История

Открытие диоксида титана (TiO2) сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой.

В 1795 году немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз: французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году швед Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI4.

Титан не находил промышленного применения, пока люксембуржец Г. Кролл в 1940 году не запатентовал простой магниетермический метод восстановления металлического титана из тетрахлорида; этот метод процесс Кролла до настоящего времени остаётся одним из основных в промышленном получении титана.

Впервые оксид титана был обнаружен в 1791 году. Сделал это открытие У. Грегор (англичанин). Он взял пробу железистого песка на пляже Корнуолла и проводил над ним исследования. В результате экспериментов учёный выделил оксид неизвестного металла, которому так и не дал название. Назвал этот элемент титаном другой учёный — Мартин Генрих Клапрот (немец). В 1825 году другой исследователь Йёнс Якоб Берцелиус смог выделить образец этого металла из оксида.

Происхождение названия

Металл получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи. Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном.

Производство и изготовление

Металл титан фото

Процесс получения металлического титана осуществляется в несколько стадий:

  • добыча руды;
  • ее обогащение и получение концентрата;
  • восстановление чистого металлического титана.

Титан в том или ином виде содержится во многих природных минералах. Однако для промышленного применения пригодны далеко не все из них. Содержание Ti в рудах должно быть достаточным, а процесс извлечения металла не должен представлять чрезмерных трудностей.

Среди минералов, пригодных для промышленного получения металла, стоит выделить следующие:

  • ильменит – содержит до 36% Ti;
  • рутил – самый богатый титаном минерал (до 60% Ti);
  • титаномагнетиты;
  • лопариты;
  • титанит (сфен);
  • перовскит.

Перед переработкой руды с целью получения концентратов, содержащих в достаточном количестве соединения титана, она подвергается обогащению. Ti входит в состав концентратов в виде двуокиси титана TiO2 или его галлоидных соединений (титан галоген) – четыреххлористого титана TiCl4, иодида титана TiJ4.

Для титаномагнетитов применяются либо магнитная сепарация, либо металлургический передел. Если руда представляет собой механическую смесь ильменита с магнитным железняком, то в таком случае можно использовать магнитное поле для ее обогащения. В общем случае магнитная сепарация представляет собой технологию разделения материалов на основе различия их магнитных свойств и различного поведения материалов в зоне действия магнитного поля.

Металл титан фото

С ее помощью, как правило, выполняется удаление из материалов нежелательных включений, например, примесей. В рассматриваемом случае данный метод позволяет извлечь из концентрата оксид железа Fe3O4. Если титаномагнетит представлен в виде твердого раствора Fe3O4 и FeO·TiO2, то для его обогащения применяется металлургический передел, а именно плавка.

В основе этого способа лежит различная восстанавливаемость углеродом (C) окислов железа и титана. Условия протекания процесса и состав шихты подбираются таким образом, чтобы в результате железо было восстановлено, а соединение титана осталось в концентрате. С помощью такого передела обогащается также ильменит.

Еще одним способом отделения железа (Fe) от титана (Ti) является дробное хлорирование. Условия процесса (как правило, температура) подбираются таким образом, чтобы с хлором (Cl) взаимодействовало только железо (Fe), а двуокись титана находилась в остатке.

Флотация и мокрое обогащение по удельному весу применяются для обработки руд россыпных месторождений, в том числе для отделения ильменита от пустой породы.

Комплексные титановые руды (содержат в своем составе несколько металлов) сложнее всего поддаются обогащению. В зависимости от их состава технология обработки в каждом конкретном случае выбирается индивидуально.

Для получения TiO2 из богатых руд хорошо зарекомендовал себя метод сернокислого разложения. Его суть заключается в обработке минералов серной кислотой при нагревании. В результате Fe удаляется из концентрата в виде двухвалентного железа.

Описанные выше способы направлены на получение двуокиси титана – TiO2. Данный концентрат может служить исходным сырьем для дальнейшего производства металлического Ti, однако чаще для указанных целей используют четыреххлористый титан – TiCl4. Это объясняется тем, что Ti имеет большое сродство к кислороду (O), который растворяется в титане, и даже его незначительное содержание в металле приводит к существенному увеличению хрупкости последнего.

TiCl4 может быть получен разными способами. Одним из них является хлорирование TiO2. В некоторых случаях хлорированию подвергается карбид титана (TiC). Преимуществом данного способа является низкая температура процесса (около 200 °С), т.к. при температурах более 700 °С хлор начинает сильно разрушать обычные конструкционные материалы. После хлорирования выполняется очистка четыреххлористого титана от примесей, среди которых можно выделить SiCl4, FeCl3, HCl, Cl и другие.

Металлический титан производится в виде порошка или губки. Эти формы выпуска являются промежуточными в технологической цепочке изготовления изделий из титана и титановых сплавов. Для производства круглого и плоского проката, востребованного промышленностью, к которому относятся прутки, проволока, листы, фольга, трубы и другие полуфабрикаты, материал должен обладать достаточной пластичностью и плотностью. Для приданияю титану и его сплавам указанных свойств выполняется их переработка.

К основным способам получения компактного ковкого Ti относятся следующие:

  • плавка;
  • порошковая металлургия;
  • прокатка в оболочке.

ПлавкаСвойства титана накладывают большое количество ограничений на данный технологический процесс. Во-первых, высокая склонность титана к взаимодействию с кислородом и азотом требует проведения плавки без доступа перечисленных газов. Во-вторых, высокая химическая активность Ti особенно в расплавленном виде сильно ограничивает выбор материалов (огнеупоров), из которых могут быть изготовлены элементы печей, имеющие контакт с расплавленным металлом.

Среди большого количества материалов, применяемых для изготовления тиглей, при плавке титана целесообразно использовать только двуокись циркония (ZrO2), двуокись тория (ThO2) или графит. Такие популярные огнеупоры, как Al2O3, CaO, BeO, которые хорошо работают в традиционном металлургическом переделе металлов, при плавке титана вступают с ним в активное химическое взаимодействие, что приводит либо к разрушению тигля, либо к серьезному загрязнению Ti.

Непосредственно плавка металла выполняется в индукционных или дуговых электрических печах. В первом случае нагрев заготовок происходит за счет токов высокой частоты, во втором нагревательными элементами являются стержни из тугоплавких металлов, например, вольфрамовые электроды, или прессованные титановые прутки. Средой, в которой протекает процесс, служит аргон. Также переплав может осуществляться в вакууме.

В качестве способов выплавки компактного титана, которые за счет изменения технологического процесса позволяют повысить чистоту производимого металла, можно выделить бестигельную, капельную и автотигельную плавку. В них предусмотрено уменьшение времени контакта расплавленного Ti с другими частями оборудования, а также его перемешивание для однородной плавки всей заготовки.

Предлагаем ознакомиться  Камни-талисманы для привлечения любви

Основным достоинством рассматриваемого метода производства компактного титана (плавки) является возможность получения заготовок очень больших размеров.

Схема индукционной печи с защитной атмосферой для плавки в графитовых тиглях слитков титана весом до 300 кг

Методы порошковой металлургииРассматриваемый подход позволяет избегать трудностей, характерных для плавки. Однако максимальные размеры изделий, которые можно получить с помощью методов порошковой металлургии, существенно уступают размеру слитков, произведенных с помощью плавки. Еще одним плюсом данной технологии является то, что она позволяет существенно сэкономить материал при производстве продукции.

Титан

В основе технологического процесса лежат 2 операции: прессование и спекание. За счет варьирования их параметров можно влиять на свойства конечного материала. Для прессования выбирается давление, а для спекания – температура и продолжительность. Так существует схема, при которой титановый порошок прессуется под давлением 7750 кг/см2 и спекается в вакууме при температуре 1000 °С в течение 16 часов. Есть подходы, подразумевающие многократное спекание.

На выходе данного технологического процесса получаются пластичные ковкие брикеты (штабики) или стержни, которые являются полуфабрикатами для дальнейшей переработки в стандартные типы продукции плоского и круглого сечения. Также существует возможность спекать непосредственно готовые детали сложной формы.

Даже при спекании титана в вакууме есть опасность его загрязнения вследствие переноса примесей со стенок сосуда, в котором выполняется операция, через газовую фазу. Основным химическим элементом, который может перейти в изделие подобным образом, является кремний (Si), так как спекание выполняется, как правило, в кварцевых трубках.

Прокатка в оболочкеЕще одним технологичным способом производства компактного титана является прокатка в оболочке. Как и в способе, описанном в предыдущем пункте, исходным сырьем является порошок титана. Только при прокатке в оболочке отсутствует фаза прессования и устраняется необходимость спекания в вакууме.

В рассматриваемом технологическом процессе титановый порошок заключается в железный контейнер (оболочку), который герметизируется сварными крышками. После выполняется нагрев контейнера до температуры 800-900 °С и выполняется его прокатка стандартным способом. Далее оболочка удаляется, и остается брикет ковкого титана.

При данном способе производства компактного Ti необходимо соблюдать ряд условий. Нагрев контейнера должен выполняться строго до определенной температуры. При ее превышении уже до 1000 °С поверхностный слой железотитанового сплава (возникает при контакте титанового порошка и железной оболочки) плавится, что затрудняет его удаление из конечной продукции.

При температуре ниже 800 °С уплотнение частиц из-за малых скоростей диффузии протекает неэффективно. Также необходимо минимизировать количество остаточного воздуха, которое неизбежно заваривается вместе с порошком в контейнер, и провести откачку водорода, который всегда в растворенном виде присутствует в порошке титана. Наличие H может существенно повысить хрупкость металла.

Нахождение в природе

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре — 0,57 % по массе, в морской воде — 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных — 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях.

В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах.

Металл титан фото

Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит (сфен) CaTiSiO5. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.

Достоинства и недостатки

Как и у любого другого металла, у титана есть сильные и слабые стороны. К преимуществам относятся:

  • малый вес;
  • коррозийная стойкость;
  • устойчивость к воздействию высоких температур;
  • высокая прочность — больше, чем у лучших образцов стали.

Недостатки:

  1. Пыль и стружка, остающаяся после обработки титановых заготовок, может воспламенится при температуре в 400 градусов.
  2. Этот металл плохо сваривается и практически не поддаётся резке.
  3. Затратный способ получения металла из руды обуславливает его высокую стоимость.
Малый вес
Малый вес

Запасы и добыча

Основные руды: ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603—673 млн т.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 %.

Крупнейший в мире производитель титана — российская компания «ВСМПО-АВИСМА».

Получение

Титан является одним из самых распространённых элементов на Земле. Содержание его в недрах планеты по массе составляет 0,57%. Самая большая концентрация металла наблюдается в «базальтовой оболочке» (0,9%), в гранитных породах (0,23%) и в ультраосновных породах (0,03%). Существует около 70 минералов титана, в которых он содержится в виде титановой кислоты или двуокиси.

Главные минералы титановых руд это: ильменит, анатаз, рутил, брукит, лопарит, лейкоксен, перовскит и сфен. Основные мировые производители титана – это Великобритания, США, Франция, Япония, Канада, Италия, Испания и Бельгия.Существует несколько способов получения титана. Все они применяются на практике и вполне эффективны.

Добывают руду, содержащую титан и перерабатывают его в диоксид, который медленно и при очень высоких температурных значениях подвергают хлорированию. Хлорирование проводят в углеродной среде. Затем хлорид титана, образовавшийся в результате реакции, восстанавливают магнием. Полученный металл нагревают в вакуумном оборудовании при высокой температуре.

Сначала получают гидрид титана, а затем разделяют его на компоненты: титан и водород. Процесс происходит в безвоздушном пространстве при высокой температуре. Образуется оксид кальция, который проходит отмывку слабыми кислотами.Гидридно-кальциевый и магниетермический методы обычно используются в промышленных масштабах. Эти методы позволяют получить значительное количество титана за небольшой промежуток времени, с минимальными денежными затратами.

Хлорид или диоксид титана подвергается воздействию высокой силы тока. В результате происходит разложение соединений.

4. Йодидный метод.

Диоксид титана взаимодействует с парами йода. Далее на титановый йодид воздействуют высокой температурой, в результате чего получается титан. Этот метод является наиболее эффективным, но и самым дорогостоящим. Титан получается очень высокой чистоты без примесей и добавок.

Титан

Брусок кристаллического титана (чистота 99,995 %, вес ≈283 г, длина ≈14 см, диаметр ≈25 мм), изготовленный на заводе «Уралредмет» иодидным методом ван Аркеля и де

Бура

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов.

 TiO2 2C 2Cl2 → TiCl4 2CO 
 TiCl4 2Mg → 2MgCl2 Ti
 2CaO → 2Ca O2
 O2 C → CO2 
 TiO2 2Ca → Ti 2CaO

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций, и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода.

При использовании инертного анода (например, диоксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярного хлора.

Предлагаем ознакомиться  Редкие сапфиры

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан йодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электронно-лучевую или плазменную переработку.

Характеристики и свойства

Титан — это химический элемент с символом Ti и атомным номером 22. Это блестящий металл с серебристым цветом, низкой плотностью и высокой прочностью. Он устойчив к коррозии в морской воде и хлоре.

Элемент встречается в ряде месторождений полезных ископаемых, главным образом рутила и ильменита, которые широко распространены в земной коре и литосфере.

Титан используется для производства прочных лёгких сплавов. Двумя наиболее полезными свойствами металла являются коррозионная стойкость и отношение твёрдости к плотности, самое высокое из любого металлического элемента. В своём нелегированном состоянии этот металл столь же прочен, как некоторые стали, но менее плотный.

Это прочный металл с низкой плотностью, довольно пластичный (особенно в бескислородной среде), блестящий и металлоидно-белый. Относительно высокая температура плавления более 1650 °C (или 3000 °F) делает его полезным в качестве тугоплавкого металла. Он парамагнитный и имеет довольно низкую электрическую и теплопроводность.

По шкале Мооса твёрдость титана равняется 6. По этому показателю он немного уступает закалённой стали и вольфраму.

Характеристика титана

Коммерчески чистые (99,2%) титаны имеют предельную прочность на разрыв около 434 МПа, что соответствует обычным низкосортным стальным сплавам, но при этом титан гораздо легче.

Как алюминий и магний, титан и его сплавы сразу же окисляются при воздействии воздуха. Он медленно реагирует с водой и воздухом при температуре окружающей среды, потому что образует пассивное оксидное покрытие, которое защищает объёмный металл от дальнейшего окисления.

Атмосферная пассивация даёт титану отличную стойкость к коррозии почти эквивалентную платине. Титан способен противостоять атаке разбавленных серных и соляных кислот, растворов хлорида и большинства органических кислот.

Титан является одним из немногих элементов, которые сгорают в чистом азоте, реагируя при 800° C (1470° F) с образованием нитрида титана. Из-за своей высокой реакционной способности с кислородом, азотом и некоторыми другими газами титановые нити применяются в титановых сублимационных насосах в качестве поглотителей для этих газов. Такие насосы недороги и надёжно производят чрезвычайно низкое давление в системах сверхвысокого вакуума.

Обычными титаносодержащими минералами являются анатаз, брукит, ильменит, перовскит, рутил и титанит (сфен). Из этих минералов только рутил и ильменит имеют экономическое значение, но даже их трудно найти в высоких концентрациях.

Свойства титана

Титан содержится в метеоритах и он был обнаружен на Солнце и звёздах M-типа с температурой поверхности 3200° C (5790° F).

Известные в настоящее время способы извлечения титана из различных руд являются трудоёмкими и дорогостоящими.

Характеристики титана напрямую зависят от количества примесей, содержащихся в его составе. Физические параметры:

  1. Удельная прочность — 450 МПа.
  2. Температура плавления титана — 1668 градусов.
  3. Температура кипения — 3227 градусов.
  4. Предел прочности у сплавов — 2000 Мпа.
  5. Упругость титана — 110,25 Гпа.
  6. Твердость металла — 103 НВ.
  7. Предел текучести — 380 Мпа.

Структура и свойства этого металла обуславливают его низкую электропроводность. В нормальных условиях титан обладает высоким показателем устойчивости к коррозийным процессам.

Металл
Металл

Титан представляет собой серебристо-белый металл. Он тугоплавкий, немного тяжелее алюминия. Однако при чуть большем весе прочность титана в три раза больше. Поддаётся различным способам обработки. Устойчив к воздействию влаги и кислот. Основные свойства титана были описаны выше.

Физические и механические свойства

Титан является довольно тугоплавким металлом. Температура его плавления составляет 1668±3°С. По этому показателю он уступает таким металлам, как тантал, вольфрам, рений, ниобий, молибден, тантал, цирконий. Титан – это парамагнитный металл. В магнитном поле он не намагничивается, но не выталкивается из него.

Изображение 2Титан обладает низкой плотностью (4,5 г/см³) и высокой прочностью (до 140 кг/мм²). Эти свойства практически не меняются при высоких температурах. Он более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия (2,7 г/см³), зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см³). По механическим свойствам титан намного превосходит эти металлы. По прочности титан и его сплавы располагаются в одном ряду со многими марками легированных сталей.

Описание титана

По стойкости к коррозии титан не уступает платине. Металл обладает отличной устойчивостью в условиях кавитации. Пузырьки воздуха, образующиеся в жидкой среде при активном движении титановой детали, практически не разрушают её.

https://www.youtube.com/watch?v=jfGUK3GMt_Q

Это прочный металл, способный сопротивляться разрушению и пластической деформации. Он в 12 раз твёрже алюминия и в 4 раза – меди и железа. Ещё один важный показатель – это предел текучести. С увеличением этого показателя улучшается сопротивление деталей из титана эксплуатационным нагрузкам.

В сплавах с определёнными металлами (особенно с никелем и водородом) титан способен «запоминать» форму изделия, созданную при определённой температуре. Такое изделие потом можно деформировать и оно надолго сохранит это положение. Если же изделие нагреть до температуры, при которой оно было сделано, то изделие примет первоначальную форму. Называют это свойство «памятью».

Теплопроводность титана сравнительно низкая и коэффициент линейного расширения соответственно тоже. Из этого следует, что металл плохо проводит электричество и тепло. Зато при низких температурах он является сверхпроводником электричества, что позволяет ему передавать энергию на значительные расстояния.

Также титан обладает высоким электросопротивлением.Чистый металл титан подлежит различным видам обработки в холодном и горячем состоянии. Его можно вытягивать и делать проволоку, ковать, прокатывать в ленты, листы и фольгу с толщиной до 0,01 мм. Из титана изготавливают такие виды проката: титановая лента, титановая проволока, титановые трубы, титановые втулки, титановый круг, титановый пруток.

Титан — лёгкий серебристо-белый металл. При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония, пространственная группа C6mmc, параметры ячейки a = 0,2953 нм, c = 0,4729 нм, Z = 2) и высокотемпературный β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония, пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,3269 нм, Z = 2), температура перехода α↔β 883 °C, теплота перехода ΔH=3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг).

Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β-фазу и снижают температуру перехода α↔β. При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω-Ti). Плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C). Атомная плотность α-титана 5,67⋅1022 ат/см³.

Состав титана

Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90. Температура кипения 3287 °C. При достаточно низкой температуре (-80 °C), титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях Cp = 25,060 кДж/(моль·K), что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K).

Теплота плавления 15 кДж/моль, теплота испарения 410 кДж/моль. Характеристическая дебаевская температура 430 К. Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C. Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10−6 К−1 в интервале от −120 до 860 °C. Молярная энтропия α-титана S0 = 30,7 кДж/(моль·К). Для титана в газовой фазе энтальпия формирования ΔH0f = 473,0 кДж/моль, энергия Гиббса ΔG0f = 428,4 кДж/моль, молярная энтропия S0 = 180,3 кДж/(моль·К), теплоёмкость при постоянном давлении Cp = 24,4 кДж/(моль·K)

Удельное электрическое сопротивление при 20 °C составляет 0,58 мкОм·м (по другим данным 0,42 мкОм·м), при 800 °C 1,80 мкОм·м. Температурный коэффициент сопротивления 0,003 К−1 в диапазоне 0…20 °C.

Предлагаем ознакомиться  Как выглядит камень кошачий глаз фото

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки. Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790—800 МПа, модуль нормальной упругости 103 ГПа, модуль сдвига 39,2 ГПа. У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140—170 МПа, относительное удлинение 55—70 %, твёрдость по Бринеллю 716 МПа.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,387 К. При температурах выше 73 кельвин титан парамагнитен. Магнитная восприимчивость при 20 °C составляет 3,2·10−6. Постоянная Холла α-титана равна 1,82·10−13.

Изотопы

Основная статья: Изотопы титана

Как используется титан

Известны изотопы титана с массовыми числами от 38 до 63 (количество протонов 22, нейтронов от 16 до 41), и 2 ядерных изомера.

Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46Ti (изотопная распространенность 7,95 %), 47Ti (7,75 %), 48Ti (73,45 %), 49Ti (5,51 %), 50Ti (5,34 %).

Среди искусственных изотопов самые долгоживущие 44Ti (период полураспада 60 лет) и 45Ti (период полураспада 184 минуты).

Свойства и применение титановых сплавов

Титановые сплавы лишены основных недостатков чистого металла. При добавлении сторонних материалов изменяются его характеристики. Ключевые свойства титановых сплавов:

  • устойчивость к коррозийным процессам;
  • малая плотность;
  • большая удельная прочность.

Также сплавы более устойчивы к воздействию высоких температур. Благодаря повышенной защите от воздействия кислот и щелочей сплавы на основе этого материала получили популярность в химической промышленности и медицине. Их используют в строительстве, изготовлении оборудования, машин, самолётов, ракет и кораблей.

Титан и соединения на его основе распространены в различных направлениях промышленности. Этот металл обладает уникальными характеристиками, которые выделяют его на фоне других материалов. Из-за сложностей получения чистого металла цена на него достаточно высока.

Титан – САМЫЙ ПРОЧНЫЙ МЕТАЛЛ НА ЗЕМЛЕ!

Ниже представлен обзор наиболее часто встречающихся титановых сплавов, которые делятся на классы, их свойства, преимущества и промышленные применения.

7 класс

Область применения титана

Класс 7 механически и физически эквивалентен классу 2 чистого титана, за исключением добавления промежуточного элемента палладия, что делает его сплавом. Он обладает превосходной свариваемостью и эластичностью, наиболее коррозионной стойкостью из всех сплавов этого типа.

Класс 7 используется в химических процессах и компонентах производственного оборудования.

11 класс

Класс 11 очень похож на класс 1, за исключением добавления палладия для повышения коррозионной стойкости, что делает его сплавом.

Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав можно использовать особенно в тех случаях, когда коррозия вызывает проблемы:

  • химическая обработка;
  • производство хлоратов;
  • опреснение;
  • морские применения.

Ti 6Al-4V, класс 5

Сплав Ti 6Al-4V, или титан 5 класса, наиболее часто используется. На его долю приходится 50% общего потребления титана во всём мире.

Удобство использования заключается в его многочисленных преимуществах. Ti 6Al-4V может подвергаться термообработке для повышения его прочности. Этот сплав обладает высокой прочностью при малой массе.

Это лучший сплав для использования в нескольких отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, медицинская, морская и химическая перерабатывающая промышленность. Его можно использовать при создании:

  • авиационных турбин;
  • компонентов двигателя;
  • конструктивных элементов самолёта;
  • аэрокосмических крепёжных изделий;
  • высокопроизводительных автоматических деталей;
  • спортивного оборудования.

Класс 23 — хирургический титан. Сплав Ti 6AL-4V ELI, или класс 23, является версией более высокой чистоты Ti 6Al-4V. Он может быть изготовлен из рулонов, нитей, проводов или плоских проводов. Это лучший выбор для любой ситуации, когда требуется сочетание высокой прочности, малой массы, хорошей коррозионной стойкости и высокой вязкости. Он обладает превосходной устойчивостью к повреждениям.

Он может использоваться в биомедицинских применениях, таких как имплантируемые компоненты из-за его биосовместимости, хорошей усталостной прочности. Его также можно использовать в хирургических процедурах для изготовления таких конструкций:

  • ортопедические штифты и винты;
  • зажимы для лигатуры;
  • хирургические скобы;
  • пружины;
  • ортодонтические приборы;
  • криогенные сосуды;
  • устройства фиксации кости.

12 класс

Титан класса 12 обладает отличной высококачественной свариваемостью. Это высокопрочный сплав, который обеспечивает хорошую прочность при высоких температурах. Титан класса 12 обладает характеристиками, подобными нержавеющим сталям серии 300.

Его способность формироваться различными способами делает его полезным во многих приложениях. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его неоценимым для производственного оборудования. Класс 12 можно использовать в следующих отраслях:

  • теплообменники;
  • гидрометаллургические применения;
  • химическое производство с повышенной температурой;
  • морские и воздушные компоненты.

Ti 5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn — это сплав, который может обеспечить хорошую свариваемость с устойчивостью. Он также обладает высокой температурной стабильностью и высокой прочностью.

Ti 5Al-2,5Sn в основном используется в авиационной сфере, а также в криогенных установках.

Химические свойства

разбавленная и концентрированная азотная кислота, царская водка). При высоких температурах титан взаимодействует с реагентами намного активнее. На воздухе при температуре 1200°С происходит его воспламенение. Возгораясь, металл даёт яркое свечение. Активная реакция происходит и с азотом, с образованием нитридной плёнки желто-коричневого цвета на поверхности титана.

Реакции с соляной и серной кислотами при комнатной температуре слабые, но при нагреве металл усиленно растворяется. В результате реакции образуются низшие хлориды и моносульфат. Также происходят слабые взаимодействия с фосфорной и азотной кислотами. Металл реагирует с галогенами. Реакция с хлором происходит при 300°С.

Активная реакция с водородом протекает при температуре чуть выше комнатной. Титан активно поглощает водород. 1 г титана может поглотить до 400 см³ водорода. Нагретый металл разлагает двуокись углерода и пары воды. Взаимодействие с парами воды происходит при температуре более 800°С. В результате реакции образуется окисел металла и улетучивается водород. При более высокой температуре горячий титан поглощает углекислый газ и образует карбид и окисел.

Устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титан пирофорен. Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки — 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4). Титан устойчив к влажному хлору и водным растворам хлора.

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона [TiF6]2−. Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотная пассивная плёнка из оксидов и гидрида титана.

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiOx. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)2·xH2O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO2. Гидроксид TiO(OH)2·xH2O и диоксид TiO2 амфотерны.

 TiO2 K2CO3K2TiO3 CO2

При нагревании Ti взаимодействует с галогенами (например, с хлором — при 550 °C). Тетрахлорид титана TiCl4 при обычных условиях — бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется гидролизом TiCl4, содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана.

Восстановлением TiCl4 водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl3 и TiCl2 — твёрдые вещества, обладающие сильными восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br2 и I2.

С азотом N2 выше 400 °C титан образует нитрид TiNx (x = 0.58—1.00). Титан — единственный элемент, который горит в атмосфере азота.

При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титанаTiCx (x = 0.49—1.00).

При нагревании Ti поглощает H2 с образованием соединения переменного состава TiHx (x = 2.00—2.98). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H2.

Титан образует сплавы и интерметаллические соединения со многими металлами.