Titanium (739654), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Физические и механические свойства титана

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800° С, однако в се­редине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого эле­ментарного титана. Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, пла­тиноиды, цирконий, а среди основных конструкцион­ных металлов он стоит на первом месте:

Важнейшей особенностью титана как металла явля­ются его уникальные физико-химические свойства: низ­кая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан–легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см⁸, а при 100° С – 4,506 г/см³. Титан относится к группе металлов с удельной мас­сой менее 5 г/см³. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см³, магний (1,7 г/см³), алюминий (2,7 г/см³) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см³). Однако, зани­мая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механи­ческим свойствам во много раз их превосходит.

Каковы же эти свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал? Прежде всего прочность металла, т. е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза–железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротив­ляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у ти­тана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть по­вышена в 1,5–2 раза. Его высокие механические свой­ства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов.

Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

Интересно отметить, что титан долгие годы, вплоть до получения чистого металла, рассматривали как очень хрупкий материал. Связано это было с наличием в титане примесей, особенно водорода азота, кислорода, углерода и др. Если увеличение содержания кислорода и азота сразу сказывается на их механических свойствах, то влияние водорода более сложное и может проявляться не сразу, а в процессе эксплуатации изделия. Недооценка этого влияния при первых шагах применения титана привела к серьезным авариям. Многочисленные случаи неожиданных хрупких разрушений готовых титановых конструкций в авиации США даже стали причиной некоторого кризиса в производстве титана в 1945–1955 гг. Сегодня же водород специально вводят в титановые сплавы, как временный или постоянный легирующий элемент. Это позволяет сильно упростить многие технологические операции при изготовлении титановых изделий (горячую обработку давлением, резание, сварку, формовку) и улучшить их свойства. При необходимости водород удаляют отжигом в вакууме.

Титан имеет еще одно замечатель­ное свойство – исключительную стойкость в условиях кавитации, т. е. при усиленной «бомбарди­ровке» металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вра­щении металлической детали в жидкой среде. Эти пу­зырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вы­зывают очень сильные микроудары жидкости о поверх­ность движущегося тела. Они быстро разрушают мно­гие материалы, и металлы в том числе, а вот титан прекрасно противостоит кавитации. Испытания в морской воде быстровращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения, а следовательно, и кавитация мак­симальны, не изменились. Другие диски не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежден­ными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан обладает еще одним удивительным свойст­вом–«памятью». В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем, и особенно с никелкм и водородом) он «запоминает» форму изде­лия, которую из него сделали при определенной тем­пературе. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно оста­нется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изде­лие было сделано, оно принимает первоначальную фор­му. Это свойство титана широко используется в косми­ческой технике (на корабле разворачиваются вынесен­ные в космическое пространство большие антенны, до этого компактно сложенные). Недавно это свойство ти­тана стали использовать медики для бескровных опе­раций на сосудах: в больной, суженный сосуд вводится проволочка из титанового сплава, а потом она, разогре­ваясь до температуры тела, скручивается в первона­чальную пружинку и расширяет сосуд.

Температурные, электриче­ские и магнитные свойства титана.

Титан обладает сравни­тельно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного тер­мического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 - у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан – плохой проводник электричества и тепла. Проводов из него не сделаешь, а вот то, что он один из очень немногих металлов является при низких тем­пературах сверхпроводником электричества, открывает ему большие перспективы в электрической технике, передачи энергии на большие расстояния. Титан – парамагнитный металл: он не намагничи­вается, как железо, в магнитном поле, но и не вытал­кивается из него, как медь. Его магнитная восприимчи­вость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.

В отличие от большинства металлов титан обладает зна­чительным электросопротивлением: если электропровод­ность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия – 60, железа и платины –15, а ти­тана–всего 3,8. Вряд ли нужно объяснять, что это свой­ство, как и немагнитность, представляет интерес для радиоэлектроники и электротехники.

Получение титана

Цена – вот что еще тормозит производство и потребление, титана. Собственно, высокая стоимость – не врожденный порок титана. В земной коре его много – 0,63%. Минералы, содержащие титан находятся повсеместно. Важнейшие из них титаномагнетиты FeTiO₃´nFe₃O₄, ильменит FeTiO₃, сфен CaTiSiO₅ и рутил TiO₂. (В России месторождения титановых руд находятся на Урале, а крупнейший производитель Верхне-Салдинское ПО). Среди конструк­ционных металлов титан по распространенности занимает четвертое ме­сто, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Высокая цена титана – следствие сложности извлечения его из руд и применение вакуумного оборудования при переплавке. При промышленном получении титана руду или концентрат переводят в диоксид титана, который затем хлорируют. Однако даже при 800-1000°С хлорирование протекает медленно. С достаточной для практических целей скоростью оно происходит в присутствии углерода, связывающего кислород в основном в CO₂:

TiO₂+2Cl₂+2C=TiCl₄+2CO₂

Хлорид титана (IV) восстанавливают магнием

TiCl₄+2Mg=Ti+2MgCl₂

а образующуюся смесь подвергают нагреванию в вакууме. При этом магний и его хлорид испаряются и осаждаются в конденсаторе. Остаток - губчатый титан -переплавляют, получая компактный ковкий металл. Для очистки от кислорода, углерода и других вредных примесей восстановление титана проводят в герметичной аппаратуре в атмосфере аргона, а очистку и переплавку в глубоком вакууме.

Для получения титана высокой чистоты применяют иодидный метод, предложеннй еще в 1925 году. Суть этой технологии, в деталях разработана в 30-х гг. немецким химиком Вильгельмом Кроллем, и заключается в следующем. Черновой металл, загрязненный при­месями, нагретый до 100-200° С, взаимодействуя с йодом, образует четырехйодистый титан. Дальнейшее нагре­вание йодида до температуры примерно 1300–1500° С приводит к его разложению на титан и йод. Причем парообразный йод соединяется снова с черновым ме­таллом, а титан осаждается на раскаленной поверх­ности затравки из титана же. Примеси, находящиеся в черновом металле, взаимодействуют с йодом и не попадают на раскаленный чистый титан.

Ti(загрязненный)+2I₂(газ)®100-200°С®TiI₄(газ) ®1300-1500°С®Ti(чистый)+2I₂(газ)

Применение титана и его соединений.

Выше, описывая свойства, коротко уже упоминались отдельные области применения титановых сплавов. Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титано­вые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и ло­патки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техни­кой сверхзвуковых скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих условиях наи­более приемлемым материалом оказались титановые сплавы.

В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая масса деталей из ти­тановых сплавов составляет 2570 кг.

Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.

Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы находят применение в судостроении 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.

Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумаж-ной и пищевой промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производ­стве вооружения, для изготовления броневых плит, хирургического инст­румента, хирургических имплантатов, опреснительных установок, дета­лей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), дета­лей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его поверхности золотистой пленки, по красоте не усту­пающей настоящему золоту.

Из титана созданы памятники Ю.А. Гагарину и монумент покорителям космоса в Москве, обелиск в честь успехов освоения Вселенной в Женеве.

Совершенно необычный аспект применения титана - колокольный звон. Колокола, отлитые из этого металла, обладают необычайным, очень красивым звучанием.

Из соединений титана наиболее широко применяется двуокись. В 1908 г. в США и Норвегии началось изготовление бе­лил не из соединений свинца и цинка, как делалось преж­де, а из двуокиси титана. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же у титановых белил больше отражательная способность они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода! В медицинской литературе описан случай, когда человек за один раз «принял» 460 г двуокиси титана! (Интересно, с чем он ее спутал?) «Любитель» двуокиси титана не ис­пытал при этом никаких болезненных ощущений. Дву­окись титана входит в состав некоторых медицинских пре­паратов, в частности мазей против кожных болезней,

Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет наибольшие количества TiO₂. Мировое произ­водство этого соединения намного превысило полмиллиона тонн в год. Эмали на основе двуокиси титана широко ис­пользуют в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву в судостроении, строительстве и машиностроении. Срок службы сооружений и деталей при этом значительно повышается. Титановыми белилами ок­рашивают ткани, кожу и другие материалы.

Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Как наполнитель, повы­шающий прочность и термостойкость, ее вводят в резино­вые смеси.

Среди новых материалов, которым наука приписывает большое будущее, следует отметить соединения титана с алюминием и никелем и углеродом. О свойствах никелида титана упоминалось выше. Интерметаллиды Ti₃Al, TiAl, TiAl₃ предполагается использовать при рабочих температурах до 700°С. Карбиды титана обладают очень высокой твердостью и износостойкостью, сто позволяет использовать их вместо алмазных насадок в качестве режущего инструмента.

Список использованной литературы.

1. Н.Л. Глинка Общая химия: Учебное пособие для вузов.–24-е изд.–Л.: Химия,1985.–704 с.

2. Популярная библиотека химических элементов. Под ред. И.В. Петрянова-Соколова. Издание3-е, книга первая «Водород–палладий». М.: Наука, 1983.– 576 с.

3. Л.Б. Зубков Космический металл: (Все о титане).–М.: Наука, 1987.–128 с.–(Серия «Наука и технический прогресс»).

4. Б.А. Колачев, В.И. Елагин, В.А. Ливанов. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов. М.: «МИСИС», 1999.–416 с.

Характеристики

Список файлов реферата