Титан и его сплавы

Титан – металл серебристого цвета с голубоватым отливом; имеет невысокую плотность 4,507 г/см ³, плавится при температуре 1660 °С.

Титан имеет две аллотропические модификации: До 882 °С существует α-титан, имеющий гексагональную решетку с параметрами а = 0,259 нм и с = 0,468 нм. И при более высоких температурах – β-титан с кубической объемно центрированной решеткой с параметром а = 0,304 нм.

Механические свойства титана изменяются от содержания в нем примесей. Чистый титан ковок, имеет невысокую твердость (НВ 70) Технический титан хрупок и тверд (НВ )

Вредные примеси титана: Азот и кислород резко снижают его пластичность; Углерод при содержании более 0,15% снижает ковкость, затрудняет обработку титана резанием и резко ухудшает свариваемость; Водород в большой степени повышает чувствительность титана к надрезу, поэтому этот эффект называют водородной хрупкостью.

На поверхности титана образуется стойкая оксидная пленка, вследствие чего титан обладает высокой сопротивляемостью коррозии в некоторых кислотах, морской и пресной воде. На воздухе титан устойчив и мало изменяет свои механические свойства при нагреве до 400 °С. При более высоком нагреве он начинает поглощать кислород, ухудшаются его механические свойства, а выше 450 °С – становится хрупким. При нагреве выше 800 °С титан энергично поглощает кислород, азот и водород, что используется в металлургии при производстве легированной стали.

Титан образует ряд оксидов. Из них наиболее изучены TiO 2 Ti 2 O 3. Двуокись титана TiO 2 – амфотерный порошок белого цвета, практически не растворимый в воде и разбавленных кислотах. Двуокись титана является основным продуктом переработки титанового сырья.

За последние десятилетия после промышленного освоения ковкого титана его стали широко использовать как прочный, относительно легкий коррозионностойкий и жаропрочный конструкционный материал в самолетостроении, ракетостроении, при производстве реактивных двигателей. Он получил признание и в судостроении благодаря его устойчивости против воздействия морской воды.

Титановые руды

По распространенности в земной каре титан занимает десятое место среди других элементов (0,61%). Известно примерно 60 минералов титана, из них наибольшее промышленное значение имеют ильменит, рутил, сфен.

Ильменит FeO-TiO 2 Впервые был найден на Урале в Ильменских горах, откуда и получил свое название. Это блестящий минерал буро- черного цвета, измельчающийся при выветривании и поэтому часто встречается в россыпях. Важным источником ильменита титаномагнетитовые железные руды – смеси ильменита с магнетитом Fe 3 O 4 и частично с гематитом Fe 2 O 3. В этих рудах содержание двуокиси титана достигает иногда 20%. Титаномагнетитовые руды можно подвергать гравитационному и магнитному обогащению, в результате чего удается получать концентрат содержащий более 40% TiO 2, ~ 50% оксидов железа и ~ 8% других оксидов.

Рутил TiO 2 Прозрачен, обладает алмазно- металлическим блеском, бывает окрашен в различные цвета (красно- коричневый, желтый, синий, черный). Крупные месторождения рутила встречаются редко.

Сфен (титанит) CaC-TiO 2 -SiO 2 Титаносиликат кальция встречается вместе с другими полезными минералами – апатитом и нефелином и при условии комплексной переработки может быть перспективным сырьем, хотя он и беднее, чем ранее рассмотренные минералы.

Известно несколько различных способов получения титана из его руд, причем во всех случаях металлургической переработке всегда предшествует обогащение руды и получение концентрата.

Титановые сплавы

Для повышения механических свойств титана его почти всегда легируют алюминием, который повышает температуру аллотропического превращения титана α β, поэтому алюминий часто называют α– стабилизатором титана. Наоборот, элементы, понижающие эту температуру, называют β–стабилизаторами. К ним относятся: молибден, ванадий, хром, марганец, железо и некоторые другие металлы.

В промышленности применяют титановые сплавы либо со структурой α–твердого раствора, либо смешанной структурой (α+β)-твердого раствора.

Алюминий, образуя с титаном твердый раствор, замещая и стабилизируя α–фазу, увеличивает прочность титана, жаропрочность и сопротивляемость окислению при высоких температурах, хотя и понижает пластичность. Поэтому алюминий является наиболее важной составляющей титановых сплавов и всегда входит в их состав (сплав ВТ5 и др.).

Сплавы смешанной структуры (α+β) обладают почти удвоенной прочностью по сравнению с чистым титаном. Однако эта повышенная прочность сохраняется до температуры 430° С. Большинство этих сплавов обладают хорошей пластичностью даже при низких температурах и поэтому легче куются, штампуются и прокатываются, чем однофазные титановые сплавы. Сварка этих сплавов затруднена, так как они при сварке теряют пластичность, а швы приобретают хрупкость.

Наиболее технологичным, дешевым и поэтому широко распространённым в этой группе является сплав ВТЗ-1. Он обладает термической стабильностью, не становится хрупким при длительном нагреве (до ч) до 400 °С, а при кратковременной работе – до 450 °С.

Сплав ВТ9 можно применять при изготовлении конструкций и деталей, длительно работающих при нагреве до температуры 450 °С. Эти сплавы штампуются и кусаются, из них прокатываются и прессуются прутки и фасонные профили.

Сплавы, содержащие в основном алюминий и поэтому –структурой, хорошо свариваются, устойчивы против коррозии в атмосферной среде, загрязненной газами до температуры 1090 °С, сохраняют высокую прочность при нагреве до 650 °С. Однако их пластичность ниже пластичности двухфазных сплавов, имеющих α– и β– фазу. Все деформируемые сплав титана можно применять и для фасонного литья, но делают это редко, так как титан легко взаимодействует с газами и формировочными материалами.

Сплавы титана со структурой, имеющей одну β–фазу, в промышленности почти не применяют, хотя они обладают отличной пластичностью. Причиной служит их чувствительность к загрязнению атмосферными газами при нагреве, неизбежному в процессе производстве.

С п а с и б о з а в н и м а н и е