Титан и его сплавы

Российский  химико-технологический  университет имени  Д.И.Менделеева

 

 
 
 
 
 
 
 
 

Доклад  по материаловедению:

«Титан  и его сплавы».

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: Шитова Вероника

Группа: ТМ-35

Проверила: Мазурова Д.В.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2011

 

Содержание

1.История происхождения

2.Нахождение  в природе

3.Получение

4. Физические  свойства

5.Химические  свойства

6. Сплавы на  основе титана

7.Классификация  титана и его сплавов

8.Список литературы

 

Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных  металлов четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Титан - металл IV группы периодической системы с атомным номером 22, атомной массой 47,3, относится к переходным элементам. Титан обладает удельным весом порядка 4500 кг/м3 и довольно высокой температурой плавления, ~1665± 5оС. Модуль упругости у титана низкий Е= 112 ГПа, почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля. Коэффициент теплопроводности составляет 18,85 Вт/(м·К), почти в 13 раз ниже, чем у алюминия и в 4 раза ниже, чем у железа. Имеет низкий коэффициент линейного термического расширения - 8,15 х 106 К-1 (50% от коэффициента расширения аустенитной нержавеющей стали). Титан обладает высоким удельным электросопротивлением.

1.История происхождения

Открытие TiO2 сделали  практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1789), выделил новую «землю» (окись) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля -- окислы одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз -- идентичные окислы титана.

Первый образец  металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 годутермическим разложением паров иодида титана TiI4.

2. Нахождение  в природе

Титан находится  на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57 % по массе, в морской воде 0,001 мг/л[3]. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных -- 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них:рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiOSiO4. Различают коренные руды титана -- ильменит-титаномагнетитовые и россыпные -- рутил-ильменит-цирконовые.

Месторождения

Месторождения титана находятся  на территории ЮАР, России, Украины, Китая, Японии, Австралии, Индии, Цейлоне, Бразилии, Южной Кореи[4].

3.Получение

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид  титана со сравнительно небольшим количеством  примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых  руд подвергают сернокислотной или  пирометаллургической переработке. Продукт  сернокислотной обработки -- порошок  диоксида титана TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая парытетрахлорида титана

TiCl4: TiO2 + 2C + 2Cl2 =TiCl4 + 2CO

Образующиеся  пары TiCl4 при 850 °C восстанавливают магнием:

TiCl4+ 2Mg = 2MgCl2+ Ti

Полученную титановую  «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.

4.Физические  свойства

Титан -- легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: ?-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 A; с=4,679 A[9]; z=2; пространственная группа C6mmc), ?-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой (a=3,269 A; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода ?-? 883 °C, ?H перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1660±20 °C, точка кипения 3260 °C, плотность ?-Ti и ?-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см?[1], атомная плотность 5,71?1022 ат/см?[источник не указан 576 дней]. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Удельное сопротивление 0,42 мкОм·м при 20 °C

Имеет высокую  вязкость, при механической обработке  склонен к налипанию на режущий  инструмент, и поэтому требуется  нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной  температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура  вспышки 400 °C.

5.Химические  свойства

Устойчив к  коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титан пирофорен[10].

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4).

Легко реагирует  даже со слабыми кислотами в присутствии  комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона [TiF6]2?.

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается с  образованием оксидных фаз переменного  состава TiOx. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)2·xH2O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO2. Гидроксид TiO(OH)2·xH2O и диоксид TiO2 амфотерны.

TiO2 взаимодействует  с серной кислотой при длительном  кипячении. При сплавлении с  содой Na2CO3 или поташом K2CO3 оксид  TiO2 образует титанат:

TiO2+K2CO3=K2TiO3+CO2.

При нагревании Ti взаимодействует с галогенами. Тетрахлорид титана TiCl4 при обычных  условиях -- бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется  сильным гидролизом TiCl4 содержащимися  в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана.

Восстановлением TiCl4 водородом, алюминием, кремнием, другими  сильными восстановителями, получен  трихлорид и дихлорид титана TiCl3 и TiCl2 -- твёрдые вещества с сильно восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br2 и I2.

С азотом N2 выше 400 °C титан образует нитрид TiNx(x=0,58-1,00). При взаимодействии титана с углеродом  образуется карбид титана TiCx (x=0,49-1,00).

При нагревании Ti поглощает H2 с образованием соединения переменного состава TiHх (x=1,0). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H2. Титан образуетсплавы со многими металлами.

6.Сплавы на  основе титана

Титан - твердый  металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза - железа и меди. Титан химически  стоек. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка TiO2, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против коррозии под напряжением. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее. При температурах выше 500°С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).

Титан имеет две полиморфные модификации:

· · низкотемпературную модификацию a -Ti, устойчивую до 882°С, (ГП - решетка а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)

· · высокотемпературную b -Ti, устойчивую выше 882оС (ОЦК решетка  а= 0,332 нм).

На механические свойства титана значительно влияют примеси кислорода, водорода, углерода и азота, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, гидриды, карбиды и нитриды, повышая его характеристики прочности при одновременном снижении пластичности. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми и даже тысячными долями процента. Опасность водородной хрупкости, особенно в напряженных сварных конструкциях ограничивает содержание водорода. В техническом титане оно находится в пределах 0,008 - 0,012%.

Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью и в условиях глубокого холода, сохраняя при этом достаточную пластичность.

Сплавы на основе титана

Для получения  сплавов титан легируют Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zr, Nb. Титан легируют для улучшения  механических свойств, реже -- для повышения  коррозионной стойкости. Удельная прочность (sв/r) титановых сплавов выше, чем  легированных сталей.

Все легирующие элементы по влиянию на полиморфизм титана подразделяются на три группы:

1. a -стабилизаторы  -- элементы, повышающие Тпп титана (Рис. 5.13 а). Из металлов к числу  a -стабилизаторов относятся Al, Ga, In, из неметаллов -- C, N, O.

2. b -стабилизаторы  --элементы, понижающие Тпп титана. Их можно разбить на три подгруппы. В сплавах титана с элементами 1 подгруппы при достаточно низкой температуре происходит эвтектоидный распад b -фазы b a a +g (Рис. 5.13 б); к их числу относятся Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, называемые эвтектоидообразующими b -стабилизаторами.

Рисунок 5.13. Влияние  легирующих элементов на температуру  полиморфного превращения титана

В сплавах титана с элементами 2 подгруппы b -раствор  сохраняется до комнатной температуры. К числу этих элементов принадлежат V, Mo, Nb, Ta. Поскольку они образуют непрерывные твердые растворы с b -титаном, их назвали изоморфными b - стабилизаторами.

В сплавах 3 подгруппы  равновесная b - фаза также стабилизируется  при комнатной температуре, но непрерывных твердых b - растворов не образуется. К элементам этой подгруппы относятся Re, Ru, родий Rh, осмий, иридий, которые в области, богатой титаном, дают с ним такую же диаграмму состояния, как и изоморфные b -стабилизаторы (см. Рис. 3). Их можно назвать квазиизоморфными b - стабилизаторами.

3. Третья группа  представлена легирующими элементами, мало влияющими на Тпп титана. Это олово, цирконий, германий, гафний  и торий, которые называют нейтральными  упрочнителями.

Почти все промышленные титановые сплавы содержат алюминий.

титан сплав  полиморфный

7.Классификация  титана и его сплавов

Технический титан  и его сплавы получают из титановой  губки. Титановая губка -- это пористое серое вещество с насыпной массой 1,5--2,0 г/см3 и очень высокой вязкостью.

В зависимости от содержания примесей технический титан подразделяют на несколько сортов: ВТ1-00 (99,53% Ti), ВТ1-0 (99,48 % Ti) и ВТ1-1 (99,44 % Ti).