Титан як оксиду (IV) було відкрито англійським любителем-минералогом У. Грегором в 1791 року у магнітних залізистих пісках містечка Менакан (Англія); в 1795 році німецький хімік М. Г. Клапрот встановив, що мінерал рутил є природним оксидом цього ж металу, названого ним "титаном" [у грецькій міфології титани - діти Урана (Неба) і Геї (Землі)]. Виділити Титан у чистому вигляді довго не вдавалося; лише 1910 року американський учений М. А. Хантер отримав металевий Титан нагріванням його хлориду з натрієм у герметичній залізної бомбі; отриманий ним метал був пластичний тільки при підвищених температурах і крихкий при кімнатній через високий вміст домішок. Можливість вивчати властивості чистого Титану з'явилася лише у 1925, коли нідерландські вчені А. Ван-Аркел та І. де Бур методом термічної дисоціації йодиду титану отримали метал високої чистоти, пластичний за низьких температур.
Поширення Титану у природі.Титан - один з найпоширеніших елементів, середній вміст його в земній корі (кларк) становить 0,57% по масі (серед конструкційних металів за поширеністю займає 4-е місце, поступаючись залізу, алюмінію та магнію). Найбільше Титану в основних породах так званих "базальтової оболонки" (0,9%), менше в породах "гранітної оболонки" (0,23%) і ще менше в ультраосновних породах (0,03%) та ін. , збагаченим Титаном, відносяться пегматити основних порід, лужні породи, сієніти та пов'язані з ними пегматити та інші. Відомо 67 мінералів Титан, переважно магматичного походження; найважливіші - рутил та ільменіт.
У біосфері Титан переважно розсіяний. У морській воді міститься 10 -7 %; Титан – слабкий мігрант.
Фізичні властивості Титану.Титан існує у вигляді двох алотропічних модифікацій: нижче температури 882,5 °С стійка α-форма з гексагональними щільноупакованими ґратами (а = 2,951 Å, с = 4,679 Å), a вище цієї температури - β-форма з кубічною об'ємноцентрованою решіткою 9 Å. Домішки та легуючі добавки можуть суттєво змінювати температуру α/β перетворення.
Щільність -форми при 20°С 4,505 г/см 3 , a при 870°З 4,35 г/см 3 ; β-форми при 900°З 4,32 г/см 3 ; атомний радіус Ti 1,46 Å, іонні радіуси Ti + 0,94 А, Ti 2+ 0,78 Å, Ti 3+ 0,69 Å, Ti 4+ 0,64 Å; Т пл 1668 ° С, Т кіп 3227 ° С; теплопровідність в інтервалі 20-25°С 22,065 вт/(м·К); температурний коефіцієнт лінійного розширення при 20°З 8,5·10 -6 , в інтервалі 20-700°З 9,7·10 -6 ; теплоємність 0,523 кдж/(кг·К); питомий електроопір 42,1 · 10 -6 ом · см при 20 ° С; температурний коефіцієнт електроопору 0,0035 при 20 °С; має надпровідність нижче 0,38 К. Титан парамагнітний, питома магнітна сприйнятливість 3,2 · 10 -6 при 20 °С. Межа міцності 256 Мн/м 2 (25,6 кгс/мм 2), відносне подовження 72%, твердість по Брінеллю менше 1000 Мн/м 2 (100 кгс/мм 2). Модуль нормальної пружності 108000 Мн/м2 (10800 кгс/мм2). Метал високого ступеня чистоти кування при звичайній температурі.
Технічний Титан, що застосовується в промисловості, містить домішки кисню, азоту, заліза, кремнію і вуглецю, що підвищують його міцність, що знижують пластичність і впливають на температуру поліморфного перетворення, яке відбувається в інтервалі 865-920 °С. Для технічного Титану марок ВТ1-00 і ВТ1-0 щільність близько 4,32 г/см 3 межа міцності 300-550 Мн/м 2 (30-55кгс/мм 2), відносне подовження не нижче 25%, твердість по Брінеллю 1150 -1650 Мн/м2 (115-165 кгс/мм2). Конфігурація зовнішньої електронної оболонки атома Ti 3d 2 4s 2 .
Хімічні характеристики Титану.Чистий Титан – хімічно активний перехідний елемент, у з'єднаннях має ступеня окиснення +4, рідше +3 та +2. При звичайній температурі і аж до 500-550 ° С корозійно стійкий, що пояснюється наявністю на поверхні тонкої, але міцної оксидної плівки.
З киснем повітря помітно взаємодіє за температури вище 600 °З утворенням ТiO 2 . Тонка титанова стружка при недостатньому мастилі може спалахувати в процесі механічної обробки. При достатній концентрації кисню у навколишньому середовищі та пошкодженні окисної плівки шляхом удару або тертя можливе загоряння металу при кімнатній температурі та порівняно великих шматках.
Оксидна плівка не захищає Титан у рідкому стані від подальшої взаємодії з киснем (на відміну, наприклад, від алюмінію), і тому його плавлення та зварювання повинні проводитися у вакуумі, в атмосфері нейтрального газу або під флюсом. Титан має здатність поглинати атмосферні гази та водень, утворюючи крихкі сплави, непридатні для практичного використання; за наявності активованої поверхні поглинання водню відбувається вже за кімнатної температури з невеликою швидкістю, що значно зростає при 400 °С і вище. Розчинність водню в Титані є оборотною, і цей газ можна видалити майже повністю відпалом у вакуумі. З азотом Титан реагує при температурі вище 700 °З, причому виходять нітриди типу TiN; у вигляді тонкого порошку або дроту Титан може горіти в атмосфері азоту. Швидкість дифузії азоту та кисню у Титані значно нижча, ніж водню. Шар, що отримується в результаті взаємодії з цими газами, відрізняється підвищеними твердістю і крихкістю і повинен видалятися з поверхні титанових виробів шляхом травлення або механічної обробки. Титан енергійно взаємодіє із сухими галогенами, стосовно вологим галогенам стійкий, оскільки волога грає роль інгібітора.
Метал стійкий в азотній кислоті всіх концентрацій (за винятком червоної димної, що викликає корозійне розтріскування Титану, причому реакція іноді йде з вибухом), у слабких розчинах сірчаної кислоти (до 5% за масою). Соляна, плавикова, концентрована сірчана, а також гарячі органічні кислоти: щавлева, мурашина та трихлороцтова реагують з Титаном.
Титан корозійно стійкий в атмосферному повітрі, морській воді та морській атмосфері, у вологому хлорі, хлорній воді, гарячих та холодних розчинах хлоридів, у різних технологічних розчинах та реагентах, що застосовуються в хімічній, нафтовій, папероробній та інших галузях промисловості, а також у гідро. Титан утворює з С, В, Se, Si металоподібні сполуки, що відрізняються тугоплавкістю та високою твердістю. Карбід TiC (t пл 3140 °З) отримують нагріванням суміші TiO 2 з сажею при 1900-2000 °З атмосфері водню; нітрид TiN (t пл 2950 °С) - нагріванням порошку Титан в азоті при температурі вище 700 °С. Відомі силіциди TiSi 2 , TiSi та бориди TiB, Ti 2 B 5 , TiB 2 . При температурі 400-600 °C Титан поглинає водень з утворенням твердих розчинів і гідридів (TiH, TiH 2). При сплавленні TiO 2 з лугами утворюються солі титанових кислот мета-і ортотитанати (наприклад, Na 2 TiO 3 і Na 4 TiO 4), а також політанати (наприклад, Na 2 Ti 2 O 5 і Na 2 Ti 3 O 7). До титанатів відносяться найважливіші мінерали Титану, наприклад, ільменіт FeTiO 3 перовскіт CaTiO 3 . Усі титанати малорозчинні у воді. Оксид Титану (IV), титанові кислоти (осади), а також титанати розчиняються в сірчаній кислоті з утворенням розчинів, що містять титанілсульфат TiOSO 4 . При розведенні та нагріванні розчинів в результаті гідролізу осаджується Н 2 ТiO 3 з якої отримують оксид Титану (IV). При додаванні перекису водню в кислі розчини, що містять сполуки Ti (IV), утворюються перекисні (надтитанові) кислоти складу Н 4 ТiO 5 і H 4 TiO 8 відповідні їм солі; ці сполуки забарвлені у жовтий або оранжево-червоний колір (залежно від концентрації Титану), що використовується для аналітичного визначення Титану.
Одержання Титану.Найбільш поширеним методом отримання металевого Титану є магнієтермічний метод, тобто відновлення тетрахлориду Титану металевим магнієм (рідше – натрієм):
TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2 .
В обох випадках вихідною сировиною є оксидні руди Титану - рутил, ільменіт та інші. У разі руд типу ільменітів Титан у формі шлаку відокремлюється від заліза шляхом плавки в електропечах. Шлак (так само, як рутил) піддають хлоруванню в присутності вуглецю з утворенням тетрахлориду Титану, який після очищення надходить у відновлювальний реактор з нейтральною атмосферою.
Титан з цього процесу виходить у губчастому вигляді і після подрібнення переплавляється у вакуумних дугових печах на зливки з введенням добавок, що легують, якщо потрібно отримати сплав. Магнієтермічний метод дозволяє створити велике промислове виробництво Титану із замкнутим технологічним циклом, так як побічний продукт, що утворюється при відновленні - хлорид магнію прямує на електроліз для отримання магнію і хлору.
У ряді випадків для виробництва виробів із Титану та його сплавів вигідно застосовувати методи порошкової металургії. Для отримання особливо тонких порошків (наприклад, радіоелектроніки) можна використовувати відновлення оксиду Титану (IV) гідридом кальцію.
Застосування Титану.Основні переваги Титану перед іншими конструкційними металами: поєднання легкості, міцності та корозійної стійкості. Титанові сплави за абсолютною, а тим більше за питомою міцністю (тобто міцністю, віднесеною до щільності) перевершують більшість сплавів на основі інших металів (наприклад, заліза або нікелю) при температурах від -250 до 550 ° С, а по корозійності вони можна порівняти зі сплавами благородних металів. Однак як самостійний конструкційний матеріал Титан став застосовуватися лише у 50-ті роки 20 століття у зв'язку з великими технічними труднощами його вилучення з руд та переробки (саме тому Титан умовно відносили до рідкісних металів). Основна частина Титану витрачається на потреби авіаційної та ракетної техніки та морського суднобудування. Сплави Титану із залізом, відомі під назвою "ферротитан" (20-50% Титану), у металургії якісних сталей та спеціальних сплавів служать легуючою добавкою та розкислювачем.
Технічний Титан йде на виготовлення ємностей, хімічних реакторів, трубопроводів, арматури, насосів та інших виробів, що працюють в агресивних середовищах, наприклад, у хімічному машинобудуванні. У гідрометалургії кольорових металів застосовується апаратура Титану. Він служить для покриття виробів із сталі. Використання Титану дає у багатьох випадках великий техніко-економічний ефект не тільки завдяки підвищенню терміну служби обладнання, але й можливості інтенсифікації процесів (як, наприклад, гідрометалургії нікелю). Біологічна нешкідливість Титану робить його чудовим матеріалом для виготовлення обладнання. харчової промисловостіта у відновлювальній хірургії. В умовах глибокого холоду міцність Титану підвищується за збереження хорошої пластичності, що дозволяє застосовувати його як конструкційний матеріал для кріогенної техніки. Титан добре піддається полірування, кольорового анодування та інших методів обробки поверхні і тому йде на виготовлення різних художніх виробів, у т. ч. і монументальної скульптури. Прикладом може бути пам'ятник у Москві, споруджений на честь запуску першого штучного супутника Землі. Зі з'єднань Титану практичне значеннямають оксиди, галогеніди, а також силіциди, що використовуються у техніці високих температур; бориди та їх сплави, що застосовуються як уповільнювачі в ядерних енергетичних установкахзавдяки їхній тугоплавкості та великому перерізу захоплення нейтронів. Карбід Титана, що має високу твердість, входить до складу інструментальних. твердих сплавів, що використовуються для виготовлення різальних інструментів і як абразивний матеріал.
Оксид титану (IV) і титанат барію є основою титанової кераміки, а титанат барію - найважливіший сегнетоелектрик.
Титан у організмі.Титан постійно присутній у тканинах рослин та тварин. У наземних рослинах його концентрація - близько 10 -4 %, у морських - від 1,2 · 10 -3 до 8 · 10 -2 %, у тканинах наземних тварин - менше 2 · 10 -4 %, морських - від 2 · 10 -4 До 2 · 10 -2%. Накопичується у хребетних тварин переважно у рогових утвореннях, селезінці, надниркових залозах, щитовидній залозі, плаценті; погано всмоктується із шлунково-кишкового тракту. У людини добове надходження Титану з продуктами харчування та водою становить 0,85 мг; виводиться із сечею та калом (0,33 та 0,52 мг відповідно).
Космічний метал, матеріал майбутнього, що перетворює мрію на реальність - все це про титан, сріблясто-білий, міцний і легкий. Займаючи дев'яте місце за поширеністю в природі, він добре зарекомендував себе в аерокосмічній та нафтохімічній промисловості, машинобудуванні та медицині. Диво-метал навіть відкритий був незвично, а вивчення його властивостей допомогло людству вийти новий рівень розвитку.
Історія відкриття металу
Все почалося в 1791, коли, незалежно один від одного, одночасно У. Грегор (Англія) і М. Г. Клапрот (Німеччина) отримали двоокис титану, але не змогли виділити з неї чисту речовину. Мінералог і, за сумісництвом, сільський священик Грегор вивчав чорний залізистий пісок, знайдений на околицях свого приходу. Результатом стало вилучення з'єднання титану – блискучих крупинок, які назвою «менакін» (від мінералу менаканіт) увічнили рідні місця англійця.
Приблизно у цей час хімік Клапрот, вивчаючи червоні піски, привезені з Угорщини, знайшов у мінералі рутилі нову речовину і назвав його «титан». А через кілька років довів, що рутил і менакенова земля - однакові з'єднання. У 1825 році шведським хіміком Берцеліусом було отримано перший зразок металевого титану, але це дозволило просунутися у дослідженні властивостей, оскільки домішки робили зразок тендітним і непридатним для механічної обробки.
Тільки в 1925 році голландські хіміки ван Аркел і де Бур, застосувавши термічне розкладання йодиду титану, що не знайшло широкого використання, отримали речовину з 99,9% чистотою. Такий метал мав пластичність, його можна було розкочувати в листи, дріт та фольгу. Це дозволило розпочати повномасштабне вивчення фізичних та хімічних властивостей, привернути увагу інженерів та будівельників, намітити сфери застосування. А вже 1940 року з'явився кроловський процес відновлення чотирихлористого титану магнієм, який успішно використовується і досі.
Теорії походження назви
Існує дві теорії виникнення найменування:
Знаходження титану у природі
Титан посідає почесне четверте місцеза вмістом у земній корі серед важливих для людини металів, поступаючись лише залізу, магнію та алюмінію. Максимальна його кількість зосереджена у нижньому, базальтовому шарі, трохи менше – у гранітному. Беручи до уваги високу хімічну активність, знайти титан у чистому вигляді неможливо. Найбільш поширені чотирихвалентні оксиди, які концентруються в рудах кори вивітрювання та в морській глині.
Сьогодні налічують до 75 титанових мінералів, а вчені періодично заявляють про відкриття нових форм і сполук. Для промислової переробки найбільше значення мають:
Титан – слабкий мігрант, він може переноситися лише у вигляді механічних уламків кам'яної породи або при переміщеннях колоїдних мулистихшарів водойм. Для біосфери характерно вміст максимальних кількостей цього металу в морських водоростях, у тварин він виявлений в шерсті та рогових тканинах, в організмі людини присутній у щитовидній залозі, селезінці, надниркових залозах та плаценті.
Родовища космічного матеріалу
Найпоширенішими є поклади ільменіту, вони становлять близько 800 млн. тонн. Запаси рутилових руд значно менше, але за збереження зростання видобутку вони можуть забезпечити людство ще 100 років. За запасами титану Росія поступається лише Китаю та налічує 20 розвіданих родовищ. Більшість із них - комплексні, де видобувають також залізо, фосфор, ванадій та цирконій. Сьогодні найбільшим світовим виробникомтитану вважається російська металургійна компанія «ВСМПО-АВІСМА».
Великі поклади розташовуються біля ПАР, України, Канади, США, Бразилії, Австралії, Швеції, Норвегії, Єгипту, Казахстану, Індії та Південної Кореї. Вони різняться вмістом металу в рудах та обсягами видобутку, геологічні дослідження не припиняються. Навіть на Місяці були виявлені запаси титановмісних руд, деякі з них у десятки разів багатші за великі родовища Землі. Це дозволяє сподіватися зниження ринкових цін металу і розширення сфери використання.
Фізичні властивості елемента
Titanium - хімічний елемент періодичної таблиці Менделєєва, що знаходиться в IV групі четвертого періоду. Має атомний номер 22, молярну масу 47,867, позначається символом Ti і виявляє ступеня окиснення від 2 до 4, найбільш стійкі його чотиривалентні сполуки. При нормальному тиску температура плавлення титану дорівнює 1670 ± 2 °C, він відноситься до кольорових тугоплавких металів і на вигляд нагадує сталь.
Твердість, пластичність та межа плинності- важливі параметри будь-якого металу, які визначають сферу застосування. Титан у 12 разів міцніший за алюміній, у 4 рази міді та заліза. А ще він набагато легший за їх усіх (щільність титану всього 4,54 г/см 3 ) і вільно обробляється методами зварювання, клепки, кування та прокату. До важливих особливостей відносяться низькі показники теплопровідності та електропровідності, які залишаються незмінними навіть за високих температур.
Титан виявляє парамагнітні властивості: не намагнічується в магнітному полі, подібно до нікелю і заліза, і не виштовхується, як срібло і золото. Його погані антифрикційні властивості обумовлені налипанням на багато матеріалів. Унікальні показники корозійної стійкості та опору механічному впливу: пластини з титану, що десять років пролежали на дні моря, не зазнають змін зовнішнього вигляду та складу, а залізо за цей час розкладеться повністю.
Хімічні властивості
Висока корозійна стійкість пояснюється тим, що в нормальних умовах на поверхні металу є оксидна плівка. Однак у вигляді порошку, тонкої стружки або дроту він здатний займатися самозайманням і вибухати. Титан стійкий до водних розчинів хлору та багатьох розведених лугів та кислот, крім плавикової, ортофосфорної та сірчаної. Зварювання і плавку виробляють у вакуумі, тому що навіть при незначному нагріванні проявляється одна з головних властивостей титану - активне поглинання газів навколишньої атмосфери.
Реакція з воднем, що починається при 60 °C, оборотна, отримані гідриди при нагріванні знову розкладаються. На повітрі за температури 1200 °Cтитан палає яскравим білим полум'ям, і тільки він здатний горіти в атмосфері азоту при температурі вище 400 ° C з утворенням нітридів. Для взаємодії з галогенами необхідними умовамиє відсутність вологи та наявність каталізатора – високої температури. При реакції з вуглецем виходить надтвердий карбід. З більшістю металів титан утворює високоміцні конструкційні або жаростійкі сплави та інтерметалічні з'єднання, часто застосовується як важливий легуючий компонент.
Спосіб отримання із сировини
Вихідна сировина – двоокис титану, що містить мало сторонніх домішок. Для цього потрібен рутиловий концентрат, що отримується збагаченням руди. Але його світові запаси невеликі, і найчастіше застосовують титановий шлак (синтетичний рутил), який отримують термічною обробкою – збагаченням ільменітових концентратів у електродуговій печі. В результаті залізо у вигляді чавуну збирається на дні спеціальної ванни і залишається порошок сірого кольору - шлак, що містить оксид титану. Його подрібнюють, змішують з вугіллям, брикетують і хлорують у печах, де за 800 °C у присутності вуглецю утворюються пари чотирихлористого титану.
Потім їх очищають і у спеціальних реакторахвідновлюють магнієм за 950 °C. На стінках утворюється пориста маса, що спеклася, титанова губка, яку для сепарації від сполук магнію прожарюють у вакуумі. Щоб виготовити зливки титану, використовують плавку отриманої губки у вакуумно-дугових печах. Це захищає метал від окиснення та сприяє остаточному звільненню від домішок. Готові зливки з чистотою до 99,7% використовують для обробки тиском (прокатка, штампування, кування).
Основні сфери застосування
Складно описати всі сфери життя, де знайшлося місце титану, але серед основних напрямів можна відзначити:
Сфера застосування титану постійно розширюється, її стримують складність та енергоємність процесу одержання чистої речовини. Тому традиційні залізо і алюміній сьогодні ще міцно утримують позиції. Титан – дороге задоволення. Ціна металу у вигляді концентрату в сотні разів менша за вартість готової продукціїнаприклад, листового прокату. Сьогодні такі витрати доступні далеко не всім, тому застосування титану визначає рівень економічного розвитку та обороноздатності держави.
Фізичні та хімічні властивості титану, отримання титану
Застосування титану у чистому вигляді та у вигляді сплавів, застосування титану у вигляді сполук, фізіологічна дія титану
Розділ 1. Історія та знаходження у природі титану.
Титан -цеелемент побічної підгрупи четвертої групи, четвертого періоду періодичної системихімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 22. Проста речовина титан (CAS-номер: 7440-32-6) – легкий метал сріблясто-білого кольору. Існує у двох кристалічних модифікаціях: α-Ti з гексагональними щільноупакованими гратами, β-Ti з кубічною об'ємно-центрованою упаковкою, температура поліморфного перетворення α↔β 883 °C. Температура плавлення: 1660±20 °C.
Історія та знаходження в природі титану
Титан був названий так на честь давньогрецьких персонажів Титанів. Назвав його так німецький хімік Мартін Клапрот за своїми особистими міркуваннями на відміну від французів, які намагалися давати назви відповідно до хімічних особливостей елемента, але так як тоді властивості елемента були невідомі, було обрано таку назву.
Титан є 10 елементів за кількістю його на нашій планеті. Кількість титану в земній корі дорівнює 0.57 % за масою і 0.001 міліграм на 1 літр морської води. Родовища титану знаходяться на території: Південно-Африканської Республіки, України, Росії, Казахстану, Японії, Австралії, Індії, Цейлону, Бразилії та Південної Кореї.
За фізичними властивостями титан легкий сріблястий метал, крім того, характерна висока в'язкість при механічній обробці і схильний до прилипання до ріжучого інструменту, тому використовують спеціальні мастила або напилення для усунення цього ефекту. При кімнатній температурі покривається плівкою, що ласивує, оксиду TiO2, завдяки цьому має стійкість до корозії в більшості агресивних середовищ, крім лугів. Титанова пил має властивість вибухати, у своїй температура спалаху дорівнює 400 °C. Титанова стружка пожежонебезпечна.
Щоб зробити титан у чистому вигляді або його сплави в більшості випадків використовують діоксид титану з невеликою кількістю сполук входять до нього. Наприклад, рутиловий концентрат, що отримується при збагаченні титанових руд. Але запаси рутила вкрай малі і у зв'язку з цим використовують так званий синтетичний рутил або титановий шлак, що отримується при обробці концентратів ільменіту.
Першовідкривачем титану вважається 28-річний англійський ченець Вільям Грегор. У 1790 р., проводячи мінералогічні дослідження у своєму приході, він звернув увагу на поширеність і незвичайні властивості чорного піску в долині Менакена на південному заході Англії і почав його досліджувати. У піску священик виявив крихти чорного блискучого мінералу, що притягується звичайним магнітом. Отриманий в 1925 р. Ван Аркелем і де Буром іодидним способом чистий титан виявився пластичним і технологічним металом з багатьма цінними якостями, які привернули до нього увагу широкого кола конструкторів та інженерів. У 1940 р. Кролль запропонував магнієтермічний спосіб вилучення титану з руд, який є основним і нині. У 1947 р. було випущено перші 45 кг технічно чистого титану.
У періодичній системі елементів Менделєєва титан має порядковий номер 22. Атомна маса природного титану, обчислена за наслідками досліджень його ізотопів, становить 47,926. Отже, ядро нейтрального атома титану містить 22 протони. Кількість нейтронів, тобто нейтральних незаряджених частинок, різна: частіше 26, але може коливатися від 24 до 28. Тому і число ізотопів титану по-різному. Всього зараз відомо 13 ізотопів елемента № 22. Природний титан складається із суміші п'яти стабільних ізотопів, найбільш широко представлений титан-48, його частка у природних рудах 73,99%. Титан та інші елементи підгрупи IVВ дуже близькі за властивостями до елементів підгрупи IIIВ (групи скандію), хоч і відрізняються від останніх здатністю виявляти більшу валентність. Подібність титану зі скандією, ітрієм, і навіть з елементами підгрупи VВ – ванадием і ніобієм виявляється у тому, що у природних мінералах титан часто зустрічається разом із цими елементами. З одновалентними галогенами (фтором, бромом, хлором та йодом) він може утворювати ди- і тетрасполуки, з сіркою та елементами її групи (селеном, телуром) – моно- та дисульфіди, з киснем – оксиди, діоксиди та триоксиди.
Титан утворює також сполуки з воднем (гідриди), азотом (нітриди), вуглецем (карбіди), фосфором (фосфіди), миш'яком (арсиди), а також сполуки з багатьма металами – інтерметаліди. Утворює титан як прості, а й численні комплексні сполуки, відомо чимало його сполук з органічними речовинами. Як очевидно з переліку сполук, у яких може брати участь титан, він хімічно дуже активний. І в той же час титан є одним з небагатьох металів з винятково високою корозійною стійкістю: він практично вічний в атмосфері повітря, в холодній та киплячій воді, стійкий у морській воді, в розчинах багатьох солей, неорганічних та органічних кислотах. За своєю корозійною стійкістю у морській воді він перевершує всі метали, за винятком благородних – золота, платини тощо, більшість видів нержавіючої сталі, нікелеві, мідні та інші сплави. У воді, у багатьох агресивних середовищах чистий титан не схильний до корозії. Протистоїть титан і ерозійної корозії, що відбувається в результаті поєднання хімічної та механічної дії на метал. У цьому відношенні він не поступається найкращим маркам нержавіючих сталей, сплавів на основі міді та інших конструкційних матеріалів. Добре протистоїть титан і втомної корозії, що проявляється часто у вигляді порушень цілісності та міцності металу (розтріскування, локальні осередки корозії тощо). Поведінка титану в багатьох агресивних середовищах, таких як азотна, соляна, сірчана, «царська горілка» та інші кислоти і луги, викликає подив і захоплення цим металом.
Титан дуже тугоплавкий метал. Довгий час вважалося, що він плавиться при 1800 ° С, проте в середині 50-х рр. англійські вчені Діардорф та Хейс встановили температуру плавлення для чистого елементарного титану. Вона склала 1668±3° С. За своєю тугоплавкістю титан поступається лише таким металам, як вольфрам, тантал, ніобій, реній, молібден, платиноїди, цирконій, а серед основних конструкційних металів він стоїть першому місці. Найважливішою особливістю титану як металу є його унікальні фізико-хімічні властивості: низька щільність, висока міцність, твердість та ін. Головне, що ці властивості не змінюються істотно при високих температурах.
Титан – легкий метал, його щільність при 0° З становить лише 4,517 г/см8, а за 100° З – 4,506 г/см3. Титан відноситься до групи металів з питомою масою менше 5 г/см3. Сюди входять усі лужні метали (натрій, кадій, літій, рубідій, цезій) з питомою масою 0,9-1,5 г/см3, магній (1,7 г/см3), алюміній (2,7 г/см3) та ін Титан більш ніж в 1,5 рази важчий за алюміній, і в цьому він, звичайно, йому програє, зате в 1,5 рази легше заліза (7,8 г/см3). Однак, займаючи за питомою щільністю проміжне положення між алюмінієм і залізом, титан за своїми механічними властивостями багато разів їх перевершує.). Титан має значну твердість: він у 12 разів твердіший за алюміній, у 4 рази – заліза і міді. Ще одна важлива характеристика металу – межа плинності. Чим він вище, тим краще деталі з цього металу опираються експлуатаційним навантаженням. Межа плинності у титану майже в 18 разів вища, ніж у алюмінію. Питома міцність сплавів титану може бути підвищена у 1,5-2 рази. Його високі механічні властивості добре зберігаються при температурах аж до кількох сотень градусів. Чистий титан придатний для будь-яких видів обробки у гарячому та холодному стані: його можна кувати, як залізо, витягувати і навіть робити з нього дріт, прокатувати у листи, стрічки, у фольгу завтовшки до 0,01 мм.
На відміну від більшості металів титан має значний електричний опір: якщо електропровідність срібла прийняти за 100, то електропровідність міді дорівнює 94, алюмінію – 60, заліза та платини –15, а титану – всього 3,8. Титан – парамагнітний метал, не намагнічується, як залізо, в магнітному полі, а й не виштовхується з нього, як мідь. Його магнітна сприйнятливість дуже слабка, цю властивість можна використовувати під час будівництва. Титан має порівняно низьку теплопровідність, всього 22,07 Вт/(мК), що приблизно в 3 рази нижче теплопровідності заліза, в 7 разів-магнію, в 17-20 разів-алюмінію та міді. Відповідно і коефіцієнт лінійного термічного розширення у титану нижче, ніж у інших конструкційних матеріалів: при 20 ° С він у 1,5 рази нижче ніж у заліза, у 2 – у міді та майже у 3 – у алюмінію. Таким чином, титан – поганий провідник електрики та тепла.
Сьогодні титанові сплави широко застосовують у авіаційної техніки. Титанові сплави у промисловому масштабі вперше були використані у конструкціях авіаційних реактивних двигунів. Застосування титану в конструкції реактивних двигунів дозволяє зменшити їхню масу на 10...25%. Зокрема, з титанових сплавів виготовляють диски та лопатки компресора, деталі повітрозабірника, направляючого апарату та кріпильні вироби. Титанові метали незамінні для надзвукових літаків. Зростання швидкостей польоту літальних апаратівпризвів до підвищення температури обшивки, внаслідок чого алюмінієві сплави перестали задовольняти вимоги, що пред'являються авіаційною технікою надзвукових швидкостей. Температура обшивки у разі досягає 246...316 °С. У умовах найприйнятнішим матеріалом виявилися титанові метали. У 70-х роках значно зросло застосування титанових металів для планера цивільних літаків. У середньомагістральному літаку ТУ-204 Загальна масадеталей із титанових сплавів становить 2570 кг. Поступово розширюється застосування титану у гелікоптерах, головним чином, для деталей системи несучого гвинта, приводу, а також системи керування. Важливе місце займають титанові метали в ракетобудуванні.
Завдяки високій корозійній стійкості у морській воді титан та його сплави знаходять застосування у суднобудуванні для виготовлення гребних гвинтів, обшивки морських суден, підводних човнів, торпед тощо. На титан та його сплави не налипають черепашки, які різко підвищують опір судна за його руху. Поступово сфери застосування титану розширюються. Титан та його сплави застосовують у хімічній, нафтохімічній, целюлозно-паперовій та харчовій промисловості, кольоровій металургії, енергомашинобудуванні, електроніці, ядерній техніці, гальванотехніці, при виробництві озброєння, для виготовлення броньових плит, хірургічного інструменту, хірургічних деталей. , спортінвентаря (клюшки для гольфу, спорядження альпіністів), деталей ручного годинникаі навіть прикрас. Азотування титану призводить до утворення на його поверхні золотистої плівки, що по красі не поступається справжньому золоту.
Відкриття TiO2 зробили практично одночасно незалежно один від одного англієць У. Грегор і німецький хімік М. Г. Клапрот. У. Грегор, досліджуючи склад магнітного залізистого піску (Крид, Корнуолл, Англія, 1791), виділив нову «землю» (оксид) невідомого металу, яку назвав менакенової. У 1795 р. німецький хімік Клапрот відкрив у мінералі рутилі новий елемент і назвав його титаном. Через два роки Клапрот встановив, що рутил і менакенова земля – оксиди одного й того самого елемента, за яким і залишилася назва «титан», запропонована Клапротом. Через 10 років відкриття титану відбулося втретє. Французький учений Л. Воклен виявив титан в анатазі та довів, що рутил та анатаз – ідентичні оксиди титану.
Перший зразок металевого титану отримав у 1825 році Й. Я. Берцеліус. Через високу хімічну активність титану та складність його очищення чистий зразок Ti отримали голландці А. ван Аркел та І. де Бур у 1925 році термічним розкладанням пари йодиду титану TiI4.
Титан знаходиться на 10-му місці за поширеністю у природі. Вміст у земній корі 0,57 % за масою, у морській воді 0,001 мг/л. У ультраосновних породах 300 г/т, в основних - 9 кг/т, у кислих 2,3 кг/т, у глинах та сланцях 4,5 кг/т. У земній корі титан майже завжди чотирихвалентний і присутній тільки в кисневих сполуках. У вільному вигляді не зустрічається. Титан в умовах вивітрювання та осадження має геохімічну спорідненість із Al2O3. Він концентрується в бокситах кори вивітрювання та у морських глинистих опадах. Перенесення титану здійснюється у вигляді механічних уламків мінералів та у вигляді колоїдів. До 30% TiO2 за вагою накопичується у деяких глинах. Мінерали титану стійкі до вивітрювання та утворюють великі концентрації в розсипах. Відомо понад 100 мінералів, що містять титан. Найважливіші з них: рутил TiO2, ільменіт FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскіт CaTiO3, титаніт CaTiSiO5. Розрізняють корінні руди титану – ільменіт-титаномагнетитові та розсипні – рутил-ільменіт-цирконові.
Основні руди: ільменіт (FeTiO3), рутил (TiO2), титаніт (CaTiSiO5).
На 2002 рік, 90% титану, що видобувається, використовувалося на виробництво діоксиду титану TiO2. Світове виробництво діоксиду титану становило 4,5 млн. т на рік. Підтверджені запаси діоксиду титану (без Росії) становлять близько 800 млн т. На 2006 рік, за оцінкою Геологічної служби США, у перерахунку на діоксид титану і без урахування Росії, запаси ільменітових руд становлять 603-673 млн т., а рутилових - 4. 52.7 млн т. Таким чином, за нинішніх темпів видобутку світових розвіданих запасів титану (без урахування Росії) вистачить більш, ніж 150 років.
Росія має другі у світі, після Китаю, запаси титану. Мінерально-сировинну базу титану Росії становлять 20 родовищ (з них 11 корінних та 9 розсипних), досить рівномірно розосереджених територією країни. Найбільше з розвіданих родовищ (Ярегське) знаходиться за 25 км від міста Ухта (Республіка Комі). Запаси родовища оцінюються в 2 мільярди тонн руди із середнім вмістом діоксиду титану близько 10%.
Найбільший у світі виробник титану російська компанія"ВСМПО-АВІСМА".
Як правило, вихідним матеріалом для виробництва титану та його сполук є діоксид титану з порівняно невеликою кількістю домішок. Зокрема, це може бути рутиловий концентрат, що отримується при збагаченні титанових руд. Проте запаси рутила у світі дуже обмежені, і найчастіше застосовують так званий синтетичний рутил або титановий шлак, одержувані під час переробки ільменітових концентратів. Для отримання титанового шлаку ільменітовий концентрат відновлюють у електродуговій печі, при цьому залізо відокремлюється в металеву фазу (чавун), а не відновлені оксиди титану та домішок утворюють шлакову фазу. Багатий шлак переробляють хлоридним чи сірчанокислотним способом.
У чистому вигляді та у вигляді сплавів
Титановий пам'ятник Гагаріну на Ленінському проспекті в Москві
Метал застосовується в: хімічній промисловості (реактори, трубопроводи, насоси, трубопровідна арматура), військової промисловості (бронежилети, броня та протипожежні перегородки в авіації, корпуси підводних човнів), промислових процесах (опріснювальних установках, процесах целюлози та паперу), автомобільної промисловості, сільськогосподарської промисловості, харчової промисловості, прикрасах для пірсингу, медичної промисловості (протези, остеопротези ), стоматологічних та ендодонтичних інструментах, зубних імплантатах, спортивних товарах, ювелірних виробах (Олександр Хомов), мобільних телефонах, легких сплавах і т. д. Є найважливішим конструкційним матеріалом в авіа-, ракето-, кораблебудуванні.
Титанове лиття виконують у вакуумних печах у графітові форми. Також використовується вакуумне лиття за моделями, що виплавляються. Через технологічні труднощі, у художньому лиття використовується обмежено. Першою у світовій практиці монументальною литою скульптурою з титану є пам'ятник Юрію Гагаріну на площі його імені у Москві.
Титан є легуючою добавкою у багатьох легованих сталях та більшості спецсплавів.
Нітинол (нікель-титан) - сплав, що має пам'ять форми, застосовується в медицині та техніці.
Алюмініди титану є дуже стійкими до окислення та жароміцними, що в свою чергу визначило їх використання в авіації та автомобілебудуванні як конструкційні матеріали.
Титан є одним з найпоширеніших гетерних матеріалів, що використовуються у високовакуумних насосах.
Білий діоксид титану (TiO2) використовується у фарбах (наприклад, титанові білила), а також при виробництві паперу та пластику. Добавка харчова E171.
Титанорганічні сполуки (напр. тетрабутоксититан) застосовуються як каталізатор і затверджувач у хімічній та лакофарбовій промисловості.
Неорганічні сполуки титану застосовуються в хімічній електронній, скловолоконній промисловості як добавку або покриття.
Карбід титану, диборид титану, карбонітрид титану – важливі компоненти надтвердих матеріалів для обробки металів.
Нітрид титану застосовується покриття інструментів, куполів церков і за виробництві біжутерії, т.к. має колір, схожий на золото.
Титанат барію BaTiO3, титанат свинцю PbTiO3 та ряд інших титанатів - сегнетоелектрики.
Існує безліч титанових сплавів із різними металами. Легуючі елементи поділяють на три групи, залежно від їхнього впливу на температуру поліморфного перетворення: на бета-стабілізатори, альфа-стабілізатори та нейтральні зміцнювачі. Перші знижують температуру перетворення, другі підвищують, треті впливають неї, але призводять до розчинному зміцненню матриці. Приклади альфа-стабілізаторів: алюміній, кисень, вуглець, азот. Бета-стабілізатори: молібден, ванадій, залізо, хром, нікель. Нейтральні зміцнювачі: цирконій, олово, кремній. Бета-стабілізатори, у свою чергу, діляться на бета-ізоморфні та бета-евтектоїдоутворюючі. Найпоширенішим титановим металом є метал Ti-6Al-4V (у російській класифікації - ВТ6).
60% - фарба;
20% – пластик;
13% - папір;
7% – машинобудування.
15-25$ за кілограм, залежно від чистоти.
Чистота та марка чорнового титану (титанової губки) зазвичай визначається за її твердістю, яка залежить від вмісту домішок. Найбільш поширені марки ТГ100 та ТГ110.
Ціна феротитану (мінімум 70% титану) на 22.12.2010 $6,82 за кілограм. На 01.01.2010 ціна була на рівні $5,00 за кілограм.
У Росії її ціни на титан початку 2012 року становили 1200-1500 крб/кг.
Переваги:
мала щільність (4500 кг/м3) сприяє зменшенню маси матеріалу, що використовується;
висока механічна міцність. Варто відзначити, що при підвищених температурах (250-500 ° С) титанові метали за міцністю перевершують високоміцні метали алюмінію і магнію;
надзвичайно висока корозійна стійкість, обумовлена здатністю титану утворювати на поверхні тонкі (5-15 мкм) суцільні плівки оксиду ТiO2, міцно пов'язані з масою металу;
питома міцність (відношення міцності та щільності) кращих титанових сплавів досягає 30-35 і більше, що майже вдвічі перевищує питому міцність легованих сталей.
Недоліки:
висока вартість виробництва, титан значно дорожчий заліза, алюмінію, міді, магнію;
активна взаємодія при високих температурах, особливо в рідкому стані, з усіма газами, що становлять атмосферу, внаслідок чого титан та його сплави можна плавити лише у вакуумі або серед інертних газів;
проблеми залучення у виробництво титанових відходів;
погані антифрикційні властивості, зумовлені налипанням титану на багато матеріалів, титан у парі з титаном не може працювати на тертя;
висока схильність титану та багатьох його сплавів до водневої крихкості та сольової корозії;
погана оброблюваність різанням, аналогічна оброблюваності нержавіючих сталей аустенітного класу;
велика хімічна активність, схильність до зростання зерна за високої температури і фазові перетворення при зварювальному циклі викликають труднощі при зварюванні титану.
Основна частина титану витрачається на потреби авіаційної та ракетної техніки та морського суднобудування. Титан (ферротитан) використовують як лігуючі добавки до якісних сталей і як розкислювач. Технічний титан йде виготовлення ємностей, хімічних реакторів, трубопроводів, арматури, насосів, клапанів та інших виробів, які у агресивних середовищах. З компактного титану виготовляють сітки та інші деталі елетктровакуумних приладів, що працюють за високих температур.
По використанню як конструкційний матеріал титан знаходиться на 4-му місці, поступаючись лише Al, Fe і Mg. Алюмініди титану є дуже стійкими до окислення та жароміцними, що в свою чергу визначило їх використання в авіації та автомобілебудуванні як конструкційні матеріали. Біологічна нешкідливість титану робить його чудовим матеріалом для харчової промисловості та відновлювальної хірургії.
Титан і його сплави знайшли широке застосування в техніці через свою високу механічну міцність, яка зберігається при високих температурах, корозійної стійкості, жароміцності, питомої міцності, малої щільності та інших корисних властивостей. Висока вартість титану та його сплавів у багатьох випадках компенсується їх більшою працездатністю, а в деяких випадках є єдиним матеріалом, з якого можна виготовити обладнання або конструкції, здатні працювати в даних конкретних умовах.
Титанові сплави відіграють велику роль в авіаційній техніці, де прагнуть отримати найлегшу конструкцію разом із необхідною міцністю. Титан легкий у порівнянні з іншими металами, але водночас може працювати за високих температур. З титанових сплавів виготовляють обшивку, деталі кріплення, силовий набір, деталі шасі, різні агрегати. Також ці матеріали застосовуються в конструкціях авіаційних реактивних двигунів. Це дозволяє зменшити їхню масу на 10-25%. З титанових сплавів виробляють диски та лопатки компресора, деталі повітрозабірника та напрямного апарату, кріплення.
Також титан та його сплави використовують у ракетобудуванні. З огляду на короткочасну роботу двигунів і швидкого проходження щільних шарів атмосфери в ракетобудуванні значною мірою знімаються проблеми втомної міцності, статичної витривалості та частково повзучості.
Технічний титан через недостатньо високу тепломіцність не придатний для застосування в авіації, але завдяки виключно високому опору корозії в ряді випадків незамінний у хімічній промисловості та суднобудуванні. Так його застосовують при виготовленні компресорів та насосів для перекачування таких агресивних середовищ, як сірчане та соляна кислотата їх солі, трубопроводів, запірної арматури, автоклав, різного роду ємностей, фільтрів і т. п. Тільки титан має корозійну стійкість у таких середовищах, як вологий хлор, водні та кислі розчини хлору, тому даного металувиготовляють обладнання для хлорної промисловості. З титану роблять теплообмінники, що працюють у корозійно активних середовищах, наприклад в азотній кислоті (не димлячій). У суднобудуванні титан використовується виготовлення гребних гвинтів, обшивки морських суден, підводних човнів, торпед тощо. На титан та його сплави не налипають черепашки, які різко підвищують опір судна за його руху.
Титанові сплави є перспективними для використання в багатьох інших застосуваннях, але їх поширення в техніці стримується високою вартістю та дефіцитністю титану.
Сполуки титану також набули широкого застосування в різних галузях промисловості. Карбід титану має високу твердість і застосовується у виробництві ріжучих інструментів та абразивних матеріалів. Білий діоксид титану (TiO2) використовується у фарбах (наприклад, титанові білила), а також при виробництві паперу та пластику. Титанорганічні сполуки (напр. тетрабутоксититан) застосовуються як каталізатор і затверджувач у хімічній та лакофарбовій промисловості. Неорганічні сполуки титану застосовуються в хімічній електронній, скловолоконній промисловості як добавку. Диборид титану – важливий компонент надтвердих матеріалів для обробки металів. Нітрид титану застосовується покриття інструментів.
За існуючих високих цін на титан його застосовують переважно для військового обладнання, де головна роль належить не вартості, а технічним характеристикам. Проте відомі випадки використання унікальних властивостей титану для цивільних потреб. У міру зниження цін на титан і зростання його виробництва застосування цього металу у військових та цивільних цілях дедалі більше розширюватиметься.
Авіація. Мала питома вага і висока міцність (особливо за підвищених температур) титану та її сплавів роблять їх дуже цінними авіаційними матеріалами. У галузі літакобудування та виробництва авіаційних двигунівтитан все більше витісняє алюміній та нержавіючу сталь. З підвищенням температури алюміній швидко втрачає свою міцність. З іншого боку, титан має явну перевагу щодо міцності при температурі до 430° С, а підвищені температури такого порядку виникають при великих швидкостях завдяки аеродинамічному нагріванню. Перевага заміни стали титаном в авіації полягає у зниженні ваги без втрати міцності. Загальне зниження ваги з підвищенням показників при підвищених температурах дозволяє збільшити корисне навантаження, дальність дії та маневреність літаків. Цим пояснюються зусилля, спрямовані на розширення застосування титану в літакобудуванні при виробництві двигунів, спорудженні фюзеляжів, виготовленні обшивки і навіть кріпильних деталей.
При будівництві реактивних двигунів титан застосовується переважно для виготовлення лопаток компресора, дисків турбіни та інших штампованих деталей. Тут титан витісняє нержавіючу і термічно оброблювану леговану сталь. Економія у вазі двигуна в один кілограм дозволяє зберігати до 10 кг у загальній вазі літака завдяки полегшенню фюзеляжу. Надалі намічено застосовувати листовий титан виготовлення кожухів камер згоряння двигуна.
У конструкції літака титан знаходить широке застосування деталей фюзеляжу, що працюють при підвищених температурах. Листовий титан застосовується для виготовлення різноманітних кожухів, захисних оболонок кабелів та напрямних для снарядів. З листів легованого титану виготовляються різні елементи твердості, шпангоути фюзеляжу, нервюри тощо.
Кожухи, закрилки, захисні оболонки для кабелів та напрямні для снарядів виготовляються із нелегованого титану. Легований титан застосовується для виготовлення каркасу фюзеляжу, шпангоутів, трубопроводів та протипожежних перегородок.
Титан отримує все більше застосування при будівництві літаків F-86 та F-100. У майбутньому з титану робитимуть стулки шасі, трубопроводи гідросистем, вихлопні патрубки та сопла, лонжерони, закрилки, відкидні стійки тощо.
Титан можна застосовувати для виготовлення броньових плит, лопат пропелера та снарядних ящиків.
В даний час титан застосовується в конструкції літаків військової авіації Дуглас Х-3 для обшивки, Ріпаблік F-84F, Кертісс-Райт J-65 та Боїнг В-52.
Застосовується титан і для будівництва цивільних літаків DC-7. Фірма «Дуглас» заміною алюмінієвих сплавів та нержавіючої сталі титаном при виготовленні мотогондоли та протипожежних перегородок вже досягла економії у вазі конструкції літака близько 90 кг. В даний час вага титанових деталей у цьому літаку становить 2%, причому цю цифру передбачається довести до 20% загальної ваги літака.
Застосування титану дозволяє зменшити вагу гелікоптерів. Листовий титан використовується для підлоги та дверей. Значне зниження ваги гелікоптера (близько 30 кг) було досягнуто внаслідок заміни легованої сталі титаном для обшивки лопатей його гвинтів.
Військово-морський флот. Корозійна стійкість титану та її сплавів робить їх дуже цінним матеріалом на море. Військово-морське міністерство США досліджує корозійну стійкість титану проти впливу димових газів, пари, олії та морської води. Майже таке значення у військово-морській справі має і високе значення питомої міцності титану.
Мала питома вага металу у поєднанні з корозійною стійкістю підвищує маневреність та дальність дії кораблів, а також знижує витрати на догляд за матеріальною частиною та її ремонтом.
Застосування титану у військово-морській справі включає виготовлення вихлопних глушників для дизельних двигунів підводних човнів, дисків вимірювальних приладів, труб для конденсаторів і теплообмінників. На думку фахівців, титан, як жодний інший метал, здатний збільшити термін служби вихлопних глушників на підводних човнах. Стосовно дисків вимірювальних приладів, що працюють в умовах зіткнення із солоною водою, бензином або олією, титан забезпечить кращу стійкість. Досліджується можливість застосування титану для виготовлення труб теплообмінників, які повинні мати корозійну стійкість у морській воді, що омиває труби зовні, і одночасно протистояти впливу вихлопного конденсату, що протікає всередині них. Розглядається можливість виготовлення з титану антен і вузлів установок радіолокації, від яких вимагається стійкість до впливу димових газів і морської води. Титан може знайти застосування і для таких деталей, як клапани, пропелери, деталі турбін тощо.
Артилерія. Очевидно, найбільшим потенційним споживачемтитану може бути артилерія, де нині ведуться інтенсивні дослідження різних дослідних зразків. Проте у цій галузі стандартизовано виробництво лише окремих деталей та частин з титану. Досить обмежене використання титану в артилерії при великому розмаху досліджень пояснюється його високою вартістю.
Було досліджено різні деталі артилерійського обладнання з погляду можливості заміни титаном звичайних матеріалів за умови зниження цін на титан. Головна увага приділялася деталям, котрим суттєво зниження ваги (деталі, що переносяться вручну і перевозяться повітрям).
Опорна плита міномета, виготовлена із титану замість сталі. Шляхом такої заміни і після деякої обробки замість сталевої плити з двох половинок загальною вагою 22 кг вдалося створити одну деталь вагою 11 кг. Завдяки такій заміні можна зменшити кількість обслуговуючого персоналу із трьох осіб до двох. Розглядається можливість застосування титану виготовлення гарматних пламегасителей.
Проходять випробування виготовлені з титану гарматні верстати, хрестовини лафетів та циліндри противідкатних пристроїв. Широке застосування титан може отримати під час виробництва керованих снарядів та ракет.
Проведені перші дослідження титану та його сплавів показали можливість виготовлення їх броньових плит. Заміна сталевої броні (товщиною 12,7 мм) титановою бронею однакової снарядостійкості (товщиною 16 мм) дозволяє отримати, за даними цих досліджень, економію у вазі до 25%.
Сплави титану підвищеної якостідозволяють сподіватися на можливість заміни сталевих плит титановими рівної товщини, що дає економію у вазі до 44%. Промислове застосування титану дозволить забезпечити більшу маневреність, збільшить дальність перевезення та довговічність зброї. Сучасний рівень розвитку повітряного транспорту робить очевидними переваги легких броньовиків та інших машин із титану. Артилерійське відомство має намір спорядити в майбутньому піхоту касками, багнетами, гранатометами та ручними вогнеметами, виготовленими з титану. Перше застосування в артилерії титановий сплав отримав виготовлення поршня деяких автоматичних знарядь.
Транспорт. Багато з тих вигод, які обіцяє використання титану при виробництві бронетанкової матеріальної частини, відносяться і до транспортних засобів.
Заміна конструкційних матеріалів, що споживаються нині підприємствами транспортного машинобудування, титаном має призвести до зниження витрати палива, зростання корисної вантажопідйомності, підвищення межі втоми деталей кривошипно-шатунних механізмів тощо. залізницяхвиключно важливо знизити мертвий вантаж. Істотне зменшення загальної ваги рухомого складу за рахунок застосування титану дозволить заощадити у тязі, зменшити габарити шийок та букс.
Важливе значення має вага і для причіпних авто. транспортних засобів. Тут заміна стали титаном при виробництві осей та коліс також дозволила б збільшити корисну вантажопідйомність.
Всі ці можливості можна було б реалізувати за зниження ціни титану з 15 до 2-3 доларів за фунт титанових напівфабрикатів.
Хімічна промисловість. При виробництві устаткування хімічної промисловості найважливіше значення має корозійна стійкість металу. Істотно також знизити вагу та підвищити міцність обладнання. Логічно слід припустити, що титан міг би дати низку вигод при виробництві з нього обладнання для транспортування кислот, лугів та неорганічних солей. Додаткові можливості застосування титану відкриваються у виробництві такого обладнання, як баки, колони, фільтри та всілякі балони. високого тиску.
Застосування трубопроводів із титану здатне підвищити коефіцієнт корисної дії нагрівальних змійовиків у лабораторних автоклавах та теплообмінниках. Про застосування титану для балонів, у яких довго зберігаються гази і рідини під тиском, свідчить застосовувана при мікроаналізі продуктів згоряння замість більш важкої трубки зі скла (показана у верхній частині знімка). Завдяки малій товщині стінок та незначному питомої вагиця трубка може зважуватися на більш чутливих аналітичних терезах менших розмірів. Тут поєднання легкості та корозійної стійкості дозволяє підвищити точність хімічного аналізу.
Інші сфери застосування. Застосування титану доцільно у харчовій, нафтовій та електротехнічній промисловості, а також для виготовлення хірургічних інструментів та у самій хірургії.
Столи для приготування їжі, пропарювальні столи, виготовлені з титану, за якостями перевершують сталеві вироби.
У нафто- та газобурильній областях серйозне значення має боротьба з корозією, тому застосування титану дозволить рідше замінювати штанги обладнання, що корродують. У каталітичному виробництві та для виготовлення нафтопроводів бажано застосовувати титан, що зберігає механічні властивості при високій температурі та має гарну корозійну стійкість.
В електропромисловості титан можна застосувати для бронювання кабелів завдяки хорошій питомій міцності, високому електричному опору та немагнітним властивостям.
У різних галузях промисловості починають застосовувати кріпильні деталі тієї чи іншої форми, виготовлені з титану. Подальше розширення застосування титану можливе виготовлення хірургічних інструментів головним чином завдяки його корозійної стійкості. Інструменти з титану щодо цього перевершують звичайні хірургічні інструменти при багаторазовому кип'ятінні або обробці в автоклаві.
В області хірургії титан виявився кращим за віталіум і нержавіючі сталі. Присутність титану в організмі цілком допустима. Пластинка і гвинти з титану для кріплення кісток знаходилися в організмі тварини кілька місяців, причому мало місце проростання кістки в нитки різьблення гвинтів та в отвір пластинки.
Перевага титану полягає також у тому, що на пластині утворюється м'язова тканина.
Приблизно половина виробленої у світі титанової продукції прямує зазвичай у цивільне авіабудування, та його спад після відомих трагічних подій змушує багатьох учасників галузі шукати нові сфери застосування титану. Цей матеріал представляє першу частину добірки публікацій у зарубіжній металургійній пресі, присвячених перспективам титану за сучасних умов. За оцінками одного з провідних американських виробників титану RТ1, із загального обсягу виробництва титану у світовому масштабі на рівні 50-60 тис. тонн на рік на частку аерокосмічного сегмента припадає до 40 споживання, частку промислових застосувань і додатків припадає 34, на військову область 16 , І близько 10 посідає застосування титану в споживчих продуктів. Промислове застосування титану включає хімічні процеси, енергетику, нафтогазову галузь, опріснювальні установки. Військове не авіаційне застосування включає, перш за все, використання в артилерії та бойових машинах. Секторами із значними обсягами застосування титану є автомобілебудування, архітектура та будівництво, спортивні товари, ювелірні вироби. Практично весь титан у зливках виробляється у США, Японії та СНД - на частку Європи припадає лише 3,6 від загальносвітового обсягу. Регіональні ринки кінцевого застосування титану дуже різняться - найяскравішим прикладом своєрідності є Японія, де на цивільний авіакосмічний сектор припадає лише 2-3 при використанні 30 від загального споживання титану в устаткуванні та конструкційних елементах хімічних заводів. Приблизно 20 від загального попиту Японії посідає атомну енергетику і електростанції на твердому паливі, решта посідає архітектуру, медицину і спорт. Протилежна картина спостерігається в США та Європі, де виключно велике значення має споживання в аерокосмічному секторі - 60-75 та 50-60 для кожного регіону відповідно. У США традиційно сильними кінцевими ринками є хімічна промисловість, медичне обладнання, промислове обладнання, у той час як у Європі найбільша частка припадає на нафтогазову промисловість і будівельну промисловість. Сильна залежність від аерокосмічної галузі була давнім предметом занепокоєння титанової промисловості, яка намагається розширити сфери застосування титану, що особливо актуально в умовах поточного спаду в цивільної авіаціїу світовому масштабі. За даними Геологічної служби США у першому кварталі 2003 року стався значний спад імпорту титанової губки - лише 1319 тонн, що на 62 менше 3431 тонн за аналогічний період 2002 року. Як вважає директор з розвитку ринку гігантського американського виробника і постачальника титанової продукції Типе Джон Барбер, аерокосмічний сектор завжди буде одним з провідних ринків для титану, але ми титанова промисловість повинні прийняти виклик і зробити все, щоб бути впевненими, що наша промисловість не буде слідувати за циклами розвитку та спадів в аерокосмічному секторі. Деякі з провідних виробників титанової промисловості бачать зростання можливостей на вже існуючих ринках, одним із яких є ринок обладнання та матеріалів для підводних робіт. Як каже Мартін Проко, менеджер з продажу та дистрибуції RТ1, титан досить давно, з початку 1980-х років використовується в енергетиці та підводних роботах, але тільки в останні п'ять років ці напрямки стали стійко розвиваються з відповідним зростанням ніші на ринку. Що ж до підводних робіт, то тут зростання, насамперед, обумовлений бурильними роботами більшої глибині, де титан є найбільш підходящим матеріалом. Його, так би мовити, підводний життєвий циклстановить п'ятдесят років, що відповідає звичайній тривалості підводних проектів. Вище вже перераховувалися області, у яких можливе зростання застосування титану. Як зазначає менеджер з продажу американської компанії Howmet Ti-Cast Боб Фаннелл, поточний стан ринку можна розглядати, як зростання можливостей у нових областях, таких як частини пристроїв турбонадуву, що обертаються, у вантажівок, ракети і насоси.
Одним з наших поточних проектів є розвиток легких артилерійських систем ВАЕ Ноwitzer ХМ777 калібром 155 мм. Ноwmet поставить 17 із 28 вузлів структурного титанового лиття для кожної гарматної установки, постачання яких у частині морської піхоти США мають розпочатися у серпні 2004 року. При загальній вазі зброї 9800 фунтів приблизно 4,44 тонни у його конструкції на частку титану припадає близько 2600 фунтів приблизно 1,18 тонни - використовується сплав 6А14У з великою кількістю виливків, каже Френк Хрстер, керівник систем вогневої підтримки ВАЕ 8у81. Ця система ХМ777 повинна замінити систему М198 Ноwitzег, що знаходиться на озброєння, яка важить близько 17000 фунтів приблизно 7,71 тонн. Масове виробництво заплановане на період з 2006 по 2010 рік - спочатку розписано постачання до США, Великобританії та Італії, але можливе розширення програми для постачання в країни-члени НАТО. Джон Барбер із Timet вказує, що прикладами військової техніки, у конструкції якої використовуються значні об'єми титану, є танк Абраме та бойова машина Бредлі. Протягом двох років виконується спільна програма НАТО, США та Великобританії щодо інтенсифікації використання титану в системах озброєнь та оборони. Як уже не раз зазначалося, титан дуже підходить до використання в автомобілебудуванні, щоправда, частка цього напрямку досить скромна - приблизно 1 від загального обсягу споживаного титану, або 500 тонн на рік, за даними італійської компанії Роggipolini, виробника титанових вузлів та деталей для Формули- 1 та гоночних мотоциклів. Керівник відділу досліджень та розвитку цієї фірми Данієле Стопполіні вважає, що поточний попит на титан у цьому сегменті ринку на рівні 500 тонн при масовому використанні цього матеріалу в конструкціях клапанів, пружин, вихлопних систем, передавальних валів, болтів може в потенціалі піднятися на рівень. не 16000 тонн на рік Він додав, що його компанія тільки-но починає розвиток автоматизованого виробництва титанових болтів з метою зниження виробничих витрат. На його думку, стримуючими факторами, через які використання титану не розширюється значно в автомобілебудуванні, є непередбачуваність попиту та невизначеність із постачанням сировини. При цьому в автомобілебудуванні зберігається велика потенційна ніша для титану, що поєднує оптимальні вагові та міцнісні характеристики для кручених пружин та систем виведення відпрацьованих газів. На жаль, на американському ринку широким використанням титану в цих системах відзначено лише досить ексклюзивну напівспортивну модель Шевроле-Корветт Z06, яка ніяк не може претендувати на роль масового автомобіля. Проте внаслідок постійних завдань економії палива та корозійної стійкості перспективи для титану у цій галузі зберігаються. Для затвердження на ринках не авіакосмічного та не військового застосування нещодавно було створено спільне підприємство UNITI у його назві обігрується слово unity – єдність та Тi – позначення титану в періодичній таблиці у складі провідних світових виробників титану – американської Allegheny Technologies та російської ВСМПО-Авісма. Як сказав президент нової компанії Карл Мултон, ці ринки були навмисно виключені – ми маємо намір зробити нову компаніюпровідним постачальником для галузей промисловості, що використовують деталі та складальні вузли з титану, насамперед нафтохімічної та енергетичної. Крім того, ми маємо намір вести активний маркетинг у галузі опріснюючих пристроїв, транспортних засобів, споживчих товарів та електроніки. Вважаю, що наші виробництва добре доповнюють одне одного - у ВСМПО визначні можливості для виробництва кінцевої продукції, Allegheny має відмінні традиції з виробництва холодного і гарячого титанового прокату. Як очікується, частка продукції UNITI на глобальному ринку титанової продукції складе 45 млн фунтів приблизно 20411 тонн. Ринок стійкого розвитку можна вважати ринок медичного обладнання - за даними англійської Titanium International Group щороку вміст титану по всьому світу в різних імплантантах і протезах становить близько 1000 тонн, і ця цифра зростатиме, оскільки зростають можливості хірургії із заміни людських суглобів після нещасних травм. Крім очевидних переваг гнучкості, міцності, легкості, титан найвищою мірою сумісний з організмом у біологічному сенсі завдяки відсутності корозії до тканин та рідин у людському тілі. У стоматології також різко збільшується використання протезів та імплантантів – за даними Американської асоціації стоматологів, за останні десять років утричі, багато в чому завдяки характеристикам титану. Хоча застосування титану в архітектурі налічує понад 25 років, його широке поширення у цій галузі розпочалося лише останніми роками. У роботах з розширення аеропорту Абу-Дабі в ОАЕ, завершення яких заплановано на 2006 рік, буде використано до 1.5 млн фунтів приблизно 680 тонн титану. Досить багато різних архітектурно-будівельних проектів з використанням титану планується здійснити не тільки у розвинених країнах США, Канада, Великобританія, Німеччина, Швейцарія, Бельгія, Сінгапур, а й у Єгипті та Перу.
Сегмент ринку споживчих товарів в даний час є найбільш зростаючим сегментом титанового ринку. У той час як 10 років тому цей сегмент становив лише 1-2 титанові ринки, сьогодні він виріс до 8-10 ринку. У цілому нині споживання титану у виробництві споживчих товарів зростало приблизно удвічі швидше, ніж весь титановий ринок. Використання титану у спорті є найбільш довготривалим та займає найбільшу частку у застосуванні титану у споживчих товарах. Причина популярності використання титану в спортивному інвентарі проста - він дозволяє отримати переважає будь-який інший метал співвідношення ваги та міцності. Використання титану на велосипедах почалося приблизно 25-30 років тому і було першим застосуванням титану у спортивному інвентарі. В основному використовуються труби зі сплаву Тi3Аl-2.5V АSТМ Grade 9. Інші частини вироблені з титанових сплавів включають гальма, зірочки і пружини сидінь. Використання титану у виробництві ключок для гольфу вперше почалося наприкінці 80-х - на початку 90-х років виробниками ключок в Японії. До 1994-1995 років це застосування титану було практично невідоме у США та Європі. Ситуація змінилася, коли компанія Callaway представила на ринок свою титанову ключку, яку виробляє компанія Ruger Titanium і названа Great Big Bertha. У зв'язку з очевидними перевагами та за допомогою добре продуманого компанією Callaway маркетингу, титанові ключки моментально набули величезної популярності. Протягом короткого періоду часу титанові ключки пройшли шлях від ексклюзивного та дорогого інвентарю невеликої групи гравців до широкого використання більшістю гольфістів, як і раніше, залишаючись дорожчими порівняно зі сталевими ключками. Хотілося б привести основні, на мою думку, тенденції розвитку гольфу ринку він пройшов шлях від високотехнологічного до масового виробництва в короткий період 4-5 років слідуючи шляхом інших виробництв з високими трудовитратами таких як виробництво одягу, іграшок та споживчої електроніки, виробництво гольфових ключок пішло в країни з найдешевшою робочою силою спочатку на Тайвань, потім у Китай, і зараз заводи будуються в країнах з ще більш дешевим працею, таких як В'єтнам і Таїланд титан безумовно використовується для драйверів drivers, де його чудові якості дають очевидну перевагу і виправдовують більше високу ціну. Однак, титан поки що не знайшов дуже широкого споживання на наступних ключках, так як значне збільшення витрат не підкріплюється відповідним поліпшенням гри в даний час драйвери в основному виробляються з кованою ударною поверхнею, кованим або литим верхом і литим низом нещодавно. верхня межа так званого коефіцієнта повернення, у зв'язку з чим усі виробники ключок будуть намагатися збільшити пружні властивості ударної поверхні. Для цього доводиться зменшити товщину ударної поверхні та використовувати для неї міцніші сплави, такі як SР700, 15-3-3-3 та ВТ-23. Тепер зупинимося на застосуванні титану та його сплавів на іншому спортивному обладнанні. Труби для гоночних велосипедів та інші деталі виготовляють із сплаву АSТМ Grade 9 Тi3Аl-2.5V. Напрочуд значна кількість титанового листа використовується при виробництві ножів для підводного плавання. Більшість виробників використовують сплав Тi6Аl-4V, але цей сплав не забезпечує довговічність кромки леза, як інші міцніші сплави. Деякі виробники перемикаються використання сплаву ВТ23.
Роздрібна ціна титанових ножів для підводного плавання становить приблизно 70-80 доларів. Литі титанові підкови дають значне зменшення ваги порівняно із сталевими, забезпечуючи необхідну міцність. На жаль, це застосування титану не увійшло у життя, тому що титанові підкови іскрили та лякали коней. Мало хто погодиться використовувати титанові підкови після перших невдалих дослідів. Компанія Titanium Beach, розташована в Ньюпорт Біч, Каліфорнія Newport Beach, Саlifornia, розробила леза для ковзанів зі сплаву Тi6Аl-4V. На жаль, тут знову проблема довговічності кромки лез. Я думаю, що цей продукт має шанс на життя за умови використання виробниками більш міцних сплавів, таких як 15-3-3-3 або ВТ-23. Титан дуже широко використовується в альпінізмі та туризмі, практично для всіх предметів, які альпіністи та туристи несуть у своїх рюкзаках пляшки, чашки роздрібна ціна 20-30 доларів, набори для приготування їжі роздрібна ціна приблизно 50 доларів, столовий посуд, в основному зроблені з комерційно чистого титану Grade 1 і 2. Іншими прикладами альпіністського та туристичного спорядження є компактні грубки, стійки та кріплення наметів, льодоруби та льодобури. Виробники озброєння нещодавно почали виробляти титанові пістолети як спортивної стрільби, так правоохоронних органів.
Споживча електроніка є досить новим та швидко зростаючим ринком для титану. У багатьох випадках застосування титану в споживчій електроніці викликане не тільки його чудовими властивостями, а й привабливим зовнішнім виглядом виробів. Комерційно чистий титан Grade 1 використовується для виробництва корпусів портативних комп'ютерів. мобільних телефонівплазмових телевізорів з плоским екраном та іншого електронного обладнання. Використання титану у виробництві динаміків забезпечує кращі акустичні властивості у зв'язку з легкістю титану порівняно зі сталлю, що призводить до збільшення акустичної чутливості. Титановий годинник, вперше впроваджений на ринок японськими виробниками, зараз є одним з найбільш доступних і визнаних споживчих титанових продуктів. Світове споживання титану у виробництві традиційних і так званих натільних ювелірних виробів вимірюється кількома десятками тонн. Все частіше можна зустріти титанові обручки, і звичайно, люди носять прикраси на тілі, просто зобов'язані використовувати титан. Титан широко використовується у виробництві морського кріплення та фурнітури, де дуже важливе поєднання високої корозійної стійкості та міцності. Компанія Atlas Ti, що базується в Лос-Анджелесі, виробляє широкий асортиментцих продуктів із сплаву ВТЗ-1. Використання титану у виробництві інструменту вперше почалося у Радянському Союзі на початку 80-х років, коли за завданням уряду було виготовлено легкі та зручні інструменти для полегшення праці робітників. Радянський гігант титанового виробництва Верхньо-Салдинське Металопереробне Виробниче Об'єднання робило на той час титанові лопати, гвоздодери, монтування, топірці та ключі.
Пізніше японські та американські виробники інструменту почали використовувати титан у своїй продукції. Нещодавно ВСМПО уклало контракт з Боїнгом на постачання титанових плит. Цей договір, безсумнівно, дуже благотворно позначився розвитку титанового виробництва Росії. Титан широко використовується в медицині вже багато років. Переваги - міцність, опір корозії, і головне те, що у деяких людей виникає алергія на нікель обов'язковий компонент нержавіючих сталей, у той час як ніхто не має алергію на титан. Сплави, що використовуються, - комерційно чистий титан і Тi6-4Eli. Титан використовується у виробництві хірургічного інструменту, внутрішніх та зовнішніх протезів, включаючи такі критичні, як серцевий клапан. З титану виготовляють милиці та інвалідні візки. Застосування титану мистецтво належить до 1967 року, як у Москві було поставлено перший титановий монумент.
Зараз значну кількість титанових монументів та будівель зведено практично на всіх континентах, включаючи такі знамениті, як музей Гугенхайма, збудований архітектором Френком Гері у Більбао. Матеріал дуже подобається людям мистецтва за колір, зовнішній вигляд, міцність та опір корозії. З цих причин титан застосовують у сувенірах і біжутерії-галантереї, де він успішно змагається з такими дорогоцінними металами, як срібло і навіть золото. . Як зазначає Мартін Проко з RTi, у США Середня цінатитанової губки становить 3.80 за фунт, у Росії 3,20 за фунт. Крім того, ціна на метал залежить від циклічності аерокосмічної промисловості комерційного призначення. Розвиток багатьох проектів може різко прискоритися, якщо вдасться знайти шляхи зниження витрат на процеси отримання і обробки титану, переробки ломів і технологій виплавки, зазначає Маркус Хольц, керуючий директор німецької Deutshe Titan. Представник British Titanium згоден, що розширення виробництва титанової продукції стримується високими виробничими витратами, і до впровадження титану в виробництво необхідно провести багато удосконалень сучасних технологій.
Одним із кроків у цьому напрямі є розробка так званого FFС-процесу, що представляє новий електролітичний процес отримання металевого титану та сплавів, вартість якого суттєво нижча. На думку Данієле Стопполіні, загальна стратегія в титановій промисловості вимагає розробки найбільш відповідних сплавів, технології виробництва для кожного нового ринку та галузі застосування титану.
Джерела
Вікіпедія – Вільна енциклопедія, WikiPedia
metotech.ru - Метотехніка
housetop.ru - House Top
atomsteel.com - Атом технології
domremstroy.ru - ДомРемБуд
Титан - металфей. Принаймні елемент названий на честь цариці цих міфічних істот. Титанія, як і всі її родичі, відзначилася легкістю.
Літати феям дозволяють не лише крила, а й малу вагу. Титан також легкий. Щільність елемента найменша серед металів. У цьому подібність із феями закінчується і починається чиста наука.
Хімічні та Фізичні властивостітитану
Титан – елементсріблясто-білого кольору, з вираженим блиском. У відблиску металу можна розглянути і рожевий, і синій, і червоний. Переливатися всіма кольорами веселки характерна особливість 22-го елемента.
Його випромінювання завжди яскраве, адже титан стійкийдо корозії. Від неї матеріал захищений оксидною плівкою. Вона формується на поверхні при стандартних температурах.
В результаті, корозія металу не страшна ні на повітрі, ні у воді, ні в більшості агресивних середовищ, наприклад. Так хіміки прозвали суміш концентрованих та кислот.
Плавиться 22-й елемент при 1660 градусів Цельсія. Виходить, титан – кольоровий металтугоплавкою групи. Горіти матеріал починає раніше, ніж розм'якшуватися.
Біле полум'я з'являється при 1 200 градусів. Закипає речовину при 3260 за шкалою Цельсія. Плавлення елемента робить його в'язким. Доводиться використовувати спеціальні реагенти, що перешкоджають налипання.
Якщо рідка маса металу тягуча і клейка, то стан порошку титан вибухонебезпечний. Для спрацьовування «бомби» достатньо нагрівання до 400 градусів Цельсія. Приймаючи теплову енергію елемент погано її передає.
Як електропровідник титан теж не використовують. Натомість матеріал цінують за міцність. У поєднанні з малою щільністю та вагою, вона знадобиться у багатьох галузях промисловості.
Хімічно титан є досить активним. Так чи інакше, метал взаємодіє з більшістю елементів. Винятки: - інертні гази, , натрій, калій, , кальцій та .
Така мала кількість байдужих титану речовин ускладнює процес отримання чистого елемента. Нелегко зробити і сплави металів титану. Проте промисловці навчилися це робити. Занадто вже висока практична користь сумішей на основі 22 речовини.
Застосування титану
Складання літаків і ракет, - ось де в першу чергу знадобиться титан. Метал купитинеобхідно, щоб підвищити жаростійкість і жароміцність корпусних. Жаростійкість – опір високим температурам.
Вони, наприклад, при розгоні ракети у атмосфері неминучі. Жароміцність – збереження в «вогненних» обставинах ще й більшості механічних властивостей сплаву. Тобто з титаном експлуатаційні характеристики деталей не змінюються в залежності від умов зовнішнього середовища.
Придатна і стійкість 22-го металу до корозії. Ця властивість важлива вже не тільки у справі виробництва машин. Елемент йде на колби та інший посуд для хімічних лабораторій, стає сировиною для ювелірних виробів.
Сировина не з дешевих. Проте, у всіх галузях витрати окупаються терміном служби титанових виробів, їхньою здатністю зберігати первозданний вигляд.
Так, серія посуду пітерської фірми «Нева» «Метал ТитанПК» дозволяє використовувати під час смаження металеві ложки. Тефлон би вони знищили, подряпали. Титановому ж покриттю ніщо нападки сталі, алюмінію.
Це, до речі, стосується і прикрас. Кільце або золото просто подряпати. Моделі із титану залишаються гладкими десятиліття. Тому 22-й елемент почали розглядати, як сировину для обручок.
Сковорода "Титан Метал"легкий, як і посуд з тефлоном. 22-ий елемент лише трохи важчий за алюміній. Це надихнуло не лише представників легкої промисловості, а й спеціалістів автомобілебудування. Не секрет, що у машинах багато алюмінієвих деталей.
Вони необхідні зниження маси транспорту. Але, титан міцніший. Щодо представницьких машин автомобілебудування вже майже повністю перейшло на використання 22-го металу.
Деталі з титану та його сплавів знижують масу двигуна внутрішнього згоряння на 30%. Полегшується і корпус, щоправда, зростає ціна. Алюміній, все ж таки, дешевше.
Фірма «Нева Метал Титан», відгукипро яку залишають, як правило, зі знаком плюс, виготовляє посуд. Автомобільні бренди використовують титан для машин. надають елементу форму кілець, сережок та браслетів. У цій черзі перерахувань не вистачає медичних компаній.
22-ий метал - сировина для протезів та хірургічних інструментів. Продукція майже не має часу, тому легко стерилізується. До того ж титан, будучи легким, витримує величезні навантаження. Що ще потрібно, чи, наприклад, замість колінних зв'язок ставиться чужорідна деталь?
Відсутність у матеріалі доби цінується успішними рестораторами. Чистота скальпелів хірурга важлива. Але, важлива і чистота робочих поверхонь кухарів. Щоб їжа була безпечною, її обробляють та пропарюють на титанових столах.
Вони не дряпаються, легко миються. Заклади середнього рівня, як правило, користуються сталевим начинням, проте вона поступаються як. Тому в ресторанах з Мішленівськими зірками обладнання титанове.
Видобуток титану
Елемент входить до 20 найбільш поширених на Землі, перебуваючи рівно посередині рейтингу. За масою кори планети вміст титану дорівнює 0,57%. На літр морської води 24 металу припадає 0,001 міліграма. У сланцях та глинах елемента міститься 4,5 кілограми на тонну.
У кислих породах, тобто багатих на кремнезем, на титан припадають 2,3 кілограми з кожної тисячі. В основних покладах, що утворилися з магми, 22 металу близько 9 кіло на тонну. Найменше титану ховається в ультраосновних породах з 30-відсотковим вмістом кремнезему – 300 г на 1000 кілограмів сировини.
Незважаючи на поширеність у природі, чистий титан у ній не зустрічається. Матеріалом для одержання 100-відсоткового металу став його йодит. Термічне розкладання речовини провели Аркель та Де Бур. Це нідерландські хіміки. Експеримент вдався 1925-го року. До 1950-х запустили масове виробництво.
Сучасники, як правило, видобувають титан із його діоксиду. Це мінерал, званий рутилом. У ньому найменша кількість сторонніх домішок. Походять, як і титаніт і .
Під час переробки ільменітових руд залишається шлак. Він і служить матеріалом для отримання 22 елемента. На виході він пористий. Доводиться вести вторинну переплавку у вакуумних печах із додаванням.
Якщо ведеться робота з діоксидом титану, до нього домішують магній та хлор. Суміш нагрівають у вакуумних печах. Температуру піднімають доти, доки всі зайві елементи не випаруються. На дні ємностей залишається чистий титан. Метод названий магнієтермічним.
Відпрацьовано і гідридно-кальцієвий метод. Він ґрунтується на електролізі. Струм високої сили дозволяє розділити гідрид металу на титан і водень. Продовжує застосовуватись і йодитний спосіб видобутку елемента, відпрацьований у 1925 році. Однак, у 21-му столітті він найбільш трудомісткий і дорогий, тому починає забуватися.
Ціна титану
На метал титан цінавстановлюється за кілограм. На початку 2016-го, це близько 18 доларів США. Світовий ринок 22-го елемента за останній рік досяг 7000000 тонн. Найбільші постачальники- Росія та Китай.
Це з розвіданими у яких і придатними розробки запасами. У другому півріччі 2015-го попит на титанові та листи почав знижуватися.
Реалізують метал у вигляді дроту, різних деталей, наприклад, труб. Вони набагато дешевші за біржові розцінки. Але, треба враховувати, що у злитках йде чистий титан, а вироби використані метали з його основі.
| Титан | |
|---|---|
| Атомний номер | 22 |
| Зовнішній виглядпростої речовини | |
| Властивості атома | |
| Атомна маса (молярна маса) |
47,88 а. е. м. (/моль) |
| Радіус атома | 147 пм |
| Енергія іонізації (Перший електрон) |
657,8(6,82) кДж/моль (еВ) |
| Електронна конфігурація | 3d 2 4s 2 |
| Хімічні властивості | |
| Ковалентний радіус | 132 пм |
| Радіус іона | (+4e)68 (+2e)94 пм |
| Електронегативність (за Полінгом) |
1,54 |
| Електродний потенціал | -1,63 |
| Ступені окиснення | 4, 3 |
| Термодинамічні властивості простої речовини | |
| густина | 4,54 г/см? |
| Молярна теплоємність | 25,1 Дж/(K·моль) |
| Теплопровідність | 21.9 Вт/(м·K) |
| Температура плавлення | 1933 K |
| Теплота плавлення | 18.8 кДж/моль |
| Температура кипіння | 3560 K |
| Теплота випаровування | 422,6 кДж/моль |
| Молярний обсяг | 10,6 см 3 /моль |
| Кристалічні грати простої речовини | |
| Структура ґрат | гексагональна щільноупакована (?-Ti) |
| Параметри ґрат | a=2,951 з=4,697 (?-Ti) A |
| Відношення c/a | 1,587 |
| Температура Дебая | 380 K |
| Ti | 22 |
| 47,88 | |
| 3d 2 4s 2 | |
| Титан | |
Титан- Елемент побічної підгрупи четвертої групи, четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів, з атомним номером 22. Позначається символом Ti (лат. Titanium). Проста речовина титан (CAS-номер: 7440-32-6) – легкий метал сріблясто-білого кольору. Існує у двох кристалічних модифікаціях: ?-Ti з гексагональними щільноупакованими гратами, -Ti з кубічною об'ємно-центрованою упаковкою, температура переходу α↔β 883 °C
Історія відкриття елемента Титан
Відкриття TiO2 зробили практично одночасно незалежно один від одного англієць У. Грегор і німецький хімік М. Г. Клапрот. У. Грегор, досліджуючи склад магнітного залізистого піску (Крид, Корнуолл, Англія, 1789), виділив нову «землю» (окис) невідомого металу, яку назвав менакенової. У 1795 р. німецький хімік Клапрот відкрив у мінералі рутилі новий елемент і назвав його титаном. Через два роки Клапрот встановив, що рутил і менакенова земля — оксиди одного й того самого елемента, за яким і залишилася назва «титан», запропонована Клапротом. Через 10 років відкриття титану відбулося втретє. Французький учений Л. Воклен виявив титан в анатазі та довів, що рутил та анатаз – ідентичні оксиди титану.
Перший зразок металевого титану отримав у 1825 році Й. Я. Берцеліус. Через високу хімічну активність титану і складність його очищення чистий зразок Ti отримали голландці А. ван Аркел та І. де Бур у 1925 термічним розкладанням пари йодиду титану TiI4.
походження назви
Метал одержав свою назву на честь титанів, персонажів давньогрецької міфології, дітей Геї. Назва елементу дав Мартін Клапрот, відповідно до своїх поглядів на хімічну номенклатуру в протихід французькій хімічній школі, де елемент намагалися називати за його хімічним властивостям. Оскільки німецький дослідник сам відзначив неможливість визначення властивостей нового елемента лише з його оксиду, він підібрав йому ім'я з міфології, за аналогією з відкритим їм раніше ураном.
Проте згідно з іншою версією, що публікувалася в журналі «Техніка-Молоді» наприкінці 80-х, нововідкритий метал завдячує своїм ім'ям не могутнім титанам із давньогрецьких міфів, а Титанії — королеві фей у німецькій міфології (дружина Оберона у шекспірівському «Сні літньої ночі») ). Така назва пов'язана з надзвичайною «легкістю» (малою щільністю) металу.
Знаходження у природі
Титан знаходиться на 10-му місці за поширеністю у природі. Зміст у земній корі 0,57% за масою. У вільному вигляді не зустрічається. Відомо понад 100 мінералів, що містять титан. Найважливіші з них: рутил TiO 2 , ільменіт FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , перовскіт CaTiO 3 , титаніт CaTiOSiO 4 , танталіт (Fe,Mn) 2+ Ta 2 O 6 . Розрізняють корінні руди титану – ільменіт-титаномагнетитові та розсипні – рутил-ільменіт-цирконові.
Запаси та видобуток
На 2002 рік, 90% титану, що видобувається, використовувалося на виробництво діоксиду титану TiO 2 . Світове виробництво діоксиду титану становило 4,5 млн. т на рік. Підтверджені запаси діоксиду титану (без Росії) становлять близько 800 млн. т. . На 2006 рік, за оцінкою Геологічної служби США, у перерахунку на діоксид титану і без урахування Росії, запаси ільменітових руд становлять 603-673 млн т., А рутилових - 49.7-52.7 млн т. При сучасних темпах видобутку світових розвіданих запасів обліку Росії) х більш ніж на 150 років.
Росія має другі у світі, після Китаю, запаси титану. Мінерально-сировинну базу титану Росії становлять 20 родовищ (з них 11 корінних та 9 розсипних), досить рівномірно розосереджених територією країни. Найбільше з розвіданих родовищ знаходиться за 25 км від міста Ухта (Республіка Комі). Запаси родовища оцінюються у 2 мільярди тонн.
Найбільший у світі виробник титану - російська компанія «ВСМПО-АВІСМА».
Отримання
Брусок кристалічного титану (чистота 99,995 %, вага 283 г, довжина 14 см, діаметр 25 мм), виготовлений на заводі «Уралредмет» йодидним методом ван Аркеля і де Бура
Концентрат титанових руд піддають сірчанокислотної або пірометалургійної переробки. Продукт сірчанокислотної обробки - порошок діоксиду титану TiO2. Пірометалургійним методом руду спікають з коксом і обробляють хлором, одержуючи пари тетрахлориду титану TiCl 4: TiO 2 + 2C + 2Cl 2 =TiCl 4 + 2CO
Пари TiCl 4 при 850 °C, що утворюються, відновлюють Mg: TiCl 4 + 2Mg = 2MgCl 2 + Ti
Отриману титанову губку переплавляють і очищають. Ільменітові концентрати відновлюють в електродугових печах з подальшим хлоруванням титанових шлаків, що виникають. Рафінують титан іодидним способом або електролізом, виділяючи Ti з TiCl 4 . Для отримання титанових зливків застосовують дугову, електронно-променеву або плазмову переробку.
Фізичні властивості
Титан - легкий сріблясто-білий метал. Існує у двох кристалічних модифікаціях: ?-Ti з гексагональними щільноупакованими гратами (a=2,951 A; з=4,697 A; z=2; просторова група C6mmc), ?-Ti з кубічною об'ємноцентрованою упаковкою (a=3,269 A; z=2; просторова група Im3m), температура переходу?-? 883 °C, H переходу 3,8 кДж/моль. Точка плавлення 1671 °C, точка кипіння 3260 °C, щільність?-Ti та?-Ti відповідно дорівнює 4,505 (20 °C) і 4,32 (900 °C) г/см?, атомна щільність 5,71×1022 ат /см³. Пластичний, зварюється у інертній атмосфері.
Має високу в'язкість, при механічній обробці схильний до налипання на ріжучий інструмент, і тому потрібне нанесення спеціальних покриттів на інструмент різних мастил.
При звичайній температурі покривається захисною пасивною плівкою оксиду TiO 2 завдяки цьому корозійностійкий в більшості середовищ (крім лужної).
Титанова пил має властивість вибухати. Температура спалаху становить 400°С.
Хімічні властивості
Титан стійкий до розбавлених розчинів багатьох кислот і лугів (крім ,H 3 PO 4 та концентрованої
Вимоги до якості
Ресурси торфу Фрезерний видобуток торфу
Закрите акціонерне товариство компанія транстелеком
Налаштування Wi-Fi обладнання
Царга пастеризації для відбору голів при ректифікації