Особенности титана как металла с превосходной коррозийной стойкостью

Наиболее значимыми для народного хозяйства были и остаются сплавы и металлы, объединяющие легкость и прочность. Титан относится именно к этой категории материалов и, кроме того, обладает превосходной коррозийной стойкостью.

Что такое титан

Титан – переходный металл 4 группы 4 периода. Молекулярная масса его составляет всего 22, что указывает на легкость материала. При этом вещество отличается исключительной прочностью: среди всех конструкционных материалов именно у титана самая высокая удельная прочность. Цвет серебристо-белый.

Что такое титан, расскажет видео ниже:

Понятие и особенности

Титан довольно распространен – по содержанию в земной коре занимает 10 место. Однако выделить действительно чистый металл удалось лишь в 1875 году. До этого вещество либо получали с примесями, либо называли металлическим титаном его соединения. Эта путаница привела к тому, что соединения металла стали использоваться значительно раньше, чем сам металл.

Обусловлено это особенностью материала: самые ничтожные примеси заметно влияют на свойства вещества, порой полностью лишая присущих ему качеств.

Эта особенность сразу же разделила получаемый металл на 2 группы: технический и чистый.

• Первый применяют в тех случаях, когда более всего нужна прочность, легкость и коррозийная стойкость, так как последнее качество титан не теряет никогда.
• Материал большой чистоты используется там, где нужен материал, работающий при очень больших нагрузках и больших температурам, но при этом отличающийся легкостью. Это, конечно, авиа- и ракетостроение.

Вторая особая черта вещества – анизотропность. Некоторые его физические качества изменяются в зависимости от приложения сил, что необходимо учитывать при применении.

При нормальных условиях металл инертен, не корродирует ни в морской воде, ни в морском или городском воздухе. Более того, это самое биологически инертное вещество из известных, благодаря чему в медицине широко применяются титановые протезы и имплантаты.

В то же время при повышении температуры он начинает реагировать с кислородом, азотом и даже водородом, а в жидком виде впитывает газы. Эта неприятная особенность крайне затрудняет и получение самого металла, и изготовление сплавов на его основе.

Последнее возможно только при использовании вакуумной аппаратуры. Сложнейший процесс производства превратил довольно распространенный элемент в весьма дорогостоящий.

Связь с другими металлами

Титан занимает промежуточное положение между двумя другими известнейшими конструкционными материалами – алюминием и железом, вернее говоря, сплавами железа. По многим параметрам металл превосходит «конкурентов»:

• механическая прочность титана в 2 раза выше, чем у железа, и в 6 раз, чем у алюминия. При этом прочность при снижении температуры возрастает;
• коррозийная стойкость намного выше, чем у железа и даже алюминия;
• при нормальной температуре титан инертен. Однако при повышении до 250 С, начинает поглощать водород, что сказывается на свойствах. По химической активности он уступает магнию, но, увы, превосходит железо и алюминий;
• металл намного слабее проводит электричество: его удельное электросопротивление выше, чем у железа 5 раз, выше, чем у алюминия в 20 раз, и выше, чем у магния в 10 раз;
• теплопроводность также намного ниже: меньше, чем 1 железа в 3 раза, и меньше, чем у алюминия в 12 раз. Однако это свойство обуславливает очень низкий коэффициент температурного расширения.

Плюсы и минусы

На деле недостатков у титана множество. Но сочетание прочности и легкости настолько востребовано, что ни сложный способ изготовления, ни необходимость исключительной чистоты не останавливают потребителей металла.

К несомненным плюсам вещества относятся:

• низкая плотность, что означает очень небольшой вес;
• исключительная механическая прочность как самого металла титан, так и его сплавов. При повышении температуры титановые сплавы превосходят все сплавы алюминия и магния;
• соотношение прочности и плотности – удельная прочность, достигает 30–35, что почти в 2 раза выше, чем у лучших конструкционных сталей;
• на воздухе титан подлежит покрытию тонким слоем оксида, который и обеспечивает превосходную коррозийную стойкость.

Недостатков у металла тоже хватает:

• стойкость к коррозии и инертность относится только к продукции с неактивной поверхностью. Титановая пыль или стружка, например, самовоспламеняются и сгорают с температурой в 400 С;
• очень сложный способ получения металла титан обеспечивает очень высокую стоимость. Материал намного дороже железа, алюминия или меди;
• способность впитывать атмосферные газы при повышении температуры требует применения при плавке и получении сплавов вакуумной аппаратуры, что тоже заметно увеличивает стоимость;
• титан отличается плохими антифрикционными свойствами – на трение он не работает;
• металл и его сплавы склонны к водородной коррозии, предотвратить которую сложно;
• титан плохо поддается обработке резанием. Сварка его тоже затруднена из-за фазового перехода во время нагревания.

Далее рассмотрены состав и структура титана.

Лист титана (фото)

Свойства и характеристики

Физические качества вещества сильно зависят от чистоты. Справочные данные описывают, конечно, чистый металл, но характеристики технического титана могут заметно отличаться.

• Плотность металла уменьшается при нагревании от 4,41 до 4,25 г/куб см. Фазовый переход изменяет плотность лишь на 0,15%.
• Температура плавления металла – 1668 С. температуру кипения – 3227 С. Титан является тугоплавким веществом.
• В среднем предел прочности на растяжение составляет 300–450 МПа, однако это показатель можно увеличить до 2000 МПА, прибегнув к закалке и старению, а также введению дополнительных элементов.
• По шкале НВ твердость составляет 103 и это не предел.
• Теплоемкость титана невелика – 0,523 кдж/(кг·К).
• Удельное электросопротивление — 42,1·10^-6 ом·см.
• Титан является парамагнитом. При снижении температуры его магнитная восприимчивость уменьшается.
• Металлу в целом свойственны пластичность и ковкость. Однако на эти свойства сильно влияют кислород и азот в сплаве. Оба элемента придают материалу хрупкость.

Вещество устойчиво ко многим кислотам, включая азотную, серную в низкой концентрации и практически все органические за исключением муравьиной. Это качество обеспечивает титану востребованность в химической, нефтехимической, бумажной промышленности и так далее.

Структура и состав

Титан – хоть и переходный металл, да и удельное электросопротивление имеет низкое, все же, является металлом и проводит электрический ток, а это означает упорядоченную структуру. При нагревании до определенной температуры структура изменяется:

• до 883 С устойчивой является α-фаза с плотностью в 4,55 г/куб. см. Она отличается плотной гексагональной решеткой. Кислород растворяется в этой фазе с образованием растворов внедрения и стабилизирует α-модификацию – отодвигает температурный предел;
• выше 883 С стабильна β-фаза с объемно-центрированной кубической решеткой. Плотность его несколько меньше – 4,22 г/куб. см. Эту структуру стабилизирует водород – при его растворении в титане также образуются растворы внедрения и гидриды.

Эта особенность очень затрудняет работу металлурга. Растворимость водорода при охлаждении титана резко уменьшается, и в сплаве выпадает гидрид водорода – γ-фаза.

О том, где можно найти и как сделать титан, расскажем ниже.

Данное видео посвящено описанию титана как металла:

Производство и добыча

Титан весьма распространен, так что с рудами, содержащими металл, причем в довольно больших количествах, затруднений не возникает. Исходным сырьем выступает рутил, анатаз и брукит – диоксиды титана в разной модификации, ильменит, пирофанит – соединения с железом, и так далее.

А вот технология плавки титана сложна и требует дорогостоящей аппаратуры. Способы получения несколько отличаются, поскольку состав руды различен. Например, схема получения металла из ильменитовых руд выглядит так:

• получение титанового шлака – породу загружают в электродуговую печь вместе с восстановителем – антрацитом, древесным углем и прогревают до 1650 С. При этом отделяют железо, которое идет на получение чугуна и диоксида титана в шлаке;
• шлак хлорируют в шахтных или солевых хлораторах. Суть процесса сводится к тому, чтобы перевести твердый диоксид в газообразный тетрахлорид титана;
• в печах сопротивления в специальных колбах металл восстанавливают натрием или магнием из хлорида. В итоге получают простую массу – титановую губку. Это технический титан вполне пригодный для изготовления химической аппаратуры, например;
• если же требуется более чистый металл, прибегают к рафинированию – при этом металл реагирует с йодом с тем, чтобы получить газообразный йодид, а последний под действием температуры – 1300–1400 С, и электрического тока, разлагается, высвобождая чистый титан. Электрический ток подается через натянутую в реторте титановую проволоку, на которую и осаждается чистое вещество.

Чтобы получить титан в слитках, титановую губку переплавляют в вакуумной печи, чтобы предотвратить растворение водорода и азота.

Цена титана за 1 кг очень высока: в зависимости от степени чистоты металл стоит от 25 до 40 $ за 1 кг. С другой стороны, корпус кислотоупорного аппарата из нержавеющей стали обойдется в 150 р. и прослужит не более 6 месяцев. Титановый будет стоить около 600 р, но эксплуатируется в течение 10 лет. Много производств титана есть в России.

Области применения

Влияние степени очистки на физико-механические качества заставляет рассматривать применение титана именно с этой точки зрения. Так, технический, то есть, не самый чистый металл обладает превосходной коррозийной стойкостью, легкостью и прочностью, что и обуславливает его применение:

• химическая промышленность – теплообменники, трубы, корпуса, детали насосов, арматура и так далее. Материал незаменим на участках, где требуется стойкость к кислотам и прочность;
• транспортная промышленность – вещество используется для изготовления средств передвижения от железнодорожных составов до велосипедов. В первом случае, металл обеспечивает меньшую массу составов, что делает тягу более эффективной, в последнем – придает легкость и прочность, не зря ведь титановая велосипедная рама считается лучшей;
• военно-морское дело – из титана изготавливают теплообменники, выхлопные глушители для подводных лодок, клапан, пропеллеры и так далее;
• в строительстве широко применяют цинк-титан – прекрасный материал для отделки фасадов и кровель. Вместе с прочностью сплав обеспечивает еще одно важное для архитектуры достоинство – возможность придавать изделиям самую причудливую конфигурацию, способность к формообразованию у сплава неограниченная.

Чистый металл, кроме того, является очень стойким к высоким температурам и сохраняет при этом прочность. Применение очевидно:

• ракето- и авиастроение – из него изготавливают обшивку. Детали двигателей, элементы крепления, части шасси и так далее;
• медицина – биологическая инертность и легкость делает титан куда более перспективным материалом при протезировании, вплоть до сердечных клапанов;
• криогенная техника – титан является одним из немногих веществ, которые при снижении температуры становятся лишь прочнее и не утрачивает пластичности.

Титан – конструкционный материал самой высокой прочности при такой легкости и пластичности. Эти уникальные качества обеспечивают ему все более важную роль в народном хозяйстве.

О том, где взять титан для ножа, расскажет видео ниже: