2.3.11. Обработка тантала и ниобия давлением

Ниобиевые и танталовые спеченные заготовки деформируют на холоду. Прутки проковывают на ротационных ковочных машинах, а плоские заготовки – на рессорном или пневматическом молоте до степени обжатия ~25 %. Затем проводят высокотемпературный рекристаллизующий отжиг в вакууме. Дальнейшую обработку ведут на холоду с промежуточными (если необходимо) отжигами в вакууме.

Начальная обработка крупнокристаллических слитков состоит в горячей ковке или экструзии с предварительным нагревом их до 900 – 1000 °С (иногда в оболочке). С прокованных заготовок обтачивают тонкий наружный окисленный слой (если они нагревались без защиты). Хорошие результаты дает первичная горячая обработка в вакууме на специальных герметизированных стаканах. Дальнейшую обработку давлением проводят на холоду.

2.4. Металлургия титана и ванадия

2.4.1. Общие сведения. Краткая историческая справка

Элемент титан открыт в 1791 г. английским любителем-минерологом Грегором в титанистом железняке – менакените и был им назван менакеном. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент, названный титаном. Несколько лет спустя была доказана идентичность менакена и титана.

Металлический титан был получен лишь спустя 120 лет после открытия, в 1910 г. американским химиком Хантером восстановлением тетрахлорида титана натрием.

Применение титана в виде его химических соединений началось в первые десятилетия XX в. Промышленное производство ковкого титана возникло в начале 50-х годов в связи с потребностями в новых конструкционных материалах.

2.4.2. Важнейшие свойства титана и его химических соединений

Титан – элемент IV побочной группы периодической системы. По внешнему виду он напоминает сталь. Чистый металл ковкий и хорошо поддается механической обработке давлением.

Некоторые физико-химические свойства титана приведены ниже:

Атомный номер………………………………………..…………………22

Атомная масса………………………………………………………...47,90

Плотность, г/см³………………………………………………………..4,51

Температура, ^оС:

плавления……………………………………………………………….1668

кипения………………………………………………………………….3300

Удельное электросопротивление ρ∙10⁶,Ом∙см:

при 20 ^оС…………………….…………………………………………....42

при 800 ^оС………………………..……………………………………...180

Физические и особенно механические свойства титана сильно зависят от чистоты металла. Характерное свойство металла – способность растворять кислород, водород, азот и углерод. Примеси этих элементов делают титан хрупким.

На воздухе металл устойчив. При нагревании до 400 – 600 ^оС он покрывается оксидной пленкой, затрудняющей дальнейшее окисление. При более высокой температуре одновременно с увеличением скорости окисления наблюдается растворение кислорода, что сильно понижает пластичность металла.

Активное поглощение водорода титаном наблюдается при 300 – 400 ^оС с образованием твердых растворов и гидридов. В отличие от кислорода и азота водород можно удалить из титана нагреванием в вакууме при 800 – 1000 ^оС. Выше 800 – 900 ^оС металлы быстро поглощают азот и активно взаимодействуют с углеродосодержащими газами. С азотом и углеродом он образует твердые и тугоплавкие соединения – нитриды и карбиды.

Титан при повышенных температурах реагирует с серой и сероводородом с образованием дисульфидов. С галогенами металл взаимодействует при 100 – 200 ^оС с образованием низкокипящих или легковозгоняющихся хлоридов, фторидов, иодидов.

По коррозионной стойкости титан близок к хромоникелевой быстрорежущей стали. Металл не корродирует в холодной и кипящей воде, практически стоек в азотной кислоте любой концентрации на холоду и при нагревании, растворяется в плавиковой кислоте. Коррозию в HCl можно сильно снизить добавлением окислителей (HNO₃, KMnO₄, солей меди). Важное значение имеет коррозионная стойкость титана в морской воде.

В важнейшем наиболее устойчивом соединении титан находится в высшей степени окисления 4. Известны соединения, соответствующие степеням окисления 2 и 3. Титан сравнительно легко восстанавливается до низших степеней окисления. Ионы Ti⁴⁺ в водных растворах не устойчивы. В результате взаимодействия с водой они образуют гидроксо-ионы Ti(OH)₂²⁺. Соответственно этому в растворах присутствуют основные соли, например, Ti(OH)₂SO₄ или в «титанильной» форме TiOSO₄.

Высший оксид титана TiO₂ имеет амфотерный характер. При его сплавлении с щелочами или нагревании в смеси с оксидами других металлов (CaO, MgO) образуются титанаты. Кроме того, путем сплавления с щелочами получены более сложные полититанаты, например Na₂Ti₂O₅, Na₂Ti₃O₇ и др. Титанаты малорастворимы в воде, но растворяются в минеральных кислотах.

Титан образует ряд оксидов: TiO₂ (белый, плавится при 1850 ^оС), Ti₂O₃ (фиолетовый, плавится при 2130 ^оС) TiO (золотисто-желтый, плавится при 1750 ^оС) и промежуточный оксид Ti₃O₅.

Известны три аллотропические модификации диоксида титана, встречающиеся в виде минералов рутила, анатаза и брукита.

Со всеми галогенами титан образует галогениды, являющиеся производными четырех-, трех- и двухвалентных элементов. Все высшие галогениды – летучие соединения. Среди них важнейшие: TiCl₄ – бесцветная жидкость, кипящая при 136 ^оС.

Фториды титана образуют с фторидами щелочных металлов комплексные соединения – Me₂TiF₆.