Элемент титан

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. История открытия

Элемент 22 (англ. Titanium, франц. Titane, нем. Titan) открыт в конце XVIII в., когда поиски и анализы новых, еще не описанных в литературе минералов увлекали не только химиков и минералогов, но и ученых-любителей. Один из таких любителей, английский священник Грегор, нашел в своем приходе в долине Меначан в Корнуэлле черный песок, смешанный с тонким грязно-белым песком. Грегор растворил пробу песка в соляной кислоте; при этом из песка выделилось 46% железа. Оставшуюся часть пробы Грегор растворил в серной кислоте, причем почти все вещество перешло в раствор, за исключением 3,5% кремнезема. После упаривания сернокислотного раствора остался белый порошок в количестве 46% пробы. Грегор счел его особым видом извести, растворимой в избытке кислоты и осаждаемой едким кали.

Продолжая исследования порошка, Грегор пришел к выводу, что он представляет собой соединение железа с каким-то неизвестным металлом. Посоветовавшись с своим другом, минералогом Хавкинсом, Грегор опубликовал в 1791 г. результаты своей работы, предложив назвать новый металл меначином (Menachine) от имени долины, в которой был найден черный песок. В соответствии с этим исходный минерал получил название менаконит. Клапрот познакомился с сообщением Грегора и независимо от него занялся анализом минерала, известного в то время под названием "красного венгерского шерла" (рутил). Вскоре ему удалось выделить из минерала окисел неизвестного металла, который он назвал титаном (Titan) по аналогии с титанами - древними мифическими обитателями земли.

Клапрот намеренно избрал мифологическое название в противовес названиям элементов по их свойствам, как было предложено Лавуазье и Номенклатурной комиссией Парижской академии наук и что приводило к серьезным недоразумениям. Подозревая, что меначин Грегора и титан - один и тот же элемент, Клапрот произвел сравнительный анализ менаконита и рутила и установил идентичность обоих элементов. В России в конце XIX в. титан выделил из ильменита и подробно изучил с химичеcкой стороны Т.Е. Ловиц; при этом он отметил некоторые ошибки в определениях Клапрота. Электролитически чистый титан был получен в 1895 г. Муассаном. В русской лмратуре начала XIХ в. титан иногда называется титаний (Двигубский, 1824), там же через пять лет фигурирует название титан.

2. Физические и химические свойства

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4°С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа. Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 ° С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С до температуры плавления.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью. Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает. Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышением температуры до 350°С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана - существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечення изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивлеиие, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10^-8 до 80·10^-6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником. Титан - парамагнитный металл. У парамагнитных веществ мапнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила - его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Физические и механические свойства титана

3. Способы получения Титана

Титан является одним из наиболее распространенных элементов в природе. По распространению в земной коре он занимает девятое место, уступая О, Si, Al, Fe Ca, Na, К и Mg. Его содержание в земной коре оценивают в 0,6% по весу. Титан входит в состав многих минералов, из которых наиболее важное промышленное значение имеют ильменит (FeTiO3) титаномагнетит (Fe3O4 + FeTiO3) и рутил (ТiO2).Титановые руды содержат невысокий процент полезных составляющих: ильменит -- от 40 до 60% ТiO2, а титаномагнетит от 8 до 11% ТiO2. Для получения титановых концентратов применяются методы мокрой гравитации, электромагнитные методы и чисто металлургический метод, заключающийся в плавке руды и переводе титана в шлак.

Все методы получения металлического титана основаны на использовании рутила в качестве основного продукта сырья. В настоящее время известны следующие, главные методы получения титана:

1. Магниетермический метод, заключающийся в хлорировании ТiO2, получении TiCl4 и восстановлении его магнием. Для получения губки титана с малым содержанием кислорода и азота и некоторых других вредных примесей TiCl4 перед восстановлением подвергается тщательной очистке путем многократной фракционной перегонки с одновременной химической очисткой. Восстановление ТiCl4 производится в специальных реакторах в атмосфере аргона при температуре 700--950°. Губка титана затем очищается от MgCl2 и Mg методом вакуумной дисцилляции или путем выщелачивания. Второй способ значительно дешевле, но приводит к насыщению губки титана водородом до 0,05%.

2. Водород удаляется при последующей плавке губки в вакууме. Вместо магния в качестве восстановителя применяется также и натрий. Это позволяет получать титан в виде порошка и облегчает производство гомогенных сплавов титана. Гидридно-кальциевый метод, основанный на получении гидрида титана и последующем разложении его на Ti и Н2 путем нагрева в высоком вакууме. Образующийся СаО отмывается разбавленными кислотами.

3. Электролизный метод, заключающийся в разложении электрическим током ТiO2 или ТiСl4, (растворенных в расплавленных солях хлоридов и фторидов щелочных и щелочно-земельных металлов, при 700--800° в атмосфере инертных газов.

4. Иодидный метод, основанный на термической диссоциации иодида титана TiJ4, который предварительно получают путем реакции металлического титана низкой чистоты с парами иода. Первые три метода применяются для производства технического титана, а иодидный для получения титана высокой чистоты, практически свободного от газов и содержащего весьма малое количество других примесей. Основные способы производства технического титана заключаются в использовании магние- или натрие-термического методов.

В 1956 г. в США было произведено 15 тыс. т титановой губки и около 8 тыс. т заготовок, в то время как в 1953 г. выпуск составлял 2 тыс. т. В 1957 г. намечалось получить 30 тыс. т губки. В СССР производство титана резко возрастает с каждым годом. Для заготовок компактного титана применяют метод иодидного осаждения чистого титана, порошковой металлургии, горячего прессования или прокатки, выплавки в индукционных и дуговых печах. Основным методом в настоящее время является метод однократной выплавки или двойной переплавки в дуговых печах в медной охлаждаемой изложнице плавящимся прессованным титановым электродом под вакуумом или в атмосфере инертных газов. Этот метод позволяет получать слитки металла диаметром до 500 мм и весом до 2,7 т. При двойной переплавке существенно снижается содержание водорода и повышается химическая однородность сплавов.

Перспективным является также способ порошковой металлургии, который при производстве проката и изделий сложной конфигурации может оказаться наиболее экономичным и производительным. Этот метод включает прессование, спекание, ковку или прокатку. Титан и его а + в-сплавы подвергаются ковке при температурах 850--1000°, а а-сплавы при 1100--1150°. Для нагрева применяют муфельные газовые или электрические печи с нейтральной или слегка восстановительной сухой атмосферой для предотвращения водородной хрупкости. Нагрев под ковку желательно производить в две стадии: медленный нагрев до 700° и затем быстрый до температуры ковки. Ковку титана заканчивают при температурах не ниже 780--790°.

Из-за высокой чувствительности титана к надрывам ковку желательно вести постепенно при малых степенях деформации. После ковки рекомендуется производить отжиг при температуре 600--650° в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе. В настоящее время производится листовой прокат толщиной от 0,3 мм и выше. В последнее время начался выпуск титановой фольги толщиной до 0,013 мм методом холодной прокатки с последующим отжигом в вакуумных печах. Начинает также широко внедряться горячее прессование различных титановых профилей.

Прессование титана рекомендуется вести при более низких температурах и с более высоким удельным давлением, чем сталь, из-за опасности загрязнения титана газами. Титан и некоторые его сплавы можно подвергать также холодной прокатке со ступенчатым обжатием до 50%, горячей и холодной штамповке, гибке, растяжке, высадке и т. д.Механическую обработку титана и его сплавов по трудности можно сравнить с обработкой нержавеющих хромоникелевых сталей. Применение кислородной резки ограничено из-за сильного окисления кромок, что исключает возможность сварки без последующей механической обработки.

Наряду с механической обработкой одним из перспективных методов резки и подготовки кромок под сварку является дуговая резка в защитных газах. При производстве полуфабрикатов (проката, профилей и т. д.) и изделий из титана и его сплавов необходимо производить очистку поверхности от пленки окислов и пораженного газами поверхностного слоя, резко снижающего способность титана к деформации, особенно при изгибе. Окислы удаляют механическим путем или травлением в расплавленных солях и некоторых растворах кислот.

Механическая очистка (проволочными щетками, дробеструйная, пескоструйная и наждачным кругом) применима для поковок, отливок и листов большой толщины. В 1956 г. на отечественный листовой технический титан ВТ1 разработаны технические условия ЦМТУ-4754-56. Сортамент технических условий предусматривает поставку листов толщиной от 0,6 до 6,0 мм и размерами от 600 X 1500 до 1000--2000 мм. Слитки, предназначенные для прокатки на лист, выплавляют в дуговой печи методом двойной переплавки.

Листы поставляются, мягкими и в протравленном состоянии. Отжиг листов производят при 500--550°. Допускается холодная правка листов после их последнего отжига и травления. На поверхности листов не допускаются трещины и инородные включения, видимые невооруженным глазом. Листы должны быть ровно обрезаны по кромкам и не должны иметь грубых заусенцев. Листовой титан поставляется двух сортов: ВТ1-1 и ВТ1-2. Угол загиба листов толщиной от 0,6 до 1,5 мм и более для ВТ1-1 должен составлять, не менее 130--80° и для ВТ1-2-- 120--70°.При приемке листов обязательно производят наружный осмотр и обмер каждого листа. Механическим испытаниям на растяжение и загиб подвергают каждый лист, из которого вырезают одному образцу поперек прокатки. Для проверки химического состава отбирают пробу от одного листа из группы листов одной плавки (слитка). На поверхность каждого листа наносят марку сплава толщину листа, номер плавки, номер листа и номер партии, клеймо ОТК завода-изготовителя и номер браковщика. Каждая партия листов имеет сертификат.

4. Применение в быту, промышленности, медицины и т.д.

физический химический свойства титан

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Титан (ферротитан) используют в качестве лигирующей добавки к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали элетктровакуумных приборов, работающих при высоких температурах. По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии. Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой мехнической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях. Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах (см. рис.2). Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%.

Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж. Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести. Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостоении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана. Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид титана обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид титана (TiO₂) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид титана -- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов.

Размещено на Allbest.ru