Titanium. Chemisch element, symbool Ti (lat. Titanium, ontdekt in 1795 jaar en vernoemd naar de held van het Griekse epos Titan) . Heeft een serienummer 22, atoomgewicht 47,90, dichtheid 4,5 g/cm3, smeltpunt 1668° C, kookpunt 3300°C.

Titanium maakt deel uit van meer dan 70 mineralen en is een van de meest voorkomende elementen: het gehalte ervan in de aardkorst bedraagt ​​ongeveer 0,6%. Titanium lijkt qua uiterlijk op staal. Zuiver metaal is taai en kan gemakkelijk door druk worden bewerkt.

Titanium bestaat in twee varianten: tot 882°C als modificatieα met een hexagonaal dicht opeengepakt kristalrooster, en boven 882°C is de modificatie stabielβ met een op het lichaam gecentreerd kubisch rooster.

Titanium combineert grote sterkte met een lage dichtheid en hoge corrosieweerstand. Hierdoor heeft het in veel gevallen aanzienlijke voordelen ten opzichte van structurele basismaterialen als staal en aluminium . Een aantal titaniumlegeringen hebben tweemaal de sterkte van staal met een aanzienlijk lagere dichtheid en betere corrosieweerstand. Vanwege de lage thermische geleidbaarheid is het gebruik ervan voor constructies en onderdelen die onder omstandigheden met grote temperatuurverschillen werken en bij het werken onder thermische vermoeidheid echter moeilijk. De nadelen van titanium als structureel materiaal omvatten ook de relatief lage normale elasticiteitsmodulus.

Mechanisch eigenschappen zijn sterk afhankelijk van de zuiverheid van het metaal en eerdere mechanische en warmtebehandeling. Titanium met hoge zuiverheid heeft goede plastische eigenschappen.

Een karakteristieke eigenschap van titanium is het vermogen om actief gassen te absorberen - zuurstof, stikstof en waterstof. Deze gassen lossen tot op zekere hoogte op in titanium. Zelfs kleine onzuiverheden van zuurstof en stikstof verminderen de plastische eigenschappen van titanium. Een klein mengsel van waterstof (0,01-0,005%) verhoogt de kwetsbaarheid van titanium aanzienlijk.

Titanium is stabiel in de lucht bij normale temperaturen. Bij verhitting tot 400-550° Het metaal is bedekt met een oxide-nitridefilm, die stevig op het metaal wordt vastgehouden en het tegen verdere oxidatie beschermt. Bij hogere temperaturen neemt de snelheid van oxidatie en oplossing van zuurstof in titanium toe.

Titanium reageert met stikstof bij temperaturen boven 600°C° C met de vorming van een nitridefilm ( Blik) en vaste oplossingen van stikstof in titanium. Titaannitride heeft een hoge hardheid en smelt bij 2950° C.

Titanium absorbeert waterstof om vaste oplossingen en hybriden te vormen(TiH en TiH2) . In tegenstelling tot zuurstof en stikstof kan bijna alle geabsorbeerde waterstof uit titanium worden verwijderd door het in een vacuüm op 1000-1200 te verwarmen.° C.

Koolstof en koolstofhoudende gassen ( CO,CH4) reageren met titanium bij hoge temperaturen (meer dan 1000° C) met de vorming van hard en vuurvast titaniumcarbide Tic (smeltpunt 3140°C ). Het koolstofmengsel heeft een aanzienlijke invloed op de mechanische eigenschappen van titanium.

Fluor, chloor, broom en jodium interageren met titanium bij relatief lage temperaturen (100-200°C).° MET). In dit geval worden zeer vluchtige titaniumhalogeniden gevormd.

De mechanische eigenschappen van titanium zijn, in veel grotere mate dan andere metalen, afhankelijk van de mate van belasting. Daarom moeten mechanische tests van titanium worden uitgevoerd onder strikter gereguleerde en vaste omstandigheden dan het testen van andere structurele materialen.

De slagsterkte van titanium neemt aanzienlijk toe bij uitgloeien in het bereik van 200-300° C, er worden geen merkbare veranderingen in andere eigenschappen waargenomen. De grootste toename van de ductiliteit van titanium wordt bereikt na afschrikken bij temperaturen boven de polymorfe transformatietemperatuur en daaropvolgende tempering.

Zuiver titanium is geen hittebestendig materiaal, omdat de sterkte ervan sterk afneemt bij toenemende temperatuur.

Een belangrijk kenmerk van titanium is het vermogen om vaste oplossingen te vormen met atmosferische gassen en waterstof. Wanneer titanium in de lucht wordt verwarmd, wordt op het oppervlak, naast de gewone aanslag, een laag gevormd die bestaat uit een vaste oplossing op basis vanα - Ti (alfalaag), gestabiliseerd met zuurstof, waarvan de dikte afhangt van de temperatuur en de duur van de verwarming. Deze laag heeft een hogere transformatietemperatuur dan de basismetaallaag en de vorming ervan op het oppervlak van onderdelen of halffabrikaten kan brosse breuken veroorzaken.

Titanium en legeringen op titaniumbasis worden gekenmerkt door een hoge corrosieweerstand in de lucht, in natuurlijk koud en warm zoet water, in zeewater (er verscheen geen spoor van roest op de titaniumplaat na 10 jaar in zeewater), evenals in alkaliën. oplossingen, anorganische zouten, organische zuren en verbindingen, zelfs wanneer ze worden gekookt. Qua corrosiebestendigheid is titanium vergelijkbaar met chroom-nikkel roestvrij staal. Het corrodeert niet in zeewater bij contact met roestvrij staal en koper-nikkellegeringen. De hoge corrosieweerstand van titanium wordt verklaard door de vorming van een dichte, uniforme film op het oppervlak, die het metaal beschermt tegen verdere interactie met de omgeving. Ja, in een verdunde vorm zwavelzuur (tot 5%) titanium is bestand tegen kamertemperatuur. De corrosiesnelheid neemt toe met toenemende zuurconcentratie, bereikt een maximum van 40%, neemt vervolgens af tot een minimum van 60%, bereikt een tweede maximum van 80% en neemt dan weer af.

In verdund zoutzuur (5-10%) bij kamertemperatuur is titanium behoorlijk resistent. Naarmate de zuurconcentratie en temperatuur stijgen, neemt de corrosiesnelheid van titanium snel toe. Corrosie van titanium in zoutzuur kan sterk worden verminderd door kleine hoeveelheden oxidatiemiddelen toe te voegen.(HNO 3, KMnO 4, K 2 CrO 4, zouten van koper, ijzer). Titanium lost goed op in fluorwaterstofzuur. In alkalische oplossingen (concentraties tot 20%) is titanium bestand tegen kou en bij verhitting.

Als constructiemateriaal wordt titanium het meest gebruikt in de luchtvaart, raketbouw, bij de constructie van zeeschepen, bij het maken van instrumenten en in de machinebouw. Titanium en zijn legeringen behouden hoge sterkte-eigenschappen bij hoge temperaturen en kunnen daarom met succes worden gebruikt voor de vervaardiging van onderdelen die worden blootgesteld aan hoge temperaturen. Zo worden externe onderdelen van vliegtuigen (motorgondels, rolroeren, roeren) en vele andere componenten en onderdelen gemaakt van de legeringen - van de motor tot bouten en moeren. Als bijvoorbeeld stalen bouten in een van de motoren worden vervangen door titanium bouten, neemt het gewicht van de motor met bijna 100 kg af.

Titaniumoxide wordt gebruikt om titaniumwit te bereiden. Met dergelijk wit kun je meerdere malen grotere oppervlakken schilderen dan met dezelfde hoeveelheid lood- of zinkwit. Bovendien is titaanwit niet giftig. Titanium wordt veel gebruikt in de metallurgie, onder meer als legeringselement in roestvrij en hittebestendig staal. Toevoegingen van titanium aan aluminium-, nikkel- en koperlegeringen verhogen hun sterkte. Het is een integraal onderdeel van carbidelegeringen voor snijinstrumenten; chirurgische instrumenten gemaakt van titaniumlegeringen zijn ook populair. Titaandioxide wordt gebruikt om laselektroden te coaten. Titaantetrachloride (tetrachloride) wordt gebruikt in oorlogsvoering om rookgordijnen te creëren, en in vredestijd voor het ontsmetten van planten tijdens voorjaarsvorst.

In de elektrotechniek en radiotechniek wordt titanium in poedervorm gebruikt als gasabsorbeerder. Bij verhitting tot 500°C absorbeert titanium energetisch gassen en zorgt daardoor voor een hoog vacuüm in een gesloten volume.

Titanium is in sommige gevallen een onvervangbaar materiaal in de chemische industrie en de scheepsbouw. Het wordt gebruikt om onderdelen te maken die bedoeld zijn voor het verpompen van agressieve vloeistoffen, warmtewisselaars die in corrosieve omgevingen werken en ophangsystemen die worden gebruikt voor het anodiseren van verschillende onderdelen. Titanium is inert in elektrolyten en andere vloeistoffen die bij het galvaniseren worden gebruikt en is daarom geschikt voor de vervaardiging van verschillende onderdelen van galvaniseerbaden. Het wordt veel gebruikt bij de vervaardiging van hydrometallurgische apparatuur voor nikkel-kobaltfabrieken, omdat het zeer goed bestand is tegen corrosie en erosie bij contact met nikkel- en kobaltslurries bij hoge temperaturen en drukken.

Titanium is het meest resistent in oxiderende omgevingen. In reducerende omgevingen corrodeert titanium vrij snel als gevolg van de vernietiging van de beschermende oxidefilm.

Technisch titanium en zijn legeringen zijn geschikt voor alle bekende methoden van drukbehandeling. Ze kunnen in koude en warme toestand worden gerold, gestempeld, gekrompen, diepgetrokken en uitlopend. Titanium en zijn legeringen worden gebruikt voor de productie van staven, staven, strips, diverse gewalste profielen, naadloze buizen, draad en folie.

De weerstand van titanium tegen vervorming is hoger dan die van constructiestaal of koper- en aluminiumlegeringen. Titanium en zijn legeringen worden op vrijwel dezelfde manier onder druk verwerkt als austenitisch roestvast staal. Meestal wordt titanium gesmeed bij 800-1000°C. Om titanium tegen gasverontreiniging te beschermen, worden verwarmings- en drukbehandelingen in de kortst mogelijke tijd uitgevoerd. Omdat waterstof bij temperaturen > 500°C met enorme snelheden in titanium en zijn legeringen diffundeert, vindt verwarming plaats in een oxiderende atmosfeer.

Titanium en zijn legeringen hebben een verminderde bewerkbaarheid, vergelijkbaar met austenitisch roestvast staal. Voor alle soorten sneden worden de meest succesvolle resultaten bereikt bij lage snelheden en grote snededieptes, evenals bij het gebruik van snijgereedschappen gemaakt van snelstaal of harde legeringen. Vanwege de hoge chemische activiteit van titanium bij hoge temperaturen wordt het lassen uitgevoerd in een atmosfeer van inerte gassen (helium, argon). Tegelijkertijd is het noodzakelijk om niet alleen het gesmolten lasmetaal, maar alle sterk verwarmde delen van de lasproducten te beschermen tegen interactie met de atmosfeer en gassen.

Er doen zich enkele technologische problemen voor bij de productie van gietstukken uit titanium en zijn legeringen.

/mol)

Verhaal

De ontdekking van titaniumdioxide (TiO 2) werd vrijwel gelijktijdig en onafhankelijk van elkaar gedaan door de Engelsman W. Gregor en de Duitse chemicus M.G. Klaproth. W. Gregor, die de samenstelling van magnetisch ijzerhoudend zand bestudeerde (Creed, Cornwall, Engeland), isoleerde een nieuwe ‘aarde’ (oxide) van een onbekend metaal, dat hij menaken noemde. In 1795 ontdekte de Duitse chemicus Klaproth een nieuw element in het mineraal rutiel en noemde het titanium. Twee jaar later stelde Klaproth vast dat rutiel en dreigende aarde oxiden zijn van hetzelfde element, wat aanleiding gaf tot de door Klaproth voorgestelde naam ‘titanium’. Tien jaar later vond de ontdekking van titanium voor de derde keer plaats: de Franse wetenschapper L. Vauquelin ontdekte titanium in anataas en bewees dat rutiel en anataas identieke titaniumoxides zijn.

Het eerste monster titaniummetaal werd in 1825 verkregen door de Zweed JJ Berzelius. Vanwege de hoge chemische activiteit van titanium en de moeilijkheid van de zuivering ervan, werd in 1925 door de Nederlanders A. van Arkel en I. de Boer een zuiver monster van Ti verkregen door thermische ontleding van titaniumjodidedamp TiI4.

Titanium vond pas industrieel gebruik als de Luxemburger G. Kroll (Engels) Russisch patenteerde in 1940 geen eenvoudige magnesium-thermische methode voor de reductie van titaniummetaal uit tetrachloride; deze methode (Kroll-proces (Engels) Russisch) blijft tot op de dag van vandaag een van de belangrijkste in de industriële productie van titanium.

oorsprong van de naam

Het metaal kreeg zijn naam ter ere van de titanen, karakters uit de oude Griekse mythologie, de kinderen van Gaia. De naam van het element werd gegeven door Martin Klaproth in overeenstemming met zijn opvattingen over de chemische nomenclatuur, in tegenstelling tot de Franse school voor scheikunde, waar ze probeerden het element te benoemen op basis van zijn chemische eigenschappen. Omdat de Duitse onderzoeker zelf opmerkte dat het onmogelijk is om de eigenschappen van een nieuw element alleen aan de hand van het oxide te bepalen, koos hij er een naam voor uit de mythologie, naar analogie met uranium dat hij eerder had ontdekt.

In de natuur zijn

Titanium staat op de 10e plaats wat betreft prevalentie in de natuur. Het gehalte in de aardkorst bedraagt ​​0,57 gewichtsprocent, in zeewater 0,001 mg/l. In ultrabasische gesteenten 300 g/ton, in basische gesteenten - 9 kg/ton, in zure gesteenten 2,3 kg/ton, in klei en schalie 4,5 kg/ton. In de aardkorst is titanium bijna altijd vierwaardig en alleen aanwezig in zuurstofverbindingen. Niet gevonden in vrije vorm. Onder omstandigheden van verwering en neerslag heeft titanium een ​​geochemische affiniteit met Al 2 O 3 . Het is geconcentreerd in bauxiet van de verweringskorst en in mariene kleiachtige sedimenten. Titanium wordt getransporteerd in de vorm van mechanische fragmenten van mineralen en in de vorm van colloïden. In sommige kleisoorten hoopt zich tot 30 gewichtsprocent TiO 2 op. Titaniummineralen zijn bestand tegen weersinvloeden en vormen grote concentraties in placers. Er zijn meer dan 100 mineralen bekend die titanium bevatten. De belangrijkste daarvan zijn: rutiel TiO 2, ilmeniet FeTiO 3, titanomagnetiet FeTiO 3 + Fe 3 O 4, perovskiet CaTiO 3, titaniet (sfeen) CaTiSiO 5. Er zijn primaire titaniumertsen - ilmeniet-titanium-magnetiet en placer-ertsen - rutiel-ilmeniet-zirkoon.

Geboorteplaats

Grote primaire titaniumafzettingen bevinden zich in Zuid-Afrika, Rusland, Oekraïne, Canada, de VS, China, Noorwegen, Zweden, Egypte, Australië, India, Zuid-Korea, Kazachstan; placer-afzettingen zijn te vinden in Brazilië, India, de VS, Sierra Leone en Australië. In de GOS-landen worden de leidende plaatsen in de onderzochte reserves van titaniumerts ingenomen door de Russische Federatie (58,5%) en Oekraïne (40,2%). De grootste aanbetaling in Rusland is Yaregskoye.

Reserves en productie

Vanaf 2002 werd 90% van het gewonnen titanium gebruikt om titaniumdioxide TiO 2 te produceren. De wereldproductie van titaniumdioxide bedroeg 4,5 miljoen ton per jaar. De bevestigde reserves van titaniumdioxide (exclusief Rusland) bedragen volgens de US Geological Survey ongeveer 800 miljoen ton. Volgens de US Geological Survey bedragen de reserves van ilmenietertsen, in termen van titaniumdioxide en exclusief Rusland, 603-673 miljoen ton, en die van rutielerts. - 49, 7-52,7 miljoen ton. Bij het huidige winningstempo zullen de bewezen reserves aan titanium in de wereld (exclusief Rusland) dus meer dan 150 jaar meegaan.

Rusland heeft, na China, de grootste titaniumreserves ter wereld. De minerale hulpbronnen van titanium in Rusland bestaan ​​uit 20 afzettingen (waarvan 11 primaire en 9 alluviale), redelijk gelijkmatig verdeeld over het land. De grootste van de onderzochte afzettingen (Yaregskoye) ligt op 25 km van de stad Ukhta (Republiek Komi). De reserves van de afzetting worden geschat op 2 miljard ton erts met een gemiddeld titaandioxidegehalte van ongeveer 10%.

De grootste titaniumproducent ter wereld is het Russische bedrijf VSMPO-AVISMA.

Ontvangst

Het uitgangsmateriaal voor de productie van titanium en zijn verbindingen is in de regel titaniumdioxide met een relatief kleine hoeveelheid onzuiverheden. In het bijzonder kan het een rutielconcentraat zijn dat wordt verkregen door de verrijking van titaniumertsen. De reserves aan rutiel in de wereld zijn echter zeer beperkt en de zogenaamde synthetische rutiel- of titaniumslakken, verkregen door de verwerking van ilmenietconcentraten, worden vaker gebruikt. Om titaniumslakken te verkrijgen, wordt het ilmenietconcentraat gereduceerd in een vlamboogoven, terwijl ijzer wordt gescheiden in de metaalfase (gietijzer) en niet-gereduceerde titaniumoxiden en onzuiverheden de slakfase vormen. Rijke slak wordt verwerkt met behulp van de chloride- of zwavelzuurmethode.

Titaanertsconcentraat wordt onderworpen aan zwavelzuur of pyrometallurgische verwerking. Het product van de behandeling met zwavelzuur is titaandioxidepoeder TiO 2. Met behulp van de pyrometallurgische methode wordt het erts gesinterd met cokes en behandeld met chloor, waardoor titaniumtetrachloridedamp TiCl 4 ontstaat:

T ik O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T ik C l 4 + 2 C O (\displaystyle (\mathsf (TiO_(2)+2C+2Cl_(2)\rightarrow TiCl_(4)+2CO)))

De resulterende TiCl 4-dampen worden gereduceerd met magnesium bij 850 °C:

T ik C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T ik (\displaystyle (\mathsf (TiCl_(4)+2Mg\rightarrow 2MgCl_(2)+Ti)))

Bovendien begint het zogenaamde FFC Cambridge-proces, genoemd naar de ontwikkelaars Derek Fray, Tom Farthing en George Chen van de Universiteit van Cambridge, waar het werd gecreëerd, nu aan populariteit te winnen. Dit elektrochemische proces maakt de directe, continue reductie van titanium uit zijn oxide in een gesmolten mengsel van calciumchloride en ongebluste kalk (calciumoxide) mogelijk. Dit proces maakt gebruik van een elektrolytisch bad gevuld met een mengsel van calciumchloride en kalk, met een grafiet-opofferingsanode (of neutrale) en een kathode gemaakt van een reduceerbaar oxide. Wanneer er stroom door het bad wordt geleid, bereikt de temperatuur snel ~1000-1100 °C, en de smelt van calciumoxide valt bij de anode uiteen in zuurstof en calciummetaal:

2 C een O → 2 C een + O 2 (\ Displaystyle (\ mathsf (2CaO \ rechterpijl 2Ca + O_(2))))

De resulterende zuurstof oxideert de anode (bij gebruik van grafiet), en calcium migreert in de smelt naar de kathode, waar het titanium uit zijn oxide reduceert:

O 2 + C → C O 2 (\displaystyle (\mathsf (O_(2)+C\rightarrow CO_(2)))) T ik O 2 + 2 C een → T ik + 2 C een O (\displaystyle (\mathsf (TiO_(2)+2Ca\rightarrow Ti+2CaO)))

Het resulterende calciumoxide dissocieert opnieuw in zuurstof en metallisch calcium, en het proces wordt herhaald totdat de kathode volledig is omgezet in een titaniumspons of het calciumoxide is uitgeput. Bij dit proces wordt calciumchloride gebruikt als elektrolyt om elektrische geleidbaarheid te verlenen aan de smelt en mobiliteit van actieve calcium- en zuurstofionen. Bij gebruik van een inerte anode (bijvoorbeeld tindioxide) komt in plaats van kooldioxide moleculaire zuurstof vrij aan de anode, wat het milieu minder vervuilt, maar het proces wordt in dit geval minder stabiel en bovendien onder sommige omstandigheden wordt de ontleding van chloride energetisch gunstiger dan die van calciumoxide, wat resulteert in het vrijkomen van moleculair chloor.

De resulterende titanium “spons” wordt gesmolten en gereinigd. Titanium wordt verfijnd met behulp van de jodidemethode of elektrolyse, waarbij Ti van TiCl4 wordt gescheiden. Om titaniumstaven te verkrijgen, wordt boog-, elektronenstraal- of plasmaverwerking gebruikt.

Fysieke eigenschappen

Titanium is een lichtgewicht zilverwit metaal. Bij normale druk bestaat het in twee kristallijne modificaties: α-Ti bij lage temperatuur met een hexagonaal dicht opeengepakt rooster (hexagonaal systeem, ruimtegroep C 6mmc, celparameters A= 0,2953 nm, C= 0,4729 nm, Z = 2 ) en β-Ti op hoge temperatuur met kubieke lichaamsgerichte pakking (kubisch systeem, ruimtegroep Ik ben 3M, celparameters A= 0,3269 nm, Z = 2 ), overgangstemperatuur α↔β 883 °C, overgangswarmte Δ H=3,8 kJ/mol (87,4 kJ/kg). De meeste metalen stabiliseren, wanneer opgelost in titanium, de β-fase en verlagen de temperatuur van de α↔β-overgang. Bij drukken boven 9 GPa en temperaturen boven 900 °C transformeert titanium in de hexagonale fase (ω -Ti). De dichtheden van α-Ti en β-Ti bedragen respectievelijk 4,505 g/cm³ (bij 20 °C) en 4,32 g/cm³ (bij 900 °C). De atoomdichtheid van α-titanium is 5,67⋅10 22 at/cm³.

Het smeltpunt van titanium bij normale druk is 1670 ± 2 °C, of ​​1943 ± 2 K (aangenomen als een van de secundaire kalibratiepunten van de ITS-90 temperatuurschaal (Engels) Russisch). Kookpunt 3287 °C. Bij voldoende lage temperaturen (-80°C) wordt titanium behoorlijk bros. Molaire warmtecapaciteit onder normale omstandigheden C p= 25,060 kJ/(mol K), wat overeenkomt met een soortelijke warmtecapaciteit van 0,523 kJ/(kg K). Smeltwarmte 15 kJ/mol, verdampingswarmte 410 kJ/mol. De karakteristieke Debye-temperatuur is 430 K. Thermische geleidbaarheid 21,9 W/(mK) bij 20 °C. De temperatuurcoëfficiënt van lineaire uitzetting bedraagt ​​9,2·10 −6 K −1 in het bereik van −120 tot +860 °C. Molaire entropie van α-titanium S 0 = 30,7 kJ/(mol K). Voor titanium in de gasfase is de vormingsenthalpie gelijk Δ H0
F= 473,0 kJ/mol, Gibbs-energie Δ G0
F= 428,4 kJ/mol, molaire entropie S 0 = 180,3 kJ/(mol K), warmtecapaciteit bij constante druk C p= 24,4 kJ/(mol K)

Kunststof, lasbaar in een inerte atmosfeer. Sterkte-eigenschappen zijn weinig temperatuurafhankelijk, maar wel sterk afhankelijk van zuiverheid en voorbehandeling. Voor technisch titanium bedraagt ​​de Vickers-hardheid 790-800 MPa, de normale elastische modulus 103 GPa en de afschuifmodulus 39,2 GPa. Hoogzuiver titanium, voorgegloeid in vacuüm, heeft een vloeigrens van 140-170 MPa, relatieve rek van 55-70%, Brinell-hardheid van 716 MPa.

Het heeft een hoge viscositeit, tijdens het bewerken is het gevoelig voor vasthouden aan het snijgereedschap en vereist daarom het aanbrengen van speciale coatings op het gereedschap en verschillende smeermiddelen.

Bij gewone temperaturen is het bedekt met een beschermende passiverende film van TiO 2 -oxide, waardoor het in de meeste omgevingen (behalve alkalisch) corrosiebestendig is.

Chemische eigenschappen

Het reageert gemakkelijk, zelfs met zwakke zuren in aanwezigheid van complexvormers, het interageert bijvoorbeeld met fluorwaterstofzuur als gevolg van de vorming van een complex anion 2−. Titanium is het meest gevoelig voor corrosie in organische omgevingen, omdat in de aanwezigheid van water een dichte passieve film van titaniumoxiden en hydride wordt gevormd op het oppervlak van een titaniumproduct. De meest opvallende toename van de corrosieweerstand van titanium is merkbaar wanneer het watergehalte in een agressieve omgeving stijgt van 0,5 naar 8,0%, wat wordt bevestigd door elektrochemische studies van de elektrodepotentialen van titanium in oplossingen van zuren en alkaliën in gemengde waterige en organische stoffen. media.

Bij verhitting aan de lucht tot 1200 °C licht Ti op met een helderwitte vlam, waarbij oxidefasen met variabele samenstelling TiO x worden gevormd. TiO(OH) 2 ·xH 2 O-hydroxide wordt neergeslagen uit oplossingen van titaniumzouten, en zorgvuldige calcinering daarvan produceert TiO 2-oxide. Hydroxide TiO(OH) 2 xH 2 O en dioxide TiO 2 zijn amfoteer.

Wanneer titanium interageert met koolstof, wordt titaniumcarbide Ti x C x gevormd (x = Ti 20 C 9 - TiC.

• Titanium in de vorm van legeringen is het belangrijkste structurele materiaal in de vliegtuig-, raket- en scheepsbouw.
• Het metaal wordt gebruikt in de chemische industrie (reactoren, pijpleidingen, pompen, pijpleidingfittingen), de militaire industrie (kogelvrije vesten, luchtvaartpantsers en brandbarrières, onderzeese rompen), industriële processen (ontziltingsinstallaties, pulp- en papierprocessen), de automobielindustrie, agrarische industrie, voedingsindustrie, sportartikelen, sieraden, mobiele telefoons, lichte legeringen, enz.
• Titanium is fysiologisch inert, waardoor het wordt gebruikt in de geneeskunde (prothesen, osteoprothesen, tandheelkundige implantaten), in tandheelkundige en endodontische instrumenten en piercingsieraden.
• Titaniumgieten wordt uitgevoerd in vacuümovens in grafietvormen. Vacuüm verloren wasgieten wordt ook gebruikt. Vanwege technologische problemen wordt het in beperkte mate gebruikt bij artistiek gieten. Het eerste monumentale gegoten beeldhouwwerk van titanium in de wereldpraktijk is het monument voor Yuri Gagarin op het naar hem vernoemde plein in Moskou.
• Titanium is een legeringsadditief in veel gelegeerde staalsoorten en de meeste speciale legeringen [ welke?] .
• Nitinol (nikkel-titanium) is een legering met vormgeheugen die wordt gebruikt in de geneeskunde en technologie.
• Titaanaluminiden zijn zeer goed bestand tegen oxidatie en hittebestendig, wat op zijn beurt hun gebruik in de luchtvaart- en automobielindustrie als constructiemateriaal bepaalde.
• Titanium is een van de meest voorkomende

Titaniumlegeringen - wij begrijpen de details

Titaanmetaal is een veel voorkomend metaal in de natuur; er zit meer van in de aardkorst dan koper, lood en zink. Met een dichtheid van 4,51 g/cm3 heeft titanium een ​​sterkte van 267...337 MPa, en zijn legeringen hebben een sterkte tot 1.250 MPa. Het is een dofgrijs metaal met een smeltpunt van 1668 0C, corrosiebestendig bij normale temperaturen, zelfs in sterk agressieve omgevingen, maar zeer actief bij verhitting boven 400 0C. Geschikt voor zelfontbranding in zuurstof. Reageert hevig met stikstof. Het wordt geoxideerd door waterdamp, kooldioxide en absorbeert waterstof. De thermische geleidbaarheid van titanium is ruim twee keer lager dan die van koolstofstaal. Daarom is er bij het lassen van titanium, ondanks het hoge smeltpunt, minder warmte nodig.

Titanium kan worden gevonden in de vorm van twee stabiele hoofdfasen, die verschillen in de structuur van het kristalrooster. Bij normale temperatuur bestaat het in de vorm van een α-fase met een fijnkorrelige structuur, ongevoelig voor de afkoelsnelheid. Bij temperaturen boven 882 0C wordt een β-fase met grote korrels en een hoge gevoeligheid voor de afkoelsnelheid gevormd. Legeringselementen en onzuiverheden kunnen de α-fase (aluminium, zuurstof, stikstof) of β-fase (chroom, mangaan, vanadium) stabiliseren. Daarom worden titaniumlegeringen conventioneel verdeeld in drie groepen: α-, α + β- en β-legeringen. De eerste (VT1, VT5-1) zijn niet thermisch gehard, zijn taai en hebben een goede lasbaarheid. Deze laatste (OT4, VTZ, VT4, VT6, VT8) lassen ook goed met kleine toevoegingen van β-stabilisatoren. Ze zijn hittebehandeld. Legeringen met een β-structuur, bijvoorbeeld VT15, VT22, worden versterkt door warmtebehandeling. Ze lassen minder goed en zijn gevoelig voor korrelgroei en koudescheuren.
Bij kamertemperatuur lost het titaniumoppervlak zuurstof op en vormt het een vaste oplossing in α-titanium. Er verschijnt een laag verzadigde oplossing die titanium beschermt tegen verdere oxidatie. Deze laag wordt de alfalaag genoemd. Bij verhitting gaat titanium een ​​chemische combinatie aan met zuurstof, waardoor een reeks oxiden ontstaat van Ti6O tot TiO2. Naarmate de oxidatie voortschrijdt, verandert de kleur van de oxidefilm van goudgeel naar donkerpaars en verandert in wit. Deze kleuren in de door hitte beïnvloede zone kunnen worden gebruikt om de kwaliteit van de metaalbescherming tijdens het lassen te beoordelen. Titanium, dat actief in wisselwerking staat met stikstof bij temperaturen boven 500 °C, vormt nitriden, die de sterkte vergroten maar de ductiliteit van het metaal sterk verminderen. De oplosbaarheid van waterstof in vloeibaar titanium is hoger dan in staal, maar bij afnemende temperatuur daalt deze sterk en komt er waterstof vrij uit de oplossing. Naarmate het metaal uithardt, kan het porositeit en vertraagd falen van lassen na het lassen veroorzaken. Alle titaniumlegeringen zijn niet gevoelig voor de vorming van hete scheuren, maar zijn gevoelig voor sterke korrelvergroving in het lasmetaal en de door hitte beïnvloede zone, waardoor de eigenschappen van het metaal verslechteren.
Lastechnologie van titaniumlegering

Vanwege hun hoge chemische activiteit kunnen titaniumlegeringen worden gelast met behulp van booglassen met inert gas met niet-afsmeltende en afsmeltbare elektroden, ondergedompeld booglassen, elektronenbundel-, elektroslak- en weerstandslassen. Gesmolten titanium is vloeibaar en de naad vormt zich goed bij alle lasmethoden.

De grootste moeilijkheid bij het lassen van titanium is de noodzaak om het metaal, verwarmd boven 400 0C, betrouwbaar te beschermen tegen lucht.

Booglassen wordt uitgevoerd in argon en in zijn mengsels met helium. Lassen met lokale bescherming wordt uitgevoerd door gas toe te voeren via een toortsmondstuk, soms met mondstukken die de beschermingszone vergroten. Aan de achterkant van de verbinding van de onderdelen worden koperen steunstrips met een groef geïnstalleerd, langs de lengte waarvan argon gelijkmatig wordt toegevoerd. Bij een complex ontwerp van onderdelen, wanneer lokale bescherming moeilijk te implementeren is, wordt het lassen uitgevoerd met algemene bescherming in kamers met een gecontroleerde atmosfeer. Dit kunnen kameropzetstukken zijn om een ​​deel van het lassamenstel te beschermen, harde kamers van metaal of zachte kamers van stof met kijkvensters en ingebouwde handschoenen voor de handen van de lasser. In de kamers worden onderdelen, lasapparatuur en een toorts geplaatst. Voor grote kritische eenheden worden bewoonbare kamers met een volume tot 350 m3 gebruikt, waarin automatische lasmachines en manipulatoren zijn geïnstalleerd. De kamers worden geëvacueerd en vervolgens gevuld met argon, en lassers in ruimtepakken komen ze binnen via luchtsluizen.

Door argonbooglassen met een wolfraamelektrode worden onderdelen met een dikte van 0,5 ... 1,5 mm stompgelast zonder opening en zonder additief, en met een dikte van meer dan 1,5 mm - met een toevoegdraad. De randen van de te lassen delen en de draad moeten worden gereinigd zodat de zuurstofrijke alfalaag wordt verwijderd. De draad moet vacuümgloeien ondergaan bij een temperatuur van 900...1000 ºC gedurende 4 uur. Het lassen wordt uitgevoerd met behulp van gelijkstroom met gelijkpolariteit. Onderdelen met een dikte van meer dan 10...15 mm kunnen met een ondergedompelde boog in één keer worden gelast. Na de vorming van het smeltbad wordt het argondebiet verhoogd tot 40...50 l/min, wat leidt tot compressie van de boog. Vervolgens wordt de elektrode in het smeltbad neergelaten. De boogdruk duwt het vloeibare metaal opzij, de boog brandt in de gevormde holte en het smeltvermogen neemt toe.
Een smalle naad met diepe smeltpenetratie bij het lassen met een niet-afsmeltende elektrode in argon kan worden verkregen met behulp van vloeipasta's AN-TA, ANT17A op basis van calciumfluoride met additieven. Ze verfijnen en modificeren het lasmetaal gedeeltelijk en verminderen ook de porositeit.

Booglassen van titaniumlegeringen met een afsmeltende elektrode (draad met een diameter van 1,2...2,0 mm) wordt uitgevoerd met behulp van gelijkstroom met omgekeerde polariteit in modi die de overdracht van fijne druppeltjes van het elektrodemetaal garanderen. Als beschermend medium wordt een mengsel van 20% argon en 80% helium of zuiver helium gebruikt. Hiermee kunt u de breedte van de naad vergroten en de porositeit verminderen.

Titaniumlegeringen kunnen worden gelast door booglassen onder zuurstofvrije fluoridestromen van droge granulatie ANT1, ANTZ voor een dikte van 2,5...8,0 mm en ANT7 voor dikker metaal. Het lassen wordt uitgevoerd met elektrodedraad met een diameter van 2,0...5,0 mm met een elektrodeverlenging van 14...22 mm op een koperen of flux-koperen drager, of op een fluxpad. Als gevolg van de modificerende werking van het vloeimiddel is de metaalstructuur fijner korrelig dan bij het lassen met inerte gassen.

Bij elektroslaklassen worden plaatelektroden gebruikt die zijn gemaakt van dezelfde titaniumlegering als het te lassen onderdeel, met een dikte van 8...12 mm en een breedte gelijk aan de dikte van het te lassen metaal. Er worden vuurvaste fluoridefluxen ANT2, ANT4, ANT6 gebruikt. Om te voorkomen dat zuurstof door de flux dringt, wordt het slakkenbad extra beschermd met argon. Het metaal van de door hitte beïnvloede zone wordt beschermd door de breedte van de vormende watergekoelde schuifregelaars te vergroten en argon in de opening tussen hen en het onderdeel te blazen. Lasverbindingen na elektroslaklassen hebben een grofkristallijne structuur, maar hun eigenschappen liggen dicht bij het basismetaal. Vóór het elektroslaklassen, evenals vóór het booglassen, moeten de vloeimiddelen worden gecalcineerd bij een temperatuur van 200...300 0C.

Elektronenstraallassen van titaniumlegeringen biedt de beste bescherming van het metaal tegen gassen en een fijnkorrelige lasstructuur. De montagevereisten zijn strenger in vergelijking met andere methoden.

Bij alle methoden voor het lassen van titaniumlegeringen mag het metaal niet oververhit raken. Het is noodzakelijk om methoden en technieken te gebruiken die het mogelijk maken de kristallisatie van het metaal te beïnvloeden: elektromagnetische invloed, trillingen van de elektrode of elektronenbundel over de verbinding, ultrasone invloed op het smeltbad, gepulseerde booglascyclus, enz. Dit alles maakt het mogelijk een fijnere lasstructuur en hoge eigenschappen van lasverbindingen te verkrijgen.

Kenmerken van titaniummetaal en de toepassing ervan

Titaniummetaal is een lichtgewicht zilverwit metaal. Titaniumlegeringen zijn lichtgewicht en sterk, hebben een hoge corrosieweerstand en een lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Bovendien is titanium een ​​metaal dat zijn eigenschappen kan behouden in het temperatuurbereik van – 290 tot +600 graden Celsius.

Het oxide van dit metaal werd voor het eerst ontdekt in 1789 door W. Gregor. Tijdens het bestuderen van ijzerhoudend zand slaagde hij erin het oxide te isoleren van een voorheen onbekend metaal, dat hij de naam menaken gaf. Een van de eerste monsters van metallisch titanium werd in 1825 verkregen door J. Ya.

Eigenaardigheden

In het periodiek systeem van Mendelejev is titanium een ​​element dat zich in de 4e groep van de 4e periode op nummer 22 bevindt. In de meest stabiele verbindingen is dit element tetravalent. Het doet qua uiterlijk een beetje denken aan staal en behoort tot de overgangselementen. Het smeltpunt van titanium is 1668 ± 4 ° C en het kookt bij 3300 graden Celsius. Wat de latente smelt- en verdampingswarmte van dit metaal betreft, deze is bijna twee keer groter dan die van ijzer.

Titanium - zilverkleurig metaal
Tegenwoordig zijn er twee allotrope modificaties van titanium. De eerste is de alfa-modificatie bij lage temperatuur. De tweede is bètamodificatie bij hoge temperatuur. Qua dichtheid en soortelijke warmtecapaciteit neemt dit metaal een plaats in tussen aluminium en ijzer.

De eigenschappen van titanium hebben een aantal positieve eigenschappen. De mechanische sterkte is twee keer zo groot als die van puur ijzer en zes keer die van aluminium. Titanium is echter in staat zuurstof, waterstof en stikstof te absorberen. Ze kunnen de plastic eigenschappen ervan sterk verminderen. Als titanium wordt gemengd met koolstof, worden vuurvaste carbiden gevormd, die een hoge hardheid hebben.

Titanium wordt gekenmerkt door een lage thermische geleidbaarheid, die 4 keer minder is dan die van aluminium en 13 keer minder dan die van ijzer. Titanium heeft ook een vrij hoge elektrische weerstand.

Titanium is een paramagnetisch metaal en zoals bekend hebben paramagnetische stoffen een magnetische gevoeligheid, die afneemt bij verhitting. Titanium vormt echter een uitzondering, omdat de gevoeligheid ervan alleen maar toeneemt met de temperatuur.

Voordelen:
Lage dichtheid, wat helpt de massa van het materiaal te verminderen;
Hoge mechanische sterkte;
Hoge corrosieweerstand;
Hoge specifieke sterkte.

Gebreken:
Hoge productiekosten;
Actieve interactie met alle gassen, daarom wordt het alleen gesmolten in een vacuüm of in een omgeving met inerte gassen;
Slechte antiwrijvingseigenschappen;
Moeilijkheden bij het betrekken van titaniumafval bij de productie;
Neiging tot zoutcorrosie, waterstofverbrossing;
Vrij slechte bewerkbaarheid;
Grote chemische activiteit.

Gebruik

Het gebruik van titanium is het meest gevraagd bij de productie van raketten en vliegtuigen, en bij de scheepsbouw.

Ringen
Het wordt gebruikt als legeringsadditief in hoogwaardige staalsoorten. Technisch titanium wordt besteed aan de vervaardiging van containers en chemische reactoren, pijpleidingen en fittingen, pompen en kleppen, plus alle producten die in agressieve omgevingen werken. Compact titanium wordt gebruikt voor de vervaardiging van gaas en andere onderdelen van elektrische vacuümapparaten die bij hoge temperaturen werken.

Mechanische sterkte, corrosieweerstand, specifieke sterkte, hittebestendigheid en andere eigenschappen van titanium maken het mogelijk dat het op grote schaal in de technologie wordt gebruikt. De hoge kosten van dit metaal en legeringen worden gecompenseerd door de hoge prestaties. In sommige situaties zijn titaniumlegeringen de enige die worden gebruikt voor de vervaardiging van bepaalde apparatuur of structuren die onder specifieke omstandigheden kunnen werken.

Aanvankelijk werd titanium gewonnen voor de productie van kleurstoffen. Het gebruik van dit metaal als structureel materiaal heeft echter geleid tot de uitbreiding van de mijnbouw van titaniumerts, evenals tot het zoeken en ontwikkelen van nieuwe afzettingen.

Staaf van puur (99,995%) titanium
Vroeger was titanium een ​​bijproduct en in veel gevallen een obstakel voor bijvoorbeeld de ijzerertswinning. Tegenwoordig worden de mijnen alleen geëxploiteerd om dit metaal als hoofdproduct te verkrijgen.

Om titaniumerts te winnen, hoeft u geen speciale vaardigheden te hebben of complexe operaties uit te voeren. Als er titaniummineralen worden aangetroffen in zandige afzettingen, worden deze verzameld met behulp van zuigbaggermachines, waardoor ze op schepen terechtkomen, die ze op hun beurt afleveren bij de verrijkingsfabriek. Maar als titaniummineralen in gesteenten worden aangetroffen, wordt zelfs mijnbouwapparatuur niet langer gebruikt.

Het erts wordt gemalen om een ​​efficiënte scheiding van de minerale componenten te garanderen. Daarna wordt natte magnetische scheiding met lage intensiteit gebruikt om het ilmeniet van vreemde materialen te scheiden. Het resterende ilmeniet wordt vervolgens benut met behulp van hydraulische classificatoren en tabellen. Vervolgens wordt de verrijking uitgevoerd met behulp van de methode van droge magnetische scheiding, die een hoge intensiteit heeft.

Eigenschappen van titaniummetaal en zijn plaats in producten

Titanium is een chemisch element dat vrij wijdverspreid van aard is. Het is metaal, zilvergrijs en hard; het is een bestanddeel van veel mineralen en kan bijna overal worden gewonnen. Rusland staat op de tweede plaats in de wereld op het gebied van titaniummijnbouw.

Er zit veel titanium in titaniumijzererts - ilmeniet, dat tot complexe oxiden behoort, en goudrood rutiel, een polymorfe (diverse en in staat om in verschillende kristalstructuren te bestaan) modificatie van titaniumdioxide - scheikundigen kennen drie van dergelijke natuurlijke verbindingen.

Titanium wordt vaak aangetroffen in gesteenten, maar komt zelfs nog overvloediger voor in bodems, vooral in zandige bodems. Onder de titaniumhoudende rotsen kan perovskiet worden genoemd - het wordt als vrij gebruikelijk beschouwd; titaniet is een silicaat van titanium en calcium, waaraan genezende en zelfs magische eigenschappen worden toegeschreven; anataas is ook een polymorfe verbinding - een eenvoudig oxide; en brookiet is een prachtig kristal, vaak gevonden in de Alpen, en hier in Rusland - in de Oeral, Altai en Siberië.

De eer voor de ontdekking van titanium komt toe aan twee wetenschappers tegelijk: een Duitser en een Engelsman. De Engelse wetenschapper William MacGregor was geen scheikundige, maar hij was zeer geïnteresseerd in mineralen, en op een dag, aan het einde van de 18e eeuw, isoleerde hij een onbekend metaal uit het zwarte zand van Cornwall, en schreef er al snel een artikel over.

Dit artikel werd ook gelezen door de beroemde Duitse wetenschapper, scheikundige M.G. Klaproth, en vier jaar na McGregor, ontdekte hij titaniumoxide (zo noemde hij dit metaal, en de Britten noemden het menakkin - naar de naam van de plaats waar het werd gevonden) in rood zand, gebruikelijk in Hongarije. Toen de wetenschapper de verbindingen in het zwarte en rode zand vergeleek, bleken het titaniumoxiden te zijn - dus dit metaal werd door beide wetenschappers onafhankelijk van elkaar ontdekt.

Trouwens, de naam van het metaal heeft niets te maken met de oude Griekse Titan-goden (hoewel er zo'n versie is), maar werd genoemd ter ere van Titania, de koningin van de feeën, over wie Shakespeare schreef. Deze naam wordt geassocieerd met de lichtheid van titanium - de ongewoon lage dichtheid.

Na deze ontdekkingen probeerden veel wetenschappers herhaaldelijk puur titanium uit zijn verbindingen te isoleren, maar in de 19e eeuw was dit niet succesvol - zelfs de grote Mendelejev beschouwde dit metaal als zeldzaam en daarom alleen interessant voor de ‘pure’ wetenschap, en niet voor gebruik voor Praktische doelen. Maar wetenschappers uit de 20e eeuw realiseerden zich dat er veel titanium in de natuur zit - ongeveer 70 mineralen bevatten het in hun samenstelling, en tegenwoordig zijn er veel van dergelijke afzettingen bekend. Als we het hebben over metalen die op grote schaal door mensen in de technologie worden gebruikt, kunnen we er slechts drie vinden die overvloediger van aard zijn dan titanium: magnesium, ijzer en aluminium. Chemici zeggen ook dat als we alle reserves van koper, zilver, goud, platina, lood, zink, chroom en enkele andere metalen waar de aarde rijk aan is kwantitatief combineren, er meer titanium zal zijn dan allemaal.

Chemici leerden pas in 1940 puur titanium uit verbindingen te isoleren - dit werd gedaan door Amerikaanse wetenschappers.
Veel eigenschappen van titanium zijn al bestudeerd en het wordt gebruikt in verschillende wetenschaps- en industriegebieden, maar we zullen dit aspect van het gebruik hier niet in detail bespreken - we zijn geïnteresseerd in de biologische betekenis van titanium.

Ook het gebruik van titanium in de geneeskunde en de voedingsindustrie interesseert ons: in deze gevallen komt titanium rechtstreeks in het menselijk lichaam terecht, of komt ermee in contact. Een van de eigenschappen van dit metaal is zeer aangenaam: wetenschappers, waaronder artsen, beschouwen titanium als veilig voor de mens, hoewel chronische longziekten kunnen optreden als het in overmaat het lichaam binnendringt.
Titanium in producten

Titanium wordt aangetroffen in zeewater, plantaardig en dierlijk weefsel en dus in producten van plantaardige en dierlijke oorsprong. Planten halen titanium uit de grond waarin ze groeien, en dieren krijgen het door deze planten te eten, maar eerst - al in de 19e eeuw - ontdekten scheikundigen titanium in het lichaam van dieren, en pas daarna in planten. Deze ontdekkingen werden opnieuw gedaan door een Engelsman en een Duitser: G. Rees en A. Adergold.

Er zit ongeveer 20 mg titanium in het menselijk lichaam, en dit komt meestal uit voedsel en water. Titanium wordt aangetroffen in eieren en melk, in dierlijk vlees en planten - hun bladeren, stengels, vruchten en zaden, maar over het algemeen zit er weinig van in voedingsproducten. Planten, vooral algen, bevatten meer titanium dan dierlijk weefsel; er zit veel van in cladophore - een bossige, heldergroene alg, die vaak wordt aangetroffen in zoetwaterlichamen en zeeën.
Het belang van titanium voor het menselijk lichaam

Waarom heeft het menselijk lichaam titanium nodig? Wetenschappers zeggen dat de biologische rol ervan niet duidelijk is, maar dat het betrokken is bij de vorming van rode bloedcellen in het beenmerg, bij de synthese van hemoglobine en bij de vorming van immuniteit.

Titanium wordt aangetroffen in het menselijk brein, in de auditieve en visuele centra; Het is altijd aanwezig in moedermelk, en in bepaalde hoeveelheden. Concentraties van titanium in het lichaam activeren metabolische processen en verbeteren de algehele samenstelling van het bloed, waardoor het gehalte aan cholesterol en ureum daarin wordt verlaagd.

Een persoon krijgt ongeveer 0,85 mg titanium per dag binnen, met water en voedsel, maar ook met lucht, maar het wordt slecht opgenomen in het maag-darmkanaal - van 1 tot 3%.

Voor mensen is titanium niet-toxisch of weinig giftig, en artsen hebben ook geen gegevens over een dodelijke dosis, maar bij regelmatige inademing van titaniumdioxide hoopt het zich op in de longen, en dan ontwikkelen zich chronische ziekten, gepaard gaand met kortademigheid en hoesten met sputum - tracheitis, alveolitis, enz. Ophoping van titanium samen met andere, meer giftige elementen, veroorzaakt ontstekingen en zelfs granulomatose - een ernstige vaatziekte die levensbedreigend is.

Overtollig en tekort aan titanium

Wat kan de overmatige inname van titanium in het lichaam verklaren? Omdat titanium, zoals reeds vermeld, in veel gebieden van de wetenschap en de industrie wordt gebruikt, bedreigt een teveel aan titanium en zelfs vergiftiging ermee vaak werknemers in verschillende industrieën: machinebouw, metallurgie, verf en lak, enz. Titaanchloride is het meest giftig: het is voldoende om ongeveer drie jaar in een dergelijke productie te werken, zonder bijzondere veiligheidsmaatregelen in acht te nemen, en chronische ziekten zullen niet vertragen.

Dergelijke ziekten worden gewoonlijk behandeld met antibiotica, antischuimmiddelen, corticosteroïden en vitamines; Patiënten moeten rusten en voldoende drinken.

Titaniumtekort, zowel bij mensen als bij dieren, is niet geïdentificeerd of beschreven, en in dit geval kan worden aangenomen dat het werkelijk niet bestaat.

In de geneeskunde is titanium enorm populair: er worden uitstekende instrumenten van gemaakt, en tegelijkertijd zijn ze toegankelijk en goedkoop - titanium kost 15 tot 25 dollar per kilogram. Orthopedisten, tandartsen en zelfs neurochirurgen houden van titanium - en dat is niet verrassend.

Het blijkt dat titanium een ​​waardevolle eigenschap heeft voor artsen: biologische inertie: dit betekent dat de daaruit gemaakte structuren zich perfect gedragen in het menselijk lichaam en absoluut veilig zijn voor spier- en botweefsel, dat ze in de loop van de tijd verwerven. De structuur van het weefsel verandert niet: titanium is niet onderhevig aan corrosie en de mechanische eigenschappen zijn zeer hoog. Het volstaat te zeggen dat titanium in zeewater, dat qua samenstelling zeer dicht bij de menselijke lymfe ligt, kan verslechteren met een snelheid van 0,02 mm per 1000 jaar, en dat het in oplossingen van alkaliën en zuren qua stabiliteit vergelijkbaar is met platina.

Van alle legeringen die in de geneeskunde worden gebruikt, onderscheidt titanium zich door zijn zuiverheid, en er zitten bijna geen onzuiverheden in, wat niet gezegd kan worden over kobaltlegeringen of roestvrij staal.

Interne en externe prothesen gemaakt van titaniumlegeringen bezwijken of vervormen niet, hoewel ze de hele tijd bestand zijn tegen werkbelastingen: de mechanische sterkte van titanium is 2-4 keer hoger dan die van puur ijzer en 6-12 keer hoger dan die van aluminium .

Door de plasticiteit van titanium kun je er alles mee doen: snijden, boren, slijpen, smeden bij lage temperaturen, rollen - er wordt zelfs dunne folie van gemaakt.

Het smeltpunt is echter vrij hoog: ongeveer 1670°C.

De elektrische geleidbaarheid van titanium is erg laag en het is een niet-magnetisch metaal, dus aan patiënten met titaniumstructuren in het lichaam kunnen fysiotherapeutische procedures worden voorgeschreven - dit is veilig.

In de voedingsmiddelenindustrie wordt titaniumdioxide gebruikt als kleurstof, aangeduid als E171. Het wordt gebruikt voor het kleuren van snoep en kauwgom, zoetwaren en poederproducten, noedels, krabsticks, gehaktproducten; Ze maken ook glazuren en bloem lichter.

In de farmacologie wordt titaniumdioxide gebruikt om medicijnen te kleuren, en in cosmetologie – crèmes, gels, shampoos en andere producten.

metaal titanium eigenschap van metaal titanium kenmerken van metaal titanium

Eigenschappen van titanium

In het periodiek systeem der elementen van Mendelejev heeft titanium serienummer 22. Het neutrale atoom bestaat uit een kern waarvan de lading 22 eenheden is. positieve elektriciteit, en er zijn 22 elektronen buiten de kern.

De kern van een neutraal titaniumatoom bevat dus 22 protonen. Het aantal neutronen, dat wil zeggen neutrale ongeladen deeltjes, is anders: meestal 26, maar kan variëren van 24 tot 28. Daarom is het aantal titaniumisotopen anders. Er zijn slechts vijf stabiele natuurlijke isotopen van titanium: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. Dit werd in 1936 opgericht door de Duitse natuurkundige F.W. Aston. Vóór zijn onderzoek geloofde men dat titanium helemaal geen isotopen had. Natuurlijke stabiele isotopen van titanium zijn als volgt verdeeld (in rel.%): 46 Ti - 7,99; 47 Ti-7,32; 48 Ti-73,97; 49Ti-5,46; 50Ti - 5,25.

Naast natuurlijke kan titanium ook een aantal kunstmatige isotopen bevatten die zijn verkregen door radioactieve bestraling. Als titanium dus wordt gebombardeerd met neutronen of α-deeltjes, is het mogelijk een radioactieve isotoop van titanium 52 Ti te verkrijgen met een halfwaardetijd van 41,9 minuten, die β- en γ-straling produceert. Andere isotopen van titanium zijn ook kunstmatig verkregen (42 Ti, 43 Ti, 44 Ti, 45 Ti, 51 Ti, 52 Ti, 53 Ti, 54 Ti), sommige zijn zeer radioactief, met verschillende halfwaardetijden. De 44 Ti-isotoop heeft dus een halfwaardetijd van slechts 0,58 s, en de 45 Ti-isotoop heeft een halfwaardetijd van 47 jaar.

De straal van de titaniumkern is 5 fm. Rond de positief geladen titaniumkern bevinden elektronen zich in vier banen K, L, M, N: op K - twee elektronen, op L - acht, op M - 10, op N - twee. Een titaniumatoom kan vrijelijk twee elektronen uit de N- en M-banen opgeven. Het meest stabiele titaniumion is dus vierwaardig. Het is onmogelijk om het vijfde elektron uit de M-baan te ‘plukken’, dus titanium kan nooit meer dan een vierwaardig ion zijn. Tegelijkertijd kan een titaniumatoom niet vier, maar drie, twee of één elektron uit de N- en M-banen opgeven. In deze gevallen wordt het een drie-, twee- of eenwaardig ion

Titanium met verschillende valenties heeft verschillende ionstralen. De straal van het Ti 4+ ion is dus 64 pm, het Ti 3+ ion is 69, Ti 2+ is 78, Ti 1+ is 95 pm.

Lange tijd konden ze de atoommassa van titanium (atoomgewicht) niet nauwkeurig bepalen. In 1813 ontving J. Ya Berzelius een ongelooflijk hoge waarde: 288,16. In 1823 ontdekte de Duitse chemicus Heinrich Rose dat het atoomgewicht van titanium 61,6 was. In 1829 verduidelijkte de wetenschapper de waarde verschillende keren: 50,63; 48.27 en 48.13. De metingen van de Engelse chemicus T.E. Thorne bleken dichter bij de ware te liggen - 48.09. Deze waarde duurde echter tot 1928, toen onderzoek door scheikundigen Baxter en Butler de uiteindelijke atoomgewichtswaarde van 47,9 opleverde. De atoommassa van natuurlijk titanium, berekend op basis van de resultaten van onderzoek naar zijn isotopen, is 47,926. Deze waarde is vrijwel identiek aan de waarde van internationale tabellen.

In het periodiek systeem der elementen van Mendelejev bevindt titanium zich in groep IVB, die daarnaast ook zirkonium, hafnium en curchatium omvat. Elementen van deze groep hebben, in tegenstelling tot elementen van de koolstofgroep (IVA), metallische eigenschappen. In verbindingen van zelfs titanium zelf is het zuurvormende vermogen minder uitgesproken dan bij enig element van de koolstofgroep. Hoewel titanium het hoogst scoort in zijn subgroep, is het het minst actieve metaalelement. Titaandioxide is dus amfoteer en zirkonium- en hafniumdioxiden hebben zwak uitgedrukte basiseigenschappen. Titanium ligt, meer dan andere elementen van subgroep IVB, dicht bij elementen van subgroep IVA - silicium, germanium, tin. Vierwaardig titanium verschilt van silicium en germanium doordat het een grotere neiging heeft om complexe verbindingen van verschillende typen te vormen, wat vooral vergelijkbaar is met tin.

Titanium en andere elementen van subgroep IVB lijken qua eigenschappen sterk op elementen van subgroep IIIB (scandiumgroep), hoewel ze van de laatste verschillen in hun vermogen om een ​​grotere valentie te vertonen. Titanium ligt zelfs dichter bij scandium dan bij elementen van subgroep IVA. De gelijkenis van titanium met scandium, yttrium, maar ook met elementen van subgroep VB - vanadium en niobium komt ook tot uiting in het feit dat titanium in natuurlijke mineralen vaak wordt aangetroffen in plaats van deze elementen, die elkaar isomorf vervangen.

Uit de kristalchemie van zuurstofverbindingen is bekend dat het karakteristieke coördinatiegetal voor titanium 6 is, en het enige coördinatieveelvlak dat met dit getal overeenkomt, is de octaëder. Bovendien hebben titaniumatomen in geen van de zuurstofverbindingen een coördinatiegetal groter dan 6. Bij een dergelijke coördinatie is de gemiddelde afstand tussen titanium en zuurstof 2 Å. In structuren die worden gekenmerkt door een statistische verdeling van Ti 4+- en Nb 5+-atomen in octaëders, is de overeenkomstige gemiddelde afstand tussen titanium en niobium ook 2 Å. Hieruit volgt dat de ionenstralen van titanium en niobium dichtbij elkaar liggen.

De nabijheid van de ionische stralen van elementen is een onmisbare voorwaarde voor de mogelijkheid van isomorfisme daartussen. Voor titanium wordt aan deze voorwaarde het meest voldaan door niobium, tantaal, ferri-ijzer en zirkonium.

Laten we nu eens kijken naar welke chemische verbindingen titanium kan vormen met andere elementen. Met eenwaardige halogenen (fluor, broom, chloor en jodium) kan het di-, tri- en tetraverbindingen vormen, met zwavel en elementen uit zijn groep (selenium, tellurium) - mono- en disulfiden, met zuurstof - oxiden, dioxiden en trioxides. Titanium vormt ook verbindingen met waterstof (hydriden), stikstof (nitriden), koolstof (carbiden), fosfor (fosfiden), arseen (arsides), evenals verbindingen met veel metalen - intermetallische verbindingen. Titanium vormt niet alleen eenvoudige maar ook talrijke complexe verbindingen; veel van zijn verbindingen met organische stoffen zijn bekend.

Zoals blijkt uit de lijst met verbindingen waaraan titanium kan deelnemen, is het chemisch zeer actief. En tegelijkertijd is titanium een ​​van de weinige metalen met een uitzonderlijk hoge corrosieweerstand: het is vrijwel eeuwig in de lucht, in koud en kokend water, en is zeer resistent in zeewater, in oplossingen van veel zouten, anorganische en organische zuren. . In termen van corrosieweerstand in zeewater overtreft het alle metalen, met uitzondering van edele metalen - goud, platina, enz., de meeste soorten roestvrij staal, nikkel, koper en andere legeringen. In water en in veel agressieve omgevingen is puur titanium niet onderhevig aan corrosie. Waarom gebeurt dit? Waarom is titanium, dat reageert met bijna alle elementen van het periodiek systeem, zo actief en vaak gewelddadig, met explosies, bestand tegen corrosie? Feit is dat reacties van titanium met veel elementen alleen plaatsvinden bij hoge temperaturen. Bij gewone temperaturen is de chemische activiteit van titanium extreem laag en reageert het vrijwel niet. Dit komt door het feit dat op een vers oppervlak van puur titanium, zodra het wordt gevormd, een inerte, dunne (enkele angström) film van titaniumdioxide verschijnt die zeer snel met het metaal meegroeit en het tegen verdere oxidatie beschermt. Zelfs als deze klap wordt verwijderd, verschijnt deze film in elke omgeving die zuurstof of andere sterke oxidatiemiddelen bevat (bijvoorbeeld in salpeter- of chroomzuur) opnieuw en wordt het metaal, zoals ze zeggen, erdoor "gepassiveerd", d.w.z. beschermt zichzelf tegen verdere vernietiging.

Het is bekend dat de corrosieweerstand van elk metaal wordt bepaald door de waarde van zijn elektrodepotentiaal, dat wil zeggen het verschil in elektrische potentiaal tussen het metaal en de elektrolytoplossing. Negatieve waarden van de elektrodepotentiaal duiden op het verlies van metaalionen van het oppervlak en hun overgang naar oplossing, d.w.z. de oplosbaarheid en corrosie van het metaal. Een positieve waarde geeft aan dat het metaal stabiel is in deze oplossing, zijn ionen niet vrijgeeft en niet corrodeert. Dus voor een vers gereinigd titaniumoppervlak variëren de gemeten waarden van de elektrodepotentiaal in water, in waterige oplossingen en in veel zuren en logen van -0,27 tot -0,355 V, dat wil zeggen dat het metaal, zo lijkt het, zou moeten zijn snel oplossen. In de meeste waterige oplossingen stijgt de elektrodepotentiaal van titanium echter zeer snel van negatieve naar positieve waarden, tot ongeveer +0,5 V, en stopt de corrosie vrijwel onmiddellijk: titanium wordt gepassiveerd en wordt zeer corrosiebestendig.

Laten we het gedrag van puur titanium in verschillende agressieve omgevingen eens nader bekijken. We hebben al gesproken over de uitzonderlijke weerstand ervan in de atmosfeer, in zoet water en oceaanwater, zelfs bij verhitting. Titanium is bestand tegen erosieve corrosie die optreedt als gevolg van een combinatie van chemische en mechanische effecten op het metaal. In dit opzicht doet het niet onder voor de beste soorten roestvrij staal, legeringen op koperbasis en andere structurele materialen. Titanium is ook goed bestand tegen vermoeiingscorrosie, wat zich vaak manifesteert in de vorm van schade aan de integriteit van het metaal (scheuren, lokale corrosie, enz.). Het gedrag van titanium in veel agressieve omgevingen, zoals salpeterzuur, zoutzuur, zwavelzuur, koningswater en andere zuren en alkaliën, veroorzaakt verrassing en bewondering voor dit metaal.

In salpeterzuur, een sterk oxidatiemiddel waarin veel metalen snel oplossen, is titanium uitzonderlijk resistent. Bij elke concentratie salpeterzuur (van 10 tot 99%) en bij elke temperatuur bedraagt ​​de corrosiesnelheid van titanium in salpeterzuur niet meer dan 0,1-0,2 mm/jaar. Alleen roodrokend salpeterzuur, oververzadigd (20% of meer) met vrije stikstofdioxiden, is gevaarlijk: puur titanium reageert daarin heftig en explosief. Zodra je echter minimaal een beetje water (1-2% of meer) aan zo’n zuur toevoegt, eindigt de reactie en stopt de corrosie van titanium.

Titanium is alleen stabiel in zoutzuur in verdunde oplossingen. In 0,5% zoutzuur bijvoorbeeld bedraagt ​​de corrosiesnelheid van titanium, zelfs bij verhitting tot 100° C, niet meer dan 0,01 mm/jaar, in 10% bij kamertemperatuur bereikt de corrosiesnelheid 0,1 mm/jaar, en in 20% bij 20° C - 0,58 mm/jaar. Bij verhitting neemt de corrosiesnelheid van titanium in zoutzuur sterk toe. Dus zelfs in 1,5% zoutzuur bij 100°C is de corrosiesnelheid van titanium 4,4 mm/jaar, en in 20% zoutzuur bij verhitting tot 60°C is dit al 29,8 mm/jaar. Dit wordt verklaard door het feit dat zoutzuur, vooral bij verhitting, de passieve film van titaniumdioxide oplost en het metaal begint op te lossen. De corrosiesnelheid van titanium in zoutzuur blijft echter onder alle omstandigheden lager dan die van roestvrij staal.

In lage concentraties zwavelzuur (tot 0,5-1%) is titanium zelfs bestand tegen oplossingstemperaturen tot 50 - 95 ° C. Het is ook bestand in meer geconcentreerde oplossingen (10-20%) bij kamertemperatuur, onder deze omstandigheden de snelheid van titaniumcorrosie overschrijdt niet 0,005-0,01 mm/jaar. Maar met toenemende temperatuur van de oplossing begint titanium in zwavelzuur, zelfs bij een relatief zwakke concentratie (10-20%), op te lossen en bereikt de corrosiesnelheid 9-10 mm/jaar. Zwavelzuur vernietigt, net als zoutzuur, de beschermende film van titaniumdioxide en verhoogt de oplosbaarheid ervan. Het kan sterk worden verminderd als een bepaalde hoeveelheid salpeterzuur, chroomzuur, mangaanzuur, chloorverbindingen of andere oxidatiemiddelen worden toegevoegd aan oplossingen van deze zuren, die het titaniumoppervlak snel passiveren met een beschermende film en de verdere oplossing ervan tegenhouden. Dat is de reden waarom titanium praktisch het enige metaal is dat niet oplost in “regia wodka”: daarin bedraagt ​​de titaniumcorrosie bij gewone temperaturen (10-20 ° C) niet meer dan 0,005 mm/jaar. Titanium corrodeert ook enigszins in kokende "regia-wodka", maar daarin lossen, zoals bekend, veel metalen, en zelfs zoals goud, vrijwel onmiddellijk op.

Titanium corrodeert zeer zwak in de meeste organische zuren (azijnzuur, melkzuur, wijnsteenzuur), en verdunde alkaliën, en oplossingen van veel chloridezouten, in fysiologische oplossing. Maar titanium reageert zeer heftig met chloridesmelten bij temperaturen boven 375° C.

In de smelt van veel metalen vertoont puur titanium een ​​verbazingwekkende weerstand. In vloeibaar heet magnesium, tin, gallium, kwik, lithium, natrium, kalium en in gesmolten zwavel corrodeert titanium praktisch niet, en alleen bij zeer hoge temperaturen van de smelt (boven 300-400 ° C) is de corrosiesnelheid daarin kan 1 mm/jaar bereiken. Er zijn echter veel agressieve oplossingen en melts waarin titanium zeer intensief oplost. De belangrijkste "vijand" van titanium is fluorwaterstofzuur (HF). Zelfs in een oplossing van 1% is de corrosiesnelheid van titanium erg hoog, en in meer geconcentreerde oplossingen ‘smelt’ titanium als ijs in heet water. Fluor – dit (Griekse) element dat “alles vernietigt” – reageert heftig met bijna alle metalen en verbrandt deze.

Titanium is niet bestand tegen zelfs lage concentraties hydrofluorkiezel- en fosforzuren, waterstofperoxide, droog chloor en broom, alcoholen, inclusief alcoholtinctuur van jodium, en gesmolten zink. De weerstand van titanium kan echter worden verhoogd door verschillende oxidatiemiddelen toe te voegen - zogenaamde remmers, bijvoorbeeld aan oplossingen van zoutzuur en zwavelzuur - salpeterzuur en chroomzuur. Remmers kunnen ook ionen zijn van verschillende metalen in oplossing: ijzer, koper, enz.

Sommige metalen kunnen in titanium worden geïntroduceerd, waardoor de weerstand tientallen en honderden keren wordt verhoogd, bijvoorbeeld tot 10% zirkonium, hafnium, tantaal, wolfraam. De introductie van 20-30% molybdeen in titanium maakt deze legering zo bestand tegen alle concentraties zoutzuur, zwavelzuur en andere zuren dat het zelfs goud kan vervangen bij het werken met deze zuren. Het grootste effect wordt bereikt door de toevoeging van vier metalen uit de platinagroep aan titanium: platina, palladium, rhodium en ruthenium. Slechts 0,2% van deze metalen is voldoende om de corrosiesnelheid van titanium in kokende geconcentreerde zout- en zwavelzuren tientallen keren te verminderen. Opgemerkt moet worden dat edele platinoïden alleen de duurzaamheid van titanium beïnvloeden, en als ze worden toegevoegd aan bijvoorbeeld ijzer, aluminium, magnesium, neemt de vernietiging en corrosie van deze structurele metalen niet af.

Wat zijn de fysieke eigenschappen van titanium die het tot het beste van alle bekende structurele metalen maken?

Titanium is een zeer vuurvast metaal. Lange tijd werd aangenomen dat het smelt bij 1800 ° C, maar halverwege de jaren vijftig. Engelse wetenschappers Deardorff en Hayes stelden het smeltpunt vast voor puur elementair titanium. Het was 1668±3°C. In termen van vuurvastheid komt titanium op de tweede plaats na metalen als wolfraam, tantaal, niobium, renine, molybdeen, metalen uit de platinagroep, zirkonium, en onder de belangrijkste structurele metalen staat het op de eerste plaats:

Het belangrijkste kenmerk van titanium als metaal zijn de unieke fysische en chemische eigenschappen: lage dichtheid, hoge sterkte, hardheid, enz. Het belangrijkste is dat deze eigenschappen niet significant veranderen bij hoge temperaturen.

Titanium is een licht metaal, de dichtheid bij 0°C bedraagt ​​slechts 4,517 g/cm3 en bij 100°C - 4,506 g/cm3. Titanium behoort tot de groep metalen met een soortelijk gewicht van minder dan 5 g/cm3. Dit omvat alle alkalimetalen (natrium, kalium, lithium, rubidium, cesium) met een soortelijk gewicht van 0,9-1,5 g/cm3, magnesium (1,7 g/cm3), aluminium (2,7 g/cm3 3) enz. Titanium is meer dan 1,5 keer zwaarder dan aluminium, en daarin verliest het natuurlijk, maar het is 1,5 keer lichter dan ijzer (7,8 g/cm3). Titanium neemt echter qua specifieke dichtheid een tussenpositie in tussen aluminium en ijzer en is qua mechanische eigenschappen vele malen superieur aan zowel aluminium als ijzer.

Wat zijn deze eigenschappen waardoor titanium op grote schaal kan worden gebruikt als structureel materiaal? Allereerst de sterkte van het metaal, d.w.z. het vermogen om vernietiging te weerstaan, evenals onomkeerbare vormveranderingen (plastische vervorming). Afhankelijk van het type spanningstoestand - spanning, compressie, buiging en andere testomstandigheden (temperatuur, tijd), worden verschillende indicatoren gebruikt om de sterkte van het metaal te karakteriseren: vloeigrens, treksterkte, vermoeidheidslimiet, enz. In al deze indicatoren Titanium is aanzienlijk superieur aan aluminium, ijzer en zelfs veel van de beste staalsoorten.

De specifieke sterkte van titaniumlegeringen kan 1,5-2 keer worden verhoogd. De hoge mechanische eigenschappen blijven goed behouden bij temperaturen tot enkele honderden graden. Andere metalen zijn simpelweg niet bestand tegen dergelijke temperaturen of zijn sterk verzwakt.

Zuiver titanium is een zeer plastisch metaal, wat te danken is aan de gunstige verhouding van de “c”- en “a”-assen in het zeshoekige rooster en de aanwezigheid daarin van vele systemen van slip- en twinning-vlakken. Hoewel wordt aangenomen dat metalen met een hexagonaal kristalrooster erg plastisch zijn, staat titanium, vanwege de aangegeven kenmerken van zijn kristallen, op één lijn met zeer plastic metalen die een ander type kristalrooster hebben. Hierdoor is puur titanium geschikt voor alle soorten bewerkingen in warme en koude omstandigheden: het kan worden gesmeed als ijzer, getrokken en zelfs tot draad worden verwerkt, tot platen, stroken en folie tot 0,01 mm dik worden gerold.

Het is interessant om op te merken dat titanium jarenlang, tot aan de productie van puur metaal, als een zeer bros materiaal werd beschouwd. Dit was te wijten aan de aanwezigheid van onzuiverheden in titanium, vooral stikstof, zuurstof, koolstof, enz. Zelfs een kleine hoeveelheid daarvan beïnvloedt, en wel in aanzienlijke mate, de eigenschappen van titanium, inclusief de ductiliteit ervan. Hetzelfde kan gezegd worden over de hardheid van titanium. Hoe hoger het aantal onzuiverheden in het metaal, hoe hoger het is. De hardheid van titanium dat duizendsten van een procent zuurstof, stikstof, koolstof en ijzer bevat, is dus 400-600 MPa, en wanneer dezelfde onzuiverheden in honderdsten van een procent voorkomen, neemt de hardheid toe tot 900-1000 MPa.

Waarom gebeurt dit? Zuurstof en stikstof zijn zeer oplosbaar in titanium, vooral bij de α-modificatie bij lage temperatuur. Met hun introductie in de octaëdrische holtes van titaniumkristallen begint de vervorming van het kristalrooster, neemt de stijfheid van interatomaire bindingen toe en als gevolg daarvan nemen de hardheid, sterkte en vloeigrens toe en neemt de ductiliteit van het metaal af. De schadelijkste onzuiverheid is waterstof: zelfs kleine hoeveelheden ervan verminderen de ductiliteit van het metaal en vooral de slagsterkte ervan sterk. Koolstof lost in veel mindere mate op in titanium en heeft weinig effect op het verminderen van de ductiliteit van het metaal. IJzer verslechtert de mechanische eigenschappen van titanium alleen als het 0,5% of meer bevat. Andere metalen hebben weinig effect op deze eigenschappen.

Pure chitan is dus een hard, duurzaam, taai, tamelijk stroperig en elastisch metaal. De hardheid op de schaal van Brinell bedraagt ​​ongeveer 1000 mn/m2. Ter vergelijking wijzen we erop dat ijzer slechts 350-450 ppm heeft, koper - 350, gegoten magnesium - 294, vervormd magnesium - 353 en aluminium - slechts 170 ppm. De normale elasticiteitsmodulus van titanium is 108.000 mN/m2; de elasticiteit is slechts iets lager dan die van koper en staal, maar is elastischer dan die van aluminium en magnesium.

Titanium heeft een hoge vloeigrens - ongeveer 250 MN/m2. Dit is 2,5 keer hoger dan die van ijzer, 3 keer zo hoog als die van koper en bijna 20 keer zo hoog als die van aluminium. Bijgevolg is titanium beter bestand tegen verpletterende schokken en andere belastingen die titaniumonderdelen kunnen vervormen dan deze metalen.

Hoogte en viscositeit van titanium. Het is perfect bestand tegen de gevolgen van stoten en belastingen. Dit uithoudingsvermogen verklaart een andere opmerkelijke eigenschap van titanium: de uitzonderlijke weerstand ervan onder omstandigheden van cavitatie, d.w.z. bij toegenomen “bombardement” van het metaal in een vloeibaar medium door luchtbellen die worden gevormd tijdens de snelle beweging of rotatie van een metalen onderdeel in een vloeistof. medium. Deze luchtbellen, die op het oppervlak van het metaal barsten, veroorzaken zeer sterke micro-impacts van de vloeistof op het oppervlak van het bewegende lichaam. Ze vernietigen snel veel materialen, inclusief metalen, maar titanium is perfect bestand tegen cavitatie.

Tests in zeewater met snel roterende schijven gemaakt van titanium en andere metalen toonden aan dat de titanium schijf na twee maanden roteren vrijwel niet afviel. De buitenranden, waar de rotatiesnelheid en dus de cavitatie maximaal zijn, zijn niet veranderd. Andere schijven slaagden niet voor de test: ze hadden allemaal beschadigde buitenranden en veel ervan stortten volledig in.

Titanium heeft nog een geweldige eigenschap: "geheugen". Wanneer het wordt gelegeerd met bepaalde metalen (bijvoorbeeld nikkel), ‘onthoudt’ het de vorm van het product dat er bij een bepaalde temperatuur van is gemaakt. Als een dergelijk product vervolgens wordt vervormd, bijvoorbeeld in een veer wordt gerold, gebogen, blijft het lange tijd in deze positie. Na verhitting tot de temperatuur waarbij het product gemaakt is, keert het terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Deze eigenschap van titanium wordt veel gebruikt in de ruimtetechnologie (grote antennes, voorheen compact opgevouwen, worden op het schip ingezet). Onlangs begonnen artsen deze eigenschap van titanium te gebruiken voor bloedeloze operaties aan bloedvaten: een draad van titaniumlegering wordt in een ziek, vernauwd vat gestoken en vervolgens, opwarmend tot lichaamstemperatuur, krult het in de oorspronkelijke veer en zet het vat uit.

De thermische, elektrische en magnetische eigenschappen van titanium verdienen aandacht. Het heeft een relatief lage thermische geleidbaarheid, slechts 22,07 W/(m · K), wat ongeveer 3 keer lager is dan de thermische geleidbaarheid van ijzer, 7 keer lager dan die van magnesium, 17-20 keer lager dan die van aluminium en honing. Dienovereenkomstig is de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt van titanium lager dan die van andere structurele metalen: bij kamertemperatuur (20° C) is deze voor titanium 8,5 10 -6 /° C, voor ijzer - 11,7 10 -6 /° C , voor koper - 17 10 -6 / ° C, voor aluminium - 23,9 / ° C. De elektrische geleidbaarheid van titanium is ook relatief laag. Deze eigenschap wordt verklaard door de vrij hoge elektrische weerstand van titanium: bij kamertemperatuur is deze 42,1 10 -6 Ohm cm. Bij toenemende temperatuur neemt de elektrische weerstand van titanium nog meer toe, en bij een afname ervan neemt deze sterk toe, bijna absoluut; nul, titanium wordt supergeleidend.

Titanium is een typisch paramagnetisch materiaal; de magnetische gevoeligheid bij 20° C bedraagt ​​slechts 3,2 ± 0,4 10 -6 eenheden. Zoals je weet zijn aluminium en magnesium paramagnetisch, maar koper is diamagnetisch en ijzer ferromagnetisch.

We hebben gekeken naar de chemische en fysische eigenschappen van titanium, die over het algemeen het wijdverbreide gebruik van dit metaal bevorderen. Titanium heeft echter ook veel negatieve eigenschappen. Het kan bijvoorbeeld spontaan ontbranden en in sommige gevallen zelfs ontploffen.

Er is al gezegd dat titanium in geconcentreerd salpeterzuur uitzonderlijk resistent is, maar bij rood rokend, oververzadigd met stikstofoxiden, wordt de beschermende film van titaniumdioxide op het metaaloppervlak onmiddellijk vernietigd en begint puur titanium met een explosie met het zuur te reageren. . Deze reactie was de oorzaak van de explosie van de titanium brandstoftanks van een van de Amerikaanse ruimteraketten. Titanium reageert ook explosief met droog chloor. Er is een manier om deze explosieve reacties te voorkomen. Het is de moeite waard om slechts 1-2% water toe te voegen aan rokend rood salpeterzuur, en nog minder aan droog chloor - 0,5-1%, en er zal onmiddellijk een beschermende film op het metalen oppervlak verschijnen. Verdere oxidatie van titanium wordt voorkomen en er zal geen explosie optreden.

In de vorm van dunne spaanders, zaagsel of poeder kan titanium zelfs zonder externe hitte spontaan ontbranden. Dergelijke gevallen werden waargenomen tijdens trekproeven in een zuurstofatmosfeer op het moment van breuk. Dit wordt opnieuw verklaard door de hoge activiteit van het verse, niet-geoxideerde titaniumoppervlak en de sterke exotherme aard van zijn reactie met zuurstof.

Titanium kan niet alleen branden in een zuurstofatmosfeer, maar zelfs in een atmosfeer van stikstof, wat ook een sterke oxidator van titanium is. Daarom is het onmogelijk om brandend titanium te blussen met stikstof, maar ook met water en koolstofdioxide: ze ontleden, waarbij zuurstof vrijkomt, die vervolgens in wisselwerking staat met heet titanium en een explosie veroorzaakt.

Een ander nadeel van titanium is het vermogen om alleen hoge fysieke en mechanische eigenschappen te behouden tot een temperatuur van 400-450 ° C, en met de toevoeging van enkele legeringsmetalen - tot 600 ° C, en hier heeft het serieuze concurrenten - hitte- resistente speciale staalsoorten. In het temperatuurbereik onder nul kent titanium echter geen gelijke. IJzer wordt al bros bij een temperatuur van -40° C, speciaal lagetemperatuurstaal - onder -100° C. Maar titanium en zijn legeringen breken niet af bij temperaturen tot -253° C (in vloeibare waterstof) en zelfs hoger tot -260° C (in vloeibaar helium). Deze zeer belangrijke eigenschap van titanium biedt grote perspectieven voor het gebruik ervan in de cryogene technologie en voor werk in de ruimte.

Titanium reageert met veel metalen. Bij het wrijven met onderdelen gemaakt van een zachter metaal, kan titanium er metaaldeeltjes van afscheuren en het metaal aan zichzelf plakken, terwijl van een harder metaal daarentegen titaniumdeeltjes het titaniumonderdeel zullen afscheuren en een ander onderdeel zullen bedekken. Bovendien helpt geen enkel vet of oliesmeermiddel voorkomen dat de deeltjes aan elkaar blijven kleven. Voor een korte tijd kan dit fenomeen alleen worden afgezwakt door molybdenietvlokken of grafiet als smeermiddel te gebruiken. Maar titanium last zeer slecht met andere metalen. Dit probleem is nog niet vrijwel geheel opgelost, al gaat het lassen van titaniumproducten goed.

Titanium is, zoals we al weten, een hard metaal, harder dan ijzer, aluminium en koper. Maar nog steeds niet harder dan speciaal, extra hard gereedschapsstaal, waarvan scherpe instrumenten, messen en scalpels worden gemaakt. Titanium is hier niet van toepassing.

Titanium is een slechte geleider van elektriciteit en warmte. Je kunt er geen draden van maken, maar het feit dat het een van de weinige metalen is die bij lage temperaturen supergeleider is voor elektriciteit, opent er grote perspectieven voor in de elektrische technologie voor het overbrengen van energie over lange afstanden.

Titanium is een paramagnetisch metaal: het magnetiseert niet zoals ijzer in een magnetisch veld, maar wordt er niet zoals koper uit geduwd. De magnetische gevoeligheid ervan is erg zwak; deze eigenschappen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt bij de constructie van niet-magnetische schepen, instrumenten en apparaten.

Titanium heeft dus meer voordelen dan nadelen, en het feit dat het qua andere kenmerken inferieur is aan sommige speciale staalsoorten en legeringen, wordt gecompenseerd door een zeer belangrijke omstandigheid. Lichtheid, sterkte, ductiliteit, hardheid, duurzaamheid en vele andere kwaliteiten worden zo organisch in één metaal gecombineerd dat dit een grote toekomst voor titanium belooft.

Voordat we u vertellen hoe titanium, zijn legeringen en verbindingen vandaag de dag worden gebruikt en welke perspectieven zich in de nabije toekomst voor dit metaal openen, moeten we in detail bekijken hoe wijdverbreid dit verbazingwekkende metaal is in ons universum, op planeet Aarde, in welke vorm het is. wordt aangetroffen in gesteenten van de aardkorst, welke afzettingen worden gevormd, hoe ertsen worden gewonnen, verrijkt en concentraten worden verwerkt. Laten we het lange en moeilijke pad volgen om puur titanium te verkrijgen, de verwerking en het gebruik ervan door mensen.

Velen zijn geïnteresseerd in het enigszins mysterieuze en nog niet volledig bestudeerde titanium - een metaal waarvan de eigenschappen enigszins dubbelzinnig zijn. Metaal is zowel het sterkste als het meest kwetsbare.

Het sterkste en meest kwetsbare metaal

Het werd ontdekt door twee wetenschappers met een verschil van zes jaar: de Engelsman W. Gregor en de Duitser M. Klaproth. De naam Titan wordt enerzijds geassocieerd met de mythische titanen, bovennatuurlijk en onbevreesd, en anderzijds met Titania, de feeënkoningin.
Dit is een van de meest voorkomende materialen in de natuur, maar het proces om puur metaal te verkrijgen is bijzonder complex.

22 chemisch element uit de tabel van D. Mendelejev Titanium (Ti) behoort tot groep 4 van periode 4.

De kleur van titanium is zilverwit met een uitgesproken glans. De schittering ervan glinstert met alle kleuren van de regenboog.

Dit is een van de vuurvaste metalen. Het smelt bij een temperatuur van +1660 °C (±20°). Titanium is paramagnetisch: het wordt niet gemagnetiseerd in een magnetisch veld en wordt er ook niet uit geduwd.
Het metaal wordt gekenmerkt door een lage dichtheid en hoge sterkte. Maar de eigenaardigheid van dit materiaal is dat zelfs minimale onzuiverheden van andere chemische elementen de eigenschappen ervan radicaal veranderen. In de aanwezigheid van een onbeduidend aandeel andere metalen verliest titanium zijn hittebestendigheid, en het minimum aan niet-metaalhoudende stoffen in de samenstelling maakt de legering bros.
Deze eigenschap bepaalt de aanwezigheid van 2 soorten materiaal: puur en technisch.

1. Puur titanium wordt gebruikt waar een zeer lichte substantie nodig is die bestand is tegen zware belastingen en ultrahoge temperatuurbereiken.
2. Het technische materiaal wordt gebruikt waar parameters als lichtheid, sterkte en corrosieweerstand worden gewaardeerd.

De stof heeft de eigenschap van anisotropie. Dit betekent dat het metaal zijn fysieke kenmerken kan veranderen op basis van de uitgeoefende kracht. U moet op deze functie letten bij het plannen van het gebruik van het materiaal.

Titanium verliest kracht bij de geringste aanwezigheid van onzuiverheden van andere metalen

Studies naar de eigenschappen van titanium onder normale omstandigheden bevestigen de inertie ervan. De stof reageert niet op elementen in de omringende atmosfeer.
Parameterwijzigingen beginnen wanneer de temperatuur stijgt tot +400°C en hoger. Titanium reageert met zuurstof, kan ontbranden in stikstof en absorbeert gassen.
Deze eigenschappen maken het moeilijk om een ​​zuivere stof en zijn legeringen te verkrijgen. De productie van titanium is gebaseerd op het gebruik van dure vacuümapparatuur.

Titanium en concurrentie met andere metalen

Dit metaal wordt voortdurend vergeleken met aluminium en ijzerlegeringen. Veel chemische eigenschappen van titanium zijn aanzienlijk beter dan die van concurrenten:

1. In termen van mechanische sterkte is titanium 2 keer groter dan ijzer en aluminium 6 keer. De sterkte ervan neemt toe met afnemende temperatuur, wat niet wordt waargenomen bij concurrenten.
   De anticorrosie-eigenschappen van titanium overtreffen aanzienlijk die van andere metalen.
2. Bij omgevingstemperaturen is het metaal volledig inert. Maar wanneer de temperatuur boven +200°C stijgt, begint de stof waterstof te absorberen, waardoor de eigenschappen ervan veranderen.
3. Bij hogere temperaturen reageert titanium met andere chemische elementen. Het heeft een hoge specifieke sterkte, die 2 keer hoger is dan de eigenschappen van de beste ijzerlegeringen.
4. De anticorrosie-eigenschappen van titanium overtreffen aanzienlijk die van aluminium en roestvrij staal.
5. De stof geleidt elektriciteit niet goed. Titanium heeft een elektrische weerstand die vijf keer hoger is dan die van ijzer, twintig keer hoger dan die van aluminium en tien keer hoger dan magnesium.
6. Titanium wordt gekenmerkt door een lage thermische geleidbaarheid, dit komt door de lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Het is 3 keer minder dan dat van ijzer en 12 keer minder dan dat van aluminium.
   

Hoe wordt titanium verkregen?

Het materiaal staat op de 10e plaats wat betreft verspreiding in de natuur. Er zijn ongeveer 70 mineralen die titanium bevatten in de vorm van titaanzuur of titaniumdioxide. De meest voorkomende en die een hoog percentage metaalderivaten bevatten, zijn:

• ilmeniet;
• rutiel;
• anataas;
• perovskiet;
• brookiet.

De belangrijkste afzettingen van titaniumerts bevinden zich in de VS, Groot-Brittannië, Japan, en er zijn grote afzettingen ontdekt in Rusland, Oekraïne, Canada, Frankrijk, Spanje en België.

Titaniumwinning is een duur en arbeidsintensief proces

Het extraheren van metaal daaruit is erg duur. Wetenschappers hebben 4 methoden ontwikkeld voor de productie van titanium, die allemaal functioneel zijn en effectief worden gebruikt in de industrie:

1. Magnesium-thermische methode. De geëxtraheerde grondstoffen die titaniumonzuiverheden bevatten, worden verwerkt en titaniumdioxide wordt verkregen. Deze stof wordt bij verhoogde temperaturen onderworpen aan chlorering in mijn- of zoutchlorinatoren. Het proces is erg langzaam en wordt uitgevoerd in aanwezigheid van een koolstofkatalysator. In dit geval wordt vast dioxide omgezet in een gasvormige substantie: titaniumtetrachloride. Het resulterende materiaal wordt gereduceerd met magnesium of natrium. De tijdens de reactie gevormde legering wordt in een vacuümeenheid tot ultrahoge temperaturen verwarmd. Als gevolg van de reactie verdampen magnesium en zijn verbindingen met chloor. Aan het einde van het proces wordt een sponsachtig materiaal verkregen. Het wordt gesmolten en er wordt titanium van hoge kwaliteit verkregen.
2. Calciumhydride-methode. Het erts wordt onderworpen aan een chemische reactie om titaniumhydride te produceren. De volgende fase is de scheiding van de stof in zijn componenten. Bij het verwarmen in vacuümunits komen titanium en waterstof vrij. Aan het einde van het proces wordt calciumoxide verkregen, dat wordt gewassen met zwakke zuren. De eerste twee methoden hebben betrekking op industriële productie. Ze maken het mogelijk om in de kortst mogelijke tijd en tegen relatief lage kosten puur titanium te verkrijgen.
3. Elektrolyse methode. Titaniumverbindingen worden blootgesteld aan hoge stromen. Afhankelijk van de grondstof worden verbindingen onderverdeeld in componenten: chloor, zuurstof en titanium.
4. Jodidemethode of raffinage. Titaandioxide verkregen uit mineralen wordt overgoten met jodiumdamp. Als resultaat van de reactie wordt titaniumjodide gevormd, dat wordt verwarmd tot een hoge temperatuur - +1300 ... + 1400 ° C en wordt blootgesteld aan elektrische stroom. In dit geval worden de volgende componenten geïsoleerd uit het bronmateriaal: jodium en titanium. Het metaal dat met deze methode wordt verkregen, bevat geen onzuiverheden of additieven.

Gebruiksgebieden

Het gebruik van titanium hangt af van de mate van zuivering van onzuiverheden. De aanwezigheid van zelfs maar een kleine hoeveelheid andere chemische elementen in de samenstelling van een titaniumlegering verandert de fysieke en mechanische eigenschappen ervan radicaal.

Titanium met een bepaalde hoeveelheid onzuiverheden wordt technisch titanium genoemd. Het heeft een hoge corrosieweerstand, het is een lichtgewicht en zeer duurzaam materiaal. Het gebruik ervan hangt af van deze en andere indicatoren.

• In de chemische industrie Warmtewisselaars, buizen met verschillende diameters, fittingen, behuizingen en onderdelen voor pompen voor verschillende doeleinden zijn gemaakt van titanium en zijn legeringen. De stof is onmisbaar op plaatsen waar hoge sterkte en bestendigheid tegen zuren vereist zijn.
• Via vervoer Titanium wordt gebruikt voor de vervaardiging van onderdelen en samenstellingen voor fietsen, auto's, treinwagons en treinen. Het gebruik van het materiaal vermindert het gewicht van rollend materieel en auto's en geeft lichtheid en sterkte aan fietsonderdelen.
• Titanium is van groot belang bij de afdeling Marine. Er worden onderdelen en rompelementen voor onderzeeërs, propellers voor boten en helikopters van gemaakt.
• In de bouwsector Er wordt een zink-titaanlegering gebruikt. Het wordt gebruikt als afwerkingsmateriaal voor gevels en daken. Deze zeer duurzame legering heeft een belangrijke eigenschap: er kunnen architectonische onderdelen van de meest fantastische configuratie mee gemaakt worden. Het kan elke vorm aannemen.
• Titanium is de afgelopen tien jaar op grote schaal gebruikt in de olie-industrie. De legeringen worden gebruikt bij de vervaardiging van apparatuur voor ultradiep boren. Het materiaal wordt gebruikt voor de vervaardiging van apparatuur voor de offshore olie- en gasproductie.

Titanium heeft een zeer breed scala aan toepassingen

Zuiver titanium heeft zijn eigen toepassingsgebieden. Het is nodig waar weerstand tegen hoge temperaturen vereist is terwijl de sterkte van het metaal behouden blijft.

Het wordt gebruikt bij :

• vliegtuigbouw en ruimtevaartindustrie voor de vervaardiging van huiddelen, behuizingen, bevestigingselementen, landingsgestellen;
• medicijnen voor protheses en de vervaardiging van hartkleppen en andere apparaten;
• technologie voor het werken in het cryogene gebied (hier wordt de eigenschap van titanium gebruikt - naarmate de temperatuur daalt, neemt de sterkte van het metaal toe en gaat de ductiliteit ervan niet verloren).

Procentueel gezien ziet het gebruik van titanium voor de productie van verschillende materialen er als volgt uit:

• 60% wordt gebruikt voor verfproductie;
• plastic verbruikt 20%;
• 13% wordt gebruikt bij de papierproductie;
• De machinebouw verbruikt 7% van het geproduceerde titanium en zijn legeringen.

De grondstoffen en het proces voor de productie van titanium zijn duur, de productiekosten worden gecompenseerd en betaald door de levensduur van producten gemaakt van deze stof, het vermogen om het uiterlijk gedurende de gehele gebruiksperiode niet te veranderen.