Титан
Необычайно высокие темпы роста производства и потребления титана обусловлены его весьма ценными свойствами: небольшой плотностью, высокой прочностью, высокой коррозионной стойкостью.
Преимущественное применение титан получил в авиации, ракетостроении и других отраслях техники, где удельная прочность имеет важное значение. Для интервала температур 300-600градусов С сплавы титана имеют самое высокое значение удельной прочности (σ/y), уступая при температурах ниже 300 градусов С алюминиевым сплавам, а выше 600 градусов С – сплавам на основе железа и никеля.
Немаловажное значение, обеспечивающее широкое распространения сплавов титана в будущем, является сравнительно большое его содержание в земной коре (0,6 %). По распространенности в земной коре титан уступает только трем металлам – алюминию, железу и магнию.
Производство титана.
Титан обладает большой прочностью, высокой стойкостью в агрессивных средах и небольшой прочностью ( 4,5 г*см ), поэтому он является весьма ценным конструкционным материалом.
Основную массу титана для производства полуфабрикатов и сплавов на его основе получают магнийтермическим способом в виде губчатого титана (титановая губка). Рудами для получения титана являются ильменит, содержащий FeTiO ,и рутил, содержащий FeO .
Руды подвергают обогащению (мокрому или электромагнитному), в результате чего получают титановые концентраты. Извлечение титана из концентратов – трудная задача, так как титан при высоких температурах реагирует с кислородом и азотом, а в расплавленном состоянии – со всеми известными огнеупорами.
Металлургия титана включает следующие процессы:
1) получение в электрической шахтной печи тетрахлорида титана TiCl при нагревании брикетов из смеси титановых концентратов или технического оксида титана TiO с углем в потоке хлора; тетрахлорид титана после конденсации паров получается в виде загрязненной красноватой жидкости, которую очищают дистилляцией;
2) получение губчатого титана восстановлением тетрахлорида титана при взаимодействии с магнием в нейтральной атмосфере (аргон или гелий) при температуре в зоне реакции 950 — 1000 градусовС;
3) получение слитков титана в электродуговых печах под вакуумом.
Для получения слитков губку прессуют с целью получения из нее электродов. Такой электрод подается в верхнюю часть печи и является одним полюсом постоянного тока. Другим полюсом служит медная водоохлаждемая изложница. По мере плавления расходуемого электрода из губки и затвердевания слитка около холодных стенок дно изложницы опускается до получения заготовки нужной длины. Сила тока при плавке до 5400 А, напряжение около 30 В.
Выпускаются две марки чистого титана (ГОСТ 19807-74): BT1-00 (99,42% Ti) и ВТ1-0 (99,32% Ti).
Свойства титана.
Титан серебристо-белого металл с малой плотностью (4,5 г/см³) и высокой температурой плавления (1672 ˚С). Титан находится в группе Периодической системы Д. И. Менделеева. Его порядковый номер 22, атомная масса 47,9.
Свойства титана существенно зависят от его частоты. Так, например, чистоте титана (% Ti) 99,99; 99,8; 99,6; 99,5; 99,4 соответствует твердость (НВ) 100; 145; 165; 195; 225 соответственно.
Титан имеет две аллотропические модификации: α – низкотемпературную с гексагональной решеткой, с периодами а = 2,9503 и с = 4,8631 Å (c/a = 1,5873), а при более высоких температурах β высокотемпературную с объемоцентрированной кубической решеткой, период которой а = 3,3132 Å (при 900˚С). Удельный вес α – титана составляет 4,505 г/см³, β – титана при 900°С 4,32 г/см³. коэффициент линейного расширения титана в интервале 20 – 100ºС – 8,3•10ˉ ºС , теплопроводность при температуре 50 ºС составляет 0,0369 ккал/(см•с•ºС). Технический титан изготавливают из чистых его сортов.
Вредными примесями титана являются азот, углерод, кислород и водород, образующие с ним твердый раствор внедрения и хрупкие оксиды, карбиды, нитриды и гибриды. Эти примеси снижают пластичность и свариваемость титана, повышают его твердость и прочность и ухудшают сопротивление коррозии.
Чистый титан имеет следующие механические свойства: σ = 25 кгс/мм и δ = 70 %. Технический титан (ВТ1-00, ВТ1-0 и ВТ1-1), содержащий значительно больше примесей, имеет σ = 30 – 55 кгс/мм и δ = 20 – 30 %. Чем больше примесей, тем выше прочность и ниже пластичность.
На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка, вследствие чего титан обладает высокой сопротивляемостью коррозии пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против кавитационной коррозии и под напряжением.
При температурах выше 500 ºС титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).Технический титан хорошо обрабатывается под давлением, сваривается, но обработка резанием затруднена.
Таблица. Химический состав технического титана примеси, % (не более)
П р и м е ч а н и е . В сплаве ВТ1-0 содержится остальных элементов не более 0,3 % и 0,04 % N.
Температура рекристаллизации высокочистого титана при различной степени деформации следующая:
tрекр, ºС …………………………………. 700 550 500
степень деформации, % ………………. 10 25 60
Технический титан технологичный металл. Из него изготавливают разнообразные полуфабрикаты. Он хорошо штампуется, сваривается.
