Caracteristici și proprietăți
Titanul este un element chimic cu simbolul Ti și numărul atomic 22. Este un metal strălucitor cu o culoare argintie, densitate scăzută și rezistență ridicată. Este rezistent la coroziune în apa de mare și clor.
Elementul se găsește într-o serie de depozite minerale, în special rutile și ilmenitul, care sunt larg răspândite în crustă și litosferă.
Titanul este utilizat pentru fabricarea aliajelor ușoare durabile. Cele două proprietăți cele mai utile ale unui metal sunt rezistența la coroziune și raportul dintre duritate și densitate, cea mai mare din orice element metalic. În statul său nelegat, acest metal este la fel de puternic ca niște oțeluri, dar mai puțin dens.
Proprietățile fizice ale metalului
Este un metal puternic cu densitate scăzută, mai degrabă ductil (mai ales într-un mediu lipsit de oxigen), strălucitor și metaloid-alb. Un punct de topire relativ ridicat de peste 1650 ° C (sau 3000 ° F) îl face util ca metal refractar. Este paramagnetic și are o conductivitate electrică și termică relativ scăzută.
Pe scara Mohs, duritatea titanului este 6. Potrivit acestui indicator, este ușor inferior la oțelul întărit și la tungsten.
Titanii comerciali pure (99, 2%) au o rezistență maximă la tracțiune de aproximativ 434 MPa, ceea ce corespunde aliajelor de oțel obișnuite, dar în același timp titanul este mult mai ușor.
Proprietăți chimice ale titanului
Ca și aluminiul și magneziul, titanul și aliajele sale se oxidează imediat când sunt expuse la aer. Reacționează încet cu apă și aer la temperatura ambiantă, deoarece formează o acoperire de oxid pasiv care protejează metalul în vrac de oxidare ulterioară.
Pasivarea atmosferică conferă titanului o excelentă rezistență la coroziune aproape echivalentă cu platina. Titanul este capabil să reziste la atacul acizilor sulfurici și acizilor clorurați diluați, a soluțiilor de clor și a majorității acizilor organici.
Titanul este unul dintre puținele elemente care ard în azot pur, reacționând la 800 ° C (1470 ° F) pentru a forma nitrura de titan. Datorită reactivității ridicate cu oxigen, azot și alte gaze, filamentele de titan sunt folosite în pompele de sublimare cu titan ca agenți de curățare pentru aceste gaze. Astfel de pompe sunt ieftine și produc în mod fiabil o presiune extrem de scăzută în sistemele de vid ultra-înalte.
Mineralele care conțin titan sunt de anatază, brookit, ilmenit, perovskit, rutil și titanit (sferă). Dintre aceste minerale, numai rutilul și ilmenitul au o importanță economică, dar chiar și ele sunt greu de găsit în concentrații ridicate.
Titanul se găsește în meteoriți și a fost descoperit pe stelele Sun și M, cu o temperatură a suprafeței de 3200 ° C (5790 ° F).
Metodele cunoscute în prezent pentru extragerea titanului din diverse minereuri sunt consumatoare de timp și costisitoare.
Producție și producție
În prezent, au fost dezvoltate și utilizate aproximativ 50 de grade de titan și aliaje de titan. Astăzi sunt recunoscute metalele și aliajele de titan de 31 de grade, din care clasele 1-4 sunt pure din punct de vedere comercial (nedepuse). Acestea se caracterizează prin rezistența la tracțiune în funcție de conținutul de oxigen, iar clasa 1 este cea mai plastică (cea mai joasă rezistență la tracțiune cu un conținut de oxigen de 0, 18%), iar clasa 4 este cel mai puțin plastic (rezistența maximă la tracțiune cu un conținut de oxigen de 0, 40% ).
Restul clasei sunt aliaje, fiecare având proprietăți specifice:
- plasticitate;
- rezistență;
- tenacitate;
- rezistența electrică;
- rezistența specifică la coroziune și combinațiile acestora.
Pe lângă aceste specificații, aliajele de titan sunt fabricate pentru a îndeplini cerințele privind echipamentele aerospațiale și militare (SAE-AMS, MIL-T), standardele ISO și specificațiile specifice fiecărei țări, precum și cerințele utilizatorilor finali pentru aplicații aerospațiale, militare, medicale și industriale.
Produsul plat (comercializat, plat) poate fi ușor format, dar tratamentul trebuie să țină cont de faptul că metalul are o "memorie" și tendința de a se întoarce. Acest lucru este valabil mai ales pentru unele aliaje de înaltă rezistență.
Titanul este adesea folosit pentru fabricarea aliajelor:
- cu aluminiu;
- cu vanadiu;
- cu cupru (pentru întărire);
- cu fier;
- cu mangan;
- cu molibden și alte metale.
Domenii de aplicare
Aliajele de titan, sub formă de foi, plăci, tije, fire, piese turnate, sunt utilizate pe piețele industriale, aerospațiale, recreaționale și emergente. Titanul pulverizat este utilizat în pirotehnica ca sursă de particule de ardere strălucitoare.
Deoarece aliajele de titan au un raport ridicat între rezistența la tracțiune și densitate, rezistența la coroziune ridicată, rezistența la oboseală, rezistența ridicată la fisuri și capacitatea de a rezista la temperaturi moderat ridicate, ele sunt folosite în avioane, la rezervare, la nave, nave spațiale și rachete.
Pentru aceste aplicații, titanul este aliat cu aluminiu, zirconiu, nichel, vanadiu și alte elemente pentru a produce diferite componente, inclusiv elemente structurale critice, pereți de incendiu, șasiuri, eșapament (elicoptere) și sisteme hidraulice. De fapt, aproximativ două treimi din metalul de titan produs este utilizat în motoare și rame de aeronave.
Deoarece aliajele de titan sunt rezistente la coroziunea cu apă de mare, ele sunt utilizate pentru a produce arbori cu propulsie, pentru echiparea schimbătoarelor de căldură etc. Aceste aliaje sunt folosite în carcase și componente ale aparatelor de observare și monitorizare a oceanelor pentru știință și armată.
Aliajele specifice sunt utilizate în puțurile de foraj și petrol și hidrometalurgia de nichel pentru rezistența lor ridicată. Industria celulozei și hârtiei utilizează titan în echipamentele de proces expuse la medii agresive, cum ar fi hipocloritul de sodiu sau gazul de clor umed (în decolorare). Alte aplicații includ sudarea cu ultrasunete, lipirea cu valuri.
În plus, aceste aliaje sunt folosite în automobile, în special în cursele de automobile și motociclete, unde greutatea redusă, rezistența ridicată și rigiditatea sunt extrem de importante.
Titanul este utilizat în multe produse sportive: rachete de tenis, cluburi de golf, lacuri de câmp; crichet, hochei, lacros și căști de fotbal, precum și rame și componente pentru biciclete.
Datorită durabilității sale, titanul a devenit mai popular pentru bijuterii de designer (în special inele de titan). Inerția sa face o alegere bună pentru persoanele cu alergii sau pentru cei care vor purta bijuterii în medii precum piscinele. Titanul este, de asemenea, aliat cu aur pentru a produce un aliaj care poate fi vândut ca aur de 24 de carate, deoarece 1% din Ti dopat nu este suficient pentru a solicita un grad mai mic. Aliajul rezultat este aproximativ duritatea aurului de 14 carate și mai durabil decât aurul pur de 24 de carate.
Măsuri de siguranță
Titanul este netoxic chiar și în doze mari . Sub formă de pulbere sau sub formă de așchii metalice, prezintă un pericol grav de incendiu și, atunci când este încălzit în aer, există un pericol de explozie.
Proprietăți și aplicații ale aliajelor de titan
Mai jos este o prezentare generală a celor mai comune aliaje de titan, care sunt împărțite în clase, proprietățile, avantajele și aplicațiile industriale.
Gradul 7
Clasa 7 este mecanic și fizic echivalent cu clasa 2 din titanul pur, cu excepția adăugării unui element intermediar de paladiu, care îl face un aliaj. Are o sudabilitate excelenta si o elasticitate excelenta, cea mai rezistenta la coroziune a tuturor aliajelor de acest tip.
Clasa 7 este utilizată în procesele chimice și în componentele echipamentelor de producție.
Gradul 11
Clasa 11 este foarte asemănătoare celei din clasa 1, cu excepția adăugării de paladiu pentru a crește rezistența la coroziune, ceea ce îl face un aliaj.
Alte proprietăți utile sunt ductilitatea optimă, rezistența, duritatea și sudabilitatea excelentă. Acest aliaj poate fi folosit în special în cazurile în care coroziunea provoacă probleme:
- tratament chimic;
- producția de clorat;
- desalinizarea;
- aplicații marine.
Ti 6Al-4V, clasa 5
Aliajul Ti 6Al-4V sau titanul 5 este cel mai adesea folosit. Acesta reprezintă 50% din consumul total de titan la nivel mondial.
Ușurința în utilizare constă în numeroasele sale avantaje. Ti 6Al-4V poate fi tratat termic pentru a-și crește rezistența. Acest aliaj are o rezistență ridicată, cu o masă mică.
Este cel mai bun aliaj pentru utilizarea în mai multe industrii, cum ar fi industriile aerospațiale, medicale, marine și chimice. Poate fi folosit pentru a crea:
- turbine de aeronave;
- componente ale motorului;
- elemente structurale ale aeronavei;
- dispozitive de fixare aerospațială;
- piese automate de înaltă performanță;
- echipament sportiv.
Ti 6AL-4V ELI, clasa 23
Clasa 23 - titan chirurgical. Ti 6AL-4V ELI, sau clasa 23, este o versiune de puritate superioară a Ti 6Al-4V. Poate fi realizat din bobine, filamente, fire sau fire plate. Este cea mai buna alegere pentru orice situatie cand este necesara o combinatie de rezistenta ridicata, masa mica, rezistenta la coroziune buna si vâscozitate ridicata. Are rezistență excelentă la distrugere.
Poate fi utilizat în aplicații biomedicale, cum ar fi componente implantabile datorită biocompatibilității sale, rezistență la oboseală bună. Poate fi folosit și în procedurile chirurgicale pentru fabricarea unor astfel de structuri:
- pini și șuruburi ortopedice;
- cleme pentru ligaturi;
- Suporturi chirurgicale;
- arcuri;
- aparate ortodontice;
- vase criogenice;
- dispozitive de fixare a oaselor.
Gradul 12
Titanium clasa 12 are o calitate excelentă a sudabilității. Este un aliaj de înaltă rezistență care asigură rezistență bună la temperaturi ridicate. Titanul din clasa 12 are caracteristici similare cu cele ale oțelurilor din oțel inoxidabil din seria 300.
Abilitatea sa de a forma in diferite moduri o face utila in multe aplicatii. Rezistența ridicată la coroziune a acestui aliaj o face și inestimabilă pentru echipamentele de producție. Clasa 12 poate fi utilizată în următoarele industrii:
- schimbătoare de căldură;
- aplicații hidrometalurgice;
- producția chimică la temperaturi ridicate;
- marine și aer.
Ti5Al-2, 5Sn
Ti 5Al-2, 5Sn este un aliaj care oferă o rezistență bună la sudabilitate. De asemenea, are stabilitate la temperaturi ridicate și rezistență ridicată.
Ti 5Al-2, 5Sn este utilizat în principal în industria aviatică, precum și în plante criogenice.