Титан

Общие сведения и методы получения

Титан ( Ti ) впервые открыт в виде диоксида в 1791 г. англичанином Гре-гором в составе черного песка района Менаккан (провинция Корнуэлл, Англия). Белый оксид неизвестного металла был иазваи менакканум. В 1795 г. немецкий химик Клапорт, проанализировав красные пески в Венгрии, обнаружил в иих металл, который назвал титаном. Впоследст­вии (в 1797 г.) Клапорт установил, что неизвестный металл из черных песков Англии, из красных песков Венгрии и коричневых минералов Ис­пании представляет один и тот же новый химический элемент, получив­ший название титан.

Первые попытки получить титан из его оксида путем восстановле­ния углеродом относятся к двадцатым годам XIX в. Впервые металли­ческий титан с примесями был выделен Берцелиусом в 1825 г. путем вос­становления натрием двойного фторида калия п титана.

Достаточно чистый титан впервые был получен Хунтером в 1910 г. путем нагрева смеси тетрахлорида титана и гидрида натрия.

Способ получения высокочистого компактного и ковкого металличес­кого титана был предложен Ван Аркелем в 1924 г. Летучее соединение титана (теграиоднд титана) подвергают термической диссоциации на раскаленной нити в вакууме. Поскольку температура диссоциации соединения значительно ниже температуры испарения металлического ти­тана, последний кристаллизуется на раскаленной нити. Однако этот ме­тод не получил достаточно широкого применения в связи с его дорого­визной, хотя так называемый иодидный титан используется в лабора­торной практике.

Титан входит в состав примерно восьмидесяти минералов. Наиболее распространенные минералы — ильменит, титаномагиетит и рутил. Руды, содержащие эти минералы, используют для производства диоксида ти­тана и металлического титана.

В настоящее время промышленное распространение получил маг-нийтермический метод, основанный на восстановлении тетрахлорида ти­тана жидким магнием выше 600 °С. Восстановленный титан в виде губчатой массы (титановая губка) оседает на стенках реактора. Метод предложен Кролем в конце 30-х годов.

Физические свойства

Атомные характеристики Атомный номер 22, атомная масса 47,90 а. е. м., атомный объем, определенный по пикнометрической плотности, 10,6*10~⁶ м³/моль; а по рентгенографическим данным, 10,8-10~⁶ м³/моль. Атомный радиус согласно рентгеновским данным 0,145 нм. Конфигурация внешних электронных оболочек атома 4 s ² 3 d ² .

Потенциалы ионизации атома J (эВ): 6,83; 13,57; 28,14. Электроот­рицательность 1,5.

При нормальных условиях титаи имеет гексагональную кристалли­ческую решетку (а-модификация) с периодами а = 0,2951 нм, с = 0 ,4679 им; энергия кристаллической решетки 470 мкДж/кмоль.

При 882,5 °С протекает полиморфное превращение a -*-( J , связанное с образованием о. ц. к. модификации, период решетки которой при 900 "С a = 0,3306 нм.

Температурный коэффициент электрического сопротивления в интер­вале 273—293 К а=3,0- I 0~~³ K ~ ^J . При плавлении электросопротивление титана возрастает в 2,06 раза.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние для иодидиого титана чистотой 99,99 % Г_с = 0,387 К. Эту температуру (Т_с) можно по­высить путем легирования титана 6-стабилизирующими элементами.

В термопаре титан — платина титан проявляет положительную т. э. д. с. по отношению к платине; в термопаре титан — вольфрам име­ет сначала положительную т. э. д. с, которая при 60°С проходит через максимум, при 125 °С — через нуль, а при более высоких температурах принимает отрицательные значения, около 1400°С т.э.д.с. этой термо­пары достигает 25 мВ.

Максимальный коэффициент вторичной электронной эмиссии о_гаах = = 0,9 при ускоряющем напряжении первичных электронов 0,28 кэВ.

Постоянная Холла титана чистотой 99,99 % при комнатной темпера­туре R = —2,4*10^-10 м³/Кл; при повышении температуры R возрастает и при —670 К наблюдается переход от отрицательных значений к поло­жительным.

Титан выше 73 К парамагнитен. Магнитная восприимчивость при комнатной температуре составляет х=3,2-10^-9 и с повышением темпе­ратуры возрастает приблизительно линейно от 73 до 1073 К. Температур­ный коэффициент магнитной восприимчивости в этом интервале состав­ляет около 0,0012*10^-9 К^-1. В области а5 =*В-превращения наблюдается сильное возрастание восприимчивости. Магнитная восприимчивость В-титана слабо зависит от температуры.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Ti —2 e = FtTi ² + cp ₀ =—1,75 В, а реакции Ti —3 e =*± Ti ³ + ср₀=—1,21 В.

В соединениях проявляет степени окисления +2, +3, +4.

Титаи хорошо поглощает водород. 1 моль титана способен сорбиро­вать до 2 молей водорода, причем наиболее интенсивно процесс этот про­текает выше 400—500 °С. При малом содержании сорбированного водо­рода внешний вид поверхности металла почти не меняется. Поглощение водорода металлом и образование твердого раствора — экзотермический процесс. Водород образует с титаном два гидрида TiH (у-фаза) с г. ц. к. решеткой (а=0,446 нм) при 62,4 % (ат.) Н и TiH ₂ - i при большем со­держании водорода ТШ₂~х-фаза переменного состава, которая по мере увеличения количества водорода претерпевает тетрагональное иска­жение.

При взаимодействии титана с кислородом на его поверхности обра­зуется пленка оксидов. При комнатной температуре толщина этой пленки колеблется в пределах 0,17—25 нм в зависимости от длительности взаи­модействия, соответствующего 2 и 4 годам. При нагреве до 400—500 °С начинается заметное окисление титана, приводящее к образованию ди­оксида титана ТЮ₂, при этом часть кислорода растворяется в металле (до 20 %), а остальные 80 % идут на формирование окалины. До ~800°С окисленный слой состоит исключительно из ТЮг со структурой рутила, а металл на границе с оксидом обогащен кислородом. Выше ~800°С дополнительно образуются фазы TiO и Ti ₂ 0₃. Цвет оксидного слоя зависит от температуры и длительности окисления. При низких температурах вначале наблюдаются желтый, голубой или фиолетовый цвета побежалости. В интервале 500—700 °С оксидный слой, еще прочно-сцепленный с основным металлом, имеет темно-серый цвет. При более высокой температуре образуется слой серого цвета, который легко от­слаивается.

Соединяясь при высоких температурах с углеродом, титан образует карбид типа TiC (Д#= 191,7 кДж/моль). TiC по внешнему виду и свой­ствам весьма сходен с металлическим титаном, однако с большим трудом, чем последний, поддается действию кислот. TiC обладает кристалличес­кой структурой типа NaCl и плавится при ~3425±25°С. При нагреве TiC реагирует с галогенидами, кислородом, азотом.

С азотом титан взаимодействует при высоких температурах, образуя нитрид TiN — вещество желтого цвета. Кристаллическая структура— типа NaCl , температура плавления /_Пл=2925±25 °С, теплота образова­ния Д //₀пр=334,26 кДж/моль. Нитрид титана обладает высокой элект­ропроводностью.

Технологические свойства

Тнтан — высокопластнчный конструкционный материал. Он хорошо де­формируй ioi в .сксагональной модификации при комнатой температу­ре и в кубической модификации при высоких температурах. Степень де­формации титана высокой чистоты при комнатной температуре может достигать более 90 %. Сопротивление деформации а-титана при комнат­ной температуре возрастает с повышением концентрации примесей, осо­бенно кислорода. Критическое напряжение сдвига резко снижается с повышением температуры, поэтому при нагреве деформации существен­но облегчается.

Высокая технологическая пластичность титана позволяет изготавли­вать из него методами обработки давлением различные полуфабрикаты и изделия: плиты, листы, полосы, поковки, прутки, проволоку, ленту, тру­бы и т. д. Габаритные размеры и свойства всех видов полуфабрикатов регламентированы соответствующими ОСТами, ТУ и СТУ.

Ковку и штамповку титана и его сплавов производят в горячем сос­тоянии методом свободной ковки и штамповки в закрытых штампах. Используемое оборудование—гидравлические и кривошипные прессы. Оптимальное обжатие за один нагрев в случае ковки или штамповки 40—50 % в области а-фазы и 70 % в области |3-фазы. Для титана мар-г ки ВТ1-00 температура начала деформации 947 °С, окончания 702 °С. Титан марок Вт1-00 и ВТ10 в отожженном состоянии обладает большим запасом пластичности и хорошо штампуется в холодном состоянии. Раз­личные изделия из титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 можно получать гиб­кой на холоду. Гибка в горячем состоянии допускает применение радиу­са загиба меньшей величины. Особенности сварки н пайки титана опре­деляются его высокой химической активностью при повышенных темпе­ратурах.

Недостатком титановых сплавов является их плохая обрабатывае­мость резанием.-Низкая теплопроводность титана затрудняет отвод теп­ла нз зоны резания, металл налипает на инструмент, и он быстро выхо­дит из строя. При механической обработке титановых сплавов рекомен­дуется работать с малыми скоростями резания и обильной подачей ох­лаждающей жидкости.

Области применения

Титановые сплавы применяют в основном в химическом, тяжелом, энер­гическом и транспортном машипопроении, в машиностроении для легкой, пищевой промышленности, а также при изготовлении бытовых приборов.

К стандартному оборудованию, изготовляемому из титана и его спла­вов и серийно выпускаемому заводами, относятся запорная, емкостная и перекачивающая аппаратура, включая насосы различных типов, тепло-обменная аппаратура, сепараторы, центрифуги различных типов, гидро­лизные аппараты н др.

Использование в народном хозяйстве оборудования, изготовленного из титана и его сплавов, дает большой экономический эффект, так как снижается материалоемкость, увеличиваются сроки эксплуатации, сни­жаются расходы на текущий и капитальный ремонты, повышается ка­чество готовой продукции.