Введение

Титан — металл, элемент IV группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Порядковый номер 22. Атомная масса 47,88. Изотопы: 48 (основной), 46., 47, 49 и 50. Плотность 4,5 г/см³. Су­ществует в двух полиморфных модификациях: a-Ti — при тем­пературах ниже 882 °С, β-Ti — выше 882 °С. При переходе a→β изменение объема составляет +5,5%, тепловой эффект перехода 0,38 ккал/г-атом. Температура плавления титана 1665 ± 5° С. Температура кипения 3572° С. Прочность на разрыв чистого (иодидного) титана составляет около 20 кГ/мм², товарного титана 30—40 кГ/мм², прочность кон­струкционных сплавов на основе титана равна обычно 100— 120 кГ/мм², в отдельных же случаях она достигает 140 кГ/мм² и выше.

Все элементы Периодической системы по отношению к титану по их химическому взаимодействию можно разделить на четыре группы:

1. Элементы, не взаимодействующие с титаном: Li, Na, К, Rb, Cs, Fr, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra и инертные газы.

2. Элементы, образующие с титаном химические соединения с ковалентной связью, не имеющие или имеющие ограниченную растворимость в титане: Н, F, CI, Br, I, At, О, S, Se, Те, Ро.

3. Элементы, образующие с титаном соединения с металличе­ским характером связи (металлические соединения) и ограничен­ные твердые растворы: Сu, Ag, Zn, Cd, Hg, Be, Ga, In, Tl, B, Al, Th, C, Si, Ge, Sn, Pb, N, P, As, Sb, Bi, Mn, Те, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir.

4. Элементы, образующие с титаном β-модификации непрерыв­ные твердые растворы: Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, U, Sc, W.

Таким образом, титан так или иначе взаимодействует с боль­шинством элементов. Это, с одной стороны, создает значительные трудности при получении чистого титана и его сплавов, а, с дру­гой стороны, дает

возможность получать большое количество раз­нообразных по составу и свойствам сплавов.

С железом титан образует два соединения: TiFe₂ (30% Ti) и TiFe (46,2% Ti), из которых прочным является TiFe; TiFе₂ может существовать только в твердом сплаве. С углеродом титан об­разует прочный карбид TiC с температурой плавления 3177 °С. С крем­нием титан образует силициды: Ti₅Si₃, TiSi и TiSi₂, из них наиболее прочное соединение Ti₅Si₃, имеющее температуру плавления 2120 °С.

С алюминием титан образует соединения TiAl и TiAl₃ и с кислородом образует оксиды Ti0₂, Ti₂0₃ и TiO. Низшие оксиды титана — основные, Ti0₂ — оксид амфотерный. Температура их плавления соответственно составляет 1950, 2130 и 2020 °С. Кроме этих оксидов, установлено су­ществование Ti₃0₅, Ti₆0₄ и Ti₃0. При нагреве на воздухе >800°C TiO окисляется до Ti0₂. Ti0₂ можно восстановить углеродом в электрической печи по реакциям: Ti0₂+2C = Ti + 2CO и Ti0₂ + 3C = TiC + 2CO. Теоретическая температура начала восстановления по первой реакции 1684, по второй 1047 °С, поэтому при восстановлении титановых кон­центратов углеродом всегда получается высокоуглеродистый сплав при­мерно следующего состава; 15—20 % Ti, 5—8 % С, 1—3 % Si, осталь­ное железо и другие примеси. Вследствие высокого содержания углерода такой сплав может применяться только для раскисления и дегазации уг­леродистых сталей и непригоден для легирования при выплавке нержа­веющих и других специальных сталей.

Титан является перспективным металлом не только благодаря его качествам, но и потому, что запасы его в земной коре очень велики. Содержание титана в земной коре составляет 0,61%. По распространенности среди металлов он занимает четвертое место после алюминия (8,13%), железа (5%) и магния (2,1%).

Впервые титан был открыт в виде двуокиси титана в 1789 г. английским ученым Мак-Грегором. Позднее многим исследова­телям удавалось получить металлический титан. К числу таких исследователей можно отнести Берцелиуса (1825 г.), получившего металлический титан восстановлением фтортитаната калия натрием; Нильсона и Петерсона (1887 г.), которые получили метал­лический титан восстановлением четыреххлористого титана на­трием; Муассана (1895 г.), получившего металл, содержащий около 2% примесей, восстановлением двуокиси титана углеродом с по­следующим рафинированием, и других. Однако долгое время ти­тан ошибочно считали непригодным для использования в качестве конструкционного материала, так как получаемый металл являлся хрупким из-за большого количества примесей.

Только в начале этого столетия был получен титан с новыми свойствами, которые ставят его в ряд с самыми ценными мате­риалами. Сочетание высокой прочности, малой плотности и высокой кор­розионной стойкости делают титан одним из лучших конструк­ционных материалов. Сейчас уже есть такие области техники, ко­торые не могут обходиться без титана. Это прежде всего судострое­ние, химия, авиастроение и др. Титан является необходимым ма­териалом при создании космических кораблей, самолетов со сверх­звуковой скоростью и других летательных аппаратов. Из титана и его сплавов изготовляют некоторые детали судового оборудова­ния и обшивку морских судов. Высокая коррозионная стойкость делает титан пригодным для узлов и деталей химической аппара­туры, работающих под давлением, при высоких температурах и в агрессивных средах. Несмотря на сравнительно высокую стои­мость титана, применение его в химическом машиностроении вполне оправдывается, так как окупается продолжительностью службы изготовленного из него оборудования.

С начала освоения промышленного производства титана прошло около тридцати лет. Несмотря на сложность технологии и высокую стоимость этого металла, его производство за короткий срок вы­росло до десятков тысяч тонн.