Температура плавления титана

Титан

В периодической системе химический элемент титан обозначается, как Ti (Titanium) и располагается в побочной подгруппе IV группы, в 4 периоде под атомным номером 22. Это серебристо-белый твёрдый металл, который входит в состав большого количества минералов. Купить титан вы можете на нашем сайте.

Открыли титан в конце 18 века химики из Англии и Германии Ульям Грегор и Мартин Клапрот, причём независимо друг от друга с шестилетней разницей. Название элементу дал именно Мартин Клапрот в честь древнегреческих персонажей титанов (огромных, сильных, бессмертных существ). Как оказалось, название стало пророческим, но чтобы познакомиться со всеми свойствами титана, человечеству понадобилось ещё больше 150 лет. Только через три десятилетия удалось получить первый образец металла титана. На тот момент времени его практически не использовали из-за хрупкости. В 1925 году после ряда опытов, при помощи йодидного метода химики Ван Аркель и Де Бур добыли чистый титан.

Благодаря ценным свойствам металла, на него сразу же обратили внимание инженеры и конструкторы. Это был настоящий прорыв. В 1940 году Кролль разработал магниетермический способ получения титана из руды. Этот способ актуален и на сегодняшний день.

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура кристалла

Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная модификация, существующая до 882 °C, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периодами а = 0,296 нм и с = 0,472 нм. Высокотемпературная модификация имеет решетку объемноцентрированного куба с периодом а = 0,332 нм.
Полиморфное превращение (882 °C) при медленном охлаждении происходит по нормальному механизму с образованием равноосных зерен, а при быстром охлаждении — по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры.
Титан обладает высокой коррозионной и химической стойкостью благодаря защитной окисной пленке на его поверхности. Он не корродирует в пресной и морской воде, минеральных кислотах, царской водке и др.

Сплавы

Титановые сплавы по областям применения делятся на деформируемые и литейные.

Марка сплава Присадки
ВТ3-1 Ti, Al, Cr, Mo, Fe, S
ВТ5-1 Ti-Al-Sn
ПТ-7М Ti-Al-Zr
ОТ4-1 Ti-Al-Mn
ВТ18 Ti-Al-Zr-Mo-Nb-Si
ВТ14 Ti-A1-Мо-V

Области применения

Применение титана зависит от степени его очистки от примесей. Наличие даже небольшого количества других химических элементов в составе сплава титана кардинально меняет его физико-механические характеристики.

Титан с некоторым количеством примесей называется техническим. Он имеет высокие показатели коррозийной стойкости, это легкий и очень прочный материал. От этих и других показателей зависит его применение.

  • В химической промышленности из титана и его сплавов изготавливают теплообменники, различного диаметра трубы, арматуру, корпуса и детали для насосов различного назначения. Вещество незаменимо в местах, где требуются высокая прочность и стойкость к кислотам.
  • На транспорте титан используют для изготовления деталей и агрегатов велосипедов, автомобилей, железнодорожных вагонов и составов. Применение материала уменьшает вес подвижных составов и автомобилей, придает легкость и прочность велосипедным деталям.
  • Большое значение титан имеет в военно-морском ведомстве. Из него изготавливают детали и элементы корпусов для подводных лодок, пропеллеры для лодок и вертолетов.
  • В строительной промышленности применяется сплав цинк-титан. Он используется как отделочный материал для фасадов и кровель. Этот очень прочный сплав имеет важное свойство: из него можно изготавливать архитектурные детали самой фантастической конфигурации. Он может принимать любую форму.
  • В последнее десятилетие титан широко применяют в нефтедобывающей отрасли. Сплавы его применяют при изготовлении оборудования для сверхглубокого бурения. Материал используется для изготовления оборудования для добычи нефти и газа на морских шельфах.

Чистый титан имеет свои области применения. Он нужен там, где необходима стойкость к высоким температурам и при этом должна сохраняться прочность металла.

Его применяют в:

  • авиастроении и космической отрасли для изготовления деталей обшивки, корпусов, элементов крепления, шасси;
  • медицине для протезирования и изготовления сердечных клапанов и других аппаратов;
  • технике для работы в криогенной области (здесь используют свойство титана – при снижении температуры усиливается прочность металла и не утрачивается его пластичность).

В процентном соотношении использование титана для производства различных материалов выглядит так:

  • на изготовление краски используется 60 %;
  • пластик потребляет 20 %;
  • в производстве бумаги используют 13 %;
  • машиностроение потребляет 7 % получаемого титана и его сплавов.

Сырье и процесс получения титана дорогостоящие, затраты на его производство компенсируются и окупаются сроком службы изделий из этого вещества, его способностью не менять свой внешний вид за весь период эксплуатации.

Характеристики титановых сплавов

Для легирования титана используют несколько компонентов:

  • Алюминий – самая распространенная добавка. Он повышает удельную прочность, упругость, сопротивление ползучести.
  • Олово замедляет окисление при нагреве, повышает пластичность, свариваемость.
  • Благодаря цирконию, Ti-Al-Zr деформируется при комнатной температуре.
  • Марганец повышает способность к деформации.
  • Кремний улучшает трещиностойкость.
  • Ванадий – свариваемость.
  • Система Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si – высокопрочная. Это металл мартенситного класса.
  • Молибден увеличивает жаропрочность титана.

Чистый титан имеет предел прочности до 450 МПа, легирующие добавки способны повысить ее до 2000 МПа. При охлаждении у титана повышается прочность на изгиб. При комнатной температуре составляет 700 МПа, около -200°С возрастает до 1100 МПа.

Физические свойства

Основные характеристики титана:

  • температуры: плавления 1668 градусов Цельсия, кипения – 3227;
  • предел текучести: от 250 до 380 МПа;
  • упругость – 110 Гпа, различается в разных направлениях;
  • средняя твердость сплавов по НВ – 103;
  • плотность: при комнатной температуре 4500 кг/м 3 , при температуре плавления – 4120 кг/м 3 ;
  • теплоемкость – 531 Дж на один килограмм при нагреве на градус;
  • теплопроводность – 18 Вт/(м·град);
  • удельное сопротивление – 42,1·10 -6 Ом·см.

При охлаждении до 3,8°К (-270°С) металл становится сверхпроводником.

Химические свойства

В твердом состоянии Тi химически устойчив, не окисляется при высокой влажности, морской атмосфере, при контакте с агрессивными средами. При нагреве до температуры плавления становится активным. Взаимодействует со всеми компонентами воздуха:

  • кислородом, образуются твердые оксиды;
  • азотом, он упрочняет структуру, повышает предел прочности, критическая концентрация 0,2%, выше этого показателя металл становится хрупким;
  • водород ухудшает технологические свойства;
  • углерод повышает температуру фазовых изменений.

При нагреве до температуры плавления металл необходимо изолировать.

Марки титана и сплавов

Наиболее распространены титан и сплавы марок ВТ1-0, ВТ1-00св, ВТ1-00. Они относятся к категории технических. В состав данных марок не входят легирующие элементы. Поставляется титан в виде плит, листов, труб и прутков. Проволока чаще всего производится из материала марки ВТ1-00св.

Сегодня известно множество марок титанов и титановых сплавов, отличающихся по технологическим, механическим свойствам, химическому составу. Чаще всего в их составе содержаться такие элементы, как:

  • алюминий,
  • молибден,
  • ванадий,
  • марганец,
  • хром,
  • олово,
  • кремний,
  • цирконий,
  • железо.

Титан марки BT5 и сплавы из него содержат до 5% алюминия, что наделяет их высокой прочностью. Материалы хорошо штампуются, куются, прокатываются и свариваются. Из них производятся прутки (круги), трубы, проволока, листы. Титановые сплавы ВТ5-1 кроме алюминия содержат олово в размере 2-3% ,что улучшает их технологические характеристики. Из таких материалов получают все виды полуфабрикатов — плиты, листы, поковки, профили, трубы, штамповку, проволоку.

Читайте также  Что измеряет манометр

К хорошо деформируемым сплавам титана относят ОТ4 и ОТ4-1, содержащие алюминий и марганец. Данные материалы отличаются высокой технологичной пластичностью и свариваются любыми видами сварок. Титаны этих марок используются в производстве плит, лент, листов, полов, профилей, труб.

Прочный сплав ВТ20 содержит алюминий, цирконий, молибден и ванадий. Материал отличается высокой жаропрочностью. Сплав титана ВТ3-1 содержит такие элементы, как Ti, Al, Cr, Mo, Fe, Si и, как правило, подвергается изотермическому отжигу, что наделяет его высокой пластичностью и термической стабильностью. Этот сплав является наиболее освоенным в производстве. Из него изготавливаются поковки, штамповки, пруты, профили.

Сплавы титана ГОСТ 19807-91 содержат углерод и называются тугоплавкими карбидами. Их теплопроводность в 13 раз ниже показателя алюминия и в 4 раза – железа.

Получение [ править ]

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. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а не восстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок диоксида титана TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl4:

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

Области применения

Благодаря небольшой удельной массе и прочностным параметрам титан широко используется в авиационной и космической промышленности. Его применяют в качестве основного конструкционного материала в чистом виде. В особых случаях за счет уменьшения жаропрочности делают более дешевые сплавы. При этом его сопротивление коррозии и механическая прочность остаются неизменными.

Кроме этого, материал с добавками титана нашел применение в следующих областях:

    Химическая промышленность. Его стойкость практически ко всем агрессивным средам, кроме органических кислот, позволяет изготавливать сложное оборудование с хорошими показателями безремонтного срока службы. Производство транспортных средств. Причина – небольшая удельная масса и механическая прочность. Из него делают каркасы или несущие элементы конструкций. Медицина. Для особых целей применяется специальный сплав нитинол (титан и никель). Его отличительное свойство – память формы. Для уменьшения нагрузки пациентов и минимизации вероятности негативного воздействия на организм многие медицинские шины и подобные им устройства делают из титана. В промышленности металл применяется для изготовления корпусов и отдельных элементов оборудования. Ювелирные украшения из титана обладают уникальным внешним видом и качествами.

Применение титана в строительстве

Такие свойства как прочность, стойкость к коррозии, химическим веществам, атмосферным осадкам, ультрафиолетовым лучам и другим неблагоприятным факторам внешней среды позволяют использовать титан в строительстве. Титан, как строительный материал, популярен во многих странах мира. Например, в восточных странах титан используют в качестве кровельного материала. Очень часто здания облицовывают титаном из-за его выгодных свойств и в других странах мира. Также титаном облицовывают карнизы, колонны и другие элементы зданий.

Этот цветной металл, на протяжении многих лет, зарекомендовал себя как надежный и долговечный материал. Сферы и области применения титана очень обширны и благодаря своим уникальным свойствам, данный металл называют «металлом будущего». Нет и капли сомнения, что титан не утратит своей популярность даже через много лет.