Титан впервые был открыт в 1791 г., в достаточно чистом виде выделен в 1925 г., а первый промышленный материал получен только 1948 г. За это время благодаря обширным исследованиям становятся известными его весьма цепные свойства как конструкционного материала.
По распространенности в земной каре титан среди металлов занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Широкая распространенность в земной коре и прекрасное сочетание физических и химических свойств делают титан одним из лучших металлов настоящего и будущего.
Титан по внешнему виду представляет собой блестящий серебристый белый металл. Это легкий металл. По относительной плотности, которая равна 4,5, титан занимает промежуточное место между железом и алюминием, а по температуре плавления превосходит оба эти металла. Его температура плавления равна 16650С.
Титан имеет две аллотропные модификации: до 8820С (существует a-титан, имеющий гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку, а при более высоких температурах, более 9000С - b титан, имеющий объемноцентрированную кубическую решетку.
|
|
Аллотропные превращения позволяют подвергать титан и его сплавы термической обработке, однако ее эффект ниже, чем у сталей.
Коррозионная стойкость титана и его сплавов очень высокая. Это объясняется образованием на поверхности титана защитной оксидной пленки большой плотности и однородности. Он устойчив в разбавленной и концентрированной азотной кислоте, в разбавленной серной кислоте, в уксусной и молочной кислотах, в перекиси водорода, сернистом газе, сероводороде, в царской водке (1 объем HNO3 + 3 объема HCl), в морской воде и в атмосферных условиях.
Титан интенсивно взаимодействует лишь с соляной, серной, плавиковой и ортофосфорной кислотами. Он нестоек во фтористых соединениях, в сухом хлоре и броме.
Механические свойства титана зависят от содержания в нем примесей – кислорода, азота, углерода, водорода, которые снижают пластичность и свариваемость титана, повышают его твердость и прочность и ухудшают сопротивление коррозии. Из всех металлов, применяемых в технике, титан обладает наиболее высокой удельной прочностью (отношение временного сопротивления к плотности) не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого холода.
Чистый титан обладает достаточно высокой пластичностью. Однако примеси, неизбежно присутствующие в техническом титане, резко снижают его пластичность и повышают прочность.
Титан обладает неплохими технологическими свойствами. Он хорошо обрабатывается давлением: легко прокатывается, куется, штампуется. Металл хорошо сваривается.
|
|
Однако у титана как конструкционного материала имеется и ряд недостатков, а именно: высокая химическая активность с газами при повышенных температурах. Этот недостаток титана удачно используют в электронной и вакуумной технике, где титан применяется в качестве поглотителя газов для обеспечения в замкнутом объеме высокого вакуума. Существенным недостатком титана является также низкая теплопроводность (примерно в 15 раз ниже, чем у алюминия), что затрудняет проведение термической обработки; низкие антифрикционные свойства; плохая обрабатываемость резанием (титан налипает на инструмент и быстро его изнашивает).
Некоторые из указанных недостатков могут быть устранены при помощи его легирования.
Производство титана
Основными промышленности рудами, из которых получают титан, являются рутил (TiO2) и ильменит (FeO×TiO2), содержащий 52,65% TiO2 и 47,35% FeO. Блок-схема производства титана приведена на рис.2.
Рис. 2 Блок-схема технологического процесса получения титана
Обогащение руд (ильменита)
Восстановление оксидов железа и титана
Хлорирование титана
Восстановление хлористого титана
Удаление примесей под вакуумом (вакуумирование титана)
Получение литого титана (переплав губчатого титана)
Руды подвергают обогащению, в результате чего получают титановые концентраты. Извлечение титана из концентратов – трудная задача, так как титан при высоких температурах реагирует с кислородом и азотом, а в расплавленном состоянии – со всеми известными огнеупорами.
Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в руднотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглераживается и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак.
Основной продукт этого процесса – титановый шлак, содержащий 80-90% TiO2, 2-5% FeO и примеси SiO2, Al2O3, СаО и др.
Побочный продукт этого процесса – чугун, который используют в металлургическом производстве.
Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают титановый шлак, а через фурмы внутрь печи – хлор. При температуре 800-12500С в присутствии кокса образуется четыреххлористый титан, а также хлориды СаСl2, MgCl2 и др.
TiO2 + 2C + 2Cl2 = TiCl4 + 2CO
Четырех хлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различной температуре кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.
Четыреххлористый титан восстанавливают в реакторах при температуре 950-10000С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном вовнутрь реактора подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном происходит реакция:
2Мg + TiCl4 = Ti + 2MgCl2
Твердые частицы титана спекаются в пористую массу – губку, а жидкий MgCl2 выпускают через летку реактора. Губка титана содержит 35-40% магния и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900-9500С в вакууме.
Слитки из титановой губки получают методом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют. После этого чистота титана составляет 99,6-99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением и получают все виды полуфабрикатов и готовой продукции: профильный прокат, листы фольги, штамповки, поковки и т.д.
Получение литого титана сопряжено с большими технологическими трудностями и это объясняет высокую его стоимость.
|
|
Для получения титана повышенной чистоты проводят иодидное рафинирование. Титан при взаимодействии с иодом образует летучий галогенид TiI4, который диссоциирует на разогретой электротоком до 14000С проволоке из титана. Титан оседает на проволоке, а иод вновь вступает в реакцию. Рафинирование завершается, когда пруток очищенного титана достигает диаметра 25-30 мм.
Торговые сорта титана
Титан поставляют в виде губки или в переплавляемом виде, в форме различных изделий.
В зависимости от химического состава и механических свойств ГОСТ 17746-96 устанавливает следующие марки губчатого титана: ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150 и ТГ-Тв.
В обозначении марок буквы означают: ТГ – титан губчатый, Тв- твердый; цифры 90, 100, 110, 120 и т.д. – значения твердости в единицах Бринелля НВ, определяемые при вдавливании стального шарика диаметром 10 мм под усилием 14715 Н (1500кгс) и продолжительности выдержки 30 с.
Переплавленный титан поставляют марок ВТ1-00 и Вт1-1-2 (ГОСТ 19807-91), где буквенное обозначение В – высокопрочный титан.
Титановые сплавы
Для повышения свойств титана его легируют. Титан легируют алюминиев, молибденом, ванадием, хромом, марганцем, цирконием, кремнием и др. элементами, в основном для повышения прочности и жаростойкости, реже – для улучшения коррозионной стойкости.
По структуре титановые сплавы (ГОСТ 19807-91) классифицируются на:
α-сплавы, структура которых представлена α-фазой;
(α + β) – сплавы, структура которых представлена α- и β- фазами;
β- сплавы, структура которых представлена β- фазой;
псевдо–α–сплавы, структура которых представлена α-фазой и незначительным количеством β- фазы (не более 5%);
псевдо–β–сплавы со структурой в отожженном состоянии большим количеством β- фазы и незначительным количество α-фазы.
По способу изготовления изделий, титановые сплав подразделяются на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные.