Титан
а 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
| |  скачать работу |
Титан |
