К какой группе металлов относится титан?

Титан

Титан (лат. Titanium), Ti, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; атомный номер 22, атомная масса 47,90; имеет серебристо-белый цвет, относится к легким металлам. Природный Титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46 Ti (7,95%), 47 Ti (7,75%), 48 Ti (73,45%), 49 Ti (5,51%), 50 Ti (5,34%). Известны искусственные радиоактивные изотопы 45 Ti (T½ = 3,09 ч), 51 Ti (Т½ = 5,79 мин) и другие.

Распространение Титана в природе

Титан — один из распространенных элементов, среднее содержание его в земной коре (кларк) составляет 0,57% по массе (среди конструкционных металлов по распространенности занимает 4-е место, уступая железу, алюминию и магнию). Больше всего Титана в основных породах так называемых «базальтовой оболочки» (0,9%), меньше в породах «гранитной оболочки» (0,23%) и еще меньше в ультраосновных породах (0,03%) и др. К горным породам, обогащенным Титаном, относятся пегматиты основных пород, щелочные породы, сиениты и связанные с ними пегматиты и другие. Известно 67 минералов Титан, в основном магматического происхождения; важнейшие — рутил и ильменит.

В биосфере Титан в основном рассеян. В морской воде его содержится 10 -7 %; Титан — слабый мигрант.

Физические свойства Титана

Титан существует в виде двух аллотропических модификаций: ниже температуры 882,5 °С устойчива α-форма с гексагональной плотноупакованной решеткой (а = 2,951Å, с = 4,679Å), a выше этой температуры — β-форма с кубической объемноцентрированной решеткой а = 3,269Å. Примеси и легирующие добавки могут существенно изменять температуру α/β превращения.

Плотность α-формы при 20°С 4,505 г/см 3 , a при 870°С 4,35 г/см 3 ; β-формы при 900°С 4,32 г/см 3 ; атомный радиус Ti 1,46 Å, ионные радиусы Ti + 0,94 А, Ti 2+ 0,78 Å, Ti 3+ 0,69 Å, Ti 4+ 0,64 Å; Тпл 1668 °С, Ткип 3227 °С; теплопроводность в интервале 20-25°С 22,065 вт/(м·К) [0,0527 кал/(см·сек·°С)]; температурный коэффициент линейного расширения при 20°С 8,5·10 -6 , в интервале 20-700°С 9,7·10 -6 ; теплоемкость 0,523 кдж/(кг·К) [0,1248 кал/(г·°С)]; удельное электросопротивление 42,1·10 -6 ом·см при 20 °С; температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С; обладает сверхпроводимостью ниже 0,38 К. Титан парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,2·10 -6 при 20 °С. Предел прочности 256 Мн/м 2 (25,6 кгс/мм 2 ), относительное удлинение 72% , твердость по Бринеллю менее 1000 Мн/м 2 (100 кгс/мм 2 ). Модуль нормальной упругости 108 000 Мн/м 2 (10 800 кгс/мм 2 ). Металл высокой степени чистоты ковок при обычной температуре.

Применяемый в промышленности технический Титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865-920 °С. Для технического Титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность около 4,32 г/см 3 , предел прочности 300-550 Мн/м 2 (30-55кгс/мм 2 ), относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м 2 (115-165 кгс/мм 2 ). Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d 2 4s 2 .

Химические свойства Титана

Чистый Титан — химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления +4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500-550 °С коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной оксидной пленки.

С кислородом воздуха заметно взаимодействует при температуре выше 600 °С с образованием ТiO2. Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении окисной пленки путем удара или трения возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках.

Оксидная пленка не защищает Титан в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), и поэтому его плавка и сварка должны проводиться в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Титан обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практическое использования; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при 400 °С и выше. Растворимость водорода в Титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме. С азотом Титан реагирует при температуре выше 700 °С, причем получаются нитриды типа TiN; в виде тонкого порошка или проволоки Титан может гореть в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в Титане значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными твердостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий путем травления или механической обработки. Титан энергично взаимодействует с сухими галогенами, по отношению к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора.

Металл устойчив в азотной кислоте всех концентраций (за исключением красной дымящейся, вызывающей коррозионное растрескивание Титана, причем реакция иногда идет со взрывом), в слабых растворах серной кислоты (до 5% по массе). Соляная, плавиковая, концентрированная серная, а также горячие органических кислоты: щавелевая, муравьиная и трихлоруксусная реагируют с Титаном.

Титан коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумагоделательной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии. Титан образует с С, В, Se, Si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твердостью. Карбид TiC (tпл 3140 °С) получают нагреванием смеси TiO2 с сажей при 1900-2000 °С в атмосфере водорода; нитрид TiN (tпл 2950 °С) — нагреванием порошка Титан в азоте при температуре выше 700 °С. Известны силициды TiSi2, TiSi и бориды TiB, Ti2B5, TiB2. При температуpax 400-600 °C Титан поглощает водород с образованием твердых растворов и гидридов (TiH, TiH2). При сплавлении TiO2 со щелочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (например, Na2TiO3 и Na4TiO4), а также полититанаты (например, Na2Ti2O5 и Na2Ti3O7). К титанатам относятся важнейшие минералы Титана, например, ильменит FeTiO3, перовскит CaTiO3. Все титанаты малорастворимы в воде. Оксид Титана (IV), титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат TiOSO4. При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается Н2ТiO3, из которой получают оксид Титана (IV). При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения Ti (IV), образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава Н4ТiO5 и H4TiO8 и соответствующие им соли; эти соединения окрашены в желтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации Титана), что используется для аналитического определения Титана.

Наиболее распространенным методом получения металлического Титана является магниетермический метод, то есть восстановление тетрахлорида Титана металлическим магнием (реже — натрием):

В обоих случаях исходным сырьем служат оксидные руды Титана — рутил, ильменит и другие. В случае руд типа ильменитов Титан в форме шлака отделяется от железа путем плавки в электропечах. Шлак (так же, как рутил) подвергают хлорированию в присутствии углерода с образованием тетрахлорида Титана, который после очистки поступает в восстановительный реактор с нейтральной атмосферой.

Титан по этому процессу получается в губчатом виде и после измельчения переплавляется в вакуумных дуговых печах на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав. Магниетермический метод позволяет создать крупное промышленное производство Титана с замкнутым технологическим циклом, так как образующийся при восстановлении побочный продукт — хлорид магния направляется на электролиз для получения магния и хлора.

В ряде случаев для производства изделий из Титана и его сплавов выгодно применять методы порошковой металлургии. Для получения особо тонких порошков (например, для радиоэлектроники) можно использовать восстановление оксида Титана (IV) гидридом кальция.

Основные преимущества Титана перед другими конструкционными металлами: сочетание легкости, прочности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы по абсолютной, а тем более по удельной прочности (т. е. прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство сплавов на основе других металлов (например, железа или никеля) при температурах от -250 до 550 °С, а по коррозионности они сравнимы со сплавами благородных металлов. Однако как самостоятельный конструкционный материал Титан стал применяться только в 50-е годы 20 века в связи с большими техническими трудностями его извлечения из руд и переработки (именно поэтому Титан условно относили к редким металлам). Основная часть Титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Сплавы Титана с железом, известные под названием «ферротитан» (20-50% Титана), в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем.

Технический Титан идет на изготовление емкостей, химические реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и других изделий, работающих в агрессивных средах, например, в химическом машиностроении. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из Титана. Он служит для покрытия изделий из стали. Использование Титана дает во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). Биологическая безвредность Титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии. В условиях глубокого холода прочность Титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Титан хорошо поддается полировке, цветному анодированию и других методам отделки поверхности и поэтому идет на изготовление различных художественных изделий, в т. ч. и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли. Из соединений Титана практическое значение имеют оксиды, галогениды, а также силициды, используемые в технике высоких температур; бориды и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид Титана, обладающий высокой твердостью, входит в состав инструментальных твердых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала.

Читайте также  Как правильно резать металл кислородно пропановым резаком?

Оксид титана (IV) и титанат бария служат основой титановой керамики, а титанат бария — важнейший сегнетоэлектрик.

Титан в организме

Титан постоянно присутствует в тканях растений и животных. В наземных растениях его концентрация — около 10 -4 % , в морских — от 1,2·10 -3 до 8·10 -2 %, в тканях наземных животных — менее 2·10 -4 %, морских — от 2·10 -4 до 2·10 -2 %. Накапливается у позвоночных животных преимущественно в роговых образованиях, селезенке, надпочечниках, щитовидной железе, плаценте; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление Титана с продуктами питания и водой составляет 0,85 мг; выводится с мочой и калом (0,33 и 0,52 мг соответственно).

ТИТАН — супермен среди металлов

Титаном назвали металл не зря. Имя принадлежит мифологическим древнегреческим божествам, олицетворявшим силу и мощь природы. Герой статьи делится своей силой с человеком.

Кто открыл суперметалл

История открытия рядовая. Химик и священник Грегор обнаружил оксид неизвестного металла, и дал ему название «менакеновая земля».

Чуть позже немецкий химик Клапрот, исследуя минерал рутил, обнаружил в нем новый элемент, который назвал титаном.

Чистый титан удалось получить талантливому исследователю Берцелиусу.

Свойства титана

Титан относится к металлам; в периодической таблице Менделеева имеет № 22; он легкий, прочный, устойчив к коррозии. Внешне (цветом) похож на алюминий или нержавеющую сталь.

  1. На воздухе образует на поверхности оксидную пленку.
  2. Имеет высокую химическую и коррозионную стойкость (благодаря защитной оксидной пленке).
  3. Имеет две аллотропные модификации: низкотемпературная (существует до температуры 882°С) и высокотемпературная.
  4. Обладает парамагнитными свойствами.
  5. Титан образует с другими металлами интерметаллические соединений, его добавляют в сплавы.

Титановая пыль взрывается, а его стружка пожароопасна.

Металл образует с карбидами тугоплавкие высокотвердые соединения.

Свойства атома
Название, символ, номер Тита́н / Titanium (Ti), 22
Атомная масса
(молярная масса)
47,867(1)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Ar] 3d2 4s2
Радиус атома 147 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 132 пм
Радиус иона (+4e)68 (+2e)94 пм
Электроотрицательность 1,54 (шкала Полинга)
Электродный потенциал −1,63
Степени окисления 2, 3, 4
Энергия ионизации
(первый электрон)
657,8 (6,8281[2]) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 4,54 г/см³
Температура плавления 1670 °C
1943 K
Температура кипения 3560 K
Уд. теплота плавления 18,8 кДж/моль
Уд. теплота испарения 422,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 25,1[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём 10,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки гексагональная
плотноупакованная (α-Ti)
Параметры решётки a=2,951 с=4,697 (α-Ti)
Отношение c/a 1,587
Температура Дебая 380 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 21,9 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-32-6

Месторождения

Титан называют редким металлом, что не совсем верно. По запасам титансодержащих руд элемент занимает 10 место.

Известно больше 100 таких руд. Среди них:

  • рутил;
  • титаномагнетит;
  • ильменит;
  • титанит.

Месторождения титансодержащих руд:

  • Россия;
  • Китай;
  • ЮАР;
  • Украина;
  • Бразилия.

Добыча и переработка

Титан получают из концентрата титансодержащих руд методами пирометаллургии или сернокислотной переработки.

Концентраты из ильменитовых руд плавят в электродуговых печах.

При необходимости черновой металл рафинируют.

Марки титана и виды изделий

Виды выпускаемых титановых изделий:

  • плиты;
  • трубы;
  • проволока;
  • прутки;
  • порошок;
  • листы.
Марка титана Чистота (содержание чистого Ti)
ВТ1-0 99,24-99,7%
ВТ1-00 99,58-99,9%
ВТ1-00св 99,39-99,9%

Сплавы

Титановые сплавы по областям применения делятся на деформируемые и литейные.

Марка сплава Присадки
ВТ3-1 Ti, Al, Cr, Mo, Fe, S
ВТ5-1 Ti-Al-Sn
ПТ-7М Ti-Al-Zr
ОТ4-1 Ti-Al-Mn
ВТ18 Ti-Al-Zr-Mo-Nb-Si
ВТ14 Ti-A1-Мо-V

Плюсы и минусы металла и его сплавов

Достоинства титановых сплавов:

  1. Соотношение прочность-плотность у титановых сплавов почти в 2 раза лучше, чем у легированных сталей.
  2. Высокая механическая прочность.
  3. Отличная коррозионная стойкость, что позволяет изделиям работать в агрессивных средах.

К недостаткам титановых сплавов можно отнести:

  1. Высокая цена (титан гораздо дороже многих цветных металлов).
  2. При обработке металла и его сплавов возникает проблема налипания, что грозит быстрым износом режущих инструментов.
  3. Сложности при сварке титановых изделий.

Применение

Область применения титановых изделий широка, хотя может ограничиваться ценовой составляющей.

Есть случаи, когда титановые сплавы — единственные, которые возможно использовать в конкретных условиях.

  • Надежность продукции из титана проверялась на гоночных автомобилях.
  • Металл и его сплавы незаменимы в ракето- и судостроении, химической, энергетической промышленности.
  • Титановые соединения востребованы в производстве конденсаторов турбин, труб для перекачки агрессивных жидкостей, сосудов высокого давления.
  • Перспективная область применения титановых сплавов — оборудование для глубокого и сверхглубокого бурения.
  • Не обходятся без титановых изделий оборонная и военная промышленности.

Стоимость металла

Цена титана в порошке ПТМ-1 7500 рублей за килограмм (на 25.07.2020).

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

Двоякость свойств металла титан

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

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.

Свойства титана

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.

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.
Читайте также  Сварка тонких листов металла

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.

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.

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.

Титан – полезные свойства и особенности металла

Этот металл – один из самых распространенных на планете. Его значение для человека неоценимо: титан стал «дублером» поврежденных зубов и суставов. У него есть фанаты, стремящиеся заменить все свои кости титановыми.

  1. Что представляет собой
  2. История открытия
  3. Физико-химические характеристики
  4. Технология получения
  5. Месторождения, добыча
  6. Присутствие в природе
  7. Где используется
  8. Промышленность
  9. Медицина
  10. Другие сферы
  11. Марки и сплавы
  12. Предостережение

Что представляет собой

Титан – элемент периодической системы Менделеева №22. Международное обозначение – Titanium (Ti).

Это блестящий серебристый металл. Легок, прочен, устойчив к коррозии.

По составу представляет собой конгломерат пяти стабильных изотопов.

История открытия

История открытия металла связана с именами нескольких ученых:

  • В конце 18 века немец Мартин Клапрот и англичанин Уильям Грегор одновременно открыли диоксид вещества.
  • Через десять лет их компанию пополнил француз Луи-Николя Воклен.
  • К середине 19 века Иенс Берцелиус получил металлический титан.
  • Еще через сто лет материал повышенной чистоты выделили голландцы.

Стержень, состоящий из титановых кристаллов высокой чистоты

Название нового вещества предложил Клапрот: по учрежденной им традиции химик назвал открытый элемент именем персонажа греческой мифологии.

Титаны – это дети главных богов греческого пантеона Зевса и Геи. То есть второе поколение богов.

Физико-химические характеристики

Свойства металла хорошо изучены:

  • Легко реагирует с кислотами даже малой концентрации.
  • Это тугоплавкий металл: температура плавления – 1670°C. Для вскипания требуется вдвое больше.
  • Пластичен, хрупкость обретает на морозе (-80°C).
  • На прочность влияет степень очистки, но не температура.
  • При комнатной температуре покрывается оксидной пленкой, что делает его устойчивым к коррозии (исключая щелочи).
  • При обычном давлении существует два вида титана с разными типами решеток: высоко- и низкотемпературный.

Легкость, почти невесомость – главное свойство, по которому титан легко отличить от других металлов.

Свойства атома
Название, символ, номер Тита́н / Titanium (Ti), 22
Атомная масса
(молярная масса)
47,867(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Ar] 3d2 4s2
Радиус атома 147 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 132 пм
Радиус иона (+4e)68 (+2e)94 пм
Электроотрицательность 1,54 (шкала Полинга)
Электродный потенциал −1,63
Степени окисления 2, 3, 4
Энергия ионизации
(первый электрон)
657,8 (6,8281) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 4,54 г/см³
Температура плавления 1670 °C
1943 K
Температура кипения 3560 K
Уд. теплота плавления 18,8 кДж/моль
Уд. теплота испарения 422,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 25,1 Дж/(K·моль)
Молярный объём 10,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки гексагональная
плотноупакованная (α-Ti)
Параметры решётки a=2,951 с=4,697 (α-Ti)
Отношение c/a 1,587
Температура Дебая 380 K
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 21,9 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-32-6

Из-за повышенной вязкости механическая обработка металла затруднена. Этот недостаток устраняют, смазывая инструмент специальными составами.

Технология получения

Технический прогресс частично отразился на способе получения металла.

Сегодня титан получают двумя методами:

  1. Процесс Кролла. Один из основных, предложен в 1940 году ученым из Люксембурга Гийомом Кроллом. Заключается в восстановлении металлического титана магнием при высоких температурах. Комбинаты, вырабатывающее такое сырье, именуются титано-магниевыми.
  2. FFC Cambridge. Новацией является электрохимическая технология. Она предполагает прямое восстановление металла из оксида в расплавленной смеси хлорида и оксида кальция. Процесс назван по именам разработчиков, сотрудников Кембриджского университета Фрэя, Фартинга, Чена.

Цена продукта доступна: титан разной степени очистки на мировых биржах торгуют по $5,7 – 6,1 за кг.

Месторождения, добыча

Месторождения равномерно распределены по планете. Российские залежи рассредоточены по всей территории страны (20 рудников). Крупнейшее – на севере, в Республике Коми.

Добыча ведется традиционным способом, но предполагает использование средств защиты от пыли.

Мировые резервы руды оцениваются триллионом тонн. При нынешних темпах добычи титанового сырья хватит на полтора столетия.

Присутствие в природе

В природе титан представлен оксидами разных химических элементов (более ста). В свободном виде не встречается.

Не считается редким металлом: содержание в породах исчисляется килограммами на тонну (от 2,3 до 9).

Это девятый по распространенности элемент земной коры – более полупроцента по массе.

Больше всего его в бокситах и морской осадочной глине.

Породы плохо выветриваются, образуя крупные россыпи.

Где используется

Титан так же прочен, как сталь, но вполовину легче. Он вдвое превосходит по прочности алюминий, но тяжелее всего на 60%. Этими достоинствами обусловлено использование человеком титана как металла.

Промышленность

Титановые сплавы – конструкционный материал номер один для строителей ракет, самолетов, океанских лайнеров. Чаще их выполняют из сплавов с другими металлами (особенно никелем и алюминием).

Заготовка титанового шпангоута истребителя F-15 до и после прессования на штамповочном прессе компании Alcoa усилием 45 тыс. тонн, май 1985

Титан легче других металлов, но способен работать при высоких температурах.

Есть и другие области применения металла:

  • Трубы, насосы, другое оборудование для работы с агрессивными жидкостями.
  • Военно-промышленный комплекс – бронированные жилеты, корпусы субмарин, детали ракет, самолетов.
  • Установки для опреснения воды, очистки воздуха.
  • Исходник при производстве целлюлозы, бумаги.
  • Детали автомобилей, сельхозтехники, оборудование пищепрома.
  • Спортивный инвентарь.
Читайте также  Как сделать насечку на металле?

Более половины соединений вещества забирают производители лаков и красок. Это, например, титановые белила.

Все больше продукции из титана припадает на IT-сферу: корпус, начинка мобильных телефонов, других гаджетов.

Медицина

Прочный металл дружелюбен к процессам, протекающим в организме человека. Поэтому его активно задействуют как материал протезов конечностей, зубных имплантов. Медицина ценит его свойство безболезненно сращиваться с костной тканью. Поэтому титан относится к металлам будущего.

Безопасность для тканей организма человека сделала возможным применение металла для пирсинга.

Другие сферы

Из титана изготавливают корпусы часов класса люкс. Это материал ювелирных изделий.

Часы из титанового сплава

Нитридом вещества «золотят» купола храмов, предметы декора. Четырехвалентный хлорид «создает» дымовую завесу и дымчатость стекла.

Пищевая добавка Е171 – это белый диоксид титана (TiO2), пищевой краситель.

Марки и сплавы

Номенклатура титановых сплавов насчитывает десятки позиций.

Самый востребованный – с алюминием и ванадием, 6% и 4% соответственно. На его производство тратится половина добываемого сырья.

Второй по популярности – ферротитан (соотношение титан-железо – 1:3). В черной металлургии это средство для очистки стали от примесей.

Чаще всего выплавляются следующие марки титана:

  • ВТ1-0;
  • ВТ1-00;
  • ВТ1-00 св.

Это технический материал, без легирующих присадок. В нем минимум примесей: содержание Ti (%) – 99,24+.

Предостережение

Металлическое вещество безопасно. Опасность исходит от титановой пыли: она провоцирует онкологию. Это проблема людей, работающих на добыче руды, и металлургов.

Кроме того, титановая пыль – потенциальное взрывчатое вещество.

Особенности титана и его сплавов

На сегодняшний день титан занимает 4-е место по использованию в промышленности. Однако его активная добыча и производство начинается только с 40-х годов 20 века. Титан и его сплавы обладают уникальными характеристиками и требуют более внимательного рассмотрения при металлообработке.

Титан

Основные сведения

Титан — металл серебристого цвета, который входит в 4 группу 4 периода в периодической таблице. По официальным сведениям он занимает 10 место по распространению в природе.

Изначально металл применялся в народном хозяйстве, но после выявления его сверхпрочности при малом удельном весе, титан и его сплавы начали использовать при строении самолётов, кораблей, ракет и машин.

История открытия

Впервые оксид титана был обнаружен в 1791 году. Сделал это открытие У. Грегор (англичанин). Он взял пробу железистого песка на пляже Корнуолла и проводил над ним исследования. В результате экспериментов учёный выделил оксид неизвестного металла, которому так и не дал название. Назвал этот элемент титаном другой учёный — Мартин Генрих Клапрот (немец). В 1825 году другой исследователь Йёнс Якоб Берцелиус смог выделить образец этого металла из оксида.

Производство и изготовление

Благодаря распространённости в природе добывать руду, содержащую титан, не сложно. Самые распространённые виды руды, в которых содержится этот металл — брукит, ильменит, анатаз и рутил. Однако дальнейшие способы обработки титана (плавка, закалка и старение) считаются дорогостоящими. Существует несколько этапов получения чистого металла из руды:

  1. В первую очередь добывается титановый шлак, с помощью разогревания ильменита до 1650 градусов.
  2. Далее шлак проходит процесс хлорирования.
  3. После этого с помощью печей сопротивления производится титановая губка.
  4. Для получения чистого металла заключительным этапом обработки является процесс рафинирования.

Если нужно получить слитки титана, губку на его основе переплавляют в вакуумной печи.

Магниетермический процесс

Магниетермическое восстановление — популярный метод получения металла. Проведение технологического процесса:

  1. Расплавляется оборотный магниевый конденсат.
  2. Сливается конденсат хлористого магния.
  3. При температуре 800 градусов, жидкий тетрахлорид титана с жидким магнием подаются в форму для застывания. Скорость подачи — 2,1–2,3 г/ч см2.

Постепенно температура снижается до 600 градусов.

Гидридно-кальциевый метод

Это промышленный метод восстановления металла. Процесс проведения работ:

  1. При температуре 500 градусов Цельсия металлический кальций насыщается водородом.
  2. Далее его смешивают с двуокисью титана. Компоненты нагревают в реторте, постепенно повышая температуру до 1100 градусов.
  3. Спекшиеся компоненты вымывают из реторты.
  4. Далее проводится обработка соляной кислотой.
  5. Титановый порошок сушат, запекают в индукционных печах при температуре около 1400 градусов.

На спекшуюся массу должно воздействовать давление 10в-3 мм.

Электролизный метод

Способ получения сплава, основанный на применении электрического тока. Напряжение воздействует на ТiO2, ТiСl4. До этого их растворяют с помощью расплавленных солей фторидов.

Йодидный метод

Способ получения металла после термической диссоциации TiJ4. Изначально его получают при реакции паров йода с металлическим титаном.

Чтобы получить сплав высокой чистоты, необходимо применять последний способ получения соединения. Три первых метода позволяют быстро получать технический титан.

Достоинства и недостатки

Как и у любого другого металла, у титана есть сильные и слабые стороны. К преимуществам относятся:

  • малый вес;
  • коррозийная стойкость;
  • устойчивость к воздействию высоких температур;
  • высокая прочность — больше, чем у лучших образцов стали.
  1. Пыль и стружка, остающаяся после обработки титановых заготовок, может воспламенится при температуре в 400 градусов.
  2. Этот металл плохо сваривается и практически не поддаётся резке.
  3. Затратный способ получения металла из руды обуславливает его высокую стоимость.

Однако, несмотря на имеющиеся минусы, материал и его сплавы широко распространены в различных отраслях производства.

Продукция из титана

В строительных магазинах можно найти разнообразные товары, изготовленные из этого металла. Из него производят проволоку, ленту и фольгу, прутья, трубы. Также можно приобрести титан в цельных листах.

Область применения

Благодаря преимуществам, которым обладает титан, его используют в различных отраслях промышленности:

  • военно-морское дело;
  • строительство;
  • медицина;
  • машиностроение;
  • судостроение и самолётостроение;
  • химической промышленности.

Особенности применения этого металла делают его популярнее с каждым годом. Его активно используют в народном хозяйстве.

Характеристики и свойства

Характеристики титана напрямую зависят от количества примесей, содержащихся в его составе. Физические параметры:

  1. Удельная прочность — 450 МПа.
  2. Температура плавления титана — 1668 градусов.
  3. Температура кипения — 3227 градусов.
  4. Предел прочности у сплавов — 2000 Мпа.
  5. Упругость титана — 110,25 Гпа.
  6. Твердость металла — 103 НВ.
  7. Предел текучести — 380 Мпа.

Структура и свойства этого металла обуславливают его низкую электропроводность. В нормальных условиях титан обладает высоким показателем устойчивости к коррозийным процессам.

Металл

Физические свойства металла

Титан представляет собой серебристо-белый металл. Он тугоплавкий, немного тяжелее алюминия. Однако при чуть большем весе прочность титана в три раза больше. Поддаётся различным способам обработки. Устойчив к воздействию влаги и кислот. Основные свойства титана были описаны выше.

Химические свойства титана

В нормальных условиях на поверхности этого металла образуется оксидная плёнка, которая защищает его от разрушительного воздействия влаги и кислот. К химическим свойствам титана можно отнести его устойчивость к воздействию щелочей, растворам хлора. Имеет степень окисления +4. С кислородом начинает взаимодействовать при температуре в 600 градусов. Титановая стружка может самовоспламеняться при нагревании.

Виды сплавов

Титановые сплавы можно разделить на три большие группы:

  1. Соединения на основе химических соединений. Представители этой группы имеют жаропрочную структуру и низкую плотность. Снижение плотности напрямую влияет на снижение веса материала. Такие сплавы используют при изготовлении деталей для автомобилей, каркасов для летательных аппаратов и корпусов для кораблей.
  2. Жаропрочные сплавы с низкой плотностью. Это аналог соединений с никелем, но с меньшей ценой. В зависимости от химического состава меняется устойчивость сплава титана к высоким температурам.
  3. Конструкционные — высокопрочные соединения, которые легко поддаются обработке благодаря высокому показателю пластичности. Из этих сплавов изготавливаются детали, которые устанавливаются в оборудовании, работающим с большими нагрузками.

При производстве титановых сплавов используется официальная маркировка, которая указывает на то, с какими металлами он соединён.

Свойства и применение титановых сплавов

Титановые сплавы лишены основных недостатков чистого металла. При добавлении сторонних материалов изменяются его характеристики. Ключевые свойства титановых сплавов:

  • устойчивость к коррозийным процессам;
  • малая плотность;
  • большая удельная прочность.

Также сплавы более устойчивы к воздействию высоких температур. Благодаря повышенной защите от воздействия кислот и щелочей сплавы на основе этого материала получили популярность в химической промышленности и медицине. Их используют в строительстве, изготовлении оборудования, машин, самолётов, ракет и кораблей.

Титан и соединения на его основе распространены в различных направлениях промышленности. Этот металл обладает уникальными характеристиками, которые выделяют его на фоне других материалов. Из-за сложностей получения чистого металла цена на него достаточно высока.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: