Свойства космического металла титана: низкая плотность, высокая температура плавления и коррозионная стойкость

Содержание

История открытия металла

Всё началось в 1791 году, когда, независимо друг от друга, одновременно У. Грегор (Англия) и М. Г. Клапрот (Германия) получили двуокись титана, но не сумели выделить из неё чистое вещество. Минералог и, по совместительству, сельский священник Грегор изучал чёрный железистый песок, найденный в окрестностях своего прихода. Результатом стало извлечение соединения титана — блестящих крупиц, которые названием «менакин» (от минерала менаканит) увековечили родные места англичанина.

Производство титана
Примерно в это же время химик Клапрот, изучая красные пески, привезённые из Венгрии, нашёл в минерале рутиле новое вещество и назвал его «титан». А, спустя несколько лет, доказал, что рутил и менакеновая земля — одинаковые соединения. В 1825 году шведским химиком Берцелиусом был получен первый образец металлического титана, но это не позволило продвинуться в исследовании свойств, так как примеси делали образец хрупким и неподходящим для механической обработки.

Только в 1925 году голландские химики ван Аркел и де Бур, применив термическое разложение иодида титана, не нашедшее широкого использования, получили вещество с 99,9% чистотой. Такой металл обладал пластичностью, его можно было раскатывать в листы, проволоку и фольгу. Это позволило начать полномасштабное изучение физических и химических свойств, привлечь внимание инженеров и строителей, наметить сферы применения. А уже в 1940 году появился кролловский процесс восстановления четырёххлористого титана магнием, успешно используемый и до сих пор.

Плюсы и минусы металла и его сплавов

Достоинства титановых сплавов:

  1. Соотношение прочность-плотность у титановых сплавов почти в 2 раза лучше, чем у легированных сталей.
  2. Высокая механическая прочность.
  3. Отличная коррозионная стойкость, что позволяет изделиям работать в агрессивных средах.

Часы из титанового сплава
Часы из титанового сплава

К недостаткам титановых сплавов можно отнести:

  1. Высокая цена (титан гораздо дороже многих цветных металлов).
  2. При обработке металла и его сплавов возникает проблема налипания, что грозит быстрым износом режущих инструментов.
  3. Сложности при сварке титановых изделий.

Теории происхождения названия

Существует две теории возникновения наименования:

  • Описание металла титан
    Первая, подчёркивающая основные свойства металла титана — лёгкость и прочность, связана с именем персонажа германской легенды — эльфийской царицы Титании.
  • Другая теория отсылает к древнегреческой мифологии, где титанами называли могучих братьев — божеств второго поколения, детей богов Урана и Геи. Отголоски этого слышатся и в названии элемента урана.

Нахождение титана в природе

Титан занимает почётное четвёртое место по содержанию в земной коре среди важных для человека металлов, уступая только железу, магнию и алюминию. Максимальное его количество сосредоточено в нижнем, базальтовом слое, немного меньше — в гранитном. Принимая во внимание высокую химическую активность, найти титан в чистом виде не представляется возможным. Наиболее распространены четырёхвалентные оксиды, которые концентрируются в рудах коры выветривания и в морской глине.

Сегодня насчитывают до 75 титановых минералов, а учёные периодически заявляют об открытии всё новых форм и соединений. Для промышленной переработки наибольшее значение имеют:

  • Производители титана
    Ильменит.
  • Лейкоксен (продукт изменения ильменита).
  • Рутил.
  • Титанит (сфен).
  • Перовскит.
  • Анатаз.
  • Титаномагнетит.
  • Брукит.

Титан — слабый мигрант, он может переноситься только в виде механических обломков каменной породы или при перемещениях коллоидных илистых слоёв водоёмов. Для биосферы характерно содержание максимальных количеств этого металла в морских водорослях, у животных он обнаружен в шерсти и роговых тканях, в организме человека присутствует в щитовидной железе, селезёнке, надпочечниках и плаценте.

Достоинства и недостатки

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

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

Недостатки:

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

Однако, несмотря на имеющиеся минусы, материал и его сплавы широко распространены в различных отраслях производства.

Малый вес
Малый вес

Область применения

Титан и сплавы на основе его применяются во многих областях: химической, металлургической. Это конструкционный материал космонавтики, оборонной промышленности, авиации. Из него делают медицинские инструменты, насадки оборудования. Пластины вшивают в бронежилеты, делают из него защитные экраны.

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.

Титан

– серебристо-белый, легкий (плотность 4,5 г/см3) металл, имеет две аллотропические модификации. Ниже 882 оС, существует
Ti
α, с гексоганальной плотноупакованной решеткой (ГПУ), и высокотемпературная модификация
Ti
с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК). Температура плавления титана 1669 оС.

Несмотря на высокую температуру плавления, чистый титан не является жаропрочным материалом, так как при повышении температуры до 250 оС, предел прочности снижается почти в 2 раза. Титан обладает склонностью к ползучести.

Титан по коррозионной стойкости на воздухе, при очень высоких температурах, а также во многих агрессивных средах превосходит большинство нержавеющих сталей. При повышении температуры снижается стойкость титана. Это объясняется образованием на его поверхности весьма плотной и прочной окисной пленки защищающей металл.

Титан устойчив против азотной кислоты, перекиси водорода, разбавленной серной кислоты, уксусной и молочной кислот, сернистого газа, сухой и влажной хлорной атмосферы, а так же в растворах хлорида меди, железа, магния, натрия, цинка и т.п.

На титан и его сплавы активно действует только дымящаяся азотная кислота. Титан слабо реагирует с крепкой соляной, ортофосфорной, плавиковой. лимонной, щавелевой и муравьиной кислотами.

Исключительно ценными свойством титана и его сплавов является коррозионная стойкость в воде, в том числе и в морской.

Механические свойства титана

сильно зависят от наличия примесей, особенно Н, О, N, C, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды, карбиды.

Чистейший йодидный титан получают методом термической диссоциации четырехйодидного титана, а также методом зонной плавки, и он содержит примесей менее 0,093 %.

Чистый йодидный титан

имеет прочность
σв
= 270 МПа, пластичность
δ
= 55 %, модуль упругости
Е
= 112000 МПа. С уменьшением чистоты прочность повышается до
σв
= 300 – 350 МПа, а пластичность падает до
δ
= 15 – 25 %.

Технический титан (рис. 8.1) маркируется (ГОСТ 19807 – 74) в зависимости от содержания примесей: ВТ1-00 (сумма примесей менее 0,398 %), ВТ1-0 (сумма примесей менее 0,55 %).

Читайте также:  Сварка нержавейки с черным металлом: переходные электроды, как инвертором

Для улучшения прочностных и пластических свойств титан легируется различными элементами, содержание которых, в общей сложности, не превышает 10 – 15 %. Легирующие элементы смещают температуру аллотропического превращения титана.

Титановые сплавы в зависимости от состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению, химико-термической обработке (азотированию, цементации).

Преимуществом титановых сплавов, по сравнению с техническим титаном, являются следующие технологические свойства

:

· высокий предел прочности и высокий предел текучести, близкий к пределу прочности, что определяет узкий диапазон пластического деформирования и высокую упругую отдачу материала;

· высокая удельная прочность;

· жаропрочность;

· низкая пластичность при комнатной температуре;

· жаростойкость и достаточно хорошая пластичность при высоких температурах;

· высокая чувствительность к поверхностным дефектам;

· высокая коррозионная стойкость;

· высокая чувствительность механических свойств к параметрам микроструктуры, что предъявляет строго регламентированные требования к качеству исходных полуфабрикатов.

Месторождения космического материала

Космический металл
Самыми распространёнными являются залежи ильменита, они составляют порядка 800 млн тонн. Запасы рутиловых руд значительно меньше, но при сохранении роста добычи все они могут обеспечить человечество ещё на 100 лет. По запасам титана Россия уступает только Китаю и насчитывает 20 разведанных месторождений. Большинство из них — комплексные, где добывают также железо, фосфор, ванадий и цирконий. Сегодня крупнейшим мировым производителем титана считается российская металлургическая компания «ВСМПО-АВИСМА».

Обширные залежи располагаются на территории ЮАР, Украины, Канады, США, Бразилии, Австралии, Швеции, Норвегии, Египта, Казахстана, Индии и Южной Кореи. Они различаются содержанием металла в рудах и объёмами добычи, геологические изыскания не прекращаются. Даже на Луне были обнаружены запасы титаносодержащих руд, некоторые из них в десятки раз богаче крупных месторождений Земли. Это позволяет надеяться на снижение рыночных цен металла и расширение сферы использования.

Применяемое оборудование и материалы

Титан при нагревании становится активным восстановителем, он способен реагировать с огнеупорной футеровкой. Для плавки металла обычно используют вакуумную гарнисажную печь с электродуговым разогревом. Это камера с охлаждающим водяным контуром, опоясывающим тигель. Мощные насосы откачивают воздух до нужного значения разряжения. В электрододержатель устанавливают расходуемый электрод-гарнисаж. Плавка производится при плотности тока 10—30 А/см 2 .

Электрод – это пруток из спрессованной титановой крошки (порошка) или шихтовый слиток. При розжиге дуги между электродом и дном тигля металл начинает нагреваться до температуры плавления, расплав заполняет тигель, держатель постепенно опускается, чтобы размер дуги оставался стабильным.

Гарнисажем называют слой затвердевшего металла на охлаждаемых стенках тигля, сделанного из токопроводящей меди или графита. Гарнисаж выполняет функцию футеровки, не давая тиглю нагреваться под действием дуги до температуры плавления.

Во время плавления электрода предусмотрено вращение плавильной установки для равномерного разогрева расплава. Отливочные столы с подготовленными формами расположены рядом с тиглем, в камере. При повороте установки расплавленный металл выливается из тигля, формируются отливки. Пресс-формы делают из графита или огнеупора, покрытого тугоплавкими термосмолами.

Отливки из титана полностью повторяют форму будущей детали, ее не нужно долго обтачивать. Снижается процент отходов. Литье производят промышленным способом. Дорогие установки обслуживает подготовленный персонал. Кустарным способом, в домашних условиях титан не плавят.

Лечебные и полезные свойства

Популярностью среди населения пользуются титановые браслеты.

  1. Считается, что металл оказывает благотворное влияние на организм человека. Наукой доказано, что титан активно притягивает кислород и передавать его телу.
  2. Также ему приписывают обезболивающие свойства. Титановый браслет снимает воспаление, болевые ощущения. Украшения из титана будут полезны людям, страдающим артритами, головными болями.
  3. Кроме того, в медицине применяют имплантаты, созданные на основе титана. Такие изделия считаются прочными. Более того, металл отличается высокой биосовместимостью с организмом человека.
  4. Свойства металла используют в фармакологии. Им окрашивают лекарства в белоснежный цвет. Из металла делают небольшие косточки и вживляют их в ухо человека. Благодаря этому к ранее не слышащему человеку возвращается слух.

Свойства технического титана и промышленных сплавов

В маркировке титана присутствуют значительные отличия от других сплавов. Поэтому прежде, чем приступить к изучению таблиц, необходимо разобраться с этим.

  • В России на практике титановые сплавы всегда имеют маркировку Т.
  • Перед литерой Т проставляется буквенное обозначение производителя (В — ВИАМ, О — опытная разработка Свердловского Санкт-Петербург и другие).
  • Сплавы могут маркироваться численными обозначениями, указывающими чистоту сплава. К примеру, титан высшей чистоты, произведённый ВИАМ может маркироваться ВТ1-00. В других случаях численные обозначения могут не сказать Вам ничего конкретного.
  • Иногда же дополнительные литеры могут указывать на какие-то особые качества металла (И — специальный сплав, В — ванадиевый сплав, Л — литейный сплав, ГТ — губчатый титан).

Приведём наиболее популярные буквенные и цветовые маркировки сплавов с последующей расшифровкой.

Далее мы приводим таблицы по свойствам титановых сплавов, исключив промышленные заготовки.

Запасы и добыча

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

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603—673 млн т., а рутиловых — 49,7—52,7 млн т. Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

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

Крупнейший в мире производитель титана — российская .

Что такое температура плавления

Каждый металл имеет неповторимые свойства, и в этот список входит температура плавления. При плавке металл уходит из одного состояния в другое, а именно из твёрдого превращается в жидкое. Чтобы сплавить металл, нужно приблизить к нему тепло и нагреть до необходимой температуры – этот процесс и называется температурой плавления. В момент, когда температура доходит до нужной отметки, он ещё может пребывать в твёрдом состоянии. Если продолжать воздействие – металл или сплав начнет плавиться.

Плавление и кипение – это не одно и то же. Точкой перехода вещества из твердого состояния в жидкое, зачастую называют температуру плавления металла. В расплавленном состоянии у молекул нет определенного расположения, но притяжение сдерживает их рядом, в жидком виде кристаллическое тело оставляет объем, но форма теряется.

При кипении объем теряется, молекулы между собой очень слабо взаимодействуют, движутся хаотично в разных направлениях, совершают отрыв от поверхности. Температура кипения – это процесс, при котором давление металлического пара приравнивается к давлению внешней среды.

Для того, чтобы упростить разницу между критическими точками нагрева мы подготовили для вас простую таблицу:

СвойствоТемпература плавкиТемпература кипения
Физическое состояние Сплав переходит в расплав, разрушается кристаллическая структура, проходит зернистость Переходит в состояние газа, некоторые молекулы могут улетать за пределы расплава
Фазовый переход Равновесие между твердым состоянием и жидким Равновесие давления между парами металла и воздухом
Влияние внешнего давления Нет изменений Изменения есть, температура уменьшается при разряжении

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.

Читайте также:  Сварка цветных металлов: виды основных сплавов

Как добывают титан
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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. Электролизный метод. Титановые соединения подвергают воздействию током большой силы. В зависимости от исходного сырья, соединения разделяются на составляющие: хлор, кислород и титан.
  4. 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.

Физические свойства элемента

Особенности титана
Titanium — химический элемент периодической таблицы Менделеева, находится в IV группе четвёртого периода. Имеет атомный номер 22, молярную массу 47,867, обозначается символом Ti и проявляет степени окисления от 2 до 4, наиболее устойчивы его четырёхвалентные соединения. При нормальном давлении температура плавления титана равна 1670 ± 2 °C, он относится к цветным тугоплавким металлам и по внешнему виду напоминает сталь.

Твёрдость, пластичность и предел текучести — важные параметры для любого металла, которые определяют сферу применения. Титан в 12 раз прочнее алюминия, в 4 раза меди и железа. А ещё он гораздо легче их всех (плотность титана всего 4,54 г/см 3) и свободно обрабатывается методами сварки, клёпки, ковки и проката. К важным особенностям относятся низкие показатели теплопроводности и электропроводности, которые остаются неизменными даже при высоких температурах.

Титан проявляет парамагнитные свойства: не намагничивается в магнитном поле, подобно никелю и железу, и не выталкивается, как серебро и золото. Его плохие антифрикционные свойства обусловлены налипанием на многие материалы. Уникальны показатели коррозионной стойкости и сопротивления механическому воздействию: пластины из титана, десять лет пролежавшие на дне моря, не претерпят изменений внешнего вида и состава, а железо за это время разложится полностью.

Химические свойства

Сплав титана
Высокая коррозийная стойкость объясняется тем, что в нормальных условиях на поверхности металла присутствует оксидная плёнка. Однако в виде порошка, тонкой стружки или проволоки он способен самовоспламеняться и взрываться. Титан устойчив к водным растворам хлора и многим разбавленным щелочам и кислотам, кроме плавиковой, ортофосфорной и серной. Сварку и плавку производят в вакууме, потому что при даже незначительном нагреве проявляется одно из главных свойств титана — активное поглощение газов окружающей атмосферы.

Реакция с водородом, которая начинается при 60 °C, обратима, полученные гидриды при нагревании снова разлагаются. На воздухе при температуре 1200 °C титан пылает ярким белым пламенем, и только он способен гореть в атмосфере азота при температуре выше 400 °C с образованием нитридов. Для взаимодействия с галогенами необходимыми условиями являются отсутствие влаги и наличие катализатора — высокой температуры. При реакции с углеродом получается сверхтвёрдый карбид. С большинством металлов титан образует высокопрочные конструкционные или жаростойкие сплавы и интерметаллические соединения, часто применяется в качестве важного легирующего компонента.

Производство и изготовление

Благодаря распространённости в природе добывать руду, содержащую титан, не сложно. Самые распространённые виды руды, в которых содержится этот металл — брукит, ильменит, анатаз и рутил. Однако дальнейшие способы обработки титана (плавка, закалка и старение) считаются дорогостоящими. Существует несколько этапов получения чистого металла из руды:

  1. В первую очередь добывается титановый шлак, с помощью разогревания ильменита до 1650 градусов.
  2. Далее шлак проходит процесс хлорирования.
  3. После этого с помощью печей сопротивления производится титановая губка.
  4. Для получения чистого металла заключительным этапом обработки является процесс рафинирования.

Если нужно получить слитки титана, губку на его основе переплавляют в вакуумной печи.

Магниетермический процесс

Магниетермическое восстановление — популярный метод получения металла. Проведение технологического процесса:

  1. Расплавляется оборотный магниевый конденсат.
  2. Сливается конденсат хлористого магния.
  3. При температуре 800 градусов, жидкий тетрахлорид титана с жидким магнием подаются в форму для застывания. Скорость подачи — 2,1–2,3 г/ч см2.

Постепенно температура снижается до 600 градусов.

Гидридно-кальциевый метод

Это промышленный метод восстановления металла. Процесс проведения работ:

  1. При температуре 500 градусов Цельсия металлический кальций насыщается водородом.
  2. Далее его смешивают с двуокисью титана. Компоненты нагревают в реторте, постепенно повышая температуру до 1100 градусов.
  3. Спекшиеся компоненты вымывают из реторты.
  4. Далее проводится обработка соляной кислотой.
  5. Титановый порошок сушат, запекают в индукционных печах при температуре около 1400 градусов.

На спекшуюся массу должно воздействовать давление 10в-3 мм.

Электролизный метод

Способ получения сплава, основанный на применении электрического тока. Напряжение воздействует на ТiO2, ТiСl4. До этого их растворяют с помощью расплавленных солей фторидов.

Йодидный метод

Способ получения металла после термической диссоциации TiJ4. Изначально его получают при реакции паров йода с металлическим титаном.

Чтобы получить сплав высокой чистоты, необходимо применять последний способ получения соединения. Три первых метода позволяют быстро получать технический титан.

Магические свойства и влияние на человека

Этот металл способен укреплять дух, сделать человека смелым и решительным. Свойства титана позволяют использовать его для создания талисманов и амулетов. Считается, что владелец приобретет настойчивый характер, будет всегда добиваться задуманного.

Кроме того, это универсальный металл. Он одинаково хорошо воздействует и на женщин, и на мужчин. Подросткам поможет определиться с целями, добиваться желаемого.

Магические свойства металла оказывают благотворное влияние на мужчин нерешительных, которые часто страдают из-за излишней мягкотелости, не умеют отказывать. Идеален для натур робких, застенчивых. Важно правильно сочетать его с другими металлами и камнями. Неправильные соседи нейтрализуют все положительные качества титана.

При какой температуре плавится

Металлические элементы, какими бы они ни были — плавятся почти один в один. Этот процесс происходит при нагреве. Оно может быть, как внешнее, так и внутреннее. Первое проходит в печи, а для второго используют резистивный нагрев, пропуская электричество либо индукционный нагрев. Воздействие выходит практически схожее. При нагреве, увеличивается амплитуда колебаний молекул. Образуются структурные дефекты решётки, которые сопровождаются обрывом межатомных связей. Под процессом разрушения решётки и скоплением подобных дефектов и подразумевается плавление.

У разных веществ разные температуры плавления. Теоретически, металлы делят на:

  1. Легкоплавкие – достаточно температуры до 600 градусов Цельсия, для получения жидкого вещества.
  2. Среднеплавкие – необходима температура от 600 до 1600 ⁰С.
  3. Тугоплавкие – это металлы, для плавления которых требуется температура выше 1600 ⁰С.

Плавление железа

Температура плавления железа достаточно высока. Для технически чистого элемента требуется температура +1539 °C. В этом веществе имеется примесь — сера, а извлечь ее допустимо лишь в жидком виде.

Без примесей чистый материал можно получить при электролизе солей металла.

Плавление чугуна

Чугун – это лучший металл для плавки. Высокий показатель жидкотекучести и низкий показатель усадки дают возможность эффективнее пользоваться им при литье. Далее рассмотрим показатели температуры кипения чугуна в градусах Цельсия:

  • Серый — температурный режим может достигать отметки 1260 градусов. При заливке в формы температура может подниматься до 1400.
  • Белый — температура достигает отметки 1350 градусов. В формы заливается при показателе 1450.
Читайте также:  Сварочные провода для инвертора — виды и особенности

Важно! Показатели плавления такого металла, как чугун – на 400 градусов ниже, по сравнению со сталью. Это значительно снижает затраты энергии при обработке.

Плавление стали


Плавления стали при температуре 1400 °C

Сталь — это сплав железа с примесью углерода. Её главная польза — прочность, поскольку это вещество способно на протяжении длительного времени сохранять свой объем и форму. Связано это с тем, что частицы находятся в положении равновесия. Таким образом силы притяжения и отталкивания между частицами равны.

Справка! Сталь плавится при 1400 °C.

Плавление алюминия и меди

Температура плавления алюминия равна 660 градусам, это означает то, что расплавить его можно в домашних условиях.

Чистой меди – 1083 градусов, а для медных сплавов составляет от 930 до 1140 градусов.

Способ получения из сырья

Сырье для титана
Исходное сырьё — двуокись титана, содержащая мало посторонних примесей. Для этого нужен рутиловый концентрат, получаемый обогащением руды. Но его мировые запасы невелики, и чаще применяют титановый шлак (синтетический рутил), который получают термической обработкой — обогащением ильменитовых концентратов в электродуговой печи. В результате железо в виде чугуна собирается на дне специальной ванны, и остаётся порошок серого цвета — шлак, содержащий оксид титана. Его измельчают, смешивают с углём, брикетируют и хлорируют в печах, где при 800 °C в присутствии углерода образуются пары четырёххлористого титана.

Потом их очищают и в специальных реакторах восстанавливают магнием при 950 °C. На стенках образуется спёкшаяся пористая масса, титановая губка, которую для сепарации от соединений магния прокаливают в вакууме. Чтобы изготовить слитки титана используют плавку полученной губки в вакуумно-дуговых печах. Это предохраняет металл от окисления и способствует окончательному освобождению от примесей. Готовые слитки с чистотой до 99,7% используют для обработки давлением (прокатка, штамповка, ковка).

Виды сплавов

Титановые сплавы можно разделить на три большие группы:

  1. Соединения на основе химических соединений. Представители этой группы имеют жаропрочную структуру и низкую плотность. Снижение плотности напрямую влияет на снижение веса материала. Такие сплавы используют при изготовлении деталей для автомобилей, каркасов для летательных аппаратов и корпусов для кораблей.
  2. Жаропрочные сплавы с низкой плотностью. Это аналог соединений с никелем, но с меньшей ценой. В зависимости от химического состава меняется устойчивость сплава титана к высоким температурам.
  3. Конструкционные — высокопрочные соединения, которые легко поддаются обработке благодаря высокому показателю пластичности. Из этих сплавов изготавливаются детали, которые устанавливаются в оборудовании, работающим с большими нагрузками.

При производстве титановых сплавов используется официальная маркировка, которая указывает на то, с какими металлами он соединён.

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/м3, при температуре плавления – 4120 кг/м3;
  • 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.

Характеристика

Химический элемент титан (Titanium) обозначается в периодической таблице Д. И. Менделеева символом Ti. Располагается в побочной подгруппе IV группы четвертого периода и имеет порядковый номер 22. Простое вещество титан – металл бело-серебристого цвета, легкий и прочный. Электронная конфигурация атома имеет следующую структуру: +22)2 )8 )10 )2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2 . Соответственно, титан имеет несколько возможных степеней окисления: 2, 3, 4, в наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен.

Нахождение в природе титана

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57 % по массе. В свободном виде не встречается. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiOSiO4, танталит (Fe,Mn)2+Ta2O6 и манганотанталит MnT2O6. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.

Получение титана

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: TiO2 + 2C + 2Cl2 =TiCl4 + 2CO Образующиеся пары TiCl4 при 850 °C восстанавливают Mg: TiCl4+ 2Mg = 2MgCl2+ Ti Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Ильменитовые концентраты восстанавливают в электродуговых печах с последующим хлорированием возникающих титановых шлаков. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.

Физические свойства титана

Титан — легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 Å; с=4,697 Å; z=2; пространственная группа C6mmc), β-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой (a=3,269 Å; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода α↔β 883 °C, ΔH перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1671 °C, точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см 3 [1], атомная плотность 5,71X1022 ат/см 3 [источник не указан 117 дней]. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок. При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей пленкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной). Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400°С.

Применение титана

Применение титана в химической промышленности — используется при производстве реакторов, трубопроводов, насосов, лёгких сплавах, остеопротезах. Применение в лакокрасочной промышленности — белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя . Применение в аэрокосмической и кораблестроительной промышленностях — титан, наряду с алюминием, является важнейшим конструкционным материалом, алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование. Применение в сталелитейной промышленности — титан является легирующей добавкой в некоторых марках стали, диборид титана — важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов, нитрид титана применяется для покрытия инструментов. Применение в медицине — Нитинол (никель-титан) — сплав, обладающий памятью формы,используется при производстве протезов. Применение в легкой промышленности — используется при производстве бумаги и пластика. Применение титана в пищевой промышленности — в виде соединения, как Пищевая добавка E171. Применение в электрохимической и оптической промышленностях — неорганические соединения титана применяются в в качестве добавки или покрытий. В 2005 компания Titanium Corporation опубликовала следующую оценку потребления титана в мире: 60 % — краска; 20 % — пластик; 13 % — бумага; 7 % — машиностроение.

Источники

  • https://tokar.guru/metally/unikalnye-svoystva-metalla-titan-plotnost-i-temperatura-plavleniya.html
  • https://kamniinfo.ru/metally/fizicheskie-harakteristiki-i-svoystva-odnogo-iz-samyh-tverdyh-metallov-titana-osobennosti-titana-i-ego-splavov.html
  • https://metalloy.ru/splavy/titan-i-ego-splavy
  • https://svarkaprosto.ru/tehnologii/temperatura-plavleniya-titana
  • https://stalcu.ru/temperatury/temperatura-plavleniya-titana.html
  • https://santehno96.ru/obrabotka/koefficient-teploprovodnosti-titana.html
  • https://TechnoRama.ru/raboty/temperatura-plavleniya-titana-v-gradusah.html
  • https://saiding-v-permi.ru/oborudovanie/titan-eto-metall.html
  • https://sakhkor.ru/materialy/teploprovodnost-titan.html
  • https://pressadv.ru/metally/plotnost-titana.html
  • https://plazmen.ru/kakova-temperatura-plavleniya-zheleza/
  • https://ometallah.com/svojstva/dvoyakost-titana.html
  • https://crast.ru/instrumenty/titan-temperatura-plavlenija-v-gradusah
  • https://LedModa.ru/obrabotka/temperatura-plavleniya-titana-v-gradusah.html

[свернуть]
Ссылка на основную публикацию