Сторінка
3

Титан

Чистий титан придатний для будь-яких видів обробки в гарячому і холодному стані: його можна кувати, як залізо, витягати і навіть робити з нього дріт, прокочувати в аркуші, стрічки, у фольгу товщиною до 0,01 мм.

Цікаво відзначити, що титан довгі роки, аж до одержання чистого металу, розглядали як дуже тендітний матеріал. Зв'язано це було з наявністю в титані домішок, особливо водню азоту, кисню, вуглецю й ін. Якщо збільшення змісту кисню й азоту відразу позначається на їхніх механічних властивостях, то вплив водню більш складне і може виявлятися не відразу, а в процесі експлуатації виробу. Недооцінка цього впливу при перших кроках застосування титану привела до серйозних аварій. Численні випадки несподіваних тендітних руйнувань готових титанових конструкцій в авіації США навіть стали причиною деякої кризи у виробництві титану в 1945–1955 р. Сьогодні ж водень спеціально вводять у титанові сплави, як тимчасовий чи постійний легуючий елемент. Це дозволяє сильно спростити багато технологічних операцій при виготовленні титанових виробів (гарячу обробку тиском, різання, зварювання, формування) і поліпшити їхньої властивості. При необхідності водень видаляють випалюванням у вакуумі.

Титан має ще одна чудова властивість – виняткову стійкість в умовах кавітації, тобто при посиленій «бомбардуванні» металу в рідкому середовищі пухирцями повітря, що утворяться при швидкому чи русі обертанні металевої деталі в рідкому середовищі. Ці пухирці повітря, лопаючись на поверхні металу, викликають дуже сильні мікроудари рідини об поверхню тіла, що рухається. Вони швидко руйнують багато матеріалів, і метали в тому числі, а от титан прекрасно протистоїть кавітації. Іспиту в морській воді швидкообертаючихся дисків з титану й інших металів показали, що при обертанні протягом двох місяців титановий диск практично не втратив у масі. Зовнішні краї його, де швидкість обертання, а отже, і кавітація максимальні, не змінилися. Інші диски не витримали іспиту: у всіх зовнішні краї виявилися ушкодженими, а багато хто з них зовсім зруйнувалися.

Титан володіє ще однією дивною властивістю–«пам'яттю». У сплаві з деякими металами (наприклад, з нікелем, і особливо з нікелем і воднем) він «запам'ятовує» форму виробу, що з нього зробили при визначеній температурі. Якщо такий виріб потім деформувати, наприклад, згорнути в пружину, зігнути, то воно залишиться в такім положенні на довгий час. Після нагрівання до тієї температури, при якій цей виріб був зроблений, воно приймає первісну форму. Це властивість титану широко використовується в космічній техніці (на кораблі розвертаються винесені в космічний простір великі антени, до цього компактно складені). Недавно ця властивість титану стали використовувати медики для безкровних операцій на судинах: у хворій, звужений судина вводиться дротик з титанового сплаву, а потім вона, розігріваючи до температури тіла, скручується в первісну пружинку і розширює судину.

Температурні, електричні і магнітні властивості титану.

Титан має порівняно низьку теплопровідність, всього 22,07 Ут/(мк), що приблизно в 3 рази нижче теплопровідності заліза, у 7 разу-магнію, у 17–20 разу-алюмінію і міді. Відповідно і коефіцієнт лінійного термічного розширення в титану нижче, ніж в інших конструкційних матеріалів: при 20 С він у 1,5 рази нижче чим у заліза, у 2 - у міді і майже в 3 - в алюмінію. Таким чином, титан – поганий провідник електрики і тепла. Проводів з нього не зробиш, а от те, що він один з далеко не всіх металів є при низьких температурах надпровідником електрики, відкриває йому великі перспективи в електричній техніці, передачі енергії на великі відстані. Титан – парамагнітний метал: він не намагнічується, як залізо, у магнітному полі, але і не виштовхується з нього, як мідь. Його магнітна сприйнятливість дуже слабка, ця властивість можна використовувати при будівництві, наприклад, немагнітних кораблів, приладів, апаратів.

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

Отримання титану

Ціна – от що ще гальмує виробництво і споживання, титану. Власне, висока вартість – не уроджений порок титану. У земній корі його багато – 0,63%. Мінерали, що містять титан знаходяться повсюдно. Найважливіші з них титаномагнетити FeTi3´nFe3O4, ільменіт FeTi3, сфен CaTiSi5 і рутил Ti2. (У Росії родовища титанових руд знаходяться на Уралі, а найбільший виробник Верхне-Салдинське ПО). Серед конструкційних металів титан по поширеності займає четверте місце, уступаючи лише алюмінію, залізу і магнію. Висока ціна титану – наслідок складності витягу його з руд і застосування вакуумного устаткування при переплавлянні. При промисловому одержанні титану чи руду концентрат переводять у диоксид титану, що потім хлорують. Однак навіть при 800-1000°Із хлорування протікає повільно. З достатньої для практичних цілей швидкістю воно відбувається в присутності вуглецю, що зв'язує кисень в основному в CO2:

Ti2+2Cl2+2C=TiCl4+2CO2

Хлорид титану (IV) відновлюють магнієм

TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2

а суміш, що утвориться, піддають нагріванню у вакуумі. При цьому магній і його хлорид випаровуються й осаджуються в конденсаторі. Залишок - губчатий титан -переплавляють, одержуючи компактний ковкий метал. Для очищення від кисню, вуглецю й інших шкідливих домішок відновлення титану проводять у герметичній апаратурі в атмосфері аргону, а очищення і переплавляння в глибокому вакуумі.

Для одержання титану високої чистоти застосовують іодидний метод, запропонований ще в 1925 році. Суть цієї технології, у деталях розроблена в 30-х рр. німецьким хіміком Вільгельмом Кроллем, і полягає в наступному. Чернової метал, забруднений домішками, нагрітий до 100-200° С, взаємодіючи з йодом, утворить четирьохйодистий титан. Подальше нагрівання йодиду до температури приблизно 1300–1500° С приводить до його розкладання на титан і йод. Причому пароподібний йод з'єднується знову з чорновим металом, а титан осаджується на розпеченій поверхні запалу з титану ж. Домішки, що знаходяться в чорновому металі, взаємодіють з йодом і не попадають на розпечений чистий титан.

Ti(забруднений)+2I2(газ)®100-200°З®Ti4(газ) ®1300-1500°З®Ti(чистий)+2I2(газ)

Застосування титану і його з'єднань.

Вище, описуючи властивості, коротко вже згадувалися окремі області застосування титанових сплавів. Сьогодні титанові сплави широко застосовують в авіаційній техніці. Титанові сплави в промисловому масштабі вперше були використані в конструкціях авіаційних реактивних двигунів. Застосування титану в конструкції реактивних двигунів дозволяє зменшити їхню масу на 10 .25%. Зокрема, з титанових сплавів виготовляють диски і лопатки компресора, деталі воздухозаборника, що направляє апарата і кріпильні вироби. Титанові сплави незамінні для надзвукових літаків. Ріст швидкостей польоту літальних апаратів привів до підвищення температури обшивання, у результаті чого алюмінієві сплави перестали задовольняти вимогам, що пред'являються авіаційною технікою надзвукових швидкостей. Температура обшивання в цьому випадку досягає 246 .316 °С. У цих умовах найбільш прийнятним матеріалом виявилися титанові сплави.