Титан (Ti) — это химический элемент под номером 22 в 4 группе современной периодической системы элементов. Простое вещество титан плавиться при температуре выше 1660 °C.
Этот металл, как и цинк, в различных условиях может проявлять две формы устройства кристаллической решётки: форму a и форму b (при температуре выше 883 °C), a-Ti имеет гексагональную плотноупакованную форму решётки, b-Ti имеет кубическую объёмноцентрированную упаковку.
Обнаружили титан в XVIII веке, но в промышленных масштабах стали производить только в XX веке в виду сложности его извлечения из полиметаллической руды и больших энергозатратах на производство титана.
В земной коре содержится порядка 0,57 % титана от общей массы, 0.001 мг/л3 в морской воде. Это десятый по популярности элемент в земной коре.
В ходе изучения свойств этого металла обнаружились его полезные свойства. Титан имеет высокую прочность, пластичность, стойкость к коррозии (в виду образования оксидной плёнки) и устойчивость к воздействию кислот и щелочей (исключая плавиковую кислоту, концентрированную серную кислоту и ортофосфорную кислоту).
Он имеет хорошую ковкость и вязкость. При этом его плотность по сравнению с другими металлическими сплавами невелика: 4,54 г/см3.
При температуре 250 °C титановые сплавы сильно теряют в прочности. Но жаропрочные сплавы хорошо проявляют себя в интервале 300-600 °C. С увеличением температуры они уступают в прочности сплавам Fe и Ni.
По пластичность Ti проявляет лучшие качества чем металлы с аналогичным устройством кристаллической решётки (цинк, магний, кадмий).
Таким образом это лёгкий, прочный, ковкий, вязкий, пластичный, коррозиестойкий металл, который содержится в земной коре в достаточных количествах, чтобы не быть чрезмерно дорогим.
Классификация титана и титановых сплавов
Из титана выпускается широкий спектр заготовок. Черновой титан производится в виде губки.
Сплавы Ti легируются оловом, алюминием, марганцем, хромом, ванадием, молибденом и другими металлами, с целью совершенствования прочности, жаростойкости, коррозионной стойкости и других качеств.
В виду этого, классификация титановых сплавов весьма велика. Следовательно различаются:
- простые сплавы;
- многокомпонентные сплавы.
По способу изготовления сплавы классифицируются на:
- литейные;
- деформируемые.
По механическим свойствам:
- повышенной пластичности и низкой прочности;
- средней прочности;
- высокой прочности.
По степени обработки титановые сплавы:
- всегда отожжённые;
- прошедшие процедуру закалки и старения (сплавы с a+b кристаллической структурой);
- прошедшие процедуру химико-термической обработки.
Ознакомившись с основной классификацией сплавов и заготовок из Ti, можно приступить к подробному описанию их свойств.
Свойства технического титана и промышленных сплавов
В маркировке титана присутствуют значительные отличия от других сплавов. Поэтому прежде, чем приступить к изучению таблиц, необходимо разобраться с этим.
- В России на практике титановые сплавы всегда имеют маркировку Т.
- Перед литерой Т проставляется буквенное обозначение производителя (В — ВИАМ, О — опытная разработка Свердловского завода и ВИАМ, П — «Прометей» Санкт-Петербург и другие).
- Сплавы могут маркироваться численными обозначениями, указывающими чистоту сплава. К примеру, титан высшей чистоты, произведённый ВИАМ может маркироваться ВТ1-00. В других случаях численные обозначения могут не сказать Вам ничего конкретного.
- Иногда же дополнительные литеры могут указывать на какие-то особые качества металла (И — специальный сплав, В — ванадиевый сплав, Л — литейный сплав, ГТ — губчатый титан).
Приведём наиболее популярные буквенные и цветовые маркировки сплавов с последующей расшифровкой.
Далее мы приводим таблицы по свойствам титановых сплавов, исключив промышленные заготовки.
Получение титана
Титан получают из полиметаллических руд: ильменита, рутила, перовскита, титанита, и других полезных ископаемых.
В руде содержится до 60% TiO2. Поэтому изначально необходимо получить ильменитовый концентрат, методом флотации. После флотационного обогащения ильменита, содержание оксида титана возрастает до 90-99 %.
Ильменитовый концентрат расплавляется, с целью получения титана в шлаке. Из шлака получают шихту Ti.
Из титана получают тетрахлорид титана, с одновременным восстановлением TiO2 и хлорированием. Тетрахлорид титана проходит ректификационную очистку. Сюда следует также включить процедуру получения магния электролизом из хлористого магния.
Далее титан восстанавливается из тетрахлорида титана. (Наиболее перспективно восстановление с помощью магния).
Восстановления производится в герметичных аппаратах или в аргонной среде, путём пропускания газа тетрахлорида титана через расплавленный магний. Титан проходит процедуру вакуумной сепарации. Блоки губчатого титана перерабатываются, после чего губки направляются на переплавку.
Переплавка осуществляется в электродуговой печи с постоянным вольфрамовым электролитом, или в электропечи с высокочастотным нагревом.
Полученные заготовки идут на производства и формуются в:
- слитки,
- трубы и другие заготовки.
Титановая промышленность
В мире имеется порядка одного миллиарда тон подтверждённых запасов титана. Хотя титан бал обнаружен в XVIII веке, в XIX веке был выделен в чистом виде, промышленные обороты производство титана приняло только в XX веке.
Титановая промышленность и основные запасы титановых руд сосредоточены в КНР, России, США, Японии, Казахстане и Украине. С сохранением темпов расходования ресурсов титана, запасов Ti хватит ещё примерно на 150 лет.
Для наглядности нами приведена сводка по титановой промышленности за 1996-2001 годы.
Титановая промышленность в России набирает обороты, ВСМПО-Ависма является одним из ведущих производителей в этой отрасли.
Опыт этого предприятия весьма интересен и наглядно описывается в статье журнала Forbes - «Титаническое производство: как работает крупнейший производитель титана в мире».
В этой статье говориться о том, что ВСМПО располагает двумя заводами вблизи Уральского хребта. ТГ — титановая губка производится в Березняках Пермского края, а заготовки в виде слитков и других полуфабрикатов производят в Верхней Следе.
На заводе, где из титана изготавливают детали, работает порядка 100 человек в три смены.
Продукция производится по передовым технологиям, с применением дорогостоящих станков и автоматов, стоимость каждого составляет порядка 5 млн $. Станки доставлены из США, с согласия самого президента — Барака Обамы.
Продукция заводов пользуется спросом по всему миру. На этом предприятии изготавливают детали для болидов формулы-1, продукции Boeing, Airbus и других.
Применение
Частично мы уже сказали о применении титана и его сплавов. Из него производят детали для авиационной промышленности, в машиностроении, космической отрасли, подводных лодок, товаров народного потребления.
Однако, статистические исследования Titanium Corporation на 2005 год дают следующую оценку по потреблению этого материала.
- Только 7 % титана используется в машиностроении.
- 13 % уходит на бумажное производство.
- 20 % используется при изготовлении пластика.
- И 60 % при изготовлении красок.
Но давайте обратимся к рекомендациям. Сплавы Ti низкой прочности и высокой пластичности предназначены для эффективного использования в авиационной и космической отрасли, химической промышленности, производстве тепловой и криогенной техник.
Из него производят практически все виды заготовок, и применяют для изготовления сварных элементов конструкций.
Ti средней прочности рекомендован для применения в производстве холодильной техники, в судостроении, производстве различных ёмкостей, деталей работающих длительное время при температуре 400 °C, 750-800 °C – кратковременно, в зависимости от типа сплава эти рекомендации могут отличаться.
Сплавы же Ti высокой прочности рекомендовано использовать при изготовлении ответственных деталей и элементов конструкций, работающих под нагрузкой, турбин, сварных элементов конструкций, штампованных изделий и деталей, рассчитанных для работы при температуре 400 °C, 750 °C – кратковременно.