Pärast titaani tabelis. Ühe kõvema metalli – titaani – füüsikalised omadused ja omadused. Puhtal kujul ja sulamite kujul

Perioodilises süsteemis tähistatakse keemilist elementi titaan kui Ti (titaan) ja see asub IV rühma kõrvalalarühmas, perioodis 4 aatomnumbri 22 all. See on hõbevalge tahke metall, mis on osa suurest arvust. mineraalidest. Titaani saate osta meie veebisaidilt.

Titaani avastasid 18. sajandi lõpus Inglismaa ja Saksamaa keemikud William Gregor ja Martin Klaproth, teineteisest sõltumatult kuueaastase erinevusega. Just Martin Klaproth andis elemendile nime Vana-Kreeka titaanide (tohutud, tugevad, surematud olendid) auks. Nagu selgus, sai nimi prohvetlikuks, kuid inimkonnal kulus titaani kõigi omadustega tutvumiseks isegi rohkem kui 150 aastat. Alles kolm aastakümmet hiljem saadi esimene titaanmetalli proov. Sel ajal seda hapruse tõttu praktiliselt ei kasutatud. 1925. aastal, pärast mitmeid katseid, said keemikud Van Arkel ja De Boer jodiidimeetodil puhta titaani.

Metalli väärtuslike omaduste tõttu juhtisid insenerid ja disainerid sellele kohe tähelepanu. See oli tõeline läbimurre. 1940. aastal töötas Kroll välja magneesiumtermilise meetodi titaani saamiseks maagist. See meetod on aktuaalne ka tänapäeval.

Füüsikalised ja mehaanilised omadused

Titaan on üsna tulekindel metall. Selle sulamistemperatuur on 1668±3°C. Selle näitaja järgi on see madalam sellistest metallidest nagu tantaal, volfram, reenium, nioobium, molübdeen, tantaal, tsirkoonium. Titaan on paramagnetiline metall. Magnetväljas see ei magnetiseerita, kuid seda ei tõugata sellest välja. 2. pilt
Titaanil on madal tihedus (4,5 g/cm³) ja kõrge tugevus (kuni 140 kg/mm²). Kõrgetel temperatuuridel need omadused praktiliselt ei muutu. See on rohkem kui 1,5 korda raskem kui alumiinium (2,7 g/cm³), kuid 1,5 korda kergem kui raud (7,8 g/cm³). Mehaaniliste omaduste poolest on titaan nendest metallidest palju parem. Tugevuse poolest on titaan ja selle sulamid samaväärsed paljude legeeritud terase klassidega.

Korrosioonikindluse poolest ei jää titaan plaatinale alla. Metall on suurepärase vastupidavusega kavitatsioonitingimustele. Titaanosa aktiivse liikumise käigus vedelas keskkonnas tekkivad õhumullid seda praktiliselt ei hävita.

See on vastupidav metall, mis talub murdumist ja plastilist deformatsiooni. See on 12 korda kõvem kui alumiinium ja 4 korda kõvem kui vask ja raud. Teine oluline näitaja on voolavuspiir. Selle indikaatori suurenemisega paraneb titaandetailide vastupidavus töökoormustele.

Teatud metallidega (eriti nikli ja vesinikuga) sulamites suudab titaan "meelde jätta" teatud temperatuuril tekkinud toote kuju. Sellist toodet saab seejärel deformeerida ja see säilitab selle positsiooni pikka aega. Kui toodet kuumutatakse temperatuurini, mille juures see valmistati, võtab toode oma esialgse kuju. Seda omadust nimetatakse "mäluks".

Titaani soojusjuhtivus on suhteliselt madal ja ka lineaarpaisumise koefitsient. Sellest järeldub, et metall on halb elektri- ja soojusjuht. Kuid madalatel temperatuuridel on see elektri ülijuht, mis võimaldab tal edastada energiat märkimisväärsete vahemaade taha. Titaanil on ka kõrge elektritakistus.
Puhas titaanmetall on allutatud erinevat tüüpi külm ja kuum töötlemine. Seda saab tõmmata ja valmistada traati, sepistada, rullida ribadeks, lehtedeks ja kiledeks paksusega kuni 0,01 mm. Titaanist valmistatakse järgmist tüüpi valtstooteid: titaan lint, titaan traat, titaanist torud, titaanist puksid, titaanist ring, titaanist baar.

Keemilised omadused

Puhas titaan on reaktiivne element. Tänu sellele, et selle pinnale on moodustunud tihe kaitsekile, on metall väga vastupidav korrosioonile. See ei oksüdeeru õhus, soolases merevees, ei muutu paljudes agressiivsetes keemilised keskkonnad(näiteks: lahjendatud ja kontsentreeritud lämmastikhape, aqua regia). Kõrgel temperatuuril suhtleb titaan reaktiividega palju aktiivsemalt. See süttib õhu käes temperatuuril 1200°C. Süütamisel annab metall ereda sära. Aktiivne reaktsioon toimub ka lämmastikuga, titaani pinnale moodustub kollakaspruun nitriidkile.

Reaktsioonid vesinikkloriid- ja väävelhappega toatemperatuuril on nõrgad, kuid kuumutamisel lahustub metall tugevalt. Reaktsiooni tulemusena tekivad madalamad kloriidid ja monosulfaat. Samuti esineb nõrk koostoime fosfor- ja lämmastikhappega. Metall reageerib halogeenidega. Reaktsioon klooriga toimub temperatuuril 300 °C.
Aktiivne reaktsioon vesinikuga kulgeb toatemperatuurist veidi kõrgemal temperatuuril. Titaan neelab aktiivselt vesinikku. 1 g titaani võib absorbeerida kuni 400 cm³ vesinikku. Kuumutatud metall lagundab süsihappegaasi ja veeauru. Koostoime veeauruga toimub temperatuuril üle 800°C. Reaktsiooni tulemusena tekib metallioksiid ja vesinik pääseb välja. Kõrgematel temperatuuridel neelab kuum titaan süsinikdioksiidi ja moodustab karbiidi ja oksiidi.

Kuidas saada

Titaan on üks levinumaid elemente Maal. Selle sisaldus planeedi soolestikus on massi järgi 0,57%. Metalli kõrgeim kontsentratsioon on täheldatud "basaltkestes" (0,9%), graniitkivimites (0,23%) ja ülialuselistes kivimites (0,03%). Seal on umbes 70 titaani mineraali, mis sisaldavad seda titaanhappe või dioksiidi kujul. Titaanimaakide peamised mineraalid on: ilmeniit, anataas, rutiil, brookiit, lopariit, leukokseen, perovskiit ja sfeen. Peamised titaanitootjad maailmas on Suurbritannia, USA, Prantsusmaa, Jaapan, Kanada, Itaalia, Hispaania ja Belgia.
Titaani saamiseks on mitu võimalust. Kõiki neid rakendatakse praktikas ja need on üsna tõhusad.

1. Magneesiumi termiline protsess.

Titaani sisaldav maak kaevandatakse ja töödeldakse dioksiidiks, mis klooritakse aeglaselt ja väga kõrgel temperatuuril. Kloorimine toimub süsiniku keskkonnas. Reaktsiooni tulemusena tekkinud titaankloriid redutseeritakse seejärel magneesiumiga. Saadud metalli kuumutatakse vaakumseadmes kõrgel temperatuuril. Selle tulemusena magneesium ja magneesiumkloriid aurustuvad, jättes titaanile palju poore ja tühimikke. Titaani käsn sulatatakse ümber, et saada kvaliteetset metalli.

2. Hüdriid-kaltsiumi meetod.

Esiteks saadakse titaanhüdriid ja seejärel jagatakse see komponentideks: titaan ja vesinik. Protsess toimub õhuvabas ruumis kõrgel temperatuuril. Tekib kaltsiumoksiid, mida pestakse nõrkade hapetega.
Kaltsiumhüdriidi ja magneesiumi termilisi meetodeid kasutatakse tavaliselt tööstuslikus mastaabis. Need meetodid võimaldavad minimaalsete rahaliste kuludega saada lühikese aja jooksul märkimisväärses koguses titaani.

3. Elektrolüüsi meetod.

Titaankloriid või dioksiid puutub kokku suure vooluga. Selle tulemusena ühendid lagunevad.

4. Jodiidi meetod.

Titaandioksiid interakteerub joodiauruga. Järgmisena puutub titaanjodiid kokku kõrge temperatuuriga, mille tulemuseks on titaan. See meetod on kõige tõhusam, kuid ka kõige kallim. Titaan osutub väga kõrge puhtusastmega ilma lisandite ja lisanditeta.

Titaani pealekandmine

Tänu headele korrosioonivastastele omadustele kasutatakse titaani keemiaseadmete valmistamisel. Metalli ja selle sulamite kõrge kuumakindlus aitab kaasa kasutamisele kaasaegses tehnoloogias. Titaanisulamid on suurepärane materjal lennukite, rakettide ja laevade ehitamiseks.

Monumendid on valmistatud titaanist. Ja sellest metallist valmistatud kellad on tuntud oma erakordse ja väga kauni kõla poolest. Titaandioksiid on mõne ravimi koostisosa, näiteks: nahahaiguste vastased salvid. Samuti suure nõudlusega kasutatakse metalliühendeid nikli, alumiiniumi ja süsinikuga.

Titaan ja selle sulamid on leidnud rakendust keemia- ja toiduainetööstuses, värviline metallurgia, elektroonika, tuumatehnoloogia, energeetika, galvaniseerimine. Titaanist ja selle sulamitest valmistatakse relvi, soomusplaate, kirurgilisi instrumente ja implantaate, niisutussüsteeme, spordivarustust ja isegi ehteid. Nitridimise käigus tekib metalli pinnale kuldne kile, mis ei jää oma ilu poolest alla isegi ehtsale kullale.

Monument kosmosevallutajate auks püstitati Moskvas 1964. aastal. Selle obeliski projekteerimiseks ja ehitamiseks kulus ligi seitse aastat (1958-1964). Autoritel tuli lahendada mitte ainult arhitektuurilisi ja kunstilisi, vaid ka tehnilisi probleeme. Esimene neist oli materjalide valik, sealhulgas vooder. Pärast pikki katseid asusid nad läikima poleeritud titaanlehtedele.

Tõepoolest, paljude omaduste ja eelkõige korrosioonikindluse poolest ületab titaan enamikku metalle ja sulameid. Mõnikord (eriti populaarses kirjanduses) nimetatakse titaani igaveseks metalliks. Kuid kõigepealt räägime selle elemendi ajaloost.

Oksüdeerunud või oksüdeerimata?

Kuni 1795. aastani nimetati elementi nr 22 "menakiiniks". Nii nimetas seda 1791. aastal inglise keemik ja mineraloog William Gregor, kes avastas mineraalis menakaniidis uue elemendi (ärge otsige seda nime tänapäevastest mineraloogilistest teatmeteostest – ka menakaniit on ümber nimetatud, nüüd nimetatakse ilmeniidiks).

Neli aastat pärast Gregori avastust avastas saksa keemik Martin Klaproth teises mineraalis – rutiilis – uue keemilise elemendi ja nimetas selle haldjate kuninganna Titania auks (germaani mütoloogia) titaaniks.

Teise versiooni kohaselt pärineb elemendi nimi titaanidelt, maajumalanna võimsatelt poegadelt - Gaia (kreeka mütoloogia).

1797. aastal selgus, et Gregor ja Klaproth avastasid sama elemendi ja kuigi Gregor oli seda varem teinud, kehtestati uue elemendi jaoks talle Klaprothi antud nimi.

Kuid ei Gregoril ega Klaprothil ei õnnestunud elementaali saada titaan. Valge kristalne pulber, mille nad eraldasid, oli titaandioksiid TiO 2 . Pikka aega ei õnnestunud ühelgi keemikutel seda oksiidi redutseerida, eraldades sellest puhta metalli.

1823. aastal teatas inglise teadlane W. Wollaston, et kristallid, mille ta avastas Merthyr Tydville'i tehase metallurgilistest räbudest, ei olnud muud kui puhas titaan. Ja 33 aastat hiljem tõestas kuulus saksa keemik F. Wöhler, et need kristallid olid taas titaaniühend, seekord metallitaoline karbonitriid.

Aastaid usuti, et metallist Titaani hankis esmakordselt Berzelius 1825. aastal. kaaliumfluorotitanaadi redutseerimisel naatriummetalliga. Tänapäeval võib aga titaani ja Berzeliuse saadud toote omadusi kõrvutades väita, et Rootsi Teaduste Akadeemia president eksis, sest puhas titabnum lahustub vesinikfluoriidhappes kiiresti (erinevalt paljudest teistest hapetest) ning Berzeliuse metalliline titaan pidas selle tegevusele edukalt vastu.

Tegelikult sai Ti esmakordselt alles 1875. aastal vene teadlane D.K.Kirillov. Selle töö tulemused on avaldatud tema brošüüris Research on Titanium. Kuid vähetuntud vene teadlase tööd jäid märkamatuks. Veel 12 aasta pärast said Berzeliuse kaasmaalased, kuulsad keemikud L. Nilsson ja O. Peterson üsna puhta toote – umbes 95% titaani –, kes redutseerisid terasest hermeetilises pommis titaantetrakloriidi naatriummetalliga.

1895. aastal sai prantsuse keemik A. Moissan, redutseerides kaarahjus titaandioksiidi süsinikuga ja allutades saadud materjali kahekordsele rafineerimisele, titaani, mis sisaldas ainult 2% lisandeid, peamiselt süsinikku. Lõpuks õnnestus Ameerika keemikul M. Hunteril 1910. aastal Nilssoni ja Petersoni meetodit täiustades saada mitu grammi titaani, mille puhtus oli umbes 99%. Seetõttu omistatakse enamikus raamatutes metallilise titaani hankimise prioriteet Hunterile, mitte Kirillovile, Nilsonile või Moissanile.

Ent ei Hunter ega tema kaasaegsed ei ennustanud titaanile suurt tulevikku. Metallis sisaldus vaid mõni kümnendik protsenti lisanditest, kuid need lisandid muutsid titaani rabedaks, hapraks, töötlemiseks kõlbmatuks. Seetõttu leidsid mõned titaaniühendid kasutust varem kui metall ise. Näiteks Ti-tetrakloriidi kasutati laialdaselt esimeses maailmasõjas suitsukatete loomisel.

Nr 22 meditsiinis

1908. aastal hakati USA-s ja Norras valget tootma mitte plii- ja tsingiühenditest, nagu tehti varem, vaid titaandioksiidist. Selline lubivärv võib värvida mitu korda suurema pinna kui sama kogus plii või tsinklubi. Lisaks on titaanvalgel suurem peegeldusvõime, nad ei ole mürgised ega tumene vesiniksulfiidi mõjul. Meditsiinikirjanduses on kirjeldatud juhtumit, kui inimene “võttis” korraga 460 g titaandioksiidi! (Huvitav, millega ta teda segadusse ajas?) Titaandioksiidi "armastaja" ei tundnud valusaid aistinguid. TiO 2 on osa mõnedest ravimitest, eriti nahahaiguste vastastest salvidest.

Tarbib aga mitte meditsiin, vaid värvi- ja lakitööstus suurimad kogused TiO 2. Selle ühendi maailmatoodang on kaugelt ületanud poole miljoni tonni aastas. Titaandioksiidil põhinevaid emaile kasutatakse laialdaselt metalli ja puidu kaitse- ja dekoratiivkatetena laevaehituses, ehituses ja masinaehituses. Samal ajal pikeneb oluliselt konstruktsioonide ja osade kasutusiga. Titaanvalget kasutatakse kangaste, naha ja muude materjalide värvimiseks.

Ti tööstuses

Titaandioksiid on portselanmasside, tulekindlate klaaside ja kõrge dielektrilise konstandiga keraamiliste materjalide koostisosa. Tugevust ja kuumakindlust suurendava täiteainena viiakse see kummisegudesse. Kõik titaaniühendite eelised tunduvad aga puhta metallilise titaani ainulaadsete omaduste taustal tühised.

elementaarne titaan

1925. aastal said Hollandi teadlased van Arkel ja de Boer jodiidimeetodil kõrge puhtusastmega titaani – 99,9% (sellest lähemalt allpool). Erinevalt Hunteri hangitud titaanist oli sellel plastilisus: seda sai külmas sepistada, rullida lehtedeks, lindiks, traadiks ja isegi kõige õhemaks fooliumiks. Kuid isegi see pole peamine. Metallilise titaani füüsikalis-keemiliste omaduste uuringud andsid peaaegu fantastilisi tulemusi. Näiteks selgus, et titaan, olles rauast ligi kaks korda kergem (titaani tihedus on 4,5 g/cm3), ületab tugevuselt paljusid teraseid. Ka võrdlus alumiiniumiga osutus titaani kasuks: titaan on alumiiniumist vaid poolteist korda raskem, kuid kuus korda tugevam ja mis kõige tähtsam, säilitab oma tugevuse temperatuuridel kuni 500 ° C (ja sulami lisamisega). elemendid - kuni 650 ° C), samal ajal kui alumiiniumi ja magneesiumisulamite tugevus langeb järsult juba 300 ° C juures.

Titaanil on ka märkimisväärne kõvadus: see on 12 korda kõvem kui alumiinium, 4 korda kõvem kui raud ja vask. Metalli teine ​​oluline omadus on voolavuspiir. Mida kõrgem see on, seda paremini taluvad selle metalli detailid töökoormust, seda kauem säilitavad nad oma kuju ja suuruse. Titaani voolavuspiir on peaaegu 18 korda kõrgem kui alumiiniumil.

Erinevalt enamikust metallidest on titaanil märkimisväärne elektritakistus: kui võtta hõbeda elektrijuhtivuseks 100, siis vase elektrijuhtivus on 94, alumiiniumil 60, raual ja plaatinal 15 ning titaanil vaid 3,8. Vaevalt on vaja selgitada, et see omadus, nagu titaani mittemagnetiline olemus, pakub huvi raadioelektroonika ja elektrotehnika jaoks.

Märkimisväärne titaani vastupidavus korrosioonile. Sellest metallist valmistatud plaadil 10 aastat merevees viibimist ei olnud korrosioonijälgi. Kaasaegsete raskete helikopterite peamised rootorid on valmistatud titaanisulamitest. Nendest sulamitest on valmistatud ka ülehelikiirusega lennukite roolid, eleronid ja mõned muud kriitilised osad. Paljudel keemiatööstused tänapäeval võib leida terveid titaanist valmistatud aparaate ja kolonne.

Kuidas titaani saadakse?

Hind – see on see, mis veel titaani tootmist ja tarbimist aeglustab. tegelikult kõrge hind- ei ole titaani kaasasündinud defekt. Seda on maapõues palju – 0,63%. Titaani endiselt kõrge hind on selle maakidest kaevandamise raskuste tagajärg. Seda seletatakse titaani kõrge afiinsusega paljude elementide suhtes ja keemiliste sidemete tugevusega selle looduslikes ühendites. Sellest ka tehnoloogia keerukus. Nii näeb välja 1940. aastal Ameerika teadlase V. Krolli poolt välja töötatud magneesium-termiline titaani tootmise meetod.

Titaandioksiid muundatakse klooriga (süsiniku juuresolekul) titaantetrakloriidiks:

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2.

Protsess toimub šahtelektrilistes ahjudes temperatuuril 800-1250°C. Teine võimalus on kloorimine leelismetallisoolade NaCl ja KCl sulatis.Järgmine operatsioon (mis on sama oluline ja aeganõudev) on TiCl 4 puhastamine lisanditest - toimub erinevatel viisidel ja ainetel. Titaantetrakloriid on tavatingimustes vedelik, mille keemistemperatuur on 136 °C.

Titaani sidet on lihtsam murda klooriga kui hapnikuga. Seda saab teha magneesiumiga reaktsiooni teel

TiCl4 + 2Mg → T + 2MgCl2.

See reaktsioon toimub terasreaktorites temperatuuril 900 °C. Tulemuseks on magneesiumi ja magneesiumkloriidiga immutatud nn titaankäsn. Need aurustatakse suletud vaakumseadmes temperatuuril 950 °C ja titaankäsn paagutatakse või sulatatakse kompaktseks metalliks.

Metallilise titaani saamise naatriumtermiline meetod ei erine põhimõtteliselt palju magneesiumtermilisest meetodist. Neid kahte meetodit kasutatakse tööstuses kõige laialdasemalt. Puhtama titaani saamiseks kasutatakse endiselt van Arkeli ja de Boeri pakutud jodiidimeetodit. Metallotermiline titaankäsn muudetakse TiI 4 jodiidiks, mis seejärel sublimeeritakse vaakumis. Oma teel kohtab titapjodiidi aur temperatuurini 1400 °C kuumutatud titaantraadi. Sel juhul jodiid laguneb ja traadile kasvab puhta titaani kiht. See titaani tootmisviis on ebaefektiivne ja kallis, seetõttu kasutatakse seda tööstuses väga vähesel määral.

Vaatamata titaani tootmise töö- ja energiamahukusele on sellest juba saanud üks olulisemaid värvilise metallurgia allharusid. Maailma titaanitootmine areneb väga kiires tempos. Seda saab hinnata isegi trükki jõudva katkendliku teabe järgi.

Teadaolevalt sulatati maailmas 1948. aastal ainult 2 tonni titaani ja 9 aasta pärast - juba 20 tuhat tonni.See tähendab, et 1957. aastal moodustas 20 tuhat tonni titaani kõigis riikides ja 1980. aastal tarbis ainult USA. 24,4 tuhat tonni titaani... Tundub, et hiljuti nimetati titaani haruldaseks metalliks - nüüd on see kõige olulisem ehitusmaterjal. Seda seletab ainult üks asi: haruldane kombinatsioon kasulikud omadused elemendi number 22. Ja muidugi tehnoloogia vajadused.

Titaani roll konstruktsioonimaterjalina, mis on lennunduse, laevaehituse ja raketitööstuse ülitugevate sulamite alus, kasvab kiiresti. Just sulamitesse läheb suurem osa maailmas sulatatud titaanist. Lennutööstusele laialt tuntud sulam, mis koosneb 90% titaanist, 6% alumiiniumist ja 4% vanaadiumist. 1976. aastal avaldas Ameerika ajakirjandus sama otstarbega uue sulami: 85% titaani, 10% vanaadiumi, 3% alumiiniumi ja 2% rauda. Väidetavalt pole see sulam mitte ainult parem, vaid ka säästlikum.

Üldiselt sisaldavad titaanisulamid palju elemente, kuni plaatina ja pallaadiumini. Viimased (summas 0,1-0,2%) suurendavad titaanisulamite niigi kõrget keemilist vastupidavust.

Titaani tugevust suurendavad ka sellised "legeerivad lisandid" nagu lämmastik ja hapnik. Kuid koos tugevusega suurendavad need titaani kõvadust ja, mis kõige tähtsam, haprust, mistõttu nende sisaldus on rangelt reguleeritud: sulamis ei tohi olla rohkem kui 0,15% hapnikku ja 0,05% lämmastikku.

Vaatamata sellele, et titaan on kallis, osutub selle asendamine odavamate materjalidega paljudel juhtudel majanduslikult otstarbekaks. Siin on tüüpiline näide. Roostevabast terasest keemilise aparaadi korpus maksab 150 rubla ja titaanisulamist 600 rubla. Kuid samal ajal teenib terasreaktor ainult 6 kuud ja titaanreaktor - 10 aastat. Kui lisada terasreaktorite väljavahetamise kulud, seadmete sunnitud seisakuajad – saab selgeks, et kalli titaani kasutamine võib olla terasest tulusam.

Märkimisväärses koguses titaani kasutatakse metallurgias. Seal on sadu terase ja muude sulamite klassid, mis sisaldavad legeeriva lisandina titaani. Seda võetakse kasutusele metallide struktuuri parandamiseks, tugevuse ja korrosioonikindluse suurendamiseks.

Mõned tuumareaktsioonid peavad toimuma peaaegu absoluutses tühjus. Elavhõbedapumpade abil saab harulduse tuua kuni mitu miljardit osa atmosfääri. Kuid sellest ei piisa ja elavhõbedapumbad ei suuda enamat. Õhu edasine pumpamine toimub spetsiaalsete titaanpumpade abil. Lisaks pihustatakse veelgi suurema harulduse saavutamiseks peen titaan kambri sisepinnale, kus reaktsioonid toimuvad.

Titaani nimetatakse sageli tuleviku metalliks. Faktid, mis teaduse ja tehnoloogia käsutuses juba on, veenavad meid, et see pole päris tõsi – titaanist on juba saanud tänapäeva metall.

Perovskiit ja sfeen. Ilmeniit - raua metatitanaat FeTiO 3 - sisaldab 52,65% TiO 2. Selle mineraali nimi on tingitud asjaolust, et see leiti Uuralitest Ilmenski mägedes. Suurimad ilmeniitliivad asuvad Indias. Teine oluline mineraal, rutiil, on titaandioksiid. tööstuslik väärtus neis on ka titanomagnetiite – ilmeniidi looduslik segu raua mineraalidega. NSV Liidus, USA-s, Indias, Norras, Kanadas, Austraalias ja teistes riikides on rikkalikult titaanimaakide leiukohti. Mitte nii kaua aega tagasi avastasid geoloogid Põhja-Baikali piirkonnas uue titaani sisaldava mineraali, mis nimetati nõukogude füüsiku akadeemiku L. D. Landau auks landauiidiks. Kokku on maakeral teada rohkem kui 150 märkimisväärset maagi ja titaani leiukohta.

Titaani füüsikalised ja keemilised omadused, titaani saamine

Titaani kasutamine puhtal kujul ja sulamite kujul, titaani kasutamine ühendite kujul, titaani füsioloogiline toime

1. jagu. Titaani ajalugu ja esinemine looduses.

Titan -see on neljanda rühma, D. I. Mendelejevi keemiliste elementide perioodilise süsteemi neljanda perioodi sekundaarse alarühma element aatomnumbriga 22. Lihtaine titaan (CAS number: 7440-32-6) on hele hõbevalge metallist. See eksisteerib kahes kristallilises modifikatsioonis: α-Ti kuusnurkse tihedalt pakitud võrega, β-Ti kuubikujulise kehakeskse tihendiga, polümorfse transformatsiooni α↔β temperatuur on 883 °C. Sulamistemperatuur 1660±20 °C.

Titaani ajalugu ja olemasolu looduses

Titan sai nime Vana-Kreeka tegelaste Titaanide järgi. Saksa keemik Martin Klaproth nimetas seda oma isiklikel põhjustel nii, erinevalt prantslastest, kes püüdsid anda nimesid vastavalt elemendi keemilistele omadustele, kuid kuna elemendi omadused olid tol ajal teadmata, siis selline nimi oligi. valitud.

Titaan on selle arvu poolest meie planeedil 10. element. Titaani kogus maakoores on 0,57 massiprotsenti ja 0,001 milligrammi 1 liitri merevee kohta. Titaanimaardlad asuvad järgmistel territooriumidel: Lõuna-Aafrika Vabariik, Ukraina, Venemaa, Kasahstan, Jaapan, Austraalia, India, Tseilon, Brasiilia ja Lõuna-Korea.

Füüsikaliste omaduste poolest on titaan hele hõbedane metall, lisaks iseloomustab teda töötlemisel kõrge viskoossus ja see on altid lõikeriista külge kleepuma, mistõttu selle efekti kõrvaldamiseks kasutatakse spetsiaalseid määrdeaineid või pihustust. Toatemperatuuril on see kaetud poolläbipaistva TiO2 oksiidkilega, mille tõttu on see korrosioonikindel enamikus agressiivsetes keskkondades, välja arvatud leelised. Titaanitolmul on plahvatusvõime, mille leekpunkt on 400 °C. Titaanlaastud on tuleohtlikud.

Puhta titaani või selle sulamite tootmiseks kasutatakse enamikul juhtudel titaandioksiidi, milles sisaldub väike arv ühendeid. Näiteks rutiili kontsentraat, mis saadakse titaanimaakide rikastamisel. Kuid rutiili varud on äärmiselt väikesed ja sellega seoses kasutatakse ilmeniidikontsentraatide töötlemisel saadud nn sünteetilist rutiili ehk titaanräbu.

Titaani avastajaks peetakse 28-aastast inglise munka William Gregorit. 1790. aastal juhtis ta oma kihelkonnas mineraloogilisi uuringuid tehes tähelepanu musta liiva levimusele ja ebatavalistele omadustele Edela-Inglismaal Menakeni orus ning asus seda uurima. Preester leidis liivast musta läikiva mineraali terad, mida tõmbas ligi tavaline magnet. 1925. aastal Van Arkeli ja de Boeri poolt jodiidimeetodil saadud puhtaim titaan osutus plastiliseks ja tehnoloogiliseks metalliks, millel on palju väärtuslikke omadusi, mis äratasid paljude disainerite ja inseneride tähelepanu. 1940. aastal pakkus Croll välja magneesiumtermilise meetodi titaani maakidest ekstraheerimiseks, mis on praegugi peamine. 1947. aastal toodeti esimesed 45 kg kaubanduslikult puhast titaani.

Mendelejevi perioodilises elementide süsteemis on titaani seerianumber 22. Loodusliku titaani aatommass, mis on arvutatud selle isotoopide uuringute tulemuste põhjal, on 47,926. Seega sisaldab neutraalse titaani aatomi tuum 22 prootonit. Neutronite ehk neutraalsete laenguta osakeste arv on erinev: sagedamini 26, kuid võib varieeruda 24 kuni 28. Seetõttu on titaani isotoopide arv erinev. Kokku on praeguseks teada 13 elemendi nr 22 isotoopi Looduslik titaan koosneb viie stabiilse isotoobi segust, kõige laiemalt on esindatud titaan-48, mille osatähtsus looduslikes maakides on 73,99%. Titaan ja teised IVB alarühma elemendid on omadustelt väga sarnased IIIB alarühma elementidega (skandiumirühm), kuigi nad erinevad viimastest oma suure valentsuse poolest. Titaani sarnasus skandiumi, ütriumi, aga ka VB alarühma elementidega - vanaadiumi ja nioobiumiga väljendub ka selles, et titaani leidub sageli looduslikes mineraalides koos nende elementidega. Ühevalentsete halogeenidega (fluor, broom, kloor ja jood) võib see moodustada di-tri- ja tetraühendeid, väävli ja selle rühma elementidega (seleen, telluur) - mono- ja disulfiidid, hapnikuga - oksiidid, dioksiidid ja trioksiidid .

Titaan moodustab ka ühendeid vesinikuga (hüdriidid), lämmastikuga (nitriidid), süsinikuga (karbiidid), fosforiga (fosfiidid), arseeniga (arsiidid), aga ka ühendeid paljude metallidega – intermetallilisi ühendeid. Titaan ei moodusta mitte ainult lihtsaid, vaid ka palju keerulisi ühendeid, paljud selle ühendid orgaaniliste ainetega on teada. Nagu nähtub ühendite loetelust, milles titaan võib osaleda, on see keemiliselt väga aktiivne. Ja samas on titaan üks väheseid metalle, millel on erakordselt kõrge korrosioonikindlus: see on õhus, külmas ja keevas vees praktiliselt igavene, on väga vastupidav merevees, paljude soolade, anorgaaniliste ja orgaaniliste soolade lahustes. happed. Oma korrosioonikindluse poolest merevees ületab see kõiki metalle, välja arvatud väärismetallid - kuld, plaatina jne, enamik roostevaba terase liike, niklit, vaske ja muid sulameid. Vees, paljudes agressiivsetes keskkondades, puhas titaan ei allu korrosioonile. Takistab titaani ja erosioonikorrosiooni, mis tuleneb metallile avalduva keemilise ja mehaanilise mõju kombinatsioonist. Selles osas ei jää see parimatele kaubamärkidele alla. roostevabad terased, vasepõhised sulamid ja muud konstruktsioonimaterjalid. Titaan talub hästi ka väsimuskorrosiooni, mis sageli väljendub metalli terviklikkuse ja tugevuse rikkumistena (pragunemine, lokaalsed korrosioonikeskused jne). Titaani käitumine paljudes agressiivsetes keskkondades, nagu lämmastik, vesinikkloriid, väävel, "aqua regia" ja muud happed ja leelised, on selle metalli jaoks üllatav ja imetlusväärne.

Titaan on väga tulekindel metall. Pikka aega usuti, et see sulab temperatuuril 1800 ° C, kuid 50ndate keskel. Inglise teadlased Diardorf ja Hayes määrasid puhta elementaarse titaani sulamistemperatuuri. See ulatus 1668 ± 3 ° C-ni. Oma tulekindluse poolest on titaan teisel kohal selliste metallide nagu volfram, tantaal, nioobium, reenium, molübdeen, platinoidid, tsirkoonium ja peamiste struktuurimetallide hulgas on see esikohal. Titaani kui metalli kõige olulisem omadus on selle ainulaadne füüsiline ja Keemilised omadused: madal tihedus, kõrge tugevus, kõvadus jne Peaasi, et need omadused ei muutu kõrgel temperatuuril oluliselt.

Titaan on kergmetall, selle tihedus 0°C juures on vaid 4,517 g/cm8 ja 100°C juures 4,506 g/cm3. Titaan kuulub metallide rühma, mille erikaal on alla 5 g/cm3. Siia kuuluvad kõik leelismetallid (naatrium, kaadium, liitium, rubiidium, tseesium) erikaaluga 0,9–1,5 g/cm3, magneesium (1,7 g/cm3), alumiinium (2,7 g/cm3) jne. Titaan on rohkem kui 1,5 korda raskem kui alumiinium ja selles ta muidugi kaotab, kuid on 1,5 korda kergem kui raud (7,8 g/cm3). Siiski, võttes erikaal vahepealne positsioon alumiiniumi ja raua vahel, ületab titaan neid oma mehaaniliste omaduste poolest kordades.). Titaanil on märkimisväärne kõvadus: see on 12 korda kõvem kui alumiinium, 4 korda kõvem kui raud ja vask. Metalli teine ​​oluline omadus on voolavuspiir. Mida kõrgem see on, seda paremini taluvad sellest metallist valmistatud osad töökoormust. Titaani voolavuspiir on peaaegu 18 korda kõrgem kui alumiiniumil. Titaanisulamite eritugevust saab suurendada 1,5–2 korda. Selle kõrged mehaanilised omadused säilivad hästi kuni mitmesaja kraadise temperatuuri juures. Puhas titaan sobib igat tüüpi töötlemiseks kuumas ja külmas olekus: seda saab sepistada nagu rauda, ​​tõmmata ja isegi traati teha, rullida kuni 0,01 mm paksusteks lehtedeks, lintideks ja fooliumideks.

Erinevalt enamikust metallidest on titaanil märkimisväärne elektritakistus: kui võtta hõbeda elektrijuhtivuseks 100, siis vase elektrijuhtivus on 94, alumiiniumil 60, raual ja plaatinal -15 ning titaanil vaid 3,8. Titaan on paramagnetiline metall, seda ei magnetiseerita nagu raud magnetväljas, kuid seda ei tõugata sealt välja nagu vask. Selle magnetiline tundlikkus on väga nõrk, seda omadust saab kasutada ehituses. Titaanil on suhteliselt madal soojusjuhtivus, ainult 22,07 W / (mK), mis on ligikaudu 3 korda madalam kui raua soojusjuhtivus, 7 korda madalam kui magneesiumil, 17–20 korda madalam kui alumiiniumil ja vasel. Sellest tulenevalt on titaani lineaarse soojuspaisumise koefitsient madalam kui teistel konstruktsioonimaterjalidel: 20 C juures on see 1,5 korda madalam kui raual, 2 - vasel ja peaaegu 3 - alumiiniumil. Seega on titaan halb elektri- ja soojusjuht.

Tänapäeval kasutatakse lennutehnoloogias laialdaselt titaanisulameid. Titaanisulameid kasutati esmakordselt tööstuslikus mastaabis lennukite reaktiivmootorite ehitamisel. Titaani kasutamine reaktiivmootorite konstrueerimisel võimaldab vähendada nende massi 10...25%. Eelkõige on titaanisulamist valmistatud kompressori kettad ja labad, õhu sisselaske osad, juhtlabad ja kinnitusdetailid. Titaanisulamid on ülihelikiirusega lennukite jaoks asendamatud. Lennukiiruste kasv lennukid tõi kaasa naha temperatuuri tõusu, mille tagajärjel alumiiniumsulamid ei vasta enam nõuetele, mida lennundustehnoloogia ülehelikiirusel esitab. Naha temperatuur ulatub sel juhul 246...316 °C-ni. Nendes tingimustes osutusid titaanisulamid kõige vastuvõetavamaks materjaliks. 70ndatel kasvas märkimisväärselt titaanisulamite kasutamine tsiviillennukite raamides. Keskmise vahemaa lennukis TU-204 on titaanisulamitest osade kogumass 2570 kg. Titaani kasutamine helikopterites laieneb järk-järgult, peamiselt pearootorisüsteemi, ajami ja juhtimissüsteemi osade jaoks. Oluline koht on raketiteaduses titaanisulamitel.

Merevee kõrge korrosioonikindluse tõttu kasutatakse titaani ja selle sulameid laevaehituses propellerite, plaadistuse tootmiseks merelaevad, allveelaevad, torpeedod jne. Titaani ja selle sulamite külge ei kleepu kestad, mis suurendavad järsult anuma takistust selle liikumisel. Järk-järgult laienevad titaani kasutusalad. Titaani ja selle sulameid kasutatakse keemia-, naftakeemia-, tselluloosi- ja paberitööstuses ning Toidutööstus, värviline metallurgia, energeetika, elektroonika, tuumatehnika, galvaniseerimine, relvade tootmisel, soomusplaatide, kirurgiliste instrumentide, kirurgiliste implantaatide, magestamisseadmete, võidusõiduautode osade, spordivarustuse (golfiklubid, ronimine) valmistamiseks seadmed), kellade osad ja isegi ehted. Titaani nitreerimine viib selle pinnale kuldse kile moodustumiseni, mis ei jää oma ilu poolest alla tõelisele kullale.

TiO2 avastamise tegid peaaegu samaaegselt ja sõltumatult inglane W. Gregor ja saksa keemik M. G. Klaproth. W. Gregor, uurides magnetilise raudliiva koostist (Creed, Cornwall, Inglismaa, 1791), eraldas tundmatust metallist uue "maa" (oksiidi), mida nimetas menakeniks. 1795. aastal avastas saksa keemik Klaproth mineraalses rutiilis uue elemendi ja nimetas selle titaaniks. Kaks aastat hiljem tegi Klaproth kindlaks, et rutiil ja menakenmuld on sama elemendi oksiidid, mille taha jäi Klaprothi pakutud nimetus "titaan". 10 aasta pärast toimus titaani avastamine kolmandat korda. Prantsuse teadlane L. Vauquelin avastas anataasist titaani ja tõestas, et rutiil ja anataas on identsed titaanoksiidid.

Esimese metallilise titaani proovi sai 1825. aastal J. Ya. Berzelius. Titaani kõrge keemilise aktiivsuse ja selle puhastamise keerukuse tõttu said hollandlased A. van Arkel ja I. de Boer 1925. aastal titaanjodiidi TiI4 auru termilisel lagundamisel puhta Ti proovi.

Titaan on looduses 10. kohal. Maakoore sisaldus on 0,57 massiprotsenti, merevees 0,001 mg / l. Ülialuselistes kivimites 300 g/t, aluselistes kivimites 9 kg/t, happelistes kivimites 2,3 kg/t, savides ja kildades 4,5 kg/t. Maakoores on titaan peaaegu alati neljavalentne ja seda leidub ainult hapnikuühendites. See ei esine vabas vormis. Titaanil on ilmastikutingimuste ja sademete tingimustes geokeemiline afiinsus Al2O3 suhtes. See on koondunud mureneva maakoore boksiididesse ja meresavitesse setetesse. Titaani ülekanne toimub mineraalide mehaaniliste fragmentide ja kolloidide kujul. Osadesse savidesse koguneb kuni 30 massiprotsenti TiO2. Titaanmineraalid on vastupidavad ilmastikumõjudele ja moodustavad suurtes kontsentratsioonides asetajates. Tuntakse üle 100 titaani sisaldava mineraali. Olulisemad neist on: rutiil TiO2, ilmeniit FeTiO3, titanomagnetiit FeTiO3 + Fe3O4, perovskiit CaTiO3, titaniit CaTiSiO5. Seal on primaarsed titaanimaakid - ilmeniit-titanomagnetiit ja plater - rutiil-ilmeniit-tsirkoon.

Peamised maagid: ilmeniit (FeTiO3), rutiil (TiO2), titaniit (CaTiSiO5).

2002. aastal kasutati 90% kaevandatud titaanist titaandioksiidi TiO2 tootmiseks. Maailma titaandioksiidi toodang oli 4,5 miljonit tonni aastas. Kinnitatud titaandioksiidi varud (ilma Venemaata) on umbes 800 miljonit tonni.2006. aastaks on USA geoloogiakeskuse andmetel ilmeniidimaakide varud titaandioksiidis ja ilma Venemaata arvestatuna 603-673 miljonit tonni ja rutiili - 49,7- 52,7 miljonit tonni Seega jätkub praeguse tootmistempo juures maailma tõestatud titaanivarudest (v.a Venemaa) enam kui 150 aastaks.

Venemaal on Hiina järel maailma suuruselt teine ​​titaanivaru. Titaani maavarade baas Venemaal koosneb 20 maardlast (millest 11 on primaarsed ja 9 loopealsed), mis on üle kogu riigi üsna ühtlaselt hajutatud. Suurim uuritud maardlatest (Jaregskoje) asub 25 km kaugusel Ukhta linnast (Komi Vabariik). Maardla varud on hinnanguliselt 2 miljardit tonni maaki, mille keskmine titaandioksiidi sisaldus on umbes 10%.

Maailma suurim titaani tootja - Vene firma"VSMPO-AVISMA".

Reeglina on titaani ja selle ühendite tootmise lähteaineks titaandioksiid, milles on suhteliselt vähe lisandeid. Eelkõige võib see olla rutiili kontsentraat, mis saadakse titaanimaakide rikastamise käigus. Rutiili varud maailmas on aga väga piiratud ning sagedamini kasutatakse ilmeniidikontsentraatide töötlemisel saadavat nn sünteetilist rutiili ehk titaanräbu. Titaanräbu saamiseks redutseeritakse ilmeniidi kontsentraat elektrikaareahjus, samal ajal kui raud eraldatakse metallfaasiks (malm), mitte redutseeritud titaanoksiidid ja lisandid moodustavad räbu faasi. Rikkalikku räbu töödeldakse kloriid- või väävelhappemeetodil.

Puhtal kujul ja sulamite kujul

Titaanist monument Gagarinile Moskvas Leninski prospektil

Metalli kasutatakse: keemiatööstuses (reaktorid, torustikud, pumbad, torujuhtme tarvikud), sõjatööstus (soomusvestid, soomusrüüd ja tuletõkked lennunduses, allveelaevade kered), tööstusprotsessid (magestamistehased, tselluloosi- ja paberiprotsessid), autotööstus, põllumajandustööstus, toiduainetööstus, torkimisehted, meditsiinitööstus (proteesid, osteoproteesid) , hambaravi ja endodontilised instrumendid, hambaimplantaadid, sporditarbed, ehted (Aleksandr Khomov), mobiiltelefonid, kergsulamid jne. See on kõige olulisem konstruktsioonimaterjal lennukite, raketi- ja laevaehituses.

Titaani valamine toimub vaakumpahjudes grafiitvormides. Kasutatakse ka vaakuminvesteeringuvalu. Tehnoloogiliste raskuste tõttu kasutatakse seda kunstilises castingus piiratud mahus. Maailma esimene monumentaalne valatud titaanist skulptuur on Juri Gagarini monument Moskvas temanimelisel väljakul.

Titaan on legeerlisand paljudes legeerterastes ja enamikes erisulamites.

Nitinool (nikkel-titaan) on kujumälu sulam, mida kasutatakse meditsiinis ja tehnoloogias.

Titaanaluminiidid on väga oksüdatsiooni- ja kuumakindlad, mis omakorda määras nende kasutamise lennunduses ja autotööstuses konstruktsioonimaterjalina.

Titaan on üks levinumaid kõrgvaakumpumpades kasutatavaid gettermaterjale.

Valget titaandioksiidi (TiO2) kasutatakse värvides (näiteks titaanvalge), aga ka paberi ja plasti valmistamisel. Toidu lisaaine E171.

Orgaanilisi taaniühendeid (nt tetrabutoksütitaan) kasutatakse katalüsaatorina ja kõvendina keemia- ja värvitööstuses.

Anorgaanilisi titaaniühendeid kasutatakse keemia-, elektroonika-, klaaskiutööstuses lisandite või kattekihtidena.

Titaankarbiid, titaandiboriid, titaankarbonitriid on metalli töötlemiseks kasutatavate ülikõvade materjalide olulised komponendid.

Titaannitriidi kasutatakse tööriistade, kirikukuplite katmiseks ja ehete valmistamisel, sest. on kullaga sarnase värviga.

Baariumtitanaat BaTiO3, pliititanaat PbTiO3 ja mitmed teised titanaadid on ferroelektrikud.

Erinevate metallidega titaanisulameid on palju. Legeerivad elemendid jagunevad kolme rühma, olenevalt nende mõjust polümorfse muundumise temperatuurile: beeta-stabilisaatorid, alfa-stabilisaatorid ja neutraalsed kõvendid. Esimesed alandavad transformatsioonitemperatuuri, teised suurendavad seda ja viimased ei mõjuta seda, vaid toovad kaasa maatriksi lahustumise. Alfa-stabilisaatorite näited: alumiinium, hapnik, süsinik, lämmastik. Beeta stabilisaatorid: molübdeen, vanaadium, raud, kroom, nikkel. Neutraalsed kõvendid: tsirkoonium, tina, räni. Beeta-stabilisaatorid jagunevad omakorda beeta-isomorfseteks ja beeta-eutektoide moodustavateks. Kõige tavalisem titaanisulam on sulam Ti-6Al-4V (Vene klassifikatsioonis - VT6).

60% - värv;

20% - plastik;

13% - paber;

7% - masinaehitus.

15-25 dollarit kilo, olenevalt puhtusest.

Kareda titaani (titaankäsna) puhtus ja klass määratakse tavaliselt selle kõvaduse järgi, mis sõltub lisandite sisaldusest. Levinumad kaubamärgid on TG100 ja TG110.

Ferrotaaniumi (minimaalselt 70% titaani) hind 22.12.2010 seisuga on 6,82 dollarit kilogrammi kohta. 01.01.2010 oli hind tasemel 5,00 $ kilogrammi eest.

Venemaal olid titaani hinnad 2012. aasta alguses 1200-1500 rubla/kg.

Eelised:

madal tihedus (4500 kg / m3) aitab vähendada kasutatava materjali massi;

kõrge mehaaniline tugevus. Tuleb märkida, et kõrgendatud temperatuuril (250–500 °C) on titaanisulamid tugevamad kui ülitugevad alumiiniumi- ja magneesiumisulamid;

ebatavaliselt kõrge korrosioonikindlus, mis tuleneb titaani võimest moodustada pinnale õhukesi (5-15 mikronit) pidevaid TiO2-oksiidi kilesid, mis on kindlalt metallimassiga seotud;

parimate titaanisulamite eritugevus (tugevuse ja tiheduse suhe) ulatub 30-35 või enamani, mis on peaaegu kaks korda suurem kui legeeritud teraste eritugevus.

Puudused:

kõrge tootmiskulu, titaan on palju kallim kui raud, alumiinium, vask, magneesium;

aktiivne interaktsioon kõrgel temperatuuril, eriti vedelas olekus, kõigi atmosfääri moodustavate gaasidega, mille tulemusena saab titaani ja selle sulameid sulatada ainult vaakumis või inertgaasi keskkonnas;

titaanijäätmete tootmisega seotud raskused;

halvad hõõrdumisevastased omadused, kuna titaan kleepub paljude materjalide külge, titaaniga seotud titaan ei saa hõõrdumise korral töötada;

titaani ja paljude selle sulamite kõrge kalduvus vesiniku rabedusele ja soolade korrosioonile;

halb töödeldavus, mis sarnaneb austeniitsete roostevabade teraste omaga;

kõrge reaktsioonivõime, kalduvus tera kasvule kõrgel temperatuuril ja faasimuutused keevitustsükli ajal põhjustavad raskusi titaani keevitamisel.

Põhiosa titaanist kulub lennunduse ja raketitehnoloogia ning merelaevaehituse vajadustele. Titaani (ferrotitaan) kasutatakse kõrgkvaliteetsete teraste legeeriva lisandina ja deoksüdeerijana. Tehnilist titaani kasutatakse mahutite, keemiareaktorite, torustike, liitmike, pumpade, ventiilide ja muude agressiivses keskkonnas töötavate toodete valmistamiseks. Kõrgel temperatuuril töötavate elektrovaakumseadmete võred ja muud osad on valmistatud kompaktsest titaanist.

Struktuurimaterjalina kasutamise poolest on titaan 4. kohal, jäädes alla vaid Al, Fe ja Mg järel. Titaanaluminiidid on väga oksüdatsiooni- ja kuumakindlad, mis omakorda määras nende kasutamise lennunduses ja autotööstuses konstruktsioonimaterjalina. Titaani bioloogiline ohutus teeb sellest suurepärase materjali toiduainetööstuses ja rekonstruktiivses kirurgias.

Titaani ja selle sulameid kasutatakse laialdaselt inseneritöös nende kõrge mehaanilise tugevuse, mida hoitakse kõrgel temperatuuril, korrosioonikindluse, kuumakindluse, eritugevuse, madala tiheduse ja muude kasulike omaduste tõttu. Titaani ja selle sulamite kõrget hinda kompenseerib paljudel juhtudel nende suurem jõudlus ning mõnel juhul on need ainsad materjalid, millest on võimalik toota seadmeid või konstruktsioone, mis on võimelised teatud kindlates tingimustes töötama.

Titaanisulamid mängivad olulist rolli lennutehnoloogias, kus eesmärgiks on saada kergeim disain koos vajaliku tugevusega. Titaan on teiste metallidega võrreldes kerge, kuid samas võib see töötada kõrgel temperatuuril. Titaanisulameid kasutatakse naha, kinnitusdetailide, jõukomplekti, šassii osade ja erinevate sõlmede valmistamiseks. Samuti kasutatakse neid materjale lennukite reaktiivmootorite ehitamisel. See võimaldab teil vähendada nende kaalu 10-25%. Titaanisulameid kasutatakse kompressori ketaste ja labade, õhu sisselaskeava ja juhtlaba osade ning kinnitusdetailide tootmiseks.

Titaani ja selle sulameid kasutatakse ka raketiteaduses. Arvestades mootorite lühiajalist töötamist ja tihedate atmosfäärikihtide kiiret läbimist, on raketiteaduses eemaldatud väsimustugevuse, staatilise vastupidavuse ja teatud määral ka roomamise probleemid.

Tehniline titaan ei sobi lennunduses oma ebapiisavalt kõrge kuumakindluse tõttu, kuid erakordselt kõrge korrosioonikindluse tõttu on see mõnel juhul keemiatööstuses ja laevaehituses asendamatu. Seetõttu kasutatakse seda kompressorite ja pumpade valmistamisel selliste agressiivsete ainete pumpamiseks nagu väävel- ja vesinikkloriidhape ning nende soolad, torujuhtmed, ventiilid, autoklaavid, erinevad mahutid, filtrid jne. Ainult titaanil on korrosioonikindlus keskkonnas, nagu märg kloor, kloori vesi- ja happelahused, seetõttu valmistatakse sellest metallist klooritööstuse seadmed. Titaani kasutatakse soojusvahetite valmistamiseks, mis töötavad söövitavas keskkonnas, näiteks lämmastikhappes (mitte suitsevad). Laevaehituses kasutatakse titaani propellerite tootmiseks, laevade, allveelaevade, torpeedode jms plaadistamiseks. Titaani ja selle sulamite külge ei kleepu kestad, mis suurendavad järsult anuma takistust selle liikumisel.

Titaanisulamid on paljutõotavad kasutamiseks paljudes teistes rakendustes, kuid nende kasutamist tehnoloogias piirab titaani kõrge hind ja nappus.

Titaaniühendeid kasutatakse laialdaselt ka erinevates tööstusharudes. Titaankarbiidil on kõrge kõvadus ja seda kasutatakse lõikeriistade ja abrasiivsete materjalide valmistamisel. Valget titaandioksiidi (TiO2) kasutatakse värvides (näiteks titaanvalge), aga ka paberi ja plasti valmistamisel. Orgaanilisi taaniühendeid (nt tetrabutoksütitaan) kasutatakse katalüsaatorina ja kõvendina keemia- ja värvitööstuses. Anorgaanilisi titaaniühendeid kasutatakse keemia-, elektroonika-, klaaskiutööstuses lisandina. Titaandiboriid on ülikõvade metallitöötlusmaterjalide oluline komponent. Titaannitriidi kasutatakse tööriistade katmiseks.

Titaani praeguste kõrgete hindadega kasutatakse seda peamiselt sõjavarustuse tootmiseks, kus peamine roll ei ole maksumusel, vaid tehnilistel omadustel. Sellegipoolest on teada juhtumeid, kus titaani ainulaadseid omadusi kasutatakse tsiviilvajadusteks. Kuna titaani hind langeb ja selle tootmine kasvab, laieneb selle metalli kasutamine sõjalisel ja tsiviilotstarbel üha enam.

Lennundus. Titaani ja selle sulamite madal erikaal ja kõrge tugevus (eriti kõrgetel temperatuuridel) muudavad need väga väärtuslikeks lennundusmaterjalideks. Lennukiehituse ja lennukimootorite tootmise vallas asendab titaan üha enam alumiiniumi ja roostevaba terast. Temperatuuri tõustes kaotab alumiinium kiiresti oma tugevuse. Teisalt on titaanil selge tugevuseelis temperatuuridel kuni 430°C ja seda järku kõrgendatud temperatuur tekib aerodünaamilise kuumenemise tõttu suurtel kiirustel. Terase titaaniga asendamise eeliseks lennunduses on kaalu vähendamine tugevust ohverdamata. Üldine kaalu vähenemine koos suurema jõudlusega kõrgendatud temperatuuridel võimaldab suurendada lennuki kandevõimet, lennuulatust ja manööverdusvõimet. See seletab jõupingutusi, mille eesmärk on laiendada titaani kasutamist lennukiehituses mootorite valmistamisel, kere ehitamisel, nahkade ja isegi kinnitusdetailide valmistamisel.

Reaktiivmootorite konstruktsioonis kasutatakse titaani peamiselt kompressori labade, turbiiniketaste ja paljude muude stantsitud detailide valmistamiseks. Siin asendab titaan roostevaba ja kuumtöödeldud legeerterast. Ühe kilogrammi mootori kaalu kokkuhoid säästab tänu kere kergendamisele kuni 10 kg lennuki kogukaalust. Tulevikus on kavas kasutada lehttitaani mootorite põlemiskambrite korpuste valmistamiseks.

Lennukiehituses kasutatakse titaani laialdaselt kereosade jaoks, mis töötavad kõrgel temperatuuril. Lehttitaani kasutatakse igasuguste kestade, kaablite kaitsekestade ja mürskude juhikute valmistamiseks. Legeeritud titaanlehtedest on valmistatud erinevad jäikuselemendid, kereraamid, ribid jms.

Katted, klapid, kaablikatted ja mürsujuhikud on valmistatud legeerimata titaanist. Legeeritud titaani kasutatakse kereraami, raamide, torustike ja tuletõkete valmistamiseks.

Titaani kasutatakse üha enam F-86 ja F-100 lennukite ehitamisel. Tulevikus hakatakse titaanist valmistama teliku uksi, hüdrotorustikku, väljalasketorusid ja otsikuid, peeneid, klappe, klapptugesid jne.

Titaanist saab valmistada soomusplaate, sõukruvi labasid ja kestakarpe.

Praegu kasutatakse titaani sõjaväelennukite Douglas X-3 for skin, Republic F-84F, Curtiss-Wright J-65 ja Boeing B-52 ehitamisel.

Titaani kasutatakse ka tsiviillennukite DC-7 ehitamisel. Douglase ettevõte, asendades mootori gondli ja tuletõkete valmistamisel alumiiniumisulamid ja roostevaba terase titaaniga, on saavutanud lennukikonstruktsiooni kaalusäästu juba umbes 90 kg. Praegu on selle lennuki titaandetailide kaal 2% ja seda arvu oodatakse 20%ni lennuki kogumassist.

Titaani kasutamine võimaldab vähendada helikopterite kaalu. Titaanplekki kasutatakse põrandate ja uste jaoks. Helikopteri massi märkimisväärne vähenemine (umbes 30 kg) saavutati legeeritud terase asendamisega titaaniga, et katta selle rootorite labad.

Merevägi. Titaani ja selle sulamite korrosioonikindlus muudab need merel väga väärtuslikuks materjaliks. USA mereväeministeerium uurib põhjalikult titaani korrosioonikindlust suitsugaaside, auru, õli ja mereveega kokkupuutel. Peaaegu sama väärtus sisse mereasjad on ka titaani kõrge eritugevusega.

Metalli madal erikaal koos korrosioonikindlusega suurendab laevade manööverdusvõimet ja sõiduulatust ning vähendab ka materjaliosa hooldamise ja remondi kulusid.

Titaani rakendused mereväes hõlmavad väljalaske summutite tootmist diiselmootorid allveelaevad, ajamid mõõteriistad, õhukeseseinalised torud kondensaatoritele ja soojusvahetitele. Ekspertide sõnul suudab titaan, nagu ükski teine ​​metall, pikendada väljalaske summutite eluiga. allveelaevad. Soolase vee, bensiini või õliga kokkupuutuvate mõõteplaatide puhul tagab titaan parema vastupidavuse. Uuritakse võimalust kasutada titaani soojusvaheti torude valmistamisel, mis peaks olema torusid väljastpoolt pestavas merevees korrosioonikindel ja samas vastu pidama nende sees voolava heitgaasi kondensaadi mõjudele. Kaalutakse võimalust valmistada titaanist antenne ja radaripaigaldiste komponente, mis peavad olema vastupidavad suitsugaaside ja merevee mõjule. Titaani saab kasutada ka selliste osade tootmiseks nagu ventiilid, propellerid, turbiiniosad jne.

Suurtükivägi. Ilmselt võib suurimaks potentsiaalseks titaani tarbijaks kujuneda suurtükivägi, kus praegu käib intensiivne uurimistöö erinevate prototüüpide osas. Kuid selles valdkonnas on standardiseeritud ainult üksikute osade ja titaanist valmistatud osade tootmine. Titaani üsna piiratud kasutamine suurtükiväes ja suure uurimisulatusega on seletatav selle kõrgete kuludega.

Uuriti erinevaid suurtükiväe varustuse osi, pidades silmas võimalust asendada tavapärased materjalid titaaniga, tingimusel et titaani hind langeb. Põhitähelepanu pöörati osadele, mille puhul on kaalu vähendamine hädavajalik (käsitsi kantavad ja õhuga transporditavad osad).

Mördi alusplaat terase asemel titaanist. Sellise asendusega ja pärast mõningast muutmist oli kahest poolest koosneva terasplaadi asemel kogukaaluga 22 kg võimalik luua üks 11 kg kaaluv osa. Tänu sellele asendamisele on võimalik teeninduspersonali arvu vähendada kolmelt kahele. Kaalutakse võimalust kasutada titaani relvade leegipidurite valmistamiseks.

Katsetatakse titaanist valmistatud püstolialuseid, vankririste ja tagasilöögisilindreid. Titaani saab laialdaselt kasutada juhitavate mürskude ja rakettmürskude tootmisel.

Esimesed titaani ja selle sulamite uuringud näitasid võimalust valmistada neist soomusplaate. Terasest soomuse (paksus 12,7 mm) asendamine sama mürsu takistusega (16 mm paksuse) titaansoomusega võimaldab nende uuringute kohaselt säästa kuni 25% kaalust.

Titaanisulamid kõrge kvaliteet võimaldab loota võimalusele asendada terasplaadid võrdse paksusega titaanplaatidega, mis säästab kuni 44% kaalust. Titaani tööstuslik kasutamine tagab suurema manööverdusvõime, suurendab transpordi ulatust ja relva vastupidavust. Praegune arengutase õhutransport teeb ilmseks kergete soomusautode ja muude titaanist valmistatud sõidukite eelised. Suurtükiväeosakond kavatseb tulevikus varustada jalaväe titaanist valmistatud kiivrite, tääkide, granaadiheitjate ja käsileegiheitjatega. Titaanisulamit kasutati esmakordselt suurtükiväes mõnede automaatrelvade kolbide valmistamiseks.

Transport. Paljud titaani kasutamise eelised soomusmaterjalide tootmisel kehtivad ka sõidukite puhul.

Transporditehnikaettevõtetes praegu tarbitavate konstruktsioonimaterjalide asendamine titaaniga peaks kaasa tooma kütusekulu vähenemise, kandevõime suurenemise, vändamehhanismide osade väsimuspiiri suurenemise jne. raudteed on oluline vähendada surnud kaalu. Veeremi kogumassi märkimisväärne vähenemine titaani kasutamise tõttu säästab veojõudu, vähendab kaelade ja teljepuksi mõõtmeid.

Haagiste puhul on oluline ka kaal. Siin tõstaks kandevõimet ka terase asendamine titaaniga telgede ja rataste tootmisel.

Kõiki neid võimalusi saaks realiseerida titaani hinna alandamisega 15-lt 2-3 dollarile titaanist pooltoodete naela kohta.

Keemiatööstus. Keemiatööstuse seadmete tootmisel on metalli korrosioonikindlus ülimalt oluline. Samuti on oluline vähendada seadmete kaalu ja suurendada tugevust. Loogiliselt tuleks eeldada, et titaan võib anda sellest hapete, leeliste ja anorgaaniliste soolade transportimise seadmete tootmisel mitmeid eeliseid. Täiendavad võimalused titaani kasutamiseks on avanemas selliste seadmete tootmisel nagu mahutid, kolonnid, filtrid ja kõikvõimalikud kõrgsurveballoonid.

Titaantorustiku kasutamine võib parandada küttespiraalide efektiivsust labori autoklaavides ja soojusvahetites. Titaani kasutatavust balloonide tootmisel, milles gaase ja vedelikke hoitakse pikka aega rõhu all, annab tunnistust põlemissaaduste mikroanalüüsi kasutamine raskema klaastoru asemel (näidatud pildi ülaosas). Väikese seinapaksuse ja väikese erikaalu tõttu saab seda toru kaaluda väiksematel, tundlikumatel analüütilistel kaaludel. Siin parandab kerguse ja korrosioonikindluse kombinatsioon keemilise analüüsi täpsust.

Muud rakendused. Titaani kasutamine on otstarbekas toiduaine-, nafta- ja elektritööstuses, aga ka kirurgiliste instrumentide valmistamisel ja kirurgias endas.

Titaanist valmistatud toiduvalmistamise lauad, aurutamislauad on kvaliteetsemad kui terastooted.

Nafta- ja gaasipuurimistööstuses on korrosioonivastane võitlus väga oluline, seega võimaldab titaani kasutamine korrodeeruvaid seadmete vardaid harvemini välja vahetada. Katalüütilises tootmises ja naftajuhtmete valmistamisel on soovitav kasutada titaani, mis säilitab kõrgel temperatuuril mehaanilised omadused ja on hea korrosioonikindlusega.

Elektritööstuses saab titaani hea eritugevuse, kõrge elektritakistuse ja mittemagnetiliste omaduste tõttu kasutada kaablite soomustamiseks.

Erinevates tööstusharudes hakatakse kasutama titaanist valmistatud ühel või teisel kujul kinnitusvahendeid. Titaani kasutuse edasine laiendamine on võimalik kirurgiliste instrumentide valmistamisel, seda peamiselt selle korrosioonikindluse tõttu. Titaanist instrumendid on selles osas paremad kui tavalised kirurgiainstrumendid, kui neid korduvalt keeta või autoklaavida.

Kirurgia vallas osutus titaan paremaks kui vitallium ja roostevaba teras. Titaani olemasolu kehas on üsna vastuvõetav. Luude kinnitamiseks titaanist valmistatud plaat ja kruvid olid looma kehas mitu kuud ning luu kasvas kruvide keermetesse ja plaadi auku.

Titaani eelis seisneb ka selles, et plaadile tekib lihaskude.

Ligikaudu pooled maailmas toodetud titaanitoodetest suunatakse tavaliselt tsiviillennukitööstusesse, kuid selle langus pärast tuntud traagilisi sündmusi sunnib paljusid tööstusharus osalejaid otsima titaanile uusi rakendusi. See materjal esindab esimest osa välismaises metallurgiaajakirjanduses ilmunud publikatsioonidest, mis on pühendatud titaani väljavaadetele aastal kaasaegsed tingimused. Ühe juhtiva Ameerika titaani RT1 tootja sõnul moodustab 50-60 tuhat tonni aastas titaani kogutoodangust maailma mastaabis kosmosetööstuse segment kuni 40 tarbimist, tööstuslikku rakendust ja rakendust. 34 ja militaarala 16 ning umbes 10 moodustasid titaani kasutamise tarbekaupades. Titaani tööstuslikud rakendused hõlmavad keemilisi protsesse, energeetikat, nafta- ja gaasitööstust ning magestamistehaseid. Sõjalised mittelennunduslikud rakendused hõlmavad peamiselt kasutamist suurtükiväes ja lahingumasinates. Titaani olulisel määral kasutavateks sektoriteks on autotööstus, arhitektuur ja ehitus, sporditarbed ja ehted. Peaaegu kogu valuplokkides olev titaan toodetakse USA-s, Jaapanis ja SRÜ riikides – Euroopa moodustab vaid 3,6 kogu maailma mahust. Titaani lõppkasutuse piirkondlikud turud on väga erinevad – kõige ilmekam näide originaalsusest on Jaapan, kus tsiviillennunduse sektor moodustab vaid 2-3, kasutades 30 keemiatehaste seadmetes ja konstruktsioonielementides titaani kogutarbimisest. Ligikaudu 20% Jaapani kogunõudlusest moodustab tuumaenergia ja tahkekütusel töötavad elektrijaamad, ülejäänu on arhitektuur, meditsiin ja sport. USAs ja Euroopas, kus eranditult, on täheldatud vastupidist pilti suur tähtsus on tarbimine kosmosesektoris - vastavalt 60-75 ja 50-60 iga piirkonna kohta. USA-s on traditsiooniliselt tugevad lõppturud kemikaalid, meditsiiniseadmed, tööstusseadmed, samas kui Euroopas on suurim osakaal nafta- ja gaasitööstusel ning ehitustööstusel. Suur sõltuvus kosmosetööstusest on olnud titaanitööstuse jaoks pikaajaline mure, mis püüab titaani rakendusi laiendada, eriti ülemaailmse tsiviillennunduse praeguses languses. USA geoloogiateenistuse andmetel oli 2003. aasta esimeses kvartalis märgatav langus titaankäsna impordis - kõigest 1319 tonni, mis on 62 võrra vähem kui 3431 tonni 2002. aasta samal perioodil. Lennundussektor on alati üks juhtivaid titaaniturge, kuid meie, titaanitööstuses, peame väljakutsetele vastu astuma ja tegema kõik endast oleneva, et tagada, et meie tööstuses ei tekiks kosmosetööstuse arengu- ja majanduslanguse tsükleid. Mõned titaanitööstuse juhtivad tootjad näevad kasvavaid võimalusi olemasolevatel turgudel, millest üks on veealuste seadmete ja materjalide turg. RT1 müügi- ja jaotusjuhi Martin Proko sõnul on titaani kasutatud elektritootmises ja veealustes rakendustes pikka aega, alates 1980. aastate algusest, kuid alles viimase viie aasta jooksul on need valdkonnad stabiilselt arenenud ja vastavalt kasvanud ka turunišš. Merealuses sektoris on kasvu taga peamiselt puurimine suurematel sügavustel, kus titaan on sobivaim materjal. Selle nii-öelda veealune elutsükkel on viiskümmend aastat, mis vastab veealuste projektide tavapärasele kestusele. Oleme juba loetlenud valdkonnad, kus on tõenäoline titaani kasutamise suurenemine. Howmet Ti-Casti müügijuht Bob Funnell märgib, et turu hetkeseisu võib näha kasvuvõimalustena uutes valdkondades, nagu näiteks veoautode turboülelaadurite, rakettide ja pumpade pöörlevad osad.

Üks meie käimasolevatest projektidest on 155 mm kaliibriga kergete suurtükiväesüsteemide BAE Butitzer XM777 arendamine. Newmet tarnib 17 28-st konstruktsioonilisest titaansõlmest iga püstolikinnituse jaoks, tarned USA merejalaväele 2004. aasta augustis. 9800 naela ja ligikaudu 4,44 tonni kaaluva püstoli kogumassiga titaan moodustab 2600 naela ja ligikaudu 1,18 tonni titaani – kasutatakse suure hulga valanditega 6A14U sulamit, ütleb tuletoetussüsteemide juht Frank Hrster. BAE Sy81et8. See XM777 süsteem peab asendama praeguse M198 Newitzeri süsteemi, mis kaalub umbes 17 000 naela ja umbes 7,71 tonni. Masstootmine on kavandatud perioodiks 2006-2010 - esialgu on plaanis tarned USA-sse, Suurbritanniasse ja Itaaliasse, kuid programmi võidakse laiendada tarnetele NATO liikmesriikidesse. John Barber Timetist juhib tähelepanu, et näiteks sõjatehnikast, mille ehitamisel kasutatakse märkimisväärses koguses titaani, on Abramé tank ja Bradley lahingumasin. Viimased kaks aastat on käimas NATO, USA ja Ühendkuningriigi ühisprogramm titaani kasutamise intensiivistamiseks relvastuses ja kaitsesüsteemides. Nagu korduvalt märgitud, sobib titaan autotööstuses kasutamiseks väga hästi, kuid selle suuna osakaal on üsna tagasihoidlik - umbes 1 titaani kogutarbimisest ehk 500 tonni aastas itaallaste hinnangul. ettevõte Poggipolini, vormel-1 ja võidusõidumootorrataste titaankomponentide ja osade tootja. Selle ettevõtte uurimis- ja arendustegevuse juht Daniele Stoppolini usub, et praegune nõudlus titaani järele selles turusegmendis on 500 tonni tasemel, kuna seda materjali kasutatakse massiliselt ventiilide, vedrude, väljalaskesüsteemide, jõuülekande ehitamisel. võllid, poldid, võivad potentsiaalselt tõusta peaaegu mitte 16 000 tonnini aastas. Ta lisas, et tema ettevõte on alles alustamas titaanpoltide automatiseeritud tootmise arendamist, et tootmiskulusid vähendada. Tema hinnangul on piiravad tegurid, mille tõttu titaani kasutamine autotööstuses oluliselt ei laiene, nõudluse ettearvamatus ja ebakindlus tooraine tarnimisega. Samal ajal jääb autotööstuses titaanile suur potentsiaalne nišš, mis ühendab endas spiraalvedrude ja heitgaasisüsteemide optimaalsed kaalu- ja tugevusomadused. Kahjuks märgib Ameerika turul titaani laialdast kasutamist nendes süsteemides vaid üsna eksklusiivne poolsportmudel Chevrolet Corvette Z06, mis ei saa kuidagi pretendeerida massiautole. Kütusesäästu ja korrosioonikindluse jätkuvate väljakutsete tõttu on titaani väljavaated selles valdkonnas siiski säilinud. Mitte-lennundus- ja mittesõjaliste rakenduste turgudel heakskiitmiseks loodi hiljuti selle nime all ühisettevõte UNITI, kus mängitakse sõna ühtsus - unity ja Ti - titaani tähistus perioodilisuse tabelis kui osa maailma süsteemist. juhtivad titaanitootjad - Ameerika Allegheny Technologies ja Venemaa VSMPO-Avisma. Nagu uue ettevõtte president Carl Moulton ütles, jäeti need turud teadlikult välja – me kavatseme uus ettevõte juhtiv tarnija tööstusharudele, mis kasutavad titaanosi ja -kooste, peamiselt naftakeemiatööstuses ja elektritootmises. Lisaks kavatseme aktiivselt turundada magestamisseadmete, sõidukite, tarbekaupade ja elektroonika valdkonnas. Usun, et meie tootmisruumid täiendavad üksteist hästi – VSMPO-l on silmapaistvad võimalused lõpptoodete tootmiseks, Alleghenyl on suurepärased traditsioonid külm- ja kuumvaltsitud titaanist toodete valmistamisel. UNITI osa ülemaailmsel titaantoodete turul on eeldatavasti 45 miljonit naela ehk ligikaudu 20 411 tonni. Meditsiiniseadmete turgu võib pidada stabiilselt arenevaks turuks – Briti Titanium International Groupi andmetel on maailmas aastane titaani sisaldus erinevates implantaatides ja proteesides umbes 1000 tonni ning see näitaja kasvab, kuna kirurgia võimalused asendada. inimese liigesed pärast õnnetusi või vigastusi. Lisaks paindlikkuse, tugevuse, kerguse ilmsetele eelistele sobib titaan kehaga väga hästi ka bioloogilises mõttes, kuna inimkehas puudub korrosioon kudedele ja vedelikele. Hambaravis kasvab hüppeliselt ka proteeside ja implantaatide kasutamine – Ameerika hambaarstide liidu andmetel kolmel korral viimase kümne aasta jooksul, suuresti tänu titaani omadustele. Kuigi titaani kasutamine arhitektuuris ulatub enam kui 25 aasta taha, on selle laialdane kasutamine selles valdkonnas alanud alles viimastel aastatel. Araabia Ühendemiraatides asuva Abu Dhabi lennujaama laiendus, mis peaks valmima 2006. aastal, kasutab kuni 1,5 miljonit naela ligikaudu 680 tonni titaani. Päris palju erinevaid titaani kasutavaid arhitektuuri- ja ehitusprojekte plaanitakse ellu viia mitte ainult arenenud riikides USA-s, Kanadas, Suurbritannias, Saksamaal, Šveitsis, Belgias, Singapuris, vaid ka Egiptuses ja Peruus.

Tarbekaupade turusegment on praegu titaanituru kõige kiiremini kasvav segment. Kui 10 aastat tagasi oli see segment titaani turust vaid 1-2, siis tänaseks on see kasvanud 8-10-le turust. Üldiselt kasvas titaani tarbimine tarbekaupade tööstuses ligikaudu kaks korda kiiremini kui kogu titaaniturg. Titaani kasutamine spordis on pikim ja sellel on suurim osa titaani kasutamisest tarbekaupades. Titaani populaarsuse põhjus spordivarustuses on lihtne - see võimaldab teil saavutada mis tahes muu metalliga võrreldes parema kaalu ja tugevuse suhte. Titaani kasutamine jalgratastes algas umbes 25-30 aastat tagasi ja oli esimene titaani kasutamine spordivarustuses. Peamiselt kasutatakse Ti3Al-2.5V ASTM klassi 9 sulamist torusid.Teised titaanisulamitest valmistatud osad on pidurid, ketirattad ja istmevedrud. Titaani hakkasid golfikeppide valmistamisel kasutama Jaapanis 80ndate lõpus ja 90ndate alguses. Enne aastaid 1994–1995 oli see titaani kasutamine USA-s ja Euroopas praktiliselt tundmatu. See muutus, kui Callaway tutvustas oma Ruger Titanium titaanpulga, mida nimetatakse Great Big Berthaks. Tänu Callaway ilmselgetele eelistele ja läbimõeldud turundusele said titaaniklubid koheselt populaarseks. Lühikese aja jooksul on titaankepid muutunud väikese golfimängijate eksklusiivse ja kalli varustuse asemel enamiku golfimängijate poolt laialdaselt kasutatavaks, olles samas kallimad kui teraskepid. Tooksin välja peamised minu arvates golfituru arengutrendid, mis on teiste suure tööjõuga tööstusharude teed järgides jõudnud lühikese 4-5 aastaga kõrgtehnoloogiast masstootmiseni. kulud nagu rõivaste, mänguasjade ja olmeelektroonika tootmine, golfikeppide tootmine on läinud odavaima tööjõuga riikidesse esmalt Taiwanisse, seejärel Hiinasse ja nüüd ehitatakse tehaseid veelgi odavama tööjõuga riikidesse, näiteks Vietnamisse. ja Tais kasutatakse titaani kindlasti autojuhtide jaoks, kus selle suurepärased omadused annavad selge eelise ja õigustavad kõrgemat hinda. Titaan pole aga järgmistel klubidel veel väga laialdast kasutust leidnud, kuna olulist kulude kasvu ei toeta mängu vastav paranemine.Praegu toodetakse draivereid peamiselt sepistatud löögipinnaga, sepistatud või valatud ülaosaga ja valatud põhi.Hiljuti lubas Professionaalse Golfi Liit ROA tõsta nn tootlusteguri ülemist piiri, millega seoses püüavad kõik klubitootjad tõsta löögipinna vedruomadusi. Selleks on vaja vähendada löögipinna paksust ja kasutada selleks tugevamaid sulameid nagu SP700, 15-3-3-3 ja VT-23. Nüüd keskendume titaani ja selle sulamite kasutamisele muudel spordivahenditel. Võistlusrataste torud ja muud osad on valmistatud ASTM 9. klassi Ti3Al-2,5 V sulamist. Sukeldumisnugade valmistamisel kasutatakse üllatavalt palju titaanlehte. Enamik tootjaid kasutab Ti6Al-4V sulamit, kuid see sulam ei taga tera servade vastupidavust nagu teised tugevamad sulamid. Mõned tootjad lähevad üle BT23 sulami kasutamisele.

Titaanist sukeldumisnugade jaehind on umbes 70-80 dollarit. Valatud titaanist hobuserauad vähendavad oluliselt kaalu võrreldes terasega, pakkudes samal ajal vajalikku tugevust. Kahjuks selline titaani kasutamine ei realiseerunud, sest titaanist hobuserauad sädelesid ja hirmutasid hobuseid. Vähesed nõustuvad pärast esimesi ebaõnnestunud katseid kasutama titaanist hobuseraua. Californias Newport Beachis asuv Titanium Beach on välja töötanud Ti6Al-4V sulamist uisuterad. Kahjuks on siin jällegi probleemiks labade serva vastupidavus. Arvan, et sellel tootel on võimalus elada, kui tootjad kasutavad tugevamaid sulameid nagu 15-3-3-3 või BT-23. Titaani kasutatakse väga laialdaselt mägironimisel ja matkamisel, peaaegu kõigi esemete jaoks, mida mägironijad ja matkajad seljakotis kaasas kannavad, pudelid, tassid 20–30 dollari jaemüük, toiduvalmistamiskomplektid umbes 50 dollari jaemüük, sööginõud, mis on enamasti valmistatud kaubanduslikult puhtast 1. ja 2. klassi titaanist. Muud näited Ronimis- ja matkavarustusest on kompaktsed pliidid, telgiriiulid ja -alused, jäänaasklid ja jääkruvid. Relvatootjad on hiljuti hakanud tootma titaanpüstoleid nii sportlaskmise kui ka õiguskaitserakenduste jaoks.

Tarbeelektroonika on titaanile üsna uus ja kiiresti kasvav turg. Titaani kasutamine olmeelektroonikas ei tulene paljudel juhtudel ainult selle suurepärastest omadustest, vaid ka toodete atraktiivsest välimusest. Kaubanduslikult puhast 1. klassi titaani kasutatakse sülearvutite, mobiiltelefonide, plasma-lameekraantelerite ja muude elektroonikaseadmete ümbriste valmistamiseks. Titaani kasutamine kõlarite konstruktsioonis tagab paremad akustilised omadused, kuna titaan on terasest kergem, mis suurendab akustilist tundlikkust. Titaanist kellad, mille Jaapani tootjad esmakordselt turule tõid, on nüüdseks ühed soodsaimad ja tunnustatumad titaanist tarbijatooted. Maailma titaani tarbimist traditsiooniliste ja nn kantavate ehete valmistamisel mõõdetakse mitmekümne tonniga. Üha enam võib näha titaanist abielusõrmuseid ja loomulikult on kehal ehteid kandvad inimesed lihtsalt kohustatud titaani kasutama. Titaani kasutatakse laialdaselt merekinnituste ja liitmike valmistamisel, kus kõrge korrosioonikindluse ja tugevuse kombinatsioon on väga oluline. Los Angeleses asuv Atlas Ti toodab laias valikus neid VTZ-1 sulamist tooteid. Titaani kasutati tööriistade tootmisel esmakordselt Nõukogude Liidus 80ndate alguses, kui valitsuse korraldusel valmistati tööliste tööd hõlbustavaid kergeid ja mugavaid tööriistu. Nõukogude titaanitootmishiiglane Verkhne-Saldinskoje Metalworking Tootmisühing toodeti sel ajal titaanist labidaid, naelatõmbajaid, kangvardaid, kirveid ja võtmeid.

Hiljem hakkasid Jaapani ja Ameerika tööriistatootjad oma toodetes kasutama titaani. Mitte nii kaua aega tagasi sõlmis VSMPO Boeinguga lepingu titaanplaatide tarnimiseks. Sellel lepingul oli kahtlemata väga kasulik mõju titaanitootmise arengule Venemaal. Titaani on meditsiinis laialdaselt kasutatud juba aastaid. Eelised on tugevus, korrosioonikindlus ja mis kõige tähtsam, mõned inimesed on allergilised roostevaba terase vajaliku komponendi nikli suhtes, samas kui titaani suhtes pole keegi allergiline. Kasutatavad sulamid on kaubanduslikult puhas titaan ja Ti6-4Eli. Titaani kasutatakse kirurgiliste instrumentide, sise- ja välisproteeside, sealhulgas kriitiliste, näiteks südameklapi, valmistamisel. Kargud ja ratastoolid on valmistatud titaanist. Titaani kasutamine kunstis pärineb aastast 1967, mil Moskvas püstitati esimene titaanist monument.

Praegu on peaaegu kõikidel mandritel püstitatud märkimisväärne hulk titaanist monumente ja ehitisi, sealhulgas selliseid kuulsaid nagu Guggenheimi muuseum, mille ehitas Bilbaosse arhitekt Frank Gehry. Materjal on kunstiinimeste seas väga populaarne oma värvi, välimuse, tugevuse ja korrosioonikindluse poolest. Nendel põhjustel kasutatakse titaani suveniiride ja ehete pudukaupades, kus see konkureerib edukalt selliste väärismetallidega nagu hõbe ja isegi kuld. RTi Martin Proko sõnul on titaankäsna keskmine hind USA-s 3.80 nael, Venemaal 3.20 nael. Lisaks sõltub metalli hind suuresti kommertslennunduse tööstuse tsüklilisusest. Paljude projektide areng võib järsult kiireneda, kui leitakse viise titaani tootmise ja töötlemise, vanametalli töötlemise ja sulatustehnoloogiate kulude vähendamiseks, ütles Saksa Deutshe Titani tegevdirektor Markus Holz. British Titanium nõustub, et titaanitoodete laienemist pidurdavad kõrged tootmiskulud ja enne titaani masstootmist tuleb teha palju parandusi. kaasaegsed tehnoloogiad.

Üheks sammuks selles suunas on nn FFC protsessi arendamine, mis on metallilise titaani ja sulamite tootmise uus elektrolüütiline protsess, mille maksumus on oluliselt madalam. Daniele Stoppolini sõnul nõuab titaanitööstuse üldine strateegia iga uue turu jaoks sobivaimate sulamite, tootmistehnoloogia väljatöötamist ja titaani kasutamist.

Allikad

Vikipeedia – vaba entsüklopeedia, Vikipeedia

metotech.ru - Metotehnika

housetop.com – maja ülaosa

atomsteel.com – Atomi tehnoloogia

domremstroy.ru – DomRemStroy

MÄÄRATLUS

Titaan- perioodilise tabeli kahekümne teine ​​element. Nimetus - Ti ladinakeelsest sõnast "titanium". Asub neljandas perioodis, IVB rühm. Viitab metallidele. Tuumalaeng on 22.

Titaan on looduses väga levinud; titaanisisaldus maakoores on 0,6% (massi järgi), s.o. kõrgem kui selliste tehnoloogias laialt kasutatavate metallide nagu vask, plii ja tsink sisaldus.

Lihtsa aine kujul on titaan hõbevalge metall (joonis 1). Viitab kergmetallidele. Tulekindel. Tihedus - 4,50 g/cm 3. Sulamis- ja keemistemperatuurid on vastavalt 1668 o C ja 3330 o C. Korrosioonikindel normaaltemperatuuril õhuga kokkupuutel, mis on seletatav TiO 2 koostisega kaitsekile olemasoluga selle pinnal.

Riis. 1. Titaan. Välimus.

Titaani aatom- ja molekulmass

Aine suhteline molekulmass(M r) on arv, mis näitab, mitu korda on antud molekuli mass suurem kui 1/12 süsinikuaatomi massist ja elemendi suhteline aatommass(A r) - mitu korda on keemilise elemendi aatomite keskmine mass suurem kui 1/12 süsinikuaatomi massist.

Kuna titaan eksisteerib vabas olekus monoatomiliste Ti molekulide kujul, langevad selle aatom- ja molekulmassi väärtused kokku. Need on võrdsed 47,867-ga.

Titaani isotoobid

On teada, et titaan võib looduses esineda viie stabiilse isotoobi 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti ja 50Ti kujul. Nende massinumbrid on vastavalt 46, 47, 48, 49 ja 50. Titaani isotoobi 46 Ti aatomituum sisaldab kakskümmend kaks prootonit ja kakskümmend neli neutronit ning ülejäänud isotoobid erinevad sellest ainult neutronite arvu poolest.

Seal on kunstlikke titaani isotoope massinumbritega 38–64, millest kõige stabiilsem on 44 Ti, mille poolestusaeg on 60 aastat, samuti kaks tuumaisotoopi.

titaani ioonid

Titaani aatomi välisenergia tasemel on neli valentselektroni:

1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 p 2 4 s 2 .

Keemilise interaktsiooni tulemusena loovutab titaan oma valentselektronid, s.o. on nende doonor ja muutub positiivselt laetud iooniks:

Ti 0 -2e → Ti 2+;

Ti 0 -3e → Ti 3+;

Ti 0 -4e → Ti 4+ .

Titaani molekul ja aatom

Vabas olekus eksisteerib titaan monoatomiliste Ti molekulide kujul. Siin on mõned omadused, mis iseloomustavad titaani aatomit ja molekuli:

Titaanisulamid

Titaani peamine omadus, mis aitab kaasa selle laialdasele kasutamisele kaasaegses tehnoloogias, on nii titaani enda kui ka selle alumiiniumi ja teiste metallidega sulamite kõrge kuumakindlus. Lisaks on need sulamid kuumakindlus - vastupidavus kõrgete mehaaniliste omaduste säilitamiseks kõrgendatud temperatuuridel. Kõik see muudab titaanisulamid väga väärtuslikeks materjalideks lennukite ja rakettide tootmiseks.

Kõrgel temperatuuril ühineb titaan halogeenide, hapniku, väävli, lämmastiku ja muude elementidega. See on aluseks rauaga (ferrotitaaniga) titaanisulamite kasutamisele terase lisandina.

Näited probleemide lahendamisest

NÄIDE 1

NÄIDE 2

Harjutus	Arvutage 47,5 g kaaluva titaan(IV)kloriidi redutseerimisel magneesiumiga eralduv soojushulk. Termokeemilise reaktsiooni võrrandil on järgmine kuju:
Lahendus	Kirjutame uuesti termokeemilise reaktsiooni võrrandi: TiCl 4 + 2Mg \u003d Ti + 2MgCl 2 \u003d 477 kJ. Reaktsioonivõrrandi järgi sisenes sellesse 1 mol titaan(IV)kloriidi ja 2 mol magneesiumi. Arvutage võrrandi järgi titaan(IV)kloriidi mass, s.o. teoreetiline mass (moolmass - 190 g / mol): m teoor (TiCl 4) = n (TiCl 4) × M (TiCl 4); m teoor (TiCl 4) \u003d 1 × 190 \u003d 190 g. Teeme proportsiooni: m prac (TiCl 4) / m teooria (TiCl 4) \u003d Q prac / Q teoor. Seejärel vabaneb titaan(IV)kloriidi redutseerimisel magneesiumiga soojushulk: Q prac \u003d Q teoor × m prac (TiCl 4) / m teoor; Q prac = 477 × 47,5 / 190 \u003d 119,25 kJ.
Vastus	Soojushulk on 119,25 kJ.

Titaan (Titanium), Ti, on D. I. Mendelejevi perioodilise elementide süsteemi IV rühma keemiline element. Seerianumber 22, aatommass 47,90. Koosneb 5 stabiilsest isotoobist; on saadud ka kunstlikult radioaktiivseid isotoope.

1791. aastal leidis inglise keemik W. Gregor Menakani linnast (Inglismaa, Cornwall) liiva seest uue "maa", mida ta nimetas Menakani omaks. 1795. aastal avastas saksa keemik M. Klairot mineraalrutiilis seni tundmatu maa, mille metalli nimetas titaaniks [kreeka keeles. mütoloogias on titaanid Uraani (Taevas) ja Gaia (Maa) lapsed]. 1797. aastal tõestas Klaproth selle maa samasust W. Gregori avastatuga. Puhta titaani eraldas 1910. aastal Ameerika keemik Hunter, redutseerides titaantetrakloriidi raudpommis naatriumiga.

Looduses olemine

Titaan on looduses üks levinumaid elemente, selle sisaldus maakoores on 0,6% (massist). See esineb peamiselt TiO 2 dioksiidi või selle ühendite - titanaatide kujul. Mineraalidest on teada üle 60, mille hulgas on ka titaan.Seda leidub ka pinnases, looma- ja taimeorganismides. Ilmeniit FeTiO 3 ja rutiil Titaani tootmise peamine tooraine on TiO 2. Titaani allikana muutuvad oluliseks sulatamisel tekkivad räbud titaanmagnetiidid ja ilmeniit.

Füüsilised ja keemilised omadused

Titaan eksisteerib kahes olekus: amorfne - tumehall pulber, tihedus 3,392-3,395 g / cm 3 ja kristalne, tihedus 4,5 g / cm 3. Kristallilise titaani puhul on teada kaks modifikatsiooni üleminekupunktiga 885° (alla 885°, stabiilne kuusnurkne vorm, üleval - kuup); t° pl umbes 1680°; t° kip üle 3000°. Titaan neelab aktiivselt gaase (vesinik, hapnik, lämmastik), mis muudavad selle väga hapraks. Tehniline metall sobib kuumsurvetöötluseks. Täiesti puhast metalli saab külmvaltsida. Tavatemperatuuril õhus titaan ei muutu, kuumutamisel moodustab oksiidi Ti 2 O 3 ja nitriidi TiN segu. Hapniku voolus punasel kuumusel oksüdeeritakse see dioksiidiks TiO 2. Kõrgel temperatuuril reageerib süsiniku, räni, fosfori, väävliga jne. Vastupidav mereveele, lämmastikhappele, märjale kloorile, orgaanilistele hapetele ja tugevatele leelistele. See lahustub väävel-, vesinikkloriid- ja vesinikfluoriidhappes, kõige paremini HF ja HNO 3 segus. Hapetele oksüdeeriva aine lisamine kaitseb metalli toatemperatuuril korrosiooni eest. Tetravalentsed titaanhalogeniidid, välja arvatud TiCl 4 - kristalsed kehad, sulavad ja lenduvad vesilahuses, hüdrolüüsitud, kalduvad moodustama kompleksühendeid, millest kaaliumfluorotitanaat K 2 TiF 6 on oluline tehnoloogias ja analüütilises praktikas. Suure tähtsusega on TiC-karbiid ja TiN-nitriid - metallitaolised ained, mida eristab kõrge kõvadus (titaankarbiid on karborundist kõvem), tulekindlus (TiC, t ° pl = 3140 °; TiN, t ° pl = 3200 °) ja hea elektrijuhtivusega.

Keemiline element number 22. Titaan.

Titaani elektrooniline valem on: 1s 2 |2s 2 2p 6 |3s 2 3p 6 3d 2 |4s 2 .

Titaani seerianumber keemiliste elementide perioodilises süsteemis D.I. Mendelejev - 22. Elemendi number näitab jardi laengut, seetõttu on titaanil tuumalaeng +22, tuuma mass on 47,87. Titaan on neljandas perioodis, teiseses alarühmas. Perioodi number näitab elektronikihtide arvu. Rühma number näitab valentselektronide arvu. Külgmine alarühm näitab, et titaan kuulub d-elementide hulka.

Titaanil on kaks valentselektroni väliskihi s-orbitaalis ja kaks valentselektroni eelväliskihi d-orbitaalis.

Iga valentselektroni kvantarvud:

4s4s 3d

Halogeenide ja vesinikuga moodustab Ti(IV) TiX 4 tüüpi ühendeid, millel on sp 3 → q 4 hübridisatsioonitüüp.

Titaan on metall. On d-rühma esimene element. Kõige stabiilsem ja levinum on Ti +4. On ka madalama oksüdatsiooniastmega ühendeid -Ti 0, Ti -1, Ti +2, Ti +3, kuid need ühendid oksüdeeruvad õhu, vee või muude reagentide toimel kergesti Ti +4-ks. Nelja elektroni eraldumine nõuab palju energiat, mistõttu Ti +4 iooni tegelikult ei eksisteeri ja Ti(IV) ühendid sisaldavad tavaliselt kovalentseid sidemeid.Ti(IV) on mõnes mõttes sarnane elementidega -Si, Ge, Sn ja Pb, eriti koos Sn-ga.