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.
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:
- В первую очередь добывается титановый шлак, с помощью разогревания ильменита до 1650 градусов.
- Далее шлак проходит процесс хлорирования.
- После этого с помощью печей сопротивления производится титановая губка.
- 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:
- Расплавляется оборотный магниевый конденсат.
- Сливается конденсат хлористого магния.
- 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:
- При температуре 500 градусов Цельсия металлический кальций насыщается водородом.
- Далее его смешивают с двуокисью титана. Компоненты нагревают в реторте, постепенно повышая температуру до 1100 градусов.
- Спекшиеся компоненты вымывают из реторты.
- Далее проводится обработка соляной кислотой.
- 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.
Недостатки:
- Пыль и стружка, остающаяся после обработки титановых заготовок, может воспламенится при температуре в 400 градусов.
- Этот металл плохо сваривается и практически не поддаётся резке.
- 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:
- Удельная прочность — 450 МПа.
- Температура плавления титана — 1668 градусов.
- Температура кипения — 3227 градусов.
- Предел прочности у сплавов — 2000 Мпа.
- Упругость титана — 110,25 Гпа.
- Твердость металла — 103 НВ.
- Предел текучести — 380 Мпа.
Структура и свойства этого металла обуславливают его низкую электропроводность. В нормальных условиях титан обладает высоким показателем устойчивости к коррозийным процессам.
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:
- 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.
- 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.
- 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.