Второй учебный вопрос. Титан, его сплавы и производство.

Титан (Ti) – металл серебристо-белого цвета. ρ=4,6 г/см³ , t_пл=1672˚С. Сочетание легкости и тугоплавкости делают титан очень полезным материалом. При обычных температурах титан обладает коррозионной стойкостью. Однако нагрев его до температуры 500˚С делают его активным металлом, что является неплохой предпосылкой для легирования металла. Особо опасен для титана водород, который охрупчивает его. Самое основное свойства: полиморфизм.

ГПУ ОЦК

Титановые сплавы подразделяются на 3 группы:

1 группа α – сплавы.

2 группа α+β сплавы

3 группа β сплавы

Сплавы 1-ой группы – ВТ4, ВТ5, ВТ 18. (высокопрочный титановый сплав).

Сплавы 2-ой группы – ВТ8, ВТ6, ВТ14 содержат Al, Va, Mb. Они характеризуются более высокой прочностью. Но более хрупкие, чем α- сплавы.

Сплавы 3-ей группы ВТ22, ВТ15 наиболее пластичны и достаточно прочные.

Титановые сплавы применяют в технической промышленности, судостроении, авиационной техники.

Механические свойства титановых сплавов.

Наиболее прочными являются β и α+β сплавы. Титан сильно упрочняют такие элементы как алюминий, кобальт, молибден, марганец, хром.

Сумма легирующих элементов не должна превышать 25-30%.

Наиболее показательна для механических свойств титановых сплавов такая характеристика, как удельная прочность.

р – плотность.

При одинаковых σ_В удельная прочность титановых сплавов в 2 раза выше, чем у сталей. Конструкции в 2 раза легче, чем стальные.

Жаропрочность титановых сплавов. Основным легирующим элементом жаропрочных титановых сплавов является алюминий. Он растворяется в титане и сильно упрочняет его. Кроме алюминия благотворно влияют на жаропрочность такие элементы как молибден, вольфрам и кремний. Для жаропрочных сплавов важна термическая стабильность – способность сплавов сохранять неизменными структуру и свойства после длительного воздействия повышенных температур. Сильно снижают термическую стабильность кислород, азот, углерод.

Производство

По содержанию в земной коре (0,6 %) титан занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Из-за высокого сродства к кислороду прямое восстановление титана из его оксидов представляет большие трудности. Восстановление диоксида титана углеродом возможно при температурах выше 1800 ^oС. Однако при этих температурах одновре­менно с титаном образуются карбид TiC и нитрид TiN, которые раство­ряются в титане, обусловливая его хрупкость. При высоких температурах титан легко взаимодействует с кислородом и водородом, также снижа­ющим его пластичность. Из-за трудностей получения металла, чистого от карбидов, нитридов и растворенных газов, титан долго считался хрупким материалом, непригодным для обработки давлением.

Процесс по­лучения технического титана состоит из следующих этапов:

1) обогащения руды и получе­ния диоксида титана;

2) получения четыреххлористого титана;

3) вос­становления титана и получения титановой губки;

4) переплавки тита­новой губки в слитки.

Основными исходными рудами для производства титана являются ильменит FeO·TiO₂ (38  61 % TiO₂) и рутил (91  99 % ТiO₂).

• Обогащение руды. Перед переработкой руды обогащают обычными методами: флотацией, маг­нитной сепарацией и др.

Затем проводят восстановительную плавку в электро­дуговых печах с добавлением в шихту углеродсодержащих материалов. При этом отделяют основную массу железа и получают достаточно чистый диок­сид титана.

• Для получения четыреххлористого титана диоксид титана смешива­ют с коксом или древесным углем, в качестве связующего добавляют каменноугольную смолу и из полученной смеси прессуют брикеты. Брикеты прокаливания при температуре 800 °С. После этого пористые брикеты подвергают хлорирова­нию в герметизированных электрических печах  хлораторах. В реак­ционной зоне происходит реакция:

TiO₂ + 2С1₂ + С = TiCl₄ + CO₂.

Четыреххлористый титан имеет температуру кипения 136 ^oС, поэ­тому он находится в парообразном состоянии. Для отделения от углекис­лого газа его направляют в конденсатор, где он переходит в жидкое состояние, а затем подвергается очистке от примесей.