Вечный, загадочный, космический, - все эти и многие другие эпитеты присваиваются в различных источниках титану. История открытия этого металла не была тривиальной: одновременно над выделением элемента в чистом виде трудились несколько ученых. Процесс изучения физических, химических свойств и определение областей его применения на сегодняшний день. Титан - металл будущего, место его в жизни человека еще окончательно не определено, что дает современным исследователям огромный простор для творчества и научных изысканий.
Характеристика
Химический элемент обозначается в периодической таблице Д. И. Менделеева символом Ti. Располагается в побочной подгруппе IV группы четвертого периода и имеет порядковый номер 22. титан - металл бело-серебристого цвета, легкий и прочный. Электронная конфигурация атома имеет следующую структуру: +22)2)8)10)2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2 . Соответственно, титан имеет несколько возможных степеней окисления: 2, 3, 4, в наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен.
Титан - сплав или металл?
Этот вопрос интересует многих. В 1910 году американский химик Хантер получил впервые чистый титан. Металл содержал всего 1 % примесей, но при этом его количество оказалось ничтожно мало и не давало возможности дальнейшего исследования его свойств. Пластичность полученного вещества достигалась толькопод воздействием высоких температур, при нормальных условиях (комнатной температуре) образец был слишком хрупок. Фактически этот элемент не заинтересовал ученых, так как перспективы его использования казались слишком неопределенными. Сложность получения и исследования еще больше снизили потенциал его применения. Только в 1925 году ученые-химики из Нидерландов И. де Бур и А. Ван-Аркел получили металл титан, свойства которого привлекли внимание инженеров и конструкторов всего мира. История исследования этого элемента начинается с 1790 года, именно в это время параллельно, независимо друг от друга, двое ученых открывают титан как химический элемент. Каждый из них получает соединение (оксид) вещества, не сумев выделить металл в чистом виде. Первооткрывателем титана считается английский минеролог монах Уильям Грегор. На территории своего прихода, расположенного в юго-западной части Англии, молодой ученый начал изучение черного песка долины Менакэна. Результатом стало выделение блестящих крупиц, которые являлись соединением титана. В это же время в Германии химик Мартин Генрих Клапрот выделил новое вещество из минерала рутиле. В 1797 году он же доказал, что открытые параллельно элементы являются аналогичными. Двуокись титана более века являлась загадкой для многих химиков, получить чистый металл оказалось не по силам даже Берцелиусу. Новейшие технологии XX века значительно ускорили процесс изучения упомянутого элемента и определили начальные направления его использования. При этом сфера применения расширяется постоянно. Ограничить её рамки может только сложность процесса получения такого вещества, как чистый титан. Цена сплавов и металла достаточно высока, поэтому на сегодняшний день он не может вытеснить традиционное железо и алюминий.
Происхождение названия
Менакин - первое название титана, которое применялось до 1795 года. Именно так, по территориальной принадлежности, назвал новый элемент У. Грегор. Мартин Клапрот присваивает элементу в 1797 году наименование «титан». В это время его французские коллеги во главе с достаточно авторитетным химиком А. Л. Лавуазье предлагают именовать вновь открытые вещества в соответствии с их основными свойствами. Немецкий ученый не был согласен с таким подходом, он вполне обоснованно считал, что на стадии открытия достаточно сложно определить все характеристики, свойственные веществу, и отразить их в названии. Однако следует признать, что интуитивно выбранный Клапротом термин в полной мере соответствует металлу - это неоднократно подчеркивали современные ученые. Существуют две основные теории возникновения названия титан. Металл мог быть обозначен так в честь эльфийской царицы Титании (персонаж германской мифологии). Такое название символизирует одновременно легкость и прочность вещества. Большинство ученых склоняются к версии использования древнегреческой мифологии, в которой титанами называли могучих сыновей богини земли Геи. В пользу этой версии говорит и название открытого ранее элемента - урана.
Нахождение в природе
Из металлов, которые в техническом отношении представляют ценность для человека, титан занимает четвертое место по степени распространенности в земной коре. Большим процентным содержанием в природе характеризуются только железо, магний и алюминий. Наибольшее содержание титана отмечено в базальтовой оболочке, чуть меньше его в гранитном слое. В морской воде содержание данного вещества невысокое - приблизительно 0,001 мг/л. Химический элемент титан достаточно активен, поэтому в чистом виде его встретить невозможно. Чаще всего он присутствует в соединениях с кислородом, при этом имеет валентность, равную четырем. Количество титаносодержащих минералов варьируется от 63 до 75 (в различных источниках), при этом на современном этапе исследований ученые продолжают открывать новые формы его соединений. Для практического использования наибольшее значение имеют следующие минералы:
- Ильменит (FeTiO 3).
- Рутил (TiO 2).
- Титанит (CaTiSiO 5).
- Перовскит (CaTiO 3).
- Титаномагнетит (FeTiO 3 +Fe 3 O 4) и т. д.
Все существующие титаносодержащие руды делят на россыпные и основные. Данный элемент является слабым мигрантом, он может путешествовать только в виде обломов камней или перемещения илистых придонных пород. В биосфере наибольшее количество титана содержится в водорослях. У представителей наземной фауны элемент накапливается в роговых тканях, волосе. Для человеческого организма характерно присутствие титана в селезенке, надпочечниках, плаценте, щитовидной железе.
Физические свойства
Титан - цветной металл, имеющий серебристо-белую окраску, внешне напоминает сталь. При температуре 0 0 С его плотность составляет 4,517 г/см 3 . Вещество имеет низкую удельную массу, что характерно для щелочных металлов (кадмий, натрий, литий, цезий). По плотности титан занимает промежуточную позицию между железом и алюминием, при этом его эксплуатационные характеристики выше, чем у обоих элементов. Основными свойствами металлов, которые учитываются при определении сферы их применения, являются и твердость. Титан прочнее алюминия в 12 раз, железа и меди - в 4 раза, при этом он значительно легче. Пластичность и предел его текучести позволяют производить обработку при низких и высоких температурных значениях, как и в случае с остальными металлами, т. е. методами клепки, ковки, сварки, проката. Отличительная характеристика титана - его низкая тепло- и электропроводность, при этом данные свойства сохраняются при повышенных температурах, вплоть до 500 0 С. В магнитном поле титан является парамагнитным элементом, он не притягивается, как железо, и не выталкивается, как медь. Очень высокие антикоррозийные показатели в агрессивных средах и при механических воздействиях уникальны. Более 10 лет нахождения в морской воде не изменили внешнего вида и состава пластины из титана. Железо в этом случае было бы уничтожено коррозией полностью.
Термодинамические свойства титана
- Плотность (при нормальных условиях) составляет 4,54 г/см 3 .
- Атомный номер - 22.
- Группа металлов - тугоплавкий, легкий.
- Атомная масса титана - 47,0.
- Температура кипения (0 С) - 3260.
- Молярный объем см 3 /моль - 10,6.
- Температура плавления титана (0 С) - 1668.
- Удельная теплота испарения (кДж/моль) - 422,6.
- Электросопротивление (при 20 0 С) Ом*см*10 -6 - 45.
Химические свойства
Повышенная коррозийная устойчивость элемента объясняется образованием на поверхности небольшой оксидной пленки. Она предотвращает (при нормальных условиях) с газами (кислород, водород), находящимися в окружающей атмосфере такого элемента, как металл титан. Свойства его изменяются под воздействием температуры. При ее повышении до 600 0 С происходит реакция взаимодействия с кислородом, в результате образуется оксид титана (TiO 2). В случае поглощения атмосферных газов образуются хрупкие соединения, которые не имеют никакого практического применения, именно поэтому сварка и плавка титана производятся в условиях вакуума. Обратимой реакцией является процесс растворения водорода в металле, он более активно происходит при повышении температуры (от 400 0 С и выше). Титан, особенно его мелкие частицы (тонкая пластина или проволока), сгорает в атмосфере азота. Химическая реакция взаимодействия возможна только при температуре 700 0 С, в результате образуется нитрид TiN. Со многими металлами формирует высокотвердые сплавы, часто является легирующим элементом. В реакцию с галогенами (хром, бром, йод) вступает только при наличии катализатора (высокой температуры) и при условии взаимодействия с сухим веществом. При этом образуются очень твердые тугоплавкие сплавы. С растворами большинства щелочей и кислот титан химически не активен, исключением является концентрированная серная (при длительном кипячении), плавиковая, горячие органические (муравьиная, щавелевая).
Месторождения
Наиболее распространены в природе ильменитовые руды - их запасы оцениваются в 800 млн тонн. Залежи рутиловых месторождений гораздо скромнее, но общий объем - при сохранении роста добычи - должен обеспечить человечество на ближайшие 120 лет таким металлом, как титан. Цена готового продукта будет зависеть от спроса и повышения уровня технологичности производства, но в среднем варьируется в диапазоне от 1200 до 1800 руб./кг. В условиях постоянного технического совершенствования значительно понижается себестоимость всех производственных процессов при их своевременной модернизации. Наибольшими запасами обладают Китай и Россия, также минерально-сырьевую базу имеют Япония, ЮАР, Австралия, Казахстан, Индия, Южная Корея, Украина, Цейлон. Месторождения отличаются объемами добычи и процентным содержанием титана в руде, геологические изыскания продолжаются постоянно, что дает возможность предполагать снижение рыночной стоимости металла и его более широкое применение. Россия на сегодняшний день является наиболее крупным производителем титана.
Получение
Для производства титана чаще всего используется его диоксид, содержащий минимальное количество примесей. Его получают путем обогащения ильменитовых концентратов или рутиловых руд. В электродуговой печи происходит термическая обработка руды, которая сопровождается отделением железа и образованием шлака, содержащего оксид титана. Сернокислый или хлоридный метод применяется для обработки свободной от железа фракции. Оксид титана является порошком серого цвета (см. фото). Металл титан получается при его поэтапной обработке.
Первой фазой является процесс спекания шлака с коксом и воздействия парами хлора. Полученный TiCl 4 восстанавливают магнием или натрием при воздействии температуры 850 0 С. Титановая губка (пористая сплавленная масса), полученная в результате химической реакции, очищается или переплавляется в слитки. В зависимости от дальнейшего направления использования, формируется сплав или металл в чистом виде (примеси удаляются путем нагрева до 1000 0 С). Для производства вещества с долей примесей 0,01 % используется йодидный метод. Он основан на процессе выпаривания из титановой губки, предварительно обработанной галогеном, его паров.
Сферы применения
Температура плавления титана является достаточно высокой, что при легкости металла является неоценимым преимуществом использования его в качестве конструкционного материала. Поэтому наибольшее применение он находит в судостроении, авиационной промышленности, изготовлении ракет, химических производствах. Титан достаточно часто используют в качестве легирующей добавки в различных сплавах, которые обладают повышенными характеристиками твердости и жаропрочности. Высокие антикоррозийные свойства и способность выдерживать большинство агрессивных сред делают этот металл незаменимым для химической промышленности. Из титана (его сплавов) изготавливают трубопроводы, емкости, запорную арматуру, фильтры, используемые при перегонке и транспортировке кислот и других химически активных веществ. Он востребован при создании приборов, работающих в условиях повышенных температурных показателях. Соединения титана используются для изготовления прочного режущего инструмента, красок, пластика и бумаги, хирургических инструментов, имплантатов, ювелирных изделий, отделочных материалов, применяется в пищевой промышленности. Все направления сложно описать. Современная медицина из-за полной биологической безопасности часто использует металл титан. Цена - это единственный фактор, который пока влияет на широту применения данного элемента. Справедливым является утверждение, что титан - материал будущего, изучая который, человечество перейдет на новый этап развития.
Титановые сплавы - разбираемся в подробностях
Металл титан - распространенный в природе металл, в земной коре его больше, чем меди, свинца и цинка. При плотности 4,51 г/см3 титан имеет прочность 267...337 МПа, а его сплавы-до 1 250 МПа. Это тускло-серый металл с температурой плавления 1668 0С, коррозионно стоек при нормальной температуре даже в сильных агрессивных средах, но очень активен при нагреве выше 400 0С. В кислороде способен к самовозгоранию. Бурно реагирует с азотом. Окисляется водяным паром, углекислым газом, поглощает водород. Теплопроводность титана более чем в два раза ниже, чем у углеродистой стали. Поэтому при сварке титана, несмотря на его высокую температуру плавления, требуется меньше тепла.
Титан может находиться в виде двух основных стабильных фаз, отличающихся строением кристаллической решетки. При нормальной температуре он существует в виде α-фазы с мелкозернистой структурой, не чувствительной к скорости охлаждения. При температуре выше 882 0С образуется β-фаза с крупным зерном и высокой чувствительностью к скорости охлаждения. Легирующие элементы и примеси могут стабилизировать α-фазу (алюминий, кислород, азот) или β-фазу (хром, марганец, ванадий). Поэтому сплавы титана условно разделяют на три группы: α, α + β и β сплавы. Первые (ВТ1, ВТ5-1) термически не упрочняются, пластичны, обладают хорошей свариваемостью. Вторые (ОТ4, ВТЗ, ВТ4, ВТ6, ВТ8) при малых добавках β-стабилизаторов также свариваются хорошо. Они термически обрабатываются. Сплавы с β-структурой, например ВТ15, ВТ22, упрочняются термообработкой. Они свариваются хуже, склонны к росту зерен и к холодным трещинам.
При комнатной температуре поверхность титана растворяет кислород, образуется его твердый раствор в α-титане. Возникает слой насыщенного раствора, который предохраняет титан от дальнейшего окисления. Этот слой называют алъфированным. При нагреве титан вступает в химическое соединение с кислородом, образуя ряд окислов от Ti6O до TiO2. По мере окисления изменяется окраска оксидной пленки от золотисто-желтой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. По этим цветам в околошовной зоне можно судить о качестве защиты металла при сварке. С азотом титан, взаимодействуя активно при температуре более 500 0С, образует нитриды, повышающие прочность, но резко снижающие пластичность металла. Растворимость водорода в жидком титане больше, чем в стали, но с понижением температуры она резко падает, водород выделяется из раствора. При затвердевании металла это может вызвать пористость и замедленное разрушение сварных швов после сварки. Все титановые сплавы не склонны к образованию горячих трещин, но склонны к сильному укрупнению зерна в металле шва и околошовной зоны, что ухудшает свойства металла.
Технология сварки титановых сплавов
Из-за высокой химической активности титановые сплавы удается сваривать дуговой сваркой в инертных газах неплавящимся и плавящимся электродом, дуговой сваркой под флюсом, электронным лучом, электрошлаковой и контактной сваркой. Расплавленный титан жидкотекуч, шов хорошо формируется при всех способах сварки.
Основная трудность сварки титана - это необходимость надежной защиты металла, нагреваемого выше температуры 400 0С, от воздуха.
Дуговую сварку ведут в среде аргона и в его смесях с гелием. Сварку с местной защитой производят, подавая газ через сопло горелки, иногда с насадками, увеличивающими зону защиты. С обратной стороны стыка деталей устанавливают медные подкладные планки с канавкой, по длине которой равномерно подают аргон. При сложной конструкции деталей, когда осуществить местную защиту трудно, сварку ведут с общей защитой в камерах с контролируемой атмосферой. Это могут быть камеры-насадки для защиты части свариваемого узла, жесткие камеры из металла или мягкие из ткани со смотровыми окнами и встроенными рукавицами для рук сварщика. В камеры помещают детали, сварочную оснастку и горелку. Для крупных ответственных узлов применяют обитаемые камеры объемом до 350 м 3, в которых устанавливают сварочные автоматы и манипуляторы. Камеры вакуумируются, затем заполняются аргоном, через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.
Аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом детали толщиной 0,5... 1,5 мм сваривают встык без зазора и без присадки, а толщиной более 1,5 мм - с присадочной проволокой. Кромки свариваемых деталей и проволока должны зачищаться так, чтобы был снят насыщенный кислородом альфированный слой. Проволока должна пройти вакуумный отжиг при температуре 900... 1000 0С в течение 4 ч. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Детали толщиной более 10... 15 мм можно сваривать за один проход погруженной дугой. После образования сварочной ванны увеличивают расход аргона до 40...50 л/мин, что приводит к обжатию дуги. Затем электрод опускают в сварочную ванну. Давление дуги оттесняет жидкий металл, дуга горит внутри образовавшегося углубления, ее проплавляющая способность увеличивается.
Узкий шов с глубоким про-плавлением при сварке неплавя-щимся электродом в аргоне можно получать, применяя флюсы-пасты АН-ТА, АНТ17А на основе фтористого кальция с добавками. Они частично рафинируют и модифицируют металл шва, а также уменьшают пористость.
Дуговую сварку титановых сплавов плавящимся электродом (проволокой диаметром 1,2...2,0 мм) выполняют на постоянном токе обратной полярности на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос электродного металла. В качестве защитной среды применяют смесь из 20 % аргона и 80 % гелия или чистый гелий. Это позволяет увеличить ширину шва и уменьшить пористость.
Титановые сплавы можно сваривать дуговой сваркой под бескислородными фтористыми флюсами сухой грануляции АНТ1, АНТЗ для толщины 2,5...8,0 мм и АНТ7 для более толстого металла. Сварку ведут электродной проволокой диаметром 2,0...5,0 мм с вылетом электрода 14...22 мм на медной или на флюсомедной подкладке, либо на флюсовой подушке. Структура металла в результате модифицирующего действия флюса получается более мелкозернистой, чем при сварке в инертных газах.
При электрошлаковой сварке используют пластинчатые электроды из того же титанового сплава, что и свариваемая деталь, толщиной 8...12 мм и шириной, равной толщине свариваемого металла. Используют тугоплавкие фторидные флюсы АНТ2, АНТ4, АНТ6. Чтобы через флюс не проникал кислород, шлаковую ванну дополнительно защищают аргоном. Металл зоны термического влияния защищают, увеличивая ширину формирующих водоохлаждаемых ползунов и продувая в зазор между ними и деталью аргон. Сварные соединения после электрошлаковой сварки имеют крупнокристаллическую структуру, но свойства их близки к основному металлу. Перед электрошлаковой сваркой, так же как и перед дуговой, флюсы должны быть прокалены при температуре 200...300 0С.
Электронно-лучевая сварка титановых сплавов обеспечивает наилучшую защиту металла от газов и мелкозернистую структуру шва. Требования к сборке по сравнению с другими способами жестче.
При всех способах сварки титановых сплавов нельзя допускать перегрева металла. Нужно применять способы и приемы, позволяющие влиять на кристаллизацию металла: электромагнитное воздействие, колебания электрода или электронного луча поперек стыка, ультразвуковое воздействие на сварочную ванну, импульсный цикл дуговой сварки и т.п. Все это позволит получать более мелкую структуру шва и высокие свойства сварных соединений.
Характеристики металла титан и его применение
Металл титан является легким серебристо-белым металлом. Титановые сплавы обладают легкостью и прочностью, высокой коррозийной стойкостью и низким коэффициентом теплового расширения. Кроме того, титан - металл, который способен сохранять свои свойства в диапазоне температур от – 290 до +600 градусов Цельсия.
Оксид этого металла впервые обнаружил в 1789 У. Грегор. Во время исследования железистого песка ему удалось выделить окись неизвестного до селе металла, которой он дал название менакеновая. Один из первых образцов металлического титана был получен в 1825 Й. Я. Берцелиусом.
Особенности
В периодической таблице Менделеева титан - элемент, находящийся в 4-ой группе 4-ого периода под номером 22. В наиболее устойчивых соединениях данный элемент четырехвалентен. Своим внешним видом он немного напоминает сталь и относится к переходным элементам. Температура плавления титана 1668±4°С, а кипит он при 3300 градусах Цельсия. Что касается скрытой теплоты плавления и испарения этого металла, то она почти в 2 раза больше, нежели у железа.
Титан - металл серебристого оттенка
Сегодня существуют две аллотропические модификации титана. Первая – низкотемпературная альфа-модификация. Вторая – высокотемпературная бетта-маодификация. По плотности, а также удельной теплоемкости этот металл занимает место между алюминием и железом.
Характеристика титана имеет ряд положительных особенностей. Механическая прочность его вдвое больше чистого железа и в шесть раз выше алюминия. Однако, титан способен поглощать кислород, водород и азот. Они могут резко снижать его пластические свойства. Если титан смешивается с углеродом, то образуются тугоплавкие карбиды, которые имеют высокую твердость.
Титану свойственна низкая теплопроводность, которая в 4 раза меньше, чем у алюминия, и в 13 раз, чем у железа. Также титан обладает довольно высоким удельным электросопротивлением. 
Титан является парамагнитным металлом, а как известно, парамагнитные вещества обладают магнитной восприимчивостью, которая падает при нагревании. Однако, титан – исключение, так как его восприимчивость только увеличивается с температурой.
Достоинства:
Малая плотность, которая способствует уменьшению массы материала;
Высокая механическая прочность;
Высокая коррозийная стойкость;
Высокая удельная прочность.
Недостатки:
Высокая стоимость производства;
Активное взаимодействие со всеми газами, из-за чего плавят его только в вакууме либо среде инертных газов;
Плохие антифрикционные свойства;
Сложности вовлечения в производство титановых отходов;
Склонность к солевой коррозии, водородной хрупкости;
Довольно плохая обрабатываемость резанием;
Большая химическая активность.
Использование
Применение титана наиболее востребовано в производстве ракетной и авиационной техники, морском судостроении.
Кольца
Его используют в качестве легирующей примеси к качественным сталям. Технический титан расходуется на изготовление емкостей и химических реакторов, трубопроводов и арматуры, насосов и клапанов, плюс ко всему изделий, функционирующих в агрессивных средах. Компактный титан применяется для изготовления сеток и других деталей электровакуумных приборов, которые работают в высоких температурах.
Механическая прочность, коррозийная стойкость, удельная прочность, жаропрочность и другие свойства титана позволяют широко применять его в технике. Высокая стоимость этого металла и сплавов компенсируется большой работоспособностью. В некоторых ситуациях титановые сплавы являются единственными использующимися для изготовления того или иного оборудования либо конструкций, способных работать в конкретных условиях.
Изначально добыча титана производилась для нужд производства красителей. Однако, использование этого металла в качестве конструкционного материала привело к расширению добычи титановой руды, а также поиску и освоению новых месторождений
Брусок чистого (99,995 %) титана
В прошлом титан был побочным продуктом, а во многих случаях препятствовал, к примеру, добыче железной руды. Сегодня же рудники эксплуатируются только для получения этого металла, как главного продукта.
Чтобы добывать титановую руду, не нужно обладать каким-либо специальным и проводить сложные операции. Если титановые минералы находят в песчаных месторождениях, то собираются они с помощью землесосных снарядов, проходя через которые они попадают на баржи, а те в свою очередь доставляют их на обогатительную установку. Но, если же минералы титана находят в горных породах, то здесь уже не используют даже горное оборудование.
Руда измельчается для обеспечения эффективного разделения минеральных компонентов. После, чтобы отделить ильменит от посторонних материалов применяется влажная магнитная сепарация малой интенсивности. Затем остаточный ильменит обогащается с помощью гидравлических классификаторов и столов. Потом обогащение производится методом сухой магнитной сепарации, обладающей высокой интенсивностью.
Свойство металла титан и его место в продуктах
Титан – химический элемент, довольно широко распространённый в природе. Это металл, серебристо-серый и твёрдый; он входит в состав многих минералов, и добывать его можно почти везде – Россия занимает второе место в мире по добыче титана.
Много титана в титанистом железняке – ильмените, относящемся к сложным оксидам, и золотисто-красном рутиле, являющемся полиморфной (многообразной и способной существовать в разных кристаллических структурах) модификацией двуокиси титана – химикам известно три таких природных соединения.
Титан часто встречается в горных породах, но в почвах, особенно песчаных, его ещё больше. Среди титаносодержащих горных пород можно назвать перовскит – он считается довольно распространённым; титанит – силикат титана и кальция, которому приписываются лечебные и даже магические свойства; анатаз – также полиморфное соединение – простой оксид; и брукит – красивый кристалл, часто встречающийся в Альпах, а у нас, в России – на Урале, Алтае и в Сибири.
Заслуга открытия титана принадлежит сразу двоим учёным – немцу и англичанину. Английский учёный Уильям Мак-Грегор не был химиком, но минералами очень интересовался, и однажды, в конце XVIII века, выделил из чёрного песка Корнуэлла неизвестный металл, и вскоре написал о нём статью.
Эту статью читал и известный немецкий учёный, химик М.Г. Клапрот, и он через 4 года после Мак-Грегора обнаружил оксид титана (так он назвал этот металл, а англичане называли его менаккином – по названию места, где он был найден) в красном песке, распространённом в Венгрии. Когда учёный сравнил соединения, найденные в чёрном и красном песке, они оказались оксидами титана – так что этот металл был открыт обоими учёными независимо.
Кстати, название металла не имеет никакого отношения к древнегреческим Богам Титанам (хотя есть и такая версия), а назвали его в честь Титании – царицы фей, о которой писал Шекспир. Это название связывается с лёгкостью титана – его необычно низкой плотностью.
После этих открытий многие учёные не раз пытались выделить чистый титан из его соединений, но в XIX веке это удавалось плохо - даже великий Менделеев считал этот металл редким, и потому интересным только для «чистой» науки, а не для применения в практических целях. Но учёные XX века поняли, что титана в природе много – около 70 минералов содержат его в своём составе, и сегодня известно множество таких месторождений. Если говорить о металлах, широко используемых человеком в технике, то можно найти только три, которых в природе больше, чем титана – это магний, железо и алюминий. Химики ещё говорят, что, если количественно объединить все запасы меди, серебра, золота, платины, свинца, цинка, хрома и ещё некоторых металлов, которыми богата Земля, то титана получится больше, чем их всех.
Выделять из соединений чистый титан химики научились только в 1940 году – это сделали американские учёные.
Многие свойства титана уже изучены, и он применяется в разных сферах науки и промышленности, но мы здесь не будем подробно рассматривать эту сторону его применения – нам интересно биологическое значение титана.
Использование титана в медицине и пищевой промышленности тоже нас интересует – в этих случаях титан поступает непосредственно в организм человека, или контактирует с ним. Одно из свойств этого металла очень радует: учёные, в том числе и медики, считают титан безопасным для человека, хотя при его избыточном поступлении в организм могут возникать хронические лёгочные заболевания.
Титан в продуктах
Титан есть в морской воде, тканях растений и животных, а значит, и в продуктах растительного и животного происхождения. Растения получают титан из почвы, на которой растут, а животные получают его, поедая эти растения, однако вначале – уже в XIX веке - химики открыли титан в организме животных, а уже потом в растениях. Эти открытия снова были сделаны англичанином и немцем – Г. Ризом и А. Адергольдом.
В организме человека титана около 20 мг, и поступает он обычно с продуктами питания и водой. Титан есть в яйцах и молоке, в мясе животных и растениях – их листьях, стеблях, плодах и семенах, но вообще в продуктах питания его немного. Растения, особенно водоросли, содержат больше титана, чем ткани животных; много его в кладофоре – кустистой ярко-зелёной водоросли, часто встречающейся в пресных водоёмах и морях.
Значение титана для организма человека
Зачем титан нужен организму человека? Учёные говорят, что его биологическая роль не выяснена, но он участвует в процессе образования эритроцитов в костном мозге, в синтезе гемоглобина и в процессе формирования иммунитета.
Титан есть в головном мозге человека, в слуховом и зрительном центрах; в женском молоке он есть всегда, причём в определённых количествах. Концентрации титана в организме активизируют обменные процессы, и улучшают общий состав крови, снижая в ней содержание холестерина и мочевины.
В сутки человек получает около 0,85 мг титана, с водой и продуктами питания, а также с воздухом, но в желудочно-кишечном тракте он всасывается слабо – от 1 до 3%.
Для человека титан нетоксичен или малотоксичен, и о летальной дозе у медиков тоже нет данных, но при регулярном вдыхании двуокиси титана он накапливается в лёгких, и тогда развиваются хронические заболевания, сопровождающиеся одышкой и кашлем с мокротой – трахеит, альвеолит и др. Накопление титана вместе с другими, более токсичными элементами, вызывает воспаления и даже гранулематоз – тяжёлое заболевание сосудов, опасное для жизни.
Избыток и недостаток титана
Чем может объясняться избыточное поступление титана в организм? Поскольку, как уже сказано, титан применяется во многих областях науки и промышленности, избыток титана и даже отравление им часто грозит рабочим разных производств: машиностроительных, металлургических, лакокрасочных и т.д. Наиболее токсичен хлорид титана: достаточно отработать на таком производстве около 3-х лет, не особенно соблюдая технику безопасности, и хронические заболевания не замедлят проявиться.
Лечат такие заболевания обычно антибиотиками, пеногасителями, кортикостероидами, витаминами; больные должны находиться в покое и получать обильное питьё.
Дефицит титана – как у человека, так и у животных, не выявлен и не описан, и в этом случае можно предположить, что его действительно не бывает.
В медицине титан необыкновенно популярен: из него делают превосходные инструменты, и при этом доступные и недорогие – титан стоит от 15 до 25 долларов за килограмм. Любят титан ортопеды, стоматологи и даже нейрохирурги – и неудивительно.
Оказывается, у титана есть ценное для медиков качество – биологическая инертность: это означает, что конструкции из него прекрасно себя ведут в организме человека, и абсолютно безопасны для мышечных и костных тканей, которыми они обрастают со временем. Структура тканей при этом не меняется: титан не подвержен коррозии, а его механические свойства очень высоки. Достаточно сказать, что в морской воде, которая по составу очень близка к лимфе человека, титан может разрушаться со скоростью 0,02 мм за 1000 лет, а в растворах щелочей и кислот он по устойчивости похож на платину.
Среди всех используемых в медицине сплавов титановые отличаются чистотой, и примесей в них почти нет, чего нельзя сказать о кобальтовых сплавах или нержавеющей стали.
Внутренние и наружные протезы, изготовленные из титановых сплавов, не разрушаются и не деформируются, хотя всё время выдерживают рабочие нагрузки: механическая прочность титана в 2-4 раза выше, чем у чистого железа, и в 6-12 раз выше, чем у алюминия.
Пластичность титана позволяет делать с ним всё, что угодно – резать, сверлить, шлифовать, ковать при низких температурах, прокатывать – из него получается даже тонкая фольга.
Температура его плавления, однако, довольно высока – около 1670°C.
Электропроводность у титана очень низкая, и он относится к немагнитным металлам, поэтому пациентам с титановыми конструкциями в организме можно назначать физиотерапевтические процедуры – это безопасно.
В пищевой промышленности используется диоксид титана – в качестве красителя, обозначающегося как Е171. Им окрашивают конфеты и жвачку, кондитерские изделия и порошковые продукты, лапшу, крабовые палочки, изделия из фарша; им же осветляют глазури и муку.
В фармакологии диоксидом титана окрашивают лекарства, а в косметологии – кремы, гели, шампуни и другие средства.
металл титан свойство металла титан характеристики металла титан
Титан – один из загадочных, малоизученных макроэлементов в науке и жизни человека. Хотя его не зря называют «космическим» элементом, т.к. он активно применяется в передовых отраслях науки, техники, медицины и во многом другом – это элемент будущего.
Этот металл серебристо-серого цвета (см. фото), не растворим в воде. Он у него небольшая химическая плотность, поэтому ему характерна легкость. В то же время он очень прочен и легко поддается обработке из-за своей плавкости и пластичности. Элемент химически инертен благодаря наличию на поверхности защитной пленки. Титан не горюч, но его пыль взрывоопасна.
Открытие этого химического элемента принадлежит большому любителю минералов англичанину Уильяму Мак-Грегору. Но своим названием титан обязан все же химику – Мартину Генриху Клапроту, который обнаружил его независимо от Мак-Грегора.
Предположения о причинах, по которым этот металл назвали «титаном» романтичны. По одной версии, название связано с древнегреческими богами Титанами, родителями которых являлись бог Уран и богиня Гея, а вот согласно второй, оно происходит от имени королевы фей – Титании.
Как бы там ни было, этот макроэлемент девятый по нахождению в природе. Он входит в состав тканей представителей флоры и фауны. Много его в морской воде (до 7%), а вот в почве его содержится всего 0,57%. Наиболее богат запасами титана Китай, за ним идет Россия.
Действие титана
Действие макроэлемента на организм обусловлено его физико-химическими свойствами. Его частицы очень малы, они могут проникать в клеточную структуру и влиять на ее работу. Считается, что из-за своей инертности макроэлемент не взаимодействует химически с раздражителями, и поэтому не токсичен. Однако он вступает в связь с клетками тканей, органов, крови, лимфы посредством физического действия, что приводит к их механическому повреждению. Так, элемент может своим действием привести к повреждению одно- и двухцепочной ДНК, повредить хромосомы, что может привести к риску развития рака и сбоя в генетическом коде.
Выяснилось, что частицы макроэлемента не способны пройти через кожу. Поэтому попадают они внутрь человека только с едой, водой и воздухом.
Титан лучше усваивается через желудочно-кишечный тракт (1-3%), а вот через дыхательные пути всасывается только около 1%, однако содержание его в организме сконцентрировано как в легких (30%). С чем это связано? Проанализировав все вышеуказанные цифры, можно прийти к нескольким выводам. Во-первых, титан вообще плохо усваивается организмом. Во-вторых, через ЖКТ идет выведение титана через кал (0,52 мг) и мочу (0,33 мг), а вот в легких такой механизм слабый или вовсе отсутствует, так как с возрастом у человека концентрация титана в этом органе возрастает практически в 100 раз. Чем же обусловлена такая большая концентрация при таком слабом всасывании? Скорее всего, это связано с постоянной атакой на наш организм пыли, в которой всегда присутствует титановая составляющая. Кроме того в данном лучае нужно учитывать нашу экологию и наличие промышленных мощностей вблизи населенных пунктов.
По сравнению с легкими, в остальных органах, таких как селезенка, надпочечники, щитовидная железа, содержание макроэлемента на протяжении всей жизни остается неизменным. Также присутствие элемента наблюдается в лимфе, плаценте, головном мозге, женском грудном молоке, костях, ногтях, волосах, хрусталике глаза, тканях эпителия.
Находясь в костях, титан участвует в их срастании после переломов. Также положительное действие наблюдается в восстановительных процессах, происходящих в поврежденных подвижных соединениях костей при артритах и артрозах. Этот металл является сильным антиоксидантом. Ослабляя действие свободных радикалов на клетки кожи и крови, он защищает весь организм от преждевременного старения и изнашивания.
Концентрируясь в отделах мозга, отвечающих за зрение и слух, положительно влияет на их функционирование. Нахождение металла в надпочечниках и щитовидной железе подразумевает его участие в вырабатывании гормонов, участвующих в обмене веществ. Он также задействован в выработке гемоглобина, выработке эритроцитов. Снижая в крови содержание холестерина и мочевины, следит за ее нормальным составом.
Негативное действие титана на организм связано с тем, что он является тяжелым металлом . Попадая в организм, он не расщепляется и не разлагается, а оседает в органах и тканях человека, отравляя его и вмешиваясь в процессы жизнедеятельности. Он не подвержен коррозии и устойчив к действию щелочей и кислот, поэтому желудочный сок не способен на него воздействовать.
Соединения титана имеют способность не пропускать коротковолновое ультрафиолетовое излучение и не всасываются через кожу, поэтому их можно использовать для защиты кожи от ультрафиолета.
Доказано, что курение увеличивает поступление металла в легкие из воздуха во много раз. Это ли не повод бросить эту вредную привычку!
Суточная норма - какова потребность в химическом элементе?
Суточная норма макроэлемента обусловлена тем, что в теле человека содержится примерно 20 мг титана, из них 2,4 мг – в легких. Каждый день с пищей организм приобретает 0,85 мг вещества, с водой – 0,002 мг, а с воздухом – 0,0007 мг. Суточная норма для титана очень условна, так как последствия его влияния на органы до конца не изучено. Приблизительно она равняется около 300-600 мкг в сутки. Нет никаких клинических данных о последствиях превышения этой нормы – все на стадии опытных исследований.
Недостаток титана
Состояния, при которых бы наблюдался недостаток металла, не выявлены, поэтому ученые пришли к выводу, что их в природе не существует. Но его дефицит наблюдается при большинстве тяжелых заболеваний, что может ухудшить состояние больного. Этот недостаток можно убрать титаносодержащими препаратами.
Влияние избытка титана на организм
Избыток макроэлемента единоразового поступления титана в организм не выявлен. Если, предположим, человек проглотил титановый штифт, то, по всей видимости, об отравлении говорить не приходится. Скорее всего, из-за своей инертности элемент не вступит в контакт, а выведется естественным путем.
Большую опасность вызывает систематическое увеличение концентрации макроэлемента в органах дыхания. Это приводит к повреждению дыхательной и лимфатической систем. Также есть непосредственная связь между степенью протекания силикоза и содержанием элемента в органах дыхания. Чем больше его содержание, тем тяжелее протекает болезнь.
Избыток тяжелого металла наблюдается у людей, работающих на химических и металлургических предприятиях. Наиболее опасен хлорид титана – за 3 рабочих года начинается проявление тяжелых хронических заболеваний.
Такие заболевания лечат специальными препаратами и витаминами.
Каковы источники?
Элемент попадает в организм человека в основном с пищей и водой. Больше всего его в бобовых (горох, фасоль, чечевица, бобы) и в злаковых (рожь, ячмень, гречка, овес). Выявлено его присутствие в молочных и мясных блюдах, а также в яйцах. В растениях сконцентрировано больше этого элемента, чем в животных. Особенно высоко его содержание в водоросли – кустистой кладофоре.
Во всех продуктах питания, где присутствует пищевой краситель Е171, содержится диоксид этого металла. Его применяют в изготовлении соусов и приправ. Вред этой добавки находится под вопросом, так как оксид титана практически не растворим в воде и желудочном соке.
Показания к применению
Показания к применению элемента, несмотря на то, что этот космический элемент еще мало изучен, есть, он активно применяется во всех сферах медицины. Из-за своей прочности, коррозионной стойкости и биологической инертности, он широко применяется в сферах протезирования для изготовления имплантантов. Его применяют в стоматологии, нейрохирургии, ортопедии. Благодаря долговечности из него изготавливают хирургические инструменты.
Диоксид этого вещества используют в лечении болезней кожи, таких как хейлит, герпес, угревая сыпь, воспаление слизистой рта. Им удаляют гемангиому лица.
Никелид металла задействован в устранении местно-распространенного рака гортани. Его используют для эндопротезирования гортани и трахеи. Также он применяется для лечения инфицированных ран в сочетании с растворами антибиотиков.
Аквакомплекс глицеросольвата макроэлемента способствует заживлению язвенных ран.
Для ученых по всему миру открыто много возможностей для изучения элемента будущего, так как его физико-химические свойства высоки и могут принести безграничную пользу для человечества.
Сплавы титана можно разделить на три группы по соотношению количкствава б-фазы (с гексагональной кристаллической решеткой) и в-фазы (с объемно-центрической кубической решеткой) различают б-, (б + в)- и в-сплавы.
По влиянию на температуру полиморфных превращений легирующие элементы (Легимрование (нем. legieren -- «сплавлять», от лат. ligare --«связывать») --добавление в состав материалов, примесей для изменения (улучшения) физических и/или химических свойств основного материала ) подразделяют на б-стабилизаторы, повышающие температуру полиморфного превращения, в-стабилизаторы, понижающие ее, и нейтральные упрочнители, мало влияющие на эту температуру. К б-стабилизаторам относят Al, In и Ga; к в-стабилизаторам - эвтектоидо-образующие (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Si) и изоморфные (V, Nb, Та, Mo, W) элементы, к нейтральным упрочнителям - Zr, Hf, Sn, Ge.
Элементы внедрения-вредные примеси (С, N, О), снижающие пластичность и технологичность металлов, и Н(гидроген), вызывающий водородную хрупкость сплавов.
На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рис. 17.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.
Полиморфное b ® a -превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении -- по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой a ў или при большей степени легированности -- a ў ў. Кристаллическая структура a, a ў, a ў ў практически однотипная (ГПУ), однако решетка a ў и a ў ў более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения [ 1], что решетка a ў ў -фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз a ўи a ў ў выделяется b -фаза или интерметаллидная фаза.
Рисунок 1
Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Т пп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).
Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b, a ў, a ў ў и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a - и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a - и b -фаз.
Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.
б-сплавы
Сплавы с б-структурой: ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1.Их легируют Al, Sn и Zr. Они отличаются повышенной жаропрочностью, высокой термической стабильностью, малой склонностью к хладноломкости, хорошей свариваемостью. Основной вид термической обработки-отжиг при 590-740 °С. Применяется для изготовления деталей, работающих при температурах до 400-450 °С; сплав Ti высокой чистоты (5% А1 и 2,5% Sn)-один из лучших материалов для работы при криогенных температурах (до 20 К).
ВТ1-0:
ВТ1-0 - это б-сплав, который насыщается с целью повышения температуры полиморфного преобразования титана стабилизаторами:
- · алюминий (AL);
- · галлий (Ga);
- · индий (In);
- · углерод;
- · азот;
- · кислород.
При температуре 882,5 градуса Цельсия структура сплава - ГПУ(гексагональная плотноупакованная), то есть с макисмально плотной упаковкой шаров атомов. В диапазоне температур от 882,5 градуса Цельсия до точки плавления имеет место ОЦК структура, то есть объемноцентрированная решетка.
Титан ВТ1-0 высокочистый, легкий, жаропрочный. Плавление наступает при температуре 1668°С. Сплав характеризуется невысоким тепловым коэффициентом расширения. Он малоплотный (плотность составляет всего 4,505 г/см 3) и высокопластичный (пластичность может составлять от 20 до 80%). Эти качества делают возможным получение из описываемого сплава деталей любой нужной формы. Сплав стоек к коррозии за счет наличия на его поверхности оксидной защитной пленки.
Среди недостатков можно выделить необходимость в высоких трудозатратах на его производстве. Плавление титана наступает лишь в вакуумной или инертной газовой среде. Это связано с активным взаимодействием жидкого титана практически со всеми газами атмосферы. Кроме того сплав марки ВТ1-0 плохо режется, хоть и его прочность не так высока в сравнении с другими. Чем меньше в составе сплава алюминия, тем ниже показатели его прочности и жаропрочности, а водородная хрупкость выше.
Благодаря своим высоким техническим характеристикам сплав ВТ1-0 идеален для изготовления трубы, различной штамповки и литых элементов в ракето-, авиа- и судостроительной, химической и энергетической промышленности.Благодаря низкому тепловому коэффициенту расширения материал превосходно сочетается с другими (стекло, камень и прочие), что делает его эффективным в строительной сфере. Металл немагнитен и имеет высокое электрическое сопротивление, чем отличается от многих других металлов. За счет этих качеств он просто незаменим в таких сферах, как радиоэлектроник, электротехника. Биологически инертен, то есть безвреден для человеческого организма, благодаря чему находит применение во многих сферах медицины.
ОТ-4-0:
Сплав марки ОТ4-0 входит в категорию псевдо б-сплавов. Данные сплавы не подлежат термическому упрочнению и классифицируются следующим образом:
- 1. Низкопрочные сплавы с низкими содержанием в составе алюминия и невысоким процентом в-стабилизаторов, что делает их высокотехнологичными. Они хорошо поддаются любым видам сварки.
- 2. Высокопрочные супер б-сплавы.
В процентном соотношении их состав следующий:
- · алюминий (Аl) составляет 0,8%;
- · марганец (Mn) составляет 0,8%;
- · эквивалент алюминия составляет 1,8%;
- · эквивалент марганца составляет 1,3%.
Для него характерна средняя степень прочности, увеличивающаяся посредством добавления алюминия. Недостаток заключается в том, что это снижает технологичность материала. Легирование марганцем помогает улучшить технологичность материала в условиях горячей обработки давлением. Как в горячем, так и в холодном состоянии, сплав легко подвергается деформации. Штамповка возможна даже в условиях комнатной температуры, сталь легко подвергается свариванию. К существенным недостаткам этого сплава относится его низкая прочность, а также предрасположенность к хрупкости в условиях агрессивного воздействия водорода.
Сплав идет на изготовление высокотехнологичных деталей, предназначенных для процедуры холодной штамповки. Из него изготавливают многие разновидности металлопроката: трубу, проволоку, лист и прочие. Высокие эксплуатационные свойства сплава, среди которых стойкость к коррозии и эрозии, сопротивление баллистическому воздействию, делают его эффективным в конструировании атомных энергетических установок, теплообменников и трубопроводов, дымоходов на кораблях, насосов и прочих подобных элементов конструкций. Труба ОТ4-0 активно применяется в ядерно-энергетической и химической промышленности.
(б+в)-сплавы
Сплавы с (б+в) структурой: сплавы ВТ14, ВТ9, ВТ8, ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23. Благодаря более пластичной бета фазе эти сплавы более технологичны и лучше обрабатываются давлением, чем альфа сплавы.
(a + b)-структуры легируют А1, V, Zr, Cr, Fe, Mo, Si, W; в отожженном состоянии они содержат 5-50% b-фазы. Отличаются наиболее благоприятным сочетанием механических и технологических свойств, высокой прочностью, способностью к термическому. упрочнению в результате закалки и старения, удовлетворительной свариваемостью, меньшей склонностью к водородной хрупкости по сравнению с б-сплавами. Прочностные свойства промышленных (б + в)-сплавов в отожженном состоянии возрастают с увеличением содержания в них в-стабилизаторов. Увеличение содержания Al в сплавах повышает их жаропрочность, снижает пластичность и технологичность при обработке давлением.
ВТ3-1:
Сплав на основе титана марки ВТ3-1 принадлежит к категории б + в-сплавов. Он легируется такими элементами:
- · алюминий (Al) в объеме 6,3%;
- · молибден (Mo) в объеме 2,5%;
- · медь (Cu) в объеме 1,5%;
- · железо (Fe) в объеме 0,5%;
- · кремний (Si) в объеме 0,3%.
Металлопрокат ВТ3-1 стойкий к коррозии и химическому воздействию. Для него характерны такие качества, как повышенная жаропрочность, небольшой тепловой коэффициент расширения, а также легкость и пластичность. На способность материала к сопротивлению усталости оказывают влияние внешние факторы. Так, в вакуумной среде сплав выносливее, чем под воздействием воздуха. Также заметно влияет на выносливость его поверхность, то есть состояние, в котором она находится, и качество. Шероховатая ли она, имеет ли неровности, какими свойствами обладают поверхностные слои? От этих факторов и зависит выносливость титановых полуфабрикатов.
Увеличению предела выносливости способствует мягкая финальная механическая обработка. Имеется ввиду обязательное снятие слоя тонкой стружки толщиной до 0,1 мм, а затем полировка вручную с использованием медной шкурки, шероховатость которой лежит в пределах 8-9 класса. Если же была произведена шлифовка абразивами и форсированная резка, то такой сплав будет плохо сопротивляться усталости.
К металлопрокату из титана этой марки предъявляют некоторые требования. Так, он должен быть светлого чистого цвета, а на его поверхности не иметь потемнений, потеков. Волнистость, которая появляется после отжига, не относится к браку. Среди недостатков сплава ВТ3-1 выделяют необходимость в больших трудозатратах при его производстве и высокую себестоимость. Такие металлы лучше реагируют на сжатие, чем на растяжение.
Металлопрокат ВТ3-1, в числе которого проволока, прут, круг и другие, благодаря их пригодности к экстремальным условиям использования используются в судо-, авиа- и ракетостроении. Благодаря стойкости к коррозии и негативному воздействию кислотных сред сплав находит широкое применение в химическом и нефтегазовом производстве. Биологическая инертность, то есть безопасность для организма обеспечивает ему активное использование в пищевой, сельскохозяйственной и медицинской сфере.
ВТ-6 обладает следующими характеристиками:
- · повышенная удельная прочность;
- · низкая восприимчивость к воздействию водорода в сравнении со сталью марки ОТ4;
- · низкая предрасположенность к коррозии под воздействием соли;
- · высокая технологичность: при нагреве он легко подвергается деформации.
Из сплава описываемой марки изготавливают большой ассортимент металлопроката: пруток, труба, штамповка, плита, лист и многие другие разновидности.
Сварка их осуществляется рядом традиционных способов, среди которых и диффузионный. В результате использования электронно-лучевой сварки сварной шов по прочности сравним с основным материалом.
Титан марки ВТ6 одинаково широко используется и отожженным, и термически обработанным, а значит более высококачественным.
Отжиг листа, трубы тонкостенной, профиля выполняется в температурном диапазоне от 750 до 800 градусов Цельсия. Охлаждение его выполняется либо на открытом воздухе, либо в печи.
Крупный металлопрокат, такой как пруток, штамповки, поковки отжигаются в температурном диапазоне от 760 до 800 градусов Цельсия. Охлаждается в печи, что защищает крупные изделия от деформации, а мелкие - от частичной закалки.
Существует теория, что более рационально производить отжиг в диапазоне температур от 900 до 950°С. Это повысит вязкость разрушения, ударную вязкость и, благодаря смешанному составу с большим процентом пластичной составляющей, сохранит пластичность изделия. Также подобный способ отжига повысит сопротивляемость сплава коррозии.
Его используют в производстве (при сварке) крупных конструкций, к примеру таких, как конструктивные элементы летательных устройств. Также это создание баллонов, способных выдерживать внутри себя повышенное давление в температурном диапазоне -196 - 450 С. По данным западных СМИ, примерно половина всего титана, который используется в авиационной промышленности, составляет именно титан марки ВТ-6.
в-сплавы
Сплавы с в-структурой. Некоторые опытные ВТ15, ТС6 с высоким содержанием хрома и молибдена. Эти сплавы сочетают хорошую технологическую пластичность с очень высокой прочностью и хорошей свариваемостью.
Полуфабрикаты из титана и титановых сплавов производятся во всевозможных формах и видах: титановые слитки, титановые слябы, заготовки, титановые листы и титановые плиты, титановые ленты и полосы, титановые прутки (или титановые круги), титановая проволока, титановые трубы.
К данной группе относятся сплавы, в структуре которых преобладает твердый раствор на основе в-модификации титана. Основными легирующими элементами являются в-стабилизаторы (элементы, понижающие температуру полиморфного превращения титана).В состав в-сплавов почти всегда входит алюминий, который их упрочняет.
Благодаря кубической решетке в-сплавы легче, чем б- и (б+в)-сплавы, подвергаются холодной деформации, хорошо упрочняются при термообработке, заключающейся в закалке и старении, и удовлетворительно свариваются; они имеют достаточно высокую жаропрочность, однако при легировании их только в-стабилизаторами жаропрочность с ростом температуры выше 400°С заметно снижается. Сопротивление ползучести и термическая стабильность сплавов этого типа ниже, чем у сплавов на основе а- твердого раствора.
После старения прочность в-сплавов может достигать 1700 МПа (в зависимости от марки сплава и типа полуфабриката). Несмотря на благоприятное сочетание прочностных и пластических характеристик, в-сплавы имеют ограниченную область применения вследствие высокой стоимости и сложности производственного процесса, а также необходимости строгого соблюдения технологических параметров.
Спектр применения в-сплавов все же довольно широкий -- от дисков авиационных двигателей до различных протезов медицинского назначения. В условиях промышленного производства возможно прогнозировать свойства по микроструктуре крупногабаритных штамповок. Однако вследствие сложности ее могут возникать затруднения в ходе УЗ-контроля.
Титан был первоначально назван «грегоритом» британским химиком преподобным Уильямом Грегором, который открыл его в 1791 году. Затем титан был независимо открыт немецким химиком М. Х. Клапротом в 1793 году. Он назвал его титаном в честь титанов из греческой мифологии - «воплощение естественной силы». Только в 1797 году Клапрот обнаружил, что его титан был элементом, ранее открытым Грегором.
Характеристики и свойства
Титан - это химический элемент с символом Ti и атомным номером 22. Это блестящий металл с серебристым цветом, низкой плотностью и высокой прочностью. Он устойчив к коррозии в морской воде и хлоре.
Элемент встречается в ряде месторождений полезных ископаемых, главным образом рутила и ильменита, которые широко распространены в земной коре и литосфере.
Титан используется для производства прочных лёгких сплавов. Двумя наиболее полезными свойствами металла являются коррозионная стойкость и отношение твёрдости к плотности, самое высокое из любого металлического элемента. В своём нелегированном состоянии этот металл столь же прочен, как некоторые стали, но менее плотный.
Физические свойства металла
Это прочный металл
с низкой плотностью, довольно пластичный (особенно в бескислородной среде), блестящий и металлоидно-белый. Относительно высокая температура плавления более 1650 °C (или 3000 °F) делает его полезным в качестве тугоплавкого металла. Он парамагнитный и имеет довольно низкую электрическую и теплопроводность.
По шкале Мооса твёрдость титана равняется 6. По этому показателю он немного уступает закалённой стали и вольфраму.
Коммерчески чистые (99,2%) титаны имеют предельную прочность на разрыв около 434 МПа, что соответствует обычным низкосортным стальным сплавам, но при этом титан гораздо легче.
Химические свойства титана
Как алюминий и магний, титан и его сплавы сразу же окисляются при воздействии воздуха. Он медленно реагирует с водой и воздухом при температуре окружающей среды, потому что образует пассивное оксидное покрытие
, которое защищает объёмный металл от дальнейшего окисления.
Атмосферная пассивация даёт титану отличную стойкость к коррозии почти эквивалентную платине. Титан способен противостоять атаке разбавленных серных и соляных кислот, растворов хлорида и большинства органических кислот.
Титан является одним из немногих элементов, которые сгорают в чистом азоте, реагируя при 800° C (1470° F) с образованием нитрида титана. Из-за своей высокой реакционной способности с кислородом, азотом и некоторыми другими газами титановые нити применяются в титановых сублимационных насосах в качестве поглотителей для этих газов. Такие насосы недороги и надёжно производят чрезвычайно низкое давление в системах сверхвысокого вакуума.
Обычными титаносодержащими минералами являются анатаз, брукит, ильменит, перовскит, рутил и титанит (сфен). Из этих минералов только рутил и ильменит имеют экономическое значение, но даже их трудно найти в высоких концентрациях.
Титан содержится в метеоритах и он был обнаружен на Солнце и звёздах M-типа с температурой поверхности 3200° C (5790° F).
Известные в настоящее время способы извлечения титана из различных руд являются трудоёмкими и дорогостоящими.
Производство и изготовление
В настоящее время разработаны и используются около 50 сортов титана и титановых сплавов. На сегодняшний день признаётся 31 класс титанового металла и сплавов, из которых классы 1−4 являются коммерчески чистыми (нелегированными). Они отличаются прочностью на разрыв в зависимости от содержания кислорода, причём класс 1 является наиболее пластичным (самая низкая прочность на разрыв с содержанием кислорода 0,18%), а класс 4 - наименее пластичный (максимальная прочность на разрыв с содержанием кислорода 0,40%).
Оставшиеся классы представляют собой сплавы, каждый из которых обладает конкретными свойствами:
- пластичность;
- прочность;
- твёрдость;
- электросопротивление;
- удельная коррозионная стойкость и их комбинации.
В дополнение к данным спецификациям титановые сплавы также изготавливаются для соответствия требованиям аэрокосмической и военной техники (SAE-AMS, MIL-T), стандартам ISO и спецификациям по конкретным странам, а также требованиям конечных пользователей для аэрокосмических, военных, медицинских и промышленных применений.
Коммерчески чистый плоский продукт (лист, плита) может быть легко сформирован, но обработка должна учитывать тот факт, что металл имеет «память» и тенденцию к возврату назад. Особенно это касается некоторых высокопрочных сплавов.
Титан часто используется для изготовления сплавов:
- с алюминием;
- с ванадием;
- с медью (для затвердевания);
- с железом;
- с марганцем;
- с молибденом и другими металлами.
Области применения
Титановые сплавы в форме листа, плиты, стержней, проволоки, отливки находят применение на промышленных, аэрокосмических, рекреационных и развивающихся рынках. Порошковый титан используется в пиротехнике как источник ярких горящих частиц.
Поскольку сплавы титана имеют высокое отношение прочности на разрыв к плотности, высокую коррозионную стойкость, устойчивость к усталости, высокую стойкость против трещин и способность выдерживать умеренно высокие температуры, они используются в самолётах, при бронировании, в морских кораблях, космических кораблях и ракетах.
Для этих применений титан легирован алюминием, цирконием, никелем, ванадием и другими элементами для производства различных компонентов, включая критические конструктивные элементы, огневые стены, шасси, выхлопные трубы (вертолёты) и гидравлические системы. Фактически около двух третей произведённого титанового металла используется в авиационных двигателях и рамах.
Поскольку сплавы титана устойчивы к коррозии морской водой, они используются для изготовления гребных валов, оснастки теплообменников и т. д. Эти сплавы используются в корпусах и компонентах устройств наблюдения и мониторинга океана для науки и военных.
Удельные сплавы применяются в скважинных и нефтяных скважинах и никелевой гидрометаллургии для их высокой прочности. Целлюлозно-бумажная промышленность использует титан в технологическом оборудовании, подверженном воздействию агрессивных сред, таких как гипохлорит натрия или влажный хлорный газ (в отбеливании). Другие применения включают ультразвуковую сварку, волновую пайку.
Кроме того, эти сплавы используются в автомобилях, особенно в автомобильных и мотоциклетных гонках, где крайне важны низкий вес, высокая прочность и жёсткость.
Титан используется во многих спортивных товарах: теннисные ракетки, клюшки для гольфа, валы из лакросса; крикет, хоккей, лакросс и футбольные шлемы, а также велосипедные рамы и компоненты.
Благодаря своей долговечности титан стал более популярным для дизайнерских ювелирных изделий (в частности, титановых колец). Его инертность делает его хорошим выбором для людей с аллергией или тех, кто будет носить украшения в таких средах, как плавательные бассейны. Титан также легирован золотом для производства сплава, который может быть продан как 24-каратное золото, потому что 1% легированного Ti недостаточно, чтобы потребовать меньшую отметку. Полученный сплав представляет собой примерно твёрдость 14-каратного золота и более прочен, чем чистое 24-каратное золото.
Меры предосторожности
Титан является нетоксичным даже в больших дозах . В виде порошка или в виде металлической стружки, он представляет собой серьёзную опасность пожара и, при нагревании на воздухе, опасность взрыва.
Свойства и применение титановых сплавов
Ниже представлен обзор наиболее часто встречающихся титановых сплавов, которые делятся на классы, их свойства, преимущества и промышленные применения.
7 класс
Класс 7 механически и физически эквивалентен классу 2 чистого титана, за исключением добавления промежуточного элемента палладия, что делает его сплавом. Он обладает превосходной свариваемостью и эластичностью, наиболее коррозионной стойкостью из всех сплавов этого типа.
Класс 7 используется в химических процессах и компонентах производственного оборудования.
11 класс
Класс 11 очень похож на класс 1, за исключением добавления палладия для повышения коррозионной стойкости, что делает его сплавом.
Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав можно использовать особенно в тех случаях, когда коррозия вызывает проблемы:
- химическая обработка;
- производство хлоратов;
- опреснение;
- морские применения.
Ti 6Al-4V, класс 5
Сплав Ti 6Al-4V, или титан 5 класса, наиболее часто используется. На его долю приходится 50% общего потребления титана во всём мире.
Удобство использования заключается в его многочисленных преимуществах. Ti 6Al-4V может подвергаться термообработке для повышения его прочности. Этот сплав обладает высокой прочностью при малой массе.
Это лучший сплав для использования в нескольких отраслях промышленности , таких как аэрокосмическая, медицинская, морская и химическая перерабатывающая промышленность. Его можно использовать при создании:
- авиационных турбин;
- компонентов двигателя;
- конструктивных элементов самолёта;
- аэрокосмических крепёжных изделий;
- высокопроизводительных автоматических деталей;
- спортивного оборудования.
Ti 6AL-4V ELI, класс 23
Класс 23 - хирургический титан. Сплав Ti 6AL-4V ELI, или класс 23, является версией более высокой чистоты Ti 6Al-4V. Он может быть изготовлен из рулонов, нитей, проводов или плоских проводов. Это лучший выбор для любой ситуации, когда требуется сочетание высокой прочности, малой массы, хорошей коррозионной стойкости и высокой вязкости. Он обладает превосходной устойчивостью к повреждениям.
Он может использоваться в биомедицинских применениях, таких как имплантируемые компоненты из-за его биосовместимости, хорошей усталостной прочности. Его также можно использовать в хирургических процедурах для изготовления таких конструкций:
- ортопедические штифты и винты;
- зажимы для лигатуры;
- хирургические скобы;
- пружины;
- ортодонтические приборы;
- криогенные сосуды;
- устройства фиксации кости.
12 класс
Титан класса 12 обладает отличной высококачественной свариваемостью. Это высокопрочный сплав, который обеспечивает хорошую прочность при высоких температурах. Титан класса 12 обладает характеристиками, подобными нержавеющим сталям серии 300.
Его способность формироваться различными способами делает его полезным во многих приложениях. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его неоценимым для производственного оборудования. Класс 12 можно использовать в следующих отраслях:
- теплообменники;
- гидрометаллургические применения;
- химическое производство с повышенной температурой;
- морские и воздушные компоненты.
Ti 5Al-2,5Sn
Ti 5Al-2,5Sn - это сплав, который может обеспечить хорошую свариваемость с устойчивостью. Он также обладает высокой температурной стабильностью и высокой прочностью.
Ti 5Al-2,5Sn в основном используется в авиационной сфере, а также в криогенных установках.