Особливості титану як металу із чудовою корозійною стійкістю. Фізичні характеристики та властивості одного з найтвердіших металів – титану

- Елемент 4 групи 4 періоду. Перехідний метал, виявляє і основні, і кислотні властивості, досить поширений у природі – 10 місце. Найбільш цікавим для народного господарстває поєднання високої твердості металу та легкості, що робить його незамінним елементом для авіабудування. Дана стаття розповість вам про маркування, легуючі та інші властивості металу титану, дасть загальну характеристикута цікаві факти про нього.

На вигляд метал найбільше нагадує сталь, проте механічні його якості вищі. При цьому титан відрізняється малою вагою – молекулярна маса 22. Фізичні властивості елемента вивчені досить добре, проте сильно залежать від чистоти металу, що призводить до суттєвих відхилень.

Крім того, має значення його специфічні хімічні властивості. Титан стійкий до лугів, азотної кислоти, і в той же час бурхливо взаємодіє з сухими галогенами, а за більш високої температури – з киснем та азотом. Гірше того, він починає поглинати водень ще за кімнатної температури, якщо є активна поверхня. На розплаві вбирає кисень і водень настільки інтенсивно, що розплавлення доводиться проводити у вакуумі.

Ще одна важлива особливість, що визначає фізичні характеристики – існування двох фаз стану.

• Низькотемпературна– α-Ti має гексагональну щільноупаковану решітку, щільність речовини – 4,55 г/куб. см (при 20°С).
• Високотемпературна– β-Ti характеризується об'ємно-центрованим кубічними гратами, щільність фази, відповідно, менша – 4, 32 г/куб. див. (при 900С).

Температура фазового переходу – 883°С.

За звичайних умов метал покривається захисною оксидною плівкою. За її відсутності титан становить велику небезпеку. Так, титанова пил може вибухати, температура такого спалаху 400С. Титанова стружка є пожежонебезпечним матеріалом і зберігається у спеціальному середовищі.

Про структуру та властивості титану розповідає відео нижче:

Властивості та характеристики титану

Титан на сьогодні є найміцнішим серед усіх існуючих технічних матеріалів, тому, незважаючи на складність отримання та високі вимоги до безпеки, застосовується досить широко. Фізичні характеристики елемента досить незвичайні, проте дуже залежить від чистоти. Так, чистий титан і сплави активно застосовуються в ракето-і авіабудуванні, а технічний непридатний, оскільки через домішки втрачає міцність за високих температур.

Щільність металу

Щільність речовини змінюється в залежності від температури та фази.

• При температурі від 0 до температури плавлення зменшується від 4,51 до 4,26 г/куб. см, причому під час фазового переходу підвищуєте на 0,15%, а потім знову зменшується.
• Щільність рідкого металу складає 4,12 г/куб. см, а потім зменшується із підвищенням температури.

Температури плавлення та кипіння

Фазовий перехід поділяє всі властивості металу на якості, які може виявляти α- та β-фази. Так, щільність до 883 С, відноситься до якостей α-фази, а температури плавлення та кипіння – до параметрів β-фази.

• Температура плавлення титану (у градусах) становить 1668+/-5°С;
• Температура кипіння сягає 3227°С.

Горіння титану розглянуто у цьому відеоролику:

Механічні особливості

Титан приблизно в 2 рази міцніший заліза і в 6 разів - алюміній, що і робить його таким цінним конструкційним матеріалом. Показники відносяться до властивостей α-фази.

• Межа міцності речовини при розтягуванні становить 300-450 МПа. Показник можна збільшити до 2000 МПа, додавши деякі елементи, а також вдавшись до спеціальної обробки – загартування та старіння.

Цікаво те, що високу питому міцність титан зберігає і за найнижчих температур. Понад те, при зниженні температури міцність на згин зростає: при +20 З показник становить 700 МПа, а при -196 – 1100 МПа.

• Пружність металу відносно невелика, що є суттєвим недоліком речовини. Модуль пружності за нормальних умов 110,25 ГПа. Крім того, титану властива анізотропія: пружність у різних напрямках досягає різного значення.
• Твердість речовини за шкалою НВ становить 103. Причому це показник усереднений. Залежно від чистоти металу та характеру домішок твердість може бути й вищою.
• Умовна межа плинності становить 250-380 МПа. Чим вище цей показник, тим краще вироби з речовини протистоять навантаженням і тим більше опираються зносу. Показник титану перевищує показник алюмінію у 18 разів.

Порівняно з іншими металами, що мають таку ж решітку, метал має дуже пристойну пластичність і ковкість.

Теплоємність

Метал відрізняється низькою теплопровідністю, тому у відповідних областях – виготовлення термоелектродів, наприклад, не застосовується.

• Теплопровідність його становить 16,76 l Вт/(м × град). Це менше ніж у заліза у 4 рази та у 12 разів менше, ніж у .
• Проте коефіцієнт термічного розширення у титану нікчемний при нормальній температурі і зростає при підвищенні температури.
• Теплоємність металу становить 0,523 кДж/(кг К).

Електричні характеристики

Як найчастіше і буває, низька теплопровідність забезпечує низьку електропровідність.

• Питомий електроопір металу дуже великий - 42,1 · 10 -6 ом · см в нормальних умовах. Якщо вважати провідність срібла рівною 100%, то провідність титану дорівнюватиме 3,8%.
• Титан є парамагнітом, тобто його не можна намагнічувати в полі, як залізо, але й виштовхуватися з поля, як він не буде. Властивість це зі зниженням температури лінійно зменшується, але, пройшовши мінімум, дещо збільшується. Питома магнітна сприйнятливість становить 3,2 10 -6 Г -1 . Сприйнятливість, так само як і пружність утворює анізотропію і змінюється в залежності від напрямку.

При температурі 3,8 К титан стає надпровідником.

Корозійна стійкість

У нормальних умовах титан відрізняється дуже високими антикорозійними властивостями. На повітрі його покриває шар оксиду титану товщиною 5-15 мкм, що забезпечує відмінну хімічну інертність. Метал не корродує у повітрі, морському повітрі, морській воді, вологому хлорі, хлорній воді та численних інших технологічних розчинах та реагентах, що робить матеріал незамінним у хімічній, папероробній, нафтовій промисловості.

При підвищенні температури або сильному подрібненні металу картина різко змінюється. Метал реагує чи не з усіма газами, що входять до складу атмосфери, а в рідкому станіще й убирає їх.

Безпека

Титан є одним із найбільш біологічно інертних металів. У медицині він застосовується виготовлення протезів, оскільки відрізняється стійкістю до корозії, легкістю і довговічністю.

Діоксид титану не настільки безпечний, хоча використовується набагато частіше - в косметологічній, харчової промисловостінаприклад. За деякими даними – UCLA, дослідження професора патології Роберта Шистла, наночастинки діоксиду титану впливають на генетичний апарат та можуть сприяти розвитку раку. Причому через шкірний покрив речовина не проникає, тому застосування сонцезахисних засобів, у складі яких є діоксид, небезпеки не становить, а от речовина, яка потрапляє всередину організму – з харчовими барвниками, біологічними біодобавками, може виявитися небезпечною.

Титан – унікально міцний, твердий та легкий метал з дуже цікавими хімічними та фізичними властивостями. Це поєднання настільки цінне, що навіть складнощі з виплавкою та очищенням титану виробників не зупиняють.

Про те, як відрізнити титан від сталі, цей відеосюжет і розповість:

Титан. Хімічний елемент, символ Ti (лат. Titanium, відкритий у 1795 році і названий на честь героя грецького епосу Титану) . Має порядковий номер 22, атомна вага 47, 90, щільність 4, 5 г/см 3 , температуру плавлення 1668 ° З, температуру кипіння 3300°С.

Титан входить до складу більш ніж 70 мінералів і є одним із найпоширеніших елементів - вміст його в земної корискладає приблизно 0,6%. На вигляд титан схожий на сталь. Чистий метал пластичний та легко піддається механічній обробці тиском.

Титан існує у двох модифікаціях: до 882 ° С у вигляді модифікаціїα з гексагональною щільно упакованою кристалічною решіткою, А вище 882 ° З стійкістю є модифікаціяβ з об'ємноцентрованими кубічними гратами.

Титан поєднує велику міцність із малою щільністю та високою корозійною стійкістю. Завдяки цьому в багатьох випадках він має значні переваги перед такими основними конструкційними матеріалами, як сталь.та алюміній . Ряд титанових сплавів за міцністю вдвічі перевершує сталь при значно меншій щільності та кращій корозійній стійкості. Однак через низьку теплопровідність утруднюється його застосування для конструкцій і деталей, що працюють в умовах великих температурних перепадів, і при роботі на термічну втому. До недоліків титану як конструкційного матеріалу слід також віднести відносно низький модуль нормальної пружності.

Механічні властивості сильно залежать від чистоти металу та попередньої механічної та термічної обробки. Титан високої чистоти має хороші пластичні властивості.

Характерна властивістьтитану - здатність активно поглинати гази - кисень, азот та водень. Ці гази до певних меж розчиняються в титані. Вже невеликі домішки кисню та азоту знижують пластичні властивості титану. Незначна домішка водню (0,01-0,005%) помітно підвищує крихкість титану.

На повітрі за нормальної температури титан стійкий. При нагріванні до 400-550° З металу покривається оксидно-нітридною плівкою, яка міцно утримується на металі і захищає його від подальшого окислення. При вищих температурах зростає швидкість окислення та розчинення кисню в титані.

З азотом титан взаємодіє при температурах вище 600° З утворенням плівки нітриду ( TiN) та твердих розчинів азоту в титані. Нітрид титану має високу твердість і плавиться при 2950°С.

Титан поглинає водень з утворенням твердих розчинів та гібридів.(TiH та TiH 2 ) . На відміну від кисню та азоту, майже весь поглинений водень можна видалити з титану нагріванням його у вакуумі при 1000-1200°С.

Вуглець і вуглецевмісні гази ( CO, CH 4 ) реагують з титаном за високої температури (понад 1000° С) з утворенням твердого та тугоплавкого карбіду титану TiC (точка плавлення 3140° С ). Домішка вуглецю помітно впливає механічні властивості титану.

Фтор, хлор, бром та йод взаємодіють з титаном при порівняно низьких температурах (100-200)° З). При цьому утворюються легколеткі галогеніди титану.

Механічні властивості титану значно більшою мірою, ніж в інших металів, залежать від швидкості застосування навантаження. Тому механічні випробування титану слід проводити за більш строго регламентованих та фіксованих умов, ніж випробування інших конструкційних матеріалів.

Ударна в'язкість титану суттєво зростає при відпалі в інтервалі 200-300° З, помітної зміни інших властивостей немає. Найбільше підвищення пластичності титану досягається після гарту з температур, що перевищують температуру поліморфного перетворення, та подальшої відпустки.

Чистий титан не відноситься до жароміцних матеріалів, так як міцність його різко зменшується з підвищенням температури.

Важливою особливістю титану є його здатність утворювати тверді розчини з атмосферними газами та воднем. При нагріванні титану на повітрі на його поверхні, крім звичайної окалини, утворюється шар, що складається з твердого розчину на основіα - Ti (альфітований шар), стабілізованого киснем, товщина якого залежить від температури та тривалості нагріву. Цей шар має більш високу температуру перетворення, ніж основний шар металу, і його утворення на поверхні деталей або напівфабрикатів може спричинити тендітне руйнування.

Титан і сплави на основі титану характеризуються високою корозійною стійкістю в атмосфері повітря, в природній холодній і гарячій прісній воді, в морській воді (на платівці з титану за 10 років перебування в морській воді не з'явилося сліду іржі), а також в розчинах лугів, неорганічних солей, органічних кислот та сполук навіть при кип'ятінні. По корозійній стійкості титан подібний до хромонікелевої нержавіючої сталі. Він не піддається корозії в морській воді, перебуваючи в контакті з нержавіючою сталлю та мідно-нікелевими сплавами. Висока корозійна стійкість титану пояснюється утворенням на поверхні щільної однорідної плівки, яка захищає метал від подальшої взаємодії з навколишнім середовищем. Так, у розведенійсірчаної кислоти (До 5%) при кімнатній температурі титан стійок. Швидкість корозії з підвищенням концентрації кислоти зростає, досягаючи максимуму при 40%, потім знижується до мінімуму при 60%, досягає другого максимуму при 80% і знову знижується.

У розведеній соляній кислоті (5-10%) при кімнатній температурі титан досить стійкий. При підвищенні концентрації кислоти та температури швидкість корозії титану швидко збільшується. Корозію титану в соляної кислотиможна сильно зменшити добавкою невеликих кількостей окислювачів(HNO 3 , KMnO 4 , K 2 CrO 4 , солі міді, заліза). Титан добре розчиняється у плавиковій кислоті. У розчинах лугів (концентрації до 20%) на холоді та при нагріванні титан стійок.

Як конструкційний матеріал титан найбільше застосування знаходить в авіації, ракетній техніці, при спорудженні морських суден, приладобудуванні та машинобудуванні. Титан і його сплави зберігають високі характеристики міцності при високих температурах і тому з успіхом можуть застосовуватися для виготовлення деталей, що піддаються високотемпературному нагріванню. Так, з його сплавів виготовляють зовнішні частини літаків (мотогондоли, елерони, керма повороту) та багато інших вузлів та деталей - від двигуна до болтів і гайок. Наприклад, якщо в одному з двигунів замінити сталеві болти на титанові, маса двигуна знизиться майже на 100 кг.

Оксид титану використовується для виготовлення титанових білил. Такими білилами можна пофарбувати у кілька разів більшу поверхню, ніж тією самою кількістю свинцевих чи цинкових білил. До того ж титанові білила не отруйні. Титан широко застосовують у металургії, у тому числі як легуючий елемент у нержавіючих і жаростійких сталях. Добавки титану в сплави алюмінію, нікелю та міді підвищують їхню міцність. Він є складовою твердих сплавів для різальних інструментів, також успіхом користуються хірургічні інструменти зі сплавів титану. Двоокис титану використовують для обмазування зварювальних електродів. Чотирьоххлористий титан (тетрахлорид) застосовують у військовій справі для створення димових завіс, а у мирний час для обкурювання рослин під час весняних заморозків.

У електротехніці та радіотехніці використовують порошкоподібний титан як поглинач газів - при нагріванні до 500°С титан енергійно поглинає гази і тим самим забезпечує в замкнутому обсязі високий вакуум.

Титан у ряді випадків є незамінним матеріалом у хімічної промисловостіта у суднобудуванні. З нього виготовляють деталі, призначені для перекачування агресивних рідин, теплообмінники, що працюють у корозійно-активних середовищах, підвісні пристрої, що використовуються при анодуванні різних деталей. Титан інертний в електролітах та інших рідинах, що застосовуються в гальваностегії, і тому придатний для виготовлення різних деталей гальванічних ванн. Його широко використовують при виготовленні гідрометалургійної апаратури для нікелево-кобальтових заводів, оскільки він має високу стійкість проти корозії та ерозії в контакті з нікелевими та кобальтовими шламами при високих температурах та тисках.

Титан найбільш стійкий в окисних середовищах. У відновлювальних середовищах титан корродує досить швидко внаслідок руйнування окисної захисної плівки.

Технічний титан та його сплави піддаються всім відомим методамобробки тиском. Вони можуть прокочуватися в холодному і гарячому станах, штампуватися, обтискатися, піддаватися глибокій витяжці, розвалюватися. З титану та його сплавів отримують стрижні, прутки, смуги, різні профілі прокату, безшовні труби, дріт та фольгу.

Опір деформації у титану вищий, ніж у конструкційних сталей або мідних та алюмінієвих сплавів. Титан та його сплави обробляються тиском приблизно так само, як і нержавіючі сталі аустенітового класу. Найчастіше титан піддають ковці при 800-1000°С. Щоб запобігти титану від забруднення газами, нагрівання та обробку його тиском виробляють у можливо короткий час. Зважаючи на те, що при температурах >500°С водень дифундує в титан та його сплави з величезними швидкостями, нагрівання ведуть в окислювальній атмосфері.

Титан і його сплави мають знижену оброблюваність різанням подібно до нержавіючих сталей аустенітного класу. При всіх видах різання найбільш успішні результати досягаються при невеликих швидкостях і великій глибині різання, а також при використанні ріжучого інструменту зі сталевих швидкорізальних або твердих сплавів. Через високу хімічну активність титану при високих температурах зварювання його ведуть в атмосфері інертних газів (гелію, аргону). При цьому захищати від взаємодії з атмосферою та газами необхідно не тільки розплавлений метал шва, але всі сильно нагріті частини виробів, що зварюються.

Деякі технологічні проблеми виникають при виробництві з титану та його сплавів виливків.

/моль)

Історія

Відкриття діоксиду титану (TiO 2) зробили практично одночасно і незалежно один від одного англієць У. Грегор та німецький хімік М. Г. Клапрот. У. Грегор, досліджуючи склад магнітного залізистого піску (Крид, Корнуолл, Англія, ), виділив нову «землю» (оксид) невідомого металу, яку назвав менакенової. У 1795 році німецький хімік Клапрот відкрив у мінералі рутил новий елемент і назвав його титаном. Через два роки Клапрот встановив, що рутил і менакенова земля – оксиди одного й того самого елемента, за яким і залишилася назва «титан», запропонована Клапротом. Через 10 років відкриття титану відбулося втретє: французький учений Л. Воклен виявив титан в анатазі та довів, що рутил та анатаз – ідентичні оксиди титану.

Перший зразок металевого титану отримав у 1825 році швед Й. Я. Берцеліус. Через високу хімічну активність титану та складність його очищення чистий зразок Ti отримали голландці А. ван Аркел та І. де Бур у 1925 році термічним розкладанням парів йодиду титану TiI 4 .

Титан не знаходив промислового застосування, поки люксембуржець Г. Кролл (англ.)російська. 1940 року не запатентував простий магнієтермічний метод відновлення металевого титану з тетрахлориду; цей метод (процес Кролла (англ.)російська.) до сьогодні залишається одним з основних у промисловому отриманні титану.

походження назви

Метал отримав свою назву на честь титанів, персонажів давньогрецької міфології, дітей Геї. Назву елементу дав Мартін Клапрот відповідно до своїх поглядів на хімічну номенклатуру на противагу французькій хімічній школі, де елемент намагалися називати за його хімічним властивостям. Оскільки німецький дослідник сам відзначив неможливість визначення властивостей нового елемента лише з його оксиду, він підібрав йому ім'я з міфології, за аналогією з відкритим їм раніше ураном .

Знаходження у природі

Титан знаходиться на 10-му місці за поширеністю у природі. Вміст у земній корі - 0,57% за масою, у морській воді - 0,001 мг/л. В ультраосновних породах 300 г/т, в основних - 9 кг/т, у кислих 2,3 кг/т, у глинах та сланцях 4,5 кг/т. У земній корі титан майже завжди чотирихвалентний і присутній тільки в кисневих сполуках. У вільному вигляді не зустрічається. Титан в умовах вивітрювання та осадження має геохімічну спорідненість з Al2O3. Він концентрується в бокситах кори вивітрювання та в морських глинистих осадах. Перенесення титану здійснюється у вигляді механічних уламків мінералів та у вигляді колоїдів. До 30% TiO 2 за вагою накопичується у деяких глинах. Мінерали титану стійкі до вивітрювання та утворюють великі концентрації у розсипах. Відомо понад 100 мінералів, що містять титан. Найважливіші з них: рутил TiO 2 , ільменіт FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , перовскіт CaTiO 3 , титаніт (сфен) CaTiSiO 5 . Розрізняють корінні руди титану - ільменіт-титаномагнетитові та розсипні - рутил-ільменіт-цирконові.

Місце народження

Великі корінні родовища титану знаходяться на території ПАР, Росії, України, Канади, США, Китаю, Норвегії, Швеції, Єгипту, Австралії, Індії, Південної Кореї, Казахстану; розсипні родовища є в Бразилії, Індії, США, Сьєрра-Леоне, Австралії. У країнах СНД провідне місцеза розвіданими запасами титанових руд займає РФ (58,5%) та Україна (40,2%). Найбільше родовище в Росії - Ярегське.

Запаси та видобуток

За даними на 2002 рік, 90% титану, що видобувається, використовувалося на виробництво діоксиду титану TiO 2 . Світове виробництво діоксиду титану становило 4,5 млн. т на рік. Підтверджені запаси діоксиду титану (без Росії) становлять близько 800 млн т. На 2006 рік, за оцінкою Геологічної служби США, у перерахунку на діоксид титану і без урахування Росії, запаси руд руди становлять 603-673 млн т., а рутилових - . 7-52,7 млн ​​т. Таким чином, за нинішніх темпів видобутку світових розвіданих запасів титану (без урахування Росії) вистачить більш ніж на 150 років.

Росія має другі у світі, після Китаю, запаси титану. Мінерально-сировинну базу титану Росії становлять 20 родовищ (з них 11 корінних та 9 розсипних), досить рівномірно розосереджених територією країни. Найбільше з розвіданих родовищ (Ярегське) знаходиться за 25 км від міста Ухта (Республіка Комі). Запаси родовища оцінюються у 2 мільярди тонн руди із середнім вмістом діоксиду титану близько 10%.

Найбільший у світі виробник титану – російська компанія «ВСМПО-АВІСМА».

Отримання

Як правило, вихідним матеріалом для виробництва титану та його сполук є діоксид титану з порівняно невеликою кількістю домішок. Зокрема, це може бути рутиловий концентрат, що отримується при збагаченні титанових руд. Однак запаси рутила у світі дуже обмежені, і частіше застосовують так званий синтетичний рутил або титановий шлак, які отримують при переробці концентрацій ільменіту. Для отримання титанового шлаку ільменітовий концентрат відновлюють в електродуговій печі, при цьому залізо відокремлюється в металеву фазу (чавун), а невідновлені оксиди титану та домішок утворюють шлакову фазу. Багатий шлак переробляють хлоридним чи сірчанокислотним способом.

Концентрат титанових руд піддають сірчанокислотної або пірометалургійної переробки. Продукт сірчанокислотної обробки - порошок діоксиду титану TiO2. Пірометаллургічним методом руду спікають з коксом і обробляють хлором, отримуючи пари тетрахлориду титану TiCl 4:

Пари TiCl 4, що утворюються, при 850 °C відновлюють магнієм:

Крім цього, в даний час починає набувати популярності так званий процес FFC Cambridge, названий за іменами його розробників Дерека Фрея, Тома Фартінга та Джорджа Чена з Кембриджського університету, де він був створений. Цей електрохімічний процес дозволяє здійснювати пряме безперервне відновлення титану з оксиду в розплаві суміші хлориду кальцію та негашеного вапна (оксиду кальцію). У цьому процесі використовується електролітична ванна, наповнена сумішшю хлориду кальцію і вапна, з графітовим витрачається (або нейтральним) анодом і катодом, виготовленим з оксиду, що підлягає відновленню. При пропусканні через ванну струму температура швидко досягає ~1000-1100 °C, і розплав оксиду кальцію розкладається на аноді на кисень та металевий кальцій:

Отриманий кисень окислює анод (у разі використання графіту), а кальцій мігрує у розплаві до катода, де і відновлює титан з його оксиду:

оксид кальцію, Що Утворюється, знову дисоціює на кисень і металевий кальцій, і процес повторюється аж до повного перетворення катода в титанову губку або вичерпання оксиду кальцію. Хлорид кальцію в цьому процесі використовується як електроліт для надання електропровідності розплаву та рухливості активним іонам кальцію та кисню. При використанні інертного анода (наприклад, діоксиду олова) замість вуглекислого газу на аноді виділяється молекулярний кисень, що менше забруднює навколишнє середовищеОднак процес у такому випадку стає менш стабільним, і, крім того, в деяких умовах більш енергетично вигідним стає розкладання хлориду, а не оксиду кальцію, що призводить до вивільнення молекулярного хлору.

Отриману титанову губку переплавляють і очищають. Рафінують титан іодидним способом або електролізом, виділяючи Ti з TiCl 4 . Для отримання титанових зливків застосовують дугову, електронно-променеву чи плазмову переробку.

Фізичні властивості

Титан - легкий сріблясто-білий метал. При нормальному тиску існує у двох кристалічних модифікаціях: низькотемпературний α-Ti з гексагональними щільноупакованими гратами (гексагональна сингонія, просторова група C 6mmc, параметри комірки a= 0,2953 нм, c= 0,4729 нм, Z = 2 ) та високотемпературний β-Ti з кубічною об'ємно-центрованою упаковкою (кубічна сингонія, просторова група Im 3m, параметри комірки a= 0,3269 нм, Z = 2 ), температура переходу α↔β 883 °C, теплота переходу Δ H=3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг). Більшість металів при розчиненні в титані стабілізують -фазу і знижують температуру переходу α↔β . При тиску вище 9 ГПа та температурі вище 900 °C титан перетворюється на гексагональну фазу (ω -Ti) . Щільність α-Ti та β-Ti відповідно дорівнює 4,505 г/см³ (при 20 °C) та 4,32 г/см³ (при 900 °C) . Атомна щільність α-титану 5,67⋅10 22 ат/см³.

Температура плавлення титану при нормальному тиску дорівнює 1670 ± 2 °C, або 1943 ± 2 К (прийнята як одна з вторинних калібрувальних точок температурної шкали ITS-90 (англ.)російська.). Температура кипіння 3287 °C. При досить низькій температурі (-80 ° C) титан стає досить крихким. Молярна теплоємність за нормальних умов C p= 25,060 кДж/(моль K)що відповідає питомій теплоємності 0,523 кДж/(кг·K) . Теплота плавлення 15 кДж/моль, теплота випаровування 410 кДж/моль. Характеристична дебаївська температура 430 К . Теплопровідність 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C. Температурний коефіцієнт лінійного розширення 9,2·10 -6 К -1 в інтервалі від -120 до +860 °C. Молярна ентропія α-титану S 0 = 30,7 кДж/(моль К) . Для титану в газовій фазі ентальпія формування Δ H0
f= 473,0 кДж/моль, енергія Гіббса Δ G0
f= 428,4 кДж/моль, молярна ентропія S 0 = 180,3 кДж/(моль К), теплоємність при постійному тиску C p= 24,4 кДж/(моль K)

Пластичний, зварюється в інертній атмосфері. Характеристики міцності мало залежать від температури, проте сильно залежать від чистоти і попередньої обробки. Для технічного титану твердість за Віккерсом становить 790-800 МПа, модуль нормальної пружності 103 ГПа, модуль зсуву 39,2 ГПа. У високочистого попередньо відпаленого у вакуумі титану межа плинності 140-170 МПа, відносне подовження 55-70%, твердість за Брінеллем 716 МПа.

Має високу в'язкість, при механічній обробці схильний до налипання на різальний інструмент, і тому потрібне нанесення спеціальних покриттів на інструмент різних мастил.

При звичайній температурі покривається захисною плівкою, що пасивує оксиду TiO 2 , завдяки цьому корозійностійкий в більшості середовищ (крім лужної).

Хімічні властивості

Легко реагує навіть із слабкими кислотами у присутності комплексоутворювачів, наприклад, з плавиковою кислотоювін взаємодіє завдяки утворенню комплексного аніону 2-. Титан найбільш схильний до корозії в органічних середовищах, так як у присутності води на поверхні титанового виробу утворюється щільна пасивна плівка з оксидів і титану гідриду. Найбільш помітне підвищення корозійної стійкості титану помітно при підвищенні вмісту води в агресивному середовищі з 0,5 до 8,0 %, що підтверджується електрохімічними дослідженнями електродних потенціалів титану в розчинах кислот та лугів у змішаних водно-органічних середовищах.

При нагріванні на повітрі до 1200 °C Ti спалахує яскравим білим полум'ям з утворенням оксидних фаз змінного складу TiO x . З розчинів солей титану осаджується гідроксид TiO(OH) 2 xH 2 O, обережним прожарюванням якого отримують оксид TiO 2 . Гідроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O та діоксид TiO 2 амфотерни .

При взаємодії титану з вуглецем утворюється карбід титану Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC).

• Титан як сплавів є найважливішим конструкційним матеріалом в авіа- і ракетобудуванні, в кораблебудуванні.
• Метал застосовується в хімічній промисловості (реактори, трубопроводи, насоси, трубопровідна арматура), військової промисловості (бронежилети, броня та протипожежні перегородки в авіації, корпуси підводних човнів), промислових процесах (опріснювальних установках, процесах целюлози та паперу), автомобільної промисловості, сільськогосподарської промисловості , харчової промисловості, спортивних товарів, ювелірних виробів, мобільних телефонах, легких сплавах і т.д.
• Титан є фізіологічно інертним, завдяки чому застосовується в медицині (протези, остеопротези, зубні імплантати), у стоматологічних та ендодонтичних інструментах, прикрасах для пірсингу.
• Титанове лиття виконують у вакуумних печах у графітові форми. Також використовується вакуумне лиття за моделями, що виплавляються. Через технологічні труднощі у художньому лиття використовується обмежено. Першою у світовій практиці монументальною литою скульптурою з титану є пам'ятник Юрію Гагаріну на площі його імені в Москві.
• Титан є легуючою добавкою в багатьох легованих сталях і більшості спецсплавів [ яких?] .
• Нітінол (нікель-титан) - сплав, що має пам'ять форми, застосовується в медицині та техніці.
• Алюмініди титану є дуже стійкими до окислення та жароміцними, що, у свою чергу, визначило їх використання в авіації та автомобілебудуванні як конструкційні матеріали.
• Титан є одним з найпоширеніших

Титан займає 4-е місце по поширенню у виробництві, але ефективна технологіяйого вилучення було розроблено лише у 40-х рр. минулого століття. Це метал сріблястого кольору, що характеризується невеликою питомою масою та унікальними характеристиками. Для аналізу ступеня поширення в промисловості та інших сферах необхідно озвучити властивості титану та галузі застосування його сплавів.

Основні характеристики

Метал має малу питому масу – всього 4.5 г/см³. Антикорозійні якості обумовлені стійкою оксидною плівкою, що утворюється на поверхні. Завдяки цій якості титан не змінює своїх властивостей при тривалому знаходженні у воді, соляній кислоті. Не виникають пошкоджені ділянки через напругу, що є основною проблемою сталі.

У чистому вигляді титан має такі якості та характеристики:

• номінальна температура плавлення - 1660 ° С;
• при термічній дії +3227°С закипає;
• межа міцності при розтягуванні – до 450 МПа;
• характеризується невеликим показником пружності – до 110,25 гПа;
• за шкалою НВ твердість становить 103;
• межа плинності одна з найоптимальніших серед металів – до 380 Мпа;
• теплопровідність чистого титану без добавок – 16,791 Вт/м*С;
• мінімальний коефіцієнт термічного розширення;
• цей елемент є парамагніт.

Для порівняння, міцність цього матеріалу в 2 рази більша, ніж у чистого заліза та в 4 рази такого ж показника алюмінію. Також титан має дві поліморфні фази – низькотемпературну та високотемпературну.

Для виробничих потреб чистий титан не застосовується через його дорожнечу та необхідні експлуатаційні якості. Для підвищення жорсткості до складу додають оксиди, гібриди та нітриди. Рідше змінюють характеристики матеріалу поліпшення стійкості до корозії. Основні види добавок для одержання сплавів: сталь, нікель, алюміній. У деяких випадках він виконує функції додаткового компонента.

Області застосування

Завдяки невеликій питомій масі та параметрам міцності титан широко використовується в авіаційній та космічній промисловості. Його застосовують як основний конструкційний матеріал у чистому вигляді. В особливих випадках за рахунок зменшення жароміцності роблять дешевші сплави. При цьому його опір корозії та механічна міцність залишаються незмінними.

Крім цього, матеріал з добавками титану знайшов застосування у таких областях:

• Хімічна промисловість. Його стійкість до всіх агресивних середовищ, крім органічних кислот, дозволяє виготовляти складне обладнання з хорошими показниками безремонтного терміну служби.
• Виробництво транспортних засобів. Причина – невелика питома маса та механічна міцність. З нього роблять каркаси або несучі елементи конструкцій.
• Медицина. Для особливих цілей застосовується спеціальний сплав нітінол (титан та нікель). Його відмінна властивість – пам'ять форми. Для зменшення навантаження пацієнтів та мінімізації ймовірності негативного впливуна організм багато медичних шин і подібні їм пристрої роблять з титану.
• У промисловості метал застосовується виготовлення корпусів і окремих елементів устаткування.
• Ювелірні прикрасиз титану мають унікальний зовнішній вигляд і якості.

Найчастіше матеріал обробляється в заводських умовах. Але є ряд винятків – знаючи властивості цього матеріалу, частину робіт зі зміни зовнішнього вигляду виробу та його характеристик можна виконувати у домашній майстерні.

Особливості обробки

Для надання виробу потрібної форми необхідно використовувати спеціальне обладнання – токарний та фрезерний верстат. Ручне різання або фрезерування титану неможливе через його твердість. Крім вибору потужності та інших характеристик обладнання необхідно правильно підібрати ріжучі інструменти: фрези, різці, розгортки, свердла тощо.

При цьому враховуються такі нюанси:

• Титанова стружка легко спалахує. Необхідне примусове охолодження поверхні деталі та робота на мінімальних швидкостях.
• Гнучка виробу виконується лише після попереднього розігріву поверхні. В іншому випадку велика ймовірність появи тріщин.
• Зварювання. Обов'язкове дотримання особливих умов.

Титан – унікальний матеріал із гарними експлуатаційними та технічними якостями. Для його обробки слід знати специфіку технології, а головне – техніку безпеки.

Області застосування титану

При існуючих високі цінина титан його застосовують переважно для виробництва військового обладнання, де Головна рольналежить не вартості, а технічним характеристикам. Проте відомі випадки використання унікальних властивостейтитану для цивільних потреб. У міру зниження цін на титан і зростання його виробництва застосування цього металу у військових та цивільних цілях все більше розширюватиметься.
Авіація. Мала питома вага і висока міцність (особливо за підвищених температур) титану та її сплавів роблять їх дуже цінними авіаційними матеріалами. В галузі літакобудування та виробництва авіаційних двигунів титан все більше витісняє алюміній та нержавіючу сталь. З підвищенням температури алюміній швидко втрачає свою міцність. З іншого боку, титан має явну перевагу щодо міцності при температурі до 430° С, а підвищені температури такого порядку виникають при великих швидкостях завдяки аеродинамічному нагріванню. Перевага заміни стали титаном в авіації полягає у зниженні ваги без втрати міцності. Загальне зниження ваги з підвищенням показників при підвищених температурах дозволяє збільшити корисне навантаження, дальність дії та маневреність літаків. Цим пояснюються зусилля, спрямовані на розширення застосування титану в літакобудуванні при виробництві двигунів, спорудженні фюзеляжів, виготовленні обшивки і навіть кріпильних деталей.
При будівництві реактивних двигунів титан застосовується переважно для виготовлення лопаток компресора, дисків турбіни та інших штампованих деталей. Тут титан витісняє нержавіючу і термічно оброблювану леговану сталь. Економія у вазі двигуна в один кілограм дозволяє зберігати до 10 кг у загальній вазі літака завдяки полегшенню фюзеляжу. Надалі намічено застосовувати листовий титан для виготовлення кожухів камер згоряння двигуна.
У конструкції літака титан знаходить широке застосування деталей фюзеляжу, що працюють при підвищених температурах. Листовий титан застосовується для виготовлення всіляких кожухів, захисних оболонок кабелів та направляючих для снарядів. З листів легованого титану виготовляються різні елементи твердості, шпангоути фюзеляжу, нервури і т.д.
Кожухи, закрилки, захисні оболонкидля кабелів та напрямні для снарядів виготовляються з нелегованого титану. Легований титан застосовується для виготовлення каркасу фюзеляжу, шпангоутів, трубопроводів та протипожежних перегородок.
Титан отримує дедалі більше застосування для будівництва літаків F-86 і F-100. У майбутньому з титану робитимуть стулки шасі, трубопроводи гідросистем, вихлопні патрубки та сопла, лонжерони, закрилки, відкидні стійки тощо.
Титан можна застосовувати для виготовлення броньових плит, лопат пропелера та снарядних ящиків.
В даний час титан застосовується в конструкції літаків військової авіації Дуглас Х-3 для обшивки, Ріпаблік F-84F, Кертісс-Райт J-65 та Боїнг В-52.
Застосовується титан і для будівництва цивільних літаків DC-7. Фірма «Дуглас» заміною алюмінієвих сплавів та нержавіючої сталі титаном при виготовленні мотогондоли та протипожежних перегородок вже досягла економії у вазі конструкції літака близько 90 кг. В даний час вага титанових деталей у цьому літаку становить 2%, причому цю цифру передбачається довести до 20% загальної ваги літака.
Застосування титану дозволяє зменшити вагу гелікоптерів. Листовий титан використовується для підлоги та дверей. Значного зниження ваги гелікоптера (близько 30 кг) було досягнуто внаслідок заміни легованої сталі титаном для обшивки лопатей його гвинтів.
Військово-морський флот. Корозійна стійкість титану та його сплавів робить їх дуже цінним матеріалом на морі. Військово-морське міністерство США ґрунтовно досліджує корозійну стійкість титану проти впливу димових газів, пари, олії та морської води. Майже таке ж значення у військово-морській справі має й високе значення питомої міцності титану.
Мала питома вага металу у поєднанні з корозійною стійкістю підвищує маневреність і дальність дії кораблів, а також знижує витрати на догляд за матеріальною частиною та її ремонтом.
Застосування титану у військово-морській справі включає виготовлення вихлопних глушників для дизельних двигунів підводних човнів, дисків вимірювальних приладів, труб для конденсаторів і теплообмінників. На думку фахівців, титан, як ніякий інший метал, здатний збільшити термін служби вихлопних глушників на підводних човнах. Стосовно дисків вимірювальних приладів, що працюють в умовах зіткнення із солоною водою, бензином або олією, титан забезпечить кращу стійкість. Досліджується можливість застосування титану для виготовлення труб теплообмінників, які повинні мати корозійну стійкість у морській воді, що омиває труби зовні, і одночасно протистояти впливу вихлопного конденсату, що протікає всередині них. Розглядається можливість виготовлення з титану антен та вузлів радіолокаційних установок, від яких потрібна стійкість до дії димових газів та морської води. Титан може знайти застосування і для таких деталей, як клапани, пропелери, деталі турбін тощо.
Артилерія. Очевидно, найбільшим потенційним споживачем титану може бути артилерія, де нині ведуться інтенсивні дослідження різних дослідних зразків. Проте у цій галузі стандартизовано виробництво лише окремих деталей та частин із титану. Досить обмежене використання титану в артилерії при великому розмаху досліджень пояснюється його високою вартістю.
Були досліджені різні деталіартилерійського обладнання з погляду можливості заміни титаном звичайних матеріалів за умови зниження цін на титан. Головна увага приділялася деталям, для яких суттєво зниження ваги (деталі, що переносяться вручну та перевозяться повітрям).
Опорна плита міномета, виготовлена ​​із титану замість сталі. Шляхом такої заміни і після деякої обробки замість сталевої плити з двох половинок загальною вагою 22 кг вдалося створити одну деталь вагою 11 кг. Завдяки такій заміні можна зменшити кількість обслуговуючого персоналу із трьох осіб до двох. Розглядається можливість застосування титану виготовлення гарматних пламегасителей.
Проходять випробування виготовлені з титану гарматні верстати, хрестовини лафетів та циліндри противідкатних пристроїв. Широке застосування титан може отримати під час виробництва керованих снарядів та ракет.
Проведені перші дослідження титану та його сплавів показали можливість виготовлення їх броньових плит. Заміна сталевої броні (товщиною 12,7 мм) титановою бронею однакової снарядостійкості (товщиною 16 мм) дозволяє отримати, за даними цих досліджень, економію у вазі до 25%.
Сплави титану підвищеної якості дозволяють сподіватися на можливість заміни сталевих плит на титанові рівної товщини, що дає економію у вазі до 44%. Промислове застосування титану дозволить забезпечити більшу маневреність, збільшить дальність перевезення та довговічність зброї. Сучасний рівеньрозвитку повітряного транспортуробить очевидними переваги легких броньовиків та інших машин із титану. Артилерійське відомство має намір спорядити в майбутньому піхоту касками, багнетами, гранатометами та ручними вогнеметами, зробленими з титану. Перше застосування в артилерії титановий сплав отримав виготовлення поршня деяких автоматичних знарядь.
Транспорт. Багато з вигод, які обіцяє використання титану при виробництві бронетанкової матеріальної частини, відносяться і до транспортних засобів.
Заміна конструкційних матеріалів, що споживаються нині підприємствами транспортного машинобудування, титаном має призвести до зниження витрати палива, зростання корисної вантажопідйомності, підвищення межі втоми деталей кривошипно-шатунних механізмів тощо. залізницяхвиключно важливо знизити мертвий вантаж. Істотне зменшення загальної ваги рухомого складу за рахунок застосування титану дозволить заощадити в тязі, зменшити габарити шийок та букс.
Важливе значення має вага і для причіпних автотранспортних засобів. Тут заміна стали титаном при виробництві осей та коліс також дозволила б збільшити корисну вантажопідйомність.
Всі ці можливості можна було б реалізувати за зниження ціни титану з 15 до 2-3 доларів за фунт титанових напівфабрикатів.
Хімічна промисловість. При виробництві обладнання для хімічної промисловості саме важливе значеннямає корозійну стійкість металу. Істотно також знизити вагу та підвищити міцність обладнання. Логічно слід припустити, що титан міг би дати низку вигод при виробництві з нього обладнання для транспортування кислот, лугів та неорганічних солей. Додаткові можливості застосування титану відкриваються у виробництві такого обладнання, як баки, колони, фільтри та всілякі балони високого тиску.
Застосування трубопроводів з титану здатне підвищити коефіцієнт корисної дії нагрівальних змійовиків у лабораторних автоклавах та теплообмінниках. Про застосування титану для виробництва балонів, в яких довго зберігаються гази та рідини під тиском, свідчить застосовувана при мікроаналізі продуктів згоряння замість більш важкої трубки зі скла (показана у верхній частині знімка). Завдяки малій товщині стінок та незначній питомій вазі ця трубка може зважуватися на більш чутливих аналітичних вагах менших розмірів. Тут поєднання легкості та корозійної стійкості дозволяє підвищити точність хімічного аналізу.
Інші сфери застосування. Застосування титану доцільно у харчовій, нафтовій та електротехнічній промисловості, а також для виготовлення хірургічних інструментів та у самій хірургії.
Столи для приготування їжі, пропарювальні столи, виготовлені з титану, за якостями перевершують сталеві вироби.
У нафто- та газобурильній областях серйозне значення має боротьба з корозією, тому застосування титану дозволить рідше замінювати штанги обладнання, що корродують. У каталітичному виробництві та для виготовлення нафтопроводів бажано застосовувати титан, що зберігає механічні властивості при високій температурі та має гарну корозійну стійкість.
В електропромисловості титан можна застосувати для бронювання кабелів завдяки гарній питомій міцності, високому. електричного опорута немагнітним властивостям.
У різних галузях промисловості починають застосовувати кріпильні деталі тієї чи іншої форми, виготовлені з титану. Подальше розширення застосування титану можливе виготовлення хірургічних інструментів головним чином завдяки його корозійної стійкості. Інструменти з титану в цьому відношенні перевершують звичайні хірургічні інструменти при багаторазовому кип'ятінніабо обробці в автоклаві.
В області хірургії титан виявився кращим за віталіум і нержавіючі сталі. Присутність титану в організмі цілком допустима. Пластинка і гвинти з титану для кріплення кісток знаходилися в організмі тварини кілька місяців, причому мало місце проростання кістки в нитки різьблення гвинтів та в отвір пластинки.
Перевага титану полягає також у тому, що на пластині утворюється м'язова тканина.