science-review.ru
Титан (Ti) – химический элемент с порядковым номером 22. Принадлежит к четвертой группе периодической таблицы химических элементов, находится в четвёртом периоде. Атомная масса элемента 47,867 а.е.м. Простое вещество титан – лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета, который плавится при температуре 3200 °C и закипает при температуре 3300 °C.
Титан – один из самых популярных элементов. Это название маркетологи дают многим продуктам, независимо от того, действительно ли в них содержится титан. Металл является символом прочности. Он абсолютно устойчив к коррозии и не вызывает аллергию. Однако, это дорогой металл, хотя его руды легкодоступны. Диоксид титана есть везде, например в титановых белилах – одной из самых распространенных белых красок. Диоксид титана добавляют и в краски других цветов для обеспечения матовости и непрозрачности покрытия [1].
Несколько ученых независимо друг от друга открыли титан. Каждый из них придумывал металлу название. Но закрепилось название, которое элементу дал немецкий ученый Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном [2].
Основными титановыми рудами являются ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5). Наиболее богатыми по содержанию диоксида титана являются рутилсодержащие руды (93–96 %). Ильменитовые содержат 44–70 % диоксида титана, а концентраты из лейкоксеновых руд могут включать до 90 % TiO2. По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год [3].
Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 % [4].
Цена титана достаточно высокая. Объясняется это тем, что его очень сложно извлекать из добытой руды. Если принять стоимость титана в концентрате за единицу, то стоимость готовой продукции – титанового листа в сотни раз больше. Объясняется это высоким сродством титана многим элементам и прочностью химических связей в его природных соединениях. Отсюда – сложности технологии. Магниетермический способ производства титана разработан в 1940 г. американским учёным У. Кролем [5].
Существует большое количество титановых сплавов. TITAN GRABE 1-4: технически чистый титан, не имеющий никаких примесей, высокого уровня устойчивости к коррозии, включая самые агрессивные среды применения. Эта характеристика дала возможность очень широкого применения чистого титана. Очень тоненькая плёночка оксида около 10 нм, незаметная обычному зрению, быстро покрывает сам материал при реакции с влагой или кислородом. Эдакое автовосстановление поврежденных участков.
TITAN GRABE 5: это самый широко применяемый сплав титана с алюминием (6 %), железом (максимум 0,25 %), ванадием (4 %) и кислородом (максимум 0,2 %). Дополнительные элементы увеличивают прочность сплава, не нарушая термодинамические характеристики и жесткость чистого титана, а вот в показателе устойчивости к коррозии он немного уступает чистому титану, но очень успешен в таких средах, как морская вода, растворы хлора, кислоты. По сути, Titan Grade 5 – это основа 70 % всего объёма выплавляемых титановых сплавов [6].
Титан является универсальным конструкционным материалом, нашедшим свое применение в авиастроении как военном, так и в гражданском. Он вытесняет с арены алюминий и нержавеющую сталь, которые значительно уступают ему по необходимым в отрасли свойствам: прочности, износостойкости. Например, титановый корпус самолета при полете достигает скорости, намного большей, чем скорость звука. При этом нагревается до температуры свыше 300 °C и не плавится. Также титан применяется в производстве деталей двигателя самолета. Все выше перечисленное подчеркивает прочность титана, стойкость к повышенным температурам.
Целесообразно применение титана в таких отраслях промышленности, как пищевая, нефтяная, электротехническая. Например, говоря о пищевой промышленности невозможно не отметить, что титан очень стойкий в органических кислотах, в рассолах, маринадах, острых соусах, в пищевых соках, спиртах, во всевозможных приправах. Исследования коррозионной стойкости титановых сплавов продемонстрировали, что титан успешно может найти применение в консервном, чайном, эфиромасличном, сахарном, мясо-молочном, кондитерском, рыбоперерабатывающем, хлебопекарном, пивоваренном, солевом и в других пищевых производствах [7]. В электротехнической промышленности металл применяется для бронирования кабелей, чему способствует его удельная прочность, высокое электрическое сопротивление и немагнитные свойства. Этот металл активно применяют в медицинской сфере при изготовлении медицинских инструментов, пластинок и винтов для крепления костей. Он может находиться в организме животного несколько месяцев, чему способствует образование на титановой пластине внутри организма мышечной ткани. Также титан широко используется в стоматологии.
Титан широко применяется в металлургии в роли легирующего элемента в производстве жаростойких и нержавеющих сталей. Титан добавляют в медь, алюминий, никель с целью повышения прочности последних. Двуокись титана применяется в производстве сварочных электродов, четыреххлористый титан используется в военном деле для организации дымовых завес. В радиотехнике и электротехнике применяется порошкообразный титан в роли поглотителя газов [8].
В производстве потребительской электроники титан также играет важную роль. Из TITAN GRABE 1 производят корпусы портативных компьютеров, мобильных телефонов, плазменных телевизоров и другого электронного оборудования. Из титана изготавливают часы и акустическое оборудование. Такая область применения металла обусловлена его легкостью, прочностью и привлекательным внешним видом готовых изделий.
Различные сплавы титана находят широкое применение в строительстве. В первую очередь – это сплав титана с цинком, который отличается высокими механическими показателями, устойчивостью к коррозии, высокой жесткостью и пластичностью. В составе сплава содержится до 0,2 % легирующих добавок, выполняющих функции модификаторов структуры. Благодаря алюминию и меди обеспечивается требуемая пластичность. Кроме того, использование меди позволяет повысить предельную прочность материала на растяжение, а сочетание химических элементов способствует снижению коэффициента расширения. Сплав применяется и для производства длинных лент и листов с хорошими эстетическими характеристиками и безопасностью для человека и окружающей среды. Кроме того, этот сплав хорош для изготовления нестандартных архитектурных элементов (куполов, фронтонов, шпилей), декоративных изделий (водостоков, отливов, кровельных коньков и т.д.). Сплав титана с цинком не имеет проблем в пайке, отличается большим сроком службы и способностью самовосстанавливаться. Например, несущественные царапины через время устраняются сами по себе [9]. Однако, из-за высокой стоимости металл титан в строительстве применяют только для уникальных сооружений (например, памятник космонавтам у станции метро «ВДНХ» в Москве).
Еще одно соединение – нитрид титана, используется как жаропрочный материал, в частности, из него делают тигли для плавки металлов в бескислородной атмосфере. В металлургии это соединение встречается в виде относительно крупных (единицы и десятки микрон) неметаллических включений в сталях, легированных титаном [10]. Но в основном применяется в качестве износостойкого и декоративного покрытия. Изделия, покрытые им, по внешнему виду похожи на золото и могут иметь различные оттенки, в зависимости от соотношения металла и азота в соединении. Нитрид титана используется для создания износостойких покрытий металлорежущего инструмента. Нанесение покрытия из нитрида титана производится в специальных камерах термодиффузионным методом. При высокой температуре титан и азот реагируют вблизи поверхности покрываемого изделия и диффундируют в саму структуру металла [11].
Чтобы улучшить свойства титановых сплавов, их легируют. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения. Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации α-твердого раствора и называются α-стабилизаторами, это – алюминий, кислород, азот, углерод. Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации β–твердого раствора и называются β–стабилизаторами, это – молибден, ванадий, хром, железо. Кроме α– и β–стабилизаторов различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий, гафний. В соответствии с влиянием легирующих элементов титановые сплавы при нормальной температуре могут иметь структуру α- или α + β.
Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической, химико-термической и термомеханической обработки. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом, термическим воздействием. Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или азотированию [12].
Перспективной сферой использования сплавов из титана считается сверхглубокое бурение. Для изучения и добычи подземных богатств есть необходимость проникнуть глубоко под землю – свыше 15 тысяч метров. Буровые трубы из алюминия, например, разорвутся из-за собственной тяжести, и только сплавы из титана могут достигнуть действительно большой глубины [13].
Титан является негорючим строительным материалом. Сохранить здоровой окружающую среду в современном мире очень важно, поэтому экологический аспект использования строительных материалов сегодня имеет огромное значение. Ученые из Германии провели исследования и доказали, что металл титан и его сплавы безопасны для человека и природы, не вызывают аллергии и мало подвержены коррозии [14].
Все вышеперечисленное факты доказывают, что титан – прочный и лёгкий, универсальный металл. Его называют «металлом будущего», и этот статус присвоен ему по заслугам! Действительно, он обладает рядом свойств, которые другим металлам даже не снились. Титан является экологически безопасным и мало подверженным коррозии металлом, поэтому титан и его сплавы находят широкое применение в различных отраслях легкой и тяжелой промышленности. С каждым днем растет сфера применения титана, титановых сплавов.