Charakteristiky a vlastnosti
Titán je chemický prvok so symbolom Ti a atómovým číslom 22. Je to lesklý kov so striebornou farbou, nízkou hustotou a vysokou pevnosťou. Je odolný voči korózii v morskej vode a chlóre.
Tento prvok sa nachádza v mnohých ložiskách nerastov, najmä rutile a ilmenite, ktoré sú rozšírené v kôre a litosfére.
Titán sa používa na výrobu trvanlivých ľahkých zliatin. Dve najužitočnejšie vlastnosti kovu sú odolnosť proti korózii a pomer tvrdosti k hustote, čo je najvyššia z akéhokoľvek kovového prvku. Vo svojom neupravenom stave je tento kov rovnako silný ako niektoré ocele, ale menej hustý.
Fyzikálne vlastnosti kovu
Je to silný kov s nízkou hustotou, skôr tvárný (najmä v prostredí bez kyslíka), lesklý a metaloidný biely. Relatívne vysoká teplota topenia viac ako 1650 ° C (alebo 3000 ° F) ju robí užitočnou ako žiaruvzdorný kov. Je paramagnetická a má pomerne nízku elektrickú a tepelnú vodivosť.
Podľa Mohsovej stupnice je tvrdosť titánu 6. Podľa tohto indikátora je mierne nižšia ako tvrdená oceľ a volfrám.
Komerčne čisté (99, 2%) titány majú medzu pevnosti v ťahu asi 434 MPa, čo zodpovedá obvyklým zliatinám ocele nízkej kvality, ale zároveň je titán oveľa ľahší.
Chemické vlastnosti titánu
Podobne ako hliník a horčík, titán a jeho zliatiny okamžite oxidujú, keď sú vystavené vzduchu. Reaguje pomaly s vodou a vzduchom pri teplote okolia, pretože tvorí pasívny oxidový povlak, ktorý chráni sypký kov pred ďalšou oxidáciou.
Atmosférická pasivácia poskytuje titánu vynikajúcu odolnosť voči korózii takmer ekvivalentnú platine. Titán je schopný odolať napadnutiu zriedenej kyseliny sírovej a kyseliny chlorovodíkovej, chloridových roztokov a väčšiny organických kyselín.
Titán je jedným z mála prvkov, ktoré horí v čistom dusíku a reaguje pri teplote 800 ° C (1470 ° F) za vzniku nitridu titánu. Kvôli ich vysokej reaktivite s kyslíkom, dusíkom a určitými ďalšími plynmi sa titánové vlákna používajú v sublimačných čerpadlách titánu ako lapače týchto plynov. Takéto čerpadlá sú lacné a spoľahlivo produkujú extrémne nízky tlak v systémoch s vysokým podtlakom.
Bežné minerály obsahujúce titán sú anatáza, brookit, ilmenit, perovskit, rutil a titanit (sphén). Z týchto minerálov má ekonomický význam len rutil a ilmenit, ale aj vo vysokých koncentráciách je ťažké ich nájsť.
Titán sa nachádza v meteoritoch a objavil sa na hviezdach typu Slnko a M s povrchovou teplotou 3200 ° C (5790 ° F).
V súčasnosti známe spôsoby extrakcie titánu z rôznych rúd sú časovo náročné a drahé.
Výroba a výroba
V súčasnosti bolo vyvinutých a používaných približne 50 druhov titánu a zliatin titánu. V súčasnosti sa uznáva 31 druhov titánových kovov a zliatin, z ktorých triedy 1 až 4 sú komerčne čisté (nedopované). Sú charakterizované pevnosťou v ťahu v závislosti od obsahu kyslíka a trieda 1 je najviac plastická (najnižšia pevnosť v ťahu s obsahom kyslíka 0, 18%) a trieda 4 je najmenej plastická (maximálna pevnosť v ťahu s obsahom kyslíka 0, 40%). ).
Zostávajúce triedy sú zliatiny, z ktorých každá má špecifické vlastnosti:
- plasticity;
- sila;
- húževnatosť;
- elektrický odpor;
- špecifická odolnosť proti korózii a ich kombinácie.
Okrem týchto špecifikácií sa zliatiny titánu vyrábajú tak, aby spĺňali požiadavky na letecký a kozmický a vojenský materiál (SAE-AMS, MIL-T), normy ISO a špecifikácie špecifické pre jednotlivé krajiny, ako aj požiadavky koncového používateľa pre vesmírne, vojenské, lekárske a priemyselné aplikácie.
Komerčne čistý, plochý produkt (hárok, platňa) sa dá ľahko vytvoriť, ale spracovanie musí brať do úvahy skutočnosť, že kov má „pamäť“ a tendenciu vrátiť sa späť. To platí najmä pre niektoré vysoko pevné zliatiny.
Titán sa často používa na výrobu zliatin:
- s hliníkom;
- s vanádom;
- s meďou (na kalenie);
- so železom;
- s mangánom;
- s molybdénom a inými kovmi.
Oblasti použitia
Zliatiny titánu vo forme plechov, dosiek, tyčí, drôtov, odliatkov sa používajú v priemyselných, vzdušných, rekreačných a rozvíjajúcich sa trhoch. Práškový titán sa používa v pyrotechnike ako zdroj jasných horiacich častíc.
Pretože titánové zliatiny majú vysoký pomer pevnosti v ťahu k hustote, vysokej odolnosti voči korózii, odolnosti voči únave, vysokej odolnosti voči praskaniu a schopnosti odolať stredne vysokým teplotám, používajú sa v lietadlách pri rezervácii lodí, kozmických lodí a rakiet.
Pre tieto aplikácie je titán legovaný hliníkom, zirkónom, niklom, vanádom a ďalšími prvkami na výrobu rôznych komponentov vrátane kritických konštrukčných prvkov, protipožiarnych stien, podvozkov, výfukových potrubí (vrtuľníkov) a hydraulických systémov. V skutočnosti sa približne dve tretiny vyrobeného titánového kovu používajú v leteckých motoroch a rámoch.
Keďže titánové zliatiny sú odolné voči korózii morskou vodou, používajú sa na výrobu vrtuľových hriadeľov, na vybavenie výmenníkov tepla atď. Tieto zliatiny sa používajú v krytoch a súčastiach zariadení na pozorovanie a monitorovanie oceánov pre vedu a armádu.
Špecifické zliatiny sa používajú v vrtných a ropných vrtoch a hydrometalurgii niklu pre ich vysokú pevnosť. V priemysle výroby buničiny a papiera sa používa titán v technologických zariadeniach vystavených agresívnym médiám, ako je napríklad chlórnan sodný alebo mokrý plynný chlór (pri bielení). Medzi ďalšie aplikácie patrí ultrazvukové zváranie, vlnové spájkovanie.
Okrem toho sa tieto zliatiny používajú v automobiloch, najmä v automobilových a motocyklových pretekoch, kde je mimoriadne dôležitá nízka hmotnosť, vysoká pevnosť a tuhosť.
Titán sa používa v mnohých športových potrieb: tenisové rakety, golfové palice, lakrosové hradby; Kriketové, hokejové, lakrosové a futbalové prilby, ako aj rámy a komponenty pre bicykle.
Vďaka svojej trvanlivosti sa titán stal obľúbenejším pre značkové šperky (najmä titánové prstene). Jeho inertnosť z neho robí dobrú voľbu pre ľudí s alergiami alebo tých, ktorí budú nosiť šperky v prostrediach, ako sú bazény. Titán je tiež legovaný zlatom na výrobu zliatiny, ktorá sa môže predávať ako 24-karátové zlato, pretože 1% dotovaného Ti nestačí na to, aby vyžadovalo nižšiu kvalitu. Výsledná zliatina je približne tvrdosť 14-karátového zlata a odolnejšia ako čisté 24-karátové zlato.
Bezpečnostné opatrenia
Titán je netoxický aj vo veľkých dávkach . Vo forme prášku alebo vo forme kovových triesok predstavuje vážne nebezpečenstvo požiaru a pri zahrievaní na vzduchu hrozí nebezpečenstvo výbuchu.
Vlastnosti a použitie zliatin titánu
Nižšie je uvedený prehľad najbežnejších zliatin titánu, ktoré sú rozdelené do tried, ich vlastností, výhod a priemyselných aplikácií.
Stupeň 7
Trieda 7 je mechanicky a fyzicky ekvivalentná triede 2 čistého titánu s výnimkou pridania medziproduktu paládia, ktorý z neho robí zliatinu. Má vynikajúcu zvárateľnosť a elasticitu, najodolnejšie voči korózii všetkých zliatin tohto typu.
Trieda 7 sa používa v chemických procesoch a zložkách výrobných zariadení.
Stupeň 11
Trieda 11 je veľmi podobná triede 1, s výnimkou pridania paládia na zvýšenie odolnosti proti korózii, ktorá z neho robí zliatinu.
Medzi ďalšie užitočné vlastnosti patrí optimálna ťažnosť, pevnosť, húževnatosť a vynikajúca zvariteľnosť. Túto zliatinu je možné použiť najmä v prípadoch, keď korózia spôsobuje problémy:
- chemická úprava;
- výroba chlorečnanov;
- odsoľovanie;
- námorných aplikácií.
Ti 6Al-4V, trieda 5
Najčastejšie sa používa zliatina Ti 6Al-4V alebo titánová trieda 5. To predstavuje 50% z celkovej spotreby titánu na celom svete.
Jednoduchosť použitia spočíva v mnohých výhodách. Ti 6Al-4V môže byť tepelne spracovaný, aby sa zvýšila jeho pevnosť. Táto zliatina má vysokú pevnosť s nízkou hmotnosťou.
Je to najlepšia zliatina pre použitie v niekoľkých priemyselných odvetviach, ako je letecký, zdravotnícky, námorný a chemický priemysel. Môže byť použitý na vytvorenie:
- Letecké turbíny;
- komponenty motorov;
- konštrukčné prvky lietadla;
- spojovacie materiály pre letecký a kozmický priemysel;
- vysokovýkonné automatické časti;
- športové vybavenie.
Ti 6AL-4V ELI, trieda 23
Trieda 23 - chirurgický titán. Ti 6AL-4V ELI zliatina alebo trieda 23 je verzia s vyššou čistotou Ti 6Al-4V. Môže byť vyrobený z cievok, vlákien, drôtov alebo plochých drôtov. Je to najlepšia voľba pre každú situáciu, keď sa vyžaduje kombinácia vysokej pevnosti, nízkej hmotnosti, dobrej odolnosti voči korózii a vysokej viskozity. Má vynikajúcu odolnosť voči poškodeniu.
Môže byť použitý v biomedicínskych aplikáciách, ako sú implantovateľné komponenty, vďaka svojej biokompatibilite, dobrej únavovej pevnosti. Môže sa použiť aj pri chirurgických zákrokoch na výrobu takýchto štruktúr:
- ortopedické kolíky a skrutky;
- svorky na ligatúry;
- chirurgické traky;
- pružiny;
- ortodontické prístroje;
- kryogénne nádoby;
- zariadenia na fixáciu kostí.
Stupeň 12
Titánová trieda 12 má vynikajúcu kvalitu zvárania. Je to vysokopevná zliatina, ktorá poskytuje dobrú pevnosť pri vysokých teplotách. Titán triedy 12 má podobné vlastnosti ako u nerezovej ocele radu 300. \ t
Jeho schopnosť tvoriť sa rôznymi spôsobmi ju robí užitočnou v mnohých aplikáciách. Vysoká odolnosť tejto zliatiny voči korózii ju robí neoceniteľnou pre výrobné zariadenia. Trieda 12 môže byť použitá v nasledujúcich odvetviach:
- výmenníky tepla;
- Hydrometalurgické aplikácie;
- vysokoteplotná chemická výroba;
- námorných a vzdušných komponentov.
Ti5Al-2, 5Sn
Ti 5Al-2, 5Sn je zliatina, ktorá poskytuje dobrú zvárateľnosť s odolnosťou. Má tiež vysokú tepelnú stabilitu a vysokú pevnosť.
Ti 5Al-2, 5Sn sa používa hlavne v leteckom priemysle, ako aj v kryogénnych závodoch.