Химические свойства титана. Титан и его сплавы

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

Самый прочный и самый хрупкий металл

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.

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.


Титан теряет прочность при малейшем присутствии в нем примесей других металлов

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.

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.


Добыча титана — дорогой и трудозатратный процесс

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.


У титана очень широкая область применения

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.

Наверное, почти о каждом из 108 известных ныне элементов написаны научные монографии, не раз предпринимались попытки рассказать обо всех элементов сразу, но здесь мы расскажем о металле будущего - ТИТАНЕ .

До 1795 г. элемент №22 назывался "менакином". Так назвал его в 1791 г. английский химик и минеролог Уильям Грегор, открывший новый элемент в минерале менаканите. Спустя четыре года после открытия Грегора немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил новый химический элемент в другом минерале - рутиле - и в честь царицы эльфов Титании, (германская мифология) назвал его титаном . По другой версии название элемента происходит от титанов, могучих сыновней богини земли Геи (греческая мифология). В 1797 г. выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, и хотя Грегор сделал это раньше, за новым элементом утвердилось имя, данное ему Клапротом. Но ни Грегору, ни Клапроту не удалось получить элементарный титан . Выделенный ими белый кристаллический порошок был двуокисью титана ТiO2 . Восстановить этот окисел, выделить из него чистый металл долгое время не удавалось никому из химиков. В 1823 г. английский ученый У. Волластон сообщил, что кристаллы, обнаруженные им в металлургических шлаках завода "Мортир - Тидвиль", - не что иное, как чистый титан . А спустя 33 года известный немецкий химик Ф. Вёлер доказал, что и эти кристаллы были опять - таки соединением титана, на этот раз - металлоподобным карбонитридом.

Много лет считалось, что металлический титан впервые был получен Берцелиусом в 1825 г. при восстановлении фтортитана калия металлическим натрием. Однако сегодня, сравнивая свойства титана и продукта, полученного Берцелиусом, можно утверждать, что президент Шведской академии наук ошибался, ибо чистый титан быстро растворяется в плавиковой кислоте (в отличии от многих других кислот), а металлический титан Берцелиуса успешно сопротивлялся её действию.

В действительности титан был впервые получен лишь в 1875 г. русским учёным Д.К. Кирилловым. Результаты этой работы опубликованы в его брошюре "Исследование над титаном". Но работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Ещё через 12 лет довольно чистый продукт - около 95% титана - получили соотечественники Берцелиуса, известные химики Л. Нильсон и О. Петерсон, восстанавливавшие четырёххлористый титан металлическим натрием в стальной геометрической бомбе. В 1895 г. французский химик А. Муассан, восстанавливая двуокись титана углеродом в дуговой печи и подвергая полученный материал двукратному рафинированию, получил титан, содержавший всего 2%примесей, в основном углерода. Наконец в 1910 г. американский химик М. Хантер, усовершенствовав способ Нильсона и Петерсона, сумел получить несколько граммов титана чистой около 99%. Именно поэтому в большинстве книг приоритет получения металлического титана приписывается Хантеру, а не Кириллову, Нильсону или Муассану. Однако ни Хантер, ни его современники не предсказывали титану большого будущего. Всего несколько десятых процента примесей содержалось в металле, но эти примеси делали титан хрупким, непрочным, непригодным к механической обработки. Поэтому некоторые соединения титана нашли применения раньше, чем сам металл.

Четыреххлористый титан например, широко использовали в первую мировую войну для создания дымовых завес. ПРОФЕССИЯ ДВУОКИСИ В 1908 г. в США и Норвегии началось изготовление белил не из соединений свинца и цинка , как делалось прежде, а из двуокиси титана. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же у титановых белил больше отражательная способность, они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода.В медицинской литературе описан случай.

Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавкий стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Как наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, её вводят в резиновые смеси, однако все достоинства соединений титана кажутся не существенными на фоне уникальных свойств металлического титана.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ТИТАН В1925 г. голландские учёные ван Аркель и де Бур иодидным способом (о нём - ниже) получили титан высокой степени чистоты - 99,9%. В отличие от титана, полученного Хантером, он обладал пластичностью: его можно было ковать на холоде, прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже в тончайшую фольгу. Но даже не это главное. Исследование физико-химических свойств металлического титана приводило к почти фантастическим результатам. Оказалось, например, что титан, будучи почти вдвое легче железа (плотность титана 4,5 г/см3), по прочности превосходит многие стали. Сравнения с алюминием оказалось тоже в пользу титана: титан всего в полтора раза тяжелее алюминия, но зато в шесть раз прочнее и, что особенно важно, он сохраняет свою прочность при температурах до 500 С (а при добавки легирующих элементов элементов - до 650 С), вто время как прочность алюминиевых и магниевых сплавов резко падает уже при 300С. Титан обладает и значительной твёрдостью: он в 12 раз твёрже алюминия, в 4 раза - железа и меди. Ещё одна важная характеристика металла - предел текучести. Чем он выше, тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры.

Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электросопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия - 60,железа и платины - 15, а титана - всего 3,8. Вряд ли нужно объяснять, что это свойство,как и немагнитность титана, представляет интерес для радиоэлектронники и электротехники. Замечательна устойчивость титана против коррозии. На пластинке из этого металла за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следов коррозии. За такой срок от железной пластинки остались бы одни воспоминания. Оэтому не случаен интерес к титану авиаконструкторов, судостроителей и гидростроителей. В конце 1968 г. поднялся в воздух первый в мире сверхзвуковой пассажирский лайнер Ту-144. Рули поворота, элероны и некоторые другие детали этого гигантского самолёта, нагревающиеся во время полёта до высокой температуры, выполнены из титана.

КАК ПОЛУЧАЮТ ТИТАН.

Цена - вот что сегодня ещё тормозит производство и потребление титана . Собственно, высокая стоимость - не врожденный порок титана. В земной коре его много - 0,63%. Дорогая цена - следствие чрезвычайной сложности извлечение титана из руд. Если принять стоимость титана в концентрате за единицу, то стоимость готовой продукции - титанового листа в сотни раз больше. Объясняется это высоким сродством титана многим элементам и прочностью химических связей в его природных соединениях. Отсюда - сложности технологии. Вот как выглядит магниетермический способ производства титана , разработанный в 1940 г. американским учёным У. Кролем.

Двуокись титана с помощью хлора (в присутствии углерода) переводят в четырёххлористый титан: TiO2+C+2Cl2=TiCl4+CO2 Процесс идёт на трудоёмкость и энергоёмкость производство титана, оно уже сейчас становится одной из важнейших отраслей металлургии. Если в 1947 г. в США было получено всего 2 т этого металла, то через 15 лет - более 350 тыс. т. А в 1975 г. потребление титана в слитках составило в США более 12 млн. т.

Кажется, ещё недавно титан называли редким металлом - сечас он важнейший конструкционный материал. Объясняется это только одним: редким в шахтных электропечах при 800 - 1250 С. Другой вариант - хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl. Следующая операция (в одинаковой мере важная и трудоёмкая) - очистка TiCl4 от примесей - проводится разными способами и веществами. Четырёххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136 С. Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния по реакции: TiCl4+2Mg = Ti+2MgCl2. Эта реакция идёт в стальных реакторах при 900 С. В результате образуется так называемая титановая губка , магнием и хлоридом магния. Их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950 С, а титановую губку затем спекают или переплавляют в компактный металл. Натриетермический метод получения металлического титана в принципе мало чем отличается от магниетермического. Эти два метода наиболее широко применяются в промышленности. Для получения более чистого титана и поныне используется иодидный метод, предложенный ван Аркелем и де Буром. Металлотермический губчатый титан превращают в иодид TiI4, который затем возгоняют в вакууме. На своём пути пары иодида титана встречают раскалённую до 1400 С титановую проволоку. При этом иодид разлагается, и на проволоке нарастает слой чистого титана. Этот метод производства титана малопроизводителен и дорог, поэтому в промышленности он применяется крайне ограниченно. Несмотря сочетанием полезных свойств элемента №22. И, естественно, потребностями техники.

ТИТАН РАБОТАЕТ

Роль титана как конструкционного материала , основы высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники, быстро возрастает. Именно в сплавы идёт большая часть выплавляемого в мире титана. Широко известен сплав для авиационной промышленности, состоящий из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия. В 1976 г. в американской печати появились сообщения о новом сплаве того же назначения: 85% титана, 10% ванадия, 3% алюминия и 2% железа. Утверждают, что этот сплав не только лучше, но и экономичнее. А вообще в титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия. Последние (в количестве 0,1 - 0,2%) повышают и без того высокую химическую стойкость титановых сплавов . Прочность титана повышают и такие «легирующие добавки», как азот и кислород. Но вместе с прочностью они повышают твёрдость и, главное, хрупкость титана , поэтому их содержание строжайшие регламентируются: в сплав допускаются не более 0.15% кислорода и 0,05% азота. Несмотря что титан дорог, замена им более дешёвых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Вот характерный пример.

Корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава - 600 рублей, но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый - 10 лет. Прибавьте затраты на замену стальных реакторов, вынужденные простои оборудования - и станет очевидно, что применять дорогостоящий титан бывает выгоднее, чем сталь. Значительные количества титана использует металлургия.

Существуют сотни марок сталей и других сплавов, в состав которых титан входит как легирующая добавка. Его вводят для улучшения структуры металлов, увеличения прочности и коррозийной стойкости. Некоторые ядерные реакции должны совершаться в почти абсолютной пустоте. Ртутными насосами разрежение может быть доведено до нескольких миллиардных долей атмосферы. Но этого не достаточно, а ртутные насосы на большее не способны. Дальнейшая откачка воздуха осуществляется уже особыми титановыми насосами. Кроме того, для достижения ещё большего разрежения по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан . Титан часто называют металлом будущего. Факты, которыми уже сейчас располагают наука и техника, убеждают, что это не совсем так - титан уже стал металлом настоящего.

Лишь три технически важных металла - алюминий, железо и магний - распространены в природе больше, чем титан . Количество титана в земной коре в несколько раз превышает запасы меди, цинка, свинца золота, серебра, платины, хрома, вольфрама, ртути, молибдена, висмута, сурьмы, никеля и олова , вместе взятых.

Титан используется для производства баллонов, в которых газы могут храниться длительное время под большим давлением. В американских ракетах типа «Атлас» сферические резервуары для хранения сжатого гелия сделаны из титана . Из титановых сплавов изготовляют баки для жидкого кислорода, применяемые в ракетных двигателях.

На Усть-Каменогорском титаномагниевом комбинате для управления технологическими процессами впервые в этой отрасли были применены счётно- решающие машины «Марс». С их помощью регулируют температуру, давление и другие параметры технологического процесса получение титановой губки.

Приятно считать, что титан поддаётся механической обработке подобно нержавеющим сталям. Это значит, что обрабатывать титан в 4-5 раз труднее, чем обычную сталь, но это всё же не составляет неразрешимой проблемы. Основные проблемы при обработки титана - это большая склонность его к налипанию и задиранию, низкая теплопроводность, а также то обстоятельство, что практически все металлы и огнеупорны растворяются в титане, в результате чего представляет собой сплав титана и твёрдого материала режущего инструмента. Такая обработка вызывает быстрый износ резца. Для уменьшения налипания и задирания и для отвода большого количества тепла, которое выделяется при резании, применяют охлаждающие жидкости. Точение заготовки производят спомощью резцов из твёрдых сплавов причём скорость обработки, как правило, ниже, чем при точении нержавеющей стали. Если необходимо разрезать листы из титана , то эту операцию осуществляют на гильотинных ножницах. Сортовой прокат больших диаметров режут механическими пилами, применяяножовочные полотна с крупным зубом. Менее толстые прутки разрезают на токарных станках. При фрезеровании титан остаётся верным себе и налипает на зубья фрезы. Фрезы тоже изготовляют из твёрдых сплавов, а для охлаждения применяют смазки, отличающиеся большой вязкостью. При сверлении титана основное внимание обращают на то, чтобы стружка не скапливалась в отводящих канавках, так как это быстро повреждает сверло. В качестве материала для сверления титана применяют быстрорежущую сталь. При использовании титана как конструкционного материала титановые детали соединяют друг с другом и с деталями из иных материалов разными методами. Основной метод - сварка. Самые первые попытки сварить титан были неудачными, что объяснялось взаимодействием расплавленного металла с кислородом, азотом и водородом воздуха, ростом зерна при нагреве, изменениями в микроструктуре и другими факторами, приводимые к хрупкости шва. Однако все эти проблемы, ранее казавшиеся неразрешимыми, были решены в самые короткие сроки в наши дни сварка титана - обычная промышленная технология. Но, хотя проблемы решены, сварка титана не стала простой и лёгкой. Основная её трудность и сложность заключается в необходимости постоянного и неукоснительного предохранения сварного шва от загрязнения примесями. Поэтому при сварке титана используют не только инертный газ высокой чистоты и специальные бескислородные флюсы, но и разнообразные защитные козырьки, прокладки, которые защищают остывающие. Чтобы максимально снизить рост зерна и уменьшить изменения в микроструктуре, сварку ведут с большой скоростью. Почти все виды сварки производят в обычных условиях, применяя специальные меры для защиты нагретого металла от соприкосновение с воздухом. Но мировая практика знает и сварку в контролируемой атмосфере. Такая защита сварного шва обычно необходима при выполнении особо ответственных работ, когда требуется стопроцентная гарантия того, что сварной шов не будет загрязнён. Если свариваемые части не велики, сварку ведут в специальной камере, заполненной инертным газом. Сварщик хорошо видит всё, что ему нужно через специальное окно. Когда же сваривают большие детали и узлы, контролируемую атмосферу создают в специальных вместительных герметичных помещениях, где сварщики работают, применяя индивидуальные системы жизнеобеспечения. Разумеется, эти работы ведут сварщики самой высокой квалификации, но и обычную сварку титана должны проводить только специально обученные этому делу люди. В тех случаях, когда сварка не возможна или попросту не целесообразна, прибегают к пайке. Пайка титана осложняется тем, что он при высоких температурах химически активен и очень прочно связан с покрывающей его поверхность - окисной плёнкой. Подавляющее большинство металлов непригодно для использования в качестве припоев при пайке титана , так как получаются хрупкие соединения. Только чистые серебро и алюминий подходят для этой цели. Соединять титан с титаном, а также с другими металлами можно и механически - клепкой или при помощи болтов. При использовании титановых заклёпок время клёпки увеличивается почти вдвое по сравнению с применением высокопрочных алюминиевых деталей, а гайки и болты из нового промышленного металла непременно покрывают слоем серебра или синтетического материала тефлона, иначе при завинчивании гайки титан будет, как это ему неизменно присуще, налипать и задираться и резьбовое соединение не сможет выдержать больших напряжений. Склонность к налипанию и задиранию, обусловленная высоким коэфициентом трения, - очень серьёзный недостаток титана. Это приводит к тому, что титановые сплавы быстро изнашиваются и их нельзя использовать для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения. При скольжении по любому металлу титан налипает на его поверхность, и деталь вязнет, схваченная липким слоем титана. Впрочем, говорить, что титановые сплавы нельзя применять при изготовлении трущихся деталей, неверно. Существует немало способов, упрочняющих поверхность титана и устраняющих склонность к налипанию. Один из них - азотирование. Процесс заключается в том, что детали, нагретые до 850-950 градусов, выдерживают в чистом газообразном азоте более суток. На поверхности металла образуется золотисто-жёлтая плёнка нитрида титана большой микротвёрдости. Износостойкость титановых деталей повышается во много раз и не уступает изделиям из специальных поверхностно упрочнённых сталей. Другой распространённый метод устранения склонности титана к задиранию - оксидирование. При этом в результате нагрева на поверхности деталей образуется окисная плёнка. При низкотемпературном оксидировании свободный доступ воздуха к металлу затруднён и окисная плёнка получается плотной, хорошо связанной с основной толщей титана. Высокотемпературное оксидирование заключается в том, что в течении 5-6 часов детали выдерживают на воздухе нагретыми до 850 градусов, а затем резко охлаждают в воде, чтобы удалить с поверхности рыхлую окалину. В результате оксидирования сопротивление износу возрастает в 15-100 раз.

Титановые сплавы несравненно более стойки и оборудовании, изготовленное из них, служит гораздо дольше. Титановые ёмкости в цехах хлорирования работают по 3-4 года, тогда как стальные выходят из строя уже через 2 месяца. При отсасывании отходящих газов титано-магниевого производства титановые вентиляторы эксплуатируются 5 лет, стальные - не более 1-2 месяцев, срок службы газоходов из титана в 20, в 30 раз превышает срок службы стальных! В 1969 году на Березниковском титано-магниевом комбинате была пущена 120- метровая вытяжная труба. Труба кактруба - для выброса производственных газов, внешне ничего особенно собой не представляет. И мало ли заводских труб! Но березниковского бала особенной: впервые в мировой практике она была изготовлена из титана. Ныне она уже не единственная в мире: точно такая же труба возведена и на Запорожском титано-магниевом комбинате. Планируются построить ещё несколько титановых титановых труб на различных заводах страны. Успешно используют титан в титановой промышленности и за рубежом. Американская фирма ТМКА сообщает, что титановый агрегат для выщелачивания магния и хлористого магния из титановой губки (в США губку очищают не нагревании в вакууме, а промыванием «царской водкой») заменил более десятка прежних малопроизводительных аппаратов и приносит ежегодный доход в 370 тысяч долларов. При получении магниевых сплавов используют стойкие в расплавленном магнии титановые мешалки и тигли. Из титана изготовляют также лопасти перемешивающих устройств на известковых газоотчистках. Титан оказался наиболее подходящим материалом для изготовления матриц, применяемых при электролитическом осаждении меди. Внедрение титановых матриц на ряде предприятий страны намного облегчило труд рабочих-сдирщиков, на 30 процентов повысило производительность труда. Срок службы матриц увеличился в 3 раза. С титанового барабан-катода снимают гораздо более высококачественную медную фольгу, тогда как при использовании катода из нержавеющей стали процент брака велик, фольга получается шероховатой. Весьма эффективными оказываются титановые приспособления для отчистки и подачи отходящих газов агломашин, плавильных и обжиговых печей в производстве свинца и цинка, а также детали реакторов, сгустителей, змеевиков и многого другого оборудования из нового промышленного материала.

Титан находит применение при производстве вольфрама и молибдена, сурьмы ртути, циркония, редкоземельных и драгоценных металлов. При обработки цветных меиаллов используют титановые травильные ванны, детали очистных сооружений, установок переработки раствора, ёмкости, что намного повышает срок службы оборудования. На одном из из уральских заводов из титана изготовляют клещи, которыми захватывают горячие прокатываемые и прессуемые металлические заготовки. Масса ручного инструмента уменьшилась вдвое. Вспомогательное оборудование из титана используют на некоторых предприятиях чёрной металлургии нашей страны.

Благодаря высокой коррозийной стойкости в сернистых газах новый конструкционный материал обеспечивает надёжную работу электрофильтров, применяемых в коксохимическом и ферросплавном производствах, повышает долговечность газоочистных сооружений доменных, мартёновских, конверторных и агломерационных цехов. Более 10 лет работают на Запорожском коксохимическом заводе титановые нутч- фильтры, растворители, кристаллизаторы, трубопроводы и другое оборудование участка роданистого натрия. Кроме того, благодаря их применению удалось избежать в конечном продукте примесей железа, тяжёлых металлов, которые по техническим условиям недопустимы и от которых прежде невозможно было избавиться. Испытания, проведённые на заводе «Запорожсталь» Институтом титана, показали, что, если использовать для слива отработанных травильных растворов трубопроводы из нового металла, их срок службы будет измеряться десятками лет. ныне существуют звенья, изготовленные из углеродистой стали и защищённые резиной, служат полтора, максимум три месяца. Вот почему предприятие решило приобрести полкилометра титановых труб для замены ими стальных. Очень перспективно облицовывать титаном ванны, используемые на многих металлургических, сталепроволочных-канатных, метизных заводов для травления заготовок в кислотах с целью удаления окалины с поверхности. Поскольку травильные растворы загрязнены частицами железа и его соединений, а также содержат специальные солевые добавки (что способствует замедлению коррозии), стойкость титана в них намного выше, чем в обычных растворов кислот - без добавок и примесей, благодаря чему титановые травильные ванны служат десятки лет, тогда как обычные выходят из строя гораздо раньше.

Титановое оборудование широко внедряется в целлюлозно-бумажную промышленность. Оно с успехом используется на Братском и Сыктывкарском лесопромышленных комплексах, Советском и Котласском целлюлозно-бумажных комбинатах, Байкальском целлюлозном заводе и некоторых других предприятиях. Институтом ЦНИИбумаш спроектированы отбельные установки для массового применения на предприятиях отрасли. Они состоят из отбельных башен, баков, смесителей, мерников, трубопроводов и запорной арматуры. Всё оборудование делается из титана. Заводы уже приступили к выпуску таких установок. Титан оказывается незаменимым для бумажников, выручая их давая значительный технико-экономический эффект. В цехе белильных растворов Сыктывкарского лесопромышленного комплекса стальные трубопроводы требовали полной замены через каждую неделю. Срок службы титановых трубопроводов настолько превосходит срок службы стальных, что при этом не только окупается стоимость более дорогого материала, но и ежегодно предприятие получает 120 тысяч рулей прибыли! Каждая титановая воздуходувка, работающая в том же цехе взамен агрегатов из нержавеющей стали, выходивших из строя каждые 2 недели, экономит предприятию около двух с половиной тысяч рублей. Титан применяют в контрольно-измерительной и регулирующей аппаратура трёх линий производства сульфатной целлюлозы, где технологические процессы полностью автоматизированы. Металл используют для изготовления чехлов, защищающих датчики приборов, которые работают в агрессивных средах. Винипласт защищал их на протяжении всего лишь 15 дней, титан служит около 7 лет и благодаря столь продолжительному сроку работы даёт существенную экономию. Семь титановых чехлов, которыми прикрывают датчики приборов на Братском ЛПК, дают предприятию 20 тысяч рублей годовой экономии. Всего же от применения титана лесопромышленный комплекс ежегодно получает более 150 тысяч рублей прибыли. Коррозионностойкий металл оказывается весьма кстати также в гидролизной и лесохимической промышленности, где он хорошо зарекомендовал себя в качестве материала для изготовления аппаратуры в производстве уксусной кислоты, этилацетата и других очень едких веществ. Зарубежные фирмы применяют титановые теплообменники, вентиляторы, насосы, запорную арматуру. В Швеции пластинчатые титановые теплообменники работают в растворах хлоридов, хлоратов, а также в жидкостях, содержащих активный хлор. В США аппаратуру из титана внедряют в цехах варки целлюлозы, где техника, изготовленная из нержавеющей стали, полностью выходит из строя через два года работы и её необходимо заменять. Замена же Только одного промывного аппарата обходится в 80 тысяч долларов. Титановое оборудование используют в целлюлозно-бумажной промышленности Японии, Англии, ЧССР, Финляндии. Разработчики аппаратуры целлюлозно-бумажной производства утверждают, что опыт эксплуатации титанового оборудования показал неоспоримое преимущество этого металла перед другими конструкционными и коррозионностойкими материалами. Остаётся только добавить, что с каждым годом, даже месяцем, всё больше титана применяется для производства бумаги и в том, что её дифицит будет всё же преодолён, что страна получит в избытке не только материал для печатания книг и газет, но картон, бумагу для технических целей и для расфасовки пищевых продуктов, большое количество бумажно- беловых товаров, немалая заслуга будет принадлежать и металлу, носящему имя титан. ДЕШЕВЛЕ? МОЖНО Что бы ни говорилось о реальной и бесспорной экономической эффективности использования титана при существующем уровне цен, нет никакого сомнения в том, что будь титан подешевле - масштаба его производства и применения выросли бы неизмеримо. Соответственно возросла бы и польза, которую приносит народному хозяйству этот металл. Но ведь цена не должна быть ниже себестоимости, а себестоимость титана ещё высокая. Собственно говоря, высокая себестоимость титановой губки, а именно стоимость губки определяет сравнительно высокие цены титановых полуфабрикатов и оборудования, изготовленного из этого металла. С целью снижения себестоимости во всём мире непрерывно ведут многочисленные исследовательские работы, направленные на совершенствование существующей технологии производства титана, а также на разработку способов прямого извлечения металла из руд. Ежегодно выдаются десятки патентов на новые методы получения металлического титана, на модификацию уже известных технологических операций. Однако эти новые методы не в состоянии конкурировать с известными промышленными способами, а предлагаемое совершенствование последних не настолько существенно, чтобы ощутимо снизить стоимость титана. Справедливости ради надо сказать, что стоимость титановой губки претерпела значительные изменения с момента выпуска первых промышленных партий. Так, например, в нашей стране цены на титановую губку в связи с непрерывным снижением себестоимости уменьшались в 5 раз, в результате чего даже более высококачественная губка стоит сейчас вдвое дешевле, чем прежде. Уменьшение стоимости титановой губки позволяет снижать цены на титановые полуфабрикаты: на листы, трубы, прудки, гнутые профили и т.п. Последнее снижение цен на полуфабрикаты было в 1975 году, в результате чего эти изделия стали стоить в среднем на 25 процентов дешевле. И всё же стоимость титана снижается не так быстро, как хотелось бы, и у этого есть объективные, пока ещё непреодолимые причины. Но, может быть, и при существующем уровне цен есть какая-нибудь возможность удешевить оборудование. Изготовленное с применением этого металла? Да, такая возможность действительно есть. Не во всех случаях так уж необходимо, чтобы аппаратура была изготовлена целиком из титана. Нередко достаточно и того, что стойкий против коррозии металл будет защищать только внутреннюю её поверхность, только те места, которые соприкасаются с агрессивной средой. Основная же масса конструкции может быть изготовлена из обычной стали, прочность которой достаточна, чтобы выдерживать большие давления. Таким образом достигается оптимальный вариант использования титана, который незначительно удорожает стоимость оборудования. Но сварка титана с другими металлами, повторяем, практически невозможна.

Как же соединяют титан со сталью? Существует несколько методов. Когда оборудование не предназначено для работы при высоких температурах и не подвергается воздействию вакуума, поверхность его футеруют (т.е. выкладывают) тонким слоем титана . Но футерованное оборудование нельзя применять при температурах выше 100 градусов, так как при нагревании сталь расширяется значительно в большей степени, чем титан, что и приводит к повреждению футерованной конструкции. Кроме того, наличие зазора между футеровкой и кожухом не позволяет применять такое оборудование в процессах. Связанных с воздействием вакуума. В этом случае для изготовления оборудования используют двухслойный металл титан - сталь, где слой титана составляет от одной двадцатой до одной пятой части от всей толщины металла. И здесь слой титана обеспечивает коррозийную стойкость, а более дешевый материал - заданные механические характеристики. Титан и сталь соединяют друг с другом при помощи взрывной волны или методом прокатки в вакууме. В результате материалы связаны между собой не просто механически, а физически, что приводит к улучшению теплопередачи и позволяет оборудованию из двухслойного металла выдерживать повторяющие нагревы до 500 и более градусов и закалку в воде. Из биметалла титан - сталь изготовляют такое оборудование, как варочные котлы и отбельные башни целлюлозно-бумажного производства, ёмкости и колонны, применяемые в нефтехимии и металлургии. Использование биметаллического листа взамен цельнотитанового даёт существенную экономию. Другой путь снижения стоимости титановых изделий - изготовление их методом фасонного литья. Замена поковок фасонными отливками снижает расход металла в три с лишним раза, уменьшает трудоёмкость механической обработки. Каждая тонна фасонных отливок, используемых в замен поковок, экономит более 20 тысяч рублей.

Методом литья изготавливают запорную арматуру, части насосов, приборов, детали, применяемые в машиностроении. В промышленности при производстве и обработки титана образуется большое количество отходов, состоящих из титановой губки, стружки, обрезков, кусков, лома. Основная масса этих отходов не используется, а накапливается на предприятиях, где отходы различных сплавов перемешиваются друг с другом и загрязняются. Специалисты уже давно задумываются над тем, как использовать этот металл. Наиболее целесообразно перерабатывать отходы титана во вторичные сплавы. Эти сплавы несколько уступают основным по однородности, прочности и другим механическим характеристикам. Загрязнённость примесями приводит к тому, что их стойкость против коррозии ниже, чем у серийных сплавов, и тем не менее вторичные титановые сплавы в достаточной степени прочны и коррозионностойкие. Их можно с успехом и большой пользой применять в химической, нефтеперерабатывающей, лёгкой, пищевой промышленности. Сейчас ведутся опытно-промышленные разработки вторичных сплавов и изделий из них, получаемых методом литья. Вторичные титановые сплавы во многих агрессивных средах по своей коррозийной стойкости незначительно уступают первичным сплавам, а в некоторых средах даже превосходят их. Что же касается их стоимости, то при широком производстве они будут дешевле первичных на 25-30 процентов.

Значение металлов в человеческом обществе всё более возрастает. Переворот в технике происходит с интенсивным развитием алюминиевой и магниевой промышленности. В последние десятилетия человечество получило в своё распоряжение группы редких металлов. И вот уже в наши дни, в самые последние годы на авансцену истории «поднимается» новый промышленный металл - титан. Титан с большим правом, чем алюминий, можно назвать металлом нашего века, точнее - второй его половины, так как этот новый конструкционный материал впервые стали производить и использовать только в пятидесятые годы. Впрочем, титан так и называют: «металл 20 века». И как много значений у слова «титан», так много эпитетов и наименований у самого металла. «Вечный», «парадоксальный», «металл сверхзвуковых скоростей, «металл будущего», «дитя войны» - вот только некоторые из них. Титан называют металлом будущего. Это, конечно, правильно. В будущем появятся новые области применения замечательного материала, люди создадут сплавы с ещё более удивительными свойствами. Но ведь будущее начинается сегодня, будущее и настоящее не отдельны непроходимой границей. Титан давно стал материалом современности - ценным, важным и необходимым. Больше того, широкое, повсеместное его применение как раз позволит скорее приблизить то светлое и прекрасное будущее, о котором мы все мечтаем.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Титан - двадцать второй элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ti от латинского «titanium». Расположен в четвертом периоде, IVB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 22.

Титан очень распространен в природе; содержание титана в земной коре составляет 0,6% (масс.), т.е. выше, чем содержание таких широко используемых в технике металлов, как медь, свинец и цинк.

В виде простого вещества титан представляет собой серебристо-белый металл (рис. 1). Относится к легким металлам. Тугоплавок. Плотность - 4,50 г/см 3 . Температуры плавления и кипения равны 1668 o С и 3330 o С, соответственно. Коррозионно-устойчив при на воздухе при обычной температуре, что объясняется наличием на его поверхности защитной пленки состава TiO 2 .

Рис. 1. Титан. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса титана

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии титан существует в виде одноатомных молекул Ti, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 47,867.

Изотопы титана

Известно, что в природе титан может находиться в виде пяти стабильных изотопов 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti и 50 Ti. Их массовые числа равны 46, 47, 48, 49 и 50 соответственно. Ядро атома изотопа титана 46 Ti содержит двадцать два протона и двадцать четыре нейтрона, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы титана с массовыми числами от 38-ми до 64-х, среди которых наиболее стабильным является 44 Ti с периодом полураспада равным 60 лет, а также два ядерных изотопа.

Ионы титана

На внешнем энергетическом уровне атома титана имеется четыре электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 .

В результате химического взаимодействия титан отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ti 0 -2e → Ti 2+ ;

Ti 0 -3e → Ti 3+ ;

Ti 0 -4e → Ti 4+ .

Молекула и атом титана

В свободном состоянии титан существует в виде одноатомных молекул Ti. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу титана:

Сплавы титана

Главное свойство титана, способствующее его широкому применению в современной технике - высокая жаростойкость как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами. Кроме того, эти сплавы жаропрочностью - стойкостью сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения.

При высоких температурах титан соединяется с галогенами, кислородом, серой, азотом и другими элементами. На этом основано применение сплавов титана с железом (ферротиттана) в качестве добавки к стали.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание Вычислите количество теплоты, выделяющейся при восстановлении хлорида титана (IV) массой 47,5 г магнием. Термохимическое уравнение реакции имеет следующий вид:
Решение Запишем еще раз термохимическое уравнение реакции:

TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2 =477 кДж.

Согласно уравнению реакции, в неё вступили 1 моль хлорида титана (IV) и 2 моль магния. Рассчитаем массу хлорида титана (IV) по уравнению, т.е. теоретическую массу (молярная масса - 190 г/моль):

m theor (TiCl 4) = n (TiCl 4) × M (TiCl 4);

m theor (TiCl 4) = 1 × 190 = 190 г.

Составим пропорцию:

m prac (TiCl 4)/ m theor (TiCl 4) = Q prac /Q theor .

Тогда, количество теплоты, выделяющейся при восстановлении хлорида титана (IV) магнием равно:

Q prac = Q theor × m prac (TiCl 4)/ m theor ;

Q prac = 477 × 47,5/ 190 = 119,25 кДж.

Ответ Количество теплоты равно 119,25 кДж.
Основные сведения о титане

Титан (Ti) (Titanium) - химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см3, tпл.=1668+(-)5°С, tкип.=3260°С. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

Свойства титана

По внешнему виду титан похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4°С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия.
Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42 10-8 до 80 10-6 Ом см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.
Титан - парамагнитный металл. У парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила - его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Достоинства титана:

Малая плотность (4500 кг/м3), которая способствует уменьшению массы используемого материала;
-высокая механическая прочность. Важно то, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;
-очень 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.

Применение титана

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Титан (ферротитан) используют в качестве лигирующей добавки к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы широко используются в технике ввиду своей высокой механической 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.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.

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

Свойства титана

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Его нейтральный атом состоит из ядра, заряд которого равен 22 ед. положительного электричества, и находиться вне ядра 22 электронов.

Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Устойчивых природных изотопов титана всего пять: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. Это установил в 1936 г. немецкий физик Ф. В. Астон. До его исследований считалось, что титан изотопов вообще не имеет. Природные устойчивые изотопы титана распределяются следующим образом (в отн. %): 46 Ti - 7,99; 47 Ti - 7,32; 48 Ti - 73,97; 49 Ti - 5,46; 50 Ti - 5,25.

Кроме естественных, титан может иметь и целый ряд искусственных изотопов, получаемых с помощью его радиоактивного облучения. Так, если бомбардировать титан нейтронами или α-частицами, можно получить радиоактивный изотоп титана 52 Ti с периодом полураспада - 41,9 мин, который дает β- и γ-излучения. Искусственно получены и другие изотопы титана (42 Ti, 43 Ti, 44 Ti, 45 Ti, 51 Ti, 52 Ti, 53 Ti, 54 Ti), некоторые из них сильнорадиоактивные, с различными сроками полураспада. Так, у изотопа 44 Ti период полураспада всего 0,58 с, а у изотопа 45 Ti - 47 лет.

Радиус ядра титана равен 5 фм. Вокруг положительно заряженного ядра титана на четырех орбитах К, L, М, N располагаются электроны: на К - два электрона, на L - восемь, на M - 10, на N - два. С орбит N и М атом титана может свободно отдавать по два электрона. Таким образом, наиболее устойчивый ион титана - четырехвалентный. Пятым электрон с орбиты М "вырвать" невозможно, поэтому титан никогда не бывает больше чем четырехвалентным ионом. В то же время с орбит N и М атом титана может отдавать не четыре, а три, два или один электрон. В этих случаях он становится трех-, двух- или одновалентным ионом

Титан различной валентности имеет неодинаковые ионные радиусы. Так, радиус иона Ti 4+ равен 64 пм, иона Ti 3+ - 69, Ti 2+ - 78, Ti 1+ - 95 пм.

Долгое время не могли точно определить атомную массу титана (атомный вес). В 1813 г. Й. Я. Берцелиус получил неправдоподобно завышенную величину - 288,16. В 1823 г. немецкий химик Генрих Розе установил, что атомный вес титана ранен 61,6. В 1829 г. ученый несколько раз уточнял величину: 50,63; 48,27 и 48,13. Ближе к истинным оказались измерения английского химика Т. Э. Торна - 48,09. Однако это значение продержалось до 1928 г., когда исследования химиков Бакстера и Бутлера дали окончательную величину атомного веса - 47,9. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследования его изотопов, составляет 47,926. Эта величина практически идентична значению интернациональных таблиц.

В периодической системе элементов Менделеева титан расположен в группе IVB, в которую, кроме него, входит цирконий, гафний, курчатовий. Элементы данной группы в отличие от элементов группы углерода (IVА) обладают металлическими свойствами. У соединений даже самого титана кислотообразующая способность выражена слабее, чем у любого элемента группы углерода. Хотя титан занимает самое верхнее место в своей подгруппе, он является наименее активным металлическим элементом. Так, двуокись титана амфотерна, а двуокиси циркония и гафния обладают слабо выраженными основными свойствами. Титан больше, чем другие элементы подгруппы IVB, близок к элементам подгруппы IVA - кремнию, германию, олову. Четырехвалентный титан отличается от кремния и германия большей склонностью к образованию комплексных соединений различных типов, чем особенно сходен с оловом.

Титан и другие элементы подгруппы IVB очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIB (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Титан к скандию даже ближе, чем к элементам подгруппы IVA. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ - ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместо с этими элементами, изоморфно замещая друг друга.

Из кристаллохимии кислородных соединений известно, что характерное координационное число для титана равно 6, а единственным координационным полиэдром, соответствующим этому числу, является октаэдр. Причем ни в одном из кислородных соединений атомы титана не имеют координационного числа больше 6. В такой координации среднее расстояние между титаном и кислородом равно 2 Å. В структурах, для которых характерно статистическое распределение атомов Ti 4+ и Nb 5+ в октаэдрах, соответствующее среднее расстояние между титаном и ниобием также составляет 2 Å. Из этого следует вывод о близости ионных радиусов титана и ниобия.

Близость ионных радиусов элементов - непременное условие возможности изоморфизма между ними. Для титана наиболее полно этому условию удовлетворяют ниобий, тантал, трехвалентное железо и цирконий.

А теперь рассмотрим, какие же химические соединении с другими элементами может образовывать титан. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди-, три- и тетрасоединения, с серой и элементами её группы (селеном, теллуром) - моно- и дисульфиды, с кислородом - оксиды, диоксиды и триоксиды. Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами - интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами.

Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И 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. Почему же это происходит? Почему так активно, а нередко и бурно, со взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодической системы титан стоек к коррозии? А дело в том, что реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту шлепку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею "пассивируется", т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Известно, что коррозионная стойкость любого металла определяется величиной его электродного потенциала, т. е. разностью электрических потенциалов между металлом и раствором электролита. Отрицательные значения электродного потенциала свидетельствуют об убыли ионов металла с его поверхности и о переходе их в раствор, т. е. о растворимости и коррозии металла. Положительное значение указывает на то, что металл обладает стойкостью в данном растворе, не отдает своих ионов и не корродируется. Так вот, для свежеочищенной поверхности титана измеренные значения электродного потенциала в воде, в водных растворах, во многих кислотах и щелочах колеблются от -0,27 до -0,355 В, т. е. металл, казалось бы, должен быстро растворяться. Однако в большинство водных растворов электродный потенциал титана очень быстро поднимается от отрицательных до положительных значений, примерно до +0,5 В, и коррозия практически моментально прекращается: титан пассивируется и становится в высшей степени коррозионно-стойким.

Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах. Об исключительной его стойкости в атмосфере, в пресной и океанической воде даже при нагревании мы уже говорили. 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, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности к прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана по многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, "царская водка" и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

В азотной кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро растворяются очень многие металлы, титан исключительно стоек. При любой концентрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах скорость коррозии титана в азотной кислоте не превышает 0,1-0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1- 2% и более), как реакция заканчивается, и коррозия титана прекращается.

В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С - 0,58 мм/год. При нагревании скорость коррозии титана в соляной кислоте резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С - уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.

В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5-1%) титан стоек даже при температуре раствора до 50 - 95° С. Стоек он и в более концентрированных растворах (10- 20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005-0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10-20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозия достигает 9-10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Её можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяющийся в "царской водке": в ней при обычных температурах (10-20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей "царской водке", а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.

Очень слабо корродирует титан в большинство органических кислот (уксусной, молочной, винной), и разбавленных щелочах, и растворах многих хлористых солей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше 375° С титан взаимодействует очень бурно.

В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не корродирует, и лишь при очень высоких температурах расплавов (выше 300-400° С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных растворов и расплавов, в которых титан растворяется очень интенсивно. Главный "враг" титана - плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более концентрированных растворах титан "тает", как лед в горячей воде. Фтор - этот "разрушающий всё" (греч.) элемент - бурно реагирует практически со всеми металлами и сжигает их.

Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спиртам, в том числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители - так называемые ингибиторы, например, в растворы соляной и серной кислот - азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и др.

В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20-30% молибдена делает этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соляной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десятки раз. Следует отметить, что благородные платиноиды влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не уменьшаются.

Каковы же физические свойства титана, сделавшие его лучшим из всех, известных конструкционных металлов?

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время, считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Xeйc установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3°C. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, ренин, 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/см 3 , а при 100° С - 4,506 г/см 3 . Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см 3 . Сюда входят все щелочные металлы (натрий, калий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9-1,5 г/см 3 , магний (1,7 г/см 3), алюминий (2,7 г/см 3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см 3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз превосходит и алюминий и железо.

Каковы же эти свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал? Прежде всего, прочность металла, т. е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). В зависимости от вида напряженного состояния - растяжения, сжатия, изгиба и других условий испытания (температура, время) для характеристики прочности металла используются различные показатели: предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др. По всем этим показателям титан значительно превосходит алюминий, железо и даже многие лучшие марки стали.

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. Другие же металлы либо просто не выдерживают таких температур, либо сильно разупрочняются.

Чистый титан - высокопластичный металл, что обусловлено благоприятным соотношением осей "с" и "а" в его гексагональной решетке и наличием в ней множества систем плоскостей скольжения и двойникования. Хотя и считается, что металлы с гексагональной кристаллической решеткой очень пластичны, титан в силу указанных особенностей его кристаллов стоит в одном ряду с высокопластичными металлами, имеющими иной тип кристаллической решетки. В результате чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

Интересно отметить, что титан долгие годы, вплоть до получения чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было с наличием в титане примесей, особенно азота, кислорода, углерода и др. Даже их небольшое количество влияет, и весьма существенно, на свойства титана, в том числе на его пластичность. То же самое можно сказать и о твердости титана. Она тем выше, чем больше в металле примесей. Так, твердость титана, содержащего тысячные доли процента кислорода, азота, углерода, железа, составляет 400-600 МПа, а при содержания тех же примесей в сотые доли процента твердость его повышается до 900-1000 МПа.

Почему это происходит? Кислород и азот хорошо растворимы в титане, особенно в его низкотемпературной α-модификации. С их внедрением в октаэдрические пустоты кристаллов титана начинается деформация его кристаллической решетки, повышается жесткость межатомных связей и, как следствие, увеличивается твердость, прочность, предел текучести, снижается пластичность металла. Самой вредной примесью является водород: даже незначительные количества его резко снижают пластичность металла и особенно его ударную вязкость. Углерод растворяется в титане в гораздо меньшей степени и мало влияет на понижение пластичности металла. Железо ухудшает механические свойства титана, только если его содержится 0,5% и выше. Другие металлы почти не воздействуют на эти свойства.

Итак, чистый читан - это твердый, прочный, пластичный, достаточно вязкий и упругий металл. Твердость его по шкале Бринеля составляет около 1000 мн/м 2 . Для сравнения укажем, что железо имеет всего 350-450 мн/м 2 , медь - 350, магний литой - 294, магний деформированный - 353, а алюминий - всего 170 мн/м 2 . Модуль нормальной упругости титана 108 тыс. мн/м 2 , по упругости он лишь немного уступает меди и стали, но является более упругим, чем алюминий и магний.

Титан имеет высокий предел текучести - примерно 250 мн/м 2 . Это выше в 2,5 раза, чем у железа, в 3 раза, чем у меди, и почти в 20 раз, чем у алюминия. Следовательно, титан лучше этих металлов сопротивляется сминающим ударим и другим нагрузкам, способным деформировать титановые детали.

Высота и вязкость титана. Он отлично противостоит воздействию сколовых и сдвиговых ударов и нагрузок. Этой выносливостью объясняется еще одно замечательное свойство титана - исключительная стойкость его в условиях кавитации, т. е. при усиленной "бомбардировке" металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в жидкой среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы, и металлы в том числе, а вот титан прекрасно противостоит кавитации.

Испытания в морской воде быстровращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения, а, следовательно, и кавитация максимальны, не изменились. Другие диски не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежденными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан обладает еще одним удивительным свойством - "памятью". В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем) он "запоминает" форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство титана широко используется в космической технике (на корабле разворачиваются вынесенные в космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные). Недавно это свойство титана стали использовать медики для бескровных операции на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из титанового сплава, а потом она, разогреваясь до температуры тела, скручивается в первоначальную пружинку и расширяет сосуд.

Заслуживают внимания температурные, электрические и магнитные свойства титана. Он обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(м К), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз - магния, в 17-20 раз - алюминия и меда. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных металлов: при комнатной температуре (20° С) у титана он равен 8,5 10 -6 /°С, у железа - 11,7 10 -6 /°С, у меди- 17 10 -6 /°С, у алюминия - 23,9/°С. Сравнительно невелика и электропроводность титана. Объясняется, это свойство довольно высоким электрическим сопротивлением титана: при комнатной температуре оно составляет 42,1 10 -6 Ом см. С повышением температуры электросопротивление титана еще больше увеличивается, а с понижением ее резко надает, вблизи абсолютного нуля титан становится сверхпроводимым.

Титан - типичный парамагнетик, его магнитная восприимчивость при 20° С всего 3,2±0,4 10 -6 ед. Как известно, парамагнитными являются алюминий и магний, а вот медь диамагнитна, железо - ферромагнетик.

Мы рассмотрели химические и физические свойства титана, которые в целом благоприятствуют широкому использованию этого металла. Однако у титана есть немало и отрицательных качеств. Например, он может самовозгораться, а в некоторых случаях даже и взрываться.

Уже говорилось, что в концентрированной азотной кислоте титан исключительно стоек, а вот в красной дымящей, пересыщенной окислами азота, защитная пленка диоксида титана на поверхности металла моментально разрушается и чистый титан начинает реагировать с кислотой со взрывом. Такая реакция была причиной взрыва титановых топливных баков одной из американских космических ракет. Со взрывом реагирует титан и с сухим хлором. Есть способ предотвратить эти взрывные реакции. Стоит добавить в дымящую красную азотную кислоту всего 1-2% воды, а в сухой хлор и того меньше - 0,5-1%, и на поверхности металла тут же появится защитная пленка. Дальнейшее окисление титана предотвратится и взрыва не произойдет.

В виде тонкой стружки, опилок или порошка титан может самовозгораться даже без подвода тепла извне. Такие случаи наблюдались при его испытаниях на разрыв в атмосфере кислорода в момент разрыва. Это объясняется опять-таки высокой активностью свежей, неокисленной поверхности титана и сильной экзотермичностью реакции его взаимодействии с кислородом.

Титан может гореть не только в атмосфере кислорода, но даже в атмосфере азота, являющегося также сильным окислителем титана. Поэтому гасить горящий титан азотом, как и водой, углекислым газом, нельзя: они разлагаются, выделяя кислород, который затем взаимодействует с раскаленным титаном и дает взрыв.

Еще одним недостатком титана является его способность сохранять высокие физико-механические свойства лишь до температуры 400-450° С, а с добавками некоторых легирующих металлов - до 600° С, и здесь у него есть серьезные конкуренты - жаропрочные спецстали. Однако в минусовом диапазоне температур титану равных нет. Железо становится хрупким уже при температуре -40° С, специальные низкотемпературные стали - ниже -100° С. А вот титан и его сплавы не разрушаются при температурах до -253° С (в жидком водороде) и даже до -260° С (в жидком гелии). Это очень важное свойство титана открывает ему большие перспективы для использования в криогенной технике и для работы в космическом пространстве.

Титан реагирует со многими металлами. При трении с деталями из более мягкого металла титан может срывать с них металлические частицы и прилеплять к себе металл, а из более твердого, наоборот, частицы титана будут срываться с титановой детали и покрывать другую деталь. Причем никакая жировая или масляная смазка не помогает исключить взаимоналипание частиц. В течение небольшого времени это явление можно ослабить, лишь применив в качестве смазки чешуйчатые молибденит или графит. А вот сваривается титан с другими металлами очень плохо. Практически полностью эта проблема пока не решена, хотя сварка титановых изделий проходит отлично.

Титан - твердый металл, как мы уже знаем, тверже железа, алюминия, меди. Но все же не тверже специальных, особотвёрдых инструментальных сталей, из которых делают острые инструменты, ножи, скальпели. Здесь титан неприменим.

Титан - плохой проводник электричества и тепла. Проводов из него не сделаешь, а вот то, что он один из очень немногих металлов является при низких температурах сверхпроводником электричества, открывает ему большие перспективы в электрической технике передачи энергии на большие расстояния.

Титан - парамагнитный металл: он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойства можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.

Итак, титан имеет больше достоинств, чем недостатков, и то, что он по иным характеристикам уступает некоторым специальным сталям и сплавам, компенсируется одним важнейшим обстоятельством. Легкость, прочность, пластичность, твердость, стойкость и многие другие качества соединены в одном металле так органично, что это сулит титану большое будущее.

Прежде чем рассказать, как используются титан, его сплавы и соединения сегодня и какие перспективы открываются перед этим металлом в недалеком завтра, рассмотрим подробно, как распространен этот удивительный металл в нашей Вселенной, на планете Земля, в каком виде встречается в породах земной коры, какие месторождения образует, как добываются, обогащаются руды, перерабатываются концентраты. Проследим долгий и нелегкий путь получения чистого титана, его обработки и использования человеком.

Заболевания