Пам'ятник на честь підкорювачів космосу споруджено Москві 1964 р. Майже сім років (1958-1964) пішло проектування і спорудження цього обеліска. Авторам довелося вирішувати не лише архітектурно-художні, а й технічні завдання. Першою був вибір матеріалів, зокрема і облицювальних. Після довгих експериментів зупинилися на відполірованих до блиску титанових листах.

Дійсно, за багатьма характеристиками, і насамперед корозійної стійкості, титан перевершує переважна більшість металів і сплавів. Іноді (особливо у популярній літературі) титан називають вічним металом. Але розповімо спочатку історію цього елемента.

Окисел чи не окис?

До 1795 р. елемент № 22 називався "менакіном". Так назвав його в 1791 р. англійський хімік та мінералог Вільям Грегор, який відкрив новий елемент у мінералі менаканіті (не шукайте цю назву в сучасних мінералогічних довідниках - менаканіт теж перейменований, зараз він називається ільменітом).

Через чотири роки після відкриття Грегора німецький хімік Мартін Клапрот виявив новий хімічний елемент в іншому мінералі - рутилі - і в честь цариці ельфів Титанії (німецька міфологія) назвав його титаном.

За іншою версією назва елемента походить від титанів, могутніх синів богині землі – Геї (грецька міфологія).

У 1797 р. з'ясувалося, що Грегор і Клапрот відкрили той самий елемент, і хоча Грегор зробив це раніше, за новим елементом утвердилося ім'я, дане йому Клапротом.

Але ні Грегору, ні Клапроту не вдалося отримати елементарний титан. Виділений ними білий кристалічний порошок був двоокис титану TiO 2 . Відновити цей окис, виділити з нього чистий метал довгий час не вдавалося нікому з хіміків.

У 1823 р. англійський вчений У. Волластон повідомив, що кристали, виявлені ним у металургійних шлаках заводу «Мертир-Тідвіль», - не що інше, як чистий титан. А через 33 роки відомий німецький хімік Ф. Велер довів, що й ці кристали були знову ж таки з'єднанням титану, цього разу – металоподібним карбонітридом.

Багато років вважалося, що металевий титан вперше було отримано Берцеліусом 1825 р.при відновленні фтортитанату калію металевим натрієм. Однак сьогодні, порівнюючи властивості титану і продукту, отриманого Берцеліусом, можна стверджувати, що президент Шведської академії наук помилявся, бо чистий titabnum швидко розчиняється в плавиковій кислоті (на відміну від багатьох інших кислот), а металевий титан Берцеліуса успішно чинив опір її дії.

Насправді Ti було вперше отримано лише 1875 р. російським ученим Д. До. Кириловым. Результати цієї роботи опубліковані у його брошурі «Дослідження над титаном». Але робота маловідомого російського вченого залишилася непоміченою. Ще через 12 років досить чистий продукт – близько 95% титану – отримали співвітчизники Берцеліуса, відомі хіміки Л. Нільсон та О. Петерсон, які відновлювали чотирихлористий титан металевим натрієм у сталевій герметичній бомбі.

У 1895 р. французький хімік А. Муассан, відновлюючи двоокис титану вуглецем у дуговій печі та піддаючи отриманий матеріал дворазовому рафінуванню, отримав титан, що містив всього 2% домішок, в основному вуглецю. Нарешті, 1910 р. американський хімік М. Хантер, удосконаливши спосіб Нільсона і Петерсона, зумів отримати кілька грамів титану чистотою близько 99%. Саме тому у більшості книг пріоритет отримання металевого титану приписується Хантеру, а не Кирилову, Нільсону чи Муассану.

Однак ні Хантер, ні його сучасники не пророкували титану великого майбутнього. Усього кілька десятих відсотка домішок містилося у металі, але ці домішки робили титан тендітним, неміцним, непридатним до механічної обробки. Тому деякі з'єднання титану знайшли застосування раніше, ніж сам метал. Чотирьоххлористий Ti, наприклад, широко використовували в першу світову війну для створення димових завіс.

№22 у медицині

У 1908 р. у США та Норвегії почалося виготовлення білил не зі сполук свинцю та цинку, як робилося раніше, а з двоокису титану. Такими білилами можна пофарбувати у кілька разів більшу поверхню, ніж тією самою кількістю свинцевих чи цинкових білил. До того ж у титанових білил більша відбивна здатність, вони не отруйні і не темніють під дією сірководню. У медичній літературі описано випадок, коли людина за один раз «прийняла» 460 г двоокису титану! (Цікаво, з чим він її сплутав?) «Любитель» двоокису титану не зазнав при цьому жодних болючих відчуттів. TiO 2 входить до складу деяких медичних препаратів, зокрема мазей проти хвороб шкіри.

Однак не медицина, а лакофарбова промисловість споживає найбільшу кількість TiO 2 . Світове виробництво цієї сполуки набагато перевищило півмільйона тонн на рік. Емалі на основі двоокису титану широко використовують як захисні та декоративні покриття по металу і дереву в суднобудуванні, будівництві та машинобудуванні. Термін служби споруд та деталей при цьому значно підвищується. Титановими білилами фарбують тканини, шкіру та інші матеріали.

Ti у промисловості

Двоокис титану входить до складу фарфорових мас, тугоплавкого скла, керамічних матеріалів з високою діелектричною проникністю. Як наповнювач, що підвищує міцність та термостійкість, її вводять у гумові суміші. Проте всі переваги сполук титану здаються несуттєвими і натомість унікальних властивостей чистого металевого титану.

Елементний титан

У 1925 р. голландські вчені ван Аркель і де Бур йодидним способом (про нього - нижче) отримали титан високого ступеня чистоти - 99,9%. На відміну від титану, отриманого Хантером, він мав пластичність: його можна було кувати на холоді, прокочувати в листи, стрічку, дріт і навіть найтоншу фольгу. Але навіть це головне. Дослідження фізикохімічних властивостей металевого титану призводили до майже фантастичних результатів. Виявилося, наприклад, що титан, будучи майже вдвічі легшим заліза (щільність титану 4,5 г/см 3 ), за міцністю перевершує багато стали. Порівняння з алюмінієм теж виявилося на користь титану: титан всього в півтора рази важчий за алюміній, але зате в шість разів міцніший і, що особливо важливо, він зберігає свою міцність при температурах до 500°С (а при добавці легуючих елементів - до 650°С ), у той час як міцність алюмінієвих та магнієвих сплавів різко падає вже при 300°С.

Титан має і значну твердість: він у 12 разів твердіший за алюміній, у 4 рази - залізо і мідь. Ще одна важлива характеристика металу – межа плинності. Чим він вищий, тим краще деталі з цього металу опираються експлуатаційним навантаженням, тим довше вони зберігають свої форми та розміри. Межа плинності у титану майже в 18 разів вища, ніж у алюмінію.

На відміну від більшості металів титан має значний електроопір: якщо електропровідність срібла прийняти за 100, то електропровідність міді дорівнює 94, алюмінію - 60, заліза та платини - 15, а титану - всього 3,8. Навряд чи треба пояснювати, що ця властивість, як і немагнітність титану, становить інтерес для радіоелектроніки та електротехніки.

Чудова стійкість титану проти корозії. На платівці цього металу за 10 років перебування в морській воді не з'явилося і слідів корозії. З титанових сплавів виготовлені гвинти сучасних важких вертольотів. Рулі повороту, елерони та деякі інші відповідальні деталі надзвукових літаків також виготовлені з цих сплавів. На багатьох хімічних виробництвах сьогодні можна зустріти цілі апарати та колони, виготовлені з титану.

Як отримують титан

Ціна - ось що ще гальмує виробництво та споживання титану. Власне, висока вартість – не вроджена вада титану. У земній корі його багато – 0,63%. Все ще висока ціна титану – наслідок складності вилучення його з руд. Пояснюється вона високою спорідненістю титану до багатьох елементів та міцністю хімічних зв'язків у його природних сполуках. Звідси – складності технології. Ось як виглядає магнієтермічний спосіб виробництва титану, розроблений 1940 р. американським ученим В. Кроллем.

Двоокис титану за допомогою хлору (в присутності вуглецю) переводять у чотирихлористий титан:

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2 .

Процес іде у шахтних електропечах при 800-1250°С. Інший варіант - хлорування в розплаві солей лужних металів NaCl і KCl Наступна операція (однаково важлива і трудомістка) - очищення TiCl 4 від домішок - проводиться різними способами та речовинами. Чотирьоххлористий титан у звичайних умовах є рідиною з температурою кипіння 136°С.

Розірвати зв'язок титану з хлором легше, ніж із киснем. Це можна зробити за допомогою магнію за реакцією

TiCl 4 + 2Mg → T + 2MgCl 2 .

Ця реакція йде у сталевих реакторах при 900°С. В результаті утворюється так звана титанова губка, просочена магнієм та хлоридом магнію. Їх випаровують у герметичному вакуумному апараті при 950°С, а титанову губку потім спікають або переплавляють компактний метал.

Натрієтермічний метод одержання металевого титану в принципі мало чим відрізняється від магнієтермічного. Ці два методи найбільше широко застосовуються в промисловості. Для отримання більш чистого титану й досі використовується йодидний метод, запропонований ван Аркелем та де Буром. Металотермічний титан губчастий перетворюють в іодид TiI 4 , який потім виганяють у вакуумі. На своєму шляху пари йодида титапу зустрічають розжарений до 1400 ° С титановий дріт. При цьому йодид розкладається і на дроті наростає шар чистого титану. Цей метод виробництва титану малопродуктивний і дорогий, у промисловості він застосовується вкрай обмежено.

Незважаючи на трудомісткість та енергоємність виробництва титану, воно вже стало однією з найважливіших підгалузей кольорової металургії. Світове виробництво титану розвивається швидкими темпами. Про це можна судити навіть за тими уривчастими відомостями, які потрапляють до друку.

Відомо, що у 1948 р. у світі було виплавлено лише 2 т титану, а через 9 років – вже 20 тис. т. Значить, у 1957 р. 20 тис. т титану припадало на всі країни, а у 1980 р. лише США споживали. 24,4 тис. т. титану... Ще нещодавно, здається, титан називали рідкісним металом - зараз він найважливіший конструкційний матеріал. Пояснюється це лише одним: рідкісним поєднанням корисних властивостей елемента № 22. І, звісно, ​​потребами техніки.

Роль титану як конструкційного матеріалу, основи високоміцних сплавів для авіації, суднобудування та ракетної техніки швидко зростає. Саме в сплави йде більша частина титану, що виплавляється у світі. Широко відомий сплав для авіаційної промисловості, що складається з 90% титану, 6% алюмінію та 4% ванадію. У 1976 р. в американській пресі з'явилися повідомлення про новий сплав того самого призначення: 85% титану, 10% ванадію, 3% алюмінію та 2% заліза. Стверджують, що цей сплав не лише кращий, а й економічніший.

А взагалі в титанові сплави входять дуже багато елементів, аж до платини та паладію. Останні (у кількості 0,1-0,2%) підвищують і так високу хімічну стійкість титанових сплавів.

Міцність титану підвищують і такі «легуючі добавки», як азот та кисень. Але разом із міцністю вони підвищують твердість і, головне, крихкість титану, тому їх зміст найсуворіше регламентується: у сплав допускається не більше 0,15% кисню та 0,05% азоту.

Незважаючи на те, що титан доріг, заміна їм більш дешевих матеріалів у багатьох випадках виявляється економічно вигідною. Ось характерний приклад. Корпус хімічного апарату, виготовлений із нержавіючої сталі, коштує 150 рублів, а з титанового сплаву – 600 рублів. Але при цьому сталевий реактор служить лише 6 місяців, а титановий – 10 років. Додати витрати на заміну сталевих реакторів, вимушені простої обладнання - і стане очевидно, що застосовувати дорогий титан буває вигідніше, ніж сталь.

Значну кількість титану використовує металургія. Існують сотні марок сталей та інших сплавів, до складу яких титан входить як легуюча добавка. Його вводять для покращення структури металів, збільшення міцності та корозійної стійкості.

Деякі ядерні реакції повинні відбуватися майже в абсолютній порожнечі. Ртутними насосами розрідження може бути доведено до кількох мільярдних часток атмосфери. Але цього недостатньо, а ртутні насоси більш нездатні. Подальше відкачування повітря здійснюється вже спеціальними титановими насосами. Крім того, для досягнення ще більшого розрідження внутрішньої поверхні камери, де протікають реакції, розпорошують дрібнодисперсний титан.

Титан часто називають металом майбутнього. Факти, які вже зараз мають наука і техніка, переконують, що це не зовсім так - титан уже став металом сьогодення.

Перовскіт і сфен. Ільменіт – метатитанат заліза FeTiO 3 – містить 52,65% TiO 2 . Назва цього мінералу пов'язана з тим, що його знайшли на Уралі в Ільменських горах. Найбільші розсипи ільменітових пісків є Індії. Інший найважливіший мінерал - рутил є двоокис титану. Промислове значення мають також титаномагнетити – природна суміш ільменіту з мінералами заліза. Багаті родовища титанових руд є у СРСР, США, Індії, Норвегії, Канаді, Австралії та інших країнах. Нещодавно геологи відкрили в Північному Прибайкаллі новий титановмісний мінерал, який був названий ландауїтом на честь радянського фізика академіка Л. Д. Ландау. Всього на земній кулі відомо понад 150 значних рудних та розсипних родовищ титану.

Вічний, загадковий, космічний - всі ці та багато інших епітетів присвоюються в різних джерелах титану. Історія відкриття цього металу була тривіальною: одночасно над виділенням елемента у чистому вигляді працювали кілька учених. Процес вивчення фізичних, хімічних властивостей та визначення областей його застосування на сьогоднішній день. Титан - метал майбутнього, місце у житті ще остаточно не визначено, що дає сучасним дослідникам величезний простір для творчості та наукових пошуків.

Характеристика

Хімічний елемент позначається у періодичній таблиці Д. І. Менделєєва символом Ti. Розташовується в побічній підгрупі IV групи четвертого періоду і має порядковий номер 22. титан - метал біло-сріблястого кольору, легкий та міцний. Електронна конфігурація атома має наступну структуру: +22) 2) 8) 10) 2, 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3d 2 4S 2 . Відповідно, титан має кілька можливих ступенів окислення: 2, 3, 4, у найбільш стійких сполуках він чотиривалентний.

Титан – сплав чи метал?

Це питання цікавить багатьох. 1910 року американський хімік Хантер отримав вперше чистий титан. Метал містив лише 1 % домішок, та заодно його кількість виявилося мізерно мало і давало можливості подальшого дослідження його властивостей. Пластичність отриманої речовини досягалася тільки під впливом високих температур, за нормальних умов (кімнатної температури) зразок був дуже крихкий. Фактично, цей елемент не зацікавив вчених, оскільки перспективи його використання здавалися надто невизначеними. Складність отримання та дослідження ще більше знизили потенціал його застосування. Лише у 1925 році вчені-хіміки з Нідерландів І. де Бур та А. Ван-Аркел отримали метал титан, властивості якого привернули увагу інженерів та конструкторів усього світу. Історія дослідження цього елемента починається з 1790 року, саме в цей час паралельно, незалежно один від одного, двоє вчених відкривають титан як хімічний елемент. Кожен з них отримує сполуку (оксид) речовини, не зумівши виділити метал у чистому вигляді. Першовідкривачем титану вважається англійський мінеролог монах Вільям Грегор. На території свого приходу, розташованого в південно-західній частині Англії, молодий вчений розпочав вивчення чорного піску долини Менакена. Результатом стало виділення блискучих крупинок, які були сполукою титану. У той же час у Німеччині хімік Мартін Генріх Клапрот виділив нову речовину з мінералу рутиле. У 1797 році він довів, що відкриті паралельно елементи є аналогічними. Двоокис титану більше століття була загадкою для багатьох хіміків, отримати чистий метал виявилося не під силу навіть Берцеліусу. Нові технології XX століття значно прискорили процес вивчення згаданого елемента та визначили початкові напрямки його використання. При цьому сфера застосування постійно розширюється. Обмежити її рамки може лише складність процесу одержання такої речовини, як чистий титан. Ціна сплавів та металу досить висока, тому на сьогоднішній день він не може витіснити традиційне залізо та алюміній.

походження назви

Менакін - перша назва титану, яка застосовувалася до 1795 року. Саме так, за територіальною належністю назвав новий елемент У. Грегор. Мартін Клапрот присвоює елементу в 1797 найменування «титан». У цей час його французькі колеги на чолі з досить авторитетним хіміком А. Л. Лавуазьє пропонують іменувати знову відкриті речовини відповідно до їх основних властивостей. Німецький вчений не був згоден з таким підходом, він цілком обґрунтовано вважав, що на стадії відкриття досить складно визначити всі характеристики, властиві речовині та відобразити їх у назві. Проте слід визнати, що інтуїтивно обраний Клапротом термін повною мірою відповідає металу – це неодноразово наголошували сучасні вчені. Існують дві основні теорії виникнення назви титану. Метал міг бути позначений на честь ельфійської цариці Титанії (персонаж німецької міфології). Така назва символізує одночасно легкість та міцність речовини. Більшість вчених схиляються до версії використання давньогрецької міфології, у якій титанами називали могутніх синів богині землі Геї. На користь цієї версії говорить і назва відкритого елемента - урану.

Знаходження у природі

З металів, які у технічному відношенні представляють цінність для людини, титан займає четверте місце за ступенем поширеності у земній корі. Великим відсотковим вмістом у природі характеризуються лише залізо, магній та алюміній. Найбільший вміст титану відзначено у базальтовій оболонці, трохи менше його у гранітному шарі. У морській воді вміст цієї речовини невисокий - приблизно 0,001 мг/л. Хімічний елемент титан є досить активним, тому в чистому вигляді його зустріти неможливо. Найчастіше він є у сполуках з киснем, у своїй має валентність, рівну чотирьом. Кількість мінералів, що містять титан, варіюється від 63 до 75 (у різних джерелах), при цьому на сучасному етапі досліджень вчені продовжують відкривати нові форми його сполук. Для практичного використання найбільше значення мають такі мінерали:

1. Ільменіт (FeTiO 3).
2. Рутил (TiO 2).
3. Титаніт (CaTiSiO 5).
4. Перовскіт (CaTiO 3).
5. Титаномагнетит (FeTiO 3 +Fe 3 O 4) і т.д.

Усі існуючі титановмісні руди ділять на розсипні та основні. Цей елемент є слабким мігрантом, він може подорожувати лише у вигляді обломів каменів або переміщення мулистих придонних порід. У біосфері найбільше титану міститься у водоростях. У представників наземної фауни елемент накопичується у рогових тканинах, волоссі. Для людського організму характерна присутність титану в селезінці, надниркових залозах, плаценті, щитовидній залозі.

Фізичні властивості

Титан – кольоровий метал, що має сріблясто-біле забарвлення, зовні нагадує сталь. При температурі 0 0 його щільність становить 4,517 г/см 3 . Речовина має низьку питому масу, що притаманно лужних металів (кадмій, натрій, літій, цезій). По щільності титан займає проміжну позицію між залізом та алюмінієм, при цьому його експлуатаційні характеристики вищі, ніж обидва елементи. Основними властивостями металів, які враховуються щодо сфери їх застосування, є і твердість. Титан міцніший за алюміній у 12 разів, заліза та міді - у 4 рази, при цьому він значно легший. Пластичність і межа його плинності дозволяють робити обробку при низьких і високих температурних значеннях, як і у випадку з іншими металами, тобто методами клепки, кування, зварювання, прокату. Відмітна характеристика титану - його низька тепло-і електропровідність, при цьому дані властивості зберігаються при підвищених температурах, аж до 500 0 С. У магнітному полі титан є парамагнітним елементом, він не притягується як залізо і не виштовхується, як мідь. Дуже високі антикорозійні показники в агресивних середовищах та за механічних впливів унікальні. Понад 10 років перебування у морській воді не змінили зовнішнього вигляду та складу пластини з титану. Залізо у разі було знищено корозією повністю.

Термодинамічні властивості титану

1. Щільність (за нормальних умов) становить 4,54 г/см 3 .
2. Атомний номер – 22.
3. Група металів – тугоплавкий, легкий.
4. Атомна маса титану – 47,0.
5. Температура кипіння (0С) – 3260.
6. Молярний об'єм см3/моль - 10,6.
7. Температура плавлення титану (0С) – 1668.
8. Питома теплота випаровування (кДж/моль) – 422,6.
9. Електроопір (при 20 0 С) Ом * см * 10 -6 - 45.

Хімічні властивості

Підвищена стійкість корозійного елемента пояснюється утворенням на поверхні невеликої оксидної плівки. Вона запобігає (за нормальних умов) з газами (кисень, водень), що знаходяться в навколишній атмосфері такого елемента, як метал титан. Властивості його змінюються під впливом температури. За її підвищенні до 600 0 З відбувається реакція взаємодії з киснем, у результаті утворюється оксид титану (TiO 2). У разі поглинання атмосферних газів утворюються крихкі сполуки, які не мають жодного практичного застосування, саме тому зварювання та плавлення титану виробляються в умовах вакууму. Оборотною реакцією є процес розчинення водню в металі, він більш активно відбувається при підвищенні температури (від 400 0 С і вище). Титан, особливо його дрібні частинки (тонка пластина чи дріт), згоряє в атмосфері азоту. Хімічна реакція взаємодії можлива лише за температури 700 0 З, у результаті утворюється нітрид TiN. З багатьма металами формує високотверді сплави, що часто є легуючим елементом. В реакцію з галогенами (хром, бром, йод) вступає лише за наявності каталізатора (високої температури) та за умови взаємодії із сухою речовиною. При цьому утворюються дуже тверді сплави тугоплавкі. З розчинами більшості лугів та кислот титан хімічно не активний, винятком є ​​концентрована сірчана (при тривалому кип'ятінні), плавикова, гарячі органічні (мурашина, щавлева).

Місце народження

Найбільш поширені в природі ільменітові руди – їх запаси оцінюються у 800 млн. тонн. Поклади рутилових родовищ набагато скромніші, але загальний обсяг - за збереження зростання видобутку - повинен забезпечити людство на найближчі 120 років таким металом, як титан. Ціна готового продукту залежатиме від попиту та підвищення рівня технологічності виробництва, але в середньому варіюється в діапазоні від 1200 до 1800 руб/кг. У разі постійного технічного вдосконалення значно знижується собівартість всіх виробничих процесів за її своєчасної модернізації. Найбільші запаси мають Китай і Росія, також мінерально-сировинну базу мають Японія, ПАР, Австралія, Казахстан, Індія, Південна Корея, Україна, Цейлон. Родовища відрізняються обсягами видобутку та відсотковим вмістом титану в руді, геологічні дослідження продовжуються постійно, що дає можливість припускати зниження ринкової вартості металу та його ширше застосування. Росія на сьогоднішній день є найбільшим виробником титану.

Отримання

Для виробництва титану найчастіше використовується його діоксид, що містить мінімальну кількість домішок. Його одержують шляхом збагачення концентрацій ільменіту або рутилових руд. У електродуговій печі відбувається термічна обробка руди, що супроводжується відділенням заліза та утворенням шлаку, що містить оксид титану. Сірчанокислий або хлоридний метод застосовується для обробки вільної від заліза фракції. Оксид титану є порошком сірого кольору (див. фото). Метал титан виходить під час його поетапної обробки.

Першою фазою є процес спікання шлаку з коксом та впливу парами хлору. Отриманий TiCl 4 відновлюють магнієм або натрієм при дії температури 850 0 С. Титанова губка (пориста сплавлена ​​маса), отримана в результаті хімічної реакції, очищається або переплавляється в зливки. Залежно від подальшого напряму використання формується сплав або метал у чистому вигляді (домішки видаляються шляхом нагрівання до 1000 0 С). Для виробництва речовини з часткою домішок 0,01% використовують йодидний метод. Він ґрунтується на процесі випарювання з титанової губки, попередньо обробленої галогеном, його пари.

Сфера застосування

Температура плавлення титану є досить високою, що при легкості металу є неоціненною перевагою використання його як конструкційний матеріал. Тому найбільше застосування він знаходить у суднобудуванні, авіаційній промисловості, виготовленні ракет, хімічних виробництвах. Титан досить часто використовують як легуючу добавку в різних сплавах, які мають підвищені характеристики твердості і жароміцності. Високі антикорозійні властивості та здатність витримувати більшість агресивних середовищ роблять цей метал незамінним для хімічної промисловості. З титану (його сплавів) виготовляють трубопроводи, ємності, запірну арматуру, фільтри, що використовуються при перегонці та транспортуванні кислот та інших хімічно активних речовин. Він затребуваний під час створення приладів, які працюють у умовах підвищених температурних показниках. Сполуки титану використовуються для виготовлення міцного різального інструменту, фарб, пластику та паперу, хірургічних інструментів, імплантатів, ювелірних виробів, оздоблювальних матеріалів, застосовується в харчовій промисловості. Усі напрямки складно описати. Сучасна медицина через повну біологічну безпеку часто використовує метал титан. Ціна - це єдиний фактор, який поки що впливає на широту застосування цього елемента. Справедливим є твердження, що титан – матеріал майбутнього, вивчаючи який людство перейде на новий етап розвитку.

Титан займає 4-е місце по поширенню у виробництві, але ефективна технологія його вилучення була розроблена лише у 40-х рр. минулого століття. Це метал сріблястого кольору, що характеризується невеликою питомою масою та унікальними характеристиками. Для аналізу ступеня поширення в промисловості та інших сферах необхідно озвучити властивості титану та галузі застосування його сплавів.

Основні характеристики

Метал має малу питому масу – всього 4.5 г/см³. Антикорозійні якості обумовлені стійкою оксидною плівкою, що утворюється на поверхні. Завдяки цій якості титан не змінює своїх властивостей при тривалому знаходженні у воді, соляній кислоті. Не виникають пошкоджені ділянки через напругу, що є основною проблемою сталі.

У чистому вигляді титан має такі якості та характеристики:

• номінальна температура плавлення - 1660 ° С;
• при термічній дії +3227°С закипає;
• межа міцності при розтягуванні – до 450 МПа;
• характеризується невеликим показником пружності – до 110,25 гПа;
• за шкалою НВ твердість становить 103;
• межа плинності одна з найоптимальніших серед металів – до 380 Мпа;
• теплопровідність чистого титану без добавок – 16,791 Вт/м*С;
• мінімальний коефіцієнт термічного розширення;
• цей елемент є парамагніт.

Для порівняння, міцність цього матеріалу в 2 рази більша, ніж у чистого заліза та в 4 рази такого ж показника алюмінію. Також титан має дві поліморфні фази – низькотемпературну та високотемпературну.

Для виробничих потреб чистий титан не застосовується через його дорожнечу та необхідні експлуатаційні якості. Для підвищення жорсткості до складу додають оксиди, гібриди та нітриди. Рідше змінюють характеристики матеріалу поліпшення стійкості до корозії. Основні види добавок для одержання сплавів: сталь, нікель, алюміній. У деяких випадках він виконує функції додаткового компонента.

Області застосування

Завдяки невеликій питомій масі та параметрам міцності титан широко використовується в авіаційній та космічній промисловості. Його застосовують як основний конструкційний матеріал у чистому вигляді. В особливих випадках за рахунок зменшення жароміцності роблять дешевші сплави. При цьому його опір корозії та механічна міцність залишаються незмінними.

Крім цього, матеріал з добавками титану знайшов застосування у таких областях:

• Хімічна промисловість. Його стійкість до всіх агресивних середовищ, крім органічних кислот, дозволяє виготовляти складне обладнання з хорошими показниками безремонтного терміну служби.
• Виробництво транспортних засобів. Причина – невелика питома маса та механічна міцність. З нього роблять каркаси або несучі елементи конструкцій.
• Медицина. Для особливих цілей застосовується спеціальний сплав нітінол (титан та нікель). Його відмінна властивість – пам'ять форми. Для зменшення навантаження пацієнтів та мінімізації ймовірності негативного впливу на організм багато медичних шин та подібні до них пристрої роблять з титану.
• У промисловості метал застосовується виготовлення корпусів і окремих елементів устаткування.
• Ювелірні прикраси з титану мають унікальний зовнішній вигляд і якості.

Найчастіше матеріал обробляється в заводських умовах. Але є ряд винятків – знаючи властивості цього матеріалу, частину робіт зі зміни зовнішнього вигляду виробу та його характеристик можна виконувати у домашній майстерні.

Особливості обробки

Для надання виробу потрібної форми необхідно використовувати спеціальне обладнання – токарний та фрезерний верстат. Ручне різання або фрезерування титану неможливе через його твердість. Крім вибору потужності та інших характеристик обладнання необхідно правильно підібрати ріжучі інструменти: фрези, різці, розгортки, свердла тощо.

При цьому враховуються такі нюанси:

• Титанова стружка легко спалахує. Необхідне примусове охолодження поверхні деталі та робота на мінімальних швидкостях.
• Гнучка виробу виконується лише після попереднього розігріву поверхні. В іншому випадку велика ймовірність появи тріщин.
• Зварювання. Обов'язкове дотримання особливих умов.

Титан – унікальний матеріал із гарними експлуатаційними та технічними якостями. Для його обробки слід знати специфіку технології, а головне – техніку безпеки.

Основна частина титану витрачається на потреби авіаційної та ракетної техніки та морського суднобудування. Його, а також феротитан використовують як легуючу добавку до якісних сталей і як розкислювач. Технічний титан йде виготовлення ємностей, хімічних реакторів, трубопроводів, арматури, насосів, клапанів та інших виробів, які у агресивних середовищах. З компактного титану виготовляють сітки та інші деталі електровакуумних приладів, що працюють за високих температур.

За використанням як конструкційний матеріал Ti знаходиться на 4-му місці, поступаючись лише Al, Fe і Mg. Алюмініди титану є дуже стійкими до окислення та жароміцними, що в свою чергу визначило їх використання в авіації та автомобілебудуванні як конструкційні матеріали. Біологічна нешкідливість даного металу робить його чудовим матеріалом для харчової промисловості та відновлювальної хірургії.

Титан і його сплави знайшли широке застосування в техніці через свою високу механічну міцність, яка зберігається при високих температурах, корозійної стійкості, жароміцності, питомої міцності, малої щільності та інших корисних властивостей. Висока вартість даного металу та матеріалів на його основі у багатьох випадках компенсується їхньою більшою працездатністю, а в деяких випадках вони є єдиною сировиною, з якої можна виготовити обладнання або конструкції, здатні працювати в цих конкретних умовах.

Титанові сплави грають велику роль авіаційної техніці, де прагнуть отримати найлегшу конструкцію разом із необхідної міцністю. Ti є легким порівняно з іншими металами, але в той же час може працювати при високих температурах. З матеріалів на основі Ti виготовляють обшивку, деталі кріплення, силовий набір, деталі шасі, різні агрегати. Також ці матеріали застосовуються в конструкціях авіаційних реактивних двигунів. Це дозволяє зменшити їхню масу на 10-25%. З титанових сплавів виробляють диски та лопатки компресорів, деталі повітрозабірників та направляючих у двигунах, різне кріплення.

Ще однією сферою застосування є ракетобудування. Через короткочасну роботу двигунів і швидкого проходження щільних шарів атмосфери в ракетобудуванні значною мірою знімаються проблеми втомної міцності, статичної витривалості та частково повзучості.

Технічний титан через недостатньо високу теплову міцність не придатний для застосування в авіації, але завдяки виключно високому опору корозії в ряді випадків незамінний у хімічній промисловості та суднобудуванні. Так його застосовують при виготовленні компресорів і насосів для перекачування таких агресивних середовищ, як сірчана та соляна кислота та їх солі, трубопроводів, запірної арматури, автоклав, різного роду ємностей, фільтрів тощо. Тільки Ti має корозійну стійкість у таких середовищах, як вологий хлор, водні та кислі розчини хлору, тому з даного металу виготовляють обладнання для хлорної промисловості. Також з нього роблять теплообмінники, що працюють у корозійно-активних середовищах, наприклад в азотній кислоті (не димлячій). У суднобудуванні титан використовується виготовлення гребних гвинтів, обшивки морських суден, підводних човнів, торпед тощо. На даний матеріал не налипають мушлі, які різко підвищують опір судна при його русі.

Титанові сплави перспективні для використання в багатьох інших застосуваннях, але їх поширення у техніці стримується високою вартістю та недостатньою поширеністю даного металу.

Сполуки титану також набули широкого застосування в різних галузях промисловості. Карбід (TiC) має високу твердість і застосовується у виробництві різальних інструментів та абразивних матеріалів. Білий діоксид (TiO 2) використовується у фарбах (наприклад, титанові білила), а також при виробництві паперу та пластику. Титанорганічні сполуки (наприклад, тетрабутоксититан) застосовуються як каталізатор і затверджувач у хімічній та лакофарбовій промисловості. Неорганічні сполуки Ti застосовуються в хімічній електронній, скловолоконній промисловості як добавку. Диборид (TiB 2) – важливий компонент надтвердих матеріалів для обробки металів. Нітрид (TiN) використовується для покриття інструментів.

Багатьох цікавить трохи загадковий і не до кінця вивчений титан – метал, властивості якого вирізняються деякою двоякістю. Метал і найміцніший, і найтендітніший.

Найміцніший і найтендітніший метал

Його відкрили двоє вчених із різницею у 6 років – англієць У. Грегор та німець М. Клапрот. Назва титану пов'язують, з одного боку, з міфічними титанами, надприродними та безстрашними, з іншого боку, з Титанією – королевою фей.
Це один із найпоширеніших у природі матеріалів, але процес отримання чистого металу відрізняється особливою складністю.

22 хімічний елемент таблиці Д. Менделєєва Titanium (Ti) відноситься до 4 групи 4 періоду.

Колір титану сріблясто-білий із вираженим блиском. Його відблиски переливаються всіма кольорами веселки.

Це один із тугоплавких металів. Він плавиться за температури +1660 °С (±20°). Титан відрізняється парамагнітністю: він не намагнічується у магнітному полі і не виштовхується з нього.
Метал характеризується низькою щільністю та високою міцністю. Але особливість цього матеріалу полягає в тому, що навіть мінімальні домішки інших хімічних елементів кардинально змінюють його властивості. За наявності нікчемної частки інших металів титан втрачає свою жароміцність, а мінімум неметалевих речовин у його складі роблять метал крихким.
Ця особливість обумовлює наявність 2 видів матеріалу: чистого та технічного.

1. Титан чистого виду використовують там, де потрібна дуже легка речовина, що витримує великі навантаження та надвисокі температурні діапазони.
2. Технічний матеріал застосовується там, де цінуються такі параметри, як легкість, міцність та стійкість до корозії.

Речовина має властивість анізотропності. Це означає, що метал може змінювати свої фізичні характеристики, з прикладених зусиль. На цю особливість слід звернути увагу, плануючи застосування матеріалу.

Титан втрачає міцність за найменшої присутності в ньому домішок інших металів.

Проведені дослідження властивостей титану у нормальних умовах підтверджують його інертність. Речовина не реагує на елементи, що знаходяться у навколишній атмосфері.
Зміна параметрів починається у разі підвищення температури до +400°С і вище. Титан входить у реакцію з киснем, може спалахувати в азоті, вбирає гази.
Ці властивості ускладнюють отримання чистої речовини та її сплавів. Виробництво титану засноване на застосуванні дорогої вакуумної апаратури.

Титан та конкуренція з іншими металами

Цей метал постійно порівнюють з алюмінієм та сплавами заліза. Багато хімічних властивостей титану значно кращі, ніж у конкурентів:

1. По механічної міцності титан перевершує залізо вдвічі, а алюміній в 6 разів. Міцність його збільшується при зниженні температури, що не відзначається у конкурентів.
   Антикорозійні характеристики титану значно перевищують показники інших металів.
2. При температурах довкілля метал абсолютно інертний. Але при підвищенні температури понад 200°С речовина починає поглинати водень, змінюючи свої характеристики.
3. При вищих температурах титан входить у реакції коїться з іншими хімічними елементами. Він має високу питому міцність, що у 2 разу перевищує властивості кращих сплавів заліза.
4. Антикорозійні властивості титану значно перевищують показники алюмінію та нержавіючої сталі.
5. Речовина погано проводить електрику. Титан має питомий електроопір в 5 разів вищий, ніж у заліза, в 20 разів, ніж у алюмінію, і в 10 разів вищий, ніж у магнію.
6. Титан характеризується низькою теплопровідністю, що з низьким коефіцієнтом температурного розширення. Вона менша в 3 рази, ніж у заліза, та у 12, ніж у алюмінію.
   

Якими способами одержують титан?

Матеріал займає 10 місце за поширенням у природі. Існує близько 70 мінералів, що містять титан у вигляді титанової кислоти або двоокису. Найбільш поширені з них і містять високий відсоток похідних металу:

• ільменіт;
• рутил;
• анатаз;
• перовскіт;
• брукіт.

Основні поклади титанових руд перебувають у США, Великобританії, Японії, великі їх родовища відкриті у Росії, Україні, Канаді, Франції, Іспанії, Бельгії.

Видобуток титану - дорогий і трудомісткий процес

Отримання металу їх коштує дуже дорого. Вчені розробили 4 способи виробництва титану, кожен з яких робітник та ефективно використовується в промисловості:

1. Магнієтермічний спосіб. Добуту сировину, що містить титанові домішки, переробляють та одержують діоксид титану. Ця речовина хлорується в шахтних або сольових хлораторах при підвищеному температурному режимі. Процес дуже повільний, ведеться у присутності вуглецевого каталізатора. При цьому твердий діоксид переводиться в газоподібну речовину – тетрахлорид титану. Отриманий матеріал відновлюється натрієм або магнієм. Сплав, що утворився при реакції, нагрівають у вакуумній установці до надвисоких температур. В результаті реакції відбувається випаровування магнію та його сполук з хлором. Наприкінці процесу одержують губкоподібний матеріал. Його плавлять і одержують титан високої якості.
2. Гідридно-кальцієвий спосіб. Руду піддають хімічної реакції та отримують гідрид титану. Наступний етап - поділ речовини на складові. Титан і водень виділяють у процесі нагрівання у вакуумних установках. Після закінчення процесу одержують оксид кальцію, який відмивають слабкими кислотами. Перші два способи відносяться до промислового виробництва. Вони дозволяють одержувати в найкоротші терміни чистий титан із невеликими витратами.
3. Електролізний метод. Титанові сполуки піддають дії струмом великої сили. Залежно від вихідної сировини, сполуки поділяються на складові: хлор, кисень та титан.
4. Йодидний спосіб чи рафінування. Отриманий із мінералів діоксид титану обдають парами йоду. В результаті реакції утворюється йодид титану, який нагрівають до високої температури +1300 ... +1400 ° С і впливають на нього електричним струмом. При цьому з вихідного матеріалу виділяються складові: йод та титан. Метал, отриманий цим способом, немає домішок і добавок.

Області застосування

Застосування титану залежить від його очищення від домішок. Наявність невеликої кількості інших хімічних елементів у складі сплаву титану кардинально змінює його фізико-механічні характеристики.

Титан із деякою кількістю домішок називається технічним. Він має високі показники корозійної стійкості, це легкий та дуже міцний матеріал. Від цих та інших показників залежить його застосування.

• У хімічній промисловостіз титану та його сплавів виготовляють теплообмінники, різного діаметра труби, арматуру, корпусу та деталі для насосів різного призначення. Речовина є незамінною в місцях, де потрібна висока міцність і стійкість до кислот.
• На транспортітитан використовують для виготовлення деталей та агрегатів велосипедів, автомобілів, залізничних вагонів та складів. Застосування матеріалу зменшує вагу рухомих складів та автомобілів, надає легкість та міцність велосипедним деталям.
• Велике значення титан має у військово-морському відомстві. З нього виготовляють деталі та елементи корпусів для підводних човнів, пропелери для човнів та гелікоптерів.
• У будівельній промисловостізастосовується метал цинк-титан. Він використовується як оздоблювальний матеріал для фасадів та покрівель. Цей дуже міцний сплав має важливу властивість: з нього можна виготовляти архітектурні деталі найфантастичнішої конфігурації. Він може набувати будь-якої форми.
• В останнє десятиліття титан широко застосовують у нафтовидобувній галузі. Сплави його застосовують під час виготовлення устаткування для надглибокого буріння. Матеріал використовується для виготовлення обладнання для видобутку нафти та газу на морських шельфах.

У титану дуже широка сфера застосування

Чистий титан має свої сфери застосування. Він потрібен там, де потрібна стійкість до високих температур і при цьому повинна зберігатися міцність металу.

Його застосовують у :

• авіабудуванні та космічній галузі для виготовлення деталей обшивки, корпусів, елементів кріплення, шасі;
• медицини для протезування та виготовлення серцевих клапанів та інших апаратів;
• техніки для роботи в кріогенній області (тут використовують властивість титану - при зниженні температури посилюється міцність металу і не втрачається його пластичність).

У відсотковому співвідношенні використання титану для різних матеріалів виглядає так:

• виготовлення фарби використовується 60 %;
• пластик споживає 20%;
• у виробництві паперу використовують 13%;
• машинобудування споживає 7% одержуваного титану та її сплавів.

Сировина та процес отримання титану дорогі, витрати на його виробництво компенсуються та окупаються терміном служби виробів із цієї речовини, її здатністю не змінювати свій зовнішній вигляд за весь період експлуатації.