Многих интересует немного загадочный и не до конца изученный титан - металл, свойства которого отличаются некоторой двоякостью. Металл и самый прочный, и самый хрупкий.

Самый прочный и самый хрупкий металл

Его открыли двое ученых с разницей в 6 лет - англичанин У. Грегор и немец М. Клапрот. Название титана связывают, с одной стороны, с мифическими титанами, сверхъестественными и бесстрашными, с другой стороны, с Титанией - королевой фей.
Это один из самых распространенных в природе материалов, но процесс получения чистого металла отличается особой сложностью.

22 химический элемент таблицы Д. Менделеева Titanium (Ti) относится к 4 группе 4 периода.

Цвет титана серебристо-белый с выраженным блеском. Его блики переливаются всеми цветами радуги.

Это один из тугоплавких металлов. Он плавится при температуре +1660 °С (±20°). Титан отличается парамагнитностью: он не намагничивается в магнитном поле и не выталкивается из него.
Металл характеризуется низкой плотностью и высокой прочностью. Но особенность этого материала заключается в том, что даже минимальные примеси других химических элементов кардинально изменяют его свойства. При наличии ничтожной доли других металлов титан теряет свою жаропрочность, а минимум неметаллических веществ в его составе делают сплав хрупким.
Эта особенность обуславливает наличие 2 видов материала: чистого и технического.

Титан чистого вида используют там, где требуется очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны.
Технический материал применяется там, где ценятся такие параметры, как легкость, прочность и устойчивость к коррозии.

Вещество обладает свойством анизотропности. Это означает, что металл может изменять свои физические характеристики, исходя из приложенных усилий. На эту особенность следует обращать внимание, планируя применение материала.

Титан теряет прочность при малейшем присутствии в нем примесей других металлов

Проведенные исследования свойств титана в нормальных условиях подтверждают его инертность. Вещество не реагирует на элементы, находящиеся в окружающей атмосфере.
Изменение параметров начинается при повышении температуры до +400°С и выше. Титан вступает в реакцию с кислородом, может воспламеняться в азоте, впитывает газы.
Эти свойства затрудняют получение чистого вещества и его сплавов. Производство титана основано на применении дорогостоящей вакуумной аппаратуры.

Титан и конкуренция с другими металлами

Этот металл постоянно сравнивают с алюминием и сплавами железа. Многие химические свойства титаназначительно лучше, чем у конкурентов:

По механической прочности титан превосходит железо в 2 раза, а алюминий в 6 раз. Прочность его увеличивается при снижении температуры, чего не отмечается у конкурентов.
Антикоррозионные характеристики титана значительно превышают показатели других металлов.
При температурах окружающей среды металл абсолютно инертен. Но при повышении температуры свыше +200°С вещество начинает поглощать водород, изменяя свои характеристики.
При более высоких температурах титан вступает в реакции с другими химическими элементами. Он обладает высокой удельной прочностью, что в 2 раза превосходит свойства лучших сплавов железа.
Антикоррозионные свойства титана значительно превышают показатели алюминия и нержавеющей стали.
Вещество плохо проводит электричество. Титан имеет удельное электросопротивление в 5 раз выше, чем у железа, в 20 раз, чем у алюминия, и в 10 раз выше, чем у магния.
Титан характеризуется низкой теплопроводностью, это обусловлено низким коэффициентом температурного расширения. Она меньше в 3 раза, чем у железа, и в 12, чем у алюминия.

Какими способами получают титан?

Материал занимает 10 место по распространению в природе. Существует около 70 минералов, содержащих титан в виде титановой кислоты или его двуокиси. Наиболее распространенные из них и содержащие высокий процент производных металла:

ильменит;
рутил;
анатаз;
перовскит;
брукит.

Основные залежи титановых руд находятся в США, Великобритании, Японии, большие месторождения их открыты в России, Украине, Канаде, Франции, Испании, Бельгии.

Добыча титана — дорогой и трудозатратный процесс

Получение металла из них стоит очень дорого. Ученые разработали 4 способа производства титана, каждый из которых рабочий и эффективно используется в промышленности:

Магниетермический способ. Добытое сырье, содержащее титановые примеси, перерабатывают и получают диоксид титана. Это вещество подвергается хлорированию в шахтных или солевых хлораторах при повышенном температурном режиме. Процесс очень медленный, ведется в присутствии углеродного катализатора. При этом твердый диоксид переводится в газообразное вещество — тетрахлорид титана. Полученный материал восстанавливается магнием или натрием. Сплав, образовавшийся при реакции, подвергают нагреванию в вакуумной установке до сверхвысоких температур. В результате реакции происходит испарение магния и его соединений с хлором. В конце процесса получают губкоподобный материал. Его плавят и получают титан высокого качества.
Гидридно-кальциевый способ. Руду подвергают химической реакции и получают гидрид титана. Следующий этап — разделение вещества на составляющие. Титан и водород выделяют в процессе нагревания в вакуумных установках. По окончании процесса получают оксид кальция, который отмывают слабыми кислотами. Первые два способа относятся к промышленному производству. Они позволяют получать в кратчайшие сроки чистый титан с относительно небольшими издержками.
Электролизный метод. Титановые соединения подвергают воздействию током большой силы. В зависимости от исходного сырья, соединения разделяются на составляющие: хлор, кислород и титан.
Йодидный способ или рафинирование. Полученный из минералов диоксид титана обдают парами йода. В результате реакции образуется йодид титана, который нагревают до высокой температуры — +1300…+1400°С и воздействуют на него электрическим током. При этом из исходного материала выделяются составляющие: йод и титан. Металл, полученный данным способом, не имеет примесей и добавок.

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.

У титана очень широкая область применения

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.

Свойства титана

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Его нейтральный атом состоит из ядра, заряд которого равен 22 ед. положительного электричества, и находиться вне ядра 22 электронов.

Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Устойчивых природных изотопов титана всего пять: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. Это установил в 1936 г. немецкий физик Ф. В. Астон. До его исследований считалось, что титан изотопов вообще не имеет. Природные устойчивые изотопы титана распределяются следующим образом (в отн. %): 46 Ti - 7,99; 47 Ti - 7,32; 48 Ti - 73,97; 49 Ti - 5,46; 50 Ti - 5,25.

Кроме естественных, титан может иметь и целый ряд искусственных изотопов, получаемых с помощью его радиоактивного облучения. Так, если бомбардировать титан нейтронами или α-частицами, можно получить радиоактивный изотоп титана 52 Ti с периодом полураспада - 41,9 мин, который дает β- и γ-излучения. Искусственно получены и другие изотопы титана (42 Ti, 43 Ti, 44 Ti, 45 Ti, 51 Ti, 52 Ti, 53 Ti, 54 Ti), некоторые из них сильнорадиоактивные, с различными сроками полураспада. Так, у изотопа 44 Ti период полураспада всего 0,58 с, а у изотопа 45 Ti - 47 лет.

Радиус ядра титана равен 5 фм. Вокруг положительно заряженного ядра титана на четырех орбитах К, L, М, N располагаются электроны: на К - два электрона, на L - восемь, на M - 10, на N - два. С орбит N и М атом титана может свободно отдавать по два электрона. Таким образом, наиболее устойчивый ион титана - четырехвалентный. Пятым электрон с орбиты М "вырвать" невозможно, поэтому титан никогда не бывает больше чем четырехвалентным ионом. В то же время с орбит N и М атом титана может отдавать не четыре, а три, два или один электрон. В этих случаях он становится трех-, двух- или одновалентным ионом

Титан различной валентности имеет неодинаковые ионные радиусы. Так, радиус иона Ti 4+ равен 64 пм, иона Ti 3+ - 69, Ti 2+ - 78, Ti 1+ - 95 пм.

Долгое время не могли точно определить атомную массу титана (атомный вес). В 1813 г. Й. Я. Берцелиус получил неправдоподобно завышенную величину - 288,16. В 1823 г. немецкий химик Генрих Розе установил, что атомный вес титана ранен 61,6. В 1829 г. ученый несколько раз уточнял величину: 50,63; 48,27 и 48,13. Ближе к истинным оказались измерения английского химика Т. Э. Торна - 48,09. Однако это значение продержалось до 1928 г., когда исследования химиков Бакстера и Бутлера дали окончательную величину атомного веса - 47,9. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследования его изотопов, составляет 47,926. Эта величина практически идентична значению интернациональных таблиц.

В периодической системе элементов Менделеева титан расположен в группе IVB, в которую, кроме него, входит цирконий, гафний, курчатовий. Элементы данной группы в отличие от элементов группы углерода (IVА) обладают металлическими свойствами. У соединений даже самого титана кислотообразующая способность выражена слабее, чем у любого элемента группы углерода. Хотя титан занимает самое верхнее место в своей подгруппе, он является наименее активным металлическим элементом. Так, двуокись титана амфотерна, а двуокиси циркония и гафния обладают слабо выраженными основными свойствами. Титан больше, чем другие элементы подгруппы IVB, близок к элементам подгруппы IVA - кремнию, германию, олову. Четырехвалентный титан отличается от кремния и германия большей склонностью к образованию комплексных соединений различных типов, чем особенно сходен с оловом.

Титан и другие элементы подгруппы IVB очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIB (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Титан к скандию даже ближе, чем к элементам подгруппы IVA. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ - ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместо с этими элементами, изоморфно замещая друг друга.

Из кристаллохимии кислородных соединений известно, что характерное координационное число для титана равно 6, а единственным координационным полиэдром, соответствующим этому числу, является октаэдр. Причем ни в одном из кислородных соединений атомы титана не имеют координационного числа больше 6. В такой координации среднее расстояние между титаном и кислородом равно 2 Å. В структурах, для которых характерно статистическое распределение атомов Ti 4+ и Nb 5+ в октаэдрах, соответствующее среднее расстояние между титаном и ниобием также составляет 2 Å. Из этого следует вывод о близости ионных радиусов титана и ниобия.

Близость ионных радиусов элементов - непременное условие возможности изоморфизма между ними. Для титана наиболее полно этому условию удовлетворяют ниобий, тантал, трехвалентное железо и цирконий.

А теперь рассмотрим, какие же химические соединении с другими элементами может образовывать титан. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди-, три- и тетрасоединения, с серой и элементами её группы (селеном, теллуром) - моно- и дисульфиды, с кислородом - оксиды, диоксиды и триоксиды. Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами - интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами.

Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных - золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Почему же это происходит? Почему так активно, а нередко и бурно, со взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодической системы титан стоек к коррозии? А дело в том, что реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту шлепку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею "пассивируется", т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Известно, что коррозионная стойкость любого металла определяется величиной его электродного потенциала, т. е. разностью электрических потенциалов между металлом и раствором электролита. Отрицательные значения электродного потенциала свидетельствуют об убыли ионов металла с его поверхности и о переходе их в раствор, т. е. о растворимости и коррозии металла. Положительное значение указывает на то, что металл обладает стойкостью в данном растворе, не отдает своих ионов и не корродируется. Так вот, для свежеочищенной поверхности титана измеренные значения электродного потенциала в воде, в водных растворах, во многих кислотах и щелочах колеблются от -0,27 до -0,355 В, т. е. металл, казалось бы, должен быстро растворяться. Однако в большинство водных растворов электродный потенциал титана очень быстро поднимается от отрицательных до положительных значений, примерно до +0,5 В, и коррозия практически моментально прекращается: титан пассивируется и становится в высшей степени коррозионно-стойким.

Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах. Об исключительной его стойкости в атмосфере, в пресной и океанической воде даже при нагревании мы уже говорили. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности к прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана по многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, "царская водка" и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

В азотной кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро растворяются очень многие металлы, титан исключительно стоек. При любой концентрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах скорость коррозии титана в азотной кислоте не превышает 0,1-0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1- 2% и более), как реакция заканчивается, и коррозия титана прекращается.

В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С - 0,58 мм/год. При нагревании скорость коррозии титана в соляной кислоте резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С - уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.

В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5-1%) титан стоек даже при температуре раствора до 50 - 95° С. Стоек он и в более концентрированных растворах (10- 20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005-0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10-20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозия достигает 9-10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Её можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяющийся в "царской водке": в ней при обычных температурах (10-20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей "царской водке", а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.

Очень слабо корродирует титан в большинство органических кислот (уксусной, молочной, винной), и разбавленных щелочах, и растворах многих хлористых солей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше 375° С титан взаимодействует очень бурно.

В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не корродирует, и лишь при очень высоких температурах расплавов (выше 300-400° С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных растворов и расплавов, в которых титан растворяется очень интенсивно. Главный "враг" титана - плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более концентрированных растворах титан "тает", как лед в горячей воде. Фтор - этот "разрушающий всё" (греч.) элемент - бурно реагирует практически со всеми металлами и сжигает их.

Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спиртам, в том числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители - так называемые ингибиторы, например, в растворы соляной и серной кислот - азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и др.

В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20-30% молибдена делает этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соляной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десятки раз. Следует отметить, что благородные платиноиды влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не уменьшаются.

Каковы же физические свойства титана, сделавшие его лучшим из всех, известных конструкционных металлов?

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время, считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Xeйc установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3°C. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, ренин, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте:

Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан - легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см 3 , а при 100° С - 4,506 г/см 3 . Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см 3 . Сюда входят все щелочные металлы (натрий, калий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9-1,5 г/см 3 , магний (1,7 г/см 3), алюминий (2,7 г/см 3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см 3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз превосходит и алюминий и железо.

Каковы же эти свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал? Прежде всего, прочность металла, т. е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). В зависимости от вида напряженного состояния - растяжения, сжатия, изгиба и других условий испытания (температура, время) для характеристики прочности металла используются различные показатели: предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др. По всем этим показателям титан значительно превосходит алюминий, железо и даже многие лучшие марки стали.

Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5-2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Другие же металлы либо просто не выдерживают таких температур, либо сильно разупрочняются.

Чистый титан - высокопластичный металл, что обусловлено благоприятным соотношением осей "с" и "а" в его гексагональной решетке и наличием в ней множества систем плоскостей скольжения и двойникования. Хотя и считается, что металлы с гексагональной кристаллической решеткой очень пластичны, титан в силу указанных особенностей его кристаллов стоит в одном ряду с высокопластичными металлами, имеющими иной тип кристаллической решетки. В результате чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

Интересно отметить, что титан долгие годы, вплоть до получения чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было с наличием в титане примесей, особенно азота, кислорода, углерода и др. Даже их небольшое количество влияет, и весьма существенно, на свойства титана, в том числе на его пластичность. То же самое можно сказать и о твердости титана. Она тем выше, чем больше в металле примесей. Так, твердость титана, содержащего тысячные доли процента кислорода, азота, углерода, железа, составляет 400-600 МПа, а при содержания тех же примесей в сотые доли процента твердость его повышается до 900-1000 МПа.

Почему это происходит? Кислород и азот хорошо растворимы в титане, особенно в его низкотемпературной α-модификации. С их внедрением в октаэдрические пустоты кристаллов титана начинается деформация его кристаллической решетки, повышается жесткость межатомных связей и, как следствие, увеличивается твердость, прочность, предел текучести, снижается пластичность металла. Самой вредной примесью является водород: даже незначительные количества его резко снижают пластичность металла и особенно его ударную вязкость. Углерод растворяется в титане в гораздо меньшей степени и мало влияет на понижение пластичности металла. Железо ухудшает механические свойства титана, только если его содержится 0,5% и выше. Другие металлы почти не воздействуют на эти свойства.

Итак, чистый читан - это твердый, прочный, пластичный, достаточно вязкий и упругий металл. Твердость его по шкале Бринеля составляет около 1000 мн/м 2 . Для сравнения укажем, что железо имеет всего 350-450 мн/м 2 , медь - 350, магний литой - 294, магний деформированный - 353, а алюминий - всего 170 мн/м 2 . Модуль нормальной упругости титана 108 тыс. мн/м 2 , по упругости он лишь немного уступает меди и стали, но является более упругим, чем алюминий и магний.

Титан имеет высокий предел текучести - примерно 250 мн/м 2 . Это выше в 2,5 раза, чем у железа, в 3 раза, чем у меди, и почти в 20 раз, чем у алюминия. Следовательно, титан лучше этих металлов сопротивляется сминающим ударим и другим нагрузкам, способным деформировать титановые детали.

Высота и вязкость титана. Он отлично противостоит воздействию сколовых и сдвиговых ударов и нагрузок. Этой выносливостью объясняется еще одно замечательное свойство титана - исключительная стойкость его в условиях кавитации, т. е. при усиленной "бомбардировке" металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в жидкой среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы, и металлы в том числе, а вот титан прекрасно противостоит кавитации.

Испытания в морской воде быстровращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения, а, следовательно, и кавитация максимальны, не изменились. Другие диски не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежденными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан обладает еще одним удивительным свойством - "памятью". В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем) он "запоминает" форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство титана широко используется в космической технике (на корабле разворачиваются вынесенные в космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные). Недавно это свойство титана стали использовать медики для бескровных операции на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из титанового сплава, а потом она, разогреваясь до температуры тела, скручивается в первоначальную пружинку и расширяет сосуд.

Заслуживают внимания температурные, электрические и магнитные свойства титана. Он обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(м К), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз - магния, в 17-20 раз - алюминия и меда. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных металлов: при комнатной температуре (20° С) у титана он равен 8,5 10 -6 /°С, у железа - 11,7 10 -6 /°С, у меди- 17 10 -6 /°С, у алюминия - 23,9/°С. Сравнительно невелика и электропроводность титана. Объясняется, это свойство довольно высоким электрическим сопротивлением титана: при комнатной температуре оно составляет 42,1 10 -6 Ом см. С повышением температуры электросопротивление титана еще больше увеличивается, а с понижением ее резко надает, вблизи абсолютного нуля титан становится сверхпроводимым.

Титан - типичный парамагнетик, его магнитная восприимчивость при 20° С всего 3,2±0,4 10 -6 ед. Как известно, парамагнитными являются алюминий и магний, а вот медь диамагнитна, железо - ферромагнетик.

Мы рассмотрели химические и физические свойства титана, которые в целом благоприятствуют широкому использованию этого металла. Однако у титана есть немало и отрицательных качеств. Например, он может самовозгораться, а в некоторых случаях даже и взрываться.

Уже говорилось, что в концентрированной азотной кислоте титан исключительно стоек, а вот в красной дымящей, пересыщенной окислами азота, защитная пленка диоксида титана на поверхности металла моментально разрушается и чистый титан начинает реагировать с кислотой со взрывом. Такая реакция была причиной взрыва титановых топливных баков одной из американских космических ракет. Со взрывом реагирует титан и с сухим хлором. Есть способ предотвратить эти взрывные реакции. Стоит добавить в дымящую красную азотную кислоту всего 1-2% воды, а в сухой хлор и того меньше - 0,5-1%, и на поверхности металла тут же появится защитная пленка. Дальнейшее окисление титана предотвратится и взрыва не произойдет.

В виде тонкой стружки, опилок или порошка титан может самовозгораться даже без подвода тепла извне. Такие случаи наблюдались при его испытаниях на разрыв в атмосфере кислорода в момент разрыва. Это объясняется опять-таки высокой активностью свежей, неокисленной поверхности титана и сильной экзотермичностью реакции его взаимодействии с кислородом.

Титан может гореть не только в атмосфере кислорода, но даже в атмосфере азота, являющегося также сильным окислителем титана. Поэтому гасить горящий титан азотом, как и водой, углекислым газом, нельзя: они разлагаются, выделяя кислород, который затем взаимодействует с раскаленным титаном и дает взрыв.

Еще одним недостатком титана является его способность сохранять высокие физико-механические свойства лишь до температуры 400-450° С, а с добавками некоторых легирующих металлов - до 600° С, и здесь у него есть серьезные конкуренты - жаропрочные спецстали. Однако в минусовом диапазоне температур титану равных нет. Железо становится хрупким уже при температуре -40° С, специальные низкотемпературные стали - ниже -100° С. А вот титан и его сплавы не разрушаются при температурах до -253° С (в жидком водороде) и даже до -260° С (в жидком гелии). Это очень важное свойство титана открывает ему большие перспективы для использования в криогенной технике и для работы в космическом пространстве.

Титан реагирует со многими металлами. При трении с деталями из более мягкого металла титан может срывать с них металлические частицы и прилеплять к себе металл, а из более твердого, наоборот, частицы титана будут срываться с титановой детали и покрывать другую деталь. Причем никакая жировая или масляная смазка не помогает исключить взаимоналипание частиц. В течение небольшого времени это явление можно ослабить, лишь применив в качестве смазки чешуйчатые молибденит или графит. А вот сваривается титан с другими металлами очень плохо. Практически полностью эта проблема пока не решена, хотя сварка титановых изделий проходит отлично.

Титан - твердый металл, как мы уже знаем, тверже железа, алюминия, меди. Но все же не тверже специальных, особотвёрдых инструментальных сталей, из которых делают острые инструменты, ножи, скальпели. Здесь титан неприменим.

Титан - плохой проводник электричества и тепла. Проводов из него не сделаешь, а вот то, что он один из очень немногих металлов является при низких температурах сверхпроводником электричества, открывает ему большие перспективы в электрической технике передачи энергии на большие расстояния.

Титан - парамагнитный металл: он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойства можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.

Итак, титан имеет больше достоинств, чем недостатков, и то, что он по иным характеристикам уступает некоторым специальным сталям и сплавам, компенсируется одним важнейшим обстоятельством. Легкость, прочность, пластичность, твердость, стойкость и многие другие качества соединены в одном металле так органично, что это сулит титану большое будущее.

Прежде чем рассказать, как используются титан, его сплавы и соединения сегодня и какие перспективы открываются перед этим металлом в недалеком завтра, рассмотрим подробно, как распространен этот удивительный металл в нашей Вселенной, на планете Земля, в каком виде встречается в породах земной коры, какие месторождения образует, как добываются, обогащаются руды, перерабатываются концентраты. Проследим долгий и нелегкий путь получения чистого титана, его обработки и использования человеком.

Титановые сплавы - разбираемся в подробностях

Металл титан - распространенный в природе металл, в земной коре его больше, чем меди, свинца и цинка. При плотности 4,51 г/см3 титан имеет прочность 267...337 МПа, а его сплавы-до 1 250 МПа. Это тускло-серый металл с температурой плавления 1668 0С, коррозионно стоек при нормальной температуре даже в сильных агрессивных средах, но очень активен при нагреве выше 400 0С. В кислороде способен к самовозгоранию. Бурно реагирует с азотом. Окисляется водяным паром, углекислым газом, поглощает водород. Теплопроводность титана более чем в два раза ниже, чем у углеродистой стали. Поэтому при сварке титана, несмотря на его высокую температуру плавления, требуется меньше тепла.

Титан может находиться в виде двух основных стабильных фаз, отличающихся строением кристаллической решетки. При нормальной температуре он существует в виде α-фазы с мелкозернистой структурой, не чувствительной к скорости охлаждения. При температуре выше 882 0С образуется β-фаза с крупным зерном и высокой чувствительностью к скорости охлаждения. Легирующие элементы и примеси могут стабилизировать α-фазу (алюминий, кислород, азот) или β-фазу (хром, марганец, ванадий). Поэтому сплавы титана условно разделяют на три группы: α, α + β и β сплавы. Первые (ВТ1, ВТ5-1) термически не упрочняются, пластичны, обладают хорошей свариваемостью. Вторые (ОТ4, ВТЗ, ВТ4, ВТ6, ВТ8) при малых добавках β-стабилизаторов также свариваются хорошо. Они термически обрабатываются. Сплавы с β-структурой, например ВТ15, ВТ22, упрочняются термообработкой. Они свариваются хуже, склонны к росту зерен и к холодным трещинам.
При комнатной температуре поверхность титана растворяет кислород, образуется его твердый раствор в α-титане. Возникает слой насыщенного раствора, который предохраняет титан от дальнейшего окисления. Этот слой называют алъфированным. При нагреве титан вступает в химическое соединение с кислородом, образуя ряд окислов от Ti6O до TiO2. По мере окисления изменяется окраска оксидной пленки от золотисто-желтой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. По этим цветам в околошовной зоне можно судить о качестве защиты металла при сварке. С азотом титан, взаимодействуя активно при температуре более 500 0С, образует нитриды, повышающие прочность, но резко снижающие пластичность металла. Растворимость водорода в жидком титане больше, чем в стали, но с понижением температуры она резко падает, водород выделяется из раствора. При затвердевании металла это может вызвать пористость и замедленное разрушение сварных швов после сварки. Все титановые сплавы не склонны к образованию горячих трещин, но склонны к сильному укрупнению зерна в металле шва и околошовной зоны, что ухудшает свойства металла.
Технология сварки титановых сплавов

Из-за высокой химической активности титановые сплавы удается сваривать дуговой сваркой в инертных газах неплавящимся и плавящимся электродом, дуговой сваркой под флюсом, электронным лучом, электрошлаковой и контактной сваркой. Расплавленный титан жидкотекуч, шов хорошо формируется при всех способах сварки.

Основная трудность сварки титана - это необходимость надежной защиты металла, нагреваемого выше температуры 400 0С, от воздуха.

Дуговую сварку ведут в среде аргона и в его смесях с гелием. Сварку с местной защитой производят, подавая газ через сопло горелки, иногда с насадками, увеличивающими зону защиты. С обратной стороны стыка деталей устанавливают медные подкладные планки с канавкой, по длине которой равномерно подают аргон. При сложной конструкции деталей, когда осуществить местную защиту трудно, сварку ведут с общей защитой в камерах с контролируемой атмосферой. Это могут быть камеры-насадки для защиты части свариваемого узла, жесткие камеры из металла или мягкие из ткани со смотровыми окнами и встроенными рукавицами для рук сварщика. В камеры помещают детали, сварочную оснастку и горелку. Для крупных ответственных узлов применяют обитаемые камеры объемом до 350 м 3, в которых устанавливают сварочные автоматы и манипуляторы. Камеры вакуумируются, затем заполняются аргоном, через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.

Аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом детали толщиной 0,5... 1,5 мм сваривают встык без зазора и без присадки, а толщиной более 1,5 мм - с присадочной проволокой. Кромки свариваемых деталей и проволока должны зачищаться так, чтобы был снят насыщенный кислородом альфированный слой. Проволока должна пройти вакуумный отжиг при температуре 900... 1000 0С в течение 4 ч. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Детали толщиной более 10... 15 мм можно сваривать за один проход погруженной дугой. После образования сварочной ванны увеличивают расход аргона до 40...50 л/мин, что приводит к обжатию дуги. Затем электрод опускают в сварочную ванну. Давление дуги оттесняет жидкий металл, дуга горит внутри образовавшегося углубления, ее проплавляющая способность увеличивается.
Узкий шов с глубоким про-плавлением при сварке неплавя-щимся электродом в аргоне можно получать, применяя флюсы-пасты АН-ТА, АНТ17А на основе фтористого кальция с добавками. Они частично рафинируют и модифицируют металл шва, а также уменьшают пористость.

Дуговую сварку титановых сплавов плавящимся электродом (проволокой диаметром 1,2...2,0 мм) выполняют на постоянном токе обратной полярности на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос электродного металла. В качестве защитной среды применяют смесь из 20 % аргона и 80 % гелия или чистый гелий. Это позволяет увеличить ширину шва и уменьшить пористость.

Титановые сплавы можно сваривать дуговой сваркой под бескислородными фтористыми флюсами сухой грануляции АНТ1, АНТЗ для толщины 2,5...8,0 мм и АНТ7 для более толстого металла. Сварку ведут электродной проволокой диаметром 2,0...5,0 мм с вылетом электрода 14...22 мм на медной или на флюсомедной подкладке, либо на флюсовой подушке. Структура металла в результате модифицирующего действия флюса получается более мелкозернистой, чем при сварке в инертных газах.

При электрошлаковой сварке используют пластинчатые электроды из того же титанового сплава, что и свариваемая деталь, толщиной 8...12 мм и шириной, равной толщине свариваемого металла. Используют тугоплавкие фторидные флюсы АНТ2, АНТ4, АНТ6. Чтобы через флюс не проникал кислород, шлаковую ванну дополнительно защищают аргоном. Металл зоны термического влияния защищают, увеличивая ширину формирующих водоохлаждаемых ползунов и продувая в зазор между ними и деталью аргон. Сварные соединения после электрошлаковой сварки имеют крупнокристаллическую структуру, но свойства их близки к основному металлу. Перед электрошлаковой сваркой, так же как и перед дуговой, флюсы должны быть прокалены при температуре 200...300 0С.

Электронно-лучевая сварка титановых сплавов обеспечивает наилучшую защиту металла от газов и мелкозернистую структуру шва. Требования к сборке по сравнению с другими способами жестче.

При всех способах сварки титановых сплавов нельзя допускать перегрева металла. Нужно применять способы и приемы, позволяющие влиять на кристаллизацию металла: электромагнитное воздействие, колебания электрода или электронного луча поперек стыка, ультразвуковое воздействие на сварочную ванну, импульсный цикл дуговой сварки и т.п. Все это позволит получать более мелкую структуру шва и высокие свойства сварных соединений.

Характеристики металла титан и его применение

Металл титан является легким серебристо-белым металлом. Титановые сплавы обладают легкостью и прочностью, высокой коррозийной стойкостью и низким коэффициентом теплового расширения. Кроме того, титан - металл, который способен сохранять свои свойства в диапазоне температур от – 290 до +600 градусов Цельсия.

Оксид этого металла впервые обнаружил в 1789 У. Грегор. Во время исследования железистого песка ему удалось выделить окись неизвестного до селе металла, которой он дал название менакеновая. Один из первых образцов металлического титана был получен в 1825 Й. Я. Берцелиусом.

Особенности

В периодической таблице Менделеева титан - элемент, находящийся в 4-ой группе 4-ого периода под номером 22. В наиболее устойчивых соединениях данный элемент четырехвалентен. Своим внешним видом он немного напоминает сталь и относится к переходным элементам. Температура плавления титана 1668±4°С, а кипит он при 3300 градусах Цельсия. Что касается скрытой теплоты плавления и испарения этого металла, то она почти в 2 раза больше, нежели у железа.

Титан - металл серебристого оттенка
Сегодня существуют две аллотропические модификации титана. Первая – низкотемпературная альфа-модификация. Вторая – высокотемпературная бетта-маодификация. По плотности, а также удельной теплоемкости этот металл занимает место между алюминием и железом.

Характеристика титана имеет ряд положительных особенностей. Механическая прочность его вдвое больше чистого железа и в шесть раз выше алюминия. Однако, титан способен поглощать кислород, водород и азот. Они могут резко снижать его пластические свойства. Если титан смешивается с углеродом, то образуются тугоплавкие карбиды, которые имеют высокую твердость.

Титану свойственна низкая теплопроводность, которая в 4 раза меньше, чем у алюминия, и в 13 раз, чем у железа. Также титан обладает довольно высоким удельным электросопротивлением.

Титан является парамагнитным металлом, а как известно, парамагнитные вещества обладают магнитной восприимчивостью, которая падает при нагревании. Однако, титан – исключение, так как его восприимчивость только увеличивается с температурой.

Достоинства:
Малая плотность, которая способствует уменьшению массы материала;
Высокая механическая прочность;
Высокая коррозийная стойкость;
Высокая удельная прочность.

Недостатки:
Высокая стоимость производства;
Активное взаимодействие со всеми газами, из-за чего плавят его только в вакууме либо среде инертных газов;
Плохие антифрикционные свойства;
Сложности вовлечения в производство титановых отходов;
Склонность к солевой коррозии, водородной хрупкости;
Довольно плохая обрабатываемость резанием;
Большая химическая активность.

Использование

Применение титана наиболее востребовано в производстве ракетной и авиационной техники, морском судостроении.

Кольца
Его используют в качестве легирующей примеси к качественным сталям. Технический титан расходуется на изготовление емкостей и химических реакторов, трубопроводов и арматуры, насосов и клапанов, плюс ко всему изделий, функционирующих в агрессивных средах. Компактный титан применяется для изготовления сеток и других деталей электровакуумных приборов, которые работают в высоких температурах.

Механическая прочность, коррозийная стойкость, удельная прочность, жаропрочность и другие свойства титана позволяют широко применять его в технике. Высокая стоимость этого металла и сплавов компенсируется большой работоспособностью. В некоторых ситуациях титановые сплавы являются единственными использующимися для изготовления того или иного оборудования либо конструкций, способных работать в конкретных условиях.

Изначально добыча титана производилась для нужд производства красителей. Однако, использование этого металла в качестве конструкционного материала привело к расширению добычи титановой руды, а также поиску и освоению новых месторождений

Брусок чистого (99,995 %) титана
В прошлом титан был побочным продуктом, а во многих случаях препятствовал, к примеру, добыче железной руды. Сегодня же рудники эксплуатируются только для получения этого металла, как главного продукта.

Чтобы добывать титановую руду, не нужно обладать каким-либо специальным и проводить сложные операции. Если титановые минералы находят в песчаных месторождениях, то собираются они с помощью землесосных снарядов, проходя через которые они попадают на баржи, а те в свою очередь доставляют их на обогатительную установку. Но, если же минералы титана находят в горных породах, то здесь уже не используют даже горное оборудование.

Руда измельчается для обеспечения эффективного разделения минеральных компонентов. После, чтобы отделить ильменит от посторонних материалов применяется влажная магнитная сепарация малой интенсивности. Затем остаточный ильменит обогащается с помощью гидравлических классификаторов и столов. Потом обогащение производится методом сухой магнитной сепарации, обладающей высокой интенсивностью.

Свойство металла титан и его место в продуктах

Титан – химический элемент, довольно широко распространённый в природе. Это металл, серебристо-серый и твёрдый; он входит в состав многих минералов, и добывать его можно почти везде – Россия занимает второе место в мире по добыче титана.

Много титана в титанистом железняке – ильмените, относящемся к сложным оксидам, и золотисто-красном рутиле, являющемся полиморфной (многообразной и способной существовать в разных кристаллических структурах) модификацией двуокиси титана – химикам известно три таких природных соединения.

Титан часто встречается в горных породах, но в почвах, особенно песчаных, его ещё больше. Среди титаносодержащих горных пород можно назвать перовскит – он считается довольно распространённым; титанит – силикат титана и кальция, которому приписываются лечебные и даже магические свойства; анатаз – также полиморфное соединение – простой оксид; и брукит – красивый кристалл, часто встречающийся в Альпах, а у нас, в России – на Урале, Алтае и в Сибири.

Заслуга открытия титана принадлежит сразу двоим учёным – немцу и англичанину. Английский учёный Уильям Мак-Грегор не был химиком, но минералами очень интересовался, и однажды, в конце XVIII века, выделил из чёрного песка Корнуэлла неизвестный металл, и вскоре написал о нём статью.

Эту статью читал и известный немецкий учёный, химик М.Г. Клапрот, и он через 4 года после Мак-Грегора обнаружил оксид титана (так он назвал этот металл, а англичане называли его менаккином – по названию места, где он был найден) в красном песке, распространённом в Венгрии. Когда учёный сравнил соединения, найденные в чёрном и красном песке, они оказались оксидами титана – так что этот металл был открыт обоими учёными независимо.

Кстати, название металла не имеет никакого отношения к древнегреческим Богам Титанам (хотя есть и такая версия), а назвали его в честь Титании – царицы фей, о которой писал Шекспир. Это название связывается с лёгкостью титана – его необычно низкой плотностью.

После этих открытий многие учёные не раз пытались выделить чистый титан из его соединений, но в XIX веке это удавалось плохо - даже великий Менделеев считал этот металл редким, и потому интересным только для «чистой» науки, а не для применения в практических целях. Но учёные XX века поняли, что титана в природе много – около 70 минералов содержат его в своём составе, и сегодня известно множество таких месторождений. Если говорить о металлах, широко используемых человеком в технике, то можно найти только три, которых в природе больше, чем титана – это магний, железо и алюминий. Химики ещё говорят, что, если количественно объединить все запасы меди, серебра, золота, платины, свинца, цинка, хрома и ещё некоторых металлов, которыми богата Земля, то титана получится больше, чем их всех.

Выделять из соединений чистый титан химики научились только в 1940 году – это сделали американские учёные.
Многие свойства титана уже изучены, и он применяется в разных сферах науки и промышленности, но мы здесь не будем подробно рассматривать эту сторону его применения – нам интересно биологическое значение титана.

Использование титана в медицине и пищевой промышленности тоже нас интересует – в этих случаях титан поступает непосредственно в организм человека, или контактирует с ним. Одно из свойств этого металла очень радует: учёные, в том числе и медики, считают титан безопасным для человека, хотя при его избыточном поступлении в организм могут возникать хронические лёгочные заболевания.
Титан в продуктах

Титан есть в морской воде, тканях растений и животных, а значит, и в продуктах растительного и животного происхождения. Растения получают титан из почвы, на которой растут, а животные получают его, поедая эти растения, однако вначале – уже в XIX веке - химики открыли титан в организме животных, а уже потом в растениях. Эти открытия снова были сделаны англичанином и немцем – Г. Ризом и А. Адергольдом.

В организме человека титана около 20 мг, и поступает он обычно с продуктами питания и водой. Титан есть в яйцах и молоке, в мясе животных и растениях – их листьях, стеблях, плодах и семенах, но вообще в продуктах питания его немного. Растения, особенно водоросли, содержат больше титана, чем ткани животных; много его в кладофоре – кустистой ярко-зелёной водоросли, часто встречающейся в пресных водоёмах и морях.
Значение титана для организма человека

Зачем титан нужен организму человека? Учёные говорят, что его биологическая роль не выяснена, но он участвует в процессе образования эритроцитов в костном мозге, в синтезе гемоглобина и в процессе формирования иммунитета.

Титан есть в головном мозге человека, в слуховом и зрительном центрах; в женском молоке он есть всегда, причём в определённых количествах. Концентрации титана в организме активизируют обменные процессы, и улучшают общий состав крови, снижая в ней содержание холестерина и мочевины.

В сутки человек получает около 0,85 мг титана, с водой и продуктами питания, а также с воздухом, но в желудочно-кишечном тракте он всасывается слабо – от 1 до 3%.

Для человека титан нетоксичен или малотоксичен, и о летальной дозе у медиков тоже нет данных, но при регулярном вдыхании двуокиси титана он накапливается в лёгких, и тогда развиваются хронические заболевания, сопровождающиеся одышкой и кашлем с мокротой – трахеит, альвеолит и др. Накопление титана вместе с другими, более токсичными элементами, вызывает воспаления и даже гранулематоз – тяжёлое заболевание сосудов, опасное для жизни.

Избыток и недостаток титана

Чем может объясняться избыточное поступление титана в организм? Поскольку, как уже сказано, титан применяется во многих областях науки и промышленности, избыток титана и даже отравление им часто грозит рабочим разных производств: машиностроительных, металлургических, лакокрасочных и т.д. Наиболее токсичен хлорид титана: достаточно отработать на таком производстве около 3-х лет, не особенно соблюдая технику безопасности, и хронические заболевания не замедлят проявиться.

Лечат такие заболевания обычно антибиотиками, пеногасителями, кортикостероидами, витаминами; больные должны находиться в покое и получать обильное питьё.

Дефицит титана – как у человека, так и у животных, не выявлен и не описан, и в этом случае можно предположить, что его действительно не бывает.

В медицине титан необыкновенно популярен: из него делают превосходные инструменты, и при этом доступные и недорогие – титан стоит от 15 до 25 долларов за килограмм. Любят титан ортопеды, стоматологи и даже нейрохирурги – и неудивительно.

Оказывается, у титана есть ценное для медиков качество – биологическая инертность: это означает, что конструкции из него прекрасно себя ведут в организме человека, и абсолютно безопасны для мышечных и костных тканей, которыми они обрастают со временем. Структура тканей при этом не меняется: титан не подвержен коррозии, а его механические свойства очень высоки. Достаточно сказать, что в морской воде, которая по составу очень близка к лимфе человека, титан может разрушаться со скоростью 0,02 мм за 1000 лет, а в растворах щелочей и кислот он по устойчивости похож на платину.

Среди всех используемых в медицине сплавов титановые отличаются чистотой, и примесей в них почти нет, чего нельзя сказать о кобальтовых сплавах или нержавеющей стали.

Внутренние и наружные протезы, изготовленные из титановых сплавов, не разрушаются и не деформируются, хотя всё время выдерживают рабочие нагрузки: механическая прочность титана в 2-4 раза выше, чем у чистого железа, и в 6-12 раз выше, чем у алюминия.

Пластичность титана позволяет делать с ним всё, что угодно – резать, сверлить, шлифовать, ковать при низких температурах, прокатывать – из него получается даже тонкая фольга.

Температура его плавления, однако, довольно высока – около 1670°C.

Электропроводность у титана очень низкая, и он относится к немагнитным металлам, поэтому пациентам с титановыми конструкциями в организме можно назначать физиотерапевтические процедуры – это безопасно.

В пищевой промышленности используется диоксид титана – в качестве красителя, обозначающегося как Е171. Им окрашивают конфеты и жвачку, кондитерские изделия и порошковые продукты, лапшу, крабовые палочки, изделия из фарша; им же осветляют глазури и муку.

В фармакологии диоксидом титана окрашивают лекарства, а в косметологии – кремы, гели, шампуни и другие средства.

металл титан свойство металла титан характеристики металла титан

Наиболее значимыми для народного хозяйства были и остаются сплавы и металлы, объединяющие легкость и прочность. Титан относится именно к этой категории материалов и, кроме того, обладает превосходной коррозийной стойкостью.

Титан – переходный металл 4 группы 4 периода. Молекулярная масса его составляет всего 22, что указывает на легкость материала. При этом вещество отличается исключительной прочностью: среди всех конструкционных материалов именно у титана самая высокая удельная прочность. Цвет серебристо-белый.

Что такое титан, расскажет видео ниже:

Понятие и особенности

Титан довольно распространен – по содержанию в земной коре занимает 10 место. Однако выделить действительно чистый металл удалось лишь в 1875 году. До этого вещество либо получали с примесями, либо называли металлическим титаном его соединения. Эта путаница привела к тому, что соединения металла стали использоваться значительно раньше, чем сам металл.

Обусловлено это особенностью материала: самые ничтожные примеси заметно влияют на свойства вещества, порой полностью лишая присущих ему качеств.

Так, самая небольшая доля других металлов лишает титан жаропрочности, что является одним из его ценных качеств. А небольшая добавка неметалла превращает прочный материал в хрупкий и непригодный к применению.

Эта особенность сразу же разделила получаемый металл на 2 группы: технический и чистый.

Первый применяют в тех случаях, когда более всего нужна прочность, легкость и коррозийная стойкость, так как последнее качество титан не теряет никогда.
Материал большой чистоты используется там, где нужен материал, работающий при очень больших нагрузках и больших температурам, но при этом отличающийся легкостью. Это, конечно, авиа- и ракетостроение.

Вторая особая черта вещества – анизотропность. Некоторые его физические качества изменяются в зависимости от приложения сил, что необходимо учитывать при применении.

При нормальных условиях металл инертен, не корродирует ни в морской воде, ни в морском или городском воздухе. Более того, это самое биологически инертное вещество из известных, благодаря чему в медицине широко применяются титановые протезы и имплантаты.

В то же время при повышении температуры он начинает реагировать с кислородом, азотом и даже водородом, а в жидком виде впитывает газы. Эта неприятная особенность крайне затрудняет и получение самого металла, и изготовление сплавов на его основе.

Последнее возможно только при использовании вакуумной аппаратуры. Сложнейший процесс производства превратил довольно распространенный элемент в весьма дорогостоящий.

Связь с другими металлами

Титан занимает промежуточное положение между двумя другими известнейшими конструкционными материалами – алюминием и железом, вернее говоря, сплавами железа. По многим параметрам металл превосходит «конкурентов»:

механическая прочность титана в 2 раза выше, чем у железа, и в 6 раз, чем у алюминия. При этом прочность при снижении температуры возрастает;
коррозийная стойкость намного выше, чем у железа и даже алюминия;
при нормальной температуре титан инертен. Однако при повышении до 250 С, начинает поглощать водород, что сказывается на свойствах. По химической активности он уступает магнию, но, увы, превосходит железо и алюминий;
металл намного слабее проводит электричество: его удельное электросопротивление выше, чем у железа 5 раз, выше, чем у алюминия в 20 раз, и выше, чем у магния в 10 раз;
теплопроводность также намного ниже: меньше, чем 1 железа в 3 раза, и меньше, чем у алюминия в 12 раз. Однако это свойство обуславливает очень низкий коэффициент температурного расширения.

Плюсы и минусы

На деле недостатков у титана множество. Но сочетание прочности и легкости настолько востребовано, что ни сложный способ изготовления, ни необходимость исключительной чистоты не останавливают потребителей металла.

К несомненным плюсам вещества относятся:

низкая плотность, что означает очень небольшой вес;
исключительная механическая прочность как самого металла титан, так и его сплавов. При повышении температуры титановые сплавы превосходят все сплавы алюминия и магния;
соотношение прочности и плотности – удельная прочность, достигает 30–35, что почти в 2 раза выше, чем у лучших конструкционных сталей;
на воздухе титан подлежит покрытию тонким слоем оксида, который и обеспечивает превосходную коррозийную стойкость.

Недостатков у металла тоже хватает:

стойкость к коррозии и инертность относится только к продукции с неактивной поверхностью. Титановая пыль или стружка, например, самовоспламеняются и сгорают с температурой в 400 С;
очень сложный способ получения металла титан обеспечивает очень высокую стоимость. Материал намного дороже железа, или ;
способность впитывать атмосферные газы при повышении температуры требует применения при плавке и получении сплавов вакуумной аппаратуры, что тоже заметно увеличивает стоимость;
титан отличается плохими антифрикционными свойствами – на трение он не работает;
металл и его сплавы склонны к водородной коррозии, предотвратить которую сложно;
титан плохо поддается обработке резанием. Сварка его тоже затруднена из-за фазового перехода во время нагревания.

Лист титана (фото)

Свойства и характеристики

Сильно зависят от чистоты. Справочные данные описывают, конечно, чистый металл, но характеристики технического титана могут заметно отличаться.

Плотность металла уменьшается при нагревании от 4,41 до 4,25 г/куб см. Фазовый переход изменяет плотность лишь на 0,15%.
Температура плавления металла – 1668 С. температуру кипения – 3227 С. Титан является тугоплавким веществом.
В среднем предел прочности на растяжение составляет 300–450 МПа, однако это показатель можно увеличить до 2000 МПА, прибегнув к закалке и старению, а также введению дополнительных элементов.
По шкале НВ твердость составляет 103 и это не предел.
Теплоемкость титана невелика – 0,523 кдж/(кг·К).
Удельное электросопротивление — 42,1·10 -6 ом·см.
Титан является парамагнитом. При снижении температуры его магнитная восприимчивость уменьшается.
Металлу в целом свойственны пластичность и ковкость. Однако на эти свойства сильно влияют кислород и азот в сплаве. Оба элемента придают материалу хрупкость.

Вещество устойчиво ко многим кислотам, включая азотную, серную в низкой концентрации и практически все органические за исключением муравьиной. Это качество обеспечивает титану востребованность в химической, нефтехимической, бумажной промышленности и так далее.

Структура и состав

Титан – хоть и переходный металл, да и удельное электросопротивление имеет низкое, все же, является металлом и проводит электрический ток, а это означает упорядоченную структуру. При нагревании до определенной температуры структура изменяется:

до 883 С устойчивой является α-фаза с плотностью в 4,55 г/куб. см. Она отличается плотной гексагональной решеткой. Кислород растворяется в этой фазе с образованием растворов внедрения и стабилизирует α-модификацию – отодвигает температурный предел;
выше 883 С стабильна β-фаза с объемно-центрированной кубической решеткой. Плотность его несколько меньше – 4,22 г/куб. см. Эту структуру стабилизирует водород – при его растворении в титане также образуются растворы внедрения и гидриды.

Эта особенность очень затрудняет работу металлурга. Растворимость водорода при охлаждении титана резко уменьшается, и в сплаве выпадает гидрид водорода – γ-фаза.

Он становится причиной появления холодных трещин при сварке, поэтому производителям приходится применять дополнительные усилия после плавки металла, чтобы очистить его от водорода.

О том, где можно найти и как сделать титан, расскажем ниже.

Данное видео посвящено описанию титана как металла:

Производство и добыча

Титан весьма распространен, так что с рудами, содержащими металл, причем в довольно больших количествах, затруднений не возникает. Исходным сырьем выступает рутил, анатаз и брукит – диоксиды титана в разной модификации, ильменит, пирофанит – соединения с железом, и так далее.

А вот сложна и требует дорогостоящей аппаратуры. Способы получения несколько отличаются, поскольку состав руды различен. Например, схема получения металла из ильменитовых руд выглядит так:

получение титанового шлака – породу загружают в электродуговую печь вместе с восстановителем – антрацитом, древесным углем и прогревают до 1650 С. При этом отделяют железо, которое идет на получение чугуна и диоксида титана в шлаке;
шлак хлорируют в шахтных или солевых хлораторах. Суть процесса сводится к тому, чтобы перевести твердый диоксид в газообразный тетрахлорид титана;
в печах сопротивления в специальных колбах металл восстанавливают натрием или магнием из хлорида. В итоге получают простую массу – титановую губку. Это технический титан вполне пригодный для изготовления химической аппаратуры, например;
если же требуется более чистый металл, прибегают к рафинированию – при этом металл реагирует с йодом с тем, чтобы получить газообразный йодид, а последний под действием температуры – 1300–1400 С, и электрического тока, разлагается, высвобождая чистый титан. Электрический ток подается через натянутую в реторте титановую проволоку, на которую и осаждается чистое вещество.

Чтобы получить титан в слитках, титановую губку переплавляют в вакуумной печи, чтобы предотвратить растворение водорода и азота.

Цена титана за 1 кг очень высока: в зависимости от степени чистоты металл стоит от 25 до 40 $ за 1 кг. С другой стороны, корпус кислотоупорного аппарата из нержавеющей стали обойдется в 150 р. и прослужит не более 6 месяцев. Титановый будет стоить около 600 р, но эксплуатируется в течение 10 лет. Много производств титана есть в России.

Области применения

Влияние степени очистки на физико-механические качества заставляет рассматривать именно с этой точки зрения. Так, технический, то есть, не самый чистый металл обладает превосходной коррозийной стойкостью, легкостью и прочностью, что и обуславливает его применение:

химическая промышленность – теплообменники, трубы, корпуса, детали насосов, арматура и так далее. Материал незаменим на участках, где требуется стойкость к кислотам и прочность;
транспортная промышленность – вещество используется для изготовления средств передвижения от железнодорожных составов до велосипедов. В первом случае, металл обеспечивает меньшую массу составов, что делает тягу более эффективной, в последнем – придает легкость и прочность, не зря ведь титановая велосипедная рама считается лучшей;
военно-морское дело – из титана изготавливают теплообменники, выхлопные глушители для подводных лодок, клапан, пропеллеры и так далее;
в строительстве широко применяют -титан – прекрасный материал для отделки фасадов и кровель. Вместе с прочностью сплав обеспечивает еще одно важное для архитектуры достоинство – возможность придавать изделиям самую причудливую конфигурацию, способность к формообразованию у сплава неограниченная.

Чистый металл, кроме того, является очень стойким к высоким температурам и сохраняет при этом прочность. Применение очевидно:

ракето- и авиастроение – из него изготавливают обшивку. Детали двигателей, элементы крепления, части шасси и так далее;
медицина – биологическая инертность и легкость делает титан куда более перспективным материалом при протезировании, вплоть до сердечных клапанов;
криогенная техника – титан является одним из немногих веществ, которые при снижении температуры становятся лишь прочнее и не утрачивает пластичности.

Титан – конструкционный материал самой высокой прочности при такой легкости и пластичности. Эти уникальные качества обеспечивают ему все более важную роль в народном хозяйстве.

О том, где взять титан для ножа, расскажет видео ниже:

Высокопрочный металл, обладающий многими уникальными свойствами. Изначально его применяли в оборонной и военной промышленности. Развитие различных отраслей наук привело к более широкому использованию титана.

Титан в авиастроении

Кроме высокой прочности титан отличается еще и легкостью. Этот металл широко используют в самолетостроении. Титан и его сплавы, благодаря физико-механическим свойствам, являются незаменимыми конструкционными материалами.

Интересный факт: до 60-ых годов титан в основном использовали для изготовления газовых турбин двигателей самолетов. Позднее металл стал применять при производстве деталей консолей самолетов.

Сегодня титан используют для изготовления обшивки самолета, силовых элементов, деталей двигателей и прочего.

Титан в ракетостроении и космической технике

В условиях открытого космоса любой объект подвержен как очень низким, так и высоким температурам. Кроме того, существует еще радиация и частички, которые двигаются с большой скоростью.

К материалам, способным выдержать все тяжелые условия относятся сталь, платина, вольфрам и титан. По ряду показателей предпочтение отдано последнему металлу.

Титан в судостроении

В судостроении титан и его сплавы используют для обшивки судов, а также при изготовлении деталей трубопроводов и насосов.

Малая плотность титана позволяет повысить маневренность судов и вместе с этим снизить их массу. Высокая коррозионная и эрозионная стойкость металла способствует увеличению срока эксплуатации (детали не ржавеют и не поддаются повреждениям).

Также из титана изготавливают навигационные приборы, поскольку этот металл обладает еще и слабыми магнитными свойствами.

Титан в машиностроении

Титановые сплавы используют при выпуске труб для теплообменной аппаратуры, конденсаторов турбин, внутренних поверхностей дымовых труб.

Благодаря своим высокопрочностным свойствам титан позволяет продлить срок эксплуатации оборудования и экономить на ремонтных работах.

Титан в нефтегазовой промышленности

Трубы из титановых сплавов помогут достичь глубины бурения до 15-20 км. Они высокопрочны и не подвержены таким сильным деформациям, как другие металлы.

Сегодня изделия из титана с успехом используются в разработке глубоководных нефтегазовых месторождений. Из высокопрочного металла изготавливают отводы, трубы, фланцы, переходники, прочее. Плюс огромную роль для качественной эксплуатации играет коррозионная стойкость титана к морской воде.

Титан в автомобилестроении

Снижение массы деталей в автомобилестроении помогает уменьшить расход топлива и тем самым сократить объем выхлопных газов. И здесь на помощь приходит титан и его сплавы. Для автомобилей (особенно гоночных) делают пружины, клапана, болты, передаточные валы и выхлопные системы из титана.

Титан в строительстве

Благодаря своей способности противостоять большинству известных негативных факторов окружающей среды, титан нашел применение и в строительстве. Его используют для наружной обшивки зданий, облицовки колонн, в качестве кровельных материалов, карнизов, софитов, крепежных приспособлений и т.д.

Титан в медицине

И в медицине огромную нишу заняли изделия из титана и его сплавов. Из этого прочного, легкого, гипоаллегренного и долговечного металла производят хирургические инструменты, протезы, зубные импланты, внутрикостные фиксаторы.

Титан в спорте

Благодаря все той же прочности и легкости, титан популярен и при производстве спортивного инвентаря. Из указанного металла производят части для велосипедов, клюшки для гольфа, ледорубы, утварь для туризма и альпинизма, лезвия для коньков, ножи для подводного плаванья, пистолеты (спортивная стрельба и органы правопорядка).

Титан в товарах народного потребления

Из титана изготавливают перьевые и шариковые ручки, ювелирные украшения, часы, посуду и садовую утварь, корпуса для мобильных телефонов, компьютеров, телевизоров.

Интересно: из титана изготавливают колокола. Они имеют красивое и необычное звучание.

Другое применение титана

Кроме прочего широкое применение нашел диоксид титана. Его используют в качестве белого пигмента для производства лакокрасочной продукции. Такой белый порошок обладает высокой укрывистостью, т.е. способен перекрыть любой цвет поверх которого его наносят.

При нанесении диоксида титана на поверхность бумаги она приобретает высокие печатные свойства и гладкость.

Именно обозначение Е171 на упаковках жевательных резинок и конфет свидетельствует о наличии диоксида титана. Кроме того этим соединением окрашивают крабовые палочки, пирожные, лекарства, крема, гели, шампуни, фарш, лапшу, осветляют муку и глазурь.

Титановый лист - рулонный и листовой титан ВТ1-0, ВТ20, ОТ4.