У періодичній системі хімічний елемент титан позначається, як Ti (Titanium) і знаходиться в побічній підгрупі IV групи, в 4 періоді під атомним номером 22. Це сріблясто-білий твердий метал, який входить до складу великої кількості мінералів. Купити титан можна на нашому сайті.

Відкрили титан наприкінці 18 століття хіміки з Англії та Німеччини Ульям Грегор та Мартін Клапрот, причому незалежно один від одного із шестирічною різницею. Назву елементу дав саме Мартін Клапрот на честь давньогрецьких персонажів титанів (величезних, сильних, безсмертних істот). Як виявилося, назва стала пророчою, але щоб познайомитися з усіма властивостями титану, людству знадобилося ще понад 150 років. Лише за три десятиліття вдалося отримати перший зразок металу титану. На той час його практично не використовували через крихкість. В 1925 після ряду дослідів, за допомогою йодидного методу хіміки Ван Аркель і Де Бур здобули чистий титан.

Завдяки цінним властивостям металу, на нього відразу звернули увагу інженери та конструктори. То справжній прорив. В 1940 Кролль розробив магнієтермічний спосіб отримання титану з руди. Цей спосіб актуальний і сьогодні.

Фізичні та механічні властивості

Титан є доволі тугоплавким металом. Температура його плавлення становить 1668±3°С. За цим показником він поступається таким металам, як тантал, вольфрам, реній, ніобій, молібден, тантал, цирконій. Титан – це парамагнітний метал. У магнітному полі він не намагнічується, але не виштовхується з нього. Зображення 2
Титан має низьку щільність (4,5 г/см³) і високу міцність (до 140 кг/мм²). Ці властивості практично не змінюються за високих температур. Він більш ніж у 1,5 рази важчий за алюміній (2,7 г/см³), зате в 1,5 разу легший залізо (7,8 г/см³). За механічними властивостями титан набагато перевершує ці метали. По міцності титан та її сплави розташовуються одному ряду з багатьма марками легованих сталей.

За стійкістю до корозії титан не поступається платині. Метал має відмінну стійкість в умовах кавітації. Пухирці повітря, що утворюються в рідкому середовищі при активному русі титанової деталі, практично не руйнують її.

Це міцний метал, здатний чинити опір руйнуванню та пластичній деформації. Він у 12 разів твердіший за алюміній і в 4 рази - міді та заліза. Ще один важливий показник – це межа плинності. Зі збільшенням цього показника покращується опір деталей із титану експлуатаційним навантаженням.

У сплавах з певними металами (особливо з нікелем та воднем) титан здатний «запам'ятовувати» форму виробу, створену за певної температури. Такий виріб потім можна деформувати і він надовго збереже це становище. Якщо ж виріб нагріти до температури, при якій він був зроблений, то виріб набуде початкової форми. Називають цю властивість «пам'яттю».

Теплопровідність титану порівняно низька і коефіцієнт лінійного розширення відповідно також. З цього випливає, що метал погано проводить електрику та тепло. Натомість за низьких температур він є надпровідником електрики, що дозволяє йому передавати енергію на значні відстані. Також титан має високий електроопір.
Чистий метал титан підлягає різним видам обробки у холодному та гарячому стані. Його можна витягувати і робити дріт, кувати, прокочувати у стрічки, листи та фольгу з товщиною до 0,01 мм. З титану виготовляють такі види прокату: титанова стрічка, титановий дріт, титанові труби, титанові втулки, титанове коло, титановий пруток.

Хімічні властивості

Чистий титан – це хімічно активний елемент. Завдяки тому, що на його поверхні формується щільна захисна плівка, метал має високу стійкість до корозії. Він не піддається окисленню на повітрі, у солоній морській воді, не змінюється у багатьох агресивних хімічних середовищах (наприклад: розбавлена ​​та концентрована азотна кислота, царська горілка). За високих температур титан взаємодіє з реагентами набагато активніше. На повітрі за нормальної температури 1200°З відбувається його займання. Зайнявшись, метал дає яскраве свічення. Активна реакція відбувається з азотом, з утворенням нітридної плівки жовто-коричневого кольору на поверхні титану.

Реакції із соляною та сірчаною кислотами при кімнатній температурі слабкі, але при нагріванні метал посилено розчиняється. В результаті реакції утворюються нижчі хлориди та моносульфат. Також відбуваються слабкі взаємодії з фосфорною та азотною кислотами. Метал реагує із галогенами. Реакція із хлором відбувається при 300°С.
Активна реакція з воднем протікає при температурі трохи вище за кімнатну. Титан активно поглинає водень. 1 г титану може поглинути до 400 см водню. Нагрітий метал розкладає двоокис вуглецю та пари води. Взаємодія з парами води відбувається за температури понад 800°С. В результаті реакції утворюється оксид металу і випаровується водень. При вищій температурі гарячий титан поглинає вуглекислий газ і утворює карбід та оксид.

Способи отримання

Титан є одним із найпоширеніших елементів на Землі. Зміст їх у надрах планети за масою становить 0,57%. Найбільша концентрація металу спостерігається в «базальтовій оболонці» (0,9%), у гранітних породах (0,23%) та в ультраосновних породах (0,03%). Існує близько 70 мінералів титану, в яких він міститься у вигляді титанової кислоти або двоокису. Головні мінерали титанових руд це: ільменіт, анатаз, рутил, брукіт, лопарит, лейкоксен, перовскіт та сфен. Основні світові виробники титану – це Великобританія, США, Франція, Японія, Канада, Італія, Іспанія та Бельгія.
Існує кілька способів отримання титану. Усі вони застосовуються практично і цілком ефективні.

1. Магнієтермічний процес.

Видобувають руду, що містить титан і переробляють його в діоксид, який повільно і при дуже високих температурних значеннях хлорують. Хлорування проводять у вуглецевому середовищі. Потім хлорид титану, що утворився в результаті реакції, відновлюють магнієм. Отриманий метал нагрівають у вакуумному устаткуванні за високої температури. В результаті магній і хлорид магнію випаровуються, залишається титан з безліччю пір і порожнин. Губчастий титан переплавляють для одержання якісного металу.

2. Гідридно-кальцієвий метод.

Спочатку отримують гідрид титану, а потім поділяють на компоненти: титан і водень. Процес відбувається у безповітряному просторі за високої температури. Утворюється оксид кальцію, який проходить відмивання слабкими кислотами.
Гідридно-кальцієвий та магнієтермічний методи зазвичай використовуються у промислових масштабах. Ці методи дозволяють отримати значну кількість титану за невеликий проміжок часу з мінімальними грошовими витратами.

3. Електролізний метод.

Хлорид або діоксид титану піддається дії високої сили струму. В результаті відбувається розкладання з'єднань.

4. Йодідний метод.

Діоксид титану взаємодіє із парами йоду. Далі на титановий йодид впливають високою температурою, у результаті виходить титан. Цей метод є найефективнішим, але й найдорожчим. Титан виходить дуже високої чистоти без домішок та добавок.

Застосування титану

Завдяки добрим антикорозійним властивостям титан використовують для виготовлення хімічної апаратури. Висока жаростійкість металу та його сплавів сприяє застосуванню у сучасній техніці. Сплави титану - це чудовий матеріал для літакобудування, ракетобудування та суднобудування.

З титану творять пам'ятники. А дзвони з цього металу відомі надзвичайним та дуже гарним звучанням. Двоокис титану є компонентом деяких лікарських засобів, наприклад: мазі проти шкірних захворювань. Також великим попитом користуються з'єднання металу з нікелем, алюмінієм та вуглецем.

Титан та його сплави знайшли застосування у таких сферах, як хімічна та харчова промисловість, кольорова металургія, електроніка, ядерна техніка, енергомашинобудування, гальванотехніка. Озброєння, броньові плити, хірургічні інструменти та імплантати, зрошувальні установки, спортінвентар і навіть прикраси роблять із титану та його сплавів. У процесі азотування на поверхні металу утворюється золотиста плівка, яка не поступається красою навіть справжньому золоту.

Елемент 22 (англ. Titanium, франц. Titane, нім. Titan) відкрито наприкінці XVIII ст., коли пошуки та аналізи нових, ще не описаних у літературі мінералів захоплювали не тільки хіміків та мінералогів, а й вчених-аматорів. Один із таких любителів, англійський священик Грегор, знайшов у своїй парафії в долині Меначан у Корнуеллі чорний пісок, змішаний із тонким брудно-білим піском. Грегор розчинив пробу піску в соляній кислоті; у своїй з піску виділилося 46% заліза. Решту проби Грегор розчинив у сірчаній кислоті, причому майже вся речовина перейшла в розчин, за винятком 3,5% кремнезему. Після упарювання сірчанокислотного розчину залишився білий порошок у кількості 46% проби. Грегор вважав його особливим видом вапна, розчинної в надлишку кислоти і об'ємом їдким калі. Продовжуючи дослідження порошку, Грегор дійшов висновку, що він є з'єднанням заліза з якимось невідомим металом. Порадившись зі своїм другом, мінералогом Хавкінсом, Грегор опублікував у 1791 р. результати своєї роботи, запропонувавши назвати новий метал меначином (Menachine) від імені долини, в якій було знайдено чорний пісок. Відповідно до цього вихідний мінерал отримав назву менаконіт. Клапрот познайомився з повідомленням Грегора і незалежно від нього зайнявся аналізом мінералу, відомого на той час під назвою "червоного угорського шерла" (рутил). Незабаром йому вдалося виділити з мінералу оксид невідомого металу, який він назвав титаном (Titan) за аналогією з титанами - давніми міфічними мешканцями землі. Клапрот навмисно обрав міфологічну назву на противагу назвам елементів за їх властивостями, як було запропоновано Лавуазьє та Номенклатурною комісією Паризької академії наук і що призводило до серйозних непорозумінь. Підозрюючи, що меначин Грегора і титан - той самий елемент, Клапрот зробив порівняльний аналіз менаконіту і рутила і встановив ідентичність обох елементів. У Росії наприкінці ХІХ ст. титан виділив з ільменіту і докладно вивчив з хімічної сторони Т.Є.Ловіц; при цьому він наголосив на деяких помилках у визначеннях Клапроту. Електролітично чистий титан було отримано 1895 р. Муассаном. У російській літературі початку ХІХ ст. титан іноді називається титаном (Двігубський, 1824), там же за п'ять років фігурує назва титан.

Титан був названий «грегоритом» британським хіміком преподобним Вільямом Грегором, який відкрив його 1791 року. Потім титан був незалежно відкритий німецьким хіміком М. Х. Клапротом у 1793 році. Він назвав його титаном на честь титанів із грецької міфології – «втілення природної сили». Тільки в 1797 Клапрот виявив, що його титан був елементом, раніше відкритим Грегором.

Характеристики та властивості

Титан - це хімічний елемент із символом Ti та атомним номером 22. Це блискучий метал із сріблястим кольором, низькою щільністю та високою міцністю. Він стійкий до корозії в морській воді та хлорі.

Елемент зустрічаєтьсяу ряді родовищ корисних копалин, головним чином рутила та ільменіту, які широко поширені у земній корі та літосфері.

Титан використовується для міцних легких сплавів. Двома найбільш корисними властивостями металу є корозійна стійкість та відношення твердості до щільності, найвище з будь-якого металевого елемента. У своєму нелегованому стані цей метал так само міцний, як деякі сталі, але менш щільний.

Фізичні властивості металу

Це міцний металз низькою щільністю, досить пластичний (особливо в безкисневому середовищі), блискучий і металоїдно-білий. Відносно висока температура плавлення більше 1650 °C (або 3000 °F) робить його корисним як тугоплавкий метал. Він парамагнітний і має досить низьку електричну та теплопровідність.

За шкалою Мооса твердість титану дорівнює 6. За цим показником він трохи поступається загартованій сталі та вольфраму.

Комерційно чисті (99,2%) титани мають граничну міцність на розрив близько 434 МПа, що відповідає звичайним низькосортним сталевим сплавам, але при цьому титан набагато легший.

Хімічні властивості титану

Як алюміній та магній, титан та його сплави відразу ж окислюються при впливі повітря. Він повільно реагує з водою та повітрям при температурі навколишнього середовища, тому що утворює пасивне оксидне покриття, Що захищає об'ємний метал від подальшого окислення.

Атмосферна пасивація дає титану відмінну стійкість до корозії майже еквівалентну платині. Титан здатний протистояти атаці розбавлених сірчаних та соляних кислот, розчинів хлориду та більшості органічних кислот.

Титан є одним із небагатьох елементів, які згоряють у чистому азоті, реагуючи при 800° C (1470° F) з утворенням нітриду титану. Через свою високу реакційну здатність з киснем, азотом та деякими іншими газами титанові нитки застосовуються в титанових сублімаційних насосах як поглиначі для цих газів. Такі насоси недорогі та надійно виробляють надзвичайно низький тиск у системах надвисокого вакууму.

Звичайними мінералами, що містять титан, є анатаз, брукіт, ільменіт, перовскіт, рутил і титаніт (сфен). З цих мінералів лише рутилта ільменіт мають економічне значення, але навіть їх важко знайти у високих концентраціях.

Титан міститься в метеоритах і він був виявлений на Сонці та зірках M-типу з температурою поверхні 3200 ° C (5790 ° F).

Відомі нині методи вилучення титану з різних руд є трудомісткими і дорогими.

Виробництво та виготовлення

В даний час розроблені та використовуються близько 50 сортів титану та титанових сплавів. На сьогоднішній день визнається 31 клас титанового металу та сплавів, з яких класи 1-4 є комерційно чистими (нелегованими). Вони відрізняються міцністю на розрив залежно від вмісту кисню, причому клас 1 є найбільш пластичним (найнижча міцність на розрив із вмістом кисню 0,18%), а клас 4 - найменш пластичний (максимальна міцність на розрив із вмістом кисню 0,40%) ).

Класи, що залишилися, є сплавами, кожен з яких має конкретні властивості:

• пластичність;
• міцність;
• твердість;
• електроопір;
• питома корозійна стійкість та їх комбінації.

На додаток до цих специфікацій, титанові сплави також виготовляються для відповідності вимогам аерокосмічної та військової техніки (SAE-AMS, MIL-T), стандартам ISO та специфікаціям за конкретними країнами, а також вимогам кінцевих користувачів для аерокосмічних, військових, медичних та промислових застосувань.

Комерційно чистий плоский продукт (аркуш, плита) може бути легко сформований, але обробка повинна враховувати той факт, що метал має пам'ять і тенденцію до повернення назад. Особливо це стосується деяких високоміцних сплавів.

Титан часто використовується для виготовлення сплавів:

• з алюмінієм;
• з ванадієм;
• з міддю (для затвердіння);
• із залізом;
• з марганцем;
• з молібденом та іншими металами.

Області застосування

Титанові сплави у формі листа, плити, стрижнів, дроту, виливки знаходять застосування на промислових, аерокосмічних, рекреаційних та ринках, що розвиваються. Порошковий титан використовується в піротехніці як джерело яскравих частинок, що горять.

Оскільки сплави титану мають високе відношення міцності на розрив до густини, високу корозійну стійкість, стійкість до втоми, високу стійкість проти тріщин і здатність витримувати помірно високі температури, вони використовуються в літаках, при бронюванні, морських кораблях, космічних кораблях і ракетах.

Для цих застосувань титан легований алюмінієм, цирконієм, нікелем, ванадієм та іншими елементами для виробництва різних компонентів, включаючи критичні конструктивні елементи, вогневі стіни, шасі, вихлопні труби (вертольоти) та гідравлічні системи. Фактично близько двох третин виробленого титанового металу використовують у авіаційних двигунах і рамах.

Оскільки сплави титану стійкі до корозії морською водою, вони використовуються для виготовлення гребних валів, оснащення теплообмінників тощо.

Питомі сплави застосовуються у свердловинних та нафтових свердловинах та нікелевій гідрометалургії для їх високої міцності. Целюлозно-паперова промисловість використовує титан у технологічному обладнанні, схильному до впливу агресивних середовищ, таких як гіпохлорит натрію або вологий хлорний газ (у відбілюванні). Інші застосування включають ультразвукове зварювання, хвильове паяння.

Крім того, ці сплави використовуються в автомобілях, особливо в автомобільних та мотоциклетних гонках, де вкрай важливі низька вага, висока міцність та жорсткість.

Титан використовується в багатьох спортивних товарах: тенісні ракетки, ключки для гольфу, вали з лакросу; крикет, хокей, лакрос та футбольні шоломи, а також велосипедні рами та компоненти.

Завдяки своїй довговічності титан став популярнішим для дизайнерських ювелірних виробів (зокрема, титанових кілець). Його інертність робить його хорошим вибором для людей з алергією або тих, хто носитиме прикраси в таких середовищах, як плавальні басейни. Титан також легований золотом для виробництва сплаву, який може бути проданий як 24-каратне золото, тому що 1% легованого Ti недостатньо, щоб вимагати меншої позначки. Отриманий сплав є приблизно твердістю 14-каратного золота і міцнішим, ніж чисте 24-каратне золото.

Запобіжні заходи

Титан є нетоксичним навіть у великих дозах. У вигляді порошку або у вигляді металевої стружки, він є серйозною небезпекою пожежі і, при нагріванні на повітрі, небезпека вибуху.

Властивості та застосування титанових сплавів

Нижче представлений огляд титанових сплавів, що найчастіше зустрічаються, які діляться на класи, їх властивості, переваги і промислові застосування.

7 клас

Клас 7 механічно та фізично еквівалентний класу 2 чистого титану, за винятком додавання проміжного елемента паладію, що робить його сплавом. Він має чудову зварюваність і еластичність, найбільш корозійну стійкість зі всіх сплавів цього типу.

Клас 7 використовується у хімічних процесах та компонентах виробничого обладнання.

11 клас

Клас 11 дуже схожий на клас 1, за винятком додавання паладію для підвищення корозійної стійкості, що робить його сплавом.

Інші корисні властивостівключають оптимальну пластичність, міцність, ударну в'язкість та відмінну зварюваність. Цей сплав можна використовувати особливо у випадках, коли корозія викликає проблеми:

• хімічна обробка;
• виробництво хлоратів;
• опріснення;
• морські застосування.

Ti 6Al-4V, клас 5

Сплав Ti 6Al-4V, або титан 5 класу, найчастіше використовується. На його частку припадає 50% загального споживання титану в усьому світі.

Зручність використання полягає у його численних перевагах. Ti 6Al-4V може піддаватися термообробці підвищення його міцності. Цей сплав має високу міцність при малій масі.

Це найкращий сплав для використання у кількох галузях промисловості, таких як аерокосмічна, медична, морська та хімічна переробна промисловість. Його можна використовувати при створенні:

• авіаційних турбін;
• компонент двигуна;
• конструктивних елементів літака;
• аерокосмічних кріпильних виробів;
• високопродуктивних автоматичних деталей;
• спортивне обладнання.

Ti 6AL-4V ELI, клас 23

Клас 23 – хірургічний титан. Сплав Ti 6AL-4V ELI, або клас 23, є версією вищої чистоти Ti 6Al-4V. Він може бути виготовлений з рулонів, ниток, дротів або плоских дротів. Це найкращий вибір для будь-якої ситуації, коли потрібне поєднання високої міцності, малої маси, гарної корозійної стійкості та високої в'язкості. Він має чудову стійкість до пошкоджень.

Він може використовуватися в біомедичних застосуваннях, таких як компоненти, що імплантуються, через його біосумісність, хорошу втомну міцність. Його також можна використовувати у хірургічних процедурах для виготовлення таких конструкцій:

• ортопедичні штифти та гвинти;
• затискачі для лігатури;
• хірургічні скоби;
• пружини;
• ортодонтичні прилади;
• кріогенні судини;
• пристрої фіксації кістки.

12 клас

Титан класу 12 має відмінну високоякісну зварюваність. Це високоміцний сплав, який забезпечує міцність при високих температурах. Титан класу 12 має характеристики, подібні до нержавіючих сталей серії 300.

Його здатність формуватися у різний спосіб робить його корисним у багатьох додатках. Висока корозійна стійкість цього сплаву робить його неоціненним для виробничого обладнання. Клас 12 можна використовувати у таких галузях:

• теплообмінники;
• гідрометалургійні застосування;
• хімічне виробництво із підвищеною температурою;
• морські та повітряні компоненти.

Ti 5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn – це сплав, який може забезпечити хорошу зварюваність із стійкістю. Він також має високу температурну стабільність і високу міцність.

Ti 5Al-2,5Sn в основному використовується в авіаційній сфері, а також у кріогенних установках.

Найбільш значущими для народного господарства були і залишаються сплави та метали, що поєднують легкість та міцність. Титан відноситься саме до цієї категорії матеріалів і, крім того, має чудову корозійну стійкість.

Титан – перехідний метал 4 групи 4 періоди. Молекулярна маса його становить лише 22, що вказує на легкість матеріалу. При цьому речовина відрізняється винятковою міцністю: серед усіх конструкційних матеріалів саме у титану найвища питома міцність.

Колір сріблясто-білий.

Що таке титан, розповість відео нижче:

Поняття та особливості

Титан досить поширений - за вмістом у земній корі займає 10 місце. Проте виділити справді чистий метал вдалося лише 1875 року. До цього речовину або отримували з домішками, або називали металевим титаном його сполуки. Ця плутанина призвела до того, що з'єднання металу стали використовуватися значно раніше, ніж метал.

Так, найменша частка інших металів позбавляє титан жароміцності, що одна із його цінних якостей. А невелика добавка неметалу перетворює міцний матеріал на тендітний і непридатний до застосування.

Ця особливість відразу ж розділила одержуваний метал на 2 групи: технічний та чистий.

• Першийзастосовують у тих випадках, коли найбільше потрібна міцність, легкість та корозійна стійкість, оскільки остання якість титан не втрачає ніколи.
• Матеріал великої чистотивикористовується там, де потрібен матеріал, що працює при дуже великих навантаженнях і великих температурах, але при цьому відрізняється легкістю. Це, звісно, ​​авіа- та ракетобудування.

Друга особлива риса речовини – анізотропність. Деякі його фізичні якості змінюються залежно від застосування сил, що необхідно враховувати при застосуванні.

За нормальних умов метал інертний, не кородує ні в морській воді, ні в морському чи міському повітрі. Більше того, це найбіологічніше інертна речовина з відомих, завдяки чому в медицині широко застосовуються титанові протези та імплантати.

У той самий час у разі підвищення температури він починає реагувати з киснем, азотом і навіть воднем, а рідкому вигляді вбирає гази. Ця неприємна особливість вкрай ускладнює отримання самого металу, і виготовлення сплавів на його основі.

Останнє можливе лише за умови використання вакуумної апаратури. Найскладніший процес виробництва перетворив досить поширений елемент на дуже дорогий.

Зв'язок з іншими металами

Титан займає проміжне положення між двома іншими найвідомішими конструкційними матеріалами – алюмінієм та залізом, точніше, сплавами заліза. За багатьма параметрами метал перевершує «конкурентів»:

• механічна міцність титану в 2 рази вища, ніж у заліза, та у 6 разів, ніж у алюмінію. При цьому міцність при зниженні температури зростає;
• корозійна стійкість набагато вища, ніж у заліза і навіть алюмінію;
• при нормальній температурі титан інертний. Однак при підвищенні до 250 С починає поглинати водень, що позначається на властивостях. По хімічної активності він поступається магнію, але, на жаль, перевершує залізо та алюміній;
• метал набагато слабше проводить електрику: його питомий електроопір вищий, ніж у заліза 5 разів, вище, ніж у алюмінію в 20 разів, і вище, ніж у магнію в 10 разів;
• теплопровідність також набагато нижча: менше, ніж 1 заліза у 3 рази, і менше, ніж у алюмінію у 12 разів. Однак це властивість зумовлює дуже низький коефіцієнт температурного розширення.

Плюси і мінуси

Насправді недоліків у титану безліч. Але поєднання міцності та легкості настільки затребуване, що ні складний спосіб виготовлення, ні необхідність виняткової чистоти не зупиняють споживачів металу.

До безперечних плюсів речовини відносяться:

• низька щільність, що означає дуже невелику вагу;
• виняткова механічна міцність як самого металу титану, так і його сплавів. При підвищенні температури титанові сплави перевершують усі сплави алюмінію та магнію;
• співвідношення міцності та щільності – питома міцність, досягає 30-35, що майже в 2 рази вище, ніж у кращих конструкційних сталей;
• на повітрі титан підлягає покриттю тонким шаром оксиду, який забезпечує чудову корозійну стійкість.

Недоліків у металу теж вистачає:

• стійкість до корозії та інертність відноситься лише до продукції з неактивною поверхнею. Титанова пил або стружка, наприклад, самозаймаються і згоряють з температурою 400 С;
• дуже складний спосіб одержання металу титан забезпечує дуже високу вартість. Матеріал набагато дорожчий заліза, або ;
• здатність убирати атмосферні гази при підвищенні температури вимагає застосування при плавці та отриманні сплавів вакуумної апаратури, що теж помітно збільшує вартість;
• титан відрізняється поганими антифрикційними властивостями – на тертя не працює;
• метал та його сплави схильні до водневої корозії, запобігти якій складно;
• титан погано піддається обробці різанням. Зварювання його теж утруднене через фазовий переход під час нагрівання.

Аркуш титану (фото)

Властивості та характеристики

Сильно залежить від чистоти. Довідкові дані описують звичайно чистий метал, але характеристики технічного титану можуть помітно відрізнятися.

• Щільність металу зменшується при нагріванні від 4,41 до 4,25 г/куб див. Фазовий перехід змінює густину лише на 0,15%.
• Температура плавлення металу – 1668°С. температуру кипіння – 3227°С. Титан є тугоплавкою речовиною.
• У середньому межа міцності на розтяг становить 300-450 МПа, проте цей показник можна збільшити до 2000 МПА, вдавшись до загартування і старіння, а також введення додаткових елементів.
• За шкалою НВ твердість становить 103 і це межа.
• Теплоємність титану невелика – 0,523 кДж/(кг К).
• Питомий електроопір - 42,1 · 10 -6 ом · див.
• Титан є парамагнітом. При зниженні температури його магнітна сприйнятливість зменшується.
• Металу в цілому властиві пластичність та ковкість. Однак на ці властивості сильно впливають кисень та азот у сплаві. Обидва елементи надають матеріалу крихкість.

Речовина стійка до багатьох кислот, включаючи азотну, сірчану в низькій концентрації і практично всі органічні за винятком мурашиної. Ця якість забезпечує титану затребуваність у хімічній, нафтохімічній, паперовій промисловості тощо.

Структура та склад

Титан – хоч і перехідний метал, та й питомий електроопір має низький, проте є металом і проводить електричний струм, а це означає впорядковану структуру. При нагріванні до певної температури структура змінюється:

• до 883 З стійкою є α-фаза із щільністю 4,55 г/куб. див. Вона відрізняється щільною гексагональною решіткою. Кисень розчиняється у цій фазі з утворенням розчинів впровадження та стабілізує α-модифікацію – відсуває температурну межу;
• вище 883 С стабільна β-фаза з об'ємно-центрованими кубічними гратами. Щільність його дещо менша – 4,22 г/куб. див. Цю структуру стабілізує водень - при його розчиненні в титані також утворюються розчини застосування та гідриди.

Ця особливість дуже ускладнює роботу металурга. Розчинність водню при охолодженні титану різко зменшується, і в сплаві випадає гідрид водню - γ-фаза.

Він стає причиною появи холодних тріщин під час зварювання, тому виробникам доводиться застосовувати додаткові зусилля після плавки металу, щоб очистити його від водню.

Про те, де можна знайти і як зробити титан, розкажемо нижче.

Дане відео присвячене опису титану як металу:

Виробництво та видобуток

Титан дуже поширений, так що з рудами, що містять метал, причому у досить великих кількостях, труднощів не виникає. Вихідною сировиною виступає рутил, анатаз і брукіт - діоксиди титану в різній модифікації, ільменіт, пірофаніт - сполуки із залізом, і так далі.

А ось складна і вимагає дорогої апаратури. Способи одержання дещо відрізняються, оскільки склад руди різний. Наприклад, схема отримання металу з ільменітових руд виглядає так:

• отримання титанового шлаку – породу завантажують в електродугову піч разом із відновником – антрацитом, деревним вугіллям та прогрівають до 1650 С. При цьому відокремлюють залізо, яке йде на отримання чавуну та діоксиду титану в шлаку;
• шлак хлорують у шахтних або сольових хлораторах. Суть процесу зводиться до того, щоб перевести твердий діоксид газоподібний тетрахлорид титану;
• у печах опору у спеціальних колбах метал відновлюють натрієм або магнієм із хлориду. У результаті одержують просту масу – титанову губку. Це технічний титан цілком придатний виготовлення хімічної апаратури, наприклад;
• якщо ж потрібно більш чистий метал, вдаються до рафінування - при цьому метал реагує з йодом для того, щоб отримати газоподібний йодид, а останній під дією температури - 1300-1400 С, і електричного струму, розкладається, вивільняючи чистий титан. Електричний струм подається через натягнутий у реторті титановий дріт, на який і осаджується чиста речовина.

Щоб отримати титан у зливках, титанову губку переплавляють у вакуумній печі, щоб запобігти розчиненню водню та азоту.

Ціна титану за 1 кг дуже висока: залежно від ступеня чистоти метал коштує від 25 до 40$ за 1 кг.З іншого боку, корпус кислототривкого апарату з нержавіючої сталі обійдеться в 150 гр. та прослужить не більше 6 місяців. Титановий буде коштувати близько 600 р., але експлуатується протягом 10 років. Багато виробництв титану є у Росії.

Області застосування

Вплив ступеня очищення на фізико-механічні якості змушує розглядати саме з цього погляду. Так, технічний, тобто, не найчистіший метал має чудову корозійну стійкість, легкість і міцність, що і обумовлює його застосування:

• хімічна промисловість– теплообмінники, труби, корпуси, деталі насосів, арматура тощо. Матеріал незамінний на ділянках, де потрібна стійкість до кислот та міцність;
• транспортна промисловість- Речовина використовується для виготовлення засобів пересування від залізничних поїздів до велосипедів. У першому випадку, метал забезпечує меншу масу складів, що робить тягу більш ефективною, в останньому - надає легкість і міцність, адже не дарма титанова велосипедна рама вважається кращою;
• військово-морська справа– з титану виготовляють теплообмінники, вихлопні глушники для підводних човнів, клапан, пропелери тощо;
• в будівництвішироко застосовують -титан - прекрасний матеріал для обробки фасадів та покрівель. Разом із міцністю сплав забезпечує ще одне важливе для архітектури гідність – можливість надавати виробам найхимернішу конфігурацію, здатність до формоутворення у сплаву необмежена.

Чистий метал, крім того, дуже стійкий до високих температур і зберігає при цьому міцність. Застосування очевидно:

• ракето- та авіабудування – з нього виготовляють обшивку. Деталі двигунів, елементи кріплення, частини шасі тощо;
• медицина – біологічна інертність і легкість робить титан куди перспективнішим матеріалом при протезуванні, до серцевих клапанів;
• кріогенна техніка - титан є однією з небагатьох речовин, які при зниженні температури стають лише міцнішими і не втрачають пластичності.

Титан – конструкційний матеріал найвищої міцності при такій легкості та пластичності. Ці унікальні якості забезпечують йому важливу роль народному господарстві.

Про те, де взяти титан для ножа, розповість відео нижче:

- Елемент 4 групи 4 періоду. Перехідний метал, виявляє і основні, і кислотні властивості, досить поширений у природі – 10 місце. Найбільш цікавим для народного господарства є поєднання високої твердості металу та легкості, що робить його незамінним елементом для авіабудування. Ця стаття розповість вам про маркування, легуючі та інші властивості металу титану, дасть загальну характеристику та цікаві факти про нього.

На вигляд метал найбільше нагадує сталь, проте механічні його якості вищі. При цьому титан відрізняється малою вагою – молекулярна маса 22. Фізичні властивості елемента вивчені досить добре, проте сильно залежать від чистоти металу, що призводить до суттєвих відхилень.

Крім того, має значення його специфічні хімічні властивості. Титан стійкий до лугів, азотної кислоти, і в той же час бурхливо взаємодіє з сухими галогенами, а за більш високої температури – з киснем та азотом.

Гірше того, він починає поглинати водень ще за кімнатної температури, якщо є активна поверхня. На розплаві вбирає кисень і водень настільки інтенсивно, що розплавлення доводиться проводити у вакуумі.

• Ще одна важлива особливість, що визначає фізичні характеристики – існування двох фаз стану.Низькотемпературна
• – α-Ti має гексагональну щільноупаковану решітку, щільність речовини – 4,55 г/куб. см (при 20°С).Високотемпературна

– β-Ti характеризується об'ємно-центрованим кубічними гратами, щільність фази, відповідно, менша – 4, 32 г/куб. див. (при 900С).

За звичайних умов метал покривається захисною оксидною плівкою. За її відсутності титан становить велику небезпеку. Так, титанова пил може вибухати, температура такого спалаху 400С. Титанова стружка є пожежонебезпечним матеріалом і зберігається у спеціальному середовищі.

Про структуру та властивості титану розповідає відео нижче:

Властивості та характеристики титану

Титан на сьогодні є найміцнішим серед усіх існуючих технічних матеріалів, тому, незважаючи на складність отримання та високі вимоги до безпеки, застосовується досить широко. Фізичні характеристики елемента досить незвичайні, проте дуже залежить від чистоти. Так, чистий титан і сплави активно застосовуються в ракето-і авіабудуванні, а технічний непридатний, оскільки через домішки втрачає міцність за високих температур.

Щільність металу

Щільність речовини змінюється в залежності від температури та фази.

• При температурі від 0 до температури плавлення зменшується від 4,51 до 4,26 г/куб. см, причому під час фазового переходу підвищуєте на 0,15%, а потім знову зменшується.
• Щільність рідкого металу складає 4,12 г/куб. см, а потім зменшується із підвищенням температури.

Температури плавлення та кипіння

Фазовий перехід поділяє всі властивості металу на якості, які може виявляти α- та β-фази. Так, щільність до 883 С, відноситься до якостей α-фази, а температури плавлення та кипіння – до параметрів β-фази.

• Температура плавлення титану (у градусах) становить 1668+/-5°С;
• Температура кипіння сягає 3227°С.

Горіння титану розглянуто у цьому відеоролику:

Механічні особливості

Титан приблизно в 2 рази міцніший заліза і в 6 разів - алюміній, що і робить його таким цінним конструкційним матеріалом. Показники відносяться до властивостей α-фази.

• Межа міцності речовини при розтягуванні становить 300-450 МПа. Показник можна збільшити до 2000 МПа, додавши деякі елементи, а також вдавшись до спеціальної обробки – загартування та старіння.

Цікаво те, що високу питому міцність титан зберігає і за найнижчих температур. Понад те, при зниженні температури міцність на згин зростає: при +20 З показник становить 700 МПа, а при -196 – 1100 МПа.

• Пружність металу відносно невелика, що є суттєвим недоліком речовини. Модуль пружності за нормальних умов 110,25 ГПа. Крім того, титану властива анізотропія: пружність у різних напрямках досягає різного значення.
• Твердість речовини за шкалою НВ становить 103. Причому це показник усереднений. Залежно від чистоти металу та характеру домішок твердість може бути й вищою.
• Умовна межа плинності становить 250-380 МПа. Чим вище цей показник, тим краще вироби з речовини протистоять навантаженням і тим більше опираються зносу. Показник титану перевищує показник алюмінію у 18 разів.

Порівняно з іншими металами, що мають таку ж решітку, метал має дуже пристойну пластичність і ковкість.

Теплоємність

Метал відрізняється низькою теплопровідністю, тому у відповідних областях – виготовлення термоелектродів, наприклад, не застосовується.

• Теплопровідність його становить 16,76 l Вт/(м × град). Це менше ніж у заліза у 4 рази та у 12 разів менше, ніж у .
• Проте коефіцієнт термічного розширення у титану нікчемний при нормальній температурі і зростає при підвищенні температури.
• Теплоємність металу становить 0,523 кДж/(кг К).

Електричні характеристики

Як найчастіше і буває, низька теплопровідність забезпечує низьку електропровідність.

• Питомий електроопір металу дуже великий - 42,1 · 10 -6 ом · см в нормальних умовах. Якщо вважати провідність срібла рівною 100%, то провідність титану дорівнюватиме 3,8%.
• Титан є парамагнітом, тобто його не можна намагнічувати в полі, як залізо, але й виштовхуватися з поля, як він не буде. Властивість це зі зниженням температури лінійно зменшується, але, пройшовши мінімум, дещо збільшується. Питома магнітна сприйнятливість становить 3,2 10 -6 Г -1 . Сприйнятливість, так само як і пружність утворює анізотропію і змінюється в залежності від напрямку.

При температурі 3,8 К титан стає надпровідником.

Корозійна стійкість

У нормальних умовах титан відрізняється дуже високими антикорозійними властивостями. На повітрі його покриває шар оксиду титану товщиною 5-15 мкм, що забезпечує відмінну хімічну інертність. Метал не корродує у повітрі, морському повітрі, морській воді, вологому хлорі, хлорній воді та численних інших технологічних розчинах та реагентах, що робить матеріал незамінним у хімічній, папероробній, нафтовій промисловості.

При підвищенні температури або сильному подрібненні металу картина різко змінюється. Метал реагує майже з усіма газами, які входять до складу атмосфери, а рідкому стані ще й вбирає їх.

Безпека

Титан є одним із найбільш біологічно інертних металів. У медицині він застосовується виготовлення протезів, оскільки відрізняється стійкістю до корозії, легкістю і довговічністю.

Діоксид титану не настільки безпечний, хоча використовується набагато частіше – у косметологічній, харчовій промисловості, наприклад. За деякими даними – UCLA, дослідження професора патології Роберта Шистла, наночастинки діоксиду титану впливають на генетичний апарат та можуть сприяти розвитку раку. Причому через шкірний покрив речовина не проникає, тому застосування сонцезахисних засобів, у складі яких є діоксид, небезпеки не становить, а от речовина, що потрапляє всередину організму – з харчовими барвниками, біологічними біодобавками, може виявитися небезпечною.

Титан – унікально міцний, твердий та легкий метал з дуже цікавими хімічними та фізичними властивостями. Це поєднання настільки цінне, що навіть складнощі з виплавкою та очищенням титану виробників не зупиняють.

Про те, як відрізнити титан від сталі, цей відеосюжет і розповість:

Знання