В периодической системе химический элемент титан обозначается, как Ti (Titanium) и располагается в побочной подгруппе IV группы, в 4 периоде под атомным номером 22. Это серебристо-белый твёрдый металл, который входит в состав большого количества минералов. Купить титан вы можете на нашем сайте.
Открыли титан в конце 18 века химики из Англии и Германии Ульям Грегор и Мартин Клапрот, причём независимо друг от друга с шестилетней разницей. Название элементу дал именно Мартин Клапрот в честь древнегреческих персонажей титанов (огромных, сильных, бессмертных существ). Как оказалось, название стало пророческим, но чтобы познакомиться со всеми свойствами титана, человечеству понадобилось ещё больше 150 лет. Только через три десятилетия удалось получить первый образец металла титана. На тот момент времени его практически не использовали из-за хрупкости. В 1925 году после ряда опытов, при помощи йодидного метода химики Ван Аркель и Де Бур добыли чистый титан.
Благодаря ценным свойствам металла, на него сразу же обратили внимание инженеры и конструкторы. Это был настоящий прорыв. В 1940 году Кролль разработал магниетермический способ получения титана из руды. Этот способ актуален и на сегодняшний день.
Физические и механические свойства
Титан является довольно тугоплавким металлом. Температура его плавления составляет 1668±3°С. По этому показателю он уступает таким металлам, как тантал, вольфрам, рений, ниобий, молибден, тантал, цирконий. Титан – это парамагнитный металл. В магнитном поле он не намагничивается, но не выталкивается из него. Изображение 2 Титан обладает низкой плотностью (4,5 г/см³) и высокой прочностью (до 140 кг/мм²). Эти свойства практически не меняются при высоких температурах. Он более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия (2,7 г/см³), зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см³). По механическим свойствам титан намного превосходит эти металлы. По прочности титан и его сплавы располагаются в одном ряду со многими марками легированных сталей.
По стойкости к коррозии титан не уступает платине. Металл обладает отличной устойчивостью в условиях кавитации. Пузырьки воздуха, образующиеся в жидкой среде при активном движении титановой детали, практически не разрушают её.
Это прочный металл, способный сопротивляться разрушению и пластической деформации. Он в 12 раз твёрже алюминия и в 4 раза — меди и железа. Ещё один важный показатель – это предел текучести. С увеличением этого показателя улучшается сопротивление деталей из титана эксплуатационным нагрузкам.
В сплавах с определёнными металлами (особенно с никелем и водородом) титан способен «запоминать» форму изделия, созданную при определённой температуре. Такое изделие потом можно деформировать и оно надолго сохранит это положение. Если же изделие нагреть до температуры, при которой оно было сделано, то изделие примет первоначальную форму. Называют это свойство «памятью».
Теплопроводность титана сравнительно низкая и коэффициент линейного расширения соответственно тоже. Из этого следует, что металл плохо проводит электричество и тепло. Зато при низких температурах он является сверхпроводником электричества, что позволяет ему передавать энергию на значительные расстояния. Также титан обладает высоким электросопротивлением. Чистый металл титан подлежит различным видам обработки в холодном и горячем состоянии. Его можно вытягивать и делать проволоку, ковать, прокатывать в ленты, листы и фольгу с толщиной до 0,01 мм. Из титана изготавливают такие виды проката: титановая лента, титановая проволока, титановые трубы, титановые втулки, титановый круг, титановый пруток.
Термообработка титановых сплавов
Для повышения эксплуатационных качеств проводится термическая термообработка титановых сплавов. Данный процесс существенно усложняется по причине того, что перестроение кристаллической решетки поверхностного слоя проходит при температуре выше 500 градусов Цельсия. Для плавов марки ВТ5 и ВТ6-С довольно часто проводят отжиг. Время выдержки может существенно отличаться, что зависит от толщины заготовки и других линейных размеров.
Детали, изготавливаемые из ВТ14, на момент применения должны выдерживать температуру до 400 градусов Цельсия. Именно поэтому термическая обработка предусматривает закалку с последующим старением. При этом закалка требует нагрева среды до температуры около 900 градусов Цельсия, в то время как старение предусматривает воздействие среды с температурой 500 градусов Цельсия на протяжении более 12-и часов.
Индукционные методы нагрева позволяют проводить самые различные процессы термической обработки. Примером можно назвать отжиг, старение, нормализацию и так далее. Конкретные режимы термической обработки выбираются в зависимости от того, какие нужно достигнуть эксплуатационные характеристики.
Химические свойства
Чистый титан – это химически активный элемент. Благодаря тому, что на его поверхности формируется плотная защитная плёнка, металл обладает высокой устойчивостью к коррозии. Он не подвергается окислению на воздухе, в соленой морской воде, не меняется во многих агрессивных химических средах (например: разбавленная и концентрированная азотная кислота, царская водка). При высоких температурах титан взаимодействует с реагентами намного активнее. На воздухе при температуре 1200°С происходит его воспламенение. Возгораясь, металл даёт яркое свечение. Активная реакция происходит и с азотом, с образованием нитридной плёнки желто-коричневого цвета на поверхности титана.
Реакции с соляной и серной кислотами при комнатной температуре слабые, но при нагреве металл усиленно растворяется. В результате реакции образуются низшие хлориды и моносульфат. Также происходят слабые взаимодействия с фосфорной и азотной кислотами. Металл реагирует с галогенами. Реакция с хлором происходит при 300°С. Активная реакция с водородом протекает при температуре чуть выше комнатной. Титан активно поглощает водород. 1 г титана может поглотить до 400 см³ водорода. Нагретый металл разлагает двуокись углерода и пары воды. Взаимодействие с парами воды происходит при температуре более 800°С. В результате реакции образуется окисел металла и улетучивается водород. При более высокой температуре горячий титан поглощает углекислый газ и образует карбид и окисел.
Механические характеристики
| Сечение, мм | sТ|s0,2, МПа | σB, МПа | d5, % | d10 | y, % | кДж/м2, кДж/м2 | Твёрдость по Бринеллю, МПа |
| Листовой прокат в состоянии поставки по ОСТ 4.021.051-92 без термообработки с последующей прогладкой и правкой (образцы поперечные) | |||||||
| 8-10 | — | ≥375 | ≥20 | — | — | — | — |
| Трубы бесшовные холоднокатаные и холоднотянутые, термообработанные в состоянии поставки по ГОСТ 22897-86 (образцы продольные) | |||||||
| — | ≥245 | 343-568 | ≥24 | — | — | — | — |
| Листовой прокат в состоянии поставки по ОСТ 4.021.051-92 отожженый и правленный или отожженый с последующей прогладкой и правкой (образцы поперечные) | |||||||
| 0.5-1.8 | — | ≥375 | ≥25 | — | — | — | — |
| Трубы бесшовные холоднокатаные и холоднотянутые, термообработанные в состоянии поставки по ГОСТ 22897-86 (образцы продольные) | |||||||
| — | ≥147 | ≥216 | — | — | — | — | — |
| Листовой прокат в состоянии поставки по ОСТ 4.021.051-92 отожженый и правленный или отожженый с последующей прогладкой и правкой (образцы поперечные) | |||||||
| 1.8-6 | — | ≥375 | ≥22 | — | — | — | — |
| 6-10 | — | ≥375 | ≥20 | — | — | — | — |
| Листовой прокат в состоянии поставки после отжига (образцы поперек направления прокатки) | |||||||
| 0.3-0.4 | — | 375-540 | ≥25 | — | — | — | — |
| 0.4-1.8 | — | 375-540 | ≥30 | — | — | — | — |
| 1.8-6 | — | 375-540 | ≥25 | — | — | — | — |
| 6-10.5 | — | 375-540 | ≥20 | — | — | — | — |
| Плиты в состоянии поставки по ГОСТ 23755-79. Без термической обработки (образцы поперечные) | |||||||
| 11-60 | — | 370-570 | — | ≥13 | ≥27 | — | — |
| 60-150 | — | 295-540 | — | ≥10 | ≥24 | — | — |
| Плиты по ОСТ 1 90024-94 в состоянии поставки. Образцы термообработанные (поперечные) | |||||||
| 11-60 | — | 390-540 | — | ≥13 | ≥27 | — | — |
| 60-150 | — | 390-540 | — | ≥10 | ≥24 | — | — |
| Поковки и штамповки весом до 200 кг после отжига | |||||||
| 101-150 | — | 353-540 | ≥17 | — | ≥32.5 | ≥490 | 131-163 |
| 151-250 | — | 353-540 | ≥15 | — | ≥30 | ≥490 | 131-163 |
| 100 | — | 392-540 | ≥20 | — | ≥50 | ≥980 | 131-163 |
| Прутки горячекатаные отожженые обычного качества по ГОСТ 26492-85 (образцы продольные) | |||||||
| 10-12 | — | ≥345 | ≥15 | — | ≥40 | — | — |
| 100-150 | — | ≥345 | ≥15 | — | ≥36 | ≥490 | — |
| 12-100 | — | ≥345 | ≥15 | — | ≥40 | ≥686 | — |
| Прутки горячекатаные отожженые повышенного качества по ГОСТ 26492-85 (образцы продольные) | |||||||
| 10-12 | — | 390-540 | ≥20 | — | ≥50 | — | — |
| 100-150 | — | 350-540 | ≥19 | — | ≥38 | ≥490 | — |
| 12-100 | — | 390-540 | ≥20 | — | ≥50 | ≥980 | — |
| Прутки кованые квадратные и круглые после отжига (указано направление вырезки образцов) | |||||||
| ≤150 | — | 353-540 | ≥17 | — | ≥32.5 | ≥490 | 131-163 |
| 151-250 | — | 353-540 | ≥15 | — | ≥30 | ≥490 | 131-163 |
| — | 373-540 | ≥17 | — | ≥40 | ≥686 | 131-163 | |
| Прутки круглые горячекатаные отожженые в состоянии поставки по ОСТ 4.021.025-92, ОСТ 4.021.026-92 | |||||||
| 65-100 | — | 390-540 | ≥20 | — | ≥50 | ≥980 | 131-163 |
| 110 | — | 355-540 | ≥19 | — | ≥42 | ≥588 | 131-163 |
| 10-60 | — | ≥345 | ≥15 | — | ≥40 | ≥686 | 131-163 |
| Прутки прессованные по ОСТ 1 92020-82. Отжиг. Образцы продольные | |||||||
| 100 | — | 392-539 | — | ≥20 | ≥50 | ≥981 | — |
| Трубы бесшовные горячекатаные, термообработанные в состоянии поставки по ГОСТ 21945-76 | |||||||
| ≥245 | 343-568 | ≥20 | — | ≥42 | ≥780 | — | |
| Трубы отожженые с травленой поверхностью катаные и тянутые наружным диаметром 6,0-62,0 мм. Трубы сварные без термообработки (в состоянии поставки) наружным диаметром 25,0-102,0 мм. Трубы холоднотянутые отожженые наружным диаметром 8,0-30,0 мм. | |||||||
| — | 400-550 | ≥15 | — | — | — | — | |
| Трубы сварные групп А (отожженные) и Б (без т/о) в состоянии поставки по ГОСТ 24890-81 (образцы, в сечении указан наружный диаметр) | |||||||
| 25-38 | — | 392-588 | ≥15 | — | — | — | — |
| 38-102 | — | 294-441 | ≥20 | — | — | — | — |
Способы получения
Титан является одним из самых распространённых элементов на Земле. Содержание его в недрах планеты по массе составляет 0,57%. Самая большая концентрация металла наблюдается в «базальтовой оболочке» (0,9%), в гранитных породах (0,23%) и в ультраосновных породах (0,03%). Существует около 70 минералов титана, в которых он содержится в виде титановой кислоты или двуокиси. Главные минералы титановых руд это: ильменит, анатаз, рутил, брукит, лопарит, лейкоксен, перовскит и сфен. Основные мировые производители титана – это Великобритания, США, Франция, Япония, Канада, Италия, Испания и Бельгия. Существует несколько способов получения титана. Все они применяются на практике и вполне эффективны.
Магниетермический процесс.
Добывают руду, содержащую титан и перерабатывают его в диоксид, который медленно и при очень высоких температурных значениях подвергают хлорированию. Хлорирование проводят в углеродной среде. Затем хлорид титана, образовавшийся в результате реакции, восстанавливают магнием. Полученный металл нагревают в вакуумном оборудовании при высокой температуре. В результате магний и хлорид магния испаряются, остаётся титан с множеством пор и пустот. Губчатый титан переплавляют для получения качественного металла.
Гидридно-кальциевый метод.
Сначала получают гидрид титана, а затем разделяют его на компоненты: титан и водород. Процесс происходит в безвоздушном пространстве при высокой температуре. Образуется оксид кальция, который проходит отмывку слабыми кислотами. Гидридно-кальциевый и магниетермический методы обычно используются в промышленных масштабах. Эти методы позволяют получить значительное количество титана за небольшой промежуток времени, с минимальными денежными затратами.
Электролизный метод.
Хлорид или диоксид титана подвергается воздействию высокой силы тока. В результате происходит разложение соединений.
Йодидный метод.
Диоксид титана взаимодействует с парами йода. Далее на титановый йодид воздействуют высокой температурой, в результате чего получается титан. Этот метод является наиболее эффективным, но и самым дорогостоящим. Титан получается очень высокой чистоты без примесей и добавок.
Описание механических обозначений
| Название | Описание |
| Сечение | Сечение |
| sТ|s0,2 | Предел текучести или предел пропорциональности с допуском на остаточную деформацию — 0,2% |
| σB | Предел кратковременной прочности |
| d5 | Относительное удлинение после разрыва |
| d10 | Относительное удлинение после разрыва |
| y | Относительное сужение |
| кДж/м2 | Ударная вязкость |
Применение титана
Благодаря хорошим антикоррозионным свойствам титан используют для изготовления химической аппаратуры. Высокая жаростойкость металла и его сплавов способствует применению в современной технике. Сплавы титана – это прекрасный материал для самолётостроения, ракетостроения и судостроения.
Из титана создают памятники. А колокола из этого металла известны необычайным и очень красивым звучанием. Двуокись титана является компонентом некоторых лекарственных препаратов, например: мази против кожных заболеваний. Также большим спросом пользуются соединения металла с никелем, алюминием и углеродом.
Титан и его сплавы нашли применение в таких сферах, как химическая и пищевая промышленность, цветная металлургия, электроника, ядерная техника, энергомашиностроение, гальванотехника. Вооружение, броневые плиты, хирургические инструменты и имплантаты, оросительные установки, спортинвентарь и даже украшения делают из титана и его сплавов. В процессе азотирования на поверхности металла образуется золотистая плёнка, не уступающая по красоте даже настоящему золоту.
Стандарты
| Название | Код | Стандарты |
| Цветные металлы, включая редкие, и их сплавы | В51 | ГОСТ 19807-91, ОСТ 1 90000-70, ОСТ 1 90013-81, ОСТ 4.021.009-92, TУ 1715-012-07510017-99, TУ 1-5-226-89, TУ 1-83-39-79 |
| Трубы стальные и соединительные части к ним | В62 | ГОСТ 21945-76, ГОСТ 22897-86 |
| Листы и полосы | В53 | ГОСТ 22178-76, ГОСТ 23755-79, ОСТ 1 90218-76, ОСТ 1 90145-74, ОСТ 1 90024-94, ОСТ 4.021.051-92, TУ 1-5-093-77, TУ 1-5-111-73, TУ 1-5-362-84 |
| Трубы из цветных металлов и сплавов | В64 | ГОСТ 24890-81, ОСТ 1 90050-72, ОСТ 1 90051-79, ОСТ 1 90065-72, ОСТ 1 90050-92, TУ 1-5-092-91, TУ 1-5-101-91, TУ 1825-544-07510017-2004 |
| Прутки | В55 | ГОСТ 26492-85, ОСТ 1 92020-82, ОСТ 1 90266-86, ОСТ 1 90173-75, ОСТ 1 90107-73, ОСТ 1 90006-86, ОСТ 4.021.025-92, ОСТ 4.021.026-92, TУ 1-5-063-85 |
| Ленты | В54 | ОСТ 1 90027-71, TУ 1-5-057-81 |
| Сортовой и фасонный прокат | В52 | ОСТ 1 92039-75, ОСТ 1 92051-76 |
| Сварка и резка металлов. Пайка, клепка | В05 | ОСТ 95 10441-2002, TУ 1-9-77-85 |
| Обработка металлов давлением. Поковки | В03 | СТ ЦКБА 010-2004 |
| Арматура и соединения трубопроводов | Г18 | СТ ЦКБА 083-2010 |
Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности
Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.
Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.
Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
