Что такое титанРуководство

Титан - важный металлический элемент с химическим символом Ti и атомным номером 22 в периодической таблице. Он имеет серебристо-белый металлический блеск и обладает прекрасными свойствами, такими как высокая температура плавления, низкая плотность, высокая прочность и сильная пластичность. Титан является важнейшим промышленным материалом. Если вы хотите узнать больше о титане, продолжайте читать дальше!

Другой термин для обозначения титана

Титан обладает многими выдающимися преимуществами, такими как: низкая плотность, сильная пластичность и сильная коррозионная стойкость, поэтому он также известен как "чудо-металл", "космический металл" или "морской металл".

Основные сведения о титане

В 1791 году титан был открыт в Англии геологом-любителем Уильямом Грегором. В 1795 году немецкий химик Клапрот, ссылаясь на имя божества Титана из греческой мифологии, назвал новый элемент "титан". Только в 1910 году американский химик Хантер впервые получил 99,9% чистого металла титана, восстановив TiCl с помощью натрия. В 1940 году люксембургский ученый Кролл также получил чистый титан методом восстановления магния. С тех пор и метод восстановления магния, и метод восстановления натрия стали промышленными способами производства титана.

Цвет титана

Титан внешне напоминает сталь, имеет серебристо-белый или серебристо-серый блеск и является переходным металлом.

Из чего сделан титан?

Титан широко распространен и составляет около 0,44% земной коры. Он содержится во всех горных породах, песках, глинах и других почвах. Однако, поскольку титан легко вступает в реакцию с кислородом, чистый титан в природе не встречается; в основном он существует в виде диоксида титана. Титановые руды в основном включают ильменит и рутил, и чистый титан может быть получен путем очистки этих минералов.

Как изготавливают титан?

Титан обычно производят по технологии Кролла. Сначала титановая руда нагревается для получения жидкого тетрахлорида титана (TiCl4). Затем проводится очистка с помощью фракционной дистилляции. После дистилляции добавляют расплавленный магний, чтобы уменьшить его объем до "губчатой" формы. Затем губка расплавляется, образуя слитки, которые далее перерабатываются в различные механические изделия, такие как прутки, пластины, листы и трубы. Наконец, эти механические изделия подвергаются дальнейшей обработке и приданию формы, а также обработке поверхности, если это необходимо для оптимизации изделия.

Каковы основные виды титана?

Титан имеет два типа полиморфных структур, а именно α-фазу и β-фазу. Исходя из полиморфных характеристик титана, титановые сплавы можно разделить на следующие три основные категории: α-титановые сплавы, β-титановые сплавы и α+β-титановые сплавы.

Титановый сплав Альфа

Альфа-титановые сплавы также подразделяются на сплавы с полной альфа-фазой и сплавы с близкой альфа-фазой. Они представляют собой однофазные сплавы, состоящие из твердого раствора альфа-фазы. Они обладают хорошими свойствами при холодной и горячей обработке, стабильной структурой и сильной устойчивостью к окислению.

Титановый сплав Beta

Бета-титановые сплавы подразделяются также на стабильные бета-сплавы, метастабильные бета-сплавы и сплавы, близкие к бета-сплавам. Они представляют собой однофазные сплавы, состоящие из твердого раствора бета-фазы, и демонстрируют отличные прочностные характеристики, достигая высоких уровней прочности. Они также обладают высокой коррозионной стойкостью и свариваемостью.

Титановый сплав α+β (альфа+бета)

Это двухфазный сплав с хорошими комплексными свойствами, включая стабильную структуру, хорошую вязкость, хорошую пластичность и устойчивость к высокотемпературным деформациям. Сплав может быть упрочнен с помощью таких процессов, как горячее прессование, закалка и обработка старением.

Каковы распространенные сорта титана?

1 класс

Чистый титан класса 1 это самый мягкий и пластичный тип титана. Он обладает максимальной пластичностью, отличной коррозионной стойкостью и высокой ударной вязкостью. Он является предпочтительным материалом для приложений, требующих легкости формовки, и широко используется в аэрокосмической, автомобильной и энергетической промышленности.

2 класс

Чистый титан класса 2 - наиболее часто используемый чистый титан, обладающий умеренной прочностью и отличными свойствами холодной штамповки. По сравнению с другими сортами чистого титана, Титан класса 2 немного слабее, чем класс 3, но прочнее, чем класс 1, при этом сохраняя коррозионную стойкость. Благодаря своей коррозионной стойкости он широко используется в морской, медицинской, энергетической и нефтяной промышленности.

3 класс

Титан класса 3 является наименее используемым среди коммерческих сортов чистого титана, но это не уменьшает его ценности. Он обладает высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью и свариваемостью. Его прочность выше, чем у Grade 1 и Grade 2, но пластичность ниже, чем у двух других марок. Он широко используется в морской, аэрокосмической и химической промышленности.

4 класс

Титан класса 4 считается самым прочным среди коммерческих сортов чистого титана, известен своей превосходной коррозионной стойкостью, хорошей формуемостью и свариваемостью. Он широко используется в аэрокосмической, химической и медицинской промышленности для изготовления конструкций планера, теплообменников, хирургического оборудования и т. д.

Класс 5 или Ti 6Al-4V

Титан класса 5Известный также как Ti6Al-4V, называется "рабочей лошадкой" титановых сплавов и является наиболее распространенным среди всех титановых сплавов, составляя 50% от общего объема мирового использования титана. Этот сплав характеризуется легкостью, чрезвычайно высокой прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и пластичностью. Поэтому он пользуется большим спросом в аэрокосмической промышленности для производства двигателей, конструктивных элементов и крепежа.

Степень 6 или Ti 5Al-2.5Sn

Титан 6-го класса обладает чрезвычайно высокой стабильностью и сохраняет хорошую свариваемость и прочность даже при высоких температурах. Он также обладает отличными технологическими свойствами. Он широко используется для изготовления корпусов турбинных двигателей, деталей самолетов и деталей для химической обработки.

7 класс

Титан Grade 7 аналогичен титану Grade 2, за исключением добавления промежуточного элемента палладия (в диапазоне от 0,12% до 0,25%), который повышает его способность противостоять щелевой коррозии. Grade 7 также демонстрирует отличную свариваемость и является самым коррозионностойким среди всех титановых сплавов. Он широко используется в химическом производстве, опреснении морской воды и энергетике.

11 класс

Титан 11 класса, также известный как CP Ti-0.15Pd, представляет собой коммерческий чистый титан, аналогичный титану 1 и 2 классов, с добавлением небольшого количества палладия для повышения коррозионной стойкости. Он может использоваться для предотвращения щелевой коррозии и снижения содержания кислот в хлоридных средах. Титан класса 11 также обладает высокой пластичностью, способностью к холодной штамповке, полезной прочностью, ударной вязкостью и отличной свариваемостью. Он широко используется в химической промышленности и теплообменниках.

Класс 12 или Ti 0,3-Mo 0,8-Ni

Титан Grade 12, также известный как Ti 0.3 Mo 0.8 Ni, представляет собой высококоррозионностойкий сплав, содержащий небольшое количество никеля и молибдена. Эти элементы повышают коррозионную стойкость и увеличивают прочность сплава. Он обычно используется в таких областях, как корабли или морские буровые платформы.

Марка 23 или Ti 6AL-4V ELI

Титан класса 23, также известный как Ti 6Al-4V ELI, характеризуется высокой пластичностью, высокой прочностью, легкостью, коррозионной стойкостью и высокой вязкостью. Это предпочтительный выбор для стоматологических и медицинских применений.

Какой сорт титана лучше?

Титан класса 5 (Ti 6Al-4V) известен как "рабочая лошадка", поскольку на него приходится половина спроса на титан. Благодаря широкому спектру полезных свойств он стал наиболее часто используемой маркой титана. Титан класса 5 обладает высокой прочностью, высокой пластичностью, сильной коррозионной стойкостью, отличной термической стабильностью, легко поддается обработке и формовке, что позволяет широко использовать его в таких отраслях, как аэрокосмическая и морская.

Каковы свойства титана?

Ниже приведены физические и химические свойства титана:

Физические свойства

Плотность: 4,5 грамма на кубический сантиметр

Цвет: Серебристо-белый металлический блеск

Сила: Прочность титана зависит от его марки и концентрации легирующих элементов.

Изобилие: Титан - девятый по распространенности элемент в земной коре, присутствующий практически во всех горных породах и осадочных породах.

Температурная устойчивость: Титан выдерживает более высокие и низкие температуры по сравнению с нержавеющей сталью и алюминием.

Пластичность: Пластичность титана варьируется от 6% удлинения (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) до 25% (коммерчески чистый Grade 1).

Химические свойства

Окисление: Из-за высокого потенциала окисления титан в природе существует не в чистом виде, а в виде оксидов в горных породах и минералах.

Реактивность: При высоких температурах он реагирует с кислотами и галогенами, но совсем не реагирует со щелочами.

Устойчивость к коррозии: Титан обладает чрезвычайно высокой коррозионной стойкостью, противостоит коррозии под воздействием кислот, щелочей и морской воды, поскольку молекулы кислорода соединяются с титаном, образуя оксид титана.

Обрабатываемость: Она легко перерабатывается в изделия различной формы, такие как прутки, листы, трубы и т.д.

Процесс изготовления титанового металла

Процесс Кролла используется для преобразования сырого титана в металлический титан. Этот процесс включает в себя добычу, очистку, производство губки, изготовление сплава, а также формовку и формование.

1. Извлечение

Из необработанных руд, таких как ильменит и рутил, извлекаются высококачественные концентраты, которые отправляются на фабрики для переработки. После предварительной обработки для удаления железа ильменит помещают в реактор с кипящим слоем, содержащий хлор и углерод, и нагревают до 900 °С. В ходе химической реакции образуется тетрахлорид титана и окись углерода. Тетрахлорид титана содержит примеси, которые необходимо удалить для получения диоксида титана.

2. Очистка

Для очистки тетрахлорид титана подвергается высокотемпературной вакуумной дистилляции. Металл, полученный в процессе экстракции, нагревается в больших дистилляционных резервуарах. Для отделения примесей в процессе очистки используются фракционная дистилляция и осаждение. Из-за разной температуры кипения различных элементов в процессе дистилляции различные элементы удаляются, когда достигают своих точек кипения. В число удаляемых примесей входят ванадий, кремний, магний, цирконий и железо.

3. Формирование губки

С образованием губки очищенный тетрахлорид титана заливают в реакционные сосуды из нержавеющей стали в жидком виде. Добавляется магний, и смесь нагревается до 1100°C для реакции с хлором с образованием хлорида магния. Для удаления воздуха закачивается газ аргон, предотвращающий реакцию с кислородом и азотом. Полученный титан извлекается с помощью бурения и обрабатывается смесью воды и соляной кислоты для удаления избытка магния и хлорида магния. Полученный титан имеет форму губки.

4. Создание сплава

Чистый губчатый титан смешивают с различными сплавами и металлоломом для производства сплавов. После расплавления и смешивания металлов в соответствующих пропорциях куски уплотняются и свариваются, образуя губчатые электроды. Их переплавляют в вакуумной дуговой печи, чтобы получить слитки для дальнейшей переработки в различные промышленные и коммерческие изделия.

5. Формирование и формовка

Слитки извлекаются из печи, проверяются, упаковываются и транспортируются для производства изделий из титановых сплавов. Свойства каждого слитка проверяются на соответствие требованиям заказчика. В процессе производства продукции слитки подвергаются различным процессам, таким как сварка, формовка, литье, ковка и порошковая металлургия.

Каковы преимущества титана?

Высокая прочность: Титан обладает превосходной прочностью, что делает его одним из самых прочных металлов в периодической таблице. Благодаря низкой плотности титан также очень легкий.

Устойчивость к коррозии: Титан легко вступает в реакцию с кислородом, образуя на своей поверхности тонкий оксидный слой, который обеспечивает естественную коррозионную стойкость.

Биосовместимость: Титан нетоксичен и биосовместим как с людьми, так и с животными. Поэтому титан часто используется в медицине и стоматологии.

Низкий коэффициент теплового расширения: Титан имеет низкий коэффициент теплового расширения, что приводит к минимальному расширению и сжатию при экстремальных температурах, а также к повышению стабильности конструкции.

Высокая температура плавления: Титан имеет чрезвычайно высокую температуру плавления (около 1668°C), что делает его очень подходящим для использования в высокотемпературных областях, таких как литейное производство и турбинные реактивные двигатели.

Отличные возможности для производства: Несмотря на то, что титан является очень прочным металлом, он также мягкий и пластичный. Это позволяет изготавливать титановые компоненты с использованием различных производственных процессов.

Каковы ограничения титана?

Дорого: Титан считается редким металлом, и его очистка - дело дорогое и сложное.

Сложная форма: Чтобы придать ему полезные формы, требуются современные станки и специализированное оборудование.

Реагирует при высоких температурах: Это делает производство чистого титана и титановых сплавов сложным и строго контролируемым. Производство титана должно осуществляться в строго контролируемых анаэробных условиях.

Плохая теплопроводность: Титан - материал с плохой теплопроводностью, что затрудняет его обработку.

Каковы области применения титана?

Аэрокосмическая промышленность: Титановые сплавы ценятся в аэрокосмической промышленности за высокое соотношение прочности и плотности, коррозионную стойкость и способность выдерживать умеренные температуры без ползучести.

Автомобиль: Титан предпочитают использовать в автомобильной промышленности благодаря его низкой плотности, высокому соотношению прочности и веса, коррозионной стойкости и жаропрочности.

Промышленность: Титан широко используется в промышленности благодаря своей высокой прочности, коррозионной стойкости, легкости и долговечности. Его применение включает в себя теплообменники, клапаны, трубы и шатуны.

Медицина: Титан нетоксичен и биосовместим с человеческими костями, что делает его очень подходящим для применения в медицине. Он обладает свойствами, присущими костной ткани, и может использоваться для изготовления зубных имплантатов, которые могут прослужить более 30 лет, что также полезно для ортопедических имплантатов.

Влияние металла титана на здоровье и окружающую среду

Влияние титана на здоровье: Металлический титан - биосовместимый материал, обладающий отличной биосовместимостью и нетоксичностью. Он широко используется в медицинских инструментах и имплантатах и не оказывает вредного воздействия на организм человека.

Экологическое воздействие титана: Титан не выделяет токсичных веществ, что позволяет избежать негативного воздействия на окружающую среду. Однако в процессе производства титана могут образовываться некоторые отходы или выхлопные газы. Тем не менее, при эффективном управлении и упреждающих мерах по очистке воздействие на окружающую среду может быть максимально минимизировано.

Вопросы и ответы

Какова стоимость титана?

Стоимость коммерческого чистого титана составляет примерно $23-25 за килограмм, а стоимость титановых сплавов - примерно $27-30 за килограмм.

Какая самая дешевая марка титана?

В настоящее время титан Grade 1 относительно дешевле по цене, что зависит в основном от конкретных требований к применению и условий поставки на рынок.

Какой сорт титана используется для анодирования

Для анодирования можно использовать титан как 2-го, так и 3-го класса.

Защищен ли титан от ржавчины?

Да, титановые сплавы обладают отличной коррозионной стойкостью и могут выдерживать воздействие многих химических веществ.

Является ли титан магнитным?

Вообще говоря, чистый титан, как правило, немагнитен, поскольку кристаллическая структура чистого титана не поддерживает магнетизм. Однако некоторые титановые сплавы могут проявлять магнетизм в зависимости от типа и концентрации легирующих элементов.

Является ли титан пуленепробиваемым?

Да, титан обладает пуленепробиваемостью для пистолетов и охотничьих ружей, но для военной техники титан не пуленепробиваем.

В чем разница между титаном и алюминием?

Характеристики материала: Титан обладает более высокой прочностью и коррозионной стойкостью, чем алюминий, при этом он легче алюминия, но стоит дороже. Алюминий - легкий металл с хорошей тепло- и электропроводностью и более низкой стоимостью по сравнению с титаном.

Приложения: Титан обычно используется в областях, требующих высокой прочности и коррозионной стойкости, таких как аэрокосмическая промышленность и медицинское оборудование. Алюминий имеет более широкий спектр применения, включая аэрокосмическую промышленность, автомобилестроение, строительство и электронику.

Сложность обработки: Из-за своей высокой прочности и коррозионной стойкости титан сложнее обрабатывать, для этого требуется оборудование и технологии более высокого уровня. Алюминий, напротив, относительно прост в обработке и может быть подвергнут механической обработке и формовке обычными методами.

Какой сорт титана используется для 3D-печати?

Титан 5-го класса, также известный как Ti-6Al-4V, широко используется в 3D-печати благодаря превосходному соотношению прочности и веса и биосовместимости.

Заключение

В этой статье рассказывается о том, что такое титан, история его развития, виды титана, классификация марок титана, основные сведения о его характеристиках и т.д. Процесс образования титановых сплавов объясняется в основном с помощью метода Кролла, а также преимущества и недостатки титана и области его применения.

Если вы хотите узнать больше о титане или у вас есть индивидуальные требования к продукции, пожалуйста посетите наш сайт.