Титан (хімічний елемент)
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Тита́н (Ti), хімічний елемент з порядковим номером 22, атомна вага 47,88. Твердий сріблястий метал, точка плавлення 1675 °C, точка кипіння 3262 °C, густина 4540 кг/м3.
Зміст |
[ред.] Історія
У 1789 р. англійський хімік та мінералог Вільям Грегор відкрив новий елемент у мінералі „менакканіті” і назвав його “менаканумом”. Німецький хімік Мартін Клапрот у 1795 повторно відкрив його у мінералі “рутил” і надав йому красиву назву “титан”. Через 2 роки з’ясувалося, що Грегор та Клапрот відкрили один і той самий елемент, який з тих часів носить величне ім.’я – титан. Вперше металічний титан добув І.Берцеліус в 1825 році, але це був дуже забруднений домішками метал. Багато вчених намагались отримати титан у чистому виді і тільки у 1875 р. російський вчений Д.К. Кирилов вперше зміг отримати металічний титан, який містив декілька відсотків суміші. У 1910 р. американський хімік Хантер зміг виробити декілька грамів чистого титану, який містив кілька десятих долей відсотка сумішів, які роблять його практично непридатним для обробки. Та хоча солі титана вже знаходили застосування, лише у 1925 році отриманий голландськими вченими Ван Аркелем та де Буре титан високої чистоти продемонстрував свої унікальні властивості.
[ред.] Походження назви
Ця назва запозичена з давньогрецької міфології: Титани - діти богині Землі (Геї) та бога Неба (Урана).
[ред.] Отримання
Лише три технічно важливих метали – алюміній, залізо та магній – розповсюджені у природі більше ніж титан. Кількість титану у земній корі в декілька разів перевищує запаси міді, цинку, свинцю, золота, срібла, платини, хрому, вольфраму, ртуті, молібдену, вісмуту, сурми, нікелю та олова разом узятих. Кларк титану в основних вивержених породах становить 20,46 атомних %. Однак промисловий спосіб добування титану був розроблений лише у 40-х рр. ХХ століття.
Процес видобування титану (Кролль-процес) був розроблений Вільямом Джасті Кроллем - люксембургським металургом у 1940 році. До цього часу він мало чим змінився. Виходячи з руд титану рутилу чи ільменіт при дії високої температури і вугілля переводять їх у оксид з виплавкою заліза:
потім при температурі 750 - 1000°C при дії коксу та хлору переводять оксид титану у хлорид:
У третій стадії процесу відновлюють тетрахлорид титану дією рідкого магнію до металевого титану при 800-900°C під захисною атмосферою аргону:
Отриману титанову губку переплавляють в дугових вакуумних печах. Для виробництва чистого титану використовують газотранспортні реакції.
Завдяки прогресу у сфері літако- та ракетобудування виробництво титану та його сплавів інтенсивно розвивалося. Це пояснюється сполученням таких цінних властивостей титану, як: мала щільність, висока міцність, корозійна стійкість, технологічність при обробці тиском та зварюваність, холодостійкість, немагнітність та інші цінні фізико-механічні характеристики. Виготовлені у нашій країні сплави титану можна розділити на три групи. Перша – сплави з альфа структурою: ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1. Ця група сплавів відрізняється гарною зварюваністю та термічною стабільністю, тобто відсутністю крихкості при спільному тривалому впливі високих температур та напруг. Друга – сплави з альфа + бета структурою: сплави ВТ14, ВТ9, ВТ8, ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23. Завдяки більш пластичній бета фазі ці сплави більш технологічні і краще оброблюються тиском, ніж альфа сплави. Третя – сплави с бета структурою. Це деякі дослідні сплави ВТ15, ТС6 з високим змістом хрому та молібдену. Ці сплави поєднують хорошу технологічну пластичність з дуже високою міцністю та хорошою зварюваністю. Півфабрикати з титану та титанових сплавів виробляються у всіляких формах та видах: титанові злитки, титанові сляби, заготовки, титанові листи та титанові плити, титанові стрічки, смуги, титанові прутки (або титанові круги), титанова проволока, титанові труби.
[ред.] Застосування
Титан є одним з небагатьох металів з надзвичайно високою корозійною стійкістю: він стійкий в атмосферному повітрі, морський воді та морський атмосфері, у вологому хлорі, гарячих та холодних розчинах хлоридів, у різних технологічних розчинах та реагентах, застосовуваних у хімічній, нафтових, паперовій та інших галузях промисловості, а також у гідрометалургії. По своїй корозійній стійкості у морській воді він перевершує всі метали, за винятком благородних – золота, платини, та ін., більшість видів нержавіючої сталі, нікелеві, мідні та інші сплави. Річ у тім, що реакції титану з багатьма елементами відбуваються тільки при високих температурах. При звичайних температурах хімічна активність титану надзвичайно мала і він практично не вступає в реакцію. Це пов’язано з тим, що на свіжій поверхні чистого титану, як тільки вона утворюється, дуже швидко з’являється інертна, що добре зростається з металом найтонша (у декілька ангстрем (1А=10-10мм) плівка діоксиду титану, яка охороняє його від подальшого окислювання. Якщо навіть цю плівку зняти, то в любому середовищі, що містить кисень або інші сильні окислювачі (наприклад, в азотній або хромовій кислоті), ця плівка з’являється знов, і метал, як кажуть, її “пасивує” , тобто захищає сам себе від подальшого руйнування.
Міцність
При питомій міцності титан не має суперників серед промислових металів. Навіть такий метал, як алюміній, поступився рядом позицій титану, який лише у 1,7 рази важче алюмінію, але у шість разів міцніше. І що особливо важливе, титан зберігає свою міцність при високих температурах (до 500°C, а при додаванні легуючих елементів – 650°C), в той час як міцність більшості алюмінієвих сплавів різко падає вже при 300°C. Титан – дуже твердий метал: він у 12 разів твердіший за алюміній, в 4 рази – за залізо та мідь. Чим вище межа текучості металу, тим краще деталі з нього опираються експлуатаційним навантаженням, тим довше вони зберігають свої форми та розміри. Межа текучості титану у 18 разів вища, ніж в алюмінію, і в 2,5 рази – ніж у заліза.
Зварюваність
Титан та його сплави мають задовільну зварюваність усіма видами зварювання, що застосовується для титану – електронно-променева, лазерна, контактна, електрозварювання, дугове зварювання та ін. Добре зварюється чистий титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1), а також сплави (ВТ5-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14). При цьому пластичність звареного з’єднання дуже близька до пластичності основного металу.
[ред.] Титан - антикорозійний метал
[ред.] Поведінка титану і його сплавів у різних агресивних середовищах.
Реакції титану з багатьма елементами відбуваються лише при високих температурах. При звичайних температурах хімічна активність титану надзвичайно мала і він практично не вступає в реакції. Зв'язано це з тим, що на свіжій поверхні чистого титану, як тільки вона утворюється, дуже швидко з'являється інертна, така, що добре зростається з металом якнайтонша (у декілька ангстремів (1А=10-10м) плівка діоксиду титану, що оберігає його від подальшого окислення. Якщо навіть цю плівку зняти, то в будь-якому середовищі, що містить кисень або інші сильні окислювачі (наприклад, в азотній або хромовій кислоті), ця плівка з'являється знов, і метал, як то кажуть, нею «пасивується», тобто захищає сам себе від подальшого руйнування.
[ред.] Вплив легуючих елементів в титані на корозійну стійкість
Всі присутні в титані легуючі елементи по корозійній стійкості можна розділити на чотири групи. До першої групи відносяться елементи, що легко пасивуються, підвищують корозійну стійкість титану за рахунок гальмування анодного процесу (у різній мірі і залежно від природи середовища). До цієї групи відносяться ті, що наступні найбільш важливі легують: Мо, Та Nb, Zr, V (розташовані в порядку убування сприятливої дії на корозійну стійкість).
До другої групи металів, що роблять схожий вплив на корозійну стійкість титану, відносяться Cr, Ni, Mn, Fe. Ці елементи, деякі з яких самі є корозійностійкими (Cr, Ni), хоча і не сильно, але знижують корозійну стійкість титану, особливо в неокислювальних кислотах у міру підвищення легування титану.
До третьої групи легуючих елементів, що мають загальні риси впливу на корозійну стійкість титану, відносяться Al, Sn, Про N, С. Встановлено, що добавки алюмінію знижують корозійну стійкість титану в активному і пасивному станах. У нейтральних середовищах алюміній (до 5% Al) хоча і робить негативний вплив, але він невеликий. Пониження корозійної стійкості при легуванні алюмінієм пов'язане з полегшенням анодного і катодного процесів унаслідок зміни хімічної природи пасивних плівок.
До четвертої групи легуючих елементів, що однотипово впливають на корозійну стійкість титану, відносяться метали з низьким опором катодному процесу. За збільшенням ефективності дії на титан ці елементи розташовуються в наступний ряд: Сі W, Мо Ni, Re, Ru, Pd, Pt.
До четвертої групи легуючих елементів, що однотипно впливають на корозійну стійкість титану, відносяться метали з низьким опором катодному процесу. За збільшенням ефективності дії на титан ці елементи розташовуються в наступний ряд: Сі W, Мо Ni, Re, Ru, Pd, Pt.
Доведено, що введення в титанові сплави таких елементів, як молібден, ніобій, цирконій, тантал не лімітується по кількості. Вони підвищують корозійну стійкість, сприяють збільшенню міцності. Доведено, що введення в титанові сплави таких елементів, як молібден, ніобій, цирконій, тантал не лімітується по кількості. Вони підвищують корозійну стійкість, сприяють збільшенню міцності. Особливості взаємодії титану з повітрям.
Повітря, що є сумішшю різних газів, є складною газовою фазою, дія якої на титан може бути вельми багатообразним. При цьому взаємодія титану з киснем повітря відрізняється від взаємодії титану з чистим киснем, оскільки на цю взаємодію робить вплив азот і інші складові частини повітря. В той же час слід мати на увазі, що при всій складності газової фази (повітря) дія її на титан слід розглядати перш за все як реакцію взаємодії з ним найактивнішою і досить значнішою по кількості складової – кисню.
[ред.] Біологічна роль
[ред.] Дивись також
