Титан что это за металл

29.05.2019 VT-METALL

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Каковы свойства титана
• Что добавляют в титан для получения сплава
• Каковы свойства сплавов титана
• Где используют титан и его сплавы

Титановые сплавы обладают таким количеством преимуществ, что это выгодно отличает их от других соединений.

Высокая удельная прочность, устойчивость к повышенным температурам, стойкость к коррозии, податливость к сварке – эти и многие другие свойства титана и его сплавов сделали эти материалы особо ценными в сфере металлообработки. В нашей статье мы подробнее рассмотрим все свойства этого удивительного металла.

Характеристики титана

В таблице Менделеева Титан (Ti) можно найти под номером 22. Этот металл и его сплавы являются четырехвалентными. Кипение достигается при температуре +3330 °С, а плавление при +1168 °С.

Выделяют два вида титана, которые имеют идентичный химический состав при разном строении. Это обуславливает отличия в их свойствах. Низкотемпературная α-модификация сохраняет устойчивость только до температуры +882,5 °С, β-модификация может выдерживать большую температуру и сохраняет устойчивость до температуры плавления.

Титан и его сплавы парамагнитны. Удельное электросопротивление этого материала достаточно высоко 5.562*10-7–7.837*10-7 Ом/м. Он отличается низкой восприимчивостью температуры при нагревании. В случае снижения температуры до 0,45 К, титан становится проводником. Сталь и титан внешне очень похожи.

VT-metall предлагает услуги:

Порошковая покраска металла

Если сравнивать титан с алюминием или железом, то его плотность и удельная теплоемкость находятся где-то посередине. Зато он обладает высокой механической прочностью, превосходя в этом параметре алюминий в 6 раз, а чистое железо в 13 раз. Данный материал может быть представлен в любой форме: листами, плитами, трубами и прутками.

Механические и технические свойства титана и его сплавов, а также их химический состав определяются маркой материала. В его состав могут входить следующие элементы:

• алюминий;
• молибден;
• ванадий;
• марганец;
• хром;
• олово;
• кремний;
• цирконий;
• железо.

Стандартно выделяются три категории титановых сплавов:

1. Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы. Имеют очень твердый состав, благодаря которому достигается идеальный баланс пластичности и прочности.
2. Жаропрочные титановые сплавы. Имеют твердый состав, включающий в себя определенное количество химического соединения, что несколько снижает пластичность, зато придает высокую жаропрочность.
3. Титановые сплавы на основе химического соединения. Этот жаропрочный состав имеет малую плотность и может составить конкуренцию никелевым соединениям по жаропрочности при определенной температуре.

Сейчас Ti очень широко используют в конструкционной деятельности. Еще 200 лет назад его считали неподходящим для конструирования, но прошло время, и на данный момент это один из самых долговечных и надежных материалов с широким спектром других полезных свойств.

Рассмотрим подробнее самые популярные сплавы титана, их свойства и применение:

Технический титан. Полуфабрикаты технического Ti марок ВТ1-00 и ВТ1-0 поставляются в большом количестве металлургическими заводами. В состав этих марок входят примеси железа, азота, кремния, кислорода, углерода и пр.

При этом в разновидности ВТ1-0 примесей значительно больше, чем обуславливается его большая прочность и меньшая пластичность по сравнению со второй маркой.

Высокая пластичность этих марок позволяет изготавливать тончайшие изделия, включая фольгу.

Эти материалы не обладают высокой прочностью, поэтому для ее увеличения можно выполнить нагартовку. Правда, при этом снизится пластичность.

Нагартовка не является оптимальным методом улучшения свойств данного металла, поскольку пластичность снижается гораздо сильнее, чем повышается прочность. Еще одним недостатком технического Ti является водородная хрупкость.

Важно следить за тем, чтобы содержание водорода не превышало 0,008 % в титане ВТ1-00 и 0,01 % в ВТ1-0.

Для легирования сплава ВТ5 (ВТ5Л) использовали лишь алюминий, который является самым распространенным легирующим средством. Особые свойства алюминия привели его к лидирующим позициям среди всех лигирующих добавок:

1. алюминий является природным материалом, который можно легко найти и стоит недорого;
2. меньшая по сравнению с Ti плотность алюминия позволяет значительно повышать удельную прочность получаемого состава;
3. чем больше в составе алюминия, тем более жаропрочное соединение получается, также увеличивается сопротивление ползучести соединения;
4. включение в состав алюминия позволяет улучшить показатели модулей упругости;
5. повышение объема алюминия в соединении снижает их водородную хрупкость.

По сравнению с техническим Ti, для марки ВТ5 характерны такие свойства, как большая прочность и жароустойчивость. Улучшение данных свойств приводит к снижению технологической пластичности Ti.

Соединение ВТ5 в горячем состоянии может быть подвергнуто штамповке, ковке и прокату, что позволяет производить профильную, прутковую и штамповочную продукцию.

Но основной сферой применения является фасонное литье (марка ВТ5Л), а не металл в деформированном состоянии.

Соединение ВТ5-1 включено в систему Ti-Al-Sn. Технологические свойства титана и его сплавов с алюминием улучшаются за счет олова. Это приводит к снижению окислительных процессов и увеличению сопротивления ползучести.

Прочностные свойства этого сплава титана позволяют отнести его к соединениям средней прочности. При этом ВТ5-1 не поддается надрезам, предел его выносливости с достаточным запасом, уровень жаропрочности достигает +450 °С.

С технологической точки зрения ВТ5-1 более предпочтителен (по сравнению с ВТ5). Основная сфера применения: поковки, листы, профили, плиты, штамповки, трубы, проволока и другие виды полуфабрикатов, производимых под давлением.

Соединение образуется путем сваривания. При этом основной материал и сварное соединение обладают одинаковой прочностью. Воздействие высокой температурой не повышает прочности ВТ5-1.

Если необходимо работать при криогенных температурах, то надо контролировать содержание примесей в материале, поскольку превышение допустимого порога может приводить к повышению хладноломкости. Маркировка ВТ5-1кт обозначает состав с пониженным содержанием примесей.

В европейских странах соединение Ti-5A1-2,5Sn используют двумя способами: по стандартному назначению и для работы при криогенных температурах. Состав для криогенной работы маркируют Ti-5AI-2,5Sn ELI и также для поддержания его свойств следят за уровнем примесей.

Высокотехнологичное соединение с малой прочностью маркируют ОТ4-0. Под давлением в результате горячей обработки марганец способен повысить технологичность состава. Это сплав титана псевдо-α-класса с небольшим количеством β-фазы.

Не подлежит термическому упрочнению. Сфера применения: поковки, листы, прутки, ленты, штамповки и полосы. Легко принимает нужную форму при холодной и горячей обработке. Допускается даже штамповка в условиях комнатной температуры.

Свойства материала прекрасно подходят для сварочных работ.

Среди наиболее технологичных можно выделить сплав титана ОТ4-1. Обладает следующими свойствами: малопрочный, малолегированный псевдо-α-класса системы Ti-Al-Mn, прекрасно деформируется. Можно менять форму этого титанового сплава как в горячем, так и в холодном состоянии. Сфера применения: поковки, листы, профили, плиты, ленты, прутки, полосы и трубы.

На холодную в основном выполняется листовая штамповка, не требующая сложной формы. Если необходимо изготовить более сложную по форме деталь, то желательно подогреть материал до +500 °С. Свойства ОТ4-1 позволяют использовать его для выполнения сварочных работ любым способом. При этом основной металл и сварное соединение будут обладать одинаковой прочностью и пластичностью.

Для полного отжига необходима температура +640…+690 °С (подходит для изготовления листовых полуфабрикатов и их производных) и +740…+790 °С (для изготовления поковок, прутков, штамповки и пр.).

Для неполного отжига достаточно температуры +520…+560 °С. Среди свойств, которые понижают ценность данного сплава, можно выделить невысокую прочность и излишнюю водородную хрупкость (для поддержания оптимальных свойств металла необходимо содержание водорода не более 0,005 %).

Сферы применения титана и его сплавов

Свойства титана и его сплавов нашли широкое применение в ракетной, авиационной и судостроительной отраслях. Титан и ферротитан являются лигирующими добавками к стали. Кроме этого, они могут выступать в качестве раскислителя.

Широкое распространение технический титан получил при изготовлении изделий, подвергающихся агрессивному воздействию среды (например, трубопроводы, клапаны, химические реакторы, арматура и пр.). Даже в электровакуумных приборах, работа которых тесно связана с высокой температурой, сетки и некоторые другие детали изготовлены из этого устойчивого материала.

Среди конструкционных материалов титан занимает четвертое место (после железа, алюминия и магния).

Важным свойством титанового сплава с алюминием является высокая стойкость к окислению и повышению температуры, что особенно актуально для авиационной и автомобильной промышленности.

Пищевая промышленность и восстановительная хирургия по достоинству оценили такое свойство этого материала, как биологическая безопасность для здоровья человека.

Разнообразие свойств титана и его сплавов довольно широко: высокая механическая прочность, устойчивость к повышению температуры, удельная прочность, стойкость к коррозии, низкая плотность и многие другие.

Несмотря на высокую стоимость этого металла, затраты могут быть компенсированы более длительным сроком эксплуатации. А в некоторых ситуациях только этот материал способен выдержать работу в конкретных условиях.

Для авиастроения большое значение имеет такое свойство, как легкость материала в сочетании с высокой прочностью. Возможность использовать легкий Ti для работы в среде, где преобладают высокие температуры, выгодно отличает его от алюминия.

Эти свойства титана и его сплавов позволяют использовать их при изготовлении обшивки самолетов, деталей шасси и крепления, и даже для конструирования реактивных двигателей. При этом масса изделия снижается на 10–25 %.

Элементы воздухозаборников, лопатки и диски компрессоров, крепеж и многие другие детали производятся именно из титановых сплавов.

Ракетостроение также не обходится без данного материала, поскольку здесь необходимо решать сразу несколько проблем, возникающих из-за слишком малого срока работы двигателей при быстром прохождении плотных слоев атмосферы. Такие проблемы, как статическая выносливость, ползучесть и усталостная прочность, можно преодолеть за счет использования титана.

Свойства технического титана не соответствует в полной мере запросам авиационной отрасли, поскольку он не обладает достаточной тепловой прочностью. Зато его свойство сопротивляться коррозии нашло свое применение в судостроительной и химической промышленности. Здесь с его помощью изготавливают насосы для перекачки кислоты или соли, компрессоры, трубопроводы и запорную арматуру.

Емкости и фильтры из этого материала не поддаются негативному влиянию серной и соляной кислоты, а также растворам хлора. Помимо этого, Ti входит в состав материала для изготовления теплообменников, работающих в агрессивной среде (к примеру, в азотной кислоте).

В области судостроения его можно встретить в обшивке подводных лодок и других кораблей, в материале торпед и гребных винтов. Удивительные свойства титана и его сплавов способствуют тому, что ракушки просто не налипают на такие детали.

Вследствие этого снижается сопротивление судна во время движения.

Повсеместное использование соединений этого металла могло бы приобрести колоссальные темпы, если бы не его высокая стоимость и малая распространенность.

В промышленности соединения титана используются с разными целями в зависимости от их свойств. Так, высокая твердость карбида позволяет изготавливать из него режущие инструменты и абразивы. В производстве бумаги и пластика нашел свое применение белый диоксид. Кроме этого, с помощью него изготавливаются титановые белила.

В лакокрасочной и химической промышленности титаноорганические соединения используются как отвердитель и катализатор.

Также в качестве добавки Ti применяют в химической, стекловолоконной и электронной промышленности, где идут в дело его неорганические соединения.

Из нитрида титана изготавливают специальное покрытие для инструментов, а для обработки металлов чаще используют диборид как компонент, придающий твердость.

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Титан как химический элемент таблицы Менделеева

Т Титан является химическим элементом таблицы Менделеева с атомным номером 22 и условным обозначением Ti. Титан представляет собой легкий прочный металл серебристо-белого цвета.

Как был открыт Титан

История открытия такого химического элемента как титан начинается в XVIII веке. Считается, что впервые этот химический элемент был обнаружен священнослужителем и минерологом Уильямом Грегором. По историческим сведениям, священнослужитель нашел черный песок и заметил, что какая-то его часть притягивается магнитом, а какая-то оостается неподвижной, он решил ее тщательно изучить. Анализируя составляющие найденного черного песка он обнаружил оксиды двух металлов. Одним из них был оксид железа — та часть которая притягивалась магнитом. Вторую же часть Грегор не смог индефицировать, потому что он не попадал ни под одно описание. Уильям сообщил о своей находке в Королевское геологическое сообщество Корнуолла. Статья об этом событии была опубликована в одном из немецких научных журналов.

Примерно в то же время, австрийский минеролог Франц-Иосиф Мюллер фон Райхенштейн произвел подобное вещество, но он не смог установить факт того, что это новый химический элемент.

Еще раз оксид титана был открыт немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом в Рутиле (современная Венгрия) в 1795 году. Он обнаружил, что в оксиде содержится новый химический элемент и назвал его Титаном в честь богов греческой мифологии.

Услышав об открытии Грегора, Клапрот исследовал образец манакканита. Проведя опыты, он подтвердил, что минерал содержит титан.

Известные на сегодняшний день способы извлечения титана из минералов являются трудоемкими и дорогостоящими. Чистый химический элемент (99%) впервые был получен только в 1910 году ученым родом из Новой Зеландии.

В американском политехническом институте Ренсселера (Нью-Йорк, США) Мэтью Хантер нагрел хлорид титана до температуры около 800°C  под большим давлением и добавил Натрий. В результате химической реакции получился хлорид натрия и очищенный титан. Сегодня эта химическая реакция известна во всем мире как процесс Хантера.

В 1932 году Уильям Джастин Кролл улучшил процесс Хантера заменив натрий магнием. Эта реакция получила название процесс Кролла.

Где и как добывают Титан

Технологический процесс получения чистого титана является очень трудоемким и дорогостоящим. Так как этот химический элемент практически не встречается в природе в чистом виде его получают из таких минералов как ильменит и рутил. Ильменит представляет собой титановую железную руду, которая добывается в больших количествах во многих местах. Лидерами по добыче ильменита являются Россия и Канада. Рутил в свою очередь представляет собой диоксид титана. Рутил является так же как и ильменит довольно распространенным минералом и лидером по его добыче является африканская страна Сьера-Леоне.

В целом процесс получения чистого титана со времен открытия процесса Кролла не сильно изменился.

Так же из ильменита и рутила получают диоксид титана, а после этого его превращают в тетрахлорид титана и монооксид углерода под высоким давлением и температурой.

В ходе химической реакции добавляют жидкий магний и соответственно выделяется чистый титан. Формулы реакций выглядят следующим образом:

FeTiO3+C —> Fe + TiO2 + CO
TiO2+2C+2Cl2 —> TiCl4 + 2CO
TiCl4 + 2Mg —> Ti + 2MgCl2

Этот процесс известен как процесс Кролла. Вместо магния на последнем этапе можно использовать натрий:

TiCl4 + 4Na —> Ti + 2NaCl

Эта рекция с натрием известна как процесс Хантера.

На сегодняшний день крупнейшим производителем титана и титановых сплавов является Российская Федерация.

Распространенность Титана

Распространенность титана вопрос довольно неопределенный, так как оценка распространенности во Вселенной не произведена. На Земле титан встречается исключительно в земной коре. Этот химический элемент занимает девятую строчку по распространенности по массе. В основном он встречается в минералах и представляет там соединения с кислородом и другими элементами. Самыми известными и важными минералами являются:

• Ильменит;
• Лейкосы;
• Рутил;
• Титанит;
• Перовскит;
• Анатаз;
• Брукит.

Основными месторождениями этих минералов являются Россия, Австралия, страны Скандинавии, Малайзия и Северная Америка. В 2010 году были обнаружены крупные месторождения в Парагвае. Их использование планируют начать в ближайшее время.

Что касается Вселенной, то, как говорилось выше, произвести оценку распространенности достаточно проблематично. Известно, что титан обнаружен на Солнце и на звездах спектрального класса М.

Так же во многих метеоритах падавших на Землю был обнаружен титан. Образцы грунта собраного экспедициями на Луне, так же подтверждают наличие титана на спутнике Земли.

В общем, подведя итоги, можно отметить что оценка распространенности еще не произведена, но редким элементом во Вселенной титан точно не будет.

Применение Титана

Не смотря на дороговизну изготовления титана, благодаря химическим и физическим свойствам его применение очень широкое. Наиболее часто применяется оксид титана. Титан применяется почти во всех сферах деятельности человека, начиная от металлургии и заканчивая медициной. В металлургии титан применяется в качестве добавки к другим веществам для улучшения их свойств. Сплавы на основе титана являются очень дорогими. Их цена оценивается приблизительно в 25 американских долларов за килограмм. В свою очередь сплавы из титана применяются там где необходима корозийная устойчивость и прочность.

Примером является военное дело, где из титана производятся бронежилеты и каски. Так же несущие винты морских судов изготавливаются исключительно из этого химического элемента. Сплавы титана широко применяются в медицине, так как они биосовместимы с человеческим организмом. Они не вызывают аллергической реакции и отторжения организмом.

Поэтому из сплавов титана производят импланты для организма человека, такие как зубы и искуственные кости человека. Так же в транспортной промышленности сплавы титана используются для изготовления каркаса велосипедов, автомобильных торсионов(пружин) и других запасных частей.

В пищевой промышленности ионы титана содержатся в некоторых пищевых добавках. Еще одним примером применения являются электронные сигареты в которых титановая проволока выступает как нагревательный элемент курительной жидкости. В электронике некоторые компании выпускали устройства с титановыми корпусами(мобильные телефоны и ноутбуки).

Так же и некоторые драгоценные изделия  изготавливаются с использованием титана.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с титаном достаточно много. Стоит начать с того, что гонг(музыкальный инструмент) изготовлен из чистого титана. Трубы изготавливаемые для перекачки нефти и газа производятся из титана из-за его прочности и короззийной устойчивости. Еще одним интересным моментом является то, что титан в виде порошка является легковоспламеняющимся веществом. Соединения на основе титанового порошка используются в пиротехнии. Так же титан используется в качестве электрода в литиевых и литий-ионных батареях.

Титан

Титан — элемент побочной подгруппы четвертой группы, четвертого периода таблицы Менделеева, атомный номер — 22, обозначается символом Ti. Является девятым по распространенности элемент земной коры. Встречается в основном в минералах рутените (TiO 2) и ильмените (FeTiO 3). Около 0,57% земной коры состоит из титана.

• Внешний вид элемента — легкий металл серебристого оттенка.
• Температура плавления – 1933 К.
• Температура кипения – 3560 К.
• Структура решетки — гексагональная.

Титан достаточно вязкий металл и склонен к налипанию на режущий предмет, поэтому при работе с ним нужны специальные смазки. Обладает пластичностью, может свариваться в инертной среде, коррозионностоек (за исключением щелочной среды).

Внимание! Пыль титана может взрываться, а титановая стружка пожароопасна! 400 градусов С — температура вспышки!

История открытия титана

Открытие произошло практически одновременно у двух ученых. Английский ученый У. Грегор и химик из Германии М. Г. Клапрот независимо друг от друга выделили титан.

Грегор исследовал магнитный железный песок и смог выделить оксид еще неизвестного металла, а Клапрот нашел его в рутиле. Лишь спустя два года ученые выяснили, что нашли одно и то же вещество.

Но самое интересное, что титан был «открыт» и в третий раз французским ученым Вокленом в анатазе.

В 1825 году Берцелиус смог получить первый металлический титан. Но лишь в 1925 году был получен образец чистого металла с помощью термического разложения паров иодида титана.

Наверное, нетрудно догадаться в честь кого получил свое название данный элемент? Верно, так звали персонажей мифологии Древней Греции – титанов, детей Геры.

Месторождения

Есть ряд стран, где концентрируются месторождения титана: Россия, Япония, Австралия, Индия, Бразилия и др.

Наша страна после Китая обладает вторыми в мире запасами титана. Без учета России и учитывая нынешний темп добычи разведанных месторождений, его хватит где-то на 150 лет.

Применение 

Титан — твердый и легкий металл. Он тверже стали и вдвое тверже алюминия. Но он на 45% легче стали и на 60% тяжелее алюминия. Титан плохо поддается коррозии в морской воде и поэтому используется для гребных винтов и других деталей, контактирующих с водой. 

Поскольку титан не вступает в реакцию в организме человека, его используют для протезирования тазобедренных суставов, костных материалов или кардиостимуляторов, которые не нужно заменять в течение длительного времени. К сожалению, данное применение ограничено чрезвычайно высокой стоимостью самого материала.

Оксид титана (TiO 2) используется как белый пигмент при производстве красок, пластмасс, бумаги, волокон и косметики. Однако большая часть производимого металла используется для изготовления авиационных двигателей и корпусов, поскольку он имеет отличное соотношение прочности и веса.

Также титан добавляется в сплавы, например, при производстве нержавеющей стали. Карбид титана используется для изготовления режущих инструментов, тогда как хлорид титана используется в качестве катализатора и сырья для искусственного тумана и пигментов из диоксида титана.

Получение

Как правило, для производства титана служит его диоксид с примесями.

Например, рутиловый концентрат, полученный при обогащении титановых руд, но его запасы ограничены и поэтому применяют синтетический рутил из ильменитовых концентратов.

С помощью пирометаллургического способа концентрат титановых руд подвергают обработке, и, полученную  титановую «губку», переплавляют и подвергают очищению.

Применяя иодидный способ или электролиз титан рафинируют, а чтобы получить титановые слитки применяют электроннолучевую, дуговую или плазменную переработки.

Влияние титана на здоровье

Элементарный титан и диоксид титана имеют низкий уровень токсичности. У лабораторных животных (крыс), подвергшихся воздействию и вдыханию титановой пыли, были повреждены легкие, в результате чего образовались отложения насыщенного темного цвета. 

Вдыхание пыли может вызвать кашель, боль и спазмы в груди, а также привести к проблемам с дыханием. Попадание на кожу или в глаза может вызвать местное воспаление.

Канцерогенность

Международное агентство по изучению рака (IARC) отнесло диоксид титана к 3 группе (соединение не может быть идентифицировано как канцерогенное).

Воздействие титана на окружающую среду

Титан не оказывает негативного воздействия на окружающую среду.

Титан (Ti) и вода

Морская вода содержит 1 часть на миллиард титана с концентрацией фитопланктона около 30 частей на миллион (в пересчете на сухое вещество). С другой стороны, речная вода обычно содержит всего около 3 частей на миллиард.

Как и в каких соединениях титан реагирует с водой?

Металлический титан имеет оксидный слой на своей поверхности, который защищает его от реакций с окружающей средой. Если он повреждается, то очень быстро восстанавливается. Это происходит не только в воздухе, но и в воде.  Некоторые соединения титана, такие как хлорид титана, гидролизуются в воде.

Растворимость титана и / или его соединений в воде

Сам титан защищен оксидным слоем и поэтому не растворяется в воде. Соединения титана также обычно плохо растворимы в воде или, как карбид титана и диоксид титана, полностью нерастворимы.

Как титан может попасть в воду?

Титан входит в состав различных горных пород, таких как рутил, анатаз, ильменит, титанит и брукит, и поэтому его также можно найти в почве. Однако диоксид титана и другие соединения титана являются одними из самых стабильных компонентов почвы, поэтому, несмотря на возможные процессы выветривания, лишь небольшая часть может попадать в воду.

Титан

Титан — 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 коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

История открытия титана

Оксид титана TiO2 впервые был обнаружен в 1789 году английским ученым, специалистом в области минералогии У. Грегором, который при исследовании магнитного железистого песка выделил окись неизвестного металла, назвав ее менакеновой. Первый образец металлического титана получил в 1825 году шведский химик и минераловед Й. Я. Берцелиус.

Свойства титана

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен.

По внешнему виду 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.

Известны две аллотропические модификации титана (две разновидности титана, имеющие одинаковый химический состав, но различное строение и свойства). Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 °С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С и до температуры плавления.

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.

Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза — железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. Модули упругости характеризуют способность материала упруго деформироваться при приложении к нему силы. Анизотропия заключается в различии свойств упругости в зависимости от направления действия силы.

С повышением температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана — существенный его недостаток, т.к.

в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.

Титан — парамагнитный металл. Обычно у парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании уменьшается. Магнитная восприимчивость характеризует связь между намагниченностью вещества и магнитным полем в этом веществе. Титан составляет исключение из этого правила — его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)

Плотность r , кг/м3

Температура плавления Тпл, ° С

Коэффициент линейного расширения a  ×  10–6, град–1

Теплопроводность l , Вт/(м × град)

Предел прочности при растяжении s в, МПа

Условный предел текучести s 0,2, МПа

Удельная прочность (s в/r × g)× 10–3, км

Относительное удлинение d , %

Относительное сужение Y , %

Модуль нормальной упругости Е´ 10–3, МПа

Модуль сдвига G´ 10–3, МПа

Коэффициент Пуассона m ,

Твердость НВ

Ударная вязкость KCU, Дж/см2

4,5 × 10–3
1668± 4
8,9
16,76
300–450
250–380
7–10
25–30
50–60
110,25
41
0,32
103
120

Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний.

Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы.

При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.

Поэтому содержание примесей, особенно газов, в титане и титановых сплавах (табл. 17.1, 17.2) строго ограничено.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод).

Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок: ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-ТВ (см. табл. 17.1).

Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, ТВ — твердый.

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: s в = 375–540 МПа, s 0,2 = 295–410 МПа, d ³ 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей.

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому сотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов (подробнее см. гл. 13).

При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) — почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO2, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм.

Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой) (см. гл. 3).

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется.

Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения.

Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Таблица 17.1

Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)

Марка Ti, не менее Не более Твердость НВ,10/1500/30, не более Fe Si Ni C Cl N O

ТГ-90	99,74	0,05	0,01	0,04	0,02	0,08	0,02	0,04	90
ТГ-100	99,72	0,06	0,01	0,04	0,03	0,08	0,02	0,04	100
ТГ-110	99,67	0,09	0,02	0,04	0,03	0,08	0,02	0,05	110
ТГ-120	99,64	0,11	0,02	0,04	0,03	0,08	0,02	0,06	120
ТГ-130	99,56	0,13	0,03	0,04	0,03	0,10	0,03	0,08	130
ТГ-150	99,45	0,2	0,03	0,04	0,03	0,12	0,03	0,10	150
ТГ-Тв	99,75	1,9	–	–	0,10	0,15	0,10	–	–

Таблица 17.2

Марки и химический состав (%) деформируемых титановых сплавов (ГОСТ 19807–91)

Обозначениямарок Ti Al V Mo Sn Zr Mn Cr Si Fe O H N C

ВТ1-00	Основа	–	–	–	–	–	–	–	0,08	0,15	0,10	0,008	0,04	0,05
ВТ1-0	То же	–	–	–	–	–	–	–	0,10	0,25	0,20	0,010	0,04	0,07
ВТ1-2	То же	–	–	–	–	–	–	–	0,15	1,5	0,30	0,010	0,15	0,10
ОТ4-0	То же	0,4–1,4	–	–	–	0,30	0,5–1,3	–	0,12	0,30	0,15	0,012	0,05	0,10
ОТ4-1	То же	1,5–2,5	–	–	–	0,30	0,7–2,0	–	0,12	0,30	0,15	0,012	0,05	0,10
ОТ4	То же	3,5–5,0	–	–	–	0,30	0,8–2,0	–	0,12	0,30	0,15	0,012	0,05	0,10
ВТ5	То же	4,5–6,2	1,2	0,8	–	0,30	–	–	0,12	0,30	0,20	0,015	0,05	0,10
ВТ5-1	То же	4,3–6,0	1,0	–	2,0 –3,0	0,30	–	–	0,12	0,30	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ6	То же	5,3–6,8	3,5–5,3	–	–	0,30	–	–	0,10	0,60	0,20	0,015	0,05	0,10
ВТ6с	То же	5,3–6,5	3,5–4,5	–	–	0,30	–	–	0,15	0,25	0,15	0,015	0,04	0,10
ВТ3-1	То же	5,5–7,0	–	2,0–3,0	–	0,50	–	0,8–2,0	0,15–0,40	0,2–0,7	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ8	То же	5,8–7,0	–	2,8–3,8	–	0,50	–	–	0,20–0,40	0,30	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ9	То же	5,8–7,0	–	2,8–3,8	–	1,0–2,0	–	–	0,20–0,35	0,25	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ14	То же	3,5–6,3	0,9–1,9	2,5–3,8	–	0,30	–	–	0,15	0,25	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ20	То же	5,5–7,0	0,8–2,5	0,5–2,0	–	1,5–2,5	–	–	0,15	0,25	0,15	0,015	0,05	0,10
ВТ22	То же	4,4–5,7	4,0–5,5	4,0–5,5	–	0,30	–	0,5–1,5	0,15	0,5–1,5	0,18	0,015	0,05	0,10
ПТ-7М	То же	1,8–2,5	–	–	–	2,0–3,0	–	–	0,12	0,25	0,15	0,006	0,04	0,10
ПТ-3В	То же	3,5–5,0	1,2–2,5	–	–	0,30	–	–	0,12	0,25	0,15	0,006	0,04	0,10
АТ3	То же	2,0–3,5	–	–	–	–	–	0,2–0,5	0,20–0,40	0,2–0,5	0,15	0,008	0,05	0,10

Примечание. Сумма прочих примесей во всех сплавах составляет 0,30 %, в сплаве ВТ1-00 — 0,10 %.