Propriétés chimiques du titane. Caractéristiques générales. Histoire de la découverte. Avantages et inconvénients

Le titane occupe la 4ème place en termes de distribution dans la production, mais une technologie efficace pour son extraction n'a été développée que dans les années 40 du siècle dernier. C'est un métal de couleur argentée, caractérisé par une faible densité et des caractéristiques uniques. Pour analyser le degré de distribution dans l'industrie et dans d'autres domaines, il est nécessaire d'exprimer les propriétés du titane et la portée de ses alliages.

Caractéristiques principales

Le métal a une faible densité - seulement 4,5 g/cm³. Les propriétés anti-corrosion sont dues à un film d'oxyde stable formé sur la surface. De par cette qualité, le titane ne change pas ses propriétés lors d'une exposition prolongée à l'eau, à l'acide chlorhydrique. Les zones endommagées ne se produisent pas en raison du stress, qui est le principal problème de l'acier.

Dans sa forme pure, le titane possède les qualités et caractéristiques suivantes :

• point de fusion nominal — 1660°С ;
• sous influence thermique +3 227 ° С bout;
• résistance à la traction - jusqu'à 450 MPa;
• caractérisé par un faible indice d'élasticité - jusqu'à 110,25 GPa;
• sur l'échelle HB, la dureté est de 103 ;
• la limite d'élasticité est l'une des plus optimales parmi les métaux - jusqu'à 380 MPa;
• conductivité thermique du titane pur sans additifs - 16,791 W / m * C;
• coefficient minimal de dilatation thermique ;
• cet élément est un paramagnétique.

A titre de comparaison, la résistance de ce matériau est 2 fois celle du fer pur et 4 fois celle de l'aluminium. Le titane a également deux phases polymorphes - basse température et haute température.

Pour les besoins industriels, le titane pur n'est pas utilisé en raison de son coût élevé et des performances requises. Pour augmenter la rigidité, des oxydes, des hybrides et des nitrures sont ajoutés à la composition. Modifiez rarement les caractéristiques du matériau pour améliorer la résistance à la corrosion. Les principaux types d'additifs pour l'obtention d'alliages : acier, nickel, aluminium. Dans certains cas, il remplit les fonctions d'un composant supplémentaire.

Domaines d'utilisation

En raison de sa faible gravité spécifique et de ses paramètres de résistance, le titane est largement utilisé dans les industries aéronautique et spatiale. Il est utilisé comme matériau structurel principal dans sa forme pure. Dans des cas particuliers, en réduisant la résistance à la chaleur, des alliages moins chers sont fabriqués. Dans le même temps, sa résistance à la corrosion et sa résistance mécanique restent inchangées.

De plus, le matériau avec des additifs en titane a trouvé une application dans les domaines suivants :

• Industrie chimique. Sa résistance à presque tous les milieux agressifs, à l'exception des acides organiques, permet de fabriquer des équipements complexes avec de bons indicateurs de durée de vie sans entretien.
• Fabrication de véhicules. La raison en est la faible gravité spécifique et la résistance mécanique. Des cadres ou des éléments structurels porteurs en sont fabriqués.
• La médecine. À des fins spéciales, un alliage spécial de nitinol (titane et nickel) est utilisé. Sa particularité est la mémoire de forme. Pour réduire la charge des patients et minimiser la probabilité d'effets négatifs sur le corps, de nombreuses attelles médicales et dispositifs similaires sont en titane.
• Dans l'industrie, le métal est utilisé pour la fabrication de boîtiers et d'éléments individuels d'équipement.
• Les bijoux en titane ont un aspect et une sensation uniques.

Dans la plupart des cas, le matériau est traité en usine. Mais il existe un certain nombre d'exceptions - connaissant les propriétés de ce matériau, une partie du travail visant à modifier l'apparence du produit et ses caractéristiques peut être effectuée dans l'atelier à domicile.

Fonctionnalités de traitement

Pour donner au produit la forme souhaitée, il est nécessaire d'utiliser un équipement spécial - un tour et une fraiseuse. La coupe ou le fraisage manuel du titane n'est pas possible en raison de sa dureté. Outre le choix de la puissance et des autres caractéristiques de l'équipement, il est nécessaire de choisir les bons outils de coupe : fraises, fraises, alésoirs, perceuses, etc.

Cela prend en compte les nuances suivantes:

• Les copeaux de titane sont hautement inflammables. Un refroidissement forcé de la surface de la pièce et un fonctionnement à des vitesses minimales sont nécessaires.
• Le cintrage du produit n'est effectué qu'après le chauffage préalable de la surface. Sinon, des fissures risquent d'apparaître.
• Soudage. Des conditions particulières doivent être respectées.

Le titane est un matériau unique avec de bonnes performances et des propriétés techniques. Mais pour son traitement, vous devez connaître les spécificités de la technologie et, surtout, les précautions de sécurité.

C'est l'un des matériaux structurels les plus importants, car il allie résistance, dureté et légèreté. Cependant, d'autres propriétés du métal sont très spécifiques, ce qui rend le processus d'obtention d'une substance difficile et coûteux. Et aujourd'hui, nous examinerons la technologie mondiale pour la production de titane, mentionner brièvement et.

Il y a du métal en deux modifications.

• α-Ti- existe jusqu'à une température de 883 C, a un réseau hexagonal dense.
• β-Ti– a un réseau cubique centré.

La transition s'effectue avec une très faible variation de densité, puisque celle-ci diminue progressivement avec le chauffage.

• Lors du fonctionnement des produits en titane, dans la plupart des cas, ils traitent de la phase α. Mais lors de la fusion et de la fabrication d'alliages, les métallurgistes travaillent avec la modification β.
• La deuxième caractéristique du matériau est l'anisotropie. Le coefficient d'élasticité et la susceptibilité magnétique d'une substance dépendent de la direction, et la différence est assez perceptible.
• La troisième caractéristique est la dépendance des propriétés du métal à la pureté. Le titane technique ordinaire ne convient pas, par exemple, à une utilisation en science des fusées, car il perd sa résistance à la chaleur en raison d'impuretés. Dans cette industrie, seules des substances extrêmement pures sont utilisées.

Cette vidéo parlera de la composition du titane:

Production de titane

L'utilisation du métal n'a commencé que dans les années 50 du siècle dernier. Son extraction et sa production est un processus complexe, en raison duquel cet élément relativement commun a été classé comme conditionnellement rare. Et puis nous considérerons la technologie, l'équipement des ateliers de production de titane.

Matière première

Le titane est le 7e plus abondant dans la nature. Il s'agit le plus souvent d'oxydes, de titanates et de titanosilicates. La quantité maximale de la substance est contenue dans les dioxydes - 94–99%.

• Rutile- la modification la plus stable, est un minéral bleuâtre, jaune brunâtre, rouge.
• Anataz- un minéral assez rare, à une température de 800-900 C il se transforme en rutile.
• Brookite- un cristal du système rhombique, à 650 C il se transforme irréversiblement en rutile avec une diminution de volume.

• Les composés métalliques avec du fer sont plus courants - ilménite(jusqu'à 52,8 % de titane). Ce sont la geikilite, la pyrophanite, le krichton - la composition chimique de l'ilménite est très complexe et varie considérablement.
• Utilisé à des fins industrielles, le résultat de l'altération de l'ilménite - leucoxène. Une réaction chimique assez complexe a lieu ici, dans laquelle une partie du fer est retirée du réseau d'ilménite. En conséquence, le volume de titane dans le minerai augmente - jusqu'à 60%.
• En outre, le minerai est utilisé, où le métal n'est pas associé au fer ferreux, comme dans l'ilménite, mais agit sous la forme de titanate d'oxyde ferreux - ce arizonite, pseudobrookite.

Les gisements d'ilménite, de rutile et de titanomagnétite sont de la plus haute importance. Ils sont divisés en 3 groupes :

• igné- sont associés aux aires de répartition des roches ultrabasiques et basiques, autrement dit à la répartition du magma. Il s'agit le plus souvent de minerais d'ilménite, de titanomagnétite, d'ilménite-hématite;
• dépôts exogènes- placers et dépôts résiduels, alluviaux, lacustres alluvionnaires d'ilménite et de rutile. Ainsi que les placers marins côtiers, le titane, les minerais d'anatase dans les croûtes d'altération. Les placers côtiers et marins sont de la plus haute importance;
• gisements métamorphosés– grès à leucoxène, minerais d'ilménite-magnétite, solides et disséminés.

Les gisements exogènes, résiduels ou alluvionnaires, sont exploités en méthode ouverte. Pour cela, des dragues et des excavatrices sont utilisées.

Le développement des gisements primaires est associé au fonçage des mines. Le minerai ainsi obtenu est concassé et enrichi sur place. Appliquer l'enrichissement gravitationnel, la flottation, la séparation magnétique.

Le laitier de titane peut être utilisé comme matière première. Il contient jusqu'à 85% de dioxyde de métal.

Technologie de production

Le processus de production de métal à partir de minerais d'ilménite comprend plusieurs étapes:

• fusion par réduction pour obtenir du laitier de titane;
• chloration des scories;
• production de métaux par récupération;
• raffinage du titane - en règle générale, est effectué afin d'améliorer les propriétés du produit.

Le processus est complexe, en plusieurs étapes et coûteux. De ce fait, un métal assez abordable est très cher à fabriquer.

Cette vidéo parlera de la production de titane:

Réception des scories

L'ilménite est une association d'oxyde de titane avec du fer ferreux. Par conséquent, le but de la première étape de production est de séparer le dioxyde des oxydes de fer. Pour cela, les oxydes de fer sont réduits.

Le procédé est réalisé dans des fours à arc électrique. Le concentré d'ilménite est chargé dans le four, puis un agent réducteur est introduit - charbon de bois, anthracite, coke et chauffé à 1650 ° C. Dans ce cas, le fer est réduit à partir d'oxyde. La fonte est obtenue à partir de fer réduit et carburé, et l'oxyde de titane passe dans le laitier. Ce dernier contient finalement 82 à 90 % de titane.

La fonte et le laitier sont coulés dans des moules séparés. La fonte est utilisée dans la production métallurgique.

Chloration du laitier

Le but du procédé est d'obtenir du tétrachlorure de métal, pour une utilisation ultérieure. Il est impossible de chlorer directement le concentré d'ilménite, en raison de la formation d'une grande quantité de chlorure ferrique - le composé détruit très rapidement l'équipement. Par conséquent, il est impossible de se passer de l'étape d'élimination préalable de l'oxyde de fer. La chloration est effectuée dans des électrolyseurs de mine ou de sel. Le processus est quelque peu différent.

• Chlorinateur de mine- une structure cylindrique doublée atteignant 10 m de haut et jusqu'à 2 m de diamètre.Par le haut, des briquettes de scories broyées sont placées dans le chlorateur et le gaz des électrolyseurs de magnésium contenant 65 à 70% de chlore est introduit à travers des tuyères. La réaction entre le laitier de titane et le chlore se produit avec dégagement de chaleur, ce qui fournit la température requise pour le processus. Le tétrachlorure de titane gazeux est retiré par le haut et le laitier restant est continuellement retiré du bas.
• Électrolyseur au sel, une chambre garnie de chamotte et remplie à moitié d'électrolyte électrolytique de magnésium usé. La masse fondue contient des chlorures métalliques - sodium, potassium, magnésium et calcium. Le laitier de titane broyé et le coke sont introduits dans la masse fondue par le haut, et le chlore est injecté par le bas. La réaction de chloration étant exothermique, le régime de température est maintenu par le procédé lui-même.

Le tétrachlorure de titane est purifié plusieurs fois. Le gaz peut contenir du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone et d'autres impuretés. Le nettoyage s'effectue donc en plusieurs étapes.

L'électrolyte usé est remplacé périodiquement.

Réception de métal

Le métal est réduit du tétrachlorure avec du magnésium ou du sodium. La réduction se produit avec dégagement de chaleur, ce qui permet de réaliser la réaction sans chauffage supplémentaire.

Des fours à résistance électrique sont utilisés pour la récupération. Tout d'abord, un ballon scellé en alliages de chrome de 2 à 3 m de haut est placé dans la chambre.Une fois le récipient chauffé à +750 ° C, du magnésium y est introduit. Et puis sert le tétrachlorure de titane. L'avance est réglable.

1 cycle de récupération dure 30 à 50 heures, afin que la température ne dépasse pas 800 à 900 C, la cornue est soufflée avec de l'air. En conséquence, de 1 à 4 tonnes de masse spongieuse sont obtenues - le métal est déposé sous forme de miettes, qui sont frittées en une masse poreuse. Le chlorure de magnésium liquide est périodiquement drainé.

La masse poreuse absorbe beaucoup de chlorure de magnésium. Par conséquent, après réduction, une distillation sous vide est effectuée. Pour ce faire, la cornue est chauffée à 1000 C, un vide y est créé et maintenu pendant 30 à 50 heures. Pendant ce temps, les impuretés s'évaporent.

La réduction avec du sodium se déroule à peu près de la même manière. La différence n'est présente que dans la dernière étape. Pour éliminer les impuretés du chlorure de sodium, l'éponge de titane est broyée et le sel en est lessivé avec de l'eau ordinaire.

Raffinage

Le titane technique obtenu de la manière décrite ci-dessus convient tout à fait à la réalisation d'équipements et de conteneurs pour l'industrie chimique. Cependant, pour les zones où une résistance élevée à la chaleur et une uniformité des propriétés sont requises, le métal ne convient pas. Dans ce cas, recourir au raffinage.

Le raffinage est effectué dans un thermostat, où la température est maintenue entre 100 et 200 ° C. Une cornue avec une éponge en titane est placée dans la chambre, puis, à l'aide d'un dispositif spécial, une capsule d'iode est brisée dans une chambre fermée. L'iode réagit avec le métal pour former de l'iodure de titane.

Des fils de titane sont tendus dans la cornue, à travers laquelle passe un courant électrique. Le fil est chauffé à 1300-1400 C, l'iodure résultant se décompose sur le fil, formant des cristaux de titane le plus pur. L'iode est libéré, réagit. Avec une nouvelle portion d'éponge de titane, le processus se poursuit jusqu'à épuisement du métal. La production est arrêtée lorsque, en raison de la croissance du titane, le diamètre du fil devient de 25 à 30 mm. Dans un tel appareil, 10 kg de métal peuvent être obtenus avec une part de 99,9 à 99,99%.

S'il est nécessaire d'obtenir du métal malléable en lingots, ils procèdent différemment. Pour ce faire, l'éponge de titane est fondue dans un four à arc sous vide, car le métal absorbe activement les gaz à haute température. L'électrode consommable est constituée de déchets de titane et d'une éponge. Le métal liquide se solidifie dans l'appareil dans un moule refroidi à l'eau.

La fusion est généralement répétée deux fois pour améliorer la qualité des lingots.

En raison des caractéristiques de la substance - réactions avec l'oxygène, l'azote et absorption des gaz, la production de tous les alliages de titane n'est également possible que dans des fours à vide à arc électrique.

En savoir plus sur la Russie et d'autres pays producteurs de titane ci-dessous.

Fabricants populaires

Le marché de la production de titane est plutôt fermé. En règle générale, les pays qui produisent une grande quantité de métal sont eux-mêmes ses consommateurs.

En Russie, la plus grande et peut-être la seule entreprise impliquée dans la production de titane est VSMPO-Avisma. Il est considéré comme le plus grand fabricant de métaux, mais ce n'est pas tout à fait vrai. L'entreprise produit un cinquième du titane, mais sa consommation mondiale semble différente : environ 5 % sont dépensés pour les produits et la préparation des alliages, et 95 % sont utilisés pour produire du dioxyde.

Ainsi, la production de titane dans le monde par pays :

• La Chine est le premier pays producteur. Le pays possède les réserves maximales de minerais de titane. Sur les 18 usines d'éponges en titane connues, 9 sont situées en Chine.
• Le Japon occupe la deuxième place. Fait intéressant, seulement 2 à 3% du métal va au secteur aérospatial du pays, et le reste est utilisé dans l'industrie chimique.
• La troisième place mondiale dans la production de titane est occupée par la Russie et ses nombreuses usines. Vient ensuite le Kazakhstan.
• Les États-Unis sont le prochain pays producteur sur la liste, consomment du titane de manière traditionnelle : 60 à 75 % du titane est utilisé par l'industrie aérospatiale.

La production de titane est un processus technologiquement complexe, coûteux et long. Cependant, la demande pour ce matériau est si importante qu'une augmentation significative de la production de métal est prévue.

Cette vidéo vous expliquera comment le titane est découpé dans l'une des installations de production en Russie :

La combinaison de résistance et de légèreté dans une substance est un paramètre si précieux que d'autres qualités et caractéristiques du matériau peuvent être complètement ignorées. cher en , résistant aux températures uniquement sous forme ultrapure, difficile à utiliser, mais tout cela s'avère secondaire par rapport à la combinaison d'un faible poids et d'une grande résistance.

Cet article vous parlera de l'utilisation du titane dans l'aviation militaire, l'industrie, la médecine, la fabrication d'avions, pour la fabrication de bijoux, d'alliages de titane et d'applications domestiques.

Le champ d'application du métal serait beaucoup plus large s'il n'y avait pas le coût élevé de sa production. Pour cette raison, le titane n'est utilisé que dans les domaines où l'utilisation d'une substance aussi coûteuse est économiquement justifiée. Il détermine l'utilisation non seulement de la résistance et de la légèreté, mais également de la résistance à la corrosion, comparable à la résistance des métaux précieux et à la durabilité.

Les propriétés du métal dépendent exceptionnellement fortement de la pureté, de sorte que l'utilisation de titane technique et pur est considérée comme 2 problèmes distincts.

À propos des propriétés du titane si largement utilisées dans l'industrie, cette vidéo vous dira :

métal technique

Le titane technique peut contenir une variété d'impuretés qui n'affectent pas les propriétés chimiques de la substance, mais ont un impact sur la physique. Le titane technique perd une qualité aussi précieuse que la résistance à la chaleur et la capacité de travailler à des températures supérieures à 500-600 C. Mais sa résistance à la corrosion ne diminue en rien.

• C'est la raison de son utilisation - dans l'industrie chimique et dans tout autre domaine où il est nécessaire d'assurer la résistance des produits dans des environnements agressifs. Le titane est utilisé pour fabriquer des réservoirs de stockage, des raccords, des pièces de réacteurs, des canalisations et des pompes, dont le but est le mouvement des acides et des bases inorganiques et organiques. La plupart des alliages de titane ont les mêmes propriétés.
• La légèreté, associée à la résistance à la corrosion, offre une autre application - dans la fabrication d'équipements de transport, en particulier le transport ferroviaire. L'utilisation de tôles et de tiges de titane dans la fabrication des wagons et des trains permet de réduire la masse des trains, et donc de réduire la taille des boîtes d'essieux et des collets, rendant la traction plus efficace.

Dans les voitures ordinaires, les systèmes d'échappement et les ressorts hélicoïdaux sont en titane. Dans les voitures de course, les unités motrices en titane peuvent considérablement alléger la voiture et améliorer ses propriétés.

• Le titane est indispensable dans la production de véhicules blindés : c'est là que l'alliance de la résistance et de la légèreté est décisive.
• La résistance élevée à la corrosion et la légèreté rendent le matériau attrayant également pour les affaires navales. Le titane est utilisé dans la fabrication de tuyaux et d'échangeurs de chaleur à paroi mince, de silencieux d'échappement sous-marins, de vannes, d'hélices, de composants de turbine, etc.

Produits en titane (photo)

Metal pur

Le métal pur présente une résistance à la chaleur très élevée, la capacité de travailler sous une charge élevée et à haute température. Et, compte tenu de son faible poids, l'utilisation du métal dans l'industrie des fusées et des avions est évidente.

• Le métal et ses alliages sont utilisés pour fabriquer des attaches, des garnitures, des pièces de châssis, un groupe motopropulseur, etc. De plus, le matériau est utilisé dans la construction de moteurs d'avions, ce qui permet de réduire leur poids de 10 à 25 %.
• Les fusées qui traversent les couches denses de l'atmosphère subissent des charges monstrueuses. L'utilisation du titane et de ses alliages permet de résoudre le problème de l'endurance statique de l'appareil, de la résistance à la fatigue et, dans une certaine mesure, du fluage.
• Une autre application du titane pur est la fabrication de pièces pour appareils à électrovide destinés à fonctionner dans des conditions de surcharge.
• Le métal est indispensable dans la production de la technologie cryogénique : la résistance du titane n'augmente que lorsque la température diminue, mais une certaine plasticité est conservée.
• Le titane est peut-être la substance la plus biologiquement inerte. Le métal commercialement pur est utilisé pour fabriquer toutes sortes de prothèses externes et internes jusqu'aux valves cardiaques. Le titane est compatible avec les tissus biologiques et n'a causé aucun cas d'allergie. De plus, le matériau est utilisé pour les instruments chirurgicaux, les béquilles pour fauteuils roulants, les fauteuils roulants, etc.

Cependant, malgré toute sa résistance aux températures et sa durabilité, le métal n'est pas utilisé dans la fabrication de roulements, de bagues et d'autres pièces où des frottements sont attendus. Le titane a de faibles propriétés antifriction et ce problème ne peut pas être résolu à l'aide d'additifs.

Le titane est bien poli, anodisé - anodisation de couleur, il est donc souvent utilisé dans les œuvres d'art et dans l'architecture. Un exemple est un monument au premier satellite terrestre artificiel ou un monument. Y. Gagarine.

Nous décrirons ci-dessous le marquage des produits en titane, les instructions d'utilisation et d'autres points importants concernant l'utilisation du métal dans la construction.

La vidéo ci-dessous montre le processus d'andonisation du titane :

Son utilisation dans la construction

Bien sûr, la part du lion du titane est utilisée dans l'industrie aéronautique et dans l'industrie des transports, où la combinaison de résistance et de légèreté est particulièrement importante. Cependant, le matériau est également utilisé dans la construction et serait utilisé plus largement si ce n'était pour son coût élevé.

Revêtement en titane

Cette technologie n'est pas encore très répandue, mais, par exemple, au Japon, les feuilles de titane sont très largement utilisées pour la finition des toits et même des intérieurs. La part des matériaux utilisés dans la construction est bien supérieure à celle utilisée dans le secteur aéronautique.

Cela tient à la fois à la solidité d'un tel revêtement, et à ses étonnantes possibilités décoratives. Par oxydation anodique, une couche d'oxydes de différentes épaisseurs peut être obtenue à la surface de la feuille. La couleur change alors. En modifiant le temps et l'intensité du recuit, vous pouvez obtenir des couleurs jaune, turquoise, bleu, rose, vert.

Lors de l'anodisation sous atmosphère d'azote, les tôles sont réalisées avec une couche de nitrure de titane. Ainsi, une grande variété de nuances d'or sont obtenues. Cette technologie est utilisée dans la restauration de monuments architecturaux - la restauration d'églises, par exemple.

Toits à joints

Cette option est déjà très répandue. Mais, c'est vrai, ce n'est pas le titane lui-même qui lui sert de base, mais son alliage avec.

Les toits à joints eux-mêmes sont connus depuis très longtemps, mais ne sont plus populaires depuis longtemps. Cependant, aujourd'hui, grâce à la mode des styles hi-tech et techno, il y a un besoin de surfaces brisées et splines, en particulier celles qui pénètrent dans la façade du bâtiment. Et cela offre une telle opportunité.

Sa capacité à se former est presque illimitée. Et l'utilisation de l'alliage offre à la fois une résistance exceptionnelle et l'apparence la plus inhabituelle. Bien qu'en toute équité, la couleur de base en acier mat est considérée comme la plus respectable.

Étant donné que le zinc-titane a une malléabilité assez décente, une variété de détails décoratifs complexes sont fabriqués à partir de l'alliage: faîtes de toit, reflux imperméables, corniches, etc.

Un tel domaine d'application du titane comme revêtement de façade est brièvement discuté ci-dessous.

Revêtement de façade

Dans la fabrication des panneaux de parement, le zinc-titane est également utilisé. Les panneaux sont utilisés à la fois pour le revêtement de façade et pour la décoration intérieure. La raison est la même - une combinaison de force, de légèreté exceptionnelle et de décoration.

Des panneaux de différentes formes sont produits - sous forme de lamelles, de losanges, de modules, d'échelles, etc. La chose la plus intéressante est que les panneaux peuvent ne pas être plats, mais prendre presque n'importe quelle forme tridimensionnelle. En conséquence, une telle finition est possible sur les murs et les bâtiments de toutes les configurations les plus impensables.

La légèreté du produit conduit à une autre application tout à fait unique. Une façade ventilée classique implique également un vide entre le bardage et l'isolant. Cependant, des panneaux légers en zinc-titane peuvent être montés sur des mécanismes d'ouverture mobiles, formant un système similaire aux stores. Les plaques, si nécessaire, peuvent s'écarter du plan d'un angle de 90 degrés.

Le titane possède une combinaison unique de résistance, de légèreté et de résistance à la corrosion. Ces qualités déterminent son utilisation, malgré le coût élevé du matériau.

Cette vidéo vous expliquera comment fabriquer une bague en titane :

Le monument en l'honneur des conquérants de l'espace a été érigé à Moscou en 1964. Il a fallu près de sept ans (1958-1964) pour concevoir et construire cet obélisque. Les auteurs ont dû résoudre non seulement des problèmes architecturaux et artistiques, mais aussi des problèmes techniques. Le premier d'entre eux était le choix des matériaux, y compris le parement. Après de longues expériences, ils se sont installés sur des feuilles de titane polies pour un éclat.

En effet, dans de nombreuses caractéristiques, et surtout dans la résistance à la corrosion, le titane surpasse la grande majorité des métaux et alliages. Parfois (en particulier dans la littérature populaire), le titane est appelé le métal éternel. Mais d'abord, parlons de l'histoire de cet élément.

Oxydé ou non oxydé ?

Jusqu'en 1795, l'élément n°22 s'appelait "menakin". Ainsi appelée en 1791 par le chimiste et minéralogiste anglais William Gregor, qui découvrit un nouvel élément dans le minéral ménakanite (ne cherchez pas ce nom dans les ouvrages de référence minéralogiques modernes - la ménakanite a également été renommée, elle s'appelle désormais ilménite).

Quatre ans après la découverte de Gregor, le chimiste allemand Martin Klaproth découvrit un nouvel élément chimique dans un autre minéral - le rutile - et le nomma titane en l'honneur de la reine elfique Titania (mythologie germanique).

Selon une autre version, le nom de l'élément vient des titans, les puissants fils de la déesse de la terre - Gaia (mythologie grecque).

En 1797, il s'est avéré que Gregor et Klaproth ont découvert le même élément, et bien que Gregor l'ait fait plus tôt, le nom que lui a donné Klaproth a été établi pour le nouvel élément.

Mais ni Gregor ni Klaproth n'ont réussi à obtenir l'élémentaire titane. La poudre cristalline blanche qu'ils ont isolée était du dioxyde de titane TiO 2 . Pendant longtemps, aucun des chimistes n'a réussi à réduire cet oxyde, en en isolant le métal pur.

En 1823, le scientifique anglais W. Wollaston rapporta que les cristaux qu'il découvrit dans les scories métallurgiques de l'usine de Merthyr Tydville n'étaient rien d'autre que du titane pur. Et 33 ans plus tard, le célèbre chimiste allemand F. Wöhler a prouvé que ces cristaux étaient à nouveau un composé de titane, cette fois un carbonitrure de type métal.

Pendant de nombreuses années, on a cru que le métal Le titane a été obtenu pour la première fois par Berzelius en 1825. dans la réduction du fluorotitanate de potassium avec du sodium métallique. Cependant, aujourd'hui, en comparant les propriétés du titane et du produit obtenu par Berzelius, on peut affirmer que le président de l'Académie suédoise des sciences s'est trompé, car le titabnum pur se dissout rapidement dans l'acide fluorhydrique (contrairement à de nombreux autres acides), et Berzelius ' le titane métallique a résisté avec succès à son action.

En fait, Ti n'a été obtenu pour la première fois qu'en 1875 par le scientifique russe D.K. Kirillov. Les résultats de ces travaux sont publiés dans sa brochure Research on Titanium. Mais le travail d'un scientifique russe peu connu est passé inaperçu. Après encore 12 ans, un produit assez pur - environ 95% de titane - a été obtenu par les compatriotes de Berzelius, les célèbres chimistes L. Nilsson et O. Peterson, qui ont réduit le tétrachlorure de titane avec du sodium métallique dans une bombe hermétique en acier.

En 1895, le chimiste français A. Moissan, réduisant le dioxyde de titane avec du carbone dans un four à arc et soumettant le matériau résultant à un double affinage, obtint du titane ne contenant que 2% d'impuretés, principalement du carbone. Enfin, en 1910, le chimiste américain M. Hunter, ayant amélioré la méthode de Nilsson et Peterson, parvient à obtenir plusieurs grammes de titane d'une pureté d'environ 99 %. C'est pourquoi, dans la plupart des livres, la priorité d'obtention du titane métallique est attribuée à Hunter, et non à Kirillov, Nilson ou Moissan.

Cependant, ni Hunter ni ses contemporains ne prédisaient un grand avenir au titan. Seuls quelques dixièmes de pour cent d'impuretés étaient contenues dans le métal, mais ces impuretés rendaient le titane cassant, fragile, impropre à l'usinage. Par conséquent, certains composés de titane ont trouvé une application plus tôt que le métal lui-même. Le tétrachlorure de Ti, par exemple, a été largement utilisé pendant la première guerre mondiale pour créer des écrans de fumée.

N°22 en médecine

En 1908, aux États-Unis et en Norvège, la production de blanc a commencé non pas à partir de composés de plomb et de zinc, comme cela se faisait auparavant, mais à partir de dioxyde de titane. Un tel lait de chaux peut peindre une surface plusieurs fois plus grande que la même quantité de lait de chaux au plomb ou au zinc. De plus, le blanc de titane a plus de réflectivité, il n'est pas toxique et ne noircit pas sous l'influence du sulfure d'hydrogène. Dans la littérature médicale, un cas est décrit lorsqu'une personne a "pris" 460 g de dioxyde de titane à la fois ! (Je me demande avec quoi il l'a confondue?) "L'amant" du dioxyde de titane n'a ressenti aucune sensation douloureuse. Le TiO 2 entre dans la composition de certains médicaments, notamment les pommades contre les maladies de la peau.

Cependant, ce n'est pas la médecine, mais l'industrie des peintures et vernis qui consomme le plus de TiO 2 . La production mondiale de ce composé a largement dépassé le demi-million de tonnes par an. Les émaux à base de dioxyde de titane sont largement utilisés comme revêtements protecteurs et décoratifs pour le métal et le bois dans la construction navale, la construction et l'ingénierie mécanique. Dans le même temps, la durée de vie des structures et des pièces est considérablement augmentée. Le blanc de titane est utilisé pour teindre les tissus, le cuir et d'autres matériaux.

Ti dans l'industrie

Le dioxyde de titane est un constituant des masses de porcelaine, des verres réfractaires et des matériaux céramiques à constante diélectrique élevée. En tant que charge qui augmente la résistance et la résistance à la chaleur, elle est introduite dans les composés de caoutchouc. Cependant, tous les avantages des composés de titane semblent insignifiants dans le contexte des propriétés uniques du titane métallique pur.

titane élémentaire

En 1925, les scientifiques néerlandais van Arkel et de Boer ont obtenu du titane de haute pureté - 99,9% en utilisant la méthode de l'iodure (plus de détails ci-dessous). Contrairement au titane obtenu par Hunter, il avait de la plasticité : il pouvait être forgé à froid, roulé en feuilles, en ruban, en fil métallique et même en feuille la plus fine. Mais même ce n'est pas l'essentiel. Les études des propriétés physico-chimiques du titane métallique ont donné des résultats presque fantastiques. Il s'est avéré, par exemple, que le titane, étant presque deux fois plus léger que le fer (la densité du titane est de 4,5 g/cm3), surpasse de nombreux aciers en résistance. La comparaison avec l'aluminium s'est également avérée en faveur du titane: le titane n'est qu'une fois et demie plus lourd que l'aluminium, mais six fois plus résistant et, surtout, il conserve sa résistance à des températures allant jusqu'à 500 ° C (et avec l'ajout d'alliage éléments - jusqu'à 650 ° C), tandis que la résistance des alliages d'aluminium et de magnésium chute fortement déjà à 300 ° C.

Le titane a également une dureté importante : il est 12 fois plus dur que l'aluminium, 4 fois plus dur que le fer et le cuivre. Une autre caractéristique importante d'un métal est sa limite d'élasticité. Plus il est élevé, plus les détails de ce métal résistent aux charges opérationnelles, plus longtemps ils conservent leur forme et leur taille. La limite d'élasticité du titane est presque 18 fois supérieure à celle de l'aluminium.

Contrairement à la plupart des métaux, le titane a une résistance électrique importante : si la conductivité électrique de l'argent est de 100, alors la conductivité électrique du cuivre est de 94, celle de l'aluminium de 60, celle du fer et du platine de 15 et celle du titane de seulement 3,8. Il est à peine nécessaire d'expliquer que cette propriété, comme la nature non magnétique du titane, présente un intérêt pour la radioélectronique et l'électrotechnique.

Remarquable résistance du titane contre la corrosion. Sur une plaque faite de ce métal pendant 10 ans dans l'eau de mer, il n'y avait aucun signe de corrosion. Les rotors principaux des hélicoptères lourds modernes sont en alliages de titane. Les gouvernails, les ailerons et certaines autres pièces critiques des avions supersoniques sont également fabriqués à partir de ces alliages. Dans de nombreuses industries chimiques, on trouve aujourd'hui des appareils entiers et des colonnes en titane.

Comment le titane est-il obtenu ?

Prix ​​- c'est ce qui ralentit la production et la consommation de titane. En fait, le coût élevé n'est pas un défaut congénital du titane. Il y en a beaucoup dans la croûte terrestre - 0,63 %. Le prix encore élevé du titane est une conséquence de la difficulté à l'extraire des minerais. Cela s'explique par la grande affinité du titane pour de nombreux éléments et la force des liaisons chimiques dans ses composés naturels. D'où la complexité de la technologie. Voici à quoi ressemble la méthode de production de titane thermique au magnésium, développée en 1940 par le scientifique américain V. Kroll.

Le dioxyde de titane est transformé avec le chlore (en présence de carbone) en tétrachlorure de titane :

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2.

Le processus se déroule dans des fours électriques à cuve à 800-1250°C. Une autre option est la chloration en fusion des sels de métaux alcalins NaCl et KCl.L'opération suivante (qui est tout aussi importante et prend du temps) est la purification de TiCl 4 des impuretés - est réalisée de différentes manières et substances. Le tétrachlorure de titane dans des conditions normales est un liquide avec un point d'ébullition de 136°C.

Il est plus facile de rompre la liaison du titane avec le chlore qu'avec l'oxygène. Cela peut être fait avec du magnésium par la réaction

TiCl4 + 2Mg → T + 2MgCl2.

Cette réaction a lieu dans des réacteurs en acier à 900°C. Le résultat est une éponge dite de titane imprégnée de magnésium et de chlorure de magnésium. Ils sont évaporés dans un appareil sous vide scellé à 950°C, et l'éponge de titane est ensuite frittée ou fondue en un métal compact.

La méthode thermique au sodium pour obtenir du titane métallique n'est, en principe, pas très différente de la méthode thermique au magnésium. Ces deux méthodes sont les plus utilisées dans l'industrie. Pour obtenir du titane plus pur, la méthode à l'iodure proposée par van Arkel et de Boer est toujours utilisée. L'éponge de titane métallothermique est transformée en iodure de TiI 4 , qui est ensuite sublimé sous vide. Sur leur chemin, les vapeurs d'iodure de titap rencontrent du fil de titane chauffé à 1400°C. Dans ce cas, l'iodure se décompose et une couche de titane pur se développe sur le fil. Cette méthode de production de titane est inefficace et coûteuse, par conséquent, elle est utilisée dans l'industrie dans une mesure très limitée.

Malgré l'intensité de main-d'œuvre et d'énergie de la production de titane, celle-ci est déjà devenue l'un des sous-secteurs les plus importants de la métallurgie des métaux non ferreux. La production mondiale de titane se développe à un rythme très rapide. Cela peut être jugé même par les informations fragmentaires qui sont imprimées.

On sait qu'en 1948, seules 2 tonnes de titane ont été fondues dans le monde, et après 9 ans - déjà 20 000 tonnes, ce qui signifie qu'en 1957, 20 000 tonnes de titane représentaient tous les pays et qu'en 1980, seuls les États-Unis en consommaient. 24,4 mille tonnes de titane... Plus récemment, semble-t-il, le titane était qualifié de métal rare - c'est maintenant le matériau de structure le plus important. Cela s'explique par une seule chose: une rare combinaison des propriétés utiles de l'élément n ° 22. Et, bien sûr, les besoins de la technologie.

Le rôle du titane en tant que matériau structurel, base des alliages à haute résistance pour l'aviation, la construction navale et la fusée, augmente rapidement. C'est dans les alliages que va la majeure partie du titane fondu dans le monde. Un alliage largement connu pour l'industrie aéronautique, composé de 90% de titane, 6% d'aluminium et 4% de vanadium. En 1976, la presse américaine fait état d'un nouvel alliage dans le même but : 85 % de titane, 10 % de vanadium, 3 % d'aluminium et 2 % de fer. On prétend que cet alliage est non seulement meilleur, mais aussi plus économique.

En général, les alliages de titane comprennent de nombreux éléments, jusqu'au platine et au palladium. Ces derniers (à raison de 0,1 à 0,2%) augmentent la résistance chimique déjà élevée des alliages de titane.

La résistance du titane est également augmentée par des "additifs d'alliage" tels que l'azote et l'oxygène. Mais avec la résistance, ils augmentent la dureté et, surtout, la fragilité du titane, de sorte que leur teneur est strictement réglementée : pas plus de 0,15 % d'oxygène et 0,05 % d'azote sont autorisés dans l'alliage.

Malgré le fait que le titane soit cher, le remplacer par des matériaux moins chers s'avère dans de nombreux cas économiquement viable. Voici un exemple typique. Le boîtier d'un appareil chimique en acier inoxydable coûte 150 roubles et celui d'un alliage de titane - 600 roubles. Mais en même temps, un réacteur en acier ne sert que 6 mois et un en titane - 10 ans. Ajoutez le coût de remplacement des réacteurs en acier, les temps d'arrêt forcés des équipements - et il devient évident que l'utilisation de titane coûteux peut être plus rentable que l'acier.

Des quantités importantes de titane sont utilisées en métallurgie. Il existe des centaines de nuances d'aciers et d'autres alliages qui contiennent du titane comme ajout d'alliage. Il est introduit pour améliorer la structure des métaux, augmenter la résistance et la résistance à la corrosion.

Certaines réactions nucléaires doivent avoir lieu dans un vide quasi absolu. Avec les pompes à mercure, la raréfaction peut être portée à plusieurs milliardièmes d'atmosphère. Mais cela ne suffit pas, et les pompes à mercure sont incapables de faire plus. Un pompage supplémentaire de l'air est effectué par des pompes spéciales en titane. De plus, pour obtenir une raréfaction encore plus grande, du titane fin est pulvérisé sur la surface interne de la chambre où les réactions ont lieu.

Le titane est souvent appelé le métal du futur. Les faits que la science et la technologie ont déjà à leur disposition nous convainquent que ce n'est pas tout à fait vrai - le titane est déjà devenu le métal du présent.

Pérovskite et sphène. Ilménite - métatitanate de fer FeTiO 3 - contient 52,65% de TiO 2. Le nom de ce minéral est dû au fait qu'il a été trouvé dans l'Oural dans les montagnes Ilmensky. Les plus grands placers de sables d'ilménite se trouvent en Inde. Un autre minéral important, le rutile, est le dioxyde de titane. Les titanomagnétites ont également une importance industrielle - un mélange naturel d'ilménite avec des minéraux de fer. Il existe de riches gisements de minerais de titane en URSS, aux États-Unis, en Inde, en Norvège, au Canada, en Australie et dans d'autres pays. Il n'y a pas si longtemps, les géologues ont découvert un nouveau minéral contenant du titane dans la région du nord du Baïkal, nommé landauite en l'honneur du physicien soviétique L. D. Landau. Au total, plus de 150 gisements importants de minerai et de placers de titane sont connus sur le globe.

Dans le système périodique, l'élément chimique titane est désigné par Ti (titane) et se situe dans un sous-groupe latéral du groupe IV, dans la période 4 sous le numéro atomique 22. C'est un métal solide blanc argenté qui fait partie d'un grand nombre de minéraux. Vous pouvez acheter du titane sur notre site Web.

Le titane a été découvert à la fin du XVIIIe siècle par des chimistes d'Angleterre et d'Allemagne, William Gregor et Martin Klaproth, indépendamment l'un de l'autre avec une différence de six ans. C'est Martin Klaproth qui a donné le nom à l'élément en l'honneur des anciens caractères grecs des titans (créatures énormes, fortes et immortelles). Il s'est avéré que le nom est devenu prophétique, mais il a fallu encore plus de 150 ans à l'humanité pour se familiariser avec toutes les propriétés du titane. Seulement trois décennies plus tard, le premier échantillon de titane métallique a été obtenu. A cette époque, il n'était pratiquement pas utilisé en raison de sa fragilité. En 1925, après une série d'expériences, les chimistes Van Arkel et De Boer obtiennent du titane pur par la méthode de l'iodure.

En raison des propriétés précieuses du métal, les ingénieurs et les concepteurs ont immédiatement attiré l'attention sur lui. Ce fut une véritable percée. En 1940, Kroll a développé une méthode thermique au magnésium pour obtenir du titane à partir de minerai. Cette méthode est toujours d'actualité aujourd'hui.

Propriétés physiques et mécaniques

Le titane est un métal assez réfractaire. Son point de fusion est de 1668±3°C. Selon cet indicateur, il est inférieur à des métaux tels que le tantale, le tungstène, le rhénium, le niobium, le molybdène, le tantale, le zirconium. Le titane est un métal paramagnétique. Dans un champ magnétique, il n'est pas magnétisé, mais il n'en est pas expulsé. Image 2
Le titane a une faible densité (4,5 g/cm³) et une résistance élevée (jusqu'à 140 kg/mm²). Ces propriétés ne changent pratiquement pas à des températures élevées. Il est plus de 1,5 fois plus lourd que l'aluminium (2,7 g/cm³), mais 1,5 fois plus léger que le fer (7,8 g/cm³). En termes de propriétés mécaniques, le titane est bien supérieur à ces métaux. En termes de résistance, le titane et ses alliages sont comparables à de nombreuses nuances d'aciers alliés.

En termes de résistance à la corrosion, le titane n'est pas inférieur au platine. Le métal a une excellente résistance aux conditions de cavitation. Les bulles d'air formées dans un milieu liquide lors du mouvement actif d'une pièce en titane ne la détruisent pratiquement pas.

C'est un métal durable qui peut résister à la fracture et à la déformation plastique. Il est 12 fois plus dur que l'aluminium et 4 fois plus dur que le cuivre et le fer. Un autre indicateur important est la limite d'élasticité. Avec une augmentation de cet indicateur, la résistance des pièces en titane aux charges opérationnelles s'améliore.

Dans les alliages avec certains métaux (en particulier le nickel et l'hydrogène), le titane est capable de "mémoriser" la forme du produit créé à une certaine température. Un tel produit peut alors se déformer et il conservera longtemps cette position. Si le produit est chauffé à la température à laquelle il a été fabriqué, le produit reprendra sa forme d'origine. Cette propriété est appelée "mémoire".

La conductivité thermique du titane est relativement faible et le coefficient de dilatation linéaire aussi. Il en résulte que le métal est un mauvais conducteur d'électricité et de chaleur. Mais à basse température, c'est un supraconducteur de l'électricité, ce qui lui permet de transmettre de l'énergie sur des distances considérables. Le titane a également une résistance électrique élevée.
Le métal titane pur est soumis à divers types de traitement à froid et à chaud. Il peut être étiré et transformé en fil, forgé, roulé en bandes, feuilles et feuilles d'une épaisseur allant jusqu'à 0,01 mm. Les types de produits laminés suivants sont fabriqués à partir de titane : ruban de titane, fil de titane, tuyaux en titane, bagues en titane, cercle de titane, barre de titane.

Propriétés chimiques

Le titane pur est un élément réactif. Du fait qu'un film protecteur dense se forme à sa surface, le métal est très résistant à la corrosion. Il ne subit pas d'oxydation à l'air, dans l'eau de mer salée, n'évolue pas dans de nombreux environnements chimiques agressifs (par exemple : acide nitrique dilué et concentré, eau régale). À haute température, le titane interagit beaucoup plus activement avec les réactifs. Il s'enflamme dans l'air à une température de 1200°C. Lorsqu'il est allumé, le métal dégage une lueur brillante. Une réaction active se produit également avec l'azote, avec la formation d'un film de nitrure jaune-brun à la surface du titane.

Les réactions avec les acides chlorhydrique et sulfurique à température ambiante sont faibles, mais lorsqu'il est chauffé, le métal se dissout fortement. À la suite de la réaction, des chlorures inférieurs et du monosulfate sont formés. De faibles interactions avec les acides phosphorique et nitrique se produisent également. Le métal réagit avec les halogènes. La réaction avec le chlore se produit à 300°C.
La réaction active avec l'hydrogène se déroule à une température légèrement supérieure à la température ambiante. Le titane absorbe activement l'hydrogène. 1 g de titane peut absorber jusqu'à 400 cm³ d'hydrogène. Le métal chauffé décompose le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. L'interaction avec la vapeur d'eau se produit à des températures supérieures à 800°C. À la suite de la réaction, un oxyde métallique se forme et de l'hydrogène s'échappe. À des températures plus élevées, le titane chaud absorbe le dioxyde de carbone et forme du carbure et de l'oxyde.

Comment avoir

Le titane est l'un des éléments les plus courants sur Terre. Son contenu dans les entrailles de la planète en masse est de 0,57%. La concentration la plus élevée du métal est observée dans la "coquille de basalte" (0,9%), dans les roches granitiques (0,23%) et dans les roches ultrabasiques (0,03%). Il existe environ 70 minéraux de titane qui en contiennent sous forme d'acide titanique ou de dioxyde. Les principaux minéraux des minerais de titane sont : l'ilménite, l'anatase, le rutile, la brookite, la loparite, le leucoxène, la pérovskite et le sphène. Les principaux producteurs mondiaux de titane sont la Grande-Bretagne, les États-Unis, la France, le Japon, le Canada, l'Italie, l'Espagne et la Belgique.
Il existe plusieurs façons d'obtenir du titane. Tous sont appliqués dans la pratique et sont assez efficaces.

1. Procédé thermique au magnésium.

Le minerai contenant du titane est extrait et transformé en dioxyde, qui est soumis lentement et à des températures très élevées à une chloration. La chloration est réalisée en milieu carboné. Le chlorure de titane formé à la suite de la réaction est ensuite réduit avec du magnésium. Le métal résultant est chauffé dans un équipement sous vide à haute température. En conséquence, le magnésium et le chlorure de magnésium s'évaporent, laissant le titane avec de nombreux pores et vides. Le titane spongieux est refondu pour produire un métal de haute qualité.

2. Méthode hydrure-calcium.

Tout d'abord, l'hydrure de titane est obtenu, puis il est séparé en composants : titane et hydrogène. Le processus se déroule dans un espace sans air à haute température. De l'oxyde de calcium se forme, qui est lavé avec des acides faibles.
Les méthodes thermiques à l'hydrure de calcium et au magnésium sont couramment utilisées à l'échelle industrielle. Ces méthodes permettent d'obtenir une quantité importante de titane en peu de temps, avec des coûts monétaires minimes.

3. Méthode d'électrolyse.

Le chlorure ou le dioxyde de titane est exposé à un courant élevé. En conséquence, les composés sont décomposés.

4. Méthode à l'iodure.

Le dioxyde de titane interagit avec la vapeur d'iode. Ensuite, l'iodure de titane est exposé à une température élevée, ce qui donne du titane. Cette méthode est la plus efficace, mais aussi la plus coûteuse. Le titane est d'une très grande pureté sans impuretés ni additifs.

Application de titane

En raison de ses bonnes propriétés anti-corrosion, le titane est utilisé pour la fabrication d'équipements chimiques. La haute résistance à la chaleur du métal et de ses alliages contribue à son utilisation dans la technologie moderne. Les alliages de titane sont un excellent matériau pour les avions, les fusées et la construction navale.

Les monuments sont en titane. Et les cloches faites de ce métal sont connues pour leur sonorité extraordinaire et très belle. Le dioxyde de titane est un composant de certains médicaments, par exemple : les pommades contre les maladies de la peau. Les composés métalliques avec du nickel, de l'aluminium et du carbone sont également très demandés.

Le titane et ses alliages ont trouvé des applications dans des domaines tels que les industries chimiques et alimentaires, la métallurgie des métaux non ferreux, l'électronique, la technologie nucléaire, l'ingénierie énergétique, la galvanoplastie. Les armes, les plaques de blindage, les instruments et implants chirurgicaux, les systèmes d'irrigation, les équipements sportifs et même les bijoux sont fabriqués à partir de titane et de ses alliages. Au cours du processus de nitruration, un film doré se forme à la surface du métal, qui n'est pas inférieur en beauté même à l'or véritable.