СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНА

Титан (Ti) открыт в 1795 г. и назван в честь героя греческого эпоса Титана. Он входит в состав более чем 70 минералов и является одним из самых распространенных элементов — содержание его в земной коре составляет примерно 0,6%. Титан существует в двух модификациях: до 882°С в виде модификации а с гексагональной плотно упакованной кристаллической решеткой, а выше 882°С устойчивостью является модификация β с объемноцентрированной кубической решеткой. Ниже приведены основные физические свойства титана:

Атомная масса
Плотность при 20°С, г/см3
Температура, °С:
плавления
Удельная теплоемкость, кал/г
Теплопроводность кал/(см·сек·град)
Скрытая теплота плавления, кал/г
Коэффициент линейного расширения, 1 /град
Удельное электросопротивление,
Временное сопротивление при растяжении титана, кГ/мм2
Модуль упругости, кГ/мм2
Твердость НВ, кГ/мм2

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.

Титан высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами. Под влиянием примесей пластичность его резко изменяется. Кислород хорошо растворяется в титане и сильно снижает его пластические свойства уже в области малых концентраций.

Уменьшаются пластические свойства титана и при введении в него азота. При содержании азота в титане >0,2% наступает хрупкое его разрушение. Вместе с тем кислород и азот повышают временное сопротивление и выносливость титана и в этом отношении являются полезными примесями.

Вредной примесью в титане является водород. Он резко снижает ударную вязкость титана даже при очень малых концентрациях.

На прочностные характеристики титана водород не оказывает заметного влияния в широком интервале концентраций.

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 твердые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твердого 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, а также в растворах щелочей, неорганических солей, органических кислот и соединений даже при кипячении. 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 пленки, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой.

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.

В настоящее время основное количество титана используется для приготовления титановых белил. 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 твердых сплавов для режущих инструментов. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четыреххлористый титан применяют в военном деле для создания дымовых завес.

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 объеме 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 пленки.

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 аустенитного 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 твердых 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.

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

СПЛАВЫ ТИТАНА

Многие сплавы титана с другими элементами являются более перспективными материалами, чем технический титан.

Основными легирующими элементами в промышленных титановых сплавах являются ванадий, молибден, хром, марганец, медь, алюминий и олово. Практически же титан образует сплавы со всеми металлами, за исключением щелочноземельных, а также с кремнием, бором, водородом, азотом и кислородом.

Наличие полиморфных превращений титана, хорошая растворимость многих элементов в титане и образование химических соединений, обладающих переменной растворимостью в титане, позволяют получить широкую гамму титановых сплавов с разнообразными свойствами.

В зависимости от характера влияния, оказываемого на полиморфные превращения титана, все элементы можно разбить на три группы:

стабилизирующие α-фазу (алюминий);

повышающие стабильность β-фазы (хром, марганец, железо, медь, никель, бериллий, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден, ниобий, тантал);

легирующие, мало влияющие на стабильность α- и β-фаз (олово, цирконий, германий).

Титановые сплавы, легированные элементами, повышающими стабильность α-фазы, обычно не упрочняются термической обработкой. Сплавы, легированные элементами, повышающими стабильность β-фазы, значительно упрочняются в результате термической обработки.

Титановые сплавы можно подвергать всем основным видам термической обработки: закалке, отжигу, старению, отпуску, химико-термической обработке. Чаще всего применяют отжиг.

Сплавы титана с алюминием имеют меньшую плотность и большую удельную прочность, чем чистый или технически чистый титан. По удельной прочности сплавы титана с алюминием превосходят многие нержавеющие и теплостойкие сплавы в интервале 400—500°С. Сплавы титана с алюминием обладают более высокой жаропрочностью и более высоким сопротивлением ползучести, чем многие другие сплавы титана.

Алюминий повышает модуль нормальной упругости титана.

Сплавы титана с алюминием не подвергаются коррозии и слабо окисляются при высоких температурах. Это позволяет производить горячую обработку сплавов при более высоких нагревах, чем нелегированного титана. Они обладают хорошей свариваемостью, причем даже при значительном содержании алюминия материал шва и околошовной зоны не приобретает хрупкости. Добавка алюминия уменьшает пластичность титана. Наиболее интенсивно это влияние сказывается при содержании алюминия более 7,5%.

Добавка олова в сплавы титана с алюминием повышает прочностные характеристики сплава. При концентрации в таких сплавах олова до 5% заметного снижения пластических свойств не наблюдается. Кроме того, добавка олова в сплавы титана с алюминием повышает их сопротивляемость окислению и ползучести. Сплавы, содержащие 4—5% Аl и 2—3% Sn, сохраняют значительную механическую прочность до 500°С.

Цирконий не оказывает большого влияния на механические свойства сплавов титана с алюминием, но его присутствие способствует увеличению сопротивления ползучести и повышению длительной прочности. Цирконий является ценным компонентом титановых сплавов.

Основой для получения высокожаропрочных титановых сплавов является сплав, содержащий —36% А1. Добавки в этот сплав других легирующих элементов дают жаропрочные материалы, обладающие высокой прочностью при 1000°С и выше и хорошими технологическими свойствами.

Сплав ВТ5 прокатывается, штампуется и куется в горячем состоянии, сваривается аргоно-дуговой и контактной сваркой, удовлетворительно обрабатывается резанием, обладает хорошей коррозионной стойкостью в концентрированной азотной кислоте и морской воде. Из этого сплава изготовляют детали, работающие при температурах до 400°С. Он обладает низкими антифрикционными свойствами и непригоден для изготовления трущихся деталей. Сплав ВТ5 поставляется в виде листов, прутков, паковок, труб и проволоки.

Сплавы типа ВТ5-1 предназначаются для изготовления деталей, работающих при температурах до 500°С при длительных нагрузках и до 900°С при кратковременных нагрузках. Они достаточно пластичны при горячей обработке давлением и могут изготовляться в виде листов, полос, плит, поковок, штамповок, прессованных профилей, труб и проволоки, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и растворах поваренной соли при цикличных нагрузках.

Сплав ВТ4 предназначен в основном для изготовления листов, лент и полос. Для деталей простой формы допускается штамповка в холодном состоянии. При штамповке деталей более сложной формы требуется подогрев до 500°С. Сплав обладает удовлетворительной обрабатываемостью резанием и сваривается аргоно-дуговой сваркой. По коррозионной стойкости сплав ВТ4 близок к сплавам ВТ5. Из сплава ВТ4 изготовляют детали, работающие при температурах до 350°С.

Сплав ОТ4 по свойствам и областям применения аналогичен сплаву ВТ4.

Сплав ВТ 10 обладает высоким сопротивлением ползучести и высокой термической стойкостью. Он удовлетворительно сваривается всеми видами сварки и предназначен для изготовления деталей, работаю-

щих при температурах до 500°С. Из сплава ВТ10 приготовляют поковки, штамповки прутки и полосы.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ВТ4, ОТ4 и ВТ10 при комнатной температуре сохраняют кристаллическую решетку, присущую модификации α-титана. В большинстве случаев эти сплавы применяют в отожженном состоянии. Температура их отжига выше температуры отжига технического титана. В качестве сплава с α-структурой можно рассматривать и технический титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1, ВТ1-2).

Титановые сплавы с термодинамически устойчивой β-фазой можно получить лишь при высоких концентрациях легирующих элементов (ванадия, молибдена, ниобия, тантала и др.). Однако при этом теряется одно из основных преимуществ титановых сплавов — относительно малая плотность. Это является основной причиной того, что титановые сплавы со стабильной β-фазой не получили широкого распространения.

Титановые сплавы со структурой, представленной одной β-фазой, можно механически получить закалкой титановых сплавов, содержащих достаточно высокую концентрацию переходных элементов. К таким сплавам относится сплав ВТ 15, содержащий 3—4% А1, 7—8% Мо и 10—15% Сr. После закалки с 760—780° С и старения при 450— 480°С сплав имеет временное сопротивление 130—150 кГ/мм2, это эквивалентно стали с временным сопротивлением 255 кГ/мм2. Однако эта прочность не сохраняется при нагревании, что является основным недостатком указанных сплавов. Сплав поставляется в виде листов, прутков и поковок.

Наилучшее сочетание свойств достигается в сплавах, состоящих из смеси α- и β-фаз. Непременным компонентом почти во всех таких сплавах является алюминий. Содержание в сплавах алюминия не только расширяет область температур, при которых сохраняется стабильность α-фазы, но повышает и термическую стабильность β-фазы. Кроме того, алюминий уменьшает плотность сплава и тем самым компенсирует увеличение плотности, связанное с введением тяжелых легирующих элементов.

Из сплава ВТ6 изготовляют листы, прутки, поковки и штамповки. Они обладают хорошей прочностью и пластичностью. Температура нагрева сплава при обработке давлением обычно не превышает 1000°С. Детали из сплава ВТ6 можно соединять точечной, стыковой и аргоно-дуговой сваркой в защитной атмосфере. Для восстановления пластичности металла после сварки требуется отжиг при 700—800°С. Сплавы этого типа удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и в морской воде. Прочность сплавов повышается после закалки с последующим старением при 450—550°С. Сплавы обладают хорошей термической стабильностью.

К сплавам группы ВТ6 можно отнести и сплав BT5. Этот сплав, кроме алюминия и молибдена, легируется небольшим количеством кремния. Сплав в горячем состоянии хорошо поддается прокатке, штамповке и ковке. Ковка осуществляется при 900— 1000°С. Сплав обладает также высокой коррозионной стойкостью и термической стабильностью и сопротивлением ползучести. Он удовлетворительно обрабатывается резанием и хорошо сваривается точечной, роликовой и стыковой сваркой. Применяют сплав главным образом в термически обработанном состоянии.

Самостоятельную группу сплавов составляют сплавы ВТ3 и ВТ3-1. Эти сплавы обладают большей термохимической стабильностью по сравнению со сплавами типа ВТ6. Сплав ВТ3-1, содержащий, кроме алюминия и хрома, молибден, обладает более высокой термической стабильностью и меньшей склонностью к проявлению хрупкости при нагревании, чем сплав ВТ3, и имеет более мелкозернистую структуру.

Титановые сплавы, состоящие из смеси α- и β-фаз, применяют в отожженном или стабилизированном состоянии.

Для сплава ВТ3 рекомендуется проводить отжиг при 750±10°С и охлаждение на воздухе, для сплава ВТ3-1 гомогенизацию при 870 ±10°С, охлаждение с печью до 650°С, выдержку при этой же температуре примерно 1 ч и последующее охлаждение; для сплава ВТ6 — отжиг при 80 ±10°С и охлаждение на воздухе; для сплава ВТ8— гомогенизацию при 800±10°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе до 590±10°С, выдержку 1 ч, охлаждение на воздухе. Эффект от термического упрочнения сплавов ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ8 относительно невелик.

Для сплава ВТ 14 упрочняющей термической обработкой является закалка в воде с 860—880°С с последующим старением при 480—500°С. Отжиг этого сплава, обеспечивающий получение высокой пластичности и удовлетворительной прочности, проводится нагреванием до 750—850°С с последующим охлаждением на воздухе. Сплав ВТ 14 чувствителен к перегреву в процессе горячей обработки давлением и термической обработки. При нагревании выше 920—930°С резко ухудшаются его механические свойства. В связи с этим горячую деформацию сплава ВТ 14 целесообразно проводить при температурах не более 930°С.

В настоящее время разработаны титановые сплавы, обладающие в закаленном состоянии высокой пластичностью, необходимой для изготовления сложных деталей, и сильно упрочняющиеся при последующем старении или отпуске.

Практически все деформируемые титановые сплавы могут применяться в качестве литейных материалов. Наиболее часто для изготовления деталей методом литья применяется сплав ВТ6 и технический титан (ВТ1-1). Металл для фасонного литья выплавляют в вакуумных дуговых печах с графитовым тиглем, покрытым гарниссажем. Заливка металла и охлаждение форм производятся либо в атмосфере инертных газов, либо в вакууме. Формы изготовляют из графита, керамических материалов или металлов, которые не взаимодействуют с титаном и титановыми литейными сплавами.

Широкое применение находит карбид титана TiC и сплавы на основе карбида титана. Карбид титана обладает большой твердостью и очень высокой температурой плавления, что и определяет основные области его применения. Карбид титана давно применяют как компонент твердых сплавов для режущего инструмента и штампов. Особенно эффективно использование режущего инструмента, содержащего карбид титана, для вязких материалов. Типичными титансодержащими твердыми сплавами для режущего инструмента являются сплавы Т5КЮ, Т5К7, Т14К8, Т15К6, Т30К4 (первая цифра соответствует содержанию карбида титана, а вторая — содержанию цементирующего металлического кобальта в %. Карбид титана применяют также в качестве абразивного материала как в порошке, так и в цементированном виде.

Температура плавления карбида титана >3000°С. Он обладает большой электропроводностью, а при низких температурах— сверхпроводимостью. Ползучесть титана ничтожна мала вплоть до температуры 1800°С. При комнатной температуре он хрупок. Карбид титана стоек в холодных и горячих кислотах — соляной, серной, фосфорной, щавелевой, на холоде — в хлорной кислоте, а также в смесях некоторых кислот.

Многие методы получения чистого карбида титана сводятся к химическому отделению карбида из науглероженного ферросплава. Однако наибольшее практическое значение имеет метод науглероживания порошкообразного металлического титана или двуокиси титана ниже температуры плавления составляющих. Примером такого метода может служить прокаливание двуокиси титана с сажей в угольных патронах. Значительное количество карбида титана получается в виде промежуточного продукта при изготовлении четыреххлористого титана.

Большое распространение получили жаростойкие материалы на основе карбида титана, легированного молибденом, танталом, ниобием, никелем, кобальтом и другими элементами. Легирование карбида титана металлами позволяет получить материалы, в которых сочетаются большая прочность, сопротивляемость ползучести и окислению при высоких температурах карбида титана с пластичностью и сопротивлением тепловому удару металлов. На этом же принципе основано получение жаростойких материалов на основе других карбидов, а также боридов, силицидов, которые объединяются под общим названием керамико-металлических материалов.

Сплавы на основе карбида титана сохраняют достаточно высокую жаропрочность до 1000—1100°С. Эти сплавы обладают высокой износоустойчивостью и стойкостью против коррозии. Ударная вязкость сплавов на основе карбида титана мала, и это является основным препятствием для широкого их распространения.

Карбид титана и сплавы карбида титана с карбидами других металлов применяют в качестве огнеупорных материалов. Тигли из карбида титана и сплава карбида титана с карбидом хрома не смачиваются и практически не взаимодействуют в течение длительного времени с расплавленным оловом, висмутом, свинцом, кадмием и цинком. Не смачивают карбид титана расплавленная медь при 1100—1300°С и серебро при 980°С в вакууме, алюминий при 700°С в атмосфере аргона. Сплавы на основе карбида титана с карбидом вольфрама или карбидом тантала с добавкой до 15% Со при 900—1000° в течение длительного времени почти не поддаются действию расплавленного натрия и висмута.

Для приготовления сплавов на основе карбида титана составляющие их размалываются вместе до очень высокой степени дисперсности и затем смеси прессуют с применением пластификатора в заданные формы. Полученные таким образом заготовки спекают при высоких температурах. Композиции на основе карбида практически не обладают ковкостью. Слегка спеченные прессовки можно обрабатывать на токарном станке алмазным инструментом, а сложные детали — абразивными кругами. После окончательного спекания материал обрабатывается только шлифованием. Методом выдавливания из массы на основе карбида титана можно изготовить трубы, стержни, листы и изделия сложного сечения. Более плотный продукт можно получить методом горячего прессования. Основным исходным материалом для получения компактного титана и титановых полуфабрикатов является губчатый титан (титановая губка), получаемая различными методами из титанового сырья.

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.

Титан – химический элемент IV группы 4 периода периодической системы Менделеева, атомный номер 22; прочный и легкий металл серебристо-белого цвета. Существует в следующих кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решеткой и β-Ti с кубической объемно-центрированной упаковкой.

Титан стал известен человеку всего около 200 лет назад. История его открытия связана с именами немецкого химика Клапрота и английского исследователя-любителя Мак-Грегора. В 1825 году И. Берцелиус первым сумел выделить чистый металлический титан, однако вплоть до XX века этот металл считался редким и поэтому непригодным для практического применения.

Однако к нашему времени установлено, что по распространенности титан занимает девятое место среди других химических элементов, а его массовая доля в земной коре составляет 0,6%. Титан содержится во многих минералах, чьи запасы исчисляются сотнями тысяч тонн. Значительные месторождения титановых руд находятся на территории России, Норвегии, США, на юге Африки, а в Австралии, Бразилии, Индии расположены удобные для добычи открытые россыпи титансодержащих песков.

Титан – легкий и пластичный металл серебристо-белого цвета, температура плавления 1660±20 C, температура кипения 3260 C, плотность двух модификаций и соответственно равна α-Ti - 4,505 (20 C) и β-Ti - 4,32 (900 C) г/см3. Титан отличается высокой механической прочностью, сохраняющейся даже при высоких температурах. Имеет высокую вязкость, что при его механической обработке требует нанесения специальных покрытий на режущий инструмент.

При обычной температуре поверхность титана покрывается пассивирующей оксидной пленкой, что делает титан коррозионностойким в большинстве сред (за исключением щелочной). Титановая стружка пожароопасна, а титановая пыль – взрывоопасна.

Титан не растворяется в разбавленных растворах многих кислот и щелочей (кроме плавиковой, ортофосфорной и концентрированной серной кислот), однако в присутствии комплексообразователей легко взаимодействует даже со слабыми кислотами.

При нагревании на воздухе до температуры 1200С титан загорается, образуя оксидные фазы переменного состава. Из растворов солей титана выпадает в осадок гидроксид титана, прокаливание которого позволяет получить диоксид титана.

При нагревании титан также взаимодействует с галогенами. В частности, так получают тетрахлорид титана. В результате восстановления тетрахлорида титана алюминием, кремнием, водородом и некоторыми другими восстановителями получают трихлорид и дихлорид титана. Титан взаимодействует с бромом и иодом.

При температуре более 400С титан вступает в реакцию с азотом, образуя нитрид титана. Титан взаимодействует и с углеродом с образованием карбида титана. При нагревании титан поглощает водород, при этом образуется гидрид титана, при повторном нагревании разлагающийся с выделением водорода.

Чаще всего в качестве исходного материала для производства титана выступает диоксид титана с небольшим количеством примесей. Это может быть как титановый шлак, получаемый при переработке ильменитовых концентратов, так и рутиловый концентрат, который получают при обогащении титановых руд.

Концентрат титановых руд подвергается пирометаллургической или сернокислотной переработке. Продуктом сернокислотной обработки становится порошок диоксида титана. При использовании пирометаллургического метода руда спекается с коксом и обрабатывается хлором с получением паров тетрахлорида титана, которые затем при 850С восстанавливаются магнием.

Полученная титановая «губка» переплавляется, расплав очищается от примесей. Для рафинирования титана применяется иодидный способ или электролиз. Титановые слитки получают путем дуговой, плазменной или электроннолучевой переработки.

Большая часть производства титана поступает на нужды авиационной и ракетной промышленности, а также морского судостроения. Титан используется как легирующая добавка к качественным сталям и в качестве раскислителя.

Из него изготовляют различные детали электровакуумных приборов, компрессоры и насосы для перекачки агрессивных сред, химические реакторы, опреснительные установки и многое другое оборудование и конструкции. Благодаря своей биологической безвредности титан является превосходным материалом для применения в пищевой и медицинской промышленности.

Сплавы титана можно разделить на три группы по соотношению количкствава б-фазы (с гексагональной кристаллической решеткой) и в-фазы (с объемно-центрической кубической решеткой) различают б-, (б + в)- и в-сплавы.

По влиянию на температуру полиморфных превращений легирующие элементы (Легимрование (нем. legieren -- «сплавлять», от лат. ligare --«связывать») --добавление в состав материалов, примесей для изменения (улучшения) физических и/или химических свойств основного материала ) подразделяют на б-стабилизаторы, повышающие температуру полиморфного превращения, в-стабилизаторы, понижающие ее, и нейтральные упрочнители, мало влияющие на эту температуру. К б-стабилизаторам относят Al, In и Ga; к в-стабилизаторам - эвтектоидо-образующие (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Si) и изоморфные (V, Nb, Та, Mo, W) элементы, к нейтральным упрочнителям - Zr, Hf, Sn, Ge.

Элементы внедрения-вредные примеси (С, N, О), снижающие пластичность и технологичность металлов, и Н(гидроген), вызывающий водородную хрупкость сплавов.

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рис. 17.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

Полиморфное b ® a -превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении -- по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой a ў или при большей степени легированности -- a ў ў. Кристаллическая структура a, a ў, a ў ў практически однотипная (ГПУ), однако решетка a ў и a ў ў более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения [ 1], что решетка a ў ў -фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз a ўи a ў ў выделяется b -фаза или интерметаллидная фаза.

Рисунок 1

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Т пп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b, a ў, a ў ў и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a - и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a - и b -фаз.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

б-сплавы

Сплавы с б-структурой: ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1.Их легируют Al, Sn и Zr. Они отличаются повышенной жаропрочностью, высокой термической стабильностью, малой склонностью к хладноломкости, хорошей свариваемостью. Основной вид термической обработки-отжиг при 590-740 °С. Применяется для изготовления деталей, работающих при температурах до 400-450 °С; сплав Ti высокой чистоты (5% А1 и 2,5% Sn)-один из лучших материалов для работы при криогенных температурах (до 20 К).

ВТ1-0:

ВТ1-0 - это б-сплав, который насыщается с целью повышения температуры полиморфного преобразования титана стабилизаторами:

• · алюминий (AL);
• · галлий (Ga);
• · индий (In);
• · углерод;
• · азот;
• · кислород.

При температуре 882,5 градуса Цельсия структура сплава - ГПУ(гексагональная плотноупакованная), то есть с макисмально плотной упаковкой шаров атомов. В диапазоне температур от 882,5 градуса Цельсия до точки плавления имеет место ОЦК структура, то есть объемноцентрированная решетка.

Титан ВТ1-0 высокочистый, легкий, жаропрочный. Плавление наступает при температуре 1668°С. Сплав характеризуется невысоким тепловым коэффициентом расширения. Он малоплотный (плотность составляет всего 4,505 г/см 3) и высокопластичный (пластичность может составлять от 20 до 80%). Эти качества делают возможным получение из описываемого сплава деталей любой нужной формы. Сплав стоек к коррозии за счет наличия на его поверхности оксидной защитной пленки.

Среди недостатков можно выделить необходимость в высоких трудозатратах на его производстве. Плавление титана наступает лишь в вакуумной или инертной газовой среде. Это связано с активным взаимодействием жидкого титана практически со всеми газами атмосферы. Кроме того сплав марки ВТ1-0 плохо режется, хоть и его прочность не так высока в сравнении с другими. Чем меньше в составе сплава алюминия, тем ниже показатели его прочности и жаропрочности, а водородная хрупкость выше.

Благодаря своим высоким техническим характеристикам сплав ВТ1-0 идеален для изготовления трубы, различной штамповки и литых элементов в ракето-, авиа- и судостроительной, химической и энергетической промышленности.Благодаря низкому тепловому коэффициенту расширения материал превосходно сочетается с другими (стекло, камень и прочие), что делает его эффективным в строительной сфере. Металл немагнитен и имеет высокое электрическое сопротивление, чем отличается от многих других металлов. За счет этих качеств он просто незаменим в таких сферах, как радиоэлектроник, электротехника. Биологически инертен, то есть безвреден для человеческого организма, благодаря чему находит применение во многих сферах медицины.

ОТ-4-0:

Сплав марки ОТ4-0 входит в категорию псевдо б-сплавов. Данные сплавы не подлежат термическому упрочнению и классифицируются следующим образом:

• 1. Низкопрочные сплавы с низкими содержанием в составе алюминия и невысоким процентом в-стабилизаторов, что делает их высокотехнологичными. Они хорошо поддаются любым видам сварки.
• 2. Высокопрочные супер б-сплавы.

В процентном соотношении их состав следующий:

• · алюминий (Аl) составляет 0,8%;
• · марганец (Mn) составляет 0,8%;
• · эквивалент алюминия составляет 1,8%;
• · эквивалент марганца составляет 1,3%.

Для него характерна средняя степень прочности, увеличивающаяся посредством добавления алюминия. Недостаток заключается в том, что это снижает технологичность материала. Легирование марганцем помогает улучшить технологичность материала в условиях горячей обработки давлением. Как в горячем, так и в холодном состоянии, сплав легко подвергается деформации. Штамповка возможна даже в условиях комнатной температуры, сталь легко подвергается свариванию. К существенным недостаткам этого сплава относится его низкая прочность, а также предрасположенность к хрупкости в условиях агрессивного воздействия водорода.

Сплав идет на изготовление высокотехнологичных деталей, предназначенных для процедуры холодной штамповки. Из него изготавливают многие разновидности металлопроката: трубу, проволоку, лист и прочие. Высокие эксплуатационные свойства сплава, среди которых стойкость к коррозии и эрозии, сопротивление баллистическому воздействию, делают его эффективным в конструировании атомных энергетических установок, теплообменников и трубопроводов, дымоходов на кораблях, насосов и прочих подобных элементов конструкций. Труба ОТ4-0 активно применяется в ядерно-энергетической и химической промышленности.

(б+в)-сплавы

Сплавы с (б+в) структурой: сплавы ВТ14, ВТ9, ВТ8, ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23. Благодаря более пластичной бета фазе эти сплавы более технологичны и лучше обрабатываются давлением, чем альфа сплавы.

(a + b)-структуры легируют А1, V, Zr, Cr, Fe, Mo, Si, W; в отожженном состоянии они содержат 5-50% b-фазы. Отличаются наиболее благоприятным сочетанием механических и технологических свойств, высокой прочностью, способностью к термическому. упрочнению в результате закалки и старения, удовлетворительной свариваемостью, меньшей склонностью к водородной хрупкости по сравнению с б-сплавами. Прочностные свойства промышленных (б + в)-сплавов в отожженном состоянии возрастают с увеличением содержания в них в-стабилизаторов. Увеличение содержания Al в сплавах повышает их жаропрочность, снижает пластичность и технологичность при обработке давлением.

ВТ3-1:

Сплав на основе титана марки ВТ3-1 принадлежит к категории б + в-сплавов. Он легируется такими элементами:

• · алюминий (Al) в объеме 6,3%;
• · молибден (Mo) в объеме 2,5%;
• · медь (Cu) в объеме 1,5%;
• · железо (Fe) в объеме 0,5%;
• · кремний (Si) в объеме 0,3%.

Металлопрокат ВТ3-1 стойкий к коррозии и химическому воздействию. Для него характерны такие качества, как повышенная жаропрочность, небольшой тепловой коэффициент расширения, а также легкость и пластичность. На способность материала к сопротивлению усталости оказывают влияние внешние факторы. Так, в вакуумной среде сплав выносливее, чем под воздействием воздуха. Также заметно влияет на выносливость его поверхность, то есть состояние, в котором она находится, и качество. Шероховатая ли она, имеет ли неровности, какими свойствами обладают поверхностные слои? От этих факторов и зависит выносливость титановых полуфабрикатов.

Увеличению предела выносливости способствует мягкая финальная механическая обработка. Имеется ввиду обязательное снятие слоя тонкой стружки толщиной до 0,1 мм, а затем полировка вручную с использованием медной шкурки, шероховатость которой лежит в пределах 8-9 класса. Если же была произведена шлифовка абразивами и форсированная резка, то такой сплав будет плохо сопротивляться усталости.

К металлопрокату из титана этой марки предъявляют некоторые требования. Так, он должен быть светлого чистого цвета, а на его поверхности не иметь потемнений, потеков. Волнистость, которая появляется после отжига, не относится к браку. Среди недостатков сплава ВТ3-1 выделяют необходимость в больших трудозатратах при его производстве и высокую себестоимость. Такие металлы лучше реагируют на сжатие, чем на растяжение.

Металлопрокат ВТ3-1, в числе которого проволока, прут, круг и другие, благодаря их пригодности к экстремальным условиям использования используются в судо-, авиа- и ракетостроении. Благодаря стойкости к коррозии и негативному воздействию кислотных сред сплав находит широкое применение в химическом и нефтегазовом производстве. Биологическая инертность, то есть безопасность для организма обеспечивает ему активное использование в пищевой, сельскохозяйственной и медицинской сфере.

ВТ-6 обладает следующими характеристиками:

• · повышенная удельная прочность;
• · низкая восприимчивость к воздействию водорода в сравнении со сталью марки ОТ4;
• · низкая предрасположенность к коррозии под воздействием соли;
• · высокая технологичность: при нагреве он легко подвергается деформации.

Из сплава описываемой марки изготавливают большой ассортимент металлопроката: пруток, труба, штамповка, плита, лист и многие другие разновидности.

Сварка их осуществляется рядом традиционных способов, среди которых и диффузионный. В результате использования электронно-лучевой сварки сварной шов по прочности сравним с основным материалом.

Титан марки ВТ6 одинаково широко используется и отожженным, и термически обработанным, а значит более высококачественным.

Отжиг листа, трубы тонкостенной, профиля выполняется в температурном диапазоне от 750 до 800 градусов Цельсия. Охлаждение его выполняется либо на открытом воздухе, либо в печи.

Крупный металлопрокат, такой как пруток, штамповки, поковки отжигаются в температурном диапазоне от 760 до 800 градусов Цельсия. Охлаждается в печи, что защищает крупные изделия от деформации, а мелкие - от частичной закалки.

Существует теория, что более рационально производить отжиг в диапазоне температур от 900 до 950°С. Это повысит вязкость разрушения, ударную вязкость и, благодаря смешанному составу с большим процентом пластичной составляющей, сохранит пластичность изделия. Также подобный способ отжига повысит сопротивляемость сплава коррозии.

Его используют в производстве (при сварке) крупных конструкций, к примеру таких, как конструктивные элементы летательных устройств. Также это создание баллонов, способных выдерживать внутри себя повышенное давление в температурном диапазоне -196 - 450 С. По данным западных СМИ, примерно половина всего титана, который используется в авиационной промышленности, составляет именно титан марки ВТ-6.

в-сплавы

Сплавы с в-структурой. Некоторые опытные ВТ15, ТС6 с высоким содержанием хрома и молибдена. Эти сплавы сочетают хорошую технологическую пластичность с очень высокой прочностью и хорошей свариваемостью.

Полуфабрикаты из титана и титановых сплавов производятся во всевозможных формах и видах: титановые слитки, титановые слябы, заготовки, титановые листы и титановые плиты, титановые ленты и полосы, титановые прутки (или титановые круги), титановая проволока, титановые трубы.

К данной группе относятся сплавы, в структуре которых преобладает твердый раствор на основе в-модификации титана. Основными легирующими элементами являются в-стабилизаторы (элементы, понижающие температуру полиморфного превращения титана).В состав в-сплавов почти всегда входит алюминий, который их упрочняет.

Благодаря кубической решетке в-сплавы легче, чем б- и (б+в)-сплавы, подвергаются холодной деформации, хорошо упрочняются при термообработке, заключающейся в закалке и старении, и удовлетворительно свариваются; они имеют достаточно высокую жаропрочность, однако при легировании их только в-стабилизаторами жаропрочность с ростом температуры выше 400°С заметно снижается. Сопротивление ползучести и термическая стабильность сплавов этого типа ниже, чем у сплавов на основе а- твердого раствора.

После старения прочность в-сплавов может достигать 1700 МПа (в зависимости от марки сплава и типа полуфабриката). Несмотря на благоприятное сочетание прочностных и пластических характеристик, в-сплавы имеют ограниченную область применения вследствие высокой стоимости и сложности производственного процесса, а также необходимости строгого соблюдения технологических параметров.

Спектр применения в-сплавов все же довольно широкий -- от дисков авиационных двигателей до различных протезов медицинского назначения. В условиях промышленного производства возможно прогнозировать свойства по микроструктуре крупногабаритных штамповок. Однако вследствие сложности ее могут возникать затруднения в ходе УЗ-контроля.

Многих интересует немного загадочный и не до конца изученный титан - металл, свойства которого отличаются некоторой двоякостью. Металл и самый прочный, и самый хрупкий.

Самый прочный и самый хрупкий металл

Его открыли двое ученых с разницей в 6 лет - англичанин У. Грегор и немец М. Клапрот. Название титана связывают, с одной стороны, с мифическими титанами, сверхъестественными и бесстрашными, с другой стороны, с Титанией - королевой фей.
Это один из самых распространенных в природе материалов, но процесс получения чистого металла отличается особой сложностью.

22 химический элемент таблицы Д. Менделеева Titanium (Ti) относится к 4 группе 4 периода.

Цвет титана серебристо-белый с выраженным блеском. Его блики переливаются всеми цветами радуги.

Это один из тугоплавких металлов. Он плавится при температуре +1660 °С (±20°). Титан отличается парамагнитностью: он не намагничивается в магнитном поле и не выталкивается из него.
Металл характеризуется низкой плотностью и высокой прочностью. Но особенность этого материала заключается в том, что даже минимальные примеси других химических элементов кардинально изменяют его свойства. При наличии ничтожной доли других металлов титан теряет свою жаропрочность, а минимум неметаллических веществ в его составе делают сплав хрупким.
Эта особенность обуславливает наличие 2 видов материала: чистого и технического.

1. Титан чистого вида используют там, где требуется очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны.
2. Технический материал применяется там, где ценятся такие параметры, как легкость, прочность и устойчивость к коррозии.

Вещество обладает свойством анизотропности. Это означает, что металл может изменять свои физические характеристики, исходя из приложенных усилий. На эту особенность следует обращать внимание, планируя применение материала.

Титан теряет прочность при малейшем присутствии в нем примесей других металлов

Проведенные исследования свойств титана в нормальных условиях подтверждают его инертность. Вещество не реагирует на элементы, находящиеся в окружающей атмосфере.
Изменение параметров начинается при повышении температуры до +400°С и выше. Титан вступает в реакцию с кислородом, может воспламеняться в азоте, впитывает газы.
Эти свойства затрудняют получение чистого вещества и его сплавов. Производство титана основано на применении дорогостоящей вакуумной аппаратуры.

Титан и конкуренция с другими металлами

Этот металл постоянно сравнивают с алюминием и сплавами железа. Многие химические свойства титаназначительно лучше, чем у конкурентов:

1. По механической прочности титан превосходит железо в 2 раза, а алюминий в 6 раз. Прочность его увеличивается при снижении температуры, чего не отмечается у конкурентов.
   Антикоррозионные характеристики титана значительно превышают показатели других металлов.
2. При температурах окружающей среды металл абсолютно инертен. Но при повышении температуры свыше +200°С вещество начинает поглощать водород, изменяя свои характеристики.
3. При более высоких температурах титан вступает в реакции с другими химическими элементами. Он обладает высокой удельной прочностью, что в 2 раза превосходит свойства лучших сплавов железа.
4. Антикоррозионные свойства титана значительно превышают показатели алюминия и нержавеющей стали.
5. Вещество плохо проводит электричество. Титан имеет удельное электросопротивление в 5 раз выше, чем у железа, в 20 раз, чем у алюминия, и в 10 раз выше, чем у магния.
6. Титан характеризуется низкой теплопроводностью, это обусловлено низким коэффициентом температурного расширения. Она меньше в 3 раза, чем у железа, и в 12, чем у алюминия.
   

Какими способами получают титан?

Материал занимает 10 место по распространению в природе. Существует около 70 минералов, содержащих титан в виде титановой кислоты или его двуокиси. Наиболее распространенные из них и содержащие высокий процент производных металла:

• ильменит;
• рутил;
• анатаз;
• перовскит;
• брукит.

Основные залежи титановых руд находятся в США, Великобритании, Японии, большие месторождения их открыты в России, Украине, Канаде, Франции, Испании, Бельгии.

Добыча титана — дорогой и трудозатратный процесс

Получение металла из них стоит очень дорого. Ученые разработали 4 способа производства титана, каждый из которых рабочий и эффективно используется в промышленности:

1. Магниетермический способ. Добытое сырье, содержащее титановые примеси, перерабатывают и получают диоксид титана. Это вещество подвергается хлорированию в шахтных или солевых хлораторах при повышенном температурном режиме. Процесс очень медленный, ведется в присутствии углеродного катализатора. При этом твердый диоксид переводится в газообразное вещество — тетрахлорид титана. Полученный материал восстанавливается магнием или натрием. Сплав, образовавшийся при реакции, подвергают нагреванию в вакуумной установке до сверхвысоких температур. В результате реакции происходит испарение магния и его соединений с хлором. В конце процесса получают губкоподобный материал. Его плавят и получают титан высокого качества.
2. Гидридно-кальциевый способ. Руду подвергают химической реакции и получают гидрид титана. Следующий этап — разделение вещества на составляющие. Титан и водород выделяют в процессе нагревания в вакуумных установках. По окончании процесса получают оксид кальция, который отмывают слабыми кислотами. Первые два способа относятся к промышленному производству. Они позволяют получать в кратчайшие сроки чистый титан с относительно небольшими издержками.
3. Электролизный метод. Титановые соединения подвергают воздействию током большой силы. В зависимости от исходного сырья, соединения разделяются на составляющие: хлор, кислород и титан.
4. Йодидный способ или рафинирование. Полученный из минералов диоксид титана обдают парами йода. В результате реакции образуется йодид титана, который нагревают до высокой температуры — +1300…+1400°С и воздействуют на него электрическим током. При этом из исходного материала выделяются составляющие: йод и титан. Металл, полученный данным способом, не имеет примесей и добавок.

Области применения

Применение титана зависит от степени его очистки от примесей. Наличие даже небольшого количества других химических элементов в составе сплава титана кардинально меняет его физико-механические характеристики.

Титан с некоторым количеством примесей называется техническим. Он имеет высокие показатели коррозийной стойкости, это легкий и очень прочный материал. От этих и других показателей зависит его применение.

• В химической промышленности из титана и его сплавов изготавливают теплообменники, различного диаметра трубы, арматуру, корпуса и детали для насосов различного назначения. Вещество незаменимо в местах, где требуются высокая прочность и стойкость к кислотам.
• На транспорте титан используют для изготовления деталей и агрегатов велосипедов, автомобилей, железнодорожных вагонов и составов. Применение материала уменьшает вес подвижных составов и автомобилей, придает легкость и прочность велосипедным деталям.
• Большое значение титан имеет в военно-морском ведомстве . Из него изготавливают детали и элементы корпусов для подводных лодок, пропеллеры для лодок и вертолетов.
• В строительной промышленности применяется сплав цинк-титан. Он используется как отделочный материал для фасадов и кровель. Этот очень прочный сплав имеет важное свойство: из него можно изготавливать архитектурные детали самой фантастической конфигурации. Он может принимать любую форму.
• В последнее десятилетие титан широко применяют в нефтедобывающей отрасли . Сплавы его применяют при изготовлении оборудования для сверхглубокого бурения. Материал используется для изготовления оборудования для добычи нефти и газа на морских шельфах.

У титана очень широкая область применения

Чистый титан имеет свои области применения. Он нужен там, где необходима стойкость к высоким температурам и при этом должна сохраняться прочность металла.

Его применяют в:

• авиастроении и космической отрасли для изготовления деталей обшивки, корпусов, элементов крепления, шасси;
• медицине для протезирования и изготовления сердечных клапанов и других аппаратов;
• технике для работы в криогенной области (здесь используют свойство титана — при снижении температуры усиливается прочность металла и не утрачивается его пластичность).

В процентном соотношении использование титана для производства различных материалов выглядит так:

• на изготовление краски используется 60 %;
• пластик потребляет 20 %;
• в производстве бумаги используют 13 %;
• машиностроение потребляет 7 % получаемого титана и его сплавов.

Сырье и процесс получения титана дорогостоящие, затраты на его производство компенсируются и окупаются сроком службы изделий из этого вещества, его способностью не менять свой внешний вид за весь период эксплуатации.