Титан

Титан — это элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, с атомным номером 22.

Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрирован-ной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C. Температура плавления 1660±20 °C.

Титан является 10 элементов по кол-ву его на нашей планете. Количество титана в земной коре равно 0.57 % по массе и 0.001 милли-грамм на 1 литр морской воды. Месторождения титана находятся на территории: ЮАР, Украи-ны, России, Казахстана, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии и Южной Кореи.

По физическим свойствам титан легкий серебристый металл, кроме того характерна высокая вязкость при механической обработке и склонен к прилипанию к режущему инструмен-ту, поэтому используют специальные смазки или напыление для устранения этого эффекта. При комнатной температуре покрывается лассивирующей пленкой окси-да  TiO2, благодаря этому имеет стойкость к коррозии в большинстве агрессивных сред, кроме щелочей. Титановая пыль имеет свойство взрываться, при этом температура вспышки равна 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.

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. 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, и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности и прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

Ти-тан весьма тугоплавкий металл. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, 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/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3.

Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит. Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза – железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше, тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. 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. Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электрическим сопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность иеди равна 94, алюминия – 60, железа и платины –15, а титана–всего 3,8.

Титан – парамагнитный металл. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве. Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 - у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан – плохой проводник электроэнергии и тепла.

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


Достоинства:

- малая плотность (4500 кг/м3) способствует уменьшению массы используемого материала;

- высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;

- необычайно высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью титана образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO2, прочно связанные с массой металла;

- удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.


Недостатки:

- высокая стоимость производства;

- активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего титан и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;

- трудности вовлечения в производство титановых отходов;

- плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы, титан в паре с титаном не может работать на трение;

- высокая склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;

- плохая обрабатываемость резанием;

- большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.


Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой мехнической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Авиация. Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты;

Ракетостроение. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Судостроение. Применяют для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление при его движении.

Химическая промышленность. Применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как сер-ная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например, в азотной кислоте (не дымящей).

Карбид титана обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов.

Нитинол (никель-титан) — сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.

Медицинская промышленность. Титан и его сплавы используются для изготовления хирургических инструментов, главным образом, благодаря его коррозионной стойкости. Инструменты из титана в этом отношении превосходят обычные хирургические инструменты при многократном кипячении или обработке в автоклаве. Также титан и его сплавы широко используются и в самой хирургии по замене человеческих суставов после несчастных случаев или травм. Кроме очевидных преимуществ гибкости, прочности, легкости, титан в высшей степени совместим с организмом в биологическом смысле благодаря отсутствию коррозии к тканям и жидкостям в человеческом теле. В стоматологии используют для изготовления протезов и имплантов.

Спорт. Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре проста - он позволяет получить превосходящее любой другой металл соотношение веса и прочности. Использование титана в велосипедах началось примерно в 70х годах прошлого века и было первым применением титана в спортивном инвентаре. В основном используются трубы из сплава Тi3Аl-2.5V Grade 9. Другие части велосипеда, производимые из титановых сплавов, включают в себя тормоза, звздочки и пружины сидений. Также титан используется в производстве клюшек для гольфа. Значительное количество титанового листа используется при производстве ножей для подводного плавания.

Титан очень широко используется в альпинизме и туризме для изготовления альпинистского и туристического снаряжения: компактные печки, стойки и крепления палаток, ледорубы и ледобуры, бутылки, чашки, наборы для приготовления пищи.