленных щелочах, и растворах многих хлористых солей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше 375° С титан взаимодействует очень бурно.

В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не корродирует, и лишь при очень высоких температурах расплавов (выше 300-400° С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных растворов и расплавов, в которых титан растворяется очень интенсивно. Главный "враг" титана - плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более концентрированных растворах титан "тает", как лед в горячей воде. Фтор - этот "разрушающий всё" (греч.) элемент - бурно реагирует практически со всеми металлами и сжигает их.

Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спиртам, в том числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители - так называемые ингибиторы, например, в растворы соляной и серной кислот - азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и др.

В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20-30% молибдена делает этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соляной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десятки раз. Следует отметить, что благородные платиноиды влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не уменьшаются.

Каковы же физические свойства титана, сделавшие его лучшим из всех, известных конструкционных металлов?

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время, считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Xeйc установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3°C. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, ренин, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте:

Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан - легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см 3 , а при 100° С - 4,506 г/см 3 . Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см 3 . Сюда входят все щелочные металлы (натрий, калий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9-1,5 г/см 3 , магний (1,7 г/см 3), алюминий (2,7 г/см 3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см 3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз превосходит и алюминий и железо.

Каковы же эти свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал? Прежде всего, прочность металла, т. е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). В зависимости от вида напряженного состояния - растяжения, сжатия, изгиба и других условий испытания (температура, время) для характеристики прочности металла используются различные показатели: предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др. По всем этим показателям титан значительно превосходит алюминий, железо и даже многие лучшие марки стали.

Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5-2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Другие же металлы либо просто не выдерживают таких температур, либо сильно разупрочняются.

Чистый титан - высокопластичный металл, что обусловлено благоприятным соотношением осей "с" и "а" в его гексагональной решетке и наличием в ней множества систем плоскостей скольжения и двойникования. Хотя и считается, что металлы с гексагональной кристаллической решеткой очень пластичны, титан в силу указанных особенностей его кристаллов стоит в одном ряду с высокопластичными металлами, имеющими иной тип кристаллической решетки. В результате чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

Интересно отметить, что титан долгие годы, вплоть до получения чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было с наличием в титане примесей, особенно азота, кислорода, углерода и др. Даже их небольшое количество влияет, и весьма существенно, на свойства титана, в том числе на его пластичность. То же самое можно сказать и о твердости титана. Она тем выше, чем больше в металле примесей. Так, твердость титана, содержащего тысячные доли процента кислорода, азота, углерода, железа, составляет 400-600 МПа, а при содержания тех же примесей в сотые доли процента твердость его повышается до 900-1000 МПа.

Почему это происходит? Кислород и азот хорошо растворимы в титане, особенно в его низкотемпературной α-модификации. С их внедрением в октаэдрические пустоты кристаллов титана начинается деформация его кристаллической решетки, повышается жесткость межатомных связей и, как следствие, увеличивается твердость, прочность, предел текучести, снижается пластичность металла. Самой вредной примесью является водород: даже незначительные количества его резко снижают пластичность металла и особенно его ударную вязкость. Углерод растворяется в титане в гораздо меньшей степени и мало влияет на понижение пластичности металла. Железо ухудшает механические свойства титана, только если его содержится 0,5% и выше. Другие металлы почти не воздействуют на эти свойства.

Итак, чистый читан - это твердый, прочный, пластичный, достаточно вязкий и упругий металл. Твердость его по шкале Бринеля составляет около 1000 мн/м 2 . Для сравнения укажем, что железо имеет всего 350-450 мн/м 2 , медь - 350, магний литой - 294, магний деформированный - 353, а алюминий - всего 170 мн/м 2 . Модуль нормальной упругости титана 108 тыс. мн/м 2 , по упругости он лишь немного уступает меди и стали, но является более упругим, чем алюминий и магний.

Титан имеет высокий предел текучести - примерно 250 мн/м 2 . Это выше в 2,5 раза, чем у железа, в 3 раза, чем у меди, и почти в 20 раз, чем у алюминия. Следовательно, титан лучше этих металлов сопротивляется сминающим ударим и другим нагрузкам, способным деформировать титановые детали.

Высота и вязкость титана. Он отлично противостоит воздействию сколовых и сдвиговых ударов и нагрузок. Этой выносливостью объясняется еще одно замечательное свойство титана - исключительная стойкость его в условиях кавитации, т. е. при усиленной "бомбардировке" металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в жидкой среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы, и металлы в том числе, а вот титан прекрасно противостоит кавитации.

Испытания в морской воде быстровращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения, а, следовательно, и кавитация максимальны, не изменились. Другие диски не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежденными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан обладает еще одним удивительным свойством - "памятью". В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем) он "запоминает" форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство титана широко используется в космической технике (на корабле разворачиваются вынесенные в космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные). Недавно это свойство титана стали использовать медики для бескровных операции на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из титанового сплава, а потом она, разогреваясь до температуры тела, скручивается в первоначальную пружинку и расширяет сосуд.

Заслуживают внимания температурные, электрические и магнитные свойства титана. Он обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(м К), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз - магния, в 17-20 раз - алюминия и меда. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных металлов: при комнатной температуре (20° С) у титана он равен 8,5 10 -6 /°С, у железа - 11,7 10 -6 /°С, у меди- 17 10 -6 /°С, у алюминия - 23,9/°С. Сравнительно невелика и электропроводность титана. Объясняется, это свойство довольно высоким электрическим сопротивлением титана: при комнатной температуре оно составляет 42,1 10 -6 Ом см. С повышением температуры электросопротивление титана еще больше увеличивается, а с понижением ее резко надает, вблизи абсолютного нуля титан становится сверхпроводимым.

Титан - типичный парамагнетик, его магнитная восприимчивость при 20° С всего 3,2±0,4 10 -6 ед. Как известно, парамагнитными являются алюминий и магний, а вот медь диамагнитна, железо - ферромагнетик.

Мы рассмотрели химические и физические свойства титана, которые в целом благоприятствуют широкому использованию этого металла. Однако у титана есть немало и отрицательных качеств. Например, он может самовозгораться, а в некоторых случаях даже и взрываться.

Уже говорилось, что в концентрированной азотной кислоте титан исключительно стоек, а вот в красной дымящей, пересыщенной окислами азота, защитная пленка диоксида титана на поверхности металла моментально разрушается и чистый титан начинает реагировать с кислотой со взрывом. Такая реакция была причиной взрыва титановых топливных баков одной из американских космических ракет. Со взрывом реагирует титан и с сухим хлором. Есть способ предотвратить эти взрывные реакции. Стоит добавить в дымящую красную азотную кислоту всего 1-2% воды, а в сухой хлор и того меньше - 0,5-1%, и на поверхности металла тут же появится защитная пленка. Дальнейшее окисление титана предотвратится и взрыва не произойдет.

В виде тонкой стружки, опилок или порошка титан может самовозгораться даже без подвода тепла извне. Такие случаи наблюдались при его испытаниях на разрыв в атмосфере кислорода в момент разрыва. Это объясняется опять-таки высокой активностью свежей, неокисленной поверхности титана и сильной экзотермичностью реакции его взаимодействии с кислородом.

Титан может гореть не только в атмосфере кислорода, но даже в атмосфере азота, являющегося также сильным окислителем титана. Поэтому гасить горящий титан азотом, как и водой, углекислым газом, нельзя: они разлагаются, выделяя кислород, который затем взаимодействует с раскаленным титаном и дает взрыв.

Еще одним недостатком титана является его способность сохранять высокие физико-механические свойства лишь до температуры 400-450° С, а с добавками некоторых легирующих металлов - до 600° С, и здесь у него есть серьезные конкуренты - жаропрочные спецстали. Однако в минусовом диапазоне температур титану равных нет. Железо становится хрупким уже при температуре -40° С, специальные низкотемпературные стали - ниже -100° С. А вот титан и его сплавы не разрушаются при температурах до -253° С (в жидком водороде) и даже до -260° С (в жидком гелии). Это очень важное свойство титана открывает ему большие перспективы для использования в криогенной технике и для работы в космическом пространстве.

Титан реагирует со многими металлами. При трении с деталями из более мягкого металла титан может срывать с них металлические частицы и прилеплять к себе металл, а из более твердого, наоборот, частицы титана будут срываться с титановой детали и покрывать другую деталь. Причем никакая жировая или масляная смазка не помогает исключить взаимоналипание частиц. В течение небольшого времени это явление можно ослабить, лишь применив в качестве смазки чешуйчатые молибденит или графит. А вот сваривается титан с другими металлами очень плохо. Практически полностью эта проблема пока не решена, хотя сварка титановых изделий проходит отлично.

Титан - твердый металл, как мы уже знаем, тверже железа, алюминия, меди. Но все же не тверже специальных, особотвёрдых инструментальных сталей, из которых делают острые инструменты, ножи, скальпели. Здесь титан неприменим.

Титан - плохой проводник электричества и тепла. Проводов из него не сделаешь, а вот то, что он один из очень немногих металлов является при низких температурах сверхпроводником электричества, открывает ему большие перспективы в электрической технике передачи энергии на большие расстояния.

Титан - парамагнитный металл: он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойства можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.

Итак, титан имеет больше достоинств, чем недостатков, и то, что он по иным характеристикам уступает некоторым специальным сталям и сплавам, компенсируется одним важнейшим обстоятельством. Легкость, прочность, пластичность, твердость, стойкость и многие другие качества соединены в одном металле так органично, что это сулит титану большое будущее.

Прежде чем рассказать, как используются титан, его сплавы и соединения сегодня и какие перспективы открываются перед этим металлом в недалеком завтра, рассмотрим подробно, как распространен этот удивительный металл в нашей Вселенной, на планете Земля, в каком виде встречается в породах земной коры, какие месторождения образует, как добываются, обогащаются руды, перерабатываются концентраты. Проследим долгий и нелегкий путь получения чистого титана, его обработки и использования человеком.

/моль)

История

Открытие диоксида титана (TiO 2) сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот . У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, ), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 году немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля - оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз: французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз - идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году швед Й. Я. Берцелиус . Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI 4 .

Титан не находил промышленного применения, пока люксембуржец Г. Кролл (англ.) русск. в 1940 году не запатентовал простой магниетермический метод восстановления металлического титана из тетрахлорида ; этот метод (процесс Кролла (англ.) русск. ) до настоящего времени остаётся одним из основных в промышленном получении титана.

Происхождение названия

Металл получил своё название в честь титанов , персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи . Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном .

Нахождение в природе

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре - 0,57 % по массе, в морской воде - 0,001 мг/л . В ультраосновных породах 300 г/т , в основных - 9 кг/т , в кислых 2,3 кг/т , в глинах и сланцах 4,5 кг/т . В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al 2 O 3 . Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов . До 30 % TiO 2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO 2 , ильменит FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , перовскит CaTiO 3 , титанит (сфен) CaTiSiO 5 . Различают коренные руды титана - ильменит-титаномагнетитовые и россыпные - рутил-ильменит-цирконовые .

Месторождения

Крупные коренные месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Канады, США, Китая, Норвегии, Швеции, Египта, Австралии, Индии, Южной Кореи, Казахстана; россыпные месторождения имеются в Бразилии, Индии, США, Сьерра-Леоне, Австралии . В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5 %) и Украина (40,2 %) . Крупнейшее месторождение в России - Ярегское .

Запасы и добыча

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO 2 . Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603-673 млн т., а рутиловых - 49,7-52,7 млн т . Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 % .

Крупнейший в мире производитель титана - российская компания «ВСМПО-АВИСМА » .

Получение

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак , получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки - порошок диоксида титана TiO 2 . Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором , получая пары тетрахлорида титана TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O {\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2C+2Cl_{2}\rightarrow TiCl_{4}+2CO}}}

Образующиеся пары TiCl 4 при 850 °C восстанавливают магнием :

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i {\displaystyle {\mathsf {TiCl_{4}+2Mg\rightarrow 2MgCl_{2}+Ti}}}

Кроме этого, в настоящее время начинает получать популярность так называемый процесс FFC Cambridge, названный по именам его разработчиков Дерека Фрэя, Тома Фартинга и Джорджа Чена из Кембриджского университета , где он был создан. Этот электрохимический процесс позволяет осуществлять прямое непрерывное восстановление титана из оксида в расплаве смеси хлорида кальция и негашёной извести (оксида кальция). В этом процессе используется электролитическая ванна, наполненная смесью хлорида кальция и извести, с графитовым расходуемым (либо нейтральным) анодом и катодом, изготовленным из подлежащего восстановлению оксида. При пропускании через ванну тока температура быстро достигает ~1000-1100 °C, и расплав оксида кальция разлагается на аноде на кислород и металлический кальций :

2 C a O → 2 C a + O 2 {\displaystyle {\mathsf {2CaO\rightarrow 2Ca+O_{2}}}}

Полученный кислород окисляет анод (в случае использования графита), а кальций мигрирует в расплаве к катоду, где и восстанавливает титан из его оксида:

O 2 + C → C O 2 {\displaystyle {\mathsf {O_{2}+C\rightarrow CO_{2}}}} T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O {\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2Ca\rightarrow Ti+2CaO}}}

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций, и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода. При использовании инертного анода (например, диоксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярного хлора .

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом , выделяя Ti из TiCl 4 . Для получения титановых слитков применяют дуговую, электронно-лучевую или плазменную переработку.

Физические свойства

Титан - лёгкий серебристо-белый металл . При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α -Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония , пространственная группа C 6mmc , параметры ячейки a = 0,2953 нм , c = 0,4729 нм , Z = 2 ) и высокотемпературный β -Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония , пространственная группа Im 3m , параметры ячейки a = 0,3269 нм , Z = 2 ), температура перехода α↔β 883 °C, теплота перехода ΔH =3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг ). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β -фазу и снижают температуру перехода α↔β . При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω -Ti) . Плотность α -Ti и β -Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C) . Атомная плотность α-титана 5,67⋅10 22 ат/см³ .

Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90 (англ.) русск. ) . Температура кипения 3287 °C . При достаточно низкой температуре (-80°C) , титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях C p = 25,060 кДж/(моль·K) , что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K) . Теплота плавления 15 кДж/моль , теплота испарения 410 кДж/моль . Характеристическая дебаевская температура 430 К . Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C . Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10 −6 К −1 в интервале от −120 до +860 °C . Молярная энтропия α -титана S 0 = 30,7 кДж/(моль·К) . Для титана в газовой фазе энтальпия формирования ΔH 0
f = 473,0 кДж/моль , энергия Гиббса ΔG 0
f = 428,4 кДж/моль , молярная энтропия S 0 = 180,3 кДж/(моль·К) , теплоёмкость при постоянном давлении C p = 24,4 кДж/(моль·K)

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки . Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790-800 МПа , модуль нормальной упругости 103 ГПа , модуль сдвига 39,2 ГПа . У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140-170 МПа, относительное удлинение 55-70%, твёрдость по Бринеллю 716 МПа .

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок .

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO 2 , благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Химические свойства

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона 2− . Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотная пассивная пленка из оксидов и гидрида титана. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости титана заметно при повышении содержания воды в агрессивной среде с 0,5 до 8,0 %, что подтверждается электрохимическими исследованиями электродных потенциалов титана в растворах кислот и щелочей в смешанных водно-органических средах .

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiO x . Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO 2 . Гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O и диоксид TiO 2 амфотерны .

При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC.

• Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении.
• Металл применяется в химической промышленности (реакторы , трубопроводы , насосы , трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.
• Титан является физиологически инертным , благодаря чему применяется в медицине (протезы, остеопротезы, зубные имплантаты), в стоматологических и эндодонтических инструментах, украшениях для пирсинга .
• Титановое литьё выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литьё по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве .
• Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов [каких? ] .
• Нитинол (никель-титан) - сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.
• Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что, в свою очередь, определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
• Титан является одним из наиболее распространённых

Титан занимает 4-е место по распространению в производстве, но эффективная технология его извлечения была разработана только в 40-х гг прошлого века. Это металл серебристого цвета, характеризующийся небольшой удельной массой и уникальными характеристиками. Для анализа степени распространения в промышленности и других сферах необходимо озвучить свойства титана и области применения его сплавов.

Основные характеристики

Металл обладает малой удельной массой – всего 4.5 г/см³. Антикоррозийные качества обусловлены устойчивой оксидной пленкой, образующейся на поверхности. Благодаря этому качеству титан не изменяет своих свойств при длительном нахождении в воде, соляной кислоте. Не возникают поврежденные участки из-за воздействия напряжения, что является основной проблемой стали.

В чистом виде титан обладает следующими качествами и характеристиками:

• номинальная температура плавления — 1 660°С;
• при термическом воздействии +3 227°С закипает;
• предел прочности при растяжении – до 450 МПа;
• характеризуется небольшим показателем упругости – до 110,25 ГПа;
• по шкале НВ твердость составляет 103;
• предел текучести один из самых оптимальных среди металлов – до 380 Мпа;
• теплопроводность чистого титана без добавок – 16,791 Вт/м*С;
• минимальный коэффициент термического расширения;
• этот элемент является парамагнитом.

Для сравнения, прочность этого материала в 2 раза больше, чем у чистого железа и в 4 раза такого же показателя алюминия. Также титан имеет две полиморфные фазы – низкотемпературную и высокотемпературную.

Для производственных нужд чистый титан не применяется из-за его дороговизны и требуемых эксплуатационных качеств. Для повышения жесткости в состав добавляют оксиды, гибриды и нитриды. Реже изменяют характеристики материала для улучшения стойкости к коррозии. Основные виды добавок для получения сплавов: сталь, никель, алюминий. В некоторых случаях он выполняет функции дополнительного компонента.

Области применения

Благодаря небольшой удельной массе и прочностным параметрам титан широко используется в авиационной и космической промышленности. Его применяют в качестве основного конструкционного материала в чистом виде. В особых случаях за счет уменьшения жаропрочности делают более дешевые сплавы. При этом его сопротивление коррозии и механическая прочность остаются неизменными.

Кроме этого, материал с добавками титана нашел применение в следующих областях:

• Химическая промышленность. Его стойкость практически ко всем агрессивным средам, кроме органических кислот, позволяет изготавливать сложное оборудование с хорошими показателями безремонтного срока службы.
• Производство транспортных средств. Причина – небольшая удельная масса и механическая прочность. Из него делают каркасы или несущие элементы конструкций.
• Медицина. Для особых целей применяется специальный сплав нитинол (титан и никель). Его отличительное свойство – память формы. Для уменьшения нагрузки пациентов и минимизации вероятности негативного воздействия на организм многие медицинские шины и подобные им устройства делают из титана.
• В промышленности металл применяется для изготовления корпусов и отдельных элементов оборудования.
• Ювелирные украшения из титана обладают уникальным внешним видом и качествами.

В большинстве случаев материал обрабатывается в заводских условиях. Но есть ряд исключений – зная свойства этого материала, часть работ по изменению внешнего вида изделия и его характеристик можно выполнять в домашней мастерской.

Особенности обработки

Для придания изделию нужной формы необходимо использовать специальное оборудование – токарный и фрезерный станок. Ручное резание или фрезеровка титана невозможна из-за его твердости. Помимо выбора мощности и других характеристик оборудования необходимо правильно подобрать режущие инструменты: фрезы, резцы, развертки, сверла и т.д.

При этом учитываются такие нюансы:

• Титановая стружка легко воспламеняется. Необходимо принудительное охлаждение поверхности детали и работа на минимальных скоростях.
• Гибка изделия выполняется только после предварительного разогрева поверхности. В противном случае велика вероятность появления трещин.
• Сварка. Обязательно соблюдение особых условий.

Титан – уникальный материал с хорошими эксплуатационными и техническими качествами. Но для его обработки следует знать специфику технологии, а главное – технику безопасности.

Все, что нужно знать о титане, а также о хроме и вольфраме

Многих интересует вопрос: какой самый твердый металл в мире? Это титан. Этому твердому веществу и будет посвящена большая часть статьи. Также немного ознакомимся и с такими твердыми металлами как хром и вольфрам.

9 интересных фактов о титане

1. Существует несколько версий, почему металл получил такое название. Согласно одной теории, его назвали в честь Титанов, бесстрашных сверхъестественных существ. По другой версии, название пошло от Титании, королевы фей.
2. Титан был открыт в конце XVIII века немецким и английским химиком.
3. Титан долго не использовали в промышленности из-за его природной хрупкости.
4. В начале 1925 года, после серии опытов, химики получили титан в чистом виде.
5. Стружка от титана легко воспламеняется.
6. Это один из самых легких металлов.
7. Титан может расплавиться только при температуре выше 3200 градусов.
8. Закипает при температуре 3300 градусов.
9. Титан имеет серебряный цвет.

История открытия титана

Металл, который впоследствии назвали титан, открыли двое ученых – англичанин Уильям Грегор и немец Мартин Грегор Клапрот. Ученые работали параллельно, и между собой не пересекались. Разница между открытиями составляет 6 лет.

Уильям Грегор дал своему открытию название — менакин.

Более чем через 30 лет был получен первый сплав титана, который оказался чрезвычайно хрупким, и не мог нигде использоваться. Считается, что лишь в 1925 году был выделен титан в чистом виде, который стал одним из самых востребованных в промышленности металлов.

Доказано, что российский ученый Кириллов в 1875 году сумел добыть чистый титан. Он опубликовал брошюру, в которой подробно описал свою работу. Однако исследования малоизвестного россиянина остались незамеченными.

Общая информация о титане

Титановые сплавы – спасение для механиков и инженеров. Например, корпус самолета изготовлен из титана. Во время полета он достигает скорости в несколько раз больше, чем скорость звука. Титановый корпус нагревается до температуры выше 300 градусов, и не плавится.

Металл замыкает десятку лидеров «Самых распространенных металлов в природе». Большие залежи обнаружены в ЮАР, Китае и , немало титана в Японии, Индии, на Украине.

Общее количество мирового запаса титанов насчитывает более 700 миллионов тонн. Если темпы добычи останутся прежними, титана хватит еще на 150-160 лет.

Крупнейший производитель самого твердого металла в мире – российское предприятие «ВСМПО-Ависма», которое удовлетворяет треть мировых потребностей.

Свойства титана

1. Коррозийная стойкость.
2. Высокая механическая прочность.
3. Небольшая плотность.

Атомный вес титана составляет 47, 88 а.е.м, порядковый номер в химической таблице Менделеева – 22. Внешне он очень похож на сталь.

Механическая плотность металла в 6 раз больше, чем у алюминия, в 2 раза выше, чем у железа. Он может соединиться с кислородом, водородом, азотом. В паре с углеродом металл образует невероятно твердые карбиды.

Теплопроводность титана в 4 раза меньше, чем у железа, и в 13 раз – чем у алюминия.

Процесс добычи титана

В земле титана большое количество, однако, извлечь его из недр стоит немалых денег. Для выработки используют иодидный метод, автором которого считается Ван Аркель де Бур.

В основе метода – способность металла сочетаться с иодом, после разложения этого соединения можно получить чистый, свободный от посторонних примесей титан.

Самые интересные вещи из титана:

• протезы в медицине;
• платы мобильных устройств;
• ракетные комплексы для освоения Космоса;
• трубопроводы, насосы;
• навесы, карнизы, наружная обшивка зданий;
• большинство деталей (шасси, обшивка).

Сферы применения титана

Титан активно используют в военной сфере, медицине, ювелирном деле. Ему дали неофициальное название «металл будущего». Многие говорят, что он помогает превратить мечту в реальность.

Самый твердый металл в мире изначально стали применять в военной и оборонной сфере. Сегодня основным потребителем титановых изделий является авиастроение.

Титан – универсальный конструкционный материал. Долгие годы он применялся для создания турбин самолетов. В авиационных двигателях из титана делают элементы вентилятора, компрессоры, диски.

Конструкция современного летательного аппарата может содержать до 20 тонн титанового сплава.

Основные сферы применения титана в авиастроении:

• продукция пространственной формы (окантовка дверей, люков, обшивка, настил пола);
• агрегаты и узлы, которые подвержены сильным нагрузкам (кронштейны крыльев, стойки шасси, гидроцилиндры);
• части двигателя (корпус, лопатки для компрессоров).

Благодаря титану человек смог пройти сквозь звуковой барьер, и ворваться в Космос. Его использовали для создания пилотируемых ракетных комплексов. Титан может выдержать космическую радиацию, перепады температур, скорость движения.

Этот металл имеет небольшую плотность, что важно в судостроительной сфере. Изделия из титана легкие, а значит, снижается вес , увеличивается его маневренность, скорость, дальность хода. Если корпус корабля обшить титаном, его не нужно будет красить много лет – титан не ржавеет в морской воде (коррозийная стойкость).

Чаще всего этот металл в судостроении используют для изготовления турбинных двигателей, паровых котлов, конденсаторных труб.

Нефтедобывающая отрасль и титан

Перспективной сферой использования сплавов из титана считается сверхглубокое бурение. Для изучения и добычи подземных богатств есть необходимость проникнуть глубоко под землю – свыше 15 тысяч метров. Буровые трубы из алюминия, например, разорвутся из-за собственной тяжести, и только сплавы из титана могут достигнуть действительно большой глубины.

Не так давно титан стал активно использоваться для создания скважин на морских шельфах. Специалисты применяют титановые сплавы в качестве оборудования:

• нефтедобывающие установки;
• сосуды высокого давления;
• глубоководные насосы, трубопроводы.

Титан в спорте, медицине

Титан крайне популярен в спортивной сфере из-за своей прочности и легкости. Несколько десятилетий назад из титановых сплавов сделали велосипед, первый спортивный инвентарь из самого твердого материала в мире. Современный велосипед состоит из титанового корпуса, такого же тормоза и пружин сидений.

В Японии создали титановые клюшки для игры в гольф. Эти приспособления легкие и долговечные, но крайне дорогие по цене.

Из титана делают большинство предметов, которые лежат в рюкзаке альпинистов и путешественников – столовая посуда, наборы для приготовления еды, стойки для укрепления палаток. Титановые ледорубы – очень востребованный спортивный инвентарь.

Этот металл очень востребован в медицинской отрасли. Из титана делают большинство хирургических инструментов – легких и удобных.

Еще одна сфера применения металла будущего – создание протезов. Титан превосходно «сочетается» с организмом человека. Медики назвали этот процесс «настоящее родство». Конструкции из титана безопасны для мышц и костей, редко вызывают аллергическую реакцию, не разрушаются под воздействием жидкости в организме. Протезы из титана стойкие, выдерживают огромные физические нагрузки.

Титан – удивительный металл. Он помогает человеку достичь невиданных высот в различных сферах жизни. Его любят и почитают за прочность, легкость и долгие годы службы.

Одним из самых твердых металлов является и хром

Интересные факты о хроме

1. Название металла происходит от греческого слова «chroma», что в переводе означает краска.
2. В естественной среде хром в чистом виде не встречается, а только в виде хромистого железняка, двойного оксида.
3. Самые большие месторождения металла расположены в ЮАР, России, Казахстане и Зимбабве.
4. Плотность металла – 7200кг/м3.
5. Хром плавится при температуре 1907 градусов.
6. Закипает при температуре 2671 градусов.
7. Совершенно чистый без примесей хром характеризуется тягучестью и вязкостью. В сочетании с кислородом, азотом или водородом металл становится ломким и очень твердым.
8. Этот металл серебристо-белого цвета открыл француз Луи Никола Воклен в конце XVIII века.

Свойства металла хрома

У хрома очень высокая твердость, им можно разрезать стекло. Он не окисляется воздухом, влагой. Если металл нагреть, окисление произойдет только на поверхности.

В год потребляют более 15 000 тон чистого хрома. Лидером по производству чистейшего хрома считается английская компания «Bell Metals».

Больше всего хрома потребляют в США, западных странах Европы и Японии. Рынок хрома нестабилен, и цены охватывают широкий диапазон.

Сферы использования хрома

Чаще всего применяется для создания сплавов и гальванических покрытий (хромирование на транспорт).

Хром добавляют в сталь, что улучшает физические свойства металла. Эти сплавы – наиболее востребованы в черной металлургии.

Сталь самой популярной марки состоит из хрома (18%) и никеля (8%). Такие сплавы отлично противостоят окислению, коррозии, прочны даже при высоких температурах.

Из стали, которая содержит треть хрома, изготавливают нагревательные печи.

Что еще делают из хрома?

1. Стволы огнестрельного оружия.
2. Корпус подводных лодок.
3. Кирпичи, которые используют в металлургии.

Еще одним чрезвычайно твердым металлом является вольфрам

Интересные факты о вольфраме

1. Название металла в переводе с немецкого («Wolf Rahm») означает «пена волка».
2. Это наиболее тугоплавкий металл в мире.
3. Вольфрам имеет светло-серый оттенок.
4. Металл был открыт в конце XVIII века (1781г) шведом Карлом Шееле.
5. Вольфрам плавится при температуре 3422 градусов, кипит – при 5900.
6. Металл имеет плотность 19.3 г/см³.
7. Атомная масса – 183.85, элемент VI группы в периодической системе Менделеева (порядковый номер – 74).

Процесс добычи вольфрама

Вольфрам относится к большой группе редких металлов. В нее входит также рубидий, молибден. Для этой группы характерна небольшая распространенность металлов в природе и малые масштабы потребления.

Получение вольфрама состоит из 3 этапов:

• отделение металла от руды, скапливание его в растворе;
• выделение соединения, его очистка;
• выделение чистого металла из готового химического соединения.
• Исходный материал для получения вольфрама – шеелит и вольфрамит.

Сферы применения вольфрама

Вольфрам является основой большинства прочных сплавов. Из него делают авиационные двигатели, детали электровакуумных приборов, нити накаливания.
Высокая плотность металла позволяет использовать вольфрам для создания баллистических ракет, пуль, противовесы, артиллерийские снаряды.

Соединения на основе вольфрама применяют для обработки других металлов, в горнодобывающей промышленности (бурение скважин), лакокрасочной, текстильной сфере (как катализатор органического синтеза).

Из сложных вольфрамовых соединений делают:

• проволоки – используются в нагревательных печах;
• ленты, фольгу, пластины, листы – для прокатки и плоской ковки.

Титан, хром и вольфрам возглавляют список «Самые твердые металлы в мире». Их используют во многих сферах деятельности человека – авиа и ракетостроении, военной области, строительстве, и при этом, это далеко не полный спектр применения металлов.

Титан. Химический элемент, символ Ti (лат. Titanium, открыт в 1795 году и назван в честь героя греческого эпоса Титана ) . Имеет порядковый номер 22, атомный вес 47, 90, плотность 4, 5 г/см 3 , температуру плавления 1668 ° С, температуру кипения 3300 ° С.

Титан входит в состав более чем 70 минералов и является одним из самых распространённых элементов - содержание его в земной коре составляет примерно 0, 6%. По внешнему виду титан похож на сталь. Чистый металл пластичен и легко поддаётся механической обработке давлением.

Титан существует в двух модификациях: до 882°С в виде модификации α с гексагональной плотно упакованной кристаллической решёткой, а выше 882°С устойчивостью является модификация β с объёмноцентрированной кубической решёткой.

Титан сочетает большую прочность с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий . Ряд титановых сплавов по прочности в два раза превосходит сталь при значительно меньшей плотности и лучшей коррозионной стойкости. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при работе на термическую усталость. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.

Механические свойства сильно зависят от чистоты металла и предшествующей механической и термической обработки. Титан высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами.

Характерное свойство титана - способность активно поглощать газы - кислород, азот и водород. Эти газы до известных пределов растворяются в титане. Уже небольшие примеси кислорода и азота снижают пластические свойства титана. Незначительная примесь водорода (0, 01-0, 005%) заметно повышает хрупкость титана.

На воздухе при обычной температуре титан устойчив. При нагревании до 400-550 ° С металл покрывается оксидно-нитридной плёнкой, которая прочно удерживается на металле и защищает его от дальнейшего окисления. При более высоких температурах возрастает скорость окисления и растворения кислорода в титане.

С азотом титан взаимодействует при температурах выше 600 ° С с образованием плёнки нитрида (TiN) и твёрдых растворов азота в титане. Нитрид титана имеет высокую твёрдость и плавится при 2950 ° С.

Титан поглощает водород с образованием твёрдых растворов и гибридов (TiH и TiH 2 ) . В отличие от кислорода и азота, почти весь поглощённый водород можно удалить из титана нагреванием его в вакууме при 1000-1200 ° С.

Углерод и углеродсодержащие газы (CO, CH 4 ) реагируют с титаном при высокой температуре (более 1000 ° С) с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида титана TiC (точка плавления 3140 ° С ). Примесь углерода заметно влияет на механические свойства титана.

Фтор, хлор, бром и йод взаимодействуют с титаном при сравнительно низких температурах (100-200 ° С). При этом образуются легколетучие галогениды титана.

Механические свойства титана в значительно большей степени, чем у других металлов, зависят от скорости приложения нагрузки. Поэтому механические испытания титана следует проводить при более строго регламентированных и фиксированных условиях, чем испытания других конструкционных материалов.

Ударная вязкость титана существенно возрастает при отжиге в интервале 200-300 ° С, заметного изменения других свойств не наблюдается. Наибольшее повышение пластичности титана достигается после закалки с температур, превышающих температуру полиморфного превращения, и последующего отпуска.

Чистый титан не относится к жаропрочным материалам, так как прочность его резко уменьшается с повышением температуры.

Важной особенностью титана является его способность образовывать твёрдые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твёрдого раствора на основе α - Ti (альфитированный слой), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Этот слой имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.

Титан и сплавы на основе титана характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, в естественной холодной и горячей пресной воде, в морской воде (на пластинке из титана за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следа ржавчины), а также в растворах щелочей, неорганических солей, органических кислот и соединений даже при кипячении. По коррозионной стойкости титан подобен хромоникелевой нержавеющей стали. Он не подвергается коррозии в морской воде, находясь в контакте с нержавеющей сталью и медно-никелевыми сплавами. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной плёнки, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Так, в разбавленной серной кислоте (до 5%) при комнатной температуре титан стоек. Скорость коррозии с повышением концентрации кислоты растёт, достигая максимума при 40%, затем снижается до минимума при 60%, достигает второго максимума при 80% и далее вновь понижается.

В разбавленной соляной кислоте (5-10%) при комнатной температуре титан достаточно стоек. При повышении концентрации кислоты и температуры скорость коррозии титана быстро увеличивается. Коррозию титана в соляной кислоте можно сильно уменьшить добавкой небольших количеств окислителей (HNO 3 , KMnO 4 , K 2 CrO 4 , соли меди, железа). Титан хорошо растворяется в плавиковой кислоте. В растворах щелочей (концентрации до 20%) на холоду и при нагревании титан стоек.

Как конструкционный материал титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Титан и его сплавы сохраняют высокие прочностные характеристики при высоких температурах и поэтому с успехом могут применяться для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву. Так, из его сплавов изготовляют наружные части самолётов (мотогондолы, элероны, рули поворота) и многие другие узлы и детали - от двигателя до болтов и гаек. Например, если в одном из двигателей заменить стальные болты на титановые, то масса двигателя снизится почти на 100 кг.

Оксид титана используется для приготовления титановых белил. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же титановые белила не ядовиты. Титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твёрдых сплавов для режущих инструментов, также успехом пользуются хирургические инструменты из сплавов титана. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четырёххлористый титан (тетрахлорид) применяют в военном деле для создания дымовых завес, а в мирное время для окуривания растений во время весенних заморозков.

В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качестве поглотителя газов - при нагревании до 500°С титан энергично поглощает газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объёме высокий вакуум.

Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него изготовляют детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для изготовления различных деталей гальванических ванн. Его широко используют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при высоких температурах и давлениях.

Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах титан корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной плёнки.

Технический титан и его сплавы поддаются всем известным методам обработки давлением. Они могут прокатываться в холодном и горячем состояниях, штамповаться, обжиматься, поддаваться глубокой вытяжке, развальцовываться. Из титана и его сплавов получают стержни, прутки, полосы, различные профили проката, бесшовные трубы, проволоку и фольгу.

Сопротивление деформации у титана выше, чем у конструкционных сталей или медных и алюминиевых сплавов. Титан и его сплавы обрабатываются давлением примерно так же, как и нержавеющие стали аустенитового класса. Наиболее часто титан подвергают ковке при 800-1000°С. Чтобы предохранить титан от загрязнения газами, нагрев и обработку его давлением производят в возможно короткое время. Ввиду того, что при температурах >500°С водород диффундирует в титан и его сплавы с огромными скоростями, нагрев ведут в окислительной атмосфере.

Титан и его сплавы имеют пониженную обрабатываемость резанием подобно нержавеющим сталям аустенитного класса. При всех видах резания наиболее успешные результаты достигаются при небольших скоростях и большой глубине резания, а также при использовании режущего инструмента из быстрорежущих сталей или твёрдых сплавов. Из-за высокой химической активности титана при высоких температурах сварку его ведут в атмосфере инертных газов (гелия, аргона). При этом защищать от взаимодействия с атмосферой и газами необходимо не только расплавленный металл шва, но все сильно нагретые части свариваемых изделий.

Некоторые технологические трудности возникают при производстве из титана и его сплавов отливок.