Читайте также:
|
По внешнему виду титан похож на сталь. Он плавится при 1668 оС и кипит при 3300 оС.
Титан существует в двух кристаллических модификациях- α и β. Температура полиморфного превращения титана зависит от количества примесей в нем; для чистого металла она равна 882,5о С. Низкотемпературная модификация (α- титан) имеет гексагональную решетку с плотной упаковкой атомов. Параметры кристаллической решетки: ао = 2,95111 Ао ± 6.10 -5; с0 =4,68433 ±10.10 -5; с / а = 1,5873. Параметры решетки α- титана, особенно значение с, увеличиваются при поглощении малых количеств кислорода или азота, сопровождаемом образованием твердых растворов кислорода и азота в титане. Высокотемпературная модификация (β - титан) имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Ее параметр а при 900 ± 5о С равен 3,3065 ±0,0001 Ао. При α → β – превращении изменение объема составляет 5,5 %. Полиморфизм титана, хорошая растворимость в нем многих элементов, образование химических соединений с переменной растворимостью позволяют получить на основе титана большое количество сплавов с разнообразной структурой и свойствами
Плотность чистого α – титана при 25оС равна 4,507 г/ см3, β - титан при 900о С 4,32 г/см3, жидкого (технического) при температуре кристаллизации 4,11 г/ см3.
Коэффициент теплопроводности титана снижается по мере роста температуры от 3,7.10 -2 кал/(см.сек.град -1 ) при 50о С до 3,1.10-2 кал/(см.сек.град-1) при 700 оС.
Его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем у алюминия. В чистом виде титан пластичен и легко подается механической обработке. На воздухе при обычной температуре титан устойчив. При нагреве выше 550 ОС он энергично окисляется и поглощает кислород и другие газы.
Титан способен растворять почти все элементы периодической системы. Однако наиболее важное практическое значение в качестве легирующих добавок к титану имеют алюминий, хром, молибден, ванадий, марганец, олово, медь, ниобий, тантал, железо, вольфрам, кремний. Они образуют с титаном твердые растворы замещения.
Основные неметаллические примеси – кислород, азот, углерод, водород относятся к твердым растворам внедрения. Растворяясь в титане, они искажают кристаллическую решетку, повышают жесткость межатомных связей и уменьшают способность кристаллитов к пластической деформации. Поэтому под влиянием указанных примесей твердость и прочность титана возрастают, а пластичность снижается. Для дополнительного повышения прочности титана иногда в нем повышают содержание кислорода, в частности вводя в шихту для выплавки слитков рассчитанное количество двуокиси титана. Этот же эффект достигается введением в шихту для выплавки слитков некоторого количества отходов, обогащенных кислородом.
Титан обладает ценным сочетанием высоких механических свойств и сравнительно небольшой плотностью (4,5 г/см3). Сплавы титана отличаются термостойкостью и особенно высокой удельной прочностью (отношение прочности к плотности) при температурах до 600° С, превосходящее основные марки стали и другие металлы конструкционного назначения.
Это преимущество титана значительно увеличивается у его сплавов, удельная прочность которых может быть повышена в 1,5…2 раза и сохраняется при повышенной температуре, тогда как многие другие конструкционные материалы в значительной степени разупрочняются.
По пластичности титан не уступает другим металлам. Чистый титан может быть подвергнут всем видам холодной и горячей механической обработки, вплоть до получения фольги толщиной 0,1...0,01 мм. Отношение предела текучести к пределу прочности составляет для титана около 0,8 - 0,9 против 0,65 для углеродистых и 0,5 для нержавеющих сталей, что ограничивает степень деформации титана в охлажденном состоянии. При нагреве титана до 500 - 6000С и особенно вблизи температуры рекристаллизации указанное отношение значительно снижается, в результате чего он может деформироваться при меньших напряжениях и с большими степенями обжатия.
Титан и многие его сплавы хорошо свариваются. Однако присутствие в металле в заметном количестве кислорода, азота, углерода и особенно водорода ухудшает свариваемость титан и способствует образованию в сварных швах холодных трещин.
Механические свойства титана зависят от его чистоты. Внедрение кислорода и азота в титан увеличивает твердость, прочность, предел текучести и снижает пластичность металла. Водород является одной из наиболее вредных примесей, так как резко снижает пластичность металла и особенно ударную вязкость.
Положительным качеством титана является широкое его распространение в природе. По содержанию в земной коре среди металлов основного конструкционного назначения он уступает только алюминию и железу.
Другим важным достоинством титана является его исключительно высокая химическая стойкость по отношению к очень многим агрессивным средам неорганического и органического происхождения, морской воде, физиологическим растворам и пищевым кислотам. Причем во многих агрессивных средах коррозионная стойкость титана сопоставима с коррозионной стойкостью наиболее стойких материалов, в том числе платины.
С другой стороны, нелегированный титан обладает недостатками, ограничивающими применение его в чистом виде: не высокая прочность и довольно быстрое разупрочнение металла с ростом температуры, а также склонность металла к ползучести, понижение усталостной прочности и коррозионной стойкости в некоторых агрессивных средах. Необходимо отметить также, что уровень переменных напряжений в титановых лопатках ниже, чем в стальных. Широкое использование титана в двигателях сдерживается также особенностью титана, связанное с пожароопасностью, что ставит ограничение по максимальным рабочим температурам.
Предел текучести титана в пять раз выше, чем у алюминия, и почти в три раза - чем у железа. Неудивительно, что когда перед авиаконструкторами встал вопрос, какому металлу доверить преодоление звукового барьера, выбор пал на титан.
Высокая коррозионная стойкость, низкая плотность и теплопроводность, высокая прочность обуславливает его широкое применение в аэрокосмической, химической и судостроительной отраслях промышленности.
Благодаря своей относительной инертности, титан не оказывает вредного действия на окружающую среду. Он является рециркулируемым на 100 % и отвечает всем требованиям к строительству. Среди всех архитектурных металлов титану свойственен наибольший срок службы.
Промышленное применение – это оборудование для химических и энергетических процессов, нефтяной и газовый секторов. Военная промышленность, кроме самолетов, - вооружение и бронированные машины. Потребительские товары –это автомобильная промышленность, архитектура, производство спортивного инвентаря, медицинское оборудование и ювелирные изделия.
Успешное применение титанового проката связано с производством бумаги, в литейном производстве, в изготовлении оборудования для нефтяной промышленности.
Нашли ему применение в нефтегазовой отрасли - там титан начали использовать для изготовления опор морских нефтедобывающих платформ (титановые вдвое гибче стальных).
Сегмент рынка потребительских товаров в настоящее время является наиболее быстро растущим в титановом рынке. В то время как десять лет назад он составлял только 1 - 2 % титанового рынка, сегодня он вырос до 8 -10 %. В целом потребление титана в производстве потребительских товаров росло примерно в два раза быстрее, чем весь титановый рынок.
Потребление титана и его сплавов в ювелирном деле становится все более заметным (обручальные кольца, ожерелья).
Титан широко используется в медицине в качестве хирургического инструмента, внутренних и внешних протезов, включая такие критические, как сердечный клапан. Преимущества – прочность, сопротивление коррозии, и главное то, что у некоторых людей возникает аллергия на никель (обязательный элемент нержавеющих сталей). Напротив, к титану не обнаружена аллергия. Клетки могут регенерироваться на титане, а кости могут продолжать расти после имплантации этого металла. Однако установлено, что использовать титановый сплав с добавками ванадия ограничено, поскольку сплав Ti - 6Al - 4V является токсичным. В настоящее время он заменен нетоксичным сплавом Ti - 6Al - 7Nb. Этот сплав почти вдвое прочнее чистого титана, а его эластичность достигает уровня, характерного для сплава золота.
В США появились установки, позволяющие оперировать в магниторезонансном поле. Традиционные инструменты из стали искажают картину диагностики, да и оперировать ими в магнитном поле сложно. А титан не обладает магнитными свойствами, в отличие от той же пластмассы, более прочен.
Весьма перспективным материалом является титан в морском деле для бурения глубоководных скважин, так как титан сохраняет работоспособность в таких условиях до 50 лет.
Применение титана в искусстве относится к 1967 году, когда в Москве был поставлен первый титановый монумент. Материал является привлекательным за цвет, внешний вид, прочность и сопротивление коррозии.
Кроме авиакосмического применения «Гамма»- сплав может найти применение в других отраслях энергетического машиностроения (стационарные турбины энергогенераторов, энергетические установки), транспортном машиностроении (поршневые и дизельные двигатели), газо- и нефтеперерабатывающие установки химической промышленности, атомном машиностроении, где требования к жаропрочным материалам менее жесткие.
Разбавленная серная кислота, а также азотная кислота любой концентрации и слабые растворы щелочей реагируют с титаном очень медленно. Он очень устойчив против коррозии в морской воде. Титан растворяется в соляной кислоте, концентрированной серной и плавиковой кислотах.
Применение титана как конструкционного материала обусловлено благоприятным сочетанием его высокой механической прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности, малой плотности. Значительно улучшает механические и коррозионные свойства титана легирование его марганцем, хромом, алюминием, молибденом, кремнием и бором.
Техническая двуокись титана находит очень широкое применение в качестве пигмента при изготовлении титановых белил и эмалей.
Дата добавления: 2015-09-02; просмотров: 51 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Часть 3 . Металлургия цветных металлов | | | Сырьевые источники титана |