Характеристики и свойства
Титанът е химичен елемент със символа Ti и атомния номер 22. Той е лъскав метал със сребърен цвят, ниска плътност и висока якост. Устойчив е на корозия в морската вода и хлора.
Елементът се среща в редица минерални находища, основно рутил и илменит, които са широко разпространени в земната кора и литосферата.
Титанът се използва за изработване на здрави леки сплави. Двете най-полезни свойства на метала са корозионната устойчивост и съотношението на твърдост към плътност, най-високото от всеки метален елемент. В нелегираното си състояние този метал е толкова здрав, колкото и някои стомани, но по-малко гъста.
Физични свойства на метала
Това е силен метал с ниска плътност, по-скоро пластична (особено в среда без кислород), лъскава и металоидно-бяла. Сравнително висока температура на топене над 1650 ° С (или 3000 ° F) го прави полезен като огнеупорен метал. Той е парамагнитен и има сравнително ниска електрическа и топлинна проводимост.
По скалата на Моос твърдостта на титана е 6. Според този показател тя е малко по-малка от закалената стомана и волфрам.
Търговски чисти (99, 2%) титани имат максимална якост на опън от около 434 МРа, което съответства на обичайните нискокачествени стоманени сплави, но в същото време титанът е много по-лек.
Химични свойства на титана
Подобно на алуминий и магнезий, титанът и неговите сплави незабавно се окисляват при излагане на въздух. Той реагира бавно с вода и въздух при температура на околната среда, тъй като образува пасивно оксидно покритие, което предпазва насипния метал от по-нататъшно окисление.
Атмосферната пасивация дава отлична устойчивост на корозия, подобна на тази на платина. Титанът е в състояние да издържи на атака от разредени сярна и солна киселина, хлоридни разтвори и повечето органични киселини.
Титанът е един от малкото елементи, които изгарят в чист азот, реагирайки при 800 ° C (1470 ° F), за да образуват титанов нитрид. Поради тяхната висока реактивност с кислород, азот и някои други газове, титановите влакна се използват в титановите сублимационни помпи като очистители на тези газове. Такива помпи са евтини и надеждно произвеждат изключително ниско налягане в свръхвисоките вакуумни системи.
Обичайни титаносъдържащи минерали са анатаз, брукит, илменит, перовскит, рутил и титанит (сфен). От тези минерали само рутил и илменит са от икономическо значение, но дори и те са трудни за намиране във високи концентрации.
Титанът се намира в метеоритите и е открит на слънце и М-тип звезди с повърхностна температура от 3200 ° C (5790 ° F).
Понастоящем известните методи за извличане на титан от различни руди изискват много време и са скъпи.
Производство и производство
В момента са разработени и използвани около 50 вида титанови и титанови сплави. Днес се признават 31-тиметанови титанови метали и сплави, от които класове 1-4 са търговски чисти (нелегирани). Те се характеризират с якост на опън в зависимост от съдържанието на кислород, а клас 1 е най-пластичен (най-ниската якост на опън с кислородно съдържание 0, 18%), а клас 4 е най-малко пластмасов (максималната якост на опън с кислородно съдържание 0, 40%). ).
Останалите класове са сплави, всяка от които има специфични свойства:
- пластичност;
- сила;
- издръжливост;
- електрическо съпротивление;
- специфична устойчивост на корозия и комбинации от тях.
В допълнение към тези спецификации, титанови сплави се произвеждат също така, за да отговарят на изискванията за аерокосмическа и военна техника (SAE-AMS, MIL-T), ISO стандарти и специфични за всяка страна спецификации, както и изисквания за крайни потребители за космически, военни, медицински и промишлени приложения.
Търговско чист плосък продукт (лист, плоча) може лесно да се оформя, но обработката трябва да отчита факта, че металът има “памет” и тенденция да се върне обратно. Това е особено вярно за някои високоякостни сплави.
Титан се използва често за получаване на сплави:
- с алуминий;
- с ванадий;
- с мед (за втвърдяване);
- с желязо;
- с манган;
- с молибден и други метали.
Области на приложение
Титанови сплави под формата на листове, плочи, пръти, жици, отливки се използват в промишлени, космически, рекреационни и нововъзникващи пазари. Прахообразният титан се използва в пиротехниката като източник на ярки горивни частици.
Тъй като титанови сплави имат високо съотношение на якост на опън към плътност, висока устойчивост на корозия, устойчивост на умора, висока устойчивост на напукване и способност да издържат на умерено високи температури, те се използват в самолети, при резервация, в кораби, космически кораби и ракети.
За тези приложения титанът е сплавен с алуминий, цирконий, никел, ванадий и други елементи, за да произвежда различни компоненти, включително критични структурни елементи, пожарни стени, шаси, изпускателни тръби (хеликоптери) и хидравлични системи. Всъщност, около две трети от произведения титанов метал се използва в авиационни двигатели и рамки.
Тъй като титановите сплави са устойчиви на корозия от морската вода, те се използват за направа на витла, за оборудване на топлообменници и др. Тези сплави се използват в корпуси и компоненти на устройства за наблюдение и наблюдение на океана за науката и военните.
Специфични сплави се използват в сондажни и нефтени кладенци и никелови хидрометалургии за тяхната висока якост. Целулозно-хартиената промишленост използва титан в технологично оборудване, изложено на агресивни среди като натриев хипохлорит или мокър хлорен газ (при избелване). Други приложения включват ултразвуково заваряване, запояване на вълни.
В допълнение, тези сплави се използват в автомобилите, особено в автомобилните и мотоциклетни състезания, където ниското тегло, високата якост и твърдостта са изключително важни.
Титанът се използва в много спортни стоки: тенис ракети, голф клубове, лакрос валове; шлемове за крикет, хокей, лакрос и футбол, както и велосипедни рамки и компоненти.
Благодарение на своята издръжливост титанът става все по-популярен за дизайнерски бижута (по-специално, титанови пръстени). Неговата инертност го прави добър избор за хора с алергии или тези, които ще носят бижута в среда като плувни басейни. Титанът също е сплавен със злато, за да произведе сплав, която може да се продава като 24-каратово злато, защото 1% легиран Ti не е достатъчен, за да изисква по-ниска степен. Получената сплав е приблизително твърдост от 14-каратово злато и по-трайна от чисто 24-каратово злато.
Мерки за безопасност
Титанът е нетоксичен дори в големи дози . Под формата на прах или под формата на метални стърготини тя представлява сериозна опасност от пожар и при нагряване във въздуха има опасност от експлозия.
Свойства и приложение на титанови сплави
По-долу е даден преглед на най-често срещаните титанови сплави, които са разделени на класове, техните свойства, предимства и индустриални приложения.
Клас 7
Клас 7 е механично и физически еквивалентен на клас 2 от чист титан, с изключение на добавянето на междинен елемент от паладий, което го прави сплав. Има отлична заваръчност и еластичност, най-устойчива на корозия от всички сплави от този тип.
Клас 7 се използва в химически процеси и компоненти на производственото оборудване.
Клас 11
Клас 11 е много подобен на клас 1, с изключение на добавянето на паладий за повишаване на корозионната устойчивост, което го прави сплав.
Други полезни свойства включват оптимална еластичност, якост, якост и отлична заваряемост. Тази сплав може да се използва особено в случаите, когато корозията причинява проблеми:
- химическа обработка;
- производство на хлорат;
- обезсоляване;
- морски приложения.
Ti 6Al-4V, клас 5
Най-често се използва сплавът Ti 6Al-4V или титанов клас 5. Той представлява 50% от общото потребление на титан в световен мащаб.
Лесното използване е в многото му предимства. Ti 6Al-4V може да бъде термично обработен, за да се повиши неговата якост. Тази сплав има висока якост с ниска маса.
Той е най-добрата сплав за употреба в няколко индустрии, като аерокосмическата, медицинската, морската и химическата промишленост. Може да се използва за създаване:
- турбини на самолети;
- компоненти на двигателя;
- конструктивни елементи на въздухоплавателното средство;
- аерокосмически крепежни елементи;
- високопроизводителни автоматични части;
- спортно оборудване.
Ti 6AL-4V ELI, клас 23
Клас 23 - хирургически титан. Ti 6AL-4V ELI сплав или клас 23 е версия с по-висока чистота на Ti 6Al-4V. Тя може да бъде направена от рулони, нишки, жици или плоски кабели. Това е най-добрият избор за всяка ситуация, когато се изисква комбинация от висока якост, ниска маса, добра корозионна устойчивост и висок вискозитет. Има отлична устойчивост на повреди.
Той може да се използва в биомедицински приложения като имплантируеми компоненти поради неговата биосъвместимост, добра умора. Може да се използва и при хирургически процедури за производството на такива структури:
- ортопедични щифтове и винтове;
- скоби за лигатури;
- Хирургически скоби;
- извори;
- ортодонтски уреди;
- криогенни съдове;
- устройства за фиксиране на кости.
Клас 12
Титан клас 12 притежава отлично качество на заваряване. Това е сплав с висока якост, която осигурява добра якост при високи температури. Титанът от клас 12 има характеристики, подобни на неръждаемите стомани от серия 300.
Способността му да се формира по различни начини го прави полезен в много приложения. Високата устойчивост на корозия на тази сплав го прави безценно за производственото оборудване. Клас 12 може да се използва в следните индустрии:
- топлообменници;
- хидрометалургични приложения;
- високотемпературно химическо производство;
- морски и въздушни компоненти.
Ti 5Al-2, 5Sn
Ti 5Al-2, 5Sn е сплав, която може да осигури добра заваряемост с устойчивост. Също така има висока температурна стабилност и висока якост.
Ti 5Al-2, 5Sn се използва главно в авиационната промишленост, както и в криогенните растения.