Сторінка
2

Титан

Розглянемо трохи докладніше поводження чистого титану в різних агресивних середовищах. Протистоїть титан і ерозійної корозії, що відбуває в результаті сполучення хімічного і механічного впливу на метал. У цьому відношенні він не уступає кращим маркам нержавіючих сталей, сплавам на основі міді й інших конструкційних матеріалів. Добре протистоїть титан і усталостной корозії, що виявляється часто у виді порушень цілісності і міцності металу (розтріскування, локальні вогнища корозії і т.п.). Поводження титану в багатьох агресивних середовищах, у таких, як азотна, соляна, сірчана, «царська горілка» і інші кислоти і луги, викликає подив і замилування цим металом.

В азотній кислоті, що є сильним окислювачем, у якому швидко розчиняються дуже багато металів, титан винятково стійкий. При будь-якій концентрації азотної кислоти (від 10 до 99%-ний), при будь-яких температурах швидкість корозії титану не перевищує 0,1–0,2 мм/рік. Небезпечна тільки червона азотна кислота, що димить, пересичена (20% і більш) вільними диоксидами азоту: у ній чистий титан бурхливо, з вибухом, реагує. Однак варто додати в таку кислоту хоча б небагато води (1–2% і більш), як реакція закінчується і корозія титану припиняється.

У соляній кислоті титан стійок лише в розведених її розчинах. Наприклад, у 0,5%-ний соляній кислоті навіть при нагріванні до 100° С швидкість корозії титану не перевищує 0,01 мм/рік, у 10%-ний при кімнатній температурі швидкість корозії досягає 0,1 мм/рік, а в 20%-ний при 20° С–0,58 мм/рік.Принагріванні швидкість корозії титану в соляній кислоті різко підвищується. Так, навіть у 1,5%-ний соляній кислоті при 100° С швидкість корозії титану складає 4,4 мм/рік, а в 20%-ний при нагріванні до 60° С – уже 29,8 мм/рік. Це порозумівається тим, що соляна кислота, особливо при нагріванні, розчиняє плівку, що пасивує, диоксида титану і починається розчинення металу. Однак швидкість корозії титану в соляній кислоті при всіх умовах залишається нижче, ніж у нержавіючих сталей.

У сірчаній кислоті слабкої концентрації (до 0,5–1% ) титан стійок навіть при температурі розчину до 50–95° С. Стійок він і в більш концентрованих розчинах (10–20%-них) при кімнатній температурі, у цих умовах швидкість корозії титану не перевищує 0,005–0,01 мм/рік. Але з підвищенням температури розчину титан у сірчаній кислоті навіть порівняно слабкої концентрації (10–20%-ний) починає розчинятися, причому швидкість корозії досягає 9–10 мм/рік. Сірчана кислота, так само як і соляна, руйнує захисну плівку диоксиду титану і підвищує його розчинність. Її можна різко понизити, якщо в розчини цих кислот додавати визначена кількість азотної, хромової, марганцевий кислот, з'єднань чи хлору інших окислювачів, що швидко пасивують поверхня титану захисною плівкою і припиняють його подальше розчинення. От чому титан практично єдиний метал, що не розчиняється в «царській горілці»: у ній при звичайних температурах (10–20° С) корозія титану не перевищує 0,005 мм/рік. Слабко коризує титан і в киплячій «царській горілці», але ж у ній, як відомо, багато металів, і навіть такі, як золото, розчиняються майже миттєво.

Дуже слабко коризує титан у більшості органічних кислот (оцтової, молочної, винної), у розведених лугах, у розчинах багатьох хлористих солей, у фізіологічному розчині. А от з розплавами хлоридів при температурі вище 375° С титан взаємодіє дуже бурхливо.

У розплаві багатьох металів чистий титан виявляє дивну стійкість. У рідких гарячі магнії, олові, галії, ртуті, літії, натрії, калії, у розплавленій сірці титан практично не коризує, і лише при дуже високих температурах розплавів (вище 300–400° С) швидкість його корозії в них може досягати 1 мм/рік. Однак є чимало агресивних розчинів і розплавів, у яких титан розчиняється дуже інтенсивно. Головний «ворог» титану – плавикова кислота (HF). Навіть у 1%-ному її розчині швидкість корозії титану дуже висока, а в більш концентрованих розчинах титан «тане», як лід у гарячій воді. Фтор – цей «руйнуючий усе» (гречок.) елемент – бурхливо реагує практично з усіма металами і спалює їх.

Не може протистояти титан кремнефтористоводородной і фосфорної кислотам навіть слабкої концентрації, перекису водню, сухим хлору і брому, спиртам, у тому числі спиртовій настойці йоду, розплавленому цинку. Однак стійкість титану можна збільшити, якщо додати різні окислювачі – так називані інгібітори, наприклад у розчини соляної і сарною кислот – азотну і хромову. Інгібіторами можуть бути й іони різних металів у розчині: залізо, мідь і ін.

У титан можна вводити деякі метали, що підвищують його стійкість у десятки і сотні разів, наприклад до 10% цирконію, гафнію, танталу, вольфраму. Введення в титан 20–30% молібдену робить, цей сплав настільки стійким до будь-яких концентрацій соляний, сарною й іншими кислотами, що він може замінити навіть золото в роботі з цими кислотами. Найбільший ефект досягається завдяки добавкам у титан чотирьох металів платинової групи: платини, палладія, родію і рутенію. Досить всього 0,2% цих металів, щоб знизити швидкість корозії титану в киплячих концентрованих соляний і сарною кислотах у десятки разів. Слід зазначити, що шляхетні платиноїди впливають лише на стійкість титану, а якщо додавати їх, скажемо, у залізо, алюміній, магній, руйнування і корозія цих конструкційних металів не зменшуються.

Фізичні і механічні властивості титану

Титан дуже тугоплавкий метал. Довгий час вважався, що він плавиться при 1800° С, однак у середині 50-х рр. англійські вчені Діардорф і Хейс установили температуру плавлення для чистого елементарного титану. Вона склала 1668±3° С. По своїй тугоплавкості титан уступає лише таким металам, як вольфрам, тантал, ніобій, реній, молібден, платиноїди, цирконій, а серед основних конструкційних металів він коштує на першому місці:

Найважливішою особливістю титану як металу є його унікальні фізико-хімічні властивості: низька щільність, висока міцність, твердість і ін. Головне ж, що ці властивості не міняються істотно при високих температурах.

Титан-легкий метал, його щільність при 0° С складає всього 4,517 г/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан відноситься до групи металів з питомою масою менш 5 г/см3. Сюди входять усі лужні метали (натрій, кадій, літій, рубідій, цезій) з питомою масою 0,9–1,5 г/см3, магній (1,7 г/см3), алюміній (2,7 г/см3) і ін. Титан більш ніж у 1,5 рази важчий алюмінію, і в цьому він, звичайно, йому програє, але зате в 1,5 рази легше заліза (7,8 г/см3). Однак, займаючи по питомій щільності проміжне положення між алюмінієм і залізом, титан по своїх механічних властивостях у багато разів їх перевершує.

Які ж ці властивості, що дозволяють широко використовувати титан як конструкційний матеріал? Насамперед міцність металу, тобто його здатність пручатися руйнуванню, а також необоротній зміні форми (пластичні деформації). Титан має значну твердість: він у 12 разів твердіше алюмінію, у 4 раз-залоза і міді. Ще одна важлива характеристика металу – границя текучості. Чим він вище тим краще деталі з цього металу пручаються експлуатаційним навантаженням. Границя текучості в титану майже в 18 разів вище, ніж в алюмінію. Питома міцність сплавів титану може бути підвищена в 1,5–2 рази. Його високі механічні властивості добре зберігаються при температурах аж до кількох сотень градусів.