Cele mai semnificative pentru economia națională au fost și rămân aliajele și metalele care îmbină ușurința și rezistența. Titanul aparține în mod specific acestei categorii de materiale și, în plus, are o rezistență excelentă la coroziune.
Titanul este un metal de tranziție din grupa 4, perioada 4. Greutatea sa moleculară este de numai 22, ceea ce indică ușurința materialului. În același timp, substanța se caracterizează printr-o rezistență excepțională: dintre toate materialele structurale, titanul are cea mai mare rezistență specifică. Culoarea este alb argintiu.
Videoclipul de mai jos vă va spune ce este titanul:
Concept și caracteristici
Titanul este destul de comun - ocupă locul 10 în ceea ce privește conținutul din scoarța terestră. Cu toate acestea, a fost posibil să se izoleze metalul cu adevărat pur doar în 1875. Înainte de aceasta, substanța era fie obținută cu impurități, fie compușii săi erau numiți titan metal. Această confuzie a dus la utilizarea compușilor metalici mult mai devreme decât metalul în sine.
Acest lucru se datorează particularității materialului: cele mai nesemnificative impurități afectează în mod semnificativ proprietățile substanței, uneori privând-o complet de calitățile sale inerente.
Astfel, cea mai mică proporție de alte metale privează titanul de rezistența la căldură, care este una dintre calitățile sale valoroase. Și un mic adaos de transformări nemetalice material rezistentîn fragilă și inutilizabilă.
Această caracteristică a împărțit imediat metalul rezultat în 2 grupuri: tehnic și pur.
- Primul utilizat în cazurile în care rezistența, ușurința și rezistența la coroziune sunt cele mai necesare, deoarece titanul nu pierde niciodată această din urmă calitate.
- Material de înaltă puritate folosit acolo unde este nevoie de un material care poate funcționa sub sarcini foarte mari și temperaturi ridicate, dar este și ușor. Aceasta, desigur, este inginerie aeronautică și rachetă.
A doua caracteristică specială a unei substanțe este anizotropia. Unele dintre proprietățile sale fizice se modifică în funcție de aplicarea forțelor, care trebuie luate în considerare în timpul aplicării.
În condiții normale, metalul este inert și nu se corodează în niciun fel. apa de mare, nici în aerul mării sau al orașului. Mai mult, este cea mai inertă substanță biologic cunoscută, motiv pentru care protezele și implanturile din titan sunt utilizate pe scară largă în medicină.
În același timp, pe măsură ce temperatura crește, începe să reacționeze cu oxigenul, azotul și chiar hidrogenul, iar sub formă lichidă absoarbe gazele. Această caracteristică neplăcută face extrem de dificilă obținerea metalului în sine și fabricarea aliajelor pe baza acestuia.
Acesta din urmă este posibil numai atunci când se utilizează echipamente de vid. Procesul complex de producție a transformat un element destul de comun într-unul foarte scump.
Relația cu alte metale
Titanul ocupă o poziție intermediară între alte două materiale structurale binecunoscute - aluminiu și fier, sau mai degrabă, aliaje de fier. În multe privințe, metalul este superior „concurenților” săi:
- Rezistența mecanică a titanului este de 2 ori mai mare decât cea a fierului și de 6 ori mai mare decât cea a aluminiului. În același timp, rezistența crește odată cu scăderea temperaturii;
- rezistența la coroziune este mult mai mare decât cea a fierului și chiar a aluminiului;
- La temperaturi normale, titanul este inert. Cu toate acestea, atunci când crește la 250 C, începe să absoarbă hidrogenul, ceea ce afectează proprietățile. În ceea ce privește activitatea chimică, este inferior magneziului, dar, din păcate, superior fierului și aluminiului;
- metalul conduce electricitatea mult mai slab: rezistivitatea lui electrică este de 5 ori mai mare decât cea a fierului, de 20 de ori mai mare decât cea a aluminiului și de 10 ori mai mare decât cea a magneziului;
- conductivitatea termică este, de asemenea, mult mai mică: de 3 ori mai mică decât fierul și de 12 ori mai puțin decât aluminiul. Cu toate acestea, această proprietate provoacă un coeficient foarte scăzut de dilatare termică.
Avantaje și dezavantaje
De fapt, titanul are multe dezavantaje. Dar combinația dintre putere și ușurință este atât de solicitată încât nici una calea grea producția, nici nevoia de curățenie excepțională nu îi oprește pe consumatorii de metal.
Avantajele indubitabile ale substanței includ:
- densitate scăzută, ceea ce înseamnă greutate foarte mică;
- rezistență mecanică excepțională atât a metalului titan în sine, cât și a aliajelor sale. Pe măsură ce temperaturile cresc, aliajele de titan depășesc toate aliajele de aluminiu și magneziu;
- raportul dintre rezistență și densitate - rezistență specifică - ajunge la 30–35, care este de aproape 2 ori mai mare decât cel al celor mai bune oțeluri structurale;
- Când este expus la aer, titanul este acoperit cu un strat subțire de oxid, care oferă o rezistență excelentă la coroziune.
Metalul are, de asemenea, o mulțime de dezavantaje:
- Rezistența la coroziune și inerția se aplică numai produselor cu o suprafață inactivă. Praful sau așchii de titan, de exemplu, se auto-aprinde și ard la o temperatură de 400 C;
- O metodă foarte complexă de obținere a titanului metalic asigură un cost foarte ridicat. Materialul este mult mai scump decât fierul, sau;
- capacitatea de a absorbi gazele atmosferice atunci când temperatura crește necesită utilizarea echipamentelor de vid la topirea și producerea aliajelor, ceea ce crește semnificativ și costul;
- titanul are proprietăți antifricțiune slabe - nu funcționează la frecare;
- metalul și aliajele sale sunt predispuse la coroziune cu hidrogen, care este dificil de prevenit;
- Titanul este greu de prelucrat. Sudarea este, de asemenea, dificilă din cauza tranziției de fază în timpul încălzirii.
Foaie de titan (foto)
Proprietăți și caracteristici
Depinde foarte mult de curățenie. Datele de referință descriu, desigur, metalul pur, dar caracteristicile titanului tehnic pot diferi semnificativ.
- Densitatea metalului scade la încălzire de la 4,41 la 4,25 g/cm3.Tranziția de fază modifică densitatea cu doar 0,15%.
- Punctul de topire al metalului este de 1668 C. Punctul de fierbere este de 3227 C. Titanul este o substanță refractară.
- În medie, rezistența la tracțiune este de 300–450 MPa, dar această cifră poate fi mărită la 2000 MPa prin recurgerea la călire și îmbătrânire, precum și prin introducerea de elemente suplimentare.
- Pe scara HB, duritatea este 103 și nu aceasta este limita.
- Capacitatea termică a titanului este scăzută - 0,523 kJ/(kg K).
- Rezistivitate electrică specifică - 42,1·10 -6 ohm·cm.
- Titanul este un paramagnet. Pe măsură ce temperatura scade, susceptibilitatea sa magnetică scade.
- Metalul în general se caracterizează prin ductilitate și maleabilitate. Cu toate acestea, aceste proprietăți sunt puternic influențate de oxigenul și azotul din aliaj. Ambele elemente fac materialul fragil.
Substanța este rezistentă la mulți acizi, inclusiv nitric, sulfuric în concentrații mici și aproape toți acizii organici, cu excepția acidului formic. Această calitate asigură că titanul este solicitat în industria chimică, petrochimică, hârtie și așa mai departe.
Structura și compoziția
Titanul, deși este un metal de tranziție și are o rezistivitate electrică scăzută, este totuși un metal și conduce curentul electric, ceea ce înseamnă o structură ordonată. Când este încălzită la o anumită temperatură, structura se schimbă:
- până la 883 C, faza α cu o densitate de 4,55 g/m3 este stabilă. cm.Se remarcă printr-o rețea hexagonală densă. Oxigenul se dizolvă în această fază cu formarea de soluții interstițiale și stabilizează α-modificarea - mută limita de temperatură;
- peste 883 C, faza β cu o rețea cubică centrată pe corp este stabilă. Densitatea sa este puțin mai mică - 4,22 g / metru cub. vezi.Această structură este stabilizată de hidrogen - atunci când este dizolvată în titan, se formează și soluții interstițiale și hidruri.
Această caracteristică îngreunează foarte mult munca metalurgistului. Când titanul este răcit, solubilitatea hidrogenului scade brusc, iar hidrura de hidrogen, faza y, precipită în aliaj.
Provoacă fisuri la rece în timpul sudării, așa că producătorii trebuie să depună un efort suplimentar după topirea metalului pentru a-l curăța de hidrogen.
Vă vom spune mai jos unde puteți găsi și cum să faceți titan.
Acest videoclip descrie titanul ca metal:
Productie si extractie
Titanul este foarte comun, așa că nu există dificultăți cu minereurile care conțin metalul și în cantități destul de mari. Materiile prime Rutilul, anataza și brookitul sunt dioxizi de titan în diverse modificări, ilmenitul, pirofanitul sunt compuși cu fier și așa mai departe.
Dar este complex și necesită echipamente scumpe. Metodele de extracție sunt oarecum diferite, deoarece compoziția minereului este diferită. De exemplu, schema de obținere a metalului din minereurile de ilmenit arată astfel:
- obținerea zgurii de titan - roca este încărcată într-un cuptor cu arc electric împreună cu un agent reducător - antracit, cărbune și încălzită la 1650 C. În același timp, se separă fierul, care este folosit pentru a produce fontă și dioxid de titan în zgură ;
- Zgura este clorurată în mine sau cloratoare cu sare. Esența procesului este transformarea dioxidului solid în tetraclorură de titan gazoasă;
- în cuptoarele cu rezistență în baloane speciale, metalul se reduce cu sodiu sau magneziu din clorură. Ca rezultat, se obține o masă simplă - un burete de titan. Acest titan tehnic este destul de potrivit pentru fabricarea de echipamente chimice, de exemplu;
- dacă este necesar un metal mai pur, ei recurg la rafinare - în acest caz, metalul reacționează cu iodul pentru a obține iodură gazoasă, iar aceasta din urmă, sub influența temperaturii - 1300–1400 C, iar curentul electric, se descompune, eliberând titan pur. Un curent electric este furnizat printr-un fir de titan întins într-o retortă, pe care se depune o substanță pură.
Pentru a obține lingouri de titan, buretele de titan este topit într-un cuptor cu vid pentru a preveni dizolvarea hidrogenului și azotului.
Prețul titanului la 1 kg este foarte mare: în funcție de gradul de puritate, metalul costă de la 25 la 40 USD pe 1 kg. Pe de altă parte, corpul unui aparat din oțel inoxidabil rezistent la acid va costa 150 de ruble. și nu va dura mai mult de 6 luni. Titanul va costa aproximativ 600 de ruble, dar va fi folosit timp de 10 ani. Există multe unități de producție de titan în Rusia.
Domenii de utilizare
Influența gradului de purificare asupra proprietăților fizice și mecanice ne obligă să o luăm în considerare din acest punct de vedere. Astfel, tehnica, adică nu cel mai pur metal, are o rezistență excelentă la coroziune, ușurință și rezistență, ceea ce determină utilizarea sa:
- industria chimica– schimbătoare de căldură, conducte, carcase, piese pompe, fitinguri și așa mai departe. Materialul este indispensabil în zonele în care sunt necesare rezistență și rezistență la acizi;
- industria transporturilor– substanța este folosită pentru a face vehicule de la trenuri la biciclete. În primul caz, metalul oferă o masă mai mică de compuși, ceea ce face tracțiunea mai eficientă, în cel din urmă dă ușurință și rezistență, nu degeaba un cadru de bicicletă din titan este considerat cel mai bun;
- afacerile navale– schimbătoarele de căldură, amortizoarele de eșapament pentru submarine, supapele, elicele etc. sunt realizate din titan;
- V constructie Titanul este utilizat pe scară largă - un material excelent pentru finisarea fațadelor și a acoperișurilor. Alături de rezistență, aliajul oferă un alt avantaj important pentru arhitectură - capacitatea de a oferi produselor cea mai bizară configurație; capacitatea aliajului de a se forma este nelimitată.
Metalul pur este, de asemenea, foarte rezistent la temperaturi ridicate și își păstrează rezistența. Aplicația este evidentă:
- fabricarea de rachete și avioane - carcasa este realizată din aceasta. Piese de motor, elemente de fixare, piese de șasiu și așa mai departe;
- medicina – inerția biologică și ușurința fac din titan un material mult mai promițător pentru proteze, inclusiv valvele cardiace;
- tehnologie criogenică – titanul este una dintre puținele substanțe care, odată cu scăderea temperaturii, nu fac decât să devină mai puternice și nu își pierd ductilitatea.
Titanul este un material structural de cea mai mare rezistență, cu o astfel de ușurință și ductilitate. Aceste calități unice îi conferă un rol din ce în ce mai important în economia națională.
Videoclipul de mai jos vă va spune de unde să obțineți titan pentru un cuțit:
PROPRIETĂȚI ȘI APLICAȚII ALE TITANULUI
Titan (Ti) a fost descoperit în 1795 și a fost numit după eroul epic grec Titan. Face parte din peste 70 de minerale și este unul dintre cele mai comune elemente - conținutul său în scoarța terestră este de aproximativ 0,6%. Titanul există în două modificări: până la 882 °C sub formă de modificare a cu o rețea cristalină dens compactată, și peste 882 °C, modificarea β cu o rețea cubică centrată pe corp este stabilă. Mai jos sunt principalele proprietăți fizice ale titanului:
Masă atomică |
|
Densitate la 20°C, g/cm3 |
|
Temperatura, °C: |
|
topire |
|
Capacitate termică specifică, cal/g |
|
Conductivitate termică cal/(cm sec deg) |
|
Căldura latentă de fuziune, cal/g |
|
Coeficient de dilatare liniar, 1/grad |
|
Rezistență electrică, |
|
Rezistența la tracțiune a titanului, kg/mm2 |
|
Modulul de elasticitate, kg/mm2 |
|
Duritate NV, kg/mm2 |
Titanul combină rezistența mare cu densitatea scăzută și rezistența ridicată la coroziune. Datorită acestui fapt, în multe cazuri are avantaje semnificative față de materiale structurale de bază precum oțelul și aluminiul. Un număr de aliaje de titan au o rezistență de două ori mai mare decât oțelul, cu o densitate semnificativ mai mică și o rezistență mai bună la coroziune. Cu toate acestea, din cauza conductibilității sale termice scăzute, utilizarea sa pentru structuri și piese care funcționează în condiții mari este dificilă. schimbările de temperatură, și când se lucrează la oboseală termică. Dezavantajele titanului ca material structural includ, de asemenea, modulul său relativ scăzut de elasticitate normală.
Titanul de înaltă puritate are proprietăți plastice bune. Sub influența impurităților, plasticitatea sa se schimbă brusc. Oxigenul se dizolvă bine în titan și își reduce foarte mult proprietățile plastice chiar și în intervalul de concentrații scăzute.
Proprietățile plastice ale titanului scad, de asemenea, atunci când se introduce azot în el. Când conținutul de azot din titan este > 0,2%, apare fractura fragilă. În același timp, oxigenul și azotul cresc rezistența și rezistența temporară a titanului și în acest sens sunt impurități utile.
Hidrogenul este o impuritate dăunătoare în titan. Reduce dramatic duritatea titanului chiar și la concentrații foarte scăzute.
Hidrogenul nu are un efect vizibil asupra caracteristicilor de rezistență ale titanului într-o gamă largă de concentrații.
Proprietățile mecanice ale titanului, într-o măsură mult mai mare decât alte metale, depind de rata de aplicare a sarcinii. Prin urmare, testarea mecanică a titanului ar trebui să fie efectuată în condiții mai strict reglementate și fixe decât testarea altor materiale structurale.
Rezistența la impact a titanului crește semnificativ la recoacere în intervalul 200-300°C; nu se observă modificări vizibile ale altor proprietăți. Cea mai mare creștere a ductilității titanului se realizează după călire la temperaturi peste temperatura de transformare polimorfă și revenirea ulterioară.
Titanul pur nu este un material rezistent la căldură, deoarece rezistența sa scade brusc odată cu creșterea temperaturii.
O caracteristică importantă a titanului este capacitatea sa de a forma soluții solide cu gaze atmosferice și hidrogen. Când titanul este încălzit în aer, pe suprafața sa, pe lângă scara obișnuită, se formează un strat format dintr-o soluție solidă pe bază de α-Ti (strat de alfait), stabilizat de oxigen, a cărui grosime depinde de temperatură și durată. de încălzire. Acest strat are o temperatură de transformare mai mare decât stratul de metal de bază, iar formarea lui pe suprafața pieselor sau semifabricatelor poate provoca fracturi fragile.
Titanul și aliajele pe bază de titan se caracterizează prin rezistență ridicată la coroziune în aer, la rece și la cald natural apa dulce, în apa de mare, precum și în soluții de alcaline, săruri anorganice, acizi și compuși organici, chiar și atunci când sunt fierte. Nu se corodează în apa de mare când intră în contact cu oțel inoxidabil și aliaje cupru-nichel. Rezistența ridicată la coroziune a titanului se explică prin formarea unei pelicule dense și uniforme pe suprafața sa, care protejează metalul de interacțiunile ulterioare cu mediul.
Ca material structural titan cea mai mare aplicațieîntâlnit în aviație, rachetă, în construcția de nave maritime, în fabricarea de instrumente și în inginerie mecanică. Titanul și aliajele sale păstrează caracteristici de rezistență ridicată la temperaturi ridicate și, prin urmare, pot fi utilizate cu succes pentru fabricarea pieselor expuse la încălzire la temperaturi înalte.
În prezent, cantitatea principală de titan este utilizată pentru prepararea albului de titan. Titanul este utilizat pe scară largă în metalurgie, inclusiv ca element de aliere în oțelurile inoxidabile și rezistente la căldură. Adăugările de titan la aliajele de aluminiu, nichel și cupru măresc rezistența acestora. El este parte integrantă aliaje dure pentru scule de tăiere. Dioxidul de titan este utilizat pentru acoperirea electrozilor de sudare. Tetraclorura de titan este folosită în afaceri militare pentru a crea paravane de fum.
În inginerie electrică și radio, titanul sub formă de pulbere este folosit ca absorbant de gaz - atunci când este încălzit la 500°C, titanul absoarbe energetic gazele și, prin urmare, asigură un vid ridicat într-un volum închis.
Titanul, în unele cazuri, este un material de neînlocuit în industria chimică și în construcțiile navale. Se foloseste la realizarea de piese destinate pomparii lichidelor agresive, schimbatoare de caldura care functioneaza in medii corozive si dispozitive de suspensie folosite pentru anodizarea diferitelor piese. Titanul este inert în electroliți și alte lichide utilizate în galvanizare și, prin urmare, este potrivit pentru fabricarea diferitelor părți ale băilor de galvanizare. Este utilizat pe scară largă la fabricarea de echipamente hidrometalurgice pentru instalațiile de nichel-cobalt, deoarece este foarte rezistent la coroziune și eroziune în contact cu șlamurile de nichel și cobalt la temperaturi și presiuni ridicate.
Titanul este cel mai rezistent în medii oxidante. În mediile reducătoare, titanul se corodează destul de repede din cauza distrugerii peliculei de oxid de protecție.
Titanul tehnic și aliajele sale sunt adaptabile tuturor metodelor cunoscute de tratare prin presiune. Ele pot fi laminate în stare rece și fierbinte, ștanțate, sertizate, ambute adânc și evazate. Titanul și aliajele sale sunt folosite pentru a produce tije, tije, benzi,
diverse profile laminate, țevi fără sudură, sârmă și folie.
Rezistența la deformare a titanului este mai mare decât cea a oțelurilor structurale sau a aliajelor de cupru și aluminiu. Titanul și aliajele sale sunt prelucrate prin presiune în același mod ca oțelurile inoxidabile austenitice. Cel mai adesea, titanul este forjat la 800-1000°C. Pentru a proteja titanul de contaminarea cu gaze, tratamentul de încălzire și presiune se efectuează în cel mai scurt timp posibil. Datorită faptului că la temperaturi >500°C hidrogenul difuzează în titan și aliajele sale la viteze enorme, încălzirea se realizează într-o atmosferă oxidantă.
Titanul și aliajele sale au o prelucrabilitate redusă, similar cu oțelurile inoxidabile austenitice. Pentru toate tipurile de tăiere, cele mai reușite rezultate sunt obținute la viteze mici și adâncimi mari de tăiere, precum și la utilizarea sculă de tăiere din oțeluri de mare viteză sau aliaje dure.
Datorită activității chimice ridicate a titanului la temperaturi ridicate, sudarea se realizează într-o atmosferă de gaze inerte (heliu, argon). În același timp, este necesar să se protejeze nu numai metalul de sudură topit, ci și toate părțile foarte încălzite ale produselor sudate de interacțiunea cu atmosfera și gazele.
Mari dificultăți tehnologice apar în producția de piese turnate din titan și aliajele sale.
aliaje de titan
Multe aliaje de titan cu alte elemente sunt materiale mai promițătoare decât titanul tehnic.
Principalele elemente de aliere din aliajele industriale de titan sunt vanadiul, molibdenul, cromul, manganul, cuprul, aluminiul și staniul. În practică, titanul formează aliaje cu toate metalele, cu excepția metalelor alcalino-pământoase, precum și cu siliciu, bor, hidrogen, azot și oxigen.
Prezența transformărilor polimorfe ale titanului, solubilitatea bună a multor elemente în titan și formarea de compuși chimici cu solubilitate variabilă în titan fac posibilă obținerea unei game largi de aliaje de titan cu proprietăți variate.
În funcție de natura influenței exercitate asupra transformărilor polimorfe ale titanului, toate elementele pot fi împărțite în trei grupe:
stabilizarea fazei α (aluminiu);
creșterea stabilității fazei β (crom, mangan, fier, cupru, nichel, beriliu, wolfram, cobalt, vanadiu, molibden, niobiu, tantal);
aliere, având un efect redus asupra stabilității fazelor α și β (staniu, zirconiu, germaniu).
Aliajele de titan, aliate cu elemente care cresc stabilitatea fazei α, nu sunt de obicei consolidate prin tratament termic. Aliajele aliate cu elemente care cresc stabilitatea fazei β sunt întărite semnificativ ca urmare a tratamentului termic.
Aliajele de titan pot fi supuse la toate tipurile principale de tratament termic: întărire, recoacere, îmbătrânire, revenire și tratament chimico-termic. Cel mai des se utilizează recoacerea.
Aliaje de titan cu aluminiu au o densitate mai mică și o rezistență specifică mai mare decât titanul pur sau pur comercial. În ceea ce privește rezistența specifică, aliajele de titan-aluminiu sunt superioare multor aliaje inoxidabile și rezistente la căldură în intervalul 400-500°C. Aliajele titan-aluminiu au o rezistență mai mare la căldură și o rezistență la fluaj mai mare decât multe alte aliaje de titan.
Aluminiul crește modulul elastic normal al titanului.
Aliajele de titan și aluminiu nu se corodează și sunt ușor oxidate la temperaturi ridicate. Acest lucru permite ca aliajele să fie prelucrate la cald la temperaturi mai ridicate decât titanul nealiat. Au o sudabilitate bună și, chiar și cu un conținut semnificativ de aluminiu, materialul sudurii și a zonei afectate de căldură nu devine fragil. Adăugarea de aluminiu reduce ductilitatea titanului. Acest efect este cel mai intens atunci când conținutul de aluminiu este mai mare de 7,5%.
Adăugarea de staniu la aliajele de titan și aluminiu crește caracteristicile de rezistență ale aliajului. La o concentrație de staniu de până la 5% în astfel de aliaje, nu se observă o scădere vizibilă a proprietăților plastice. În plus, adăugarea de staniu la aliajele de titan-aluminiu crește rezistența acestora la oxidare și fluaj. Aliajele care conțin 4-5% Al și 2-3% Sn păstrează semnificativ Putere mecanică până la 500°C.
Zirconiul nu are prea mult efect asupra proprietăților mecanice ale aliajelor de titan-aluminiu, dar prezența lui ajută la creșterea rezistenței la fluaj și la creșterea rezistenței pe termen lung. Zirconiul este o componentă valoroasă a aliajelor de titan.
Baza pentru producerea aliajelor de titan cu rezistență ridicată la căldură este un aliaj care conține -36% Al. Adăugarea altor elemente de aliere la acest aliaj produce materiale rezistente la căldură cu rezistență ridicată la 1000°C și peste și proprietăți tehnologice bune.
Aliaj VT5 laminate, ștanțate și forjate la cald, sudate cu arc cu argon și sudura prin rezistenta, prelucrat satisfăcător, are o bună rezistență la coroziune în acid azotic concentrat și apă de mare. Piesele care funcționează la temperaturi de până la 400°C sunt fabricate din acest aliaj. Are proprietăți antifricțiune scăzute și nu este potrivit pentru fabricarea pieselor de frecare. Aliajul VT5 este furnizat sub formă de foi, tije, pachete, țevi și sârmă.
Aliaje tip VT5-1 destinat fabricarii de piese care functioneaza la temperaturi de pana la 500°C la sarcini pe termen lungși până la 900°C sub sarcini de scurtă durată. Sunt destul de ductile la prelucrare la cald și pot fi produse sub formă de foi, benzi, plăci, forjate, matrițe, profile extrudate, țevi și fire, sunt bine sudate și au rezistență ridicată la coroziune în atmosferă și soluții. sare de masă sub sarcini ciclice.
Aliaj VT4 Proiectat în principal pentru producția de foi, benzi și benzi. Pentru piesele de formă simplă este permisă ștanțarea la rece. La ștanțarea pieselor de forme mai complexe, este necesară încălzirea la 500°C. Aliajul are o prelucrabilitate satisfăcătoare și este sudat prin sudare cu argon-arc. În ceea ce privește rezistența la coroziune, aliajul VT4 este aproape de aliajele VT5. Aliajul VT4 este utilizat pentru fabricarea pieselor care funcționează la temperaturi de până la 350°C.
Aliaj OT4 proprietățile și domeniile de aplicare ale acestuia sunt similare cu aliajul VT4.
Aliaj VT 10 are rezistență ridicată la fluaj și stabilitate termică ridicată. Poate fi sudat satisfăcător prin toate tipurile de sudare și este destinat fabricării pieselor care funcționează
la temperaturi de până la 500°C. Piesele forjate, tijele de ștanțare și benzile sunt preparate din aliaj VT10.
Aliajele VT5, VT5-1, VT4, OT4 și VT10 la temperatura camerei rețin rețeaua cristalină inerentă modificării α-titan. În cele mai multe cazuri, aceste aliaje sunt utilizate în stare recoaptă. Temperatura lor de recoacere este mai mare decât temperatura de recoacere a titanului tehnic. Titanul tehnic (VT1-00, VT1-0, VT1-1, VT1-2) poate fi considerat și un aliaj cu o structură α.
Aliaje de titan cu faza β stabilă termodinamic se poate obtine numai la concentratii mari de elemente de aliere (vanadiu, molibden, niobiu, tantal etc.). Cu toate acestea, acest lucru pierde unul dintre principalele avantaje ale aliajelor de titan - densitatea relativ scăzută. Acesta este motivul principal pentru care aliajele de titan β-stabile nu sunt utilizate pe scară largă.
Aliajele de titan cu o structură reprezentată de o singură fază β pot fi obținute mecanic prin călirea aliajelor de titan care conțin o concentrație suficient de mare de elemente de tranziție. Astfel de aliaje includ aliajul VT 15, care conține 3-4% Al, 7-8% Mo și 10-15% Cr. După călire la 760–780°C și învechire la 450–480°C, aliajul are o rezistență la tracțiune de 130–150 kg/mm2, aceasta este echivalentă cu oțelul cu o rezistență la tracțiune de 255 kg/mm2. Cu toate acestea, această rezistență nu se menține la încălzire, ceea ce este principalul dezavantaj al acestor aliaje. Aliajul este furnizat sub formă de foi, tije și forjate.
Cea mai bună combinație de proprietăți este obținută în aliajele constând dintr-un amestec de faze α și β. O componentă indispensabilă în aproape toate astfel de aliaje este aluminiul. Conținutul de aluminiu din aliaje nu numai că extinde domeniul de temperatură la care se menține stabilitatea fazei α, dar crește și stabilitatea termică a fazei β. În plus, aluminiul reduce densitatea aliajului și compensează astfel creșterea densității asociată cu introducerea elementelor grele de aliaj.
Foile, tijele, piesele forjate și ștanțate sunt realizate din aliaj VT6. Au rezistență și ductilitate bună. Temperatura de încălzire a aliajului în timpul tratamentului sub presiune nu depășește de obicei 1000°C. Piesele realizate din aliaj VT6 pot fi îmbinate prin sudare în puncte, cap la cap și argon-arc într-o atmosferă protectoare. Pentru a restabili plasticitatea metalului după sudare, este necesară recoacere la 700–800°C. Aliajele de acest tip sunt prelucrate satisfăcător prin tăiere și au rezistență ridicată la coroziune în atmosferă umedă și în apă de mare. Rezistența aliajelor crește după întărire urmată de îmbătrânire la 450-550°C. Aliajele au stabilitate termică bună.
Aliajele grupului VT6 includ și aliajul BT5. Acest aliaj, pe lângă aluminiu și molibden, este aliat cu o cantitate mică de siliciu. Aliajul fierbinte se pretează bine la laminare, ștanțare și forjare. Forjarea se realizează la 900–1000°C. Aliajul are, de asemenea, rezistență ridicată la coroziune și stabilitate termică și rezistență la fluaj. Poate fi tăiat satisfăcător și poate fi sudat la punct, cu role și cap la cap. Aliajul este utilizat în principal în stare tratată termic.
Un grup separat de aliaje este format din aliajele VT3 și VT3-1. Aceste aliaje au o stabilitate termochimică mai mare în comparație cu aliajele de tip VT6. Aliajul VT3-1, care conține, pe lângă aluminiu și crom, molibden, are o stabilitate termică mai mare și o tendință mai mică de a deveni casant la încălzire decât aliajul VT3 și are o structură cu granulație mai fină.
Aliajele de titan, constând dintr-un amestec de faze α și β, sunt utilizate în stare recoaptă sau stabilizată.
Pentru aliajul VT3, se recomandă să se efectueze recoacere la 750 ± 10 ° C și răcire în aer; pentru aliajul VT3-1, omogenizare la 870 ± 10 ° C, răcire cu un cuptor la 650 ° C, menținerea la aceeași temperatură timp de aproximativ 1 oră și răcire ulterioară; pentru aliajul VT6 - recoacere la 80 ± 10 ° C și răcire în aer; pentru aliajul VT8 — omogenizare la 800±10°C timp de 1 oră, răcire în aer la 590±10°C, menținere timp de 1 oră, răcire în aer. Efectul întăririi termice a aliajelor VTZ, VTZ-1, VT6 și VT8 este relativ mic.
Pentru aliajul VT 14, tratamentul termic de întărire este călirea în apă la 860–880°C urmată de îmbătrânire la 480–500°C. Recoacerea acestui aliaj, care asigură o ductilitate ridicată și o rezistență satisfăcătoare, se realizează prin încălzire la 750-850°C urmată de răcire în aer. Aliajul VT 14 este sensibil la supraîncălzire în timpul formării la cald și tratamentului termic. Când este încălzit peste 920-930°C, proprietățile sale mecanice se deteriorează brusc. În acest sens, este recomandabil să se efectueze deformarea la cald a aliajului VT 14 la temperaturi care nu depășesc 930°C.
În prezent, s-au dezvoltat aliaje de titan care, în stare călită, au o ductilitate ridicată, necesară pentru fabricarea pieselor complexe, și sunt foarte întărite în timpul îmbătrânirii sau revenirii ulterioare.
Aproape toate aliajele de titan forjat pot fi folosite ca materiale de turnare. Cel mai adesea, aliajul VT6 și titanul tehnic (VT1-1) sunt utilizate pentru fabricarea pieselor prin turnare. Metalul pentru turnare modelată este topit în cuptoare cu arc de vid cu un creuzet de grafit acoperit cu un craniu. Turnarea metalului și răcirea matrițelor se efectuează fie într-o atmosferă de gaze inerte, fie în vid. Formele sunt realizate din grafit, materiale ceramice sau metale care nu reacţionează cu titanul şi aliajele de titan turnate.
Carbura de titan TiC și aliajele pe bază de carbură de titan sunt utilizate pe scară largă. Carbura de titan are o duritate mare și un punct de topire foarte ridicat, ceea ce determină principalele domenii de aplicare a acesteia. Carbura de titan a fost folosită de mult timp ca componentă a aliajelor dure pentru sculele de tăiere și matrițe. Utilizarea sculelor de tăiere care conțin carbură de titan este eficientă în special pentru materialele vâscoase. Aliajele dure tipice care conțin titan pentru sculele de tăiere sunt aliajele T5KYu, T5K7, T14K8, T15K6, T30K4 (primul număr corespunde conținutului de carbură de titan, iar al doilea conținutului de cobalt metalic de cimentare în %. Se folosește și carbură de titan. ca material abraziv, atât sub formă de pulbere, cât și sub formă cimentată.
Punctul de topire al carburii de titan >3000°C. Are conductivitate electrică ridicată și, la temperaturi scăzute, supraconductivitate. Fluajul titanului este neglijabil până la o temperatură de 1800°C. La temperatura camerei este fragil. Carbura de titan este rezistentă la acizi reci și fierbinți - clorhidric, sulfuric, fosforic, oxalic, la rece - la acid percloric, precum și în amestecuri ale unor acizi.
Multe metode de producere a carburii de titan pur implică separarea chimică a carburii de un feroaliaj carburat. Cu toate acestea, cel mai mare semnificație practică are o metodă de carburare a pulberilor de titan metalic sau dioxid de titan sub punctul de topire al constituenților. Un exemplu de astfel de metodă este calcinarea dioxidului de titan cu funingine în cartușe de carbon. O cantitate semnificativă de carbură de titan este obținută ca produs intermediar în fabricarea tetraclorurii de titan.
Materialele rezistente la căldură pe bază de carbură de titan aliată cu molibden, tantal, niobiu, nichel, cobalt și alte elemente au devenit larg răspândite. Alierea carburii de titan cu metale face posibilă obținerea de materiale care combină rezistența ridicată, rezistența la fluaj și oxidare la temperaturi ridicate a carburii de titan cu ductilitatea și rezistența la șocul termic a metalelor. Același principiu este utilizat pentru a produce materiale rezistente la căldură pe bază de alte carburi, precum și boruri și siliciuri, care sunt combinate sub denumirea comună materiale ceramico-metalice.
Aliajele pe bază de carbură de titan păstrează o rezistență la căldură destul de mare până la 1000–1100°C. Aceste aliaje au rezistență ridicată la uzură și rezistență la coroziune. Rezistența la impact a aliajelor pe bază de carbură de titan este scăzută, iar acesta este principalul obstacol în calea utilizării lor pe scară largă.
Ca materiale refractare se folosesc carbura de titan și aliajele de carbură de titan cu carburi ale altor metale. Creuzetele din carbură de titan și un aliaj de carbură de titan cu carbură de crom nu sunt umezite și practic nu interacționează mult timp cu staniu topit, bismut, plumb, cadmiu și zinc. Carbura de titan nu este umezită de cupru topit la 1100-1300°C și argint la 980°C în vid, aluminiu la 700°C în atmosferă de argon. Aliajele pe bază de carbură de titan cu carbură de tungsten sau carbură de tantal cu adaos de până la 15% Co la 900-1000°C pentru o perioadă lungă de timp sunt aproape rezistente la acțiunea sodiului și bismutului topit.
Pentru a prepara aliajele de carbură de titan, constituenții sunt măcinați împreună la un grad foarte mare de finețe și apoi amestecurile sunt presate folosind un plastifiant în formele dorite. Semifabricatele obținute în acest fel sunt sinterizate la temperaturi ridicate. Compozițiile pe bază de carbură nu au practic maleabilitatea. Compactele ușor sinterizate pot fi prelucrate strung cu o unealtă diamantată și piese complexe cu roți abrazive. După sinterizarea finală, materialul este prelucrat numai prin măcinare. Folosind metoda de extrudare dintr-o masă pe bază de carbură de titan, este posibil să se producă țevi, tije, foi și produse cu secțiuni transversale complexe. Un produs mai dens poate fi obtinut prin presare la cald. Principala sursă de material pentru producția de titan compact și semifabricate din titan este buretele de titan (burete de titan), obținut diverse metode din materii prime de titan.
Monumentul în onoarea exploratorilor spațiului a fost ridicat la Moscova în 1964. Aproape șapte ani (1958-1964) au fost petrecuți pentru proiectarea și construcția acestui obelisc. Autorii au trebuit să rezolve nu numai probleme de arhitectură și artistice, ci și probleme tehnice. Prima dintre acestea a fost alegerea materialelor, inclusiv a fațatului. După multe experimente, ne-am așezat pe foi de titan lustruite până la strălucire.
Într-adevăr, în multe caracteristici, și mai ales în rezistența la coroziune, titanul este superior marii majorități a metalelor și aliajelor. Uneori (mai ales în literatura populară) titanul este numit metalul etern. Dar să vorbim mai întâi despre istoria acestui element.
Oxidat sau neoxidat?
Până în 1795, elementul nr. 22 a fost numit „menakin”. Așa a fost numit în 1791 de chimistul și mineralogul englez William Gregor, care a descoperit un nou element în mineralul menacanit (nu căutați acest nume în cărțile de referință mineralogice moderne - menacanitul a fost și el redenumit, acum se numește ilmenit ).
La patru ani de la descoperirea lui Gregor, chimistul german Martin Klaproth a descoperit un nou element chimicîntr-un alt mineral - rutil - și în cinstea reginei spiridușilor Titania (mitologia germanică) a numit-o titan.
Potrivit unei alte versiuni, numele elementului provine de la Titani, puternicii fii ai zeiței pământului Gaia (mitologia greacă).
În 1797, s-a dovedit că Gregor și Klaproth au descoperit același element și, deși Gregor o făcuse mai devreme, numele dat de Klaproth a fost stabilit pentru noul element.
Dar nici Gregor, nici Klaproth nu au reușit să obțină elementalul titan. Pulberea cristalină albă pe care au izolat-o a fost dioxid de titan TiO2. Multă vreme, niciunul dintre chimiști nu a reușit să reducă acest oxid și să izoleze metalul pur din el.
În 1823, omul de știință englez W. Wollaston a raportat că cristalele pe care le-a descoperit în zgura metalurgică a uzinei Merthyr Tydfil nu erau altceva decât titan pur. Și 33 de ani mai târziu, celebrul chimist german F. Wöhler a demonstrat că aceste cristale erau din nou un compus de titan, de data aceasta o carbonitrură asemănătoare metalului.
Timp de mulți ani s-a crezut că metalul titanul a fost obținut pentru prima dată de Berzelius în 1825.în reducerea fluorotitanatului de potasiu cu sodiu metalic. Cu toate acestea, astăzi, comparând proprietățile titanului și produsul obținut de Berzelius, se poate argumenta că președintele Academiei Suedeze de Științe s-a înșelat, deoarece titabnumul pur se dizolvă rapid în acid fluorhidric (spre deosebire de mulți alți acizi), iar Berzelius' titanul metalic a rezistat cu succes acțiunii sale.
De fapt, Ti a fost obținut pentru prima dată abia în 1875 de omul de știință rus D.K. Kirillov. Rezultatele acestei lucrări au fost publicate în broșura sa „Research on Titanium”. Dar munca puțin cunoscutului om de știință rus a trecut neobservată. Alți 12 ani mai târziu, un produs destul de pur - aproximativ 95% titan - a fost obținut de compatrioții lui Berzelius, celebrii chimiști L. Nilsson și O. Peterson, care au redus tetraclorura de titan cu sodiu metalic într-o bombă ermetică de oțel.
În 1895, chimistul francez A. Moissan, reducând dioxidul de titan cu carbon într-un cuptor cu arc și supunând materialul rezultat la dublă rafinare, a obținut titan care conținea doar 2% impurități, în principal carbon. În cele din urmă, în 1910, chimistul american M. Hunter, după ce a îmbunătățit metoda lui Nilsson și Peterson, a reușit să obțină câteva grame de titan cu o puritate de aproximativ 99%. De aceea, în majoritatea cărților, prioritatea pentru obținerea titanului metalic este atribuită lui Hunter, și nu lui Kirillov, Nilsson sau Moissan.
Cu toate acestea, nici Hunter, nici contemporanii săi nu au prezis un viitor mare pentru titan. Doar câteva zecimi de procente de impurități erau conținute în metal, dar aceste impurități făceau titanul fragil, fragil și nepotrivit pentru prelucrare. Prin urmare, unii compuși de titan au găsit aplicație mai devreme decât metalul în sine. Tetraclorura de Ti, de exemplu, a fost utilizată pe scară largă la început razboi mondial pentru a crea cortine de fum.
Nr. 22 în medicină
În 1908, în SUA și Norvegia, producția de alb a început nu din compuși de plumb și zinc, așa cum se făcea înainte, ci din dioxid de titan. Cu un astfel de alb, puteți picta suprafețe de câteva ori mai mari decât cu aceeași cantitate de alb de plumb sau zinc. În plus, albul de titan are o reflectivitate mai mare, nu este otrăvitor și nu se întunecă sub influența hidrogenului sulfurat. Literatura medicală descrie un caz în care o persoană „a luat” 460 g de dioxid de titan la un moment dat! (Mă întreb cu ce a confundat-o?) „Iubitorul” de dioxid de titan nu a experimentat nicio senzație dureroasă. TiO 2 este inclus în unele medicamente, în special în unguente împotriva bolilor de piele.
Cu toate acestea, nu medicamentul, ci industria vopselelor și lacurilor este cea care consumă cele mai mari cantități de TiO2. Producția mondială a acestui compus a depășit cu mult jumătate de milion de tone pe an. Emailurile pe bază de dioxid de titan sunt utilizate pe scară largă ca acoperiri de protecție și decorative pentru metal și lemn în construcții navale, construcții și inginerie mecanică. Durata de viață a structurilor și pieselor este crescută semnificativ. Albul de titan este folosit pentru a colora țesăturile, pielea și alte materiale.
Ti in industrie
Dioxidul de titan face parte din masele de porțelan, sticlele refractare și materialele ceramice cu constantă dielectrică ridicată. Ca umplutură care crește rezistența și rezistența la căldură, este introdus în compușii de cauciuc. Cu toate acestea, toate avantajele compușilor de titan par nesemnificative pe fondul proprietăților unice ale metalului de titan pur.
Titan elementar
În 1925, oamenii de știință olandezi van Arkel și de Boer au obținut titan de înaltă puritate - 99,9% folosind metoda iodurii (mai multe despre aceasta mai jos). Spre deosebire de titanul obținut de Hunter, acesta avea ductilitate: putea fi forjat la rece, rulat în foi, bandă, sârmă și chiar cea mai subțire folie. Dar asta nici măcar nu este principalul lucru. Studiile asupra proprietăților fizico-chimice ale titanului metalic au condus la rezultate aproape fantastice. S-a dovedit, de exemplu, că titanul, fiind aproape de două ori mai ușor decât fierul (densitatea titanului 4,5 g/cm3), este superioară ca rezistență multor oțeluri. Comparația cu aluminiul s-a dovedit, de asemenea, a fi în favoarea titanului: titanul este de doar o dată și jumătate mai greu decât aluminiul, dar este de șase ori mai puternic și, ceea ce este deosebit de important, își păstrează rezistența la temperaturi de până la 500°C ( și cu adăugarea de elemente de aliere - până la 650°C), în timp ce rezistența aliajelor de aluminiu și magneziu scade brusc deja la 300°C.
Titanul are și o duritate semnificativă: este de 12 ori mai dur decât aluminiul, de 4 ori mai dur decât fierul și cuprul. Încă unul caracteristică importantă metal - limită de curgere. Cu cât este mai mare, cu atât piesele din acest metal rezistă mai bine la sarcinile operaționale, cu atât își păstrează mai mult formele și dimensiunile. Limita de curgere a titanului este de aproape 18 ori mai mare decât cea a aluminiului.
Spre deosebire de majoritatea metalelor, titanul are o rezistență electrică semnificativă: dacă conductivitatea electrică a argintului este considerată 100, atunci conductivitatea electrică a cuprului este de 94, aluminiu - 60, fier și platină - 15 și titan - doar 3,8. Nu este deloc necesar să explicăm că această proprietate, la fel ca nonmagnetismul titanului, este de interes pentru electronica radio și ingineria electrică.
Rezistența la coroziune a titanului este remarcabilă. După 10 ani de expunere la apa de mare, pe placa acestui metal nu au apărut urme de coroziune. Rotoarele elicopterelor grele moderne sunt fabricate din aliaje de titan. Cârmele, eleronoanele și unele alte părți critice ale aeronavelor supersonice sunt, de asemenea, fabricate din aceste aliaje. Pe multe producție chimică Astăzi puteți găsi aparate și coloane întregi din titan.
Cum se obține titan
Prețul este un alt lucru care încetinește producția și consumul de titan. De fapt, costul ridicat nu este un defect inerent al titanului. Există o mulțime de ea în scoarța terestră - 0,63%. Încă preț mare titanul este o consecință a dificultății de a-l extrage din minereuri. Se explică prin afinitatea ridicată a titanului pentru multe elemente și prin puterea legăturilor chimice din compușii săi naturali. De aici și complexitatea tehnologiei. Așa arată metoda magneziu-termică pentru producția de titan, dezvoltată în 1940 de omul de știință american V. Kroll.
Dioxidul de titan este transformat în tetraclorură de titan folosind clor (în prezența carbonului):
HO2 + C + 2CI2 → HCI4 + CO2.
Procesul are loc în cuptoare electrice cu arbore la 800-1250°C. O altă opțiune este clorarea în săruri topite Metale alcaline NaCl și KCl Următoarea operație (la fel de importantă și consumatoare de timp) - purificarea TiCl 4 de impurități - se realizează folosind diferite metode și substanțe. Tetraclorura de titan in conditii normale este un lichid cu punctul de fierbere de 136°C.
Este mai ușor să rupeți legătura dintre titan și clor decât cu oxigen. Acest lucru se poate face folosind magneziu prin reacție
TiCl4 + 2Mg → T + 2MgCl2.
Această reacție are loc în reactoare din oțel la 900°C. Rezultatul este un așa-numit burete de titan impregnat cu magneziu și clorură de magneziu. Acestea sunt evaporate într-un aparat de vid sigilat la 950°C, iar buretele de titan este apoi sinterizat sau topit într-un metal compact.
Metoda sodiu-termică de producere a titanului metalic nu este, în principiu, foarte diferită de metoda magneziu-termică. Aceste două metode sunt cele mai utilizate în industrie. Pentru a obține titan mai pur, se mai folosește metoda iodurii propusă de van Arkel și de Boer. Buretele de titan metalotermic este transformat în iodură de TiI 4, care este apoi sublimată în vid. Pe drum, vaporii de iodură de titap întâlnesc sârmă de titan încălzită la 1400°C. În acest caz, iodura se descompune, iar pe fir crește un strat de titan pur. Această metodă de producție a titanului este cu productivitate scăzută și costisitoare, așa că este folosită în industrie într-o măsură extrem de limitată.
În ciuda forței de muncă și a intensității energetice a producției de titan, acesta a devenit deja unul dintre cele mai importante subsectoare ale metalurgiei neferoase. Producția globală de titan se dezvoltă într-un ritm foarte rapid. Acest lucru poate fi judecat chiar și din informațiile fragmentare care ajung în tipărire.
Se știe că în 1948 au fost topite în lume doar 2 tone de titan, iar 9 ani mai târziu - deja 20 de mii de tone, ceea ce înseamnă că în 1957 s-au produs 20 de mii de tone de titan în toate țările, iar în 1980 doar SUA au consumat . 24,4 mii de tone de titan... Până de curând, se pare, titanul era numit un metal rar - acum este cel mai important material structural. Acest lucru poate fi explicat doar printr-un singur lucru: o combinație rară proprietăți utile elementul nr. 22. Și, firesc, nevoile tehnologiei.
Rolul titanului ca material structural, baza aliajelor de înaltă rezistență pentru aviație, construcții navale și rachete, crește rapid. În aliaje este folosit cea mai mare parte a titanului topit în lume. Un aliaj larg cunoscut pentru industria aviației, constând din 90% titan, 6% aluminiu și 4% vanadiu. În 1976, în presa americană au apărut rapoarte despre un nou aliaj cu același scop: 85% titan, 10% vanadiu, 3% aluminiu și 2% fier. Ei susțin că acest aliaj nu este doar mai bun, ci și mai economic.
În general, aliajele de titan includ multe elemente, inclusiv platină și paladiu. Acestea din urmă (în cantitate de 0,1-0,2%) măresc rezistența chimică deja ridicată a aliajelor de titan.
Rezistența titanului este, de asemenea, crescută de „aditivi de aliere”, cum ar fi azotul și oxigenul. Dar, împreună cu rezistența, ele măresc duritatea și, cel mai important, fragilitatea titanului, astfel încât conținutul lor este strict reglementat: nu sunt permise mai mult de 0,15% oxigen și 0,05% azot în aliaj.
În ciuda faptului că titanul este scump, înlocuirea lui cu materiale mai ieftine se dovedește, în multe cazuri, a fi rentabilă. Iată un exemplu tipic. Corpul unui aparat chimic din oțel inoxidabil costă 150 de ruble, iar unul din aliaj de titan costă 600 de ruble. Dar, în același timp, un reactor din oțel durează doar 6 luni, iar unul din titan - 10 ani. Adăugați costurile de înlocuire a reactoarelor din oțel și timpul de oprire forțată a echipamentelor - și devine evident că utilizarea titanului scump poate fi mai profitabilă decât oțelul.
Metalurgia folosește cantități semnificative de titan. Există sute de clase de oțel și alte aliaje care conțin titan ca aditiv de aliere. Este introdus pentru a îmbunătăți structura metalelor, pentru a crește rezistența și rezistența la coroziune.
Unele reacții nucleare trebuie să aibă loc în vid aproape absolut. Folosind pompe de mercur, vidul poate fi adus la câteva miliarde de atmosferă. Dar acest lucru nu este suficient, iar pompele cu mercur sunt incapabile de mai mult. Pomparea suplimentară a aerului este efectuată de pompe speciale din titan. În plus, pentru a obține un vid și mai mare, titanul fin dispersat este pulverizat pe suprafața interioară a camerei în care au loc reacțiile.
Titanul este adesea numit metalul viitorului. Faptele pe care știința și tehnologia le au deja la dispoziție ne convinge că acest lucru nu este în întregime adevărat - titanul a devenit deja metalul prezentului.
Perovskit și sfenă. Ilmenit - metatitanat de fier FeTiO 3 - contine 52,65% TiO 2. Numele acestui mineral se datorează faptului că a fost găsit în Urali din Munții Ilmen. Cei mai mari plasători de nisipuri ilmenite se găsesc în India. Un alt mineral important, rutilul este dioxidul de titan. Titanomagnetitele, un amestec natural de ilmenit cu minerale de fier, sunt, de asemenea, de importanță industrială. Există zăcăminte bogate de minereuri de titan în URSS, SUA, India, Norvegia, Canada, Australia și alte țări. Nu cu mult timp în urmă, geologii au descoperit un nou mineral care conținea titan în regiunea Baikal de Nord, care a fost numit landauite în onoarea fizicianului sovietic academician L. D. Landau. În total, peste 150 de zăcăminte semnificative de minereu și placer de titan sunt cunoscute pe tot globul.
Metal de înaltă rezistență cu multe proprietăți unice. Inițial a fost folosit în industria de apărare și militară. Dezvoltarea diferitelor ramuri ale științei a condus la utilizarea mai largă a titanului.
Titan în producția de avioane
Pe lângă rezistența sa ridicată, titanul este și ușor. Acest metal este utilizat pe scară largă în construcția de avioane. Titanul și aliajele sale, datorită proprietăților lor fizice și mecanice, sunt materiale structurale de neînlocuit.
Fapt interesant: până în anii 60, titanul a fost folosit în principal pentru a face turbine cu gaz pentru motoarele de avioane. Mai târziu, metalul a început să fie folosit în producția de piese pentru consolele de avioane.
Astăzi, titanul este folosit pentru a face piese de aeronave, elemente de putere, piese de motor și multe altele.
Titanul în rachete și tehnologie spațială
În spațiul cosmic, orice obiect este supus atât la temperaturi foarte scăzute, cât și la temperaturi ridicate. În plus, există și radiații și particule care se mișcă cu viteză mare.
La materiale care pot rezista la orice conditii dificile includ oțel, platină, wolfram și titan. Potrivit unui număr de indicatori, se acordă preferință acestui din urmă metal.
Titanul în construcțiile navale
În construcțiile navale, titanul și aliajele sale sunt utilizate pentru placarea navelor, precum și la fabricarea pieselor de conducte și pompe.
Densitatea scăzută a titanului face posibilă creșterea manevrabilității navelor și, în același timp, reducerea greutății acestora. Rezistența ridicată la coroziune și eroziune a metalului ajută la creșterea duratei de viață (piesele nu ruginesc și nu sunt susceptibile de a fi deteriorate).
Instrumentele de navigație sunt, de asemenea, fabricate din titan, deoarece acest metal are și proprietăți magnetice slabe.
Titanul în inginerie mecanică
Aliajele de titan sunt utilizate în producția de țevi pentru echipamente de schimb de căldură, condensatoare cu turbine și suprafețele interioare ale coșurilor de fum.
Datorită proprietăților sale de înaltă rezistență, titanul vă permite să prelungiți durata de viață a echipamentului și să economisiți la lucrări de reparații.
Titanul în industria petrolului și gazelor
Țevile din aliaje de titan vor ajuta la atingerea adâncimii de găurire de până la 15-20 km. Ele sunt foarte durabile și nu sunt supuse unei deformări atât de severe ca alte metale.
Astăzi, produsele din titan sunt utilizate cu succes în dezvoltarea zăcămintelor de petrol și gaze de adâncime. Coturile, țevile, flanșele, adaptoarele etc. sunt realizate din metal de înaltă rezistență. În plus, rezistența la coroziune a titanului față de apa de mare joacă un rol important în funcționarea de înaltă calitate.
Titanul în industria auto
Reducerea greutății pieselor din industria auto ajută la reducerea consumului de combustibil și, prin urmare, la reducerea volumului gazelor de eșapament. Și aici titanul și aliajele sale vin în ajutor. Pentru mașini (în special mașini de curse), arcurile, supapele, șuruburile, arborii de transmisie și sistemele de evacuare sunt fabricate din titan.
Titan în construcție
Datorită capacității sale de a rezista la majoritatea factorilor negativi cunoscuți mediu inconjurator, titanul și-a găsit aplicație și în construcții. Se foloseste pentru placarea exterioara a cladirilor, placarea coloanelor, ca materiale de acoperis, cornise, intradose, dispozitive de prindere etc.
Titanul în medicină
Și în medicină, o nișă uriașă a fost ocupată de produse fabricate din titan și aliajele sale. Acest metal puternic, ușor, hipoalergenic și durabil este utilizat pentru a produce instrumente chirurgicale, proteze, implanturi dentare și fixatoare intraosoase.
Titan în sport
Datorită aceleiași rezistențe și ușurință, titanul este popular și în producția de echipamente sportive. Acest metal este folosit pentru a produce piese pentru biciclete, crose de golf, piolet, ustensile pentru turism și alpinism, lame pentru patine, cuțite pentru scufundări, pistoale (tir sportiv și forțe de ordine).
Titanul în bunuri de larg consum
Penele și penele sunt fabricate din titan pixuri, Bijuterii, ceasuri, vase si ustensile de gradina, huse pentru telefoane mobile, calculatoare, televizoare.
Interesant: clopotele sunt fabricate din titan. Au un sunet frumos și neobișnuit.
Alte utilizări ale titanului
Printre altele, dioxidul de titan a găsit o utilizare pe scară largă. Este folosit ca pigment alb pentru producție produse de vopsea si lacuri. Această pulbere albă are o putere mare de acoperire, adică capabil să acopere orice culoare peste care se aplică.
Când dioxidul de titan este aplicat pe suprafața hârtiei, acesta capătă proprietăți de imprimare ridicate și netezime.
Este denumirea E171 de pe pachetele de gumă de mestecat și bomboane care indică prezența dioxidului de titan. În plus, acest compus este folosit pentru colorare bastoane de crab, prăjituri, medicamente, creme, geluri, șampoane, carne tocată, tăiței, luminează făină și glazură.
Foaie de titan - laminată și foaie de titan VT1-0, VT20, OT4.
Tot ce trebuie să știi despre titan, plus crom și wolfram
Mulți oameni sunt interesați de întrebarea: care este cel mai dur metal din lume? Acesta este titan. Această substanță solidă va fi punctul central al majorității articolului. Să ne cunoaștem puțin și cu metale dure precum cromul și wolfram.
9 fapte interesante despre titan
1. Există mai multe versiuni ale motivului pentru care metalul și-a primit numele. O teorie este că a fost numit după Titani, creaturi supranaturale neînfricate. Potrivit unei alte versiuni, numele provine de la Titania, regina zânelor.
2. Titanul a fost descoperit la sfârșitul secolului al XVIII-lea de către un chimist german și englez.
3. Titanul nu a fost folosit în industrie de multă vreme din cauza fragilității sale naturale.
4. La începutul anului 1925, după o serie de experimente, chimiștii au obținut titan în formă pură.
5. Așchii de titan sunt foarte inflamabili.
6. Este unul dintre cele mai usoare metale.
7. Titanul se poate topi doar la temperaturi de peste 3200 de grade.
8. Fierbe la o temperatură de 3300 de grade.
9. Titanul are o culoare argintie.
Istoria descoperirii titanului
Metalul, care a fost numit mai târziu titan, a fost descoperit de doi oameni de știință - englezul William Gregor și germanul Martin Gregor Klaproth. Oamenii de știință au lucrat în paralel și nu s-au intersectat între ei. Diferența dintre descoperiri este de 6 ani.
William Gregor a dat descoperirii sale un nume: manakin.
Peste 30 de ani mai târziu, a fost obținut primul aliaj de titan, care s-a dovedit a fi extrem de fragil și nu a putut fi folosit nicăieri. Se crede că abia în 1925 titanul a fost izolat în formă pură, care a devenit unul dintre cele mai populare metale din industrie.
S-a dovedit că omul de știință rus Kirillov a reușit să extragă titan pur în 1875. A publicat o broșură care detaliază munca sa. Cu toate acestea, cercetările unui rus puțin cunoscut au trecut neobservate.
Informații generale despre titan
Aliajele de titan sunt o salvare pentru mecanici și ingineri. De exemplu, corpul unui avion este fabricat din titan. În timpul zborului, atinge viteze de câteva ori mai mari decât viteza sunetului. Carcasa din titan se încălzește până la temperaturi de peste 300 de grade și nu se topește.
Metalul închide top zece dintre „Cele mai comune metale din natură”. Depozite mari au fost descoperite în Africa de Sud, China și o mulțime de titan în Japonia, India și Ucraina.
Rezerva mondială totală de titani se ridică la peste 700 de milioane de tone. Dacă ratele de producție rămân aceleași, va fi suficient titan pentru încă 150-160 de ani.
Cel mai mare producător de metal cel mai dur din lume este întreprinderea rusă VSMPO-Avisma, care satisface o treime din nevoile lumii.
Proprietățile titanului
1. Rezistenta la coroziune.
2. Rezistenta mecanica ridicata.
3. Densitate scăzută.
Greutatea atomică a titanului este de 47,88 amu, numărul atomic în tabel chimic Mendeleev - 22. În exterior este foarte asemănător cu oțelul.
Densitatea mecanică a metalului este de 6 ori mai mare decât cea a aluminiului, de 2 ori mai mare decât cea a fierului. Se poate combina cu oxigen, hidrogen, azot. Când este asociat cu carbonul, metalul formează carburi incredibil de dure.
Conductivitatea termică a titanului este de 4 ori mai mică decât cea a fierului și de 13 ori mai mică decât cea a aluminiului.
Procesul de extragere a titanului
Există o cantitate mare de titan în pământ, totuși, extragerea lui din adâncuri costă mulți bani. Pentru producție se utilizează metoda iodurii, autorul căruia este considerat Van Arkel de Boer.
Metoda se bazează pe capacitatea metalului de a se combina cu iodul; după descompunerea acestui compus, se poate obține titan pur, fără impurități străine.
Cele mai interesante lucruri din titan:
- proteze în medicină;
- placi pentru dispozitive mobile;
- sisteme de rachete pentru explorarea spatiului;
- conducte, pompe;
- copertine, cornișe, placare exterioara clădiri;
- majoritatea pieselor (șasiu, trim).
Domenii de aplicare a titanului
Titanul este utilizat activ în sfera militară, medicină și bijuterii. I s-a dat numele neoficial „metalul viitorului”. Mulți spun că ajută la transformarea viselor în realitate.
Cel mai dur metal din lume a fost folosit inițial în sfera militară și de apărare. Astăzi, principalul consumator de produse din titan este industria aeronautică.
Titanul este un material de construcție universal. Timp de mulți ani a fost folosit pentru a crea turbine de avioane. În motoarele de avioane, elementele ventilatorului, compresoarele și discurile sunt fabricate din titan.
Designul unui avion modern poate conține până la 20 de tone de aliaj de titan.
Principalele domenii de aplicare a titanului în construcția de aeronave:
- produse de formă spațială (canturi de uși, trape, placari, pardoseli);
- unități și componente care sunt supuse unor sarcini mari (suporturi aripi, tren de aterizare, cilindri hidraulici);
- piese de motor (carcasa, palete compresorului).
Datorită titanului, omul a reușit să treacă prin bariera sonoră și să pătrundă în spațiu. A fost folosit pentru a crea sisteme de rachete cu echipaj. Titan poate rezista la radiațiile cosmice, schimbările de temperatură și viteza de mișcare.
Acest metal are o densitate scăzută, ceea ce este important în industria construcțiilor navale. Produsele din titan sunt ușoare, ceea ce înseamnă că greutatea este redusă, iar manevrabilitatea, viteza și raza de acțiune sunt crescute. Dacă corpul navei este acoperit cu titan, nu va fi nevoie să fie vopsit timp de mulți ani - titanul nu ruginește în apa de mare (rezistență la coroziune).
Cel mai adesea, acest metal este utilizat în construcțiile navale pentru fabricarea motoarelor cu turbină, cazanelor cu abur și țevilor de condensare.
Industria petrolului și a titanului
Găurirea ultra-profundă este considerată o zonă promițătoare pentru utilizarea aliajelor de titan. Pentru a studia și a extrage resursele subterane, este necesar să pătrundem adânc în subteran - peste 15 mii de metri. Țevile de foraj din aluminiu, de exemplu, se vor rupe din cauza propriei gravitații și numai aliajele de titan pot atinge adâncimi cu adevărat mari.
Nu cu mult timp în urmă, titanul a început să fie utilizat în mod activ pentru a crea puțuri pe rafturile mării. Specialiștii folosesc aliaje de titan ca echipamente:
- instalatii de producere a petrolului;
- recipiente de înaltă presiune;
- pompe de adâncime, conducte.
Titanul în sport, medicină
Titanul este extrem de popular în domeniul sportului datorită rezistenței și ușurinței sale. Cu câteva decenii în urmă, o bicicletă era fabricată din aliaje de titan, primul echipament sportiv realizat din cel mai dur material din lume. O bicicletă modernă este formată dintr-un corp de titan, aceeași frână și arcuri de scaun.
În Japonia au fost create crose de golf din titan. Aceste dispozitive sunt ușoare și durabile, dar extrem de scumpe.
Majoritatea articolelor care se află în rucsacul alpiniștilor și călătorilor sunt fabricate din titan - veselă, seturi de gătit, suporturi pentru întărirea corturilor. Pioletele din titan sunt echipamente sportive foarte populare.
Acest metal este la mare căutare în industria medicală. Majoritatea sunt fabricate din titan instrumente chirurgicale- usoara si confortabila.
Un alt domeniu de aplicare a metalului viitorului este crearea de proteze. Titanul „se combină” perfect cu corpul uman. Medicii au numit acest proces „rudenie reală”. Structurile de titan sunt sigure pentru mușchi și oase, rareori provoacă o reacție alergică și nu sunt distruse de lichidul din organism. Protezele din titan sunt durabile și pot rezista la sarcini fizice enorme.
Titanul este un metal uimitor. Ajută o persoană să atingă înălțimi fără precedent domenii diverse viaţă. Este iubit și venerat pentru puterea, ușurința și anii îndelungați de serviciu.
Cromul este unul dintre cele mai dure metale.
Fapte interesante despre crom
1. Numele metalului provine din cuvântul grecesc „chroma”, care înseamnă vopsea.
2. B mediul natural cromul nu se găsește sub formă pură, ci doar sub formă de minereu de crom de fier, oxid dublu.
3. Cele mai mari zăcăminte de metal sunt situate în Africa de Sud, Rusia, Kazahstan și Zimbabwe.
4. Densitatea metalului – 7200 kg/m3.
5. Cromul se topește la o temperatură de 1907 grade.
6. Fierbe la o temperatură de 2671 de grade.
7. Cromul absolut pur fără impurități se caracterizează prin ductilitate și vâscozitate. Atunci când este combinat cu oxigen, azot sau hidrogen, metalul devine fragil și foarte dur.
8. Acest metal alb-argintiu a fost descoperit de francezul Louis Nicolas Vauquelin la sfârșitul secolului al XVIII-lea.
Proprietățile cromului metalic
Cromul are o duritate foarte mare și poate tăia sticla. Nu este oxidat de aer sau umiditate. Dacă metalul este încălzit, oxidarea va avea loc numai la suprafață.
Se consumă peste 15.000 de tone de crom pur pe an. Compania engleză Bell Metals este considerată lider în producția de crom pur.
Cele mai mari cantități de crom sunt consumate în SUA, Europa de Vest și Japonia. Piața cromului este volatilă, iar prețurile se întind pe o gamă largă.
Domenii de utilizare a cromului
Cel mai adesea folosit pentru a crea aliaje și acoperiri galvanice (cromare pentru transport).
La oțel se adaugă crom, ceea ce îmbunătățește proprietățile fizice ale metalului. Aceste aliaje sunt cele mai căutate în metalurgia feroasă.
Cel mai popular grad de oțel este format din crom (18%) și nichel (8%). Astfel de aliaje au o rezistență excelentă la oxidare și coroziune și sunt durabile chiar și la temperaturi ridicate.
Cuptoarele de încălzire sunt fabricate din oțel, care conține o treime de crom.
Ce se mai face din crom?
1. Butoaie de arme de foc.
2. Corpul submarinului.
3. Cărămizi, care sunt folosite în metalurgie.
Un alt metal extrem de dur este wolfram.
Fapte interesante despre wolfram
1. Numele metalului tradus din germană („Wolf Rahm”) înseamnă „spumă de lup”.
2. Este cel mai refractar metal din lume.
3. Tungstenul are o nuanță gri deschis.
4. Metalul a fost descoperit la sfârșitul secolului al XVIII-lea (1781) de către suedezul Karl Scheele.
5. Tungstenul se topește la o temperatură de 3422 de grade, fierbe la 5900.
6. Metalul are o densitate de 19,3 g/cm³.
7. Masa atomică – 183,85, element din grupa VI în sistemul periodic al lui Mendeleev (număr de serie – 74).
Procesul de extracție a tungstenului
Tungstenul aparține unui grup mare de metale rare. De asemenea, include rubidiu și molibden. Acest grup se caracterizează printr-o prevalență scăzută a metalelor în natură și o scară redusă a consumului.
Producția de wolfram constă din 3 etape:
- separarea metalului de minereu, acumularea acestuia în soluție;
- izolarea compusului, purificarea acestuia;
- separarea metalului pur de un compus chimic finit.
- Materiile prime pentru producerea wolframului sunt scheelite și wolframite.
Aplicații ale wolframului
Tungstenul este baza celor mai puternice aliaje. Este folosit pentru a face motoare de avioane, părți ale dispozitivelor electrice de vid și filamente incandescente.
Densitatea mare a metalului face posibilă utilizarea wolframului pentru a crea rachete balistice, gloanțe, contragreutăți și obuze de artilerie.
Compușii pe bază de wolfram sunt utilizați pentru prelucrarea altor metale, în industria minieră (foraj puțuri), vopsele și lacuri și textile (ca catalizator pentru sinteza organică).
Din compuși complecși de tungsten produc:
- fire – utilizate în cuptoare de încălzire;
- benzi, folie, plăci, foi - pentru rulare și forjare plată.
Titanul, cromul și wolframul se află în fruntea listei „Cele mai multe metale dureîn lume". Ele sunt utilizate în multe domenii ale activității umane - aviație și rachetă, militar, construcții și, în același timp, aceasta nu este întreaga gamă de aplicații ale metalelor.