Титан и его применение в изготовлении крепежа

Титан

Титан (лат. Titanium; обозначается символом Ti) — один из элементов периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан — лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета.

Титан является своеобразным мостиком, соединяющим в себе свойства стали и алюминия. Малый вес (почти в 2 раза легче стали), прочность (прочнее алюминия в 2 раза) и высокая стойкость к коррозии (почти, как у платины) — эти свойства заставили учёных обратить внимание на этот материал и найти ему промышленное применение. В начале 50-х годов ХХ столетия были разработаны титановые сплавы, которые, благодаря уникальному соотношению прочности и веса нашли широкое применение в аэрокосмической и оборонной промышленности.

Из-за высокой температуры плавления (1660±20 °C), а также высокой вязкости (титан имеет свойство налипать на режущий инструмент при механической обработке) изначально производство титана было достаточно сложным и очень дорогостоящим процессом, поэтому его применение было ограничено. Однако в последнее время, новые технологии сильно упростили этот процесс, а рост объемов производства позволил снизить стоимость титана, так что уникальное сочетание прочности, легкости и стойкости к коррозии этого материала стало доступно множеству других отраслей промышленности.

Интересный факт, в 1980 году в Москве на площади Гагарина на Ленинском проспекте был установлен памятник Юрию Гагарину. Памятник первому человеку в космосе общим весом 12 тонн и высотой 42,5 метра изготовлен из 238 деталей отлитых из «космического материала» — титана. Крупнейшая деталь титановой скульптуры — лицо Юрия Гагарина весит 300 кг. Памятник на площади Гагарина стал первым в мире крупногабаритным памятником, изготовленным из титана. 

Титановые сплавы

Титан без примесей, называется технически чистым титаном (Titan grade 1 — 4 по международной классификации). Чистый титан получил широкое применение благодаря своей высокой коррозийной стойкости. Невидимая невооружённым глазом тонкая (около 10 нм) плёнка оксида мгновенно покрывает материал при наличии кислорода или влаги, таким образом титан быстро восстанавливается в случае повреждения. Это свойство титана делает его устойчивым к коррозии, в том числе, в самых агрессивных средах.

Сплав Titan grade 5 — наиболее распространённый титановый сплав. Несмотря на то, что его коррозийные свойства слегка уступают технически чистому титану, этот сплав способен противостоять коррозии в морской воде, хлорных растворах, окисляющих кислотах и гипохлорите натрия. В состав сплава добавлены: Алюминий 6%, Ванадий 4%, Железо 0.25% (макс) и Кислород 0.2% (макс) — именно благодаря этим добавкам сплав становится еще более прочным, сохраняя при этом жесткость и термодинамические свойства чистого титана. Сплав Titan Grade 5 служит основой для 70% выплавляемых титановых сплавов.

крепежные изделия из титана

Существует более 40 титановых сплавов, каждый из которых создан для применения в особых условиях, но мы не будем останавливаться на них подробно. Нас интересуют сплавы Titan Grade 2 и Titan Grade 5, которые благодаря высокой прочности, малому весу и высокой коррозийной стойкости чаще других используются для производства крепежных изделий из титана.

Титан Grade 2 (CP GR.2) — отечественный аналог Титан ВТ 1-0.

Этот сплав, своего рода “рабочая лошадка” — технически чистый сплав без примесей с содержанием титана около 99%. Крепеж из такого сплава хорошо подойдёт для эксплуатации в условиях где требуется:

• хорошая прочность (примерно, как у стали кл.пр. 8.8).
• низкая плотность материала и, как следствие, малый вес (примерно, вдвое меньше стали).
• отличная коррозийная стойкость в морской воде.
• отличная коррозийная стойкость в водных растворах хлора (влажный хлор).
• отличная коррозийная стойкость в растворах кислот с высокой окислительной способностью (хлорид железа и азотная кислота).
• коррозийная стойкость в сильных кислотах (плавиковая кислота, серная кислота, ортофосфорная кислота).

Титан Grade 5 (Ti6Al4V GR.5) — отечественный аналог Титан ВТ 6.

Более прочный титановый сплав, который немного уступает чистому титану в устойчивости к коррозии. Крепежные изделия из этого сплава рекомендуется использовать в условиях, где требуется:

• высокая прочность (сплав Титан Grade 5 почти в 2 раза прочнее сплава Титан Grade 2).
• хорошая коррозийная стойкость.
• низкая плотность материала и, как следствие, малый вес (примерно, вдвое меньше стали).
• высокая жаропрочность.

Еще одно свойство, которое выделяет титановый крепеж среди метизов из других металлов — это высокое соотношение прочность/вес с плотностью 4.51 г/см

3. Например, сплав Титан grade 5 в четыре раза прочнее нержавеющей стали A4 (AISI 316) при том, что весит он в два раза меньше. Поэтому крепеж из титана идеально подходит для ситуаций, где требуется высокая прочность при малом весе конструкции. Например, крепеж из титана используется в авиакосмической промышленности, нефтегазовой отрасли и в производстве спортивных товаров.

Кроме того, благодаря своей коррозийной стойкости к хлору и его соединениям, винты из титана являются настоящей находкой для химической промышленности. Титановый крепеж обладает абсолютной устойчивостью к хлоридам, гипохлоритам, хлоратам, перхлоратам и диоксиду хлора. Как следствие, титановый крепеж часто применяется в отраслях промышленности, применяющих хлор, например, при отбеливании, обработке древесины и изготовление бумаги.

Крепеж из титана превосходно справляется с коррозией в солёной морской воде. В таких условиях титан способен противостоять коррозии при температуре до 260 °C, сохраняя нормальное состояние на морском дне на глубине до 1,5 километра — по этой причине титановый крепеж используется в нефтедобывающей и судостроительной промышленности.

Поставки крепежа из титана

Компания АЙРИВЕТ поставляет крепеж из титана по европейским стандартам DIN EN ISO. Европейские стандарты гарантируют качество, точность и соответствие материала заявленным нормам. В ассортимент поставляемых нами крепёжных изделий из титана входят:

Ознакомиться с нашим ассортиментом крепежных изделий из титана, а также подобрать отечественные аналоги можно здесь.

Мы сотрудничаем только с проверенными европейскими производителями крепежных изделий из титана. Все производители внимательно следят за качеством выпускаемой продукции и сертифицированы не только в соответствии с общепринятым стандартом UNI EN ISO 9001:2000, но и в соответствии со стандартом UNI EN 9100:2009, выдвигающим строгие требования к предприятиям, выпускающим продукцию для аэрокосмической отрасли.

Если в нашем каталоге не нашлось нужных вам крепежных изделий из титана, вам требуется нестандартная деталь или особая марка титана, свяжитесь с нами и мы уточним возможность, сроки и стоимость поставки необходимых вам изделий.

Да, и самое главное! Для того, чтобы разместить заказ, не нужно астрономического объема! Мы поставим минимальное количество необходимых вам крепежных изделий из титана в самые короткие сроки!

---

Данный материал соответствует запросам: титан, титановый крепёж, крепёж из титана, болты из титана, титановый болт, гайки из титана, титановые гайки, винты из титана, титановые винты, шайбы из титана, титановые шайбы, кислотостойкий крепеж, коррозия, титановые шпильки, шпильки из титана.

Титан

Доставка до транспортных компаний БЕСПЛАТНО: Деловые линии, Энергия.  

Титан

Титан почти в два раза легче и прочнее железа, по удельной прочности он превосходит и алюминий: не намного тяжелее его, а прочнее в шесть раз.

1200р — 1кг

А сплавы титана по этому показателю вышли на одно из первых мест среди металлических конструкционных материалов.

В наибольшей степени заинтересована в применении титана и его сплавов авиация. Это реактивные двигатели, роторы турбин, детали фюзеляжа, вплоть до таких простейших, как болты и гайки. Сопла газотурбинных авиадвигателей изготавливают из чистого титана, а клапаны, втулки, уплотнения – из его сплавов. Применение последних вместо алюминиевых позволяет снизить массу самолета на 20 %.

Титан важен и в автомобилестроении. Из титана и его сплавов изготавливают клапаны, подвески, соединительные тяги, шатуны. Титановые шатуны намного легче стальных, поэтому подвергаются меньшим инерционным нагрузкам, а это позволяет увеличить число оборотов и мощность двигателя. Перспективно применение титана вместо стали при изготовлении рам и других ответственных деталей грузовых автомобилей.

Использование титановых сплавов на железнодорожном транспорте также позволит увеличить полезную грузоподъемность, снизить расход горючего, повысить срок службы, надежность транспортных средств, что в конечном итоге приведет к существенной экономии.

Преимущества титана и его сплавов особенно ярко проявляются при изготовлении из них деталей, вращающихся с большой скоростью: роторов турбин, центрифуг, гироскопов и др. Возможна ситуация, когда запас прочности стали не позволит выдержать значительные нагрузки, возникающие под действием центробежных сил.

Простое увеличение толщины деталей ничего не дает – с увеличением толщины возрастает и масса детали, а, значит, и действие центробежных сил. Необходим материал с большей удельной прочностью, например, тот же титан. Так стальной ротор компрессора реактивного двигателя разрушается при 17 тыс. об/мин, в то время как такой же ротор, но из титана, выдерживает 25 тыс. об/мин.

Многие металлы и сплавы обладают способностью переходить в пассивное состояние по отношению к коррозионной среде, что связывают с образованием на их поверхности защитных пленок, чаще всего оксидных. Особой склонностью к возникновению пассивного состояния обладают титан, алюминий и хром.

Титан по своим химическим свойствам вполне соответствует данному имени. Он чрезвычайно прочен, термостоек, хорошо противостоит действию агрессивных жидкостей. На него не действует ни азотная кислота, ни «царская водка» (смесь азотной и соляной кислот).

Коррозионную стойкость титана в сильных кислотах, не обладающих окислительной активностью, можно улучшить легированием благородными металлами, например, палладием. Небольшая, до 1 %, добавка палладия делает титан стойким и к другим минеральным кислотам – серной и соляной.

Благородные металлы образуют на поверхности титана активные катодные участки, которые способствуют его самопассивации в растворах агрессивных веществ. При этом даже не надо сплавлять титан с палладием. Для пассивации титана достаточно подвергнуть его ионной бомбардировке ионами палладия, и он с минимальным расходом благородного металла станет пассивным уже через несколько минут.

Итак, титан вполне оправдывает свое имя – синоним стойкости и прочности. Этот металл ждет большое будущее.

Титановый лист производиться по ГОСТу 22178, в его состав входят сплавы ВТ-20, ВТ-6, ВТ-14,ВТ1-0, ВТ1-00, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ5-4, ВТ-4 (химический состав которых регулируется по Государственному стандарту 19807 или по отраслевому стандарту 1 90013) такой титановый лист применяется в основном для приминения с сфере народного хозяйства. Толщина листов регулируется номенклатурой:
— от 0,3 миллиметров до 10,5 миллиметров.
— при ширине от 600 миллиметров доступная толщина от 0,3-0,4 миллиметров до 400 миллиметров
— при ширине титанового листа 1200 миллиметров доступная толщина от 0,3÷0,6 миллиметров до 600 мм, а также от 0,8мм÷1,8мм до 1000 миллиметров.
Из такого же по составу сплава, химсостав которого регулирует отраслевой стандарт ОСТ 1 90013, изготавливается титановый лист для специализированных отраслей в промушленности. Данное производство регулирует отраслевой стандарт ОСТ 1 90218.

сложности и методы его обработки

Среди неспециалистов бытует мнение, что титан имеет явное сходство с нержавеющей сталью. А значит, его можно подвергать механической обработке. При этом такой металл все же прочнее стали, поэтому сама работа с ним примерно раз в пять труднее. Тем не менее, особых проблем металлообработка вызывать не должна.

Сложности обработки титановых изделий

На самом же деле все обстоит несколько сложнее, чем представляется на первый взгляд. Металл этот отличается сниженной теплопроводностью, способен задираться и налипать. Кроме того, сложность заключается и в том, что титан необычайно прочен и способен при термических работах спаиваться с режущим инструментом (ведь резец также состоит из металла и практически всегда оказывается более мягким, чем обрабатываемая деталь). В результате инструмент особенно быстро изнашивается и требует постоянной замены.

Говоря об обработке металла, профессионалы подразумевают несколько разных видов работ с титановыми деталями. У них существуют свои секреты, позволяющие нейтрализовать отрицательные свойства этого металла или свести их к минимуму. Например, специальные охлаждающие составы помогут уменьшить задирание либо налипание металла, а также снизить тот объем тепла, который выделяется при резке титана.

Титановые листы разрезают с помощью гильотинных ножниц. Прокатный сортовой металл крупного диаметра обычно подвергают резке специальными пилами механического типа. Этот инструмент отличается тем, что зуб полотна у него достаточно крупный. Если пруток имеет меньший диаметр, в ход можно пустить токарный станок. Кстати, токарная обработка данного металла осуществляется резцами, изготовленными из особо прочных сплавов. Но даже при этом обстоятельстве скорость работы должна быть снижена и обычно уступает той скорости, которая наблюдается при обработке стали-нержавейки.

Фрезеровка титановых деталей также вызывает сложности: на фрезерные зубцы металл начинает налипать. Чтобы избежать этого, необходимо использовать фрезу, изготовленную из сплавов высокой твердости. В качестве охладителей применяют жидкости, уровень вязкости которых повышен.

Отдельное внимание следует уделить сверлению титановых элементов. В канавках может скапливаться стружка, вследствие чего сверло начинает деформироваться. Сверлить титан можно с помощью стальных быстрорежущих инструментов.

Титан можно использовать также и в качестве материала для составляющих каких-либо конструкций. Детали из этого металла требуется соединять, и здесь применяют несколько методов. Стоит рассмотреть этот вопрос подробнее.

Особенности сварочных работ по титану

Сварка является наиболее часто используемым вариантом соединения титановых деталей. Поначалу любая попытка титановой сварки заканчивалась неудачей. Причины этого назывались разные. Считалось, что в микроструктуре металла происходят изменения, что титан вступает в реакцию в азотом, кислородом и водородом, которые содержатся в воздухе. Среди других факторов называлось возрастание зернистости при разогреве металла. В любом случае, швы оказывались предельно хрупкими. Однако все эти проблемы удалось достаточно быстро решить с помощью новых технологий. Поэтому в настоящее время сварка титановых элементов не вызывает особых сложностей и считается обыденной.

Вместе с тем, определенные нюансы при проведении сварочных работ все же наблюдаются. Чаще всего, это выражается в том, что сварочный шов требуется постоянно оберегать от примесей, которые его загрязняют. Чтобы избежать этого, сварщики применяют флюсы, действующие без кислорода, а также чистый инертный газ. Используются также специализированные прокладки и козырьки для защиты – они позволяют прикрывать остывающие швы и препятствуют загрязнению.

Подобные услуги по металлообработке предполагают повышенную скорость сварки. Это позволяет снизить возрастание зернистости и задержать любые деформации микроструктуры материала. Сварка осуществляется в стандартных условиях. Для того чтобы защитить горячий металл от вступления в реакцию с воздухом, используются отдельные предупреждающие меры.

Сварка может осуществляться и в атмосфере полной контролируемости. Соблюдать ее необходимо, когда требуется избежать даже возможности загрязнения шва. Такие требования выдвигаются для самых ответственных сварочных работ при гарантии чистоты в 100%. 

В случае, если нужно соединить небольшие по объему детали, работа проводится в особой камере, которая полностью заполняется инертным газом. Чтобы сварщику был виден весь фронт работ, камеру оснащают специальным окошком.

Если же необходимо соединить крупные элементы конструкции, работа проводится в помещении, герметично закрытом. Любая сварка должна осуществляться подготовленными людьми, а в данной ситуации к работе допускаются лишь профессиональнее сварщики с внушительным опытом. Для них в помещении предусматриваются системы жизнеобеспечения.

Другие способы соединения титановых деталей

Иногда сварка титана выглядит нецелесообразной. В этом случае зачастую используют пайку. Такой вид обработки титанового материала является довольно сложным. Причина в том, что при температурном воздействии оксидная пленка на поверхности детали приводит к весьма непрочному соединению вне зависимости от того, с каким металлом спаивается титан. Поэтому из всех металлов, идеально взаимодействующих с титаном при пайке, подходят лишь алюминий и серебро повышенной чистоты.

Еще один способ соединения титановых изделий между собой или с деталями из иных металлов – это клепка. Этот метод, как и применение болтов, является механическим. Если ставится заклепка из титана, работа существенно удлиняется. При использовании болтов необходимо покрывать их тефлоном либо серебром, в противном случае не избежать налипания титана, а само соединение окажется достаточно хрупким.

Способы нейтрализации минусов титана

Недостатком этого уникального металла является задирание, налипание, которое возникает при трении. В результате происходит ускоренное изнашивание титанового сплава. Если применяется фрезеровка металла, это обстоятельство нельзя не учитывать. Скользя по металлической поверхности, титан вступает в реакцию и начинает налипать, постепенно поглощая всю деталь.

Однако верхний слой титана можно сделать более прочной, устойчивой к истиранию и налипанию. В том числе, для этой цели используется азотирование. Метод состоит в выдерживании детали в азотном газе. Изделие должно быть разогрето в среднем до 900 градусов, а время выдержки составляет свыше суток. В результате азотирования поверхность элемента покрывается нитридной пленкой, придающей титану особую твердость. Как следствие – повышение износостойкости титановой детали.

Еще один метод, позволяющий повысить свойства металла, – это его оксидирование. Оно помогает устранить задирание. Титановую деталь необходимо нагреть, чтобы на ее поверхности возникла оксидная пленка. Она плотно покрывает верхний слой металла, не пропуская внутрь воздух.

Оксидирование может быть низко- и высокотемпературным. В последнем случае изделие выдерживают в течение нескольких часов в нагретом состоянии, а после чего опускают его в холодную воду. Это помогает ликвидировать окалину. Оксидированная таким образом деталь становится более устойчивой к изнашиванию сразу на несколько порядков.

Фрезерование титановых деталей

Титан применяется в самых разных промышленных сферах, в том числе, в самолетостроении и космонавтике. В этих отраслях чаще всего используются детали, выполненные из титана.

Нужно учитывать, что фрезерная обработка металла отличается сложностью. Поэтому для таких работ требуется применять острые фрезы с повышенной скоростью. Следует также максимально снизить контакт детали с резцом. Фрезерование начинается по дуге, а в конце работы фаска должна сниматься под определенным углом.

Квалификация фрезеровщика играет серьезную роль не только в выполнении самих работ, но и в определении их стоимости. Многое будет также зависеть и от того, насколько сложной выглядит геометрия создаваемого из титана элемента.

Титан

Титан особо ценится за низкую плотность в сочетании с высокой прочностью и отличной стойкостью к коррозии. Максимальный показатель прочности на разрыв чистого титана может достигнуть 740 Н/мм2, а показатель такого сплава как LT 33, содержащего алюминий, ванадий и олово, достигает 1200 Н/мм2. Температурный коэффициент расширения металла составляет около половины от температурного коэффициента расширения нержавеющей стали и меди, и одну третью часть от данного коэффициента алюминия. Его плотность составляет около 60% от плотности стали, одну вторую от плотности меди и в 1.7 раз больше, чем у алюминия. Его модуль упругости составляет половину от модуля упругости нержавеющей стали, что делает его стойким и прочным к ударам.Авиакосмическая промышленность остается самым крупным потребителем этого металла. Титановые сплавы, способные к функционированию при температурах от 0°С до 600°С, используются в авиадвигателях для дисков, лопастей, валов и корпусов. Высокопрочные сплавы широко используются в производстве различных деталей, входящих в конструкцию летательных аппаратов — от мелких крепежных деталей, которые весят несколько граммов, до тележек шасси и больших крыльевых балок, вес которых достигает 1 тонны. Титан может составлять 10 процентов ненагруженного веса некоторых серийных пассажирских самолетов. Сейчас титан в основном потребляется в виде диоксида титана — нетоксичного белого пигмента, который используют для производства красок, бумаги, пластмассы и косметики.

Начало

Хотя о существовании титановых минералов известно более 200 лет, серийное производство титана и пигмента диоксида титана для продажи началось не раньше 1940 года. В.Дж.Кроли запатентовал метод производства титана методом угле-хлорирования титанового диоксида в 1938году. Этот элемент был назван в честь Титанов из греческой мифологии немецким химиком МТ.Клапрот, который успешно отделил диоксид титана от рутила в конце восемнадцатого века.

Американское Геологическое управление подсчитало, что добыча ильменита в мире в 2004 году в целом составила 4.8 млн тонн, в то время как добыча рутила в мире в целом составила 400 000 тонн. Ильменит обеспечивает потребность в титановых минералах в мире на 90%. По подсчетам Американского Геологического управления мировые ресурсы анатаза, рутила и ильменита в общем составляют более двух миллиардов тонн.

Производство

Первый этап в производстве титана заключается в изготовлении губки путем хлорирования руды рутила. Хлор и кокс соединяют с рутилом для создания тетрахлорида титана, который затем в замкнутой системе соединяют с магнием для производства титановой губки и хлорида магния. Магний и хлорид магния извлекают для переработки путем использования вакуумного дистилляционного процесса или технологического процесса выщелачивания, создателем которого является Кроль. Основными производителями титановой губки являются США, Россия, Казахстан, Украина, Япония и Китай.

Метод вакуумно-дугового переплава или электронно-лучевая холодная подовая печь используются для плавки губки со скрапом и/или легирующими элементами, такими как ванадий, алюминий, молибден, олово и цирконий для производства переплавленных электродов. Данные электроды можно вновь переплавить методом вакуумно-дугового переплава для производства материала по наиболее строгим спецификациям в авиакосмической сфере и в сфере высоких технологий, или их можно отлить прямо в слябы.

Слитки ВДП имеют цилиндрическую форму и могут весить до 7.94 тонн. Их куют для изготовления слябов или биллетов или используют для прецизионного литья. Методом прокатки производят плиты, листы прутки, стержни и проволоку. Трубы производят из нарезанных из листов штрипсов.

Применение

В повседневной жизни титан обычно ассоциируется с ценными изделиями, такими как наручные часы, оправы для очков, спортивные товары и ювелирные изделия, но кроме этого он широко используется в авиации, а также в других областях, в которых титан, благодаря сочетанию своих физических свойств и био-совместимости, имеет преимущества перед другими металлами. В зависимости от непосредственного назначения, титан конкурирует с никелем, нержавеющей сталью и циркониевыми сплавами.

Многообещающие признаки роста показывает автомобильный сектор. В системах подвесок, например, замена стальных пружин на титановые дает преимущество в виде уменьшения веса на 60%. Также титан применяют в производстве коленчатых валов, соединительных тяг и выхлопных систем. Электростанции и заводы по опреснению морской воды также являются важными областями для роста применения титана. В то же время идет развитие производства титановых подложек для компьютерных жестких дисков.

Применение титана в медицине

Титан необыкновенно популярен в медицине: любят титан ортопеды, кардиологи и кардиохирурги, стоматологи, офтальмологи и нейрохирурги. Из титановых сплавов делают превосходные хирургические инструменты, легкие и долговечные.

Часто говорят, что титан – металл хирургов.

---

Организм человека хорошо переносит конструкции из титанового сплава. Уже много лет такие сплавы применяются в медицине.
Они устойчивы к коррозии в агрессивных средах человеческого тела. На их поверхности образуется оксидная плёнка, которая препятствует выходу ионов имплантата в организм. Ткани вокруг таких имплантатов не изменяются и не воспаляются.

Титановые сплавы очень прочные, способны выдерживать большую нагрузку (например, протез тазобедренного сустава из титанового сплава способен выдерживать усилие до трёх тысяч кг). Они прочнее, чем хром, никель, нержавеющие стали.

При стерилизации медицинских инструментов спиртом, обжиганием, парами формалина и т.д. поверхности титановых сплавов не разрушаются.

И самое важное – титановые сплавы не вызывают аллергии.

Высокая пластичность титановых сплавов позволяет получать из них проволочную сетку и фольгу. Проволочная сетка применяется для пластики мягких тканей. Подшивается такая сетка атравматической иглой с титановой нитью. Титановая мононить иногда используется в офтальмологии.

В стоматологии применение титановых сплавов также оказалось очень успешным. Титановые сплавы легко соединяются с фарфором и композиционными цементами. Из них делают литые каркасы зубных протезов, стоматологические мосты и коронки. Титановые каркасы легко облицовываются керамикой. Такие протезы долговечны и служат 10-15 лет. Врачи широко используют самую передовую технологию для изготовления зубных протезов — титановые имплантаты. Титановый корень вживляется в челюсть, после чего на него наращивают верхнюю часть зуба.

Титановые конструкции (имплантаты, внутрикостные фиксаторы, наружные и внутренние протезы) абсолютно безопасны для костей и мышц. Протезы, изготовленные из титановых сплавов, очень прочны и износостойки, хотя все время выдерживают большие нагрузки. Вспомните, титан в 2-4 раза прочнее железа и в 6-12 раз прочнее алюминия.

Из титана изготавливают протезы маленьких косточек внутри уха – и к людям возвращается слух! Кардиологи для лечения сердца используют такие приборы, как электронный стимулятор и дефибриллятор, корпуса которых тоже титановые.

У титана есть еще одно положительное качество, которое тоже ценится в медицине: Титан – немагнитный металл.

Возможно проведение исследований с использованием аппаратов МРТ у пациентов, имеющих титановые конструкции, или при необходимости использования хирургических инструментов во время исследования.

Больных, у которых есть титановые протезы, можно лечить с помощью физиотерапии при помощи приборов, в основе работы которых заложены физические явления – электротоки и магнит.

 

Самые прочные металлы на Земле

Первое качество, с которым ассоциируется у нас металл, это прочность. На самом деле прочность определяется несколькими свойствами, учитывая которые именно сталь и ее сплавы находятся в списке самых прочных металлов.

Что же такое прочность? Это способность материала выдерживать внешние нагрузки, при этом не разрушаясь. При оценке прочности металла учитывается много параметров и качеств: насколько хорошо металл сопротивляется разрыву, как он противостоит сжатию, каков порог перехода от упругого к пластическому состоянию, когда деформация материала становится необратимой, какова способность материала сопротивляться распространению трещин и т.п.

Прочные сплавы и природные металлы

Сплавы представляют собой комбинации разных металлов. Потребность получить самые разные качественные характеристики металлов, среди которых и прочность, привела к появлению различных сплавов. Одним из важных в этом смысле сплавов является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода. Итак, какие же металлы принято считать самыми прочными на Земле?

Поскольку для определения прочности металла необходимо учесть очень много факторов, трудно однозначным образом упорядочить металлы от самого «крепкого» до самого «слабого». В зависимости от того, какое свойство считается наиболее важным в каждом конкретном случае, и будет складываться расстановка сил прочности среди металлов.

Сталь и ее сплавы

Сталь — это прочный сплав железа и углерода, с добавками других элементов, таких как кремний, марганец, ванадий, ниобий и пр. Благодаря различным системам легирования стали можно получать совершенно разный комплекс свойств новых сплавов.

Так, высокоуглеродистая сталь — это сплав железа с высоким содержанием углерода — получается прочной, относительно дешевой, долговечной, она хорошо поддается обработке. Из недостатков стоит отметить низкую прокаливаемость и низкую теплостойкость, что делает углеродистую сталь уязвимой в агрессивной среде.

Сферы применения: из углеродистой стали изготавливают различные инструменты, детали машин и сложных механизмов, элементы металлоконструкций. Важным условием применения таких изделий является неагрессивная среда.

Сплав стали, железа и никеля – один из наиболее прочных сплавов. Существует несколько его разновидностей, но в целом легирование углеродистой стали никелем увеличивает предел текучести до 1420 МПа и при этом показатель предела прочности на разрыв доходит до 1460 МПа.

Сферы применения: сплавы на никелевой основе используют в конструкциях некоторых типов мощных атомных реакторов в качестве защитных высокотемпературных оболочек для предохранения от коррозии урановых стержней.

Нержавеющая сталь – коррозионностойкий сплав стали, хрома и марганца с пределом текучести до 1560 МПа и пределом прочности на разрыв до 1600 МПа. Как и все виды стали, этот сплав обладает высокой ударопрочностью и имеет средний балл по шкале Мооса.

Сферы применения: благодаря своим антикоррозийным свойствам нержавеющую сталь широко применяют в самых разных областях – нефтехимической промышленности, машиностроении, строительстве, электроэнергетике, кораблестроении, пищевой промышленности и для изготовления бытовых приборов.

Особо твердые сплавы

Сплавы на основе карбидов вольфрама, титана, тантала обладают твердостью, которой позавидует любой молот Тора.

Титан – это наиболее растиражированный в средствах массовой информации и кинематографе природный металл, который принято ассоциировать с суперпрочностью. Его удельная прочность почти вдвое выше, чем аналогичная характеристика легированных сталей. Он обладает самым высоким отношением прочности на разрыв к плотности из всех металлов. По этому показателю он обошел вольфрам, вот только по шкале твердости Мооса титан ему уступает. Тем не менее, титановые сплавы прочны и легки.

Сферы применения: титан и его сплавы часто используются в аэрокосмической промышленности. Из него делают элементы обшивки космических кораблей, топливные баки, детали реактивных двигателей. Активно используют его и в морском судостроении, строительстве трубопроводов для агрессивных сред и в качестве конструкционного материала.

Вольфрам с его самой высокой прочностью на растяжение среди всех встречающихся в природе металлов часто комбинируют со сталью и другими металлами для создания еще более прочных сплавов. К недостаткам вольфрама можно отнести его хрупкость и способность к разрушению при ударе.

Сферы применения: вольфрам применяют в металлургии для производства легированных сталей и различных сплавов, в электротехнической индустрии для изготовления элементов осветительных приборов, в машино- и авиастроении, в космической отрасли и химпроме. Сплав вольфрама и углерода (карбид вольфрама) используют для производства инструментов с режущими краями, таких как ножи и дисковые пилы, а также износостойких рабочих элементов горношахтного оборудования и прокатных валков.

Тантал обладает сразу тремя достоинствами – прочностью, плотностью и устойчивостью к коррозии. Он состоит в группе тугоплавких металлов, как и выше описанный вольфрам.

Сферы применения: тантал используется в производстве электроники и сверхмощных конденсаторов для персональных компьютеров, смартфонов, камер и для электронных устройств в автомобилях.

Инновационные сплавы

Существует ряд сплавов, которые появились совсем недавно, но уже успели завоевать признание благодаря своим «сверхкачествам» и активно используются в аэрокосмической сфере и медицине.

Алюминид титана – сплав титана и алюминия, который выдерживает высокие температуры и обладает антикоррозийными свойствами, но при этом он довольно хрупкий и недостаточно пластичный. Тем не менее, он нашел свое применение в производстве специальных защитных покрытий.

Сплав титана с золотом – еще один уникальный материал, который был разработан несколько лет назад группой ученых из университетов США. Основная задача, которая стояла перед учеными, создать материал крепче титана, который можно было бы применять в медицине для производства протезов, совместимых с биотканью. Дело в том, что титановые протезы, несмотря на свою прочность, изнашиваются относительно быстро, их приходится менять каждые 10 лет. А вот сплав титана с золотом оказался вчетверо более прочным, чем те сплавы, что сейчас используются в производстве протезов.

металл: описание, свойства, характеристики, применение цена вес спрос

Физические характеристики и цвет

Напоминаем, что титан весьма легкий и прочный материал. Имеет серебристый цвет беловатого оттенка. Имеется 2 возможных формата существования – при низкой температуре и при высокой. Все это имеет место быть при нормальном атмосферном давлении.

Как и любое другое вещество, титан имеет свою границу плавления, и она равна 1670 градусам по Цельсию. Процесс кипения имеет место быть при температуре 3287 ^оС. Такая характеристика, как хрупкость приобретается титаном при достижении температуры в -80 ^оС. Удельная теплоемкость металла равна 0,523 кДж/кг·K. Стоит заметить, что еще одним преимуществом титана и его сплавов является независимость его прочности от температуры и прочих формах давления извне. Прочие характеристики титана:

• Теплопроводность — 21,9Вт/(м·К) при 20 C.
• Модуль твердости — 800МПа
• Модуль упругости — 103ГПа
• Модуль сдвига — 39,2ГПа
• Предел текучести — 160МПа
• Твердость — 716МПа

Нельзя забыть и прочих характеристиках титана. Как мы уже говорили ранее, при стандартной температуре окружающей среды, поверхность титана покрывается оксидной пленкой, которая придает металлу высокую стойкость в агрессивных кислотных средах. Но не от всякого воздействия может защитить эта пленка – она не имеет никакой силы в щелочных средах.

Помнить следует и о высокой вязкости металла. Этот параметр можно отнести скорее к минусам металла, т.к. при его обработке, при резании, например, титан буквально «облепляет» режущую часть фрезы. Поэтому при обработке титана не обойтись без специального покрытия резца различными защищающими жидкостями. Без них вы нес можете долгий период времени заниматься обработкой титана – так что не скупитесь на обработку.

Химические характеристики титана

Помимо оксидной пленки на поверхности, титан имеет и прочие интересные свойства, одно из которых – воспламеняемость. Как в этом случае титан находит такое обширное применение в различных областях промышленности? Ответ на самом деле очень прост – воспламеняем не сам титан – воспламеняется мелкозернистый порошок, полученный в результате после «помола» титана. Температура вспышки весьма высокая – более четырехсот градусов Цельсия. Так что при обработке металла и его сплавов всегда нужно быть начеку, помнить, что стружка титана и его порошок могут воспламениться при определенных условиях.

Многие металлы страдают неустойчивостью к хлору и производным из него растворам, но титан обладает этой уникальной характеристикой. Как неоднократно отмечалось ранее, большая часть кислот не способны повредить титан, это под силу лишь фтороводородной кислоте, может это сделать и серная концентрированная кислота.

Температура, при которой титан без измельчения может загореться – 1200 градусов Цельсия. Цвет огня – тускло белый.

В зависимости от температуры нагревания могут происходить различные химические реакции с окружающей средой. С хлором, от которого в обычных условиях титан полностью защищен, он может начать реагировать уже при температуре в 550 градусов, однако такой температуры очень трудно достигнуть в обычных условиях, поэтому титан остается настолько востребован

Металл может быть подвергнут изменениям и в органической среде. Связано это, по большей части, с той самой пленкой, о которой мы столько говорили ранее. Гидриды и оксиды, являющиеся составными частями этой самой оксидной пленки, при существенном повышении концентрации воды могут изменить параметры коррозийной устойчивости титана на более высокий уровень.

Сплавы титана ценятся весьма высоко на рынке. Связанно это, в первую очередь, весом самого титана и его прочностью, сравнимую с прочностью стали. Вес алюминия и твердость стали – то, за что титан по праву востребован в промышленности. Сплавы данного металла могут применяться для нужд нефтяной промышленности, реакторы для создания различных соединений химическим способом особенно остро нуждаются в увеличении темпов производства титана. Сплавы титана применяются так же и при создании насосных систем, в частности – самих насосом. Легкость и прочность – вот его явные преимущества перед конкурентными металлами из этой отрасли. Военные также не забывают про титан – они активно налаживают серийное производство тяжелого вооружения, требующего стандартных характеристик прочности, но при этом существенного меньшего веса, к примеру – броня военных поездов, самолетов, вертолетов, деталей для них. Нашел он применение и для нужд военно-морского флота, в частности – корпуса многих судов, а особенно подводных ложок изготавливаются из титана. И вовсе неожиданная, но тем не менее, крайне популярная среда применения титана – медицина. Легкость и прочность титана, а так же его инертность смогли сделать его неимоверно популярным и основным компонентом различных протезов, заменяющих ноги, руки и прочие части тела. Стоматологические протезы из титана также крайне популярны и востребованы на рынке.

История открытия титана

История открытия данного металла насчитывает несколько вех. Одной из первых таких историй считается факт обнаружения титана учеными Клапротом (Германия) и Грегором(Англия). Проводя спектр различных исследований, в частности земли с повышенным содержанием железа, английский ученый смог изучить оксид неизвестного доселе вещества. Приблизительно в это же время, ученый из Германии, исследуя обнаруженный им минерал рутил, так же столкнулся с полиморфной модификацией TiO2. Рутил представлял собой не привычный нам оксид титана серебристо-белого цвета, но золотисто-желтый минерал с несовершенной спайностью, чья кристаллическая структура представляет собой ленты TiO6, вытянутыми вдоль своей четверной оси восьмиугольниками. Считается, что чем светлее и белее рутил – тем меньше в нем примесей и большее содержание титана.

Вернемся к нашим ученым, вернее, к немцу Клапроту. В очередной раз он начал изучать вещество, найденное в рутиле, сравнил его с веществом, обнаруженным Грегором и пришел к выводу, что их блистательные умы обнаружили новый металл.

Говоря об этих выдающихся открывателях, нам нельзя забывать и о французах, чьи ученые нашли следы титана в минерале анатазе. Позже Воклен, знаменитый французский химик, доказал, что рутил и анатаз – это соединения титана.

Но как же извлекать титан в промышленных масштабах? Решение этого вопроса длилось около 100 лет. Одним из решений на этом временном отрезке попробовали предложить голландские ученые, выделившие титан методом температурного расщепления из его иодида. Однако такой способ было тяжело реализовать в промышленных масштабах, ведь до начала 50-х годов 20-го века у человечества не возникало острой потребности в активном применении данного металла. Но патент на магнийтермический метод восстановления титана из соединения данного метала. Это соединение носит название тетрахлорид. И пусть минуло 70 лет с момента изобретения данного метода – он до сих пор используется как самый надежный, наименее затратный и наиболее удобный способ для добычи титана в промышленных объемах.

Соединения, содержащие титан.

Титан встречается в природе весьма часто. Процент содержания данного металла в недрах земли – 0,57, что является 10-м результатом среди прочих. При этом, всего лишь несколько горных пород могут похвастаться содержанием этого ценного металла в них. Обычно, титан можно найти в глине или же в сланцах, но там среднее содержание в них составляет примерно четыре с половиной килограмма на тонну породы.

К сожалению, все поиски титана в чистом виде в природе оказались безрезультатными – найти его можно по принципу оксида алюминия – он концентрируется в различных осадочных горных породах.

Стоит так же отметить, что в природе существуют и такие глины, в которых можно найти практически 27-30 процентов титана. Это обуславливается выветриванием горных пород, к которому титан проявляет значительную стойкость.

Где найти титановые руды?

Основные запасы находятся на территориях Южной Африки, Азии а так же на материке Австралия. Присутствует титан и на территории РФ.

Запасы руды.

Резервные фонды диоксида титана (TiO2) составляют около 800 млн тонн по данным на 2002 год. Эти данные составлены без учета запаса титана, находящегося на территории России. Наша страна занимает второе место по миру по залежам руд, пригодных для получения титана. Самое большое месторождение руды располагается неподалеку от города Ухта и их суммарный вес составляет примерно 2.000.000.000 тонн. Ученые из Соединенных Штатов Америки подсчитали, что всех месторождений титана, известных на данный момент времени хватит на 150 лет при условии сохранения темпов работ по изготовлению титана.

Пригодность руды и получение металла

Начнем этот пункт с информации о возможных рудах, пригодных для получения металла:

• Титановая руда
• Рутиловая руда
• Ильменитовая руда

Данные руды являются основным источником самого важного – сырья для получения самого титана, и это сырье – диоксид титана. Самым большим преимуществом диоксида является относительная чистота его химического состава. Иначе говоря – он содержит минимальное количество различных сторонних добавок. Но тут же вскрывается и его проблема – природные запасы диоксида сильно ограничены, в этой связи, для изготовления рутилового концентрата применяются шлаки либо искусственные аналоги диоксида.

Одним из видов получения порошка диоксида титана является восстановительная обработка посредством печи ильменита. При этом железо изменяет свои свойства, переходя в чугун. Шлак же подвергается сернокислотной обработке (Возможен и пирометаллургический вариант обработки).

При пирометаллургической обработке мы получаем пары тетрахлорида титана. После этого данное вещество подвергается процессу восстановления при помощи магния.

Метод FFC Cambridge

Нельзя не вспомнить и о методе FFC Cambridge. Метод стал весьма популярным, во многом благодаря тому, что с его помощью можно обеспечить непрерывное создание нужного нам металла непосредственно из его окисла. Метод весьма интересен – ванна наполняется электролитом, составляющими частями которого являются известь(негашёная) и CaCl2. Непосредственно в ванной устанавливаются электроды, основой которых является графит. Начинается подача тока, которая повышает температуру в ванной до тысячи градусов по Цельсию. В этот момент начинает происходить химическая реакция: кальций и кислород разделяются, происходит процесс окисления анода, затем катод, со временем, начинает превращаться в губку, состоящую полностью из желанного титана. Полученное сырье отправляется в лабораторию, где ему предстоит пройти процесс очищения, а также переплавка. В этом и состоит процесс преобразования хлорида титана в чистый металл по методу FFC Cambridge.

Промышленность и титан – области применения

Как уже было отмечено ранее, титан очень активно применяется в различных областях промышленности. Титановые сплавы не менее востребованы, чем металл в чистом виде. Изготовление титановых элементов – задание весьма непростое, но люди уже научились делать это с заметной легкостью. В этом нам помогают графитные формы, в которые непосредственно будет залит расплавленный титан и вакуумные печи. Единственным минусом этого метода является сложность изготовления форм из графита. По этой причине, применения титана в различных произведениях искусства крайне мало. Одно из значимых произведений – статуя памяти Юрию Гагарину и его подвигу. Примечательно, что титан до сих пор активно применяется при строительстве ракет, космических станций и прочих элементов. Заказ правительства СССР на этот памятник был реализован к началу Олимпийских Игр 1980 года в Москве. На его изготовление ушло 12 тонн титанового сплава ВТ5Л. Всего год потребовался светлейшим советским умам, трудившимся на литейно-механическом заводе в Балашихе, чтобы создать это величайшее сооружение. Как и отмечалось ранее – очень трудно изготавливать графические формы, поэтому самым трудоемким был процесс выливания трехсоткилограммового лица Юрия Алексеевича. Этот памятник стал первым в мире, выполненным из титана. Сейчас скульптура Гагарина на Ленинском проспекте – объект культурного наследия страны.

Примечателен и один из специальных сплавов титана – нитинол. Люди из систем здравоохранения по всему миру активно пользуются данным сплавом, ведь он обладает прекрасной физической памятью.

Сплавы титана и алюминия могут встречаться в различных процентных концентрациях. Их преимущества в работе с окружающей средой, ведь благодаря добавлению алюминия, этот сплав стойко переносит температурное воздействие из агрессивных сред, в том числе, повышается и стойкость к окислению. Эти сплавы хорошо подходят в автомобилестроении и авиационной промышленности – многие детали в автомобилях, по большей части в его ходовой части, сделаны из этого сплава. Узлы соединения, детали двигателей и прочие запчасти для самолетов и вертолетов так же исполнены и сплава титана и алюминия.

Не осталась в стороне и нефтедобывающая промышленность. Как и отмечалось в начале описания, невозможно представить себе насосное оборудование без титана. При изготовлении высоковакуумных насосов было бы преступлением обойтись без применения сплавов титана.

Легирование титана

Давайте плотнее разберемся с легирующими добавками в титан, ведь все 3 группы оказывают различные влияния на прочностные характеристики титана. Начнем с таких компонентов, как нейтральные упрочнители – они не оказывают никакого влияние на состояние расплава, в отличие от стабилизаторов групп альфа и бета, но существенно упрочняют итоговый продукт. Альфа стабилизаторы применяют для снижения температуры преобразования, бета же наоборот – к повышению.

Альфа стабилизаторы

1. Al- алюминий
2. O2- кислород
3. N – азот

Бета стабилизатор

1. Ce — церий
2. Fe – железо

Нейтральные упрочнители

1. Zr –цирконий
2. Si – кремний

Два самых популярных сплава – сплавы BT6 и Ti-6Al-4V. Последний нашел наиболее активное применение в зарубежных странах. В его состав входят алюминий и ванадий. Для изготовления этих сплавов во всем мире расходуется около 50% всего добываемого титана.

Применяется титан и в случаях, когда необходимо раскислять сталь, удаляя из нее различные добавки – азотные, серные и прочее. Полученный сплав называют ферротитан, и он имеет в своем составе 75% железа и 25% титана.

Обратимся к истории. В 1980-х годах большая часть (65%) всего получаемого в мире титана расходовалась в ракетной и авиационной промышленности. Доля применения в химической промышленности составляла около 15 процентов. В судостроении было задействовано лишь 8% титана, а 10 процентов были необходимы энергетической отрасли. На данный момент картина существенно не изменилась, лишь увеличилась доля химической промышленности. Связано это в первую очередь с началом активного применения диоксидов титана при изготовлении красок и бумаги. Даже пищевая промышленность не обошлась без задействования титана титана – он входит в пищевую добавку Е171. Дидрид титана нашел себе применение в изготовлении высокопрочных режущих инструментов. Покрытие из дидрида титана по физическим свойствам напоминает золото, но при этом значительно его дешевле, и именно поэтому он так же нашел себе применение в строительстве различных религиозных сооружений – православных церквей и мусульманских мечетей.

Автомобильные титановые диски получили широкое распространение среди стритрейсеров и профессиональных гонщиков, ведь они существенно облегчают вес автомобиля, при этом давая существенную прочность. При изготовлении данных дисков, автопромышленники применяют ту же технологию, что и авиаинженеры при изготовлении шасси самолетов – технологию горячей штамповки

Виды изготавливаемой продукции из титана.

Как неоднократно отмечалось раннее – титан несет в себе уникальные свойства, полностью компенсирующие значительную стоимость изделий.

Наша компания занимает лидирующие позиции на рынке продажи титановых изделий и на сегодняшний день мы готовы предложить вам высококачественный товар, прошедший все проверки, полностью сертифицирован и готовый к продаже.

1. Проволока из титана
2. Прутки из титана
3. Титановый лист
4. Ленты из титана
5. Трубы из титана

Каждый из представленных выше элементов несет в себе огромный потенциал к применению в вашей компании. В любой момент времени вы сможете проконсультироваться с менеджером нашей компании, подобрать нужный вам продукт, и оформить заказ на поставку материала.

Спрос

К 2006 году потребление титана в мире примерно составляло следующую картинку:

• 60 % — лако-красочные материалы;
• 20 % — пластик и полимеры;
• 13 % — целлюлозно-бумажная промышленность;
• 7 % — машиностроение.

Цена

Цена на титан составляет в среднем от 6 до 7 USD за килограмм, в зависимости от чистоты сплава.

Чистота и марка чернового титана регламентирована ГОСТом по его твёрдости, которая зависит от примесей, содержащихся в сплаве.

применений металлического титана и диоксида титана

Разведывательный самолет ЦРУ A-12: Фотография сверхзвукового разведывательного самолета ЦРУ A-12 под названием «Титановый гусь», готовящегося к дозаправке на большой высоте. Название вполне уместно, ведь многие детали сделаны из титана. Изображение Центрального разведывательного управления.

Что такое титан?

Титан — это прочный, устойчивый к коррозии и инертный серебристый металл.Это девятый по содержанию элемент в земной коре. Вместо того, чтобы встречаться в крупных месторождениях, небольшие количества титана встречаются почти в каждой породе.

Титан — важный компонент небольшого числа минералов. Около 90% титана в земной коре содержится в ильмените, минерале, о котором большинство людей никогда не слышали. Это оксид железа-титана с химическим составом FeTiO ₃ . Остальная часть приповерхностного титана Земли состоит из таких минералов, как анатаз, брукит, лейкоксен, перовскит, рутил и сфен.

Нитинол 60: Нитинол 60 — это сплав, содержащий 60 процентов никеля и 40 процентов титана. Обычно для изготовления подшипников используется нержавеющая сталь, потому что она твердая, но нержавеющая сталь подвержена коррозии. Нитинол 60 решил проблему коррозии без потери прочности и не вступал в реакцию со смазочными материалами подшипников. Изображение НАСА.

Использование металлического титана

Титан — знакомый металл. Многие знают, что он используется в украшениях, протезах, теннисных ракетках, вратарских масках, ножницах, велосипедных рамах, хирургических инструментах, мобильных телефонах и других высокопроизводительных продуктах.Титан прочен, как сталь, но весит примерно вдвое меньше. Он вдвое прочнее алюминия, но лишь примерно на 60% тяжелее.

Титан в сочетании с железом, алюминием, ванадием, никелем, молибденом и другими металлами дает сплавы с высокими эксплуатационными характеристиками. Для реактивных двигателей, космических кораблей, военной техники, подшипников, бронежилетов и других высокотехнологичных продуктов требуются детали, изготовленные из этих сплавов.

Титановые детали для самолетов: Металлический титан и его сплавы обеспечивают высокопрочные, легкие, устойчивые к коррозии детали для авиационных двигателей, органов управления и структурных компонентов.У этого NASA F-16XL есть титановая перчатка для исследования ламинарного потока, закрывающая часть его левого крыла. Изображение НАСА, сделанное Джимом Россом.

Белая краска: Большая часть используемых сегодня белых красок содержит диоксид титана в качестве пигмента. Это дает краске стойкий яркий белый цвет, непрозрачность, которую можно покрыть одним слоем, и яркость, отражающую свет. Когда краска высыхает, на стене остается минеральное покрытие — диоксид титана. Правообладатель иллюстрации iStockphoto / Okea.

Что такое диоксид титана?

Диоксид титана — это яркий, белый, непрозрачный материал с химическим составом TiO ₂ . Его получают путем окисления ильменита или других минералов титана при высоких температурах. Затем его измельчают до мелкого порошка, необходимого для его множества применений.

Примерно в десять раз больше титана используется в форме диоксида титана по сравнению с металлическим титаном. Большинство людей никогда не слышали об использовании титана в такой форме.Это связано с тем, что диоксид титана является ингредиентом продуктов, а не основным материалом.

Полировальные пасты: Порошок диоксида титана тщательно классифицируется по размеру частиц и продается как полироль для гранильных и металлических работ. На фотографии изображена только что открытая бочка каменного стакана с густой белой пеной лака.

Использование диоксида титана

Чаще всего титан используется в качестве отбеливающего, осветляющего и матирующего средства.Высококачественные белые краски обычно содержат значительное количество диоксида титана, пигмент которого имеет название «титановый белила». Диоксид титана увеличивает белизну и отражательную способность краски. Когда вы входите в комнату и включаете свет, краска обладает высокой отражающей способностью и делает комнату ярче, потому что от окрашенных поверхностей отражается больше света. Диоксид титана также увеличивает непрозрачность краски, позволяя во многих ситуациях одним слоем покрыть то, что находится ниже.

В течение почти 2000 лет «свинцово-белила» были важным пигментом, используемым в белых красках.В 1904 году производитель красок Sherwin-Williams сообщил об опасности красок, содержащих свинцовый пигмент. С этого времени производители красок начали отходить от свинцовых пигментов, и титановый пигмент стал наиболее подходящей заменой. Сегодня большая часть производимых белых красок содержит пигмент диоксида титана.

Диоксид титана вдавливается в волокна высококачественной бумаги для улучшения их белизны, яркости и текстуры. Его добавляют в обезжиренное молоко, чтобы улучшить его белизну и непрозрачность.По той же причине его добавляют в зубную пасту, резину, пластмассы, косметику, солнцезащитный крем и многие продукты питания. Эти материалы использует почти каждый человек на Земле почти каждый день. Мало кто осознает роль, которую играет в них титан. Его можно использовать в пищевых продуктах, косметике и других продуктах, которые люди потребляют, потому что он инертен.

Порошок диоксида титана также сортируется по размерам частиц для использования в качестве полировальной пасты. Он используется для полировки драгоценных камней, металлов и других материалов.Часто он менее эффективен, чем другие полироли, но когда он эффективен, он может обеспечить экономию средств.

Тяжелый минеральный песок: При раскопках на мелководье Фолли-Бич, Южная Каролина, обнажаются тонкие слои тяжелых минеральных песков. Большая часть добываемого сегодня ильменита происходит из песков с высокой концентрацией минералов. Фотография Карлтона Берна, Геологическая служба США.

Откуда берется титан?

Большая часть титана в мире производится путем добычи тяжелых минеральных песков.Эти пески образуются вниз по градиенту от обнаженных масс магматических пород, таких как габбро, норит и анортозит. Эти породы содержат титансодержащие минералы, такие как ильменит, анатаз, брукит, лейкоксен, перовскит, рутил и сфен.

Когда эти породы разрушаются в результате выветривания, минералы титана являются одними из самых устойчивых. Они концентрируются в результате выветривания и переносятся вниз по течению в виде песчинок и ила. В конце концов, они откладываются в виде песка вдоль береговой линии континента.Здесь их обычно выкапывают или добывают. Добыча также происходит во внутренних районах, где титановые минералы откладывались в периоды, когда уровень моря был выше, чем мы знаем сегодня.

Эти тяжелые минеральные пески могут содержать несколько процентов по весу ильменита и других минералов титана. После добычи песок поступает на обогатительную фабрику, которая извлекает титансодержащие минералы. Одновременно могут быть извлечены другие ценные минералы. Затем их перерабатывают или продают для производства металлического титана или диоксида титана.Затем песок возвращается в то место, где он был добыт, и восстанавливается пляж.

Титан в отложениях и почвах ручьев: Карта, показывающая содержание титана в форме диоксида титана в отложениях и почвах ручьев на востоке США. Зона, богатая титаном, соответствующая физиографической провинции Вирджиния Блю Ридж, показывает значения более 3% по весу диоксида титана, по данным Геологической службы США.

Производство титана в США

Соединенные Штаты используют больше минералов титана, чем производят в настоящее время, что делает их нетто-импортером титана.Небольшие дноуглубительные работы проводились у атлантического побережья Флориды. Здесь отложения на береговой линии выкапываются и обрабатываются для удаления тяжелых минеральных песков. Ильменит является основным титансодержащим минералом, извлекаемым в результате этой деятельности.

Добыча на суше ведется во многих местах Вирджинии. Здесь ильменитсодержащее анортозитовое тело в физико-географической провинции Голубой хребет подверглось эрозии. Отложения, образовавшиеся в результате этой эрозии, могут локально содержать несколько процентов тяжелых минералов по весу, при этом ильменит является основным минералом, содержащим титан.Эти месторождения были раскопаны и переработаны для удаления содержащихся в них тяжелых минералов. Район, где происходит эта добыча, соответствует богатым титаном отложениям и почвам, отобранным, проанализированным и нанесенным на карту Национальной геохимической службой (см. Сопроводительную карту).

Для удовлетворения своих потребностей в титане Соединенные Штаты импортируют титановые минеральные концентраты. Ведущие производители титана: Австралия, Канада, Китай, Япония, Кения, Мадагаскар, Мозамбик, Норвегия, Россия, Саудовская Аравия, Сенегал, Сьерра-Леоне и Южная Африка.

Найдите другие темы на Geology.com:

Скалы: Галереи фотографий вулканических, осадочных и метаморфических пород с описаниями.	Минералы: Информация о рудных минералах, драгоценных камнях и породообразующих минералах.
Вулканы: Статьи о вулканах, вулканических опасностях и извержениях прошлого и настоящего.	Драгоценные камни: Цветные изображения и статьи об алмазах и цветных камнях.
Общая геология: Статьи о гейзерах, маарах, дельтах, перекатах, соляных куполах, воде и многом другом!	Магазин геологии: Молотки, полевые сумки, ручные линзы, карты, книги, кирки твердости, золотые кастрюли.
	Алмазы: Узнайте о свойствах алмаза, его разнообразных применениях и открытиях.

фактов о титане | Живая наука

Есть ли какой-нибудь элемент, напоминающий о силе, как титан? Названный в честь титанов, греческих богов мифов, 22-й элемент Периодической таблицы появляется в авиалайнерах и палках для лакросса, пирсинге, медицинском оборудовании и даже солнцезащитном креме.

Титан устойчив к коррозии, отличается особой прочностью и легкостью. По данным Лос-Аламосской национальной лаборатории, он прочен, как сталь, но его вес составляет всего 45 процентов. И он вдвое прочнее алюминия, но только на 60 процентов тяжелее.

Только факты

• Атомный номер (количество протонов в ядре): 22
• Атомный символ (в Периодической таблице элементов): Ti
• Атомный вес (средняя масса атома): 47,867
• Плотность : 4.5 граммов на кубический сантиметр
• Фаза при комнатной температуре: твердое вещество
• Точка плавления: 3 034,4 градуса по Фаренгейту (1668 градусов по Цельсию)
• Точка кипения: 5 948,6 F (3287 C)
• Количество изотопов: 18; пять изотопов стабильны
• Наиболее распространенные изотопы: Титан-46, Титан-47, Титан-48, Титан-49 и Титан-50

(Изображение предоставлено Грегом Робсоном / Creative Commons, Андрей Маринкас Shutterstock)

Элемент супергероя

Для элемента, обладающего сверхспособностями, титан имеет подходящую историю происхождения: он выкован в недрах сверхновых звезд или коллапсирующих звезд.Исследование конкретной умирающей звезды, Supernova 1987A, в 2012 году показало, что одна сверхновая может создать по массе радиоактивный изотоп титана-44, равный 100 земным шарам.

Титан является девятым по распространенности металлом в земной коре, согласно Chemicool, но он не был открыт до 1791 года. Английский геолог-любитель преподобный Уильям Грегор обнаружил черный металлический песок в русле ручья, проанализировал его и обнаружил. быть смесью магнетита, обычной формы оксида железа и нового металла.Грегор назвал его манакканитом в честь прихода, в котором он обнаружил песок.

Четыре года спустя немецкий ученый по имени Мартин Генрих Клапрот изучал руду из Венгрии, когда он обнаружил, что она содержит никогда ранее не описанный химический элемент. Он назвал его титаном, а позже подтвердил, что манакканит Грегора тоже содержал титан.

Первым, кто перегонял титан в чистую форму, был М.А. Хантер, сотрудник General Electric, по данным Королевского химического общества (RSC).Однако только в 1930-х годах Уильям Дж. Кролл изобрел процесс, который сделал возможным извлечение титана в промышленных масштабах. Так называемый процесс Кролла сначала обрабатывает руду из оксида титана хлором с образованием хлорида титана. Затем магний или натрий смешиваются с хлоридом титана в газообразном аргоне (пропуск кислорода в процесс действительно был бы довольно взрывоопасным, учитывая, что титан очень реактивен по отношению к кислороду, согласно RSC). При температуре 2192 F (1200 C) магний или натрий восстанавливают хлорид титана до чистого титана.По данным RSC, этот процесс примерно в 10 000 раз менее эффективен, чем процесс, используемый для производства железа, что помогает объяснить, почему титан является более дорогим металлом.

Титан — переходный металл, что означает, что он может образовывать связи, используя электроны более чем с одной из своих оболочек или уровней энергии. Он разделяет эту особенность с другими переходными металлами, включая золото, медь и ртуть.

Кто знал?

• По данным RSC, почти каждая магматическая порода — горная порода, образовавшаяся в результате затвердевания расплавленной породы — содержит титан.
• По данным компании, Boeing 737 Dreamliner на 15 процентов изготовлен из титана.
• Титан сейчас вращается вокруг планеты: по данным НАСА, у Международной космической станции (МКС) есть ряд деталей из титана, включая трубы. Rosetta Project, исследовательское и архивное предприятие, целью которого является сохранение человеческих языков и мышления, также вывезло кусок чистого титана за пределы МКС, чтобы увидеть, как он противостоит радиации и суровым условиям космоса.
• Земля — ​​не единственное место, где можно найти титан. В 2011 году на спутниковой карте поверхности Луны были обнаружены скопления богатых титаном горных пород. Эти породы часто содержат до 10 процентов титана по сравнению с 1 процентом или около того, которые обычно наблюдаются в земных породах.
• Титан можно использовать в качестве сырья для 3D-печати. В 2013 году исследователи из Австралийской организации научных и промышленных исследований Содружества Наций напечатали на 3D-принтере пару легких титановых подков для скаковых лошадей. Туфли были стильного ярко-розового цвета.

Диоксид титана

Диоксид титана (TiO ₂ ), также называемый оксидом титана (IV) или диоксидом титана, представляет собой встречающийся в природе оксид титана. Белый пигмент, диоксид титана, используется в красках (как титановый белила или пигментный белый 6) и в солнцезащитных кремах из-за его способности преломлять свет и поглощать ультрафиолетовые лучи. По данным Геологической службы США, 95 процентов добываемого титана превращается в пигменты из диоксида титана, а оставшиеся 5 процентов идут на производство химикатов, металлов, карбидов и покрытий.

Диоксид титана также широко используется в медицине, косметике и зубной пасте и все чаще используется в качестве пищевой добавки (как E171) для отбеливания продуктов или придания им более непрозрачного вида. Некоторые из наиболее распространенных пищевых продуктов с добавлением E171 включают глазурь, жевательную резинку, зефир и добавки.

Нет ограничений на использование диоксида титана в пищевых продуктах. Однако новое исследование на мышах, опубликованное в журнале Gut, показывает, что частицы диоксида титана могут сильно повредить кишечник людей с определенными воспалительными заболеваниями кишечника.

Исследователи из Цюрихского университета в Швейцарии обнаружили, что, когда клетки кишечника поглощают частицы диоксида титана, слизистая оболочка кишечника мышей, страдающих колитом, воспаляется и повреждается, говорится в пресс-релизе исследования.

Воспалительные заболевания кишечника, такие как болезнь Крона и язвенный колит, в течение многих лет увеличивались в западных странах. Эти состояния характеризуются крайней аутоиммунной реакцией на кишечную флору. Несколько факторов играют роль в развитии болезни, включая генетические факторы и факторы окружающей среды, такие как образ жизни и питание.Швейцарские исследователи обнаружили, что наночастицы диоксида титана, обычно содержащиеся в зубной пасте и многих пищевых продуктах, могут еще больше усугубить эту воспалительную реакцию.

Кроме того, более высокие концентрации частиц диоксида титана могут быть обнаружены в крови пациентов с язвенным колитом. Это означает, что эти частицы могут абсорбироваться из пищи при определенных заболеваниях, объясняют исследователи в пресс-релизе.

Хотя результаты еще не были подтверждены на людях, исследователи предполагают, что пациентам с колитом следует избегать приема внутрь частиц диоксида титана.

Титан — легкий и прочный металл, часто используемый в машинах, инструментах, спортивном снаряжении и ювелирных изделиях. (Изображение предоставлено Кристианом Лагереком Shutterstock)

Текущее исследование

Диоксид титана имел головокружительный набор функций в мире технологий, от приложений солнечных батарей до биосовместимых датчиков, сказал Джей Нараян, ученый-материаловед из Университета Северной Каролины.

В 2012 году Нараян и его коллеги сообщили о способе «настройки» диоксида титана, адаптируя его к конкретным приложениям.Этот материал имеет две кристаллические структуры, называемые «рутил» и «анатаз», каждая из которых имеет свои собственные свойства и функции. Обычно диоксид титана любит находиться в фазе анатаза при температуре ниже 932 F (500 C) и превращается в фазу рутила при более высоких температурах.

Выращивая кристалл за кристаллом диоксида титана и выстраивая их на шаблоне из триоксида титана, Нараян и его коллеги смогли установить фазу материала как рутил или анатаз при комнатной температуре, как они сообщили в июне 2012 года в журнал Applied Physics Letters.Сделав еще больший скачок, исследователи смогли интегрировать этот диоксид титана в компьютерные чипы.

«Оксид титана также является очень хорошим сенсорным материалом, поэтому, если он интегрирован с компьютерным чипом, он действует как интеллектуальный датчик», — сказал Нараян Live Science. Поскольку датчик является частью микросхемы, устройство может реагировать быстрее и эффективнее, чем если бы датчик был отдельным и должен был быть жестко подключен к вычислительной части устройства.

Вывод продукта на рынок потребует снижения производственных затрат, сказал Нараян, но у «настраиваемого» диоксида титана есть и другие перспективы.Обрабатывая материал мощными лазерными импульсами, исследователи могут создавать небольшие дефекты, называемые кислородными вакансиями, где в материале отсутствуют молекулы кислорода. Затем этот материал можно использовать для расщепления воды (h3O) путем похищения кислорода и оставления водорода, который затем можно использовать для производства водородного топлива.

«Это дешевый и чистый источник энергии», — сказал Нараян. Новые производственные и инженерные методы расширяют возможности использования титана. Управление военно-морских исследований объявило в 2012 году, что новый метод сварки титана будет использован для производства полноразмерного корпуса корабля; По мнению ВМФ, эта конструкция является прорывом, поскольку титан, как правило, слишком дорог и сложен в производстве для судостроения.Новый метод, называемый сваркой трением с перемешиванием, использует вращающийся металлический штифт для частичного плавления краев двух кусков титана вместе.

В медицине титановые имплантаты используются для замены или стабилизации сломанной кости. Крошечные титановые имплантаты используются даже для улучшения слуха у людей с некоторыми типами глухоты. Титановый стержень в форме винта просверливается в черепе за ухом и прикрепляется к внешнему блоку обработки звука. Внешний блок улавливает звуки и передает вибрацию через титановый имплант во внутреннее ухо, обходя любые проблемы в среднем ухе.

В 2010 году исследователи объявили о разработке «Tifoam» — пенополиуретана, пропитанного порошком титана. Согласно исследованию 2013 года, опубликованному в журнале Acta Biomaterialia, пористая структура имитирует человеческую кость и позволяет клеткам человеческой кости проникать и сливаться с имплантатом по мере заживления человека.

Дополнительный отчет от Трейси Педерсен, автора Live Science.

Следуйте за Стефани Паппас в Twitter Google+ .Следуйте за нами @livescience , Facebook и Google+ .

Дополнительные ресурсы

Где сегодня используется титан

Один из самых распространенных элементов на Земле, титан, все чаще используется в современном обществе. Он встречается в минералах ильмените, сфене и рутиле, а также в титанатах и ​​многочисленных железных рудах. Такой же прочный, как сталь, но гораздо менее плотный, титан является важным легирующим агентом со многими металлами, такими как железо, молибден и алюминий.

Одной из ключевых особенностей титановых сплавов является их способность противостоять экстремальным условиям окружающей среды. Благодаря своей живучести титан широко используется в аэрокосмической, медицинской, энергетической, нефтяной и газовой отраслях. Менее задумываются отрасли, для которых также закупается титан, — это автомобилестроение, электрика и опреснение.

Аэрокосмическая промышленность

Почти две трети всего производимого титана используется в каркасах и двигателях самолетов — например, A380 Airbus использует около 70 тонн.Военные самолеты, такие как вертолет UH-60 Black Hawk и F-22, F / A-18, C-17 и F-35, также используют большое количество титана.

Металл используется в шасси, планере, крепежах и двигателях. Детали двигателя, изготовленные из титана, включают валы, лопасти, диски и кожухи от переднего вентилятора до задней части двигателя. Одним из примеров экстремальных условий, с которыми должны справляться некоторые из этих частей, является диапазон температур от минусовой до 600 градусов по Цельсию.

Титан также идеально подходит для космических аппаратов, для которых требуются высокопрочные, устойчивые к коррозии и легкие материалы.Этот материал активно использовался при строительстве космических кораблей и международной космической станции.

Автомобильная промышленность

В прошлом использование титана в автомобильной промышленности было сосредоточено в основном на гонках. Однако в начале 2000-х компания Volkswagen первой применила титановый сплав в серийном автомобиле Lupo. В частности, они использовали титановые пружины вместо стальных. Сегодня Tesla использует титановую пленку для защиты днища своего седана Model S.Он разработан для значительного повышения безопасности, поскольку помогает защитить чувствительные передние компоненты днища от повреждений.

Для более широкого использования в автомобильной промышленности необходимы большие разработки для улучшения экономических показателей титана; эти разработки можно найти в новых методах производства.

Электронная промышленность

Гибриды печатных плат

Titanium открывают новую эру в производстве печатных плат. Они могут сделать больше, чем традиционные печатные платы или печатные платы, они выносливы и хорошо работают в агрессивных средах.

Титановая электронная плата изготавливается путем точной трафаретной печати и обжига проводников, диэлектриков и резисторов на металлическом титане. Затем добавляются другие электронные и неэлектронные компоненты, чтобы создать электронную схему, которую можно «прикрутить».

Гибриды

с титаном имеют гораздо более высокую надежность из-за меньшего количества паяных соединений, а также имеют чрезвычайно точную калибровку активной цепи. Они работают в более широком диапазоне рабочих температур, очень компактны — вдвое меньше самых сложных печатных плат — и полностью закрыты для полной защиты от окружающей среды.

Титановые контуры

также могут использоваться в приложениях, включающих нагревательные элементы, взвешивание, датчики веса и измерение силы, а также могут использоваться для измерения расхода, давления и температуры жидкости, а также для тензодатчиков.

Биомедицинская инженерия

Титан — один из наиболее биосовместимых металлов — человеческий организм может обращаться с ним без вредных воздействий. Его механические свойства включают улучшенную износостойкость, высокую эластичность и хорошую формуемость в горячем и холодном состоянии, что делает его идеальным для использования в хирургических имплантатах, таких как тазобедренные суставы, эндопротезы суставов, сердечные стенты и зубные имплантаты.

Откройте для себя следующую большую возможность роста. Загрузите нашу техническую документацию бесплатно, чтобы узнать о новых и будущих возможностях для поставщиков титана и о простом способе привлечь новых покупателей в Интернете.

От хирургических титановых инструментов до ортопедических титановых стержней, пластин и штифтов, медицинский и стоматологический титан теперь стал предпочтительным материалом. Титан 6AL4V и 6AL4V ELI, сплавы, состоящие из 4% ванадия и 6% алюминия, являются наиболее распространенными типами титана, используемыми в медицине, а при использовании в качестве зубных имплантатов они обеспечивают более высокую стойкость к излому.Титан также нетоксичен и способен противостоять коррозии от жидкостей организма.

Титан не только невероятно прочен, но и долговечен, и когда титановые сепараторы, стержни, пластины и штифты вставляются в корпус, они могут прослужить двадцать и более лет. Что еще более удивительно, так это то, что титановые зубные имплантаты и стойки служат еще дольше.

Благодаря неферромагнитным свойствам титана пациенты с титановыми имплантатами могут безопасно проходить обследование с помощью МРТ и ЯМРТ.Кость и ткань тела также соединяются с искусственным титановым имплантатом в процессе, известном как остеоинтеграция, который надежно фиксирует титановый имплантат на месте.

---

Титан обладает множеством сильных сторон, и в будущем его можно будет использовать по-новому. В Matmatch мы внимательно следим за новыми разработками. Если вы хотите узнать больше, свяжитесь с одним из наших сотрудников сегодня по телефону [email protected] .

Связанные

Титан — металл будущего — Science Learning Hub

В современном обществе все чаще используется титан.Он легкий, прочный и устойчивый к коррозии. Эти свойства позволяют использовать его в аэрокосмической промышленности, строительстве, производстве спортивных товаров и в качестве имплантатов при ряде хирургических вмешательств.

Использование титана

Титан прочен, как сталь, но на 45% легче. Он устойчив к коррозии благодаря наличию тонкого оксидного покрытия на поверхности металла.

Благодаря отличной устойчивости к морской воде, он используется в морских буровых установках, гребных винтах и ​​такелажном оборудовании судов, а также в опреснительных установках.Поскольку титан легкий, стабильный, термостойкий и простой в использовании, он также находит множество применений в авиации и космонавтике.

Человеческое тело не отвергает титан, поэтому его можно использовать для замены суставов и имплантации зубов. Обычно это сплавы титана с 6% алюминия и 4% ванадия. Титановые сплавы также используются в оправе для очков.

Существуют архитектурные применения титана. Музей Гуггенхайма в Бильбао, Испания, покрыт 33000 квадратных метров чистого титанового листа.

Компьютеры Apple недавно выпустили на рынок титановые портативные компьютеры из-за их небольшого веса.

Традиционно предназначенный для промышленного использования, титан только недавно стал использоваться в качестве ювелирного материала и становится все более популярным. В отличие от золота и серебра, которые традиционно плавят и отливают, титан требует, чтобы кольца были выкованы из цельного куска металла. Размер титановых колец изменить нельзя. Большая часть затрат на изготовление титанового кольца связана с квалифицированным трудом, чтобы создать кольцо из такого твердого металла.

Титановые велосипедные рамы, которые обычно считаются дорогостоящими, считаются самыми прочными. По сравнению со стальной рамой, титановая велосипедная рама тех же размеров будет казаться «хлипкой», потому что она будет менее жесткой. Это может быть более заметно на велосипеде с тяжелым грузом. Однако титановые рамы изготавливаются из труб большего диаметра, чтобы компенсировать этот эффект.

Традиционно спортивные ракетки изготавливались из дерева, стали, алюминия и графита.Титан — самая последняя разработка. Титан более твердый и тяжелый, чем графитовые волокна, поэтому он не используется в твердых частях ракеток. Вместо этого он используется в виде сетки, расположенной в критических точках на раме ракетки. Это улучшает как сопротивление, так и стабильность во время использования, а также снижает скручивающие силы при ударе.

Диоксид титана

Диоксид титана на сегодняшний день является наиболее важным из соединений титана, и на него приходится наибольшее использование металла. Производится около 5 миллионов тонн в год.Это блестящий белый нетоксичный пигмент, который имеет множество применений, в том числе белые краски, солнцезащитные кремы, инфракрасные отражатели, глазурь для свадебного торта и самоочищающееся стекло.

Сапфиры и рубины в основном состоят из оксида алюминия (оксида алюминия). Если есть следы диоксида титана (рутила), присутствующие в виде «включений», это может придать этим драгоценным камням их «звездные» качества.

Производство

Титан не находится в исходном состоянии, а в основном присутствует в виде его оксида. Ильменит представляет собой сложный оксид железа и титана (FeTiO ₃ ), а рутил — в основном диоксид титана (TiO ₂ ).

Коммерческий процесс извлечения — процесс Кролла — включает обработку руды газообразным хлором для получения тетрахлорида титана. Затем его очищают и восстанавливают до металлической титановой губки реакцией с магнием или натрием.

TiO 2 (с) + 2Cl 2 (г) + C (с)	→	TiCl 4 (л) + CO 2 (г)
TiCl 4 (l) + 2Mg (s)	→	Ti (s) + 2MgCl 2 (s)

Затем титановая губка подвергается процессу легирования и плавления.

Этот процесс дорогостоящий, так как требует трудоемких процедур. Мировое производство металла составляет около 100 000 тонн в год.

Природа науки

Наука — это смесь логики и воображения. Одна из привычек ума ученых — непредубежденность, когда рассматриваются новые идеи.

Сопутствующие материалы

Посмотрите это видео, чтобы узнать о новозеландской компании Titanium Technologies New Zealand (TiTeNZ), которая стремится создать новозеландскую платформу мирового класса для порошковой металлургии титана.

Титан — идеальный металл для изготовления запасных частей человеческого тела

Чтобы отметить Международный год Периодической таблицы химических элементов, мы рассмотрим, как исследователи изучают некоторые элементы в своей работе.

Сегодня это титан, металл, известный своей прочностью и легкостью, поэтому он идеально подходит для изготовления замены бедер, колен и других частей нашего тела, но он также используется в других отраслях промышленности.

---

Титан получил свое название от титанов из древнегреческой мифологии, но этот полностью современный материал хорошо подходит для огромного количества высокотехнологичных приложений.

С химическим символом Ti и атомным номером 22 титан представляет собой металл серебристого цвета, который ценится за его низкую плотность, высокую прочность и устойчивость к коррозии.

Я впервые изучал титан в 1999 году, получив степень магистра в Институте исследований металлов Китайской академии наук. Одним из моих проектов было исследование образования титановых сплавов на предмет их высокопрочных характеристик.

---

Читать далее: От бронзового века до консервных банок: вот как олово изменило человечество

---

С тех пор область применения этого металла росла экспоненциально, от его использования (в виде диоксида титана) в красках, бумаге, зубной пасте, солнцезащитных кремах и косметике до его использования в качестве сплава в биомедицинских имплантатах и ​​аэрокосмических инновациях.

Особенно впечатляет идеальное сочетание титана и 3D-печати.

Индивидуальный дизайн из 3D-печати

Титановые материалы дороги и могут быть проблематичными при использовании традиционных технологий обработки. Например, его высокая температура плавления (1670 ℃, намного выше, чем у стальных сплавов) является проблемой.

Таким образом, относительно невысокая точность 3D-печати меняет правила игры для титана. 3D-печать — это когда объект создается слой за слоем, и дизайнеры могут создавать удивительные формы.

Это позволяет изготавливать сложные формы, такие как запасные части челюстной кости, пятки, бедра, зубные имплантаты или краниопластические пластины в хирургии. Его также можно использовать для изготовления клюшек для гольфа и деталей самолетов.

Даже контейнеры для пива выигрывают от 3D-печати титаном.

CSIRO работает с промышленностью над разработкой новых технологий 3D-печати с использованием титана. (Он даже сделал дракона из титана.)

Достижения в области 3D-печати открывают новые возможности для дальнейшего улучшения функции имплантатов индивидуальных частей тела, изготовленных из титана.

Такие имплантаты могут быть пористыми, что делает их легче, но пропускает кровь, питательные вещества и нервы и даже может способствовать росту кости.

Сейф в кузове

Титан считается наиболее биосовместимым металлом — не вредным и не токсичным для живых тканей — из-за его устойчивости к коррозии, вызываемой жидкостями организма. Эта способность противостоять суровой окружающей среде тела является результатом защитной оксидной пленки, которая образуется естественным образом в присутствии кислорода.

---

Читать далее: Водород является топливом для ракет, но как насчет энергии для повседневной жизни? Мы приближаемся

---

Его способность физически связываться с костью также дает титану преимущество перед другими материалами, для закрепления которых требуется использование адгезива. Титановые имплантаты служат дольше, и для разрыва связей, соединяющих их с телом, требуются гораздо большие силы по сравнению с их альтернативами.

Титановые сплавы, обычно используемые в несущих имплантатах, значительно менее жесткие и по своим характеристикам ближе к человеческой кости, чем нержавеющая сталь или сплавы на основе кобальта.

Аэрокосмические приложения

Титан весит примерно вдвое меньше стали, но на 30% прочнее, что делает его идеально подходящим для аэрокосмической промышленности, где важен каждый грамм.

В конце 1940-х годов правительство США помогло наладить производство титана, поскольку оно увидело его потенциал для «самолетов, ракет, космических кораблей и других военных целей».

Титан становится все более популярным материалом для авиаконструкторов, стремящихся разрабатывать более быстрые, легкие и эффективные самолеты.

Около 39% F22 Raptor ВВС США, одного из самых современных истребителей в мире, изготовлено из титана.

Титановая деталь, напечатанная на 3D-принтере (внизу), а также алюминиевая деталь (вверху), которую она заменит на F-22 Raptor: титановая деталь не подвержена коррозии, ее можно получить быстрее и дешевле. Фотография ВВС США Р. Найла Брэдшоу

Гражданская авиация двигалась в том же направлении, что и новый Boeing 787 Dreamliner, сделанный на 15% из титана, что значительно больше, чем у предыдущих моделей.

Две ключевые области, где титан используется в авиалайнерах, — это их шасси и реактивные двигатели. Шасси должно выдерживать огромное количество силы, прикладываемой к нему каждый раз, когда самолет ударяется о взлетно-посадочную полосу.

Прочность

Titanium означает, что он может поглотить огромное количество энергии, излучаемой при приземлении самолета, не ослабевая.

Термостойкость

Titanium означает, что его можно использовать в современных реактивных двигателях, где температура может достигать 800 ℃. Сталь начинает размягчаться при температуре около 400 ℃, но титан может выдерживать высокую температуру реактивного двигателя, не теряя своей прочности.

Где найти титан

В своем естественном состоянии титан всегда находится в связке с другими элементами, обычно в вулканических породах и образовавшихся из них отложениях.

Наиболее часто добываемыми материалами, содержащими титан, являются ильменит (оксид железа и титана, FeTiO ₃ ) и рутил (оксид титана, TiO ₂ ).

Ильменит наиболее распространен в Китае, тогда как в Австралии самая высокая доля рутила в мире, около 40% по данным Geoscience Australia.Он встречается в основном на восточном, западном и южном побережье Австралии.

Оба материала обычно извлекаются из песков, после чего титан отделяется от других минералов.

---

Читать далее: Где ты вырос? Как стронций в зубах может помочь ответить на этот вопрос

---

Австралия — один из ведущих мировых производителей титана, объем производства которого в 2014 году превысил 1,5 миллиона тонн.ЮАР и Китай являются двумя следующими ведущими производителями титана, производящими 1,16 и 1 миллион тонн соответственно.

Находясь в десятке самых распространенных элементов в земной коре, ресурсы титана в настоящее время не находятся под угрозой — хорошая новость для многих ученых и новаторов, постоянно ищущих новые способы улучшить жизнь с помощью титана.

Как сделать дракона из титана!

---

Если вы академический исследователь, работающий с определенным элементом периодической таблицы Менделеева, и у вас есть интересная история, которую можно рассказать, то почему бы не связаться с вами.

Отдел геологии и минеральных ресурсов

Алюминий | Мышьяк | Барит | Кобальт | Графитовый | Гафний | Марганец | Ниобий | REE | Тантал | Олово | Титан | Вольфрам | Уран | Цирконий

Характеристики титана

Элемент титан — очень прочный металл с низкой плотностью.Титан — немагнитный серебристый металл с химическим обозначением Ti. Он устойчив к коррозии и имеет очень высокое отношение прочности к весу. Титан преимущественно связан с минералами рутилом и ильменитом (табл. 1). Титан используется в основном как диоксид титана для белых пигментов.

Минеральное название	Химическая формула	Удельный вес	Ti%
Рутил	TiO 2	4.25 г / куб.см	59,94
Ильменит	Fe +2 TiO 3	4,79 г / куб.см	31,56
Анатас	TiO 2	3,88 г / куб.см	59,94
Брукайт	TiO 2	4,12 г / куб.см	59.94
Перовскит	CaTiO 2	4,03 г / куб.см	35,22
Титанит	КАТИСИО 5	3,55 г / куб.см	18,16

Таблица 1: Минералы, содержащие элемент Титан

Использование титана

Хотя титан был открыт в 1791 году, он не использовался за пределами лаборатории до 20 века, когда ученые смогли отделить его от минералов-хозяев, что было трудным и дорогостоящим процессом.Титан считается «критически важным минералом» в отечественной металлургии, которая служит аэрокосмическим, оборонным и энергетическим технологиям (Fortier and others, 2018). Основное применение диоксида титана — пигменты и металлический титан, используемый для сплавов в сталелитейной промышленности. К 1950-м годам титан стал применяться в конструкции военной авиации, требующей малой прочности. Из-за его устойчивости к высоким температурам и низкой плотности большая часть (80 процентов) титана в настоящее время используется в аэрокосмической технике.Другие приложения включают химическую обработку, производство электроэнергии, пигменты и морское оборудование. Титан нетоксичен и не вступает в реакцию с живыми тканями, что делает его безопасным для использования в медицинских процедурах, требующих имплантатов, штифтов и искусственных суставов.

Кристалл ильменита.
Фото любезно предоставлено Робертом Лавински https://www.mindat.org/photo-65675.html

Геология титана

Элемент титан не существует в своей элементарной форме в природе, скорее, он обычно находится в химической комбинации с кислородом или железом.Связанные с кислородом оксиды титана могут присутствовать в самых разных вулканических породах при высокой температуре и давлении в таких минералах, как рутил и ильменит. Обогащенные титаном минералы ильменит и рутил являются обычными составляющими многих метаморфических, магматических и осадочных пород, а также кварцевых жил. Титансодержащие минералы, такие как рутил, устойчивы к атмосферным воздействиям и, таким образом, могут выветриваться из вмещающих пород и накапливаться в сапролите, почве или переноситься и накапливаться в виде тяжелых минеральных песков в условиях осадконакопления.Анортозит (разновидность габбро, состоящая в основном из кальциевого полевого шпата плагиоклаза и следов минералов силиката железа, магния и алюминия) и нельсонит (гипабиссальная интрузивная порода, состоящая в основном из ильменита и апатита с переменным количеством рутила) являются двумя основными типами пород. этот источник титана в Вирджинии (Pegau, 1956).

Минеральная система	Тип депозита	Геологические провинции
Россыпь	Ильменит / рутил / лейкоксен	Прибрежная равнина
Апатит-оксид железа (IOA) / химическое выветривание	остаточная концентрация и магматический Ti-Fe-P (анортозит, нельсонит)	Пьемонт, Голубой хребет
Апатит оксид железа (IOA	магматический Ti-Fe-P (дайки нельсонитов)	Долина и хребет и Пьемонт

Таблица 2: Перспективные системы минералов титана, типы месторождений (Hofstra and Kreiner, 2020) и геологические провинции в Вирджинии

Титан в промышленности

Титан относительно широко распространен на Земле, хотя обычно встречается в небольших концентрациях.США не поддерживают поставки титана в запасы национальной обороны и на 91 процент зависят от импорта из Японии, Казахстана, Украины, Китая, России, где существуют значительные месторождения ильменита. В США титан в меньших количествах добывается в Неваде и Юте. Вирджиния — один из трех штатов США, которые в настоящее время производят минералы титана.

В Вирджинии титан добывается в нескольких местах из минералов ильменита (FeTiO ₃ ) и рутила (TiO ₂ ).Начиная примерно с 1900 года, добыча росла, пока Вирджиния не стала основным производителем ильменита и рутиловых концентратов в Соединенных Штатах с 1939 по 1944 год. К 1950 году производство рутила в Вирджинии прекратилось, но производство ильменита составило примерно 30 тысяч тонн (Pegau, 1956).

Округа Нельсон и Амхерст

Титан был впервые добыт в Вирджинии в 1901 году. Место, известное как район Роузленд-Пайни-Ривер, состоит из анортозитовой породы, простирающейся в юго-западном направлении от южного округа Нельсон до округа Амхерст, на расстоянии около 13 миль (см. Карту ниже).В районе Розленд-Пайни-Ривер нельсонит встречается в виде дайкообразных интрузивных тел внутри и на окраинах анортозита Розленд, который содержит вкрапленные рутил и ильменит. Росс (1941) сообщил о доказательствах замещения ильменита в дайках нельсонита, в то время как другие предположили когенетическое происхождение через магматическую сегрегацию (Watson and Tabor, 1913; Kolker, 1982) или как комбинацию кумулятивного происхождения и мобилизации в дайкообразные тела. (Dymek, 0wens, 2001). Эти богатые титаном породы позволяют производить сапролит, богатый титаном.Большая часть исторического производства рутила и ильменита была получена из сапролита, образовавшегося на выветрившихся коренных породах в районе Розленд-Пайни-Ривер. Первоначально извлеченный титан использовался в качестве красителя в керамике. Начиная примерно с 1920 года, ильменит из этого района также добывался и обрабатывался для извлечения титана для использования в качестве пигмента краски и сплавов титана и стали. Добыча титана в районе Розленд Пайни Ривер закончилась в 1971 году.

Области добычи титана в Вирджинии

Графства Ганновер и Гучленд

В 1910 году месторождения рутила были обнаружены в восточной части Пьемонта в графствах Ганновер и Гучланд (см. № 2 на карте выше).Здесь мощные сапролиты покрывают гранитные биотитовые гнейсы, прорванные дайками рутил- и ильменитсодержащих пегматитов, а также диоритом, диабазом и пироксенитом (Watson, 1913). Рутил с ильменитом выветрились из вмещающей породы и могут быть найдены в виде мелкого песка и масс в вышележащем сапролите (Watson, 1913).

Сегодня промышленный полевой шпат добывается в округе Ганновер из метанортозита Монпелье. Это крупнокристаллическое метаморфизованное тело анортозита прорвало протерозойские породы террейна Гучленд в восточной части Пьемонта.Метанортозит Монпелье изначально добывался для получения титансодержащего рутила и ильменита компанией Metal and Thermit Corporation, начиная с 1957 года. Этот объект был приобретен US Silica Corporation в 1993 году и с тех пор производит полевой шпат и кремнеземные продукты на горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях вблизи Монпелье, к северо-западу от Ричмонда.

Округ Роанок

минералов титана также были добыты в небольшом масштабе в округе Роанок. Порода нельсонит, содержащая ильменит и апатит, впервые была обнаружена в этом районе еще в 1890 году.Несмотря на то, что некоторые образцы богатой ильменитом руды были добыты и переработаны в Ричмонде, и имеются записи о последующей разведке полезных ископаемых в этом районе, участок был заброшен, и дальнейшая добыча не велась (Watson and Taber, 1913).

Округа Динвидди и Гринсвилл

В восточных округах Динвидди и Гринсвилл экономические тяжелые минеральные пески, содержащие титан, встречаются в виде палеопластовых отложений вдоль ныне обнаженной древней береговой линии. Тяжелые минералы были естественным образом сконцентрированы на береговой линии плиоценового возраста и дюнных песках под действием ветра и волн.Ключевые тяжелые минералы в этих месторождениях включают ильменит, рутил, циркон и лейкоксен (смесь измененных титансодержащих минералов). В 1996 году началась добыча и переработка тяжелых минеральных песков на месторождении Олд Гикори. Вторая шахта (Бринк) была разрешена примерно в 19 милях к югу в округе Гринсвилл в 2008 году. пески добываются экскаватором, а затем обрабатываются для разделения каждого тяжелого минерала (ильменита, лейкоксена, рутила и циркона) по весу и магнетизму.В 2017 году Iluka Resources Ltd. приостановила свою деятельность, но продолжает арендовать горнодобывающие предприятия на этих участках.

Отложения тяжелого минерального песка плиоцена считаются наземным аналогом того, что может представлять собой неоткрытый экономический ресурс, содержащийся в песчаных отмелях, которые образовались на внешнем континентальном шельфе Вирджинии. В исследовании, которое включало анализ 390 проб отложений от морских вибраокоренных и отборных проб, Берквист (1990) сообщил о концентрациях одного или нескольких полезных ископаемых, которые были равны или превышали пороговые уровни экономичности для береговых отложений.Отдел геологии и минеральных ресурсов Вирджинии проводит исследования для оценки потенциала морских ресурсов.

Berquist, C.R. Jr., 1990, Химический анализ морских образцов тяжелых минералов, внутренний континентальный шельф Вирджинии. В: Berquist, C.R., Jr., (редактор), Исследования тяжелых минералов Внутренний континентальный шельф Вирджинии: Публикация 103 Отделения минеральных ресурсов Вирджинии, стр. 109–124.

Дымек, Р.Ф. и Оуэнс Б.Е., 2001, Петрогенезис апатит-богатых пород (нельсонитов и оксидно-апатитовых габброноритов), связанных с анортозитами массивов: Economic Geology v.96, стр. 797-815.

Fortier, SM, Nassar, NT, Lederer, GW, Brainard, J., Gambogi, J., and McCullough, EA, 2018, Draft Critical Mineral List — Summary of Methodology and Background Information — US Geological Survey Technical Input Document in Response к Распоряжению Секретаря № 3359: Открытый отчет Геологической службы США за 2018-1021, 15 стр.

Хофстра, А.Х., Крейнер, округ Колумбия, 2020, Таблица систем-месторождений-товаров-критических минералов для Инициативы по ресурсам картирования Земли: У.S. Отчет геологической службы в открытом доступе за 2020-1042 гг.

Джонсон С.С., 1964, Минеральные пигменты железа и титана в Вирджинии: Virginia Minerals, т. 10, н. 3, стр. 1-6.

Колкер А., 1982, Минералогия и геохимия месторождений оксида Fe-Ti и апатита (нельсонита) и оценка гипотезы жидкой несмешиваемости: Economic Geology v. 77, n. 5, стр. 1146-1158.

Ньютон, М. и Ромео, А.Дж., 2006, Геология месторождения тяжелого минерального песка Старый Гикори, округа Динвидди и Сассекс, Вирджиния.В: Reid, C.J. (ed), Proceedings of the 42nd Forum on the Geology of Industrial Minerals. Геологическая служба Северной Каролины, Информационный циркуляр 34, стр. 464-480.

Пегау А.А., 1956, Титан: Отдел минеральных ресурсов Вирджинии, Циркуляр по минеральным ресурсам 5, 17 стр.

Росс, К.С., 1941, Возникновение и происхождение титановых месторождений в округах Нельсон и Амхерст, Вирджиния: U.S. Geological Survey Professional Paper 198, 59 p.

Уотсон, Т.Л., Табер С., 1913, Геология месторождений титана и апатита Вирджинии: Бюллетень геологической службы Вирджинии III-A, 308 с.

Уотсон, Т. Л., 1913, Рутиловые месторождения восточной части Соединенных Штатов, Вклад в экономическую геологию, часть I.

Титан | Коалиция по образованию в области полезных ископаемых

Вернуться к таблице Менделеева

Год открытия

1791

обнаружил

Ред.Уильям Грегор из Англии

Биологический рейтинг

Не нужно для жизни.

Описание

Названный в честь титанов из греческой мифологии, титан — это твердый, блестящий белый металл. Он очень устойчив к коррозии и, как правило, не подвержен воздействию воздуха, воды, кислот или щелочей. Титан очень распространен в земной коре, являясь девятым по распространенности элементом. Он также часто встречается в метеоритах, Солнце и Луне.Спектры оксида титана используются астрономами для идентификации холодных красных карликов. Титан находит множество применений в химическом производстве и там, где необходимы легкие и прочные сплавы. Титан прочен, как сталь, но на 45% легче. Его высокая температура плавления используется в высокотемпературных приложениях, где важен вес, особенно в двигателях и других частях самолетов и космических кораблей. Титан устойчив к коррозии морской водой, поэтому он популярен для применений, которые постоянно подвергаются воздействию моря. Бывший Советский Союз построил несколько корпусов своих подводных лодок из титана, сделав очень прочные и очень дорогие подводные лодки.Диоксид титана используется как краситель в некоторых белых красках и как желтая пищевая добавка. Он также непрозрачен для ультрафиолета и часто используется в солнцезащитных лосьонах. Титан используется в фейерверках из-за того цвета, который он дает при сгорании. Титан — единственный элемент, который будет гореть в атмосфере чистого азота.

Биологические преимущества

О биологическом применении титана в организме человека не известно, хотя известно, что он действует как стимулятор. На некоторых заводах титан используется в производстве химической энергии.

Роль в жизненных процессах

Польза для жизненных процессов животных не известна; имеет небольшую пользу для здоровья растений.

Источники

Титан в основном получают из рутила, ильменита и реже из анатаза (бета-диоксида титана). Другие титансодержащие минералы включают перовскит, сфен и титанит. Эти минералы устойчивы к атмосферным воздействиям и сосредоточены в россыпях и переносимых ветром песчаных отложениях. Титан добывают в Австралии, Сьерра-Леоне, ЮАР, России и Японии.Ильменит — распространенный минерал на Луне.