Титан - металл будущего


Титан считают довольно распространённым металлом, занимающем 10 место по его содержанию в недрах земли. Титан был открыт ещё в 1790 году, но получить чистый металл удалось лишь в 1875 году, а до этого его получали с примесями и называли металлическим титаном, поэтому соединения металла стали использовать раньше, чем чистый металл.
image.png
Титан весьма распространён, поэтому с рудами, содержащими металл, проблем не возникает. Сырьём для получения металла выступает рутил, анатаз и брукит - диоксиды титана в разной модификации, ильменит, пирофанит – соединения с железом, и другими элементами.
image.png
От момента открытия нового химического элемента до разработкт технологии получения металла прошло почти столетие. Дело заключалось в том, что самые ничтожные части примесей оказывают существенное влияние на свойства полученного вещества. Даже самая меньшая часть примеси других металлов снижает жаропрочность титана, являющегося одним из его наиболее ценных свойств, а небольшая примесь неметалла приводит к тому, что прочный металл превращается в хрупкий и непригодный к использованию в качестве констркукционного материала.

Титан являктся биологически инертным, который не подвержен коррозии в морской воде, морском и городском воздухе, организме человека, что обусловило его применение в медицине в качестве титановых протезов и имплантатов.
image.png
Титан, как конструкционный материал, занимает промежуточное положение между алюминием и железом, но по многим свойствам превосходит их:

  • механическая прочность 2 раза выше, чем у железа, и в 6 раз, чем у алюминия;
  • при снижении температуры его прочность возрастает;
  • стойкость к кооррозии выше, чем у алюминия;
  • при нормальной температуре титан инертен, но при нагревании до до +250 градусов, поглощат водород, что снижает качество металла;
  • по химической активности он уступает магнию, но превосходит железо и алюминий;
  • слабо проводит электричество и его удельное электросопротивление выше, чем у железа 5 раз, алюминия в 20 раз и магния в 10 раз;
  • теплопроводность ниже, чем железа в 3 раза, и меньше, чем у алюминия в 12 раз;
  • обладает низким коэффициентом температурного расширения.

Чистый титан используют тогда, когда для изготовления изделий и деталей требуется прочность, лёгкость, коррозийная стойкость и способность выдерживать
большие нагрузки и высокие температуры, поэтому он незаменим в авиационной промышленности и космонавтике.
image.png
Недостатком металла является его способность при повышении температуры вступать в реакцию с кислородом, азотом и водородом, а в жидком состоянии впитывать газы, что крайне затрудняет получение чистого металла и его сплавов.
Чистый металл можно получить только в условиях применения вакуумной аппаратуры и сложнейшего процесса производства, поэтому распространённый элемент природы превращается в очень дорогостоящее вещество.

К достоинствам металла относят:
низкую плотность, обусловливающую небольшой вес;
очень высокую механическую прочность металла и его сплавов;
при повышении температуры титановые сплавы превосходят по прочностивсе сплавы алюминия и магния;
соотношение прочности и плотности (удельная прочность) достигает значения показателя 30-35, что в 2 раза выше, чем у лучших конструкционных сталей;
на воздухе титан подлежит покрытию тонким слоем оксида, который и обеспечивает превосходную коррозийную стойкость.

Однако, как всегда бывает, металл имеет ряд недостатков:
стойкость к коррозии и инертность относится только к продукции с неактивной поверхностью, но титановая пыль или стружка самовоспламеняются и сгорают с температурой в 400 градусов;
сложнейший способ получения титана вызывает его очень высокую стоимость. по сравнению с железом, алюминием и медью;
металл и его сплавы склонны к водородной коррозии, предотвратить которую сложно;
титан плохо поддаётся обработке резанием и сваркой;

Плавление титана происходит при температуре 1668 градусов, а кипение – 3227 градусов. Металл обладает свойствами пластичности и ковкости, но на эти свойства сильно влияют кислород и азот в сплаве, которые придают материалу хрупкость.
Металл устойчив ко многим кислотам, включая азотную, серную в низкой концентрации и практически все органические за исключением муравьиной, что определило его востребованность в химической, нефтехимической, бумажной промышленности и других отраслях.
При нагревании до определённой температуры структура металла изменяется, поскольку происходит активный процесс соединения с водородом, резко снижающим качество титана и сплавов.
image.png
Технология плавки титана сложна и требует дорогостоящей аппаратуры. Например, схема получения металла из ильменитовых руд выглядит так:

  • получение титанового шлака - породу загружают в электродуговую печь вместе с восстановителем - антрацитом, древесным углём и прогревают до 1650 градусов, при этом отделяют железо, которое идёт на получение чугуна и диоксида титана в шлаке;
  • шлак хлорируют в шахтных или солевых хлораторах, чтобы перевести твёрдый диоксид в газообразный тетрахлорид титана;
  • в печах сопротивления в специальных колбах металл восстанавливают натрием или магнием из хлорида,получая простую массу - титановую губку или технический титан, пригодный для изготовления химической аппаратуры;
  • в случае, когда требуется более чистый металл, используют процесс рафинирования, при котором металл реагирует с йодом с тем, чтобы получить газообразный йодид под действием температуры - 1300-1400 градусов и электрического тока, йодид разлагается, высвобождая чистый титан.
  • электрический ток подаётся через натянутую в реторте титановую проволоку, на которую и осаждается чистое вещество.
    Чтобы получить титан в слитках, титановую губку переплавляют в вакуумной печи, чтобы предотвратить растворение водорода и азота.
    Титан производят многие страны мира, имеющие запасы ильменита и рутила.image.png
    В зависимости от степени чистоты металла его стоимость за один килограмм составляет от $ 25 до $ 40.
    Однако, всё познаётся в сравнении, так, корпус кислотоупорного аппарата из нержавеющей стали обойдется в 150 рублей и прослужит не более 6 месяцев, а титановый будет стоить около 600 рублей, но эксплуатируется в течение 10 лет.
    Так что за 10 лет аппараты из нержавеющей стали обойдутся покупателю в 3000 рублей (150 х 20), а титановый за тот же период только 600 рублей или в 5 раз дешевле
    (3000 : 600).
    image.png
    Вместе с прочностью сплавы титана позволяют придать изделиям самую сложную конфигурацию, так как способность к формообразованию у сплава неограничена, что позволяет расширить сферу применения титана в таких отраслях, как:
  • химическая промышленность - теплообменники, трубы, корпуса, детали насосов, арматура и другие изделия. Материал незаменим на участках, где требуется стойкость к кислотам и прочность;
  • транспорт - титан используется для изготовления средств передвижения от железнодорожных составов до велосипедов - металл обеспечивает меньшую массу составов, что делает тягу более эффективной, а в производстве велосипедов - облегчает вес и придаёт ему прочность;
  • военно-морское дело - из титана производят теплообменники, выхлопные глушители для подводных лодок, клапаны, пропеллеры и другое;
  • в строительстве - применяют цинк-титан - материал для отделки фасадов и кровель.
  • ракето- и авиастроение - изготавление обшивок, деталей двигателей, элементы крепления, части шасси и другое;
    image.png
  • медицина - биологическая инертность и лёгкость делает титан перспективным материалом при протезировании, вплоть до сердечных клапанов;
  • криогенная техника - титан является одним из немногих веществ, которые при снижении температуры становятся лишь прочнее и не утрачивает пластичности.
  • часовое производство - детали часов и корпусов. Часовщики обратили своё внимание на титан не так давно, его применили для изготовления часов в 1980 году специалисты из Porsche Design и IWC. Объединив свои силы, компании выпустили титановые часы, которые произвели настоящий фурор. Вскоре после этого появились еще две модели - Ocean 2000 и Ocean 500, работающие под водой на глубине до 2000 и до 500 метров соответственно.
    image.png
    Преимущества титановых часов в том, что они очень лёгкие, имеют приятный металлический блеск и чем-то схожи по внешним признакам с платиной.
  • в ювелирном искусстве титан начали применять в 2015 году, когда известные фирмы стали использовать его в своих коллекциях обручальных колец, украшений для пирсинга и мужских аксессуаров, инкрустируя их рубинами, белыми и жёлтыми бриллиантами, розовыми сапфирами и другими драгоценными и полудрагоценными камнями.
    image.png
    Обработка титана является довольно сложной и затратной, требующей определённых знаний и навыков, поэтому созданием украшений из титана занимается далеко не каждый ювелир.
    Китайский ювелир Уоллес Чан изготавливает из титана настоящие произведения искусства - драгоценные цветы, насекомых или рыб.
    У титана есть одно интересное свойство - при определённом окислении, нагреве или смешивании с другими металлами он может менять свой цвет. В чистом виде это серый металл, но после обработки он может приобрести зелёный, синий, лиловый и даже красный оттенок.
    image.png
    Ювелирные дома пользуются той особенностью в создании своих коллекций. Среди именитых брендов-поклонников титана значатся Chopard, Suzanne Syz, Glenn Spiro, Faberge, de Grisogono и другие.
    По цветовой палитре с титаном может сравниться разве что золото, которое может быть самых разных оттенков и даже цветов, а также серебро, если используется цветное родиевое покрытие. Во втором случае возможно добиться любых цветов радуги.
    Уход за титановыми украшениями довольно простой - их нужно хранить отдельно от других украшений, желательно в бархатном мешочке или шкатулке. Во время работы с другими металлами или наждачной бумагой, следует снимать титановое кольцо.

Comments 0