טִיטָן- אור מתכת עמידהלבן כסוף. הוא קיים בשני שינויים גבישיים: α-Ti עם סריג משושה צפוף, β-Ti עם אריזה ממוקדת גוף מעוקב, טמפרטורת טרנספורמציה פולימורפית α↔β 883 מעלות צלזיוס. סגסוגות טיטניום וטיטניום משלבות קלות, חוזק, קורוזיה גבוהה התנגדות, התפשטות מקדם תרמי נמוך, יכולת עבודה בטווח טמפרטורות רחב.
ראה גם:
מִבְנֶה
לטיטניום שני שינויים אלוטרופיים. לשינוי הטמפרטורה הנמוכה, הקיים עד 882 מעלות צלזיוס, יש סריג משושה צפוף עם תקופות a = 0.296 ננומטר ו-c = 0.472 ננומטר. לשינוי בטמפרטורה גבוהה יש סריג קובייה במרכז הגוף עם תקופה a = 0.332 ננומטר.
הטרנספורמציה הפולימורפית (882 מעלות צלזיוס) בזמן קירור איטי מתרחשת על פי המנגנון הרגיל עם היווצרות גרגירים שוות-צירים, ובזמן קירור מהיר, על פי המנגנון המרטנסיטי עם היווצרות מבנה אצילי.
לטיטניום יש עמידות גבוהה בפני קורוזיה ועמידות כימית הודות לסרט התחמוצת המגן על פני השטח שלו. זה לא מאכל טרי ו מי ים, חומצות מינרליות, אקווה רג'יה וכו'.
נכסים
נקודת התכה 1671 מעלות צלזיוס, נקודת רתיחה 3260 מעלות צלזיוס, צפיפות α-Ti ו-β-Ti היא 4.505 (20 מעלות צלזיוס) ו-4.32 (900 מעלות צלזיוס) גרם/ס"מ³, בהתאמה, צפיפות אטומית 5.71×1022 at/cm³. פלסטיק, מרותך באווירה אינרטית.
טיטניום טכני המשמש בתעשייה מכיל זיהומים של חמצן, חנקן, ברזל, סיליקון ופחמן, אשר מגבירים את חוזקו, מפחיתים את המשיכות ומשפיעים על הטמפרטורה של טרנספורמציה פולימורפית, המתרחשת בטווח של 865-920 מעלות צלזיוס. עבור דרגות טיטניום טכניות VT1-00 ו-VT1-0 הצפיפות היא כ-4.32 גרם/ס"מ 3, חוזק מתיחה 300-550 MN/m 2 (30-55kgf/mm 2), התארכות יחסית לא פחות מ-25%, קשיות ברינל 1150 - 1650 MN / m 2 (115-165 kgf / mm 2). זה פרמגנטי. התצורה של מעטפת האלקטרונים החיצונית של האטום Ti 3d24s2.
יש לו צמיגות גבוהה, במהלך העיבוד הוא נוטה להיצמד לכלי החיתוך, ולכן יש צורך ביישום ציפויים מיוחדים על הכלי, חומרי סיכה שונים.
בטמפרטורה רגילה, הוא מכוסה בסרט פסיבי מגן של תחמוצת TiO 2, בשל כך הוא עמיד בפני קורוזיה ברוב הסביבות (למעט אלקליין). אבק טיטניום נוטה להתפוצץ. נקודת הבזק 400 מעלות צלזיוס.
רזרבות וייצור
העפרות העיקריות: אילמניט (FeTiO 3), רוטיל (TiO 2), טיטנייט (CaTiSiO 5).
בשנת 2002, 90% מהטיטניום שנכרה שימש לייצור טיטניום דו-חמצני TiO 2 . הייצור העולמי של טיטניום דו חמצני היה 4.5 מיליון טון בשנה. העתודות המאושרות של טיטניום דו חמצני (ללא רוסיה) הן כ-800 מיליון טון. עבור שנת 2006, לפי הסקר הגיאולוגי של ארה"ב, במונחים של טיטניום דו חמצני וללא רוסיה, עתודות עפרות האילמניט מסתכמות ב-603-673 מיליון טון, ורוטיל. - 49.7- 52.7 מיליון טון, לפיכך, בקצב הייצור הנוכחי, הרזרבות המוכחות של טיטניום בעולם (למעט רוסיה) יספיקו ליותר מ-150 שנה.
לרוסיה יש את מאגרי הטיטניום השני בגודלו בעולם אחרי סין. בסיס משאבי מינרליםטיטניום ברוסיה מורכב מ-20 מרבצים (מתוכם 11 ראשוניים ו-9 סחף), המפוזרים באופן שווה למדי ברחבי המדינה. הגדול מבין המרבצים שנחקרו נמצא במרחק של 25 ק"מ מהעיר אוכטה (רפובליקת קומי). עתודות הפיקדון נאמדות ב-2 מיליארד טון.
התרכיז של עפרות טיטניום נתון לחומצה גופרתית או לעיבוד פירומטלורגי. התוצר של טיפול בחומצה גופרתית הוא אבקת טיטניום דו חמצני TiO 2 . באמצעות השיטה הפירו-מטלורגית, העפרה מושחתת בקולה ומטופלת בכלור, משיגה אדי טיטניום טטרכלוריד ב-850 מעלות צלזיוס ומופחתת במגנזיום.
"ספוג" הטיטניום שנוצר מומס ומטוהר. תרכיזי אילמניט מופחתים בתנורי קשת חשמליים עם הכלרה לאחר מכן של סיגי הטיטניום המתקבלים.
מָקוֹר
טיטניום הוא ה-10 בשכיחותו בטבע. תוכן בקרום כדור הארץ - 0.57% לפי משקל, במי ים - 0.001 מ"ג לליטר. 300 גרם/ט בסלעים אולטרה-בסיסיים, 9 ק"ג/ט בסלעים בסיסיים, 2.3 ק"ג/ט בסלעים חומציים, 4.5 ק"ג/ט בחימר ופצלים. בקרום כדור הארץ, הטיטניום הוא כמעט תמיד ארבע ערכי וקיים רק בתרכובות חמצן. זה לא מתרחש בצורה חופשית. לטיטניום בתנאי בליה ומשקעים יש זיקה גיאוכימית ל-Al 2 O 3. הוא מרוכז בבוקסיטים של קרום הבליה ובמשקעי חרסית ימיים.
העברת הטיטניום מתבצעת בצורה של שברים מכניים של מינרלים ובצורה של קולואידים. עד 30% TiO 2 במשקל מצטבר בחלק מהחימר. מינרלים טיטניום עמידים בפני בליה ויוצרים ריכוזים גדולים במניחים. ידועים יותר מ-100 מינרלים המכילים טיטניום. החשובים שבהם הם: רוטיל TiO 2, ilmenite FeTiO 3 , titanomagnetite FeTiO 3 + Fe3O 4 , perovskite CaTiO 3 , titanite CaTiSiO 5 . יש עפרות טיטניום ראשוניות - אילמניט-טיטנומגנטיט ו-placer - רוטיל-אילמניט-זירקון.
מרבצי טיטניום ממוקמים בדרום אפריקה, רוסיה, אוקראינה, סין, יפן, אוסטרליה, הודו, ציילון, ברזיל, דרום קוריאה, קזחסטן. במדינות חבר העמים, הפדרציה הרוסית (58.5%) ואוקראינה (40.2%) תופסות את המקום המוביל במונחים של עתודות חקר של עפרות טיטניום.
יישום
סגסוגות טיטניום ממלאות תפקיד חשוב בטכנולוגיית התעופה, כאשר המטרה היא להשיג את העיצוב הקל ביותר בשילוב עם החוזק הנדרש. טיטניום הוא קל בהשוואה למתכות אחרות, אבל באותו זמן יכול לעבוד מתחת טמפרטורה גבוההאה. סגסוגות טיטניום משמשות לייצור עור, חלקי הידוק, ערכת חשמל, חלקי שלדה ויחידות שונות. כמו כן, חומרים אלו משמשים בבניית מנועי סילון למטוסים. זה מאפשר לך להפחית את משקלם ב-10-25%. סגסוגות טיטניום משמשות לייצור דיסקים ולהבים מדחסים, חלקי כניסת אוויר ושבשבת מנחים, ומחברים.
טיטניום וסגסוגותיו משמשים גם במדעי הטילים. לאור פעולתם לטווח קצר של המנועים ומעבר מהיר של שכבות צפופות של האטמוספירה, הבעיות של חוזק עייפות, סיבולת סטטית, ובמידה מסוימת, זחילה מוסרות במדעי הטילים.
עקב עמידות לא גבוהה מספיק בחום, טיטניום טכני אינו מתאים לשימוש בתעופה, אך בשל עמידותו בפני קורוזיה גבוהה במיוחד, במקרים מסוימים הוא הכרחי בתעשייה הכימית ובבניית ספינות. אז הוא משמש לייצור מדחסים ומשאבות לשאיבת מדיה אגרסיבית כמו חומצה גופרתית וחומצה הידרוכלורית והמלחים שלהם, צינורות, שסתומים, חיטוי, מיכלים שונים, מסננים וכו '. רק לטיטניום יש עמידות בפני קורוזיה בסביבות כמו כלור רטוב, תמיסות מימיות וחומצות של כלור, ולכן ציוד לתעשיית הכלור עשוי ממתכת זו. טיטניום משמש לייצור מחליפי חום הפועלים בסביבות קורוזיביות, כגון חומצה חנקתית (ללא עשן). בבניית ספינות, טיטניום משמש לייצור מדחפים, ציפוי ספינות, צוללות, טורפדות וכו'. קונכיות אינן נדבקות לטיטניום ולסגסוגות שלו, מה שמגדיל בחדות את ההתנגדות של הכלי כשהוא נע.
סגסוגות טיטניום מבטיחות לשימוש ביישומים רבים אחרים, אך השימוש בהן בטכנולוגיה מוגבל על ידי העלות הגבוהה והמחסור של טיטניום.
טיטניום - טי
מִיוּן
| סטרונץ (מהדורה 8) | 1/A.06-05 |
| דנה (מהדורה 7) | 1.1.36.1 |
| ניקל-סטרונץ (מהדורה 10) | 1.AB.05 |
הַגדָרָה
טִיטָן- האלמנט העשרים ושניים של הטבלה המחזורית. ייעוד - Ti מהלטינית "טיטניום". ממוקם בתקופה הרביעית, IVB group. מתייחס למתכות. המטען הגרעיני הוא 22.
טיטניום נפוץ מאוד בטבע; תכולת הטיטניום בקרום כדור הארץ היא 0.6% (משקל), כלומר. גבוה מהתוכן של מתכות בשימוש נרחב בטכנולוגיה כמו נחושת, עופרת ואבץ.
בצורת חומר פשוט, טיטניום הוא מתכת כסופה-לבנה (איור 1). מתייחס למתכות קלות. עַקשָׁן. צפיפות - 4.50 גרם/ס"מ 3 . נקודות ההיתוך והרתיחה הן 1668 o C ו- 3330 o C, בהתאמה. עמיד בפני קורוזיה כאשר הוא נחשף לאוויר בטמפרטורה רגילה, אשר מוסבר על ידי נוכחות של סרט מגן של הרכב TiO 2 על פני השטח שלו.
אורז. 1. טיטניום. מראה חיצוני.
משקל אטומי ומולקולרי של טיטניום
משקל מולקולרי יחסי של חומר(M r) הוא מספר המראה כמה פעמים המסה של מולקולה נתונה גדולה מ-1/12 מהמסה של אטום פחמן, וכן קרוב משפחה מסה אטומיתאֵלֵמֶנט(A r) - כמה פעמים המסה הממוצעת של אטומים של יסוד כימי גדולה מ-1/12 מהמסה של אטום פחמן.
מכיוון שטיטניום קיים במצב חופשי בצורה של מולקולות Ti מונוטומיות, ערכי המסה האטומית והמולקולרית שלו עולים בקנה אחד. הם שווים ל-47.867.
איזוטופים של טיטניום
ידוע שטיטניום יכול להופיע בטבע בצורה של חמישה איזוטופים יציבים 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti ו-50Ti. מספרי המסה שלהם הם 46, 47, 48, 49 ו-50, בהתאמה. הגרעין האטומי של איזוטופ הטיטניום 46 Ti מכיל עשרים ושניים פרוטונים ועשרים וארבעה נויטרונים, והאיזוטופים הנותרים שונים ממנו רק במספר הנייטרונים.
ישנם איזוטופי טיטניום מלאכותיים עם מספרי מסה מ-38 עד 64, ביניהם היציב ביותר הוא 44 Ti עם זמן מחצית חיים של 60 שנה, וכן שני איזוטופים גרעיניים.
יוני טיטניום
ברמת האנרגיה החיצונית של אטום הטיטניום, ישנם ארבעה אלקטרונים שהם ערכיות:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 .
כתוצאה מאינטראקציה כימית, טיטניום מוותר על אלקטרוני הערכיות שלו, כלומר. הוא התורם שלהם, והופך ליון טעון חיובי:
Ti 0 -2e → Ti 2+;
Ti 0 -3e → Ti 3+;
Ti 0 -4e → Ti 4+ .
מולקולת ואטום טיטניום
במצב חופשי, טיטניום קיים בצורה של מולקולות Ti מונוטומיות. להלן כמה תכונות המאפיינות את האטום והמולקולה של טיטניום:
סגסוגות טיטניום
המאפיין העיקרי של טיטניום, תורם לה שימוש נפוץבטכנולוגיה מודרנית - עמידות גבוהה בחום הן של טיטניום עצמו והן של סגסוגות שלו עם אלומיניום ומתכות אחרות. בנוסף, לסגסוגות אלו יש עמידות בחום גבוהה - עמידות לשמירה על תכונות מכניות גבוהות טמפרטורות גבוהות. כל זה הופך את סגסוגות הטיטניום לחומרים בעלי ערך רב לייצור מטוסים ורקטות.
בטמפרטורות גבוהות, טיטניום משתלב עם הלוגנים, חמצן, גופרית, חנקן ואלמנטים נוספים. זהו הבסיס לשימוש בסגסוגות טיטניום עם ברזל (פרוטיטניום) כתוסף לפלדה.
דוגמאות לפתרון בעיות
דוגמה 1
דוגמה 2
| תרגיל | חשב את כמות החום המשתחררת במהלך הפחתת כלוריד טיטניום (IV) במשקל 47.5 גרם עם מגנזיום. למשוואת התגובה התרמוכימית יש את הצורה הבאה: |
| פִּתָרוֹן | הבה נכתוב שוב את משוואת התגובה התרמוכימית: TiCl 4 + 2Mg \u003d Ti + 2MgCl 2 \u003d 477 kJ. לפי משוואת התגובה, נכנסו לתוכו 1 מול טיטניום (IV) כלוריד ו-2 מול מגנזיום. חשב את מסת כלוריד טיטניום (IV) לפי המשוואה, כלומר. מסה תיאורטית (מסה מולרית - 190 גרם למול): m תיאוריה (TiCl 4) = n (TiCl 4) × M (TiCl 4); m תיאוריה (TiCl 4) \u003d 1 × 190 \u003d 190 גרם. בואו נעשה פרופורציה: m prac (TiCl 4) / m theor (TiCl 4) \u003d Q prac / Q theor. לאחר מכן, כמות החום המשתחררת במהלך הפחתת טיטניום (IV) כלוריד עם מגנזיום היא: Q prac \u003d Q theor × m prac (TiCl 4) / m theor; Q prac \u003d 477 × 47.5 / 190 \u003d 119.25 kJ. |
| תשובה | כמות החום היא 119.25 קילו-ג'יי. |
סגסוגות טיטניום - אנו מבינים את הפרטים
המתכת טיטניום היא מתכת נפוצה בטבע, בקרום כדור הארץ היא יותר מנחושת, עופרת ואבץ. עם צפיפות של 4.51 גרם / cm3, לטיטניום יש חוזק של 267 ... 337 MPa, והסגסוגות שלו - עד 1,250 MPa. זוהי מתכת אפורה עמומה עם נקודת התכה של 1668 0C, עמידה בפני קורוזיה בשעה טמפרטורה רגילהאפילו בסביבות אגרסיביות חזקות, אך הוא פעיל מאוד כאשר הוא מחומם מעל 400 0C. בחמצן, הוא מסוגל לבעירה ספונטנית. מגיב באלימות עם חנקן. מחומצן על ידי אדי מים, פחמן דו חמצני, סופג מימן. המוליכות התרמית של טיטניום נמוכה יותר מפי שניים מזו של פלדת פחמן. לכן, בעת ריתוך טיטניום, למרות נקודת ההיתוך הגבוהה שלו, נדרש פחות חום.
טיטניום יכול להיות בצורת שני שלבים יציבים עיקריים הנבדלים במבנה סריג קריסטל. בטמפרטורה רגילה, הוא קיים כ-α-phase בעל מבנה דק שאינו רגיש לקצב הקירור. בטמפרטורות מעל 882 0C, נוצר שלב β עם גרגירים גסים ורגישות גבוהה לקצב הקירור. יסודות סגסוגת וזיהומים יכולים לייצב את שלב ה-α (אלומיניום, חמצן, חנקן) או שלב β (כרום, מנגן, ונדיום). לכן, סגסוגות טיטניום מחולקות על תנאי לשלוש קבוצות: α, α + β וסגסוגות β. הראשונים (VT1, VT5-1) אינם מוקשים תרמית, הם רקיעים ובעלי יכולת ריתוך טובה. השניים (OT4, VTZ, VT4, VT6, VT8) עם תוספות קטנות של מייצבי β גם מרתכים היטב. הם מעובדים תרמית. סגסוגות בעלות מבנה β, כגון VT15, VT22, מתקשות על ידי טיפול בחום. הם מרתכים גרוע יותר, נוטים לצמיחת גרגרים וסדקים קרים.
בטמפרטורת החדר, פני השטח של טיטניום ממיסים חמצן, ונוצרת תמיסה מוצקה שלו ב-α-טיטניום. מופיעה שכבה של תמיסה רוויה, המגנה על הטיטניום מפני חמצון נוסף. שכבה זו נקראת אלפא. כאשר מחומם, טיטניום נכנס פנימה תרכובת כימיתעם חמצן, ויוצרים מספר תחמוצות מ-Ti6O ל-TiO2. ככל שהחמצון מתקדם, צבע סרט התחמוצת משתנה מצהוב זהוב לסגול כהה, והופך ללבן. לפי צבעים אלו באזור הריתוך הקרוב, ניתן לשפוט את איכות ההגנה על מתכת במהלך הריתוך. טיטניום, באינטראקציה פעילה עם חנקן בטמפרטורה של יותר מ-500 0C, יוצר ניטרידים המגבירים את החוזק, אך מפחיתים בחדות את משיכות המתכת. מסיסותו של מימן בטיטניום נוזלי גדולה יותר מאשר בפלדה, אך עם ירידה בטמפרטורה הוא יורד בחדות, מימן משתחרר מהתמיסה. כאשר המתכת מתמצקת, הדבר עלול לגרום לנקבוביות ולכישלון מאוחר של ריתוכים לאחר הריתוך. כל סגסוגות הטיטניום אינן מועדות להיווצרות סדקים חמים, אך מועדות להתגבשות חזקה של הגרגר במתכת הריתוך ובאזור הנגוע בחום, אשר מחמירה את תכונות המתכת.
טכנולוגיית ריתוך סגסוגת טיטניום
בשל הפעילות הכימית הגבוהה, ניתן לרתך סגסוגות טיטניום באמצעות ריתוך קשת בגזים אינרטיים עם אלקטרודה שאינה מתכלה ומתכלה, ריתוך קשת שקוע, קרן אלקטרונים, אלקטרוסג וריתוך התנגדות. טיטניום מותך נוזל, התפר נוצר היטב בכל שיטות הריתוך.
הקושי העיקרי בריתוך טיטניום הוא הצורך הגנה אמינהמתכת מחוממת מעל טמפרטורה של 400 0C מהאוויר.
ריתוך קשת מתבצע בארגון ובתערובות שלו עם הליום. ריתוך בהגנה מקומית מתבצע על ידי אספקת גז דרך פיית המבער, לעיתים עם חרירים המגדילים את אזור ההגנה. בצד ההפוך של צומת החלקים, מותקנים רצועות גיבוי נחושת עם חריץ, שלאורכו מסופק ארגון באופן שווה. עם עיצוב מורכב של חלקים, כאשר קשה ליישם הגנה מקומית, ריתוך מתבצע עם הגנה כללית בחדרים עם אווירה מבוקרת. אלו יכולים להיות תאי זרבובית להגנה על חלק מהמכלול המרותך, חדרים קשיחים העשויים ממתכת או חדרים רכים מבד עם חלונות צפייה וכפפות מובנות לידיו של הרתך. חלקים, ציוד ריתוך ולפיד מונחים בחדרים. עבור יחידות קריטיות גדולות, נעשה שימוש בתאי מגורים בנפח של עד 350 מ"ר, שבהם מותקנים מכונות ריתוך ומניפולטורים אוטומטיים. החדרים מפונים, ואז מתמלאים בארגון, ורתכים בחליפות חלל נכנסים דרך מנעולי אוויר.
על ידי ריתוך ארגון-קשת עם אלקטרודת טונגסטן, חלקים בעובי של 0.5 ... 1.5 מ"מ מרותכים בקת ללא פער וללא תוסף, ובעובי של יותר מ-1.5 מ"מ - עם חוט מילוי. יש לנקות את הקצוות של החלקים לריתוך ואת החוט כדי להסיר את שכבת האלפא רווית החמצן. החוט חייב לעבור חישול ואקום בטמפרטורה של 900 ... 1000 0C למשך 4 שעות.ריתוך מתבצע בזרם ישר של קוטביות ישירה. חלקים עם עובי של יותר מ 10 ... 15 מ"מ ניתן לרתך במעבר אחד עם קשת שקועה. לאחר היווצרות בריכת הריתוך, קצב זרימת הארגון גדל ל-40...50 ליטר לדקה, מה שמוביל לדחיסת קשת. לאחר מכן מורידים את האלקטרודה לתוך בריכת הריתוך. לחץ הקשת דוחף את המתכת הנוזלית משם, הקשת נשרפת בתוך השקע שנוצר, יכולת ההיתוך שלה עולה. 
ניתן להשיג תפר צר עם חדירה עמוקה בעת ריתוך באלקטרודה לא מתכלה בארגון באמצעות משחות שטף AN-TA, ANT17A על בסיס סידן פלואוריד עם תוספים. הם משכללים ומשנים חלקית את מתכת הריתוך וגם מפחיתים את הנקבוביות.
ריתוך קשת של סגסוגות טיטניום עם אלקטרודה מתכלה (חוט בקוטר של 1.2 ... 2.0 מ"מ) מתבצע על זרם ישר של קוטביות הפוכה במצבים המספקים העברת טיפות עדינות של מתכת האלקטרודה. תערובת של 20% ארגון ו-80% הליום או הליום טהור משמשת כמדיום מגן. זה מאפשר לך להגדיל את רוחב התפר ולהפחית את הנקבוביות.
ניתן לרתך סגסוגות טיטניום על ידי ריתוך קשת תחת שטפי פלואור נטולי חמצן של גרגיר יבש ANT1, ANTZ לעובי של 2.5 ... 8.0 מ"מ ו-ANT7 למתכת עבה יותר. הריתוך מתבצע עם חוט אלקטרודה בקוטר של 2.0 ... 5.0 מ"מ עם יציקת אלקטרודה של 14 ... 22 מ"מ על רירית נחושת או שטף נחושת, או על כרית שטף. מבנה המתכת כתוצאה מפעולת השינוי של השטף מתברר כעדין יותר מאשר בעת ריתוך בגזים אינרטיים.
בריתוך אלקטרוסג משתמשים באלקטרודות צלחות מאותה סגסוגת טיטניום כמו החלק שיש לרתך, בעובי של 8 ... 12 מ"מ ורוחב שווה לעובי המתכת המרותכת. נעשה שימוש בשטפי פלואוריד עקשן ANT2, ANT4, ANT6. כדי למנוע חדירת חמצן דרך השטף, אמבט הסיגים מוגן בנוסף בארגון. המתכת של האזור מושפע החום מוגנת על ידי הגדלת רוחב המחוונים המקוררים במים וניפוח ארגון לתוך הפער בינם לבין החלק. למפרקים מרותכים לאחר ריתוך electroslag יש מבנה גס, אך תכונותיהם קרובות לאלו של המתכת הבסיסית. לפני ריתוך electroslag, כמו גם לפני ריתוך קשת, שטפים חייבים להיות calcinated בטמפרטורה של 200 ... 300 0C.
ריתוך קרן אלקטרונים של סגסוגות טיטניום מספק את ההגנה הטובה ביותר ממתכת מפני גזים ומבנה ריתוך עדין. דרישות ההרכבה מחמירות יותר משיטות אחרות.
עם כל השיטות של ריתוך סגסוגות טיטניום, אין לאפשר התחממות יתר של המתכת. יש צורך ליישם שיטות וטכניקות המאפשרות השפעה על התגבשות המתכת: פעולה אלקטרומגנטית, תנודות של האלקטרודה או קרן האלקטרונים על פני המפרק, פעולה קולית על בריכת הריתוך, מחזור ריתוך קשת פועם וכו'. כל זה יאפשר להשיג מבנה עדין יותר של התפר ותכונות גבוהות של מפרקים מרותכים.
מאפייני מתכת טיטניום ויישומה
מתכת טיטניום היא מתכת לבנה כסופה בהירה. סגסוגות טיטניום קלות וחזקות, בעלות עמידות בפני קורוזיה גבוהה ומקדם התפשטות תרמית נמוך. בנוסף, טיטניום היא מתכת המסוגלת לשמור על תכונותיה בטווח הטמפרטורות שבין -290 ל-+600 מעלות צלזיוס.
התחמוצת של מתכת זו התגלתה לראשונה בשנת 1789 על ידי וו. גרגור. במהלך חקר החול הברזלי, הוא הצליח לבודד תחמוצת של מתכת לא ידועה לפני הכפר, לה הוא נתן את השם menakenovaya. אחת הדגימות הראשונות של טיטניום מתכתי הושגה בשנת 1825 על ידי ג'יי יא ברזליוס.
מוזרויות
בטבלה המחזורית של מנדלייב, טיטניום הוא יסוד שנמצא בקבוצה ה-4 של התקופה ה-4 במספר 22. בתרכובות היציבות ביותר, יסוד זה הוא ארבע-ערכי. שֶׁלוֹ מראה חיצוניזה קצת כמו פלדה ושייך ליסודות המעבר. נקודת ההיתוך של טיטניום היא 1668 ± 4 מעלות צלזיוס, והוא רותח ב-3300 מעלות צלזיוס. באשר לחום הסמוי של היתוך ואידוי של מתכת זו, הוא גדול כמעט פי 2 מזה של ברזל.
טיטניום היא מתכת כסופה
כיום ישנם שני שינויים אלוטרופיים של טיטניום. הראשון הוא שינוי אלפא בטמפרטורה נמוכה. השני הוא שינוי בטא בטמפרטורה גבוהה. מבחינת צפיפות, כמו גם קיבולת חום ספציפית, מתכת זו מדורגת בין אלומיניום לברזל.
למאפיין של טיטניום יש מספר תכונות חיוביות. החוזק המכני שלו הוא פי שניים מזה של ברזל טהור ופי שישה מאלומיניום. עם זאת, טיטניום מסוגל לספוג חמצן, מימן וחנקן. הם יכולים להפחית בחדות את תכונות הפלסטיק שלה. אם טיטניום מעורבב עם פחמן, אז נוצרים קרבידים עקשן, בעלי קשיות גבוהה.
טיטניום מאופיין במוליכות תרמית נמוכה, שהיא פי 4 פחות מזו של אלומיניום, ופי 13 פחות מזו של ברזל. לטיטניום יש גם התנגדות חשמלית גבוהה למדי. 
טיטניום היא מתכת פרמגנטית, וכפי שאתם יודעים, לחומרים פרמגנטיים יש רגישות מגנטית הפוחתת בחימום. עם זאת, טיטניום הוא חריג, שכן הרגישות שלו רק עולה עם הטמפרטורה.
יתרונות:
צפיפות נמוכה, המסייעת להפחית את מסת החומר;
חוזק מכני גבוה;
גָבוֹהַ עמידות בפני קורוזיה;
חוזק ספציפי גבוה.
פגמים:
עלות ייצור גבוהה;
אינטראקציה פעילה עם כל הגזים, וזו הסיבה שהוא נמס רק בוואקום או בסביבת גז אינרטי;
תכונות אנטי-חיכוך גרועות;
קשיים הכרוכים בייצור פסולת טיטניום;
נטייה לקורוזיה של מלח, התפרקות מימן;
יכולת עיבוד ירודה למדי;
פעילות כימית גדולה.
נוֹהָג
השימוש בטיטניום הוא המבוקש ביותר בייצור ציוד רקטות ותעופה, בניית ספינות ימיות.
טבעות
הוא משמש כסוכן סגסוג לפלדות באיכות גבוהה. טיטניום טכני משמש לייצור מיכלים וכורים כימיים, צינורות ואביזרים, משאבות ושסתומים, בתוספת כל המוצרים הפועלים בסביבות אגרסיביות. טיטניום קומפקטי משמש לייצור רשתות וחלקים אחרים של מכשירי אלקטרו ואקום הפועלים בטמפרטורות גבוהות.
החוזק המכני, העמידות בפני קורוזיה, החוזק הספציפי, עמידות החום ותכונות אחרות של טיטניום מאפשרים לו שימוש נרחב בהנדסה. העלות הגבוהה של מתכת וסגסוגות זו מפוצה ביעילות גבוהה. במצבים מסוימים, סגסוגות טיטניום הן היחידות המשמשות לייצור ציוד או מבנים מסוימים שיכולים לפעול בתנאים ספציפיים.
בתחילה נכרה טיטניום לצרכי ייצור צבעים. עם זאת, השימוש במתכת זו כחומר מבני הוביל להרחבת כריית עפרות טיטניום, כמו גם לחיפוש ופיתוח של מרבצים חדשים.
פס טיטניום טהור (99.995%).
בעבר טיטניום היה תוצר לוואי ובמקרים רבים הפריע למשל להפקת עפרות ברזל. כיום, המכרות מופעלים רק כדי להשיג מתכת זו כמוצר העיקרי.
כדי לכרות עפרות טיטניום, אתה לא צריך להיות מיוחד ולבצע פעולות מורכבות. אם מינרלים טיטניום נמצאים במרבצים חוליים, הם נאספים בעזרת מחפרני שאיבה, שעוברים דרכם הם עולים על דוברות, והם, בתורם, מעבירים אותם למפעל העשרה. אבל, אם מינרלים טיטניום נמצאים בסלעים, אז אפילו ציוד כרייה כבר לא בשימוש כאן.
העפרה נכתשת כדי להבטיח הפרדה יעילה של מרכיבי המינרלים. לאחר מכן, מופעלת הפרדה מגנטית רטובה בעוצמה נמוכה כדי להפריד את האילמניט מחומרים זרים. לאחר מכן מועשר שאריות האילמניט באמצעות מסווגים הידראוליים וטבלאות. לאחר מכן ההעשרה מתבצעת בשיטה של הפרדה מגנטית יבשה, בעלת עוצמה גבוהה.
תכונת מתכת הטיטניום ומקומה במוצרים
טיטניום הוא יסוד כימי נפוץ למדי בטבע. הוא מתכת, אפור כסוף וקשה; הוא חלק ממינרלים רבים, וניתן לכרות אותו כמעט בכל מקום - רוסיה נמצאת במקום השני בעולם בייצור טיטניום.
יש הרבה טיטניום בעפרת ברזל טיטניום - אילמניט, השייך לתחמוצות מורכבות, ורוטיל אדום-זהוב, שהוא שינוי פולימורפי (מגוון ומסוגל להתקיים במבני גביש שונים) של טיטניום דו חמצני - כימאים מכירים שלושה טבעיים כאלה. תרכובות.
טיטניום נמצא לעתים קרובות בסלעים, אך הוא נמצא בשפע אפילו יותר בקרקעות, במיוחד חוליות. בין סלעים המכילים טיטניום, ניתן למנות פרוסקיט - זה נחשב נפוץ למדי; טיטנייט הוא סיליקט של טיטניום וסידן, המיוחס לתכונות מרפא ואף מאגיות; anatase - גם תרכובת פולימורפית - תחמוצת פשוטה; וברוקיט - גביש יפהפה, שנמצא לעתים קרובות בהרי האלפים, וכאן, ברוסיה - באוראל, אלטאי וסיביר.
הכשרון של גילוי הטיטניום שייך לשני מדענים בו זמנית - גרמני ואנגלי. המדען האנגלי וויליאם מקגרגור לא היה כימאי, אבל הוא התעניין מאוד במינרלים, ויום אחד, בסוף המאה ה-18, בודד מתכת לא ידועה מהחול השחור של קורנוול, ועד מהרה כתב עליה מאמר.
מאמר זה נקרא גם על ידי המדען הגרמני המפורסם, הכימאי M.G. קלפרות', והוא, 4 שנים אחרי מקגרגור, גילו תחמוצת טיטניום (כפי שהוא כינה את המתכת הזו, והבריטים קראו לה מנקין - על שם המקום בו היא נמצאה) בחול אדום הנפוץ בהונגריה. כשהמדען השווה בין התרכובות שנמצאו בחול שחור ואדום, התברר שהן תחמוצות טיטניום - כך שמתכת זו התגלתה על ידי שני המדענים באופן עצמאי.
אגב, לשם המתכת אין שום קשר לטיטאנים של האלים היווניים הקדומים (למרות שיש גרסה כזו), אבל היא נקראה על שם טיטאניה, מלכת הפיות, עליה כתב שייקספיר. שם זה קשור לקלילות של טיטניום - צפיפותו הנמוכה באופן יוצא דופן.
לאחר התגליות הללו, מדענים רבים ניסו יותר מפעם אחת לבודד טיטניום טהור מהתרכובות שלו, אך במאה ה-19 הם עשו זאת בצורה גרועה - אפילו מנדלייב הגדול ראה במתכת זו נדירה, ולכן מעניינת רק עבור מדע "טהור", ולא עבור מטרות מעשיות. אבל מדענים של המאה ה-20 הבינו שיש הרבה טיטניום בטבע - כ-70 מינרלים מכילים אותו בהרכבם, וכיום ידועים מרבצים רבים כאלה. אם אנחנו מדברים על מתכות בשימוש נרחב על ידי האדם בטכנולוגיה, אז אתה יכול למצוא רק שלוש, שהן יותר בטבע מאשר טיטניום - אלה הם מגנזיום, ברזל ואלומיניום. כימאים אומרים גם שאם נשלב באופן כמותי את כל המאגרים של נחושת, כסף, זהב, פלטינה, עופרת, אבץ, כרום ועוד כמה מתכות שכדור הארץ עשיר בהן, אז הטיטניום יהיה יותר מכולם.
כימאים למדו לבודד טיטניום טהור מתרכובות רק ב-1940 - זה נעשה על ידי מדענים אמריקאים. 
תכונות רבות של טיטניום כבר נחקרו, והוא נמצא בשימוש בתחומים שונים של מדע ותעשייה, אך לא נשקול את הצד הזה של היישום שלו בפירוט כאן - אנו מתעניינים במשמעות הביולוגית של טיטניום.
גם השימוש בטיטניום ברפואה ובתעשיית המזון מעניין אותנו - במקרים אלו טיטניום נכנס ישירות לגוף האדם, או בא איתו במגע. אחד המאפיינים של מתכת זו משמח מאוד: מדענים, כולל רופאים, רואים טיטניום בטוח לבני אדם, אם כי מחלות ריאה כרוניות עלולות להתרחש אם הוא נצרך בכמות מוגזמת.
טיטניום במוצרים
טיטניום נמצא במי ים, ברקמות צמחים ובעלי חיים, ומכאן במוצרים ממקור צמחי ובעלי חיים. צמחים מקבלים טיטניום מהאדמה שעליה הם גדלים, ובעלי חיים מקבלים אותו באכילת צמחים אלו, אבל בתחילת הדרך - כבר במאה ה-19 - גילו כימאים טיטניום בגוף של בעלי חיים, ורק אז בצמחים. תגליות אלו נעשו שוב על ידי אנגלי וגרמני - G. Rees ו-A. Adergold.
בגוף האדם, טיטניום הוא בערך 20 מ"ג, והוא מגיע בדרך כלל עם מזון ומים. טיטניום נמצא בביצים ובחלב, בבשר של בעלי חיים וצמחים - העלים, הגבעולים, הפירות והזרעים שלהם, אבל באופן כללי אין הרבה ממנו במזון. צמחים, במיוחד אצות, מכילים יותר טיטניום מרקמות בעלי חיים; יש הרבה ממנו בקלדופורה - אצה עבותה ירוקה בוהקת, שנמצאת לעתים קרובות במים מתוקים ובים.
הערך של טיטניום לגוף האדם
מדוע גוף האדם זקוק לטיטניום? מדענים אומרים שכן תפקיד ביולוגילא הובהר, אך הוא מעורב ביצירת תאי דם אדומים במח העצם, בסינתזה של המוגלובין וביצירת חסינות.
טיטניום נמצא במוח האנושי, במרכזי השמיעה והראייה; בחלב נשים הוא קיים תמיד, ובכמויות מסוימות. ריכוזי טיטניום בגוף מפעילים תהליכים מטבוליים ומשפרים הרכב כללידם, הפחתת תכולת הכולסטרול והאוריאה בו.
אדם מקבל כ-0.85 מ"ג טיטניום ליום, עם מים ומזון, כמו גם עם אוויר, אך הוא נספג בצורה גרועה במערכת העיכול - מ-1 עד 3%.
לבני אדם טיטניום אינו רעיל או רעיל נמוך, וגם לרופאים אין נתונים על מינון קטלני, אך בשאיפה קבועה של טיטניום דו חמצני הוא מצטבר בריאות, ואז מתפתחות מחלות כרוניות המלוות בקוצר נשימה ושיעול עם כיח - דלקת קנה הנשימה, דלקת המכתש וכו'. הצטברות טיטניום יחד עם אלמנטים אחרים, רעילים יותר, גורמת לדלקת ואף לגרנולומטוזיס - מחלה רציניתכלי שיט, סכנת חיים.
עודף וחוסר טיטניום
מה יכול להסביר את הצריכה המוגזמת של טיטניום בגוף? מאחר וכפי שכבר צוין נעשה שימוש בטיטניום בתחומי מדע ותעשייה רבים, עודף טיטניום ואף הרעלה באמצעותו מאיים לא פעם על עובדים בתעשיות שונות: בניית מכונות, מתכות, צבע ולכה וכו'. טיטניום כלוריד הוא הרעיל ביותר: מספיק לעבוד בייצור כזה במשך כ-3 שנים, בלי להקפיד במיוחד על אמצעי זהירות, ומחלות כרוניות לא יאטו לבוא לידי ביטוי.
מחלות כאלה מטופלות בדרך כלל באנטיביוטיקה, מסירי קצף, קורטיקוסטרואידים, ויטמינים; המטופלים צריכים להיות במנוחה ולקבל הרבה נוזלים.
מחסור בטיטניום – הן בבני אדם והן בבעלי חיים, לא זוהה ולא תואר, ובמקרה זה ניתן לשער שהוא באמת לא קיים.
ברפואה, טיטניום פופולרי ביותר: מכינים ממנו כלים מצוינים, ויחד עם זאת סבירים וזולים - טיטניום עולה בין 15 ל-25 דולר לק"ג. טיטניום אהוב על אורטופדים, רופאי שיניים ואפילו נוירוכירורגים – ואין פלא.
מסתבר שלטיטניום יש תכונה חשובה לרופאים - אינרציה ביולוגית: המשמעות היא שמבנים העשויים ממנו מתנהגים בצורה מושלמת בגוף האדם, ובטוחים לחלוטין לרקמות השרירים והעצם, אותן הם רוכשים עם הזמן. מבנה הרקמות אינו משתנה: טיטניום אינו נתון לקורוזיה, ותכונותיו המכניות גבוהות מאוד. די לומר כי במי הים, הקרובים מאוד בהרכבם ללימפה אנושית, ניתן להרוס טיטניום בקצב של 0.02 מ"מ ל-1000 שנים, ובתמיסות של אלקליות וחומצות הוא דומה ביציבותו לפלטינה.
בין כל הסגסוגות המשמשות ברפואה, סגסוגות טיטניום נבדלות בטוהר שלהן, ואין בהן כמעט זיהומים, מה שלא ניתן לומר על סגסוגות קובלט או נירוסטה.
תותבות פנימיות וחיצוניות העשויות מסגסוגות טיטניום אינן קורסות או מתעוותות, למרות שהן עומדות בעומסי עבודה כל הזמן: החוזק המכני של טיטניום גבוה פי 2-4 מזה של ברזל טהור, ופי 6-12 מזה של אלומיניום. .
הגמישות של טיטניום מאפשרת לעשות איתו הכל - לחתוך, לקדוח, לטחון, לזייף בטמפרטורות נמוכות, לגלגל - אפילו נייר כסף דק מתקבל ממנו.
נקודת ההיתוך שלו, לעומת זאת, די גבוהה, בסביבות 1670 מעלות צלזיוס.
המוליכות החשמלית של טיטניום נמוכה מאוד, והיא שייכת למתכות לא מגנטיות, כך שניתן לרשום למטופלים עם מבני טיטניום בגוף נהלי פיזיותרפיה - זה בטוח.
בתעשיית המזון, טיטניום דו חמצני משמש כצבע, המוגדר כ-E171. הם משמשים לצביעת ממתקים ומסטיקים, מוצרי ממתקים ואבקה, אטריות, מקלות סרטנים, מוצרי בשר טחון; הם גם מבהירים זיגוגים וקמח.
בפרמקולוגיה, תרופות מוכתמות בטיטניום דו חמצני, ובקוסמטולוגיה - קרמים, ג'לים, שמפו ומוצרים אחרים.
מתכת טיטניום תכונה של מתכת טיטניום מאפיינים של מתכת טיטניום
טיטניום (Lat. Titanium; מסומן בסמל Ti) הוא יסוד של תת-קבוצה משנית של הקבוצה הרביעית, התקופה הרביעית של המערכת המחזורית של היסודות הכימיים, עם המספר האטומי 22. החומר הפשוט טיטניום (מספר CAS: 7440- 32-6) היא מתכת קלה בצבע כסוף-לבן.
כַּתָבָה
הגילוי של TiO 2 נעשה כמעט בו זמנית ובאופן עצמאי על ידי האנגלי W. Gregor והכימאי הגרמני M. G. Klaproth. W. Gregor, שחקר את הרכבו של חול ברזלי מגנטי (קריד, קורנוול, אנגליה, 1789), בודד "אדמה" (תחמוצת) חדשה של מתכת לא ידועה, שאותה כינה menaken. בשנת 1795 גילה הכימאי הגרמני קלפרוט יסוד חדש במינרל רוטיל וקרא לו טיטניום. שנתיים לאחר מכן, קלפרות' קבע שאדמה רוטיל ומנקן הן תחמוצות של אותו יסוד, שמאחוריהן נשאר השם "טיטניום" שהציע קלפרוט. לאחר 10 שנים, גילוי הטיטניום התרחש בפעם השלישית. המדען הצרפתי L. Vauquelin גילה טיטניום ב-anatase והוכיח שרוטיל ו-anatase הם תחמוצות טיטניום זהות.
המדגם הראשון של טיטניום מתכתי הושג בשנת 1825 על ידי ג'יי יא ברזליוס. בשל הפעילות הכימית הגבוהה של טיטניום ומורכבות הטיהור שלו, א. ואן ארקל ואי. דה בור ההולנדים השיגו דגימת Ti טהורה בשנת 1925 על ידי פירוק תרמי של אדי טיטניום יודיד TiI 4.
מקור השם
המתכת קיבלה את שמה לכבוד הטיטאנים, דמויות המיתולוגיה היוונית העתיקה, ילדיה של גאיה. שמו של האלמנט ניתן על ידי מרטין קלפרות', בהתאם לדעותיו בנושא מינוח כימיבניגוד לאסכולה הצרפתית לכימיה, שם ניסו לתת שם ליסוד לפי תכונותיו הכימיות. מאחר שהחוקר הגרמני עצמו ציין את חוסר האפשרות לקבוע את תכונותיו של יסוד חדש רק לפי תחמוצתו, הוא בחר לו שם מהמיתולוגיה, בהקבלה לאורניום שהתגלה על ידו קודם לכן.
עם זאת, לפי גרסה אחרת, שפורסמה במגזין "טכניקה-מולודז'י" בסוף שנות ה-80, המתכת שזה עתה התגלתה חייבת את שמה לא לטיטאנים האדירים מהמיתוסים היווניים העתיקים, אלא לטיטאניה, מלכת הפיות במיתולוגיה הגרמאנית (אוברון. אישה בסרט "חלום ליל קיץ" של שייקספיר). שם זה קשור ל"קלילות" (צפיפות נמוכה) יוצאת הדופן של המתכת.
קַבָּלָה
ככלל, חומר המוצא לייצור טיטניום ותרכובותיו הוא טיטניום דו חמצני עם כמות קטנה יחסית של זיהומים. בפרט, זה יכול להיות תרכיז רוטיל המתקבל במהלך ההטבה של עפרות טיטניום. עם זאת, עתודות הרוטיל בעולם מוגבלות מאוד, ולעתים קרובות יותר נעשה שימוש במה שנקרא רוטיל סינתטי או סיגים טיטניום, המתקבלים במהלך עיבוד תרכיזי אילמניט. כדי להשיג סיגים טיטניום, רכז אילמניט מופחת בכבשן קשת חשמלי, בעוד הברזל מופרד לפאזה מתכתית (ברזל יצוק), ותחמוצות טיטניום וזיהומים לא מופחתים יוצרים פאזה סיגים. סיגים עשירים מעובדים בשיטת כלוריד או חומצה גופרתית.
התרכיז של עפרות טיטניום נתון לחומצה גופרתית או לעיבוד פירומטלורגי. התוצר של טיפול בחומצה גופרתית הוא אבקת טיטניום דו חמצני TiO 2 . בשיטה הפירו-מטלורגית, העפרה מושחתת בקולה ומטופלת בכלור, תוך קבלת זוג טיטניום טטרכלוריד TiCl 4:
TiO 2 + 2C + 2Cl 2 \u003d TiCl 2 + 2CO
אדי TiCl 4 הנוצרים ב-850 מעלות צלזיוס מופחתים עם מגנזיום:
TiCl 4 + 2Mg = 2MgCl 2 + Ti
"ספוג" הטיטניום שנוצר מומס ומטוהר. טיטניום מזוקק בשיטת יודיד או על ידי אלקטרוליזה, המפריד בין Ti ל-TiCl 4. כדי להשיג מטילי טיטניום, נעשה שימוש בעיבוד קשת, קרן אלקטרונים או פלזמה.
תכונות גשמיות
טיטניום היא מתכת קלה, כסופה-לבנה. הוא קיים בשני שינויים גבישיים: α-Ti עם סריג משושה צפוף, β-Ti עם אריזה קובית במרכז הגוף, הטמפרטורה של הטרנספורמציה הפולימורפית α↔β היא 883 מעלות צלזיוס.
יש לו צמיגות גבוהה, במהלך העיבוד הוא נוטה להיצמד לכלי החיתוך, ולכן יש צורך ביישום ציפויים מיוחדים על הכלי, חומרי סיכה שונים.
בטמפרטורה רגילה, הוא מכוסה בסרט פסיבי מגן של תחמוצת TiO 2, בשל כך הוא עמיד בפני קורוזיה ברוב הסביבות (למעט אלקליין).
אבק טיטניום נוטה להתפוצץ. נקודת הבזק 400 מעלות צלזיוס. שבבי טיטניום הם דליקים.
טיטניום בצורת תחמוצת (IV) התגלה על ידי המינרלוג החובב האנגלי W. Gregor בשנת 1791 בחולות הברזל המגנטיים של העיירה Menakan (אנגליה); בשנת 1795, הכימאי הגרמני M. G. Klaproth קבע שהמינרל רוטיל הוא תחמוצת טבעית מאותה מתכת, אותה כינה "טיטניום" [במיתולוגיה היוונית, טיטאנים הם ילדיהם של אורנוס (גן עדן) וגאיה (כדור הארץ)]. לא ניתן היה לבודד טיטניום בצורתו הטהורה במשך זמן רב; רק בשנת 1910 השיג המדען האמריקאי M. A. Hunter טיטניום מתכתי על ידי חימום הכלוריד שלו עם נתרן בפצצת פלדה אטומה; המתכת שהשיג הייתה רקיעה בטמפרטורות גבוהות ושבירה בטמפרטורת החדר בגלל התכולה הגבוהה של זיהומים. ההזדמנות לחקור את המאפיינים של טיטניום טהור הופיעה רק בשנת 1925, כאשר המדענים ההולנדים א. ואן ארקל ואי. דה בור השיגו פלסטיק מתכת בטוהר גבוה בטמפרטורות נמוכות על ידי פירוק תרמי של יודיד טיטניום.
הפצת טיטניום בטבע.טיטניום הוא אחד היסודות הנפוצים, תכולתו הממוצעת בקרום כדור הארץ (קלארקה) היא 0.57% במשקל (בין המתכות המבניות הוא תופס את המקום ה-4 מבחינת שכיחות, מאחורי ברזל, אלומיניום ומגנזיום). יותר מכל הטיטניום נמצא בסלעים הבסיסיים של מה שמכונה "קליפת הבזלת" (0.9%), פחות בסלעים של "קליפת הגרניט" (0.23%) ועוד פחות בסלעים אולטרה-בסיסיים (0.03%) וכו'. לסלעים, המועשרים בטיטניום, נכללים פגמטיטים של סלעים בסיסיים, סלעים אלקליים, סייניטים ופלגמטיטים קשורים ואחרים. ישנם 67 מינרלים ידועים טיטניום, רובם ממקור דלקתי; החשובים ביותר הם רוטיל ואילמניט.
טיטניום מפוזר בעיקר בביוספרה. במי ים הוא מכיל 10 -7%; טיטאן הוא מהגר חלש.
תכונות פיזיקליות של טיטניום.טיטניום קיים בצורה של שני שינויים אלוטרופיים: מתחת לטמפרטורה של 882.5 מעלות צלזיוס, צורת α עם סריג משושה סגור יציבה (a = 2.951Å, c = 4.679Å), ומעל טמפרטורה זו, ה-β -טופס עם סריג מרוכז בגוף מעוקב a = 3.269 Å. זיהומים ודופטים יכולים לשנות באופן משמעותי את טמפרטורת הטרנספורמציה של α/β.
הצפיפות של צורת ה-α ב-20°C היא 4.505 גרם/ס"מ 3, וב-870°C 4.35 גרם\ס"מ 3; צורות β ב-900°C 4.32 גרם/ס"מ 3; רדיוס אטומי Ti 1.46 Å, רדיוסים יוניים Ti + 0.94 A, Ti 2+ 0.78 Å, Ti 3+ 0.69 Å, Ti 4+ 0.64 Å; Tbp 1668°C, Tbp 3227°C; מוליכות תרמית בטווח של 20-25°C 22.065 W/(m K); מקדם טמפרטורה של התפשטות ליניארית ב-20°С 8.5·10 -6, בטווח של 20-700°С 9.7·10 -6; קיבולת חום 0.523 kJ/(ק"ג K); התנגדות חשמלית 42.1 10 -6 אוהם ס"מ ב-20 מעלות צלזיוס; מקדם טמפרטורה של התנגדות חשמלית 0.0035 ב-20 מעלות צלזיוס; בעל מוליכות-על מתחת ל-0.38 K. טיטניום הוא פרמגנטי, רגישות מגנטית ספציפית היא 3.2·10 -6 ב-20 מעלות צלזיוס. חוזק מתיחה 256 MN/m 2 (25.6 kgf/mm 2), התארכות יחסית 72%, קשיות ברינל פחות מ-1000 MN/m 2 (100 kgf/mm 2). מודול האלסטיות הרגיל הוא 108,000 MN / m 2 (10,800 kgf / mm 2). מתכת של פרזול בטוהר גבוה בטמפרטורה רגילה.
טיטניום טכני המשמש בתעשייה מכיל זיהומים של חמצן, חנקן, ברזל, סיליקון ופחמן, אשר מגבירים את חוזקו, מפחיתים את המשיכות ומשפיעים על הטמפרטורה של טרנספורמציה פולימורפית, המתרחשת בטווח של 865-920 מעלות צלזיוס. עבור דרגות טיטניום טכניות VT1-00 ו-VT1-0 הצפיפות היא כ-4.32 גרם/ס"מ 3, חוזק מתיחה 300-550 MN/m 2 (30-55kgf/mm 2), התארכות יחסית לא פחות מ-25%, קשיות ברינל 1150 - 1650 MN / m 2 (115-165 kgf / mm 2). התצורה של מעטפת האלקטרונים החיצונית של אטום Ti היא 3d 2 4s 2.
תכונות כימיות של טיטניום.טיטניום טהור הוא יסוד מעבר פעיל מבחינה כימית; בתרכובות יש לו מצבי חמצון של +4, לעתים רחוקות יותר +3 ו-+2. בטמפרטורות רגילות ועד 500-550 מעלות צלזיוס, הוא עמיד בפני קורוזיה, אשר מוסבר על ידי נוכחות של סרט תחמוצת דק אך חזק על פני השטח שלו.
הוא יוצר אינטראקציה ניכרת עם חמצן אטמוספרי בטמפרטורות מעל 600 מעלות צלזיוס עם היווצרות של TiO 2. שבבי טיטניום דקים עם סיכה לא מספקת עלולים להתלקח במהלך העיבוד. עם ריכוז מספיק חמצן בפנים סביבהונזק לסרט התחמוצת על ידי פגיעה או חיכוך, אפשר להצית את המתכת בטמפרטורת החדר ובחתיכות גדולות יחסית.
סרט התחמוצת אינו מגן על טיטניום במצב נוזלי מפני אינטראקציה נוספת עם חמצן (בניגוד לדוגמא מאלומיניום), ולכן ההיתוך והריתוך שלו חייבים להתבצע בוואקום, באווירה של גז ניטרלי או שקוע. לטיטניום יש יכולת לספוג גזים אטמוספריים ומימן, ויוצרים סגסוגות שבירות שאינן מתאימות שימוש מעשי; בנוכחות משטח מופעל, ספיגת מימן מתרחשת אפילו בטמפרטורת החדר בקצב נמוך, שעולה משמעותית ב-400 מעלות צלזיוס ומעלה. המסיסות של מימן בטיטניום היא הפיכה וניתן להסיר את הגז הזה כמעט לחלוטין על ידי חישול ואקום. טיטניום מגיב עם חנקן בטמפרטורות מעל 700 מעלות צלזיוס, ומתקבלים ניטרידים מסוג TiN; בצורה של אבקה עדינה או חוט, טיטניום יכול להישרף באווירת חנקן. קצב הדיפוזיה של חנקן וחמצן בטיטאן נמוך בהרבה מזה של מימן. השכבה המתקבלת כתוצאה מאינטראקציה עם גזים אלו מאופיינת בקשיות ופריכות מוגברת ויש להסירה מעל פני השטח של מוצרי טיטניום על ידי תחריט או עיבוד שבבי. טיטניום מגיב בעוצמה עם הלוגנים יבשים ויציב ביחס להלוגנים רטובים, שכן הלחות משחקת תפקיד של מעכב.
המתכת יציבה בחומצה חנקתית בכל הריכוזים (למעט עשן אדום, הגורם לפיצוח קורוזיה של טיטניום, והתגובה לפעמים הולכת עם פיצוץ), בתמיסות חלשות של חומצה גופרתית (עד 5% במשקל). הידרוכלורית, הידרופלואורית, גופריתית מרוכזת, כמו גם חומצות אורגניות חמות: חומצות אוקסלית, פורמית וטריכלורואצטית מגיבות עם טיטניום.
טיטניום עמיד בפני קורוזיה אוויר אטמוספרי, מי ים ואווירת ים, בכלור רטוב, מי כלור, תמיסות חמות וקרה של כלורידים, בפתרונות טכנולוגיים וריאגנטים שונים המשמשים בתעשיות הכימיות, הנפט, הנייר ואחרות, וכן בהידרומטלורגיה. טיטניום יוצר תרכובות דמויות מתכת עם C, B, Se, Si, המתאפיינות בקשיות עקשן וקשיות גבוהה. קרביד TiC (המסה t 3140 מעלות צלזיוס) מתקבל על ידי חימום תערובת של TiO 2 עם פיח ב-1900-2000 מעלות צלזיוס באווירת מימן; nitride TiN (t pl 2950 מעלות צלזיוס) - על ידי חימום אבקת טיטניום בחנקן בטמפרטורה מעל 700 מעלות צלזיוס. סיליקידים TiSi 2, TiSi ובורידים TiB, Ti 2 B 5, TiB 2 ידועים. בטמפרטורה של 400-600 מעלות צלזיוס, טיטניום סופג מימן עם יצירת תמיסות מוצקות והידרידים (TiH, TiH 2). כאשר TiO 2 מתמזג עם אלקליות, מלחי חומצת טיטניום של meta- ו-orthotitanates (לדוגמה, Na 2 TiO 3 ו- Na 4 TiO 4), כמו גם פוליטיטנטים (לדוגמה, Na 2 Ti 2 O 5 ו- Na 2 Ti 3 O 7) נוצרים. טיטנטים כוללים את המינרלים החשובים ביותר של טיטניום, למשל, אילמניט FeTiO 3 , perovskite CaTiO 3 . כל הטיטנטים מסיסים מעט במים. תחמוצת טיטניום (IV), חומצות טיטאניות (משקעים) וטיטנטים מומסים בחומצה גופרתית ליצירת תמיסות המכילות טיטניל גופרתי TiOSO 4. כאשר התמיסות מדוללות ומחממות, H 2 TiO 3 משקע כתוצאה מהידרוליזה, ממנה מתקבלת תחמוצת טיטניום (IV). כאשר מוסיפים מי חמצן לתמיסות חומציות המכילות תרכובות Ti (IV), נוצרות חומצות פרוקסיד (פרטיטניות) בהרכב H 4 TiO 5 ו- H 4 TiO 8 והמלחים המתאימים להן; תרכובות אלו נצבעות בצהוב או כתום-אדום (בהתאם לריכוז הטיטניום), המשמש לקביעה אנליטית של טיטניום.
להשיג טיטאן.השיטה הנפוצה ביותר להשגת טיטניום מתכתי היא השיטה המגנזיום-תרמית, כלומר הפחתת טיטניום טטרכלוריד עם מגנזיום מתכתי (פחות שכיח, נתרן):
TiCl 4 + 2Mg \u003d Ti + 2MgCl 2.
בשני המקרים, עפרות תחמוצת טיטניום - רוטיל, אילמניט ואחרות - משמשות כחומר הגלם הראשוני. במקרה של עפרות מסוג אילמניט, טיטניום בצורת סיגים מופרד מברזל על ידי התכה בתנורים חשמליים. הסיגים (כמו גם הרוטיל) עוברים הכלרה בנוכחות פחמן ליצירת טיטניום טטרכלוריד, אשר לאחר טיהור, נכנס לכור ההפחתה באווירה ניטרלית.
טיטניום מתקבל בתהליך זה בצורה ספוגית ולאחר הטחינה הוא מומס מחדש בתנורי קשת ואקום למטילים עם הכנסת תוספים מתגזרים, אם נדרשת סגסוגת. שיטת המגנזיום-תרמית מאפשרת ליצור ייצור תעשייתי רחב היקף של טיטניום עם מחזור טכנולוגי סגור, שכן תוצר הלוואי הנוצר במהלך ההפחתה - מגנזיום כלוריד נשלח לאלקטרוליזה לקבלת מגנזיום וכלור.
במספר מקרים, כדאי להשתמש בשיטות מטלורגיית אבקה לייצור מוצרים מטיטניום וסגסוגותיו. כדי להשיג אבקות עדינות במיוחד (לדוגמה, עבור אלקטרוניקה רדיו), ניתן להשתמש בהפחתת תחמוצת טיטניום (IV) עם סידן הידריד.
יישום של טיטניום.היתרונות העיקריים של טיטניום על פני מתכות מבניות אחרות: שילוב של קלילות, חוזק ועמידות בפני קורוזיה. סגסוגות טיטניום בחוזק אבסולוטי, ועוד יותר בחוזק ספציפי (כלומר, חוזק הקשור לצפיפות) עולות על רוב הסגסוגות המבוססות על מתכות אחרות (למשל, ברזל או ניקל) בטמפרטורות שבין -250 ל-550 מעלות צלזיוס, והן מאכלות בעלות השוואה לסגסוגות מתכת אצילות. עם זאת, כחומר מבני עצמאי, הטיטניום החל לשמש רק בשנות ה-50 של המאה ה-20 בשל הקשיים הטכניים הגדולים בהפקתו מעפרות ועיבוד (לכן הטיטניום סווג על תנאי כמתכת נדירה). החלק העיקרי של טיטניום מושקע על הצרכים של טכנולוגיית תעופה ורקטות ובניית ספינות ימיות. סגסוגות של טיטניום עם ברזל, המכונה "פרוטיטניום" (20-50% טיטניום), במטלורגיה של פלדות איכותיות וסגסוגות מיוחדות משמשות כתוסף סגסוג ומסיר חמצון.
טיטניום טכני משמש לייצור מיכלים, כורים כימיים, צינורות, אביזרים, משאבות ומוצרים אחרים הפועלים בסביבות אגרסיביות, למשל בהנדסה כימית. ציוד טיטניום משמש בהידרופטלורגיה של מתכות לא ברזליות. הוא משמש לכיסוי מוצרי פלדה. השימוש בטיטניום במקרים רבים נותן השפעה טכנית וכלכלית רבה, לא רק עקב עלייה בחיי השירות של הציוד, אלא גם האפשרות להעצים תהליכים (כמו, למשל, בהידרופטלורגיית ניקל). הבטיחות הביולוגית של טיטניום הופכת אותו לחומר מצוין לייצור ציוד לתעשיית המזון ובתוכו ניתוח משחזר. בתנאי קור עמוק, חוזק הטיטניום גדל תוך שמירה על משיכות טובה, המאפשרת להשתמש בו כחומר מבני לטכנולוגיה קריוגנית. טיטניום מתאים היטב לליטוש, אילגון צבע ושיטות גימור משטחים אחרות, ולכן משמש לייצור מוצרים אמנותיים שונים, כולל פיסול מונומנטלי. דוגמה לכך היא האנדרטה במוסקבה, שהוקמה לכבוד שיגור לוויין כדור הארץ המלאכותי הראשון. מבין תרכובות הטיטניום, יש חשיבות מעשית לתחמוצות, הלידים וגם סיליקידים המשמשים בטכנולוגיה של טמפרטורה גבוהה; בורידים וסגסוגותיהם המשמשים כמנחים בתחנות כוח גרעיניות בשל אי-התמזגותם וחתך רוחב לכידת נויטרונים הגדול. טיטניום קרביד, בעל קשיות גבוהה, הוא חלק מהסגסוגות הקשות של הכלי המשמשות לייצור כלי חיתוך וכחומר שוחק.
תחמוצת טיטניום (IV) ובריום טיטנאט משמשים כבסיס לקרמיקת טיטניום, ובריום טיטנאט הוא הפרו-אלקטרי החשוב ביותר.
טיטניום בגוף.טיטניום נמצא כל הזמן ברקמות של צמחים ובעלי חיים. בצמחים יבשתיים ריכוזו הוא כ-10 -4%, בצמחים ימיים - מ-1.2 10 -3 עד 8 10 -2%, ברקמות של בעלי חיים יבשתיים - פחות מ-2 10 -4%, ימיים - מ-2 10 - 4 עד 2 10 -2%. מצטבר אצל בעלי חוליות בעיקר בתצורות קרניות, טחול, בלוטות יותרת הכליה, בלוטת התריס, שליה; נספג בצורה גרועה מ מערכת עיכול. בבני אדם, הצריכה היומית של טיטניום עם מזון ומים היא 0.85 מ"ג; מופרש בשתן ובצואה (0.33 ו-0.52 מ"ג, בהתאמה).