9.3.1. Краткие исторические сведения

Элемент титан открыт в 1791 г. английским любителем-минералогом Грегером в черных магнитных железистых песках в Корнуэле. Новый элемент был назван менакенитом. В 1795 г. немецкий химик Клапрот, исследовавший минерал рутил, установил, что он представ­ляет собой окисел нового элемента. Несколько лет спустя была дока­зана идентичность менакенита и титана. В 1849 г. за металлический титан принимали металлоидный карбонитрид титана, найденный в шлаках доменных печей. Относительно чистый титан был получен Хартером лишь в 1910 г. - спустя 120 лет после открытия элемента.

Применение титана в виде химических соединений и присадок в спла­вы относится к первым десятилетиям нашего века. В годы второй миро­вой войны возник интерес к титану как к конструкционному материалу. Это привело к разработке промышленных способов получения ковкого титана и организации в начале 50-х годов в ряде стран (США, СССР, Англии) крупного производства титана и сплавов на его основе.

9.3.2. Получение титана. Его свойства

Организация промышленного производства титана была выз­вана потребностью получения материалов для конструкций мини­мальной массы при высокой их прочности. В таких материалах преж­де всего заинтересованы авиация и ракетная техника.

По своей распространенности в земной коре титан занимает среди металлов четвертое место после алюминия, железа и магния. Содер­жание его в земной коре 0,61 %. Известно около 70 минералов титана. Из них наибольшее промышленное значение имеют рутил, ильменит, перовскит и сфен, являющиеся собственно титановыми минералами.

Руды, из которых получают титан: рутил - ТiO₂, ильменит - FeО ТiO₂ и титаномагнезиты.

Рутил обладает алмазно-металлическим блеском, прозрачен, красно-коричневого цвета, иногда желтоватый, синеватый, фиоле­товый, черный. Плотность 4180...4280 кг/м³. Крупные месторожде­ния рутила крайне редки.

Ильменит - метатитанат железа FеТiO₃ - наиболее распростра­ненный минерал титана. Впервые найден на Урале в Ильменских горах. Минерал бурого или буро-черного цвета, его плотность 4560...5210 кг/м³. Часто ильменит находится в тесной связи с магнетитом Fе₃O₄. Такие руды называют титаномагнетитами. Кроме того, известны гематитаноиль- мениты, в которых ильменит находится в смеси с гепатитом Fе₂O₃.

Ильменит добывают преимущественно из речных и прибрежно-мор­ских россыпей, образовавшихся в результате выветривания различных горных пород. Месторождения титаномагнетитовых песков найдены на Украине. Из концентратов непосредственно получают три вида продук­тов: двуокись титана, ферротитан и четыреххлористый титан. Последний - основное исходное соединение в производстве металлического титана.

В промышленности металлический титан обычно получают восстановлением четыреххлористого титана металлическим магни­ем или натрием в атмосфере инертного газа. Полученная при этом титановая губка маркируется по твердости выплавленных из нее об­разцов - ТГ100, ТГ105, ТГ110 и т.д. Для получения монолитного ти­тана губку размалывают в порошок, прессуют и спекают или пере­плавляют в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Для уменьшения количества примесей и более равномерного рас­пределения их по сечению слитка рекомендуется 2-3-разовая пере­плавка. Характерная для титановых слитков крупнозернистая струк­тура измельчается путем модификации цирконием или бором. По­лученный в результате переплава технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей (табл. 41).

Чистейший йодидный титан получают методом термической диссо­циации из четыреххлористого титана, а также методом зонной плавки.

Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемпера­турная модификация Тіα, существующая до 882 °С (1155 К), имеет гек­сагональную плотноупакованную решетку с периодом а = 2,96 Å и с = 4,72 Å. Высокотемпературная модификация Тіβ имеет решетку объем­но-центрированного куба с периодом а = 3,32 Å при 900 °С (1173 К).

Таблица 41

Содержание примесей в различных марках титана

Марка титана	Примесей не более, % (остальное титан)
	Fe	Si	C	О	N	H	Прочие
ВТ-00	0,12	0,08	0,05	0,10	0,011	0,008
ВТ 1-0	0,18	0,10	0,07	0,12	0,04	0,010	0,3
ВТ-1	0,25	0,12	0,08	0,15	0,05	0,012	0,3

Отличительные особенности титана: высокие механические свой­ства, малая плотность, высокая удельная прочность и хорошая корро­зионная стойкость. Физические свойства чистого титана следующие:

Относительная атомная масса	47,9
Плотность, кг/м3	4500
Температура плавления, °С (К)	1668±4, (1941±4)
Температура кипения, °С (К)	3300 (3573)
Коэффициент термического расширения (20...300 °С), 1/град	8,2∙10-6

По механическим свойствам титан характеризуется хорошим сочета­нием прочности и пластичности (табл. 42). Механические свойства ти­тана сильно зависят от наличия примесей, особенно водорода, кислоро­да, азота и углерода, которые образуют с ним твердые растворы внедре­ния и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды.

Небольшое количество кислорода, азота и углерода повышает твер­дость, предел прочности и предел текучести, но при этом значительно уменьшается пластичность, снижается коррозионная стойкость, ухуд­шаются свариваемость, способность к пайке и штампуемость, - поэто­му содержание этих примесей в титане ограничено (табл. 41).

Аналогичным образом, но в меньшей степени влияют на свойства титана железо и кремний. Особо вредная примесь - водород. Присут­ствуя в очень незначительном количестве, он выделяется в виде тонких хрупких пластин, гидридной фазы на границах зерен, что значительно охрупчивает титан. Водородная хрупкость наиболее опасна в сварных конструкциях из-за наличия в них напряжений. Допустимое содержание водорода в техническом титане находится в пределах 0,008...0,012 %.

Несмотря на высокую температуру плавления, чистый титан не является жаропрочным материалом. При повышении температуры до 250 °С предел прочности при растяжении снижается вдвое. Титан обладает высокими прочностью и удельной прочностью не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого холода. При темпе­ратуре жидкого гелия предел прочности при растяжении равен 120 МПа.

Таблица 42

Механические свойства титана

Способ получения и характер обработки	σв, МПа	Є, %	Е, ГПа	НВ, Па
Титан высокой чистоты (йодидный), отожженный в вакууме при 800° С	250...270	55...70	98,5...100	73
То же после деформации (обжатие 50 %)	680...750	5...11	113
Получен восстановлением хлорида титана, плавленый в дуговой печи, отожженный	30 0...550	25...45	112...116	90...150
То же после деформации(обжатие 50 %)	750...830	12...14		250...280

Обозначения: σ_в- прочность при растяжении; ε- относительное удлинение; Е - модуль упругости; НВ- твердость по Бринеллю.