Титан
со
взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодической системы титан
стоек к коррозии? Дело в том, что реакций титана со многими элементами
происходят только при высоких температурах. При обычных температурах
химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает
в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как
только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо
срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1А=10-10м) пленка
диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту
пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные
окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка
появляется вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е. защищает
сам себя от дальнейшего разрушения.
Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных
агрессивных средах. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей
в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В
этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на
основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан
и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности и
прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.).
Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная,
соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает
удивление и восхищение этим металлом.
В азотной кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро
растворяются очень многие металлы, титан исключительно стоек. При любой
концентрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах
скорость коррозии титана не превышает 0,1–0,2 мм/год. Опасна только красная
дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными диоксидами
азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит
добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1–2% и более), как реакция
заканчивается и коррозия титана прекращается.
В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах.
Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость
коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной
температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20°
С–0,58 мм/год. При нагревании скорость коррозии титана в соляной кислоте
резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость
коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С
– уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при
нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается
растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при
всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.
В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5–1% ) титан стоек даже
при температуре раствора до 50–95° С. Стоек он и в более концентрированных
растворах (10–20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость
коррозии титана не превышает 0,005–0,01 мм/год. Но с повышением температуры
раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации
(10–20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозии достигает 9–10
мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную пленку
диоксида титана и повышает его растворимость. Ее можно резко понизить, если
в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой,
марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро
пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее
растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не
растворяющийся в «царской водке»: в ней при обычных температурах (10–20° С)
коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в
кипящей «царской водке», а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже
такие, как золото, растворяются почти мгновенно.
Очень слабо корродирует титан в большинстве органических кислот
(уксусной, молочной, винной), в разбавленных щелочах, в растворах многих
хлористых солей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов
при температуре выше 375° С титан взаимодействует очень бурно.
В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную
стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии,
калии, в расплавленной сере титан практически не корродирует, и лишь при
очень высоких температурах расплавов (выше 300–400° С) скорость его
коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных
растворов и расплавов, в которых титан растворяется очень интенсивно.
Главный «враг» титана – плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе
скорость коррозии титана очень высока, а в более концентрированных
растворах титан «тает», как лед в горячей воде. Фтор – этот «разрушающий
все» (греч.) элемент – бурно реагирует практически со всеми металлами и
сжигает их.
Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной
кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому,
спиртам, в том числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако
стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители – так
называемые ингибиторы, например в растворы соляной и серной кислот –
азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в
растворе: железо, медь и др.
В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в
десятки и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама.
Введение в титан 20–30% молибдена делает, этот сплав настолько устойчивым к
любым концентрациям соляной, серной и других кислот, что он может заменить
даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается
благодаря добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины,
палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы
снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и
серной кислотах в десятки раз. Следует отметить, что благородные платиноиды
влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо,
алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не
уменьшаются.
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 титан
| |  скачать работу |
Титан |
