Лекция 4. Титан. Титановые сплавы. Области применения. Производство. Сырьё и материалы. Экология производства.

Глава 14. Металлургия титана

§ 1. Титан и его применение

Несмотря на очень широкое распространение в природе, титан был открыт только в 1791 г., а в металлическом состоянии получен в 1910 г. Вследствие загрязнений он оказался очень хрупким. Причиной этого является характерная особенность титана активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла, что почти 40 лет делало невозможным его практическое использование.

Интерес к титану проявился в годы второй мировой войны, что привело к разработке способа получения ковкого титана и его промышленного освоения в 1948... 1950 гг. С этого времени производство и потребление титана непрерывно возрастает. Это вызвано особыми свойствами металлического титана, как конструкционного материала. Определенные ограничения его применения связаны с высокой стоимостью металла.

В периодической системе элементов Д.И.Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях титан четырехвалентен. Атомная масса титана 47,90. По внешнему виду титан похож на сталь. Его механическая прочность примерно в 2 раза больше, чем у чистого железа и в ~ 6 раз выше, чем у алюминия. В чистом виде титан пластичен и легко поддается механической обработке. Важнейшие свойства титана приведены в табл. 1 и 2.

На воздухе при обычной температуре титан устойчив. При нагреве выше 550 ⁰С он энергично окисляется и поглощает кислород и другие газы. Газы и многие другие примеси придают титану хрупкость. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Разбавленная серная, а также азотная кислоты любой концентрации и слабые растворы щелочей реагируют с титаном очень медленно. Он очень устойчив против коррозии в морской воде. Титан растворяется в соляной кислоте, концентрированной серной и плавиковой кислотах.

Высокая коррозионная стойкость титана обусловлена способностью его образовывать на поверхности тонкую (5... 15 мкм) сплошную пленку диоксида ТiO₂ , прочно связанную с массой металла. Реагенты, разрушающие оксидную пленку, вызывают коррозию титана.

Из числа химических соединений титана наибольший практический и технологический интерес представляют диоксид ТiO₂, тетрахлорид ТiСl₄ и иодид TiI₄ титана.

Применение титана как конструкционного материала обусловлено благоприятным сочетанием его высокой механической прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности и малой плотности. Значительно улучшает механические и коррозионные свойства титана легирование его марганцем, хромом, алюминием, молибденом, кремнием и бором.

Удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30... 35 и более, что в ~ 2 раза превышает удельную прочность легированных сталей. Эти свойства титана представляют особый интерес для самолетостроения и ракетостроения. При повышенных температурах титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния.

Сплавы на основе титана находят все большее применение при строительстве морских судов, автомобильного и железнодорожного транспорта. Повышенная коррозионная стойкость обусловливает использование титана и его сплавов в химическом и металлургическом машиностроении, при изготовлении медицинского инструмента и в других областях техники.

Чистый титан применяют в электровакуумной промышленности для изготовления деталей электронного оборудования. В этой же области титановый порошок применяют в качестве геттера (поглотителя газов).

Технический диоксид титана находит очень широкое применение в качестве пигмента при изготовлении титановых белил и эмалей, отличающихся высокой кроющей способностью, коррозионной стойкостью и теплостойкостью. Мировое производство титановых белил в настоящее время превышает 1,5 млн. т в год.

Вопрос о принадлежности титана к группе легких или редких металлов в промышленной классификации до настоящего времени остается дискуссионным. Титан относительно тугоплавок, но применяется далеко не редко; титан самый тугоплавкий металл из легких цветных металлов, но он и легок по плотности. Титан и магний, являющийся типичным легким металлом, прочно связаны технологическими и производственными узами. По этой причине титану по праву принадлежит законное место в группе легких цветных металлов.