Physikalische Eigenschaften und Eigenschaften eines der härtesten Metalle - Titan. Titan ist Metall. Eigenschaften von Titan. Anwendung von Titan. Sorten und chemische Zusammensetzung von Titan
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Titan und seine LegierungenTitan in der Erdkruste weit verbreitet, wo es etwa 6 % enthält, und in Bezug auf die Verbreitung an vierter Stelle nach Aluminium, Eisen und Magnesium steht. Die industrielle Methode seiner Gewinnung wurde jedoch erst in den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelt. Dank der Fortschritte im Flugzeug- und Raketenbau wurde die Produktion von Titan und seinen Legierungen intensiv entwickelt. Dies ist auf eine Kombination so wertvoller Eigenschaften von Titan wie geringe Dichte und hohe spezifische Festigkeit zurückzuführen (s in /r × g), Korrosionsbeständigkeit, Herstellbarkeit in der Druckbehandlung und Schweißbarkeit, Kältebeständigkeit, Nichtmagnetizität und eine Reihe anderer wertvoller physikalischer und mechanischer Eigenschaften, die unten aufgeführt sind.
Eigenschaften der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Titan (VT1-00)
| Dichte r, kg / m 3 | 4,5 × 10 –3 |
| Schmelztemperatur T pl , °C | 1668±4 |
| Linearer Ausdehnungskoeffizient a × 10 –6 , Grad –1 | 8,9 |
| Wärmeleitfähigkeit l , W/(m × Grad) | 16,76 |
| Zugfestigkeit s in, MPa | 300–450 |
| Bedingte Streckgrenze s 0,2 , MPa | 250–380 |
| Spezifische Stärke (s in /r×g)× 10 –3 , km | 7–10 |
| Relative Dehnung d, % | 25–30 |
| Relative Kontraktion Y , % | 50–60 |
| Modul der normalen Elastizität E´ 10 –3 , MPa | 110,25 |
| Schermodul G 10 –3 , MPa | 41 |
| Querkontraktionszahl m, | 0,32 |
| Härte HB | 103 |
| Schlagfestigkeit KCU, J/cm2 | 120 |
Titan hat zwei polymorphe Modifikationen: a-Titan mit einem hexagonal dicht gepackten Gitter mit Perioden a= 0,296 nm, mit= 0,472 nm und eine Hochtemperaturmodifikation von b-Titan mit einem kubisch raumzentrierten Gitter mit einer Periode a\u003d 0,332 nm bei 900 ° C. Die Temperatur der polymorphen a "b-Umwandlung beträgt 882 ° C.
Die mechanischen Eigenschaften von Titan hängen maßgeblich vom Gehalt an Verunreinigungen im Metall ab. Es gibt interstitielle Verunreinigungen – Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff und Substitutionsverunreinigungen, zu denen Eisen und Silizium gehören. Verunreinigungen erhöhen zwar die Festigkeit, verringern aber gleichzeitig die Duktilität stark, und interstitielle Verunreinigungen, insbesondere Gase, wirken sich am stärksten negativ aus. Mit der Einführung von nur 0,003 % H, 0,02 % N oder 0,7 % O verliert Titan vollständig seine Fähigkeit zur plastischen Verformung und wird spröde.
Besonders schädlich ist Wasserstoff, der verursacht Wasserstoffversprödung Titanlegierungen. Beim Schmelzen und Weiterverarbeiten, insbesondere beim Beizen von Halbzeugen, gelangt Wasserstoff in das Metall. Wasserstoff ist in a-Titan schwer löslich und bildet lamellare Hydridpartikel, die die Schlagzähigkeit verringern und insbesondere bei Spätbruchversuchen negativ auffallen.
Ein industrielles Verfahren zur Herstellung von Titan besteht in der Anreicherung und Chlorierung von Titanerz mit anschließender Rückgewinnung aus Titantetrachlorid mit metallischem Magnesium (Magnesium-Thermalverfahren). Durch diese Methode erhalten Titanschwamm(GOST 17746–79) werden je nach chemischer Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften folgende Sorten hergestellt:
TG-90, TG-100, TG-110, TG-120, TG-130, TG-150, TG-TV (siehe Tabelle 17.1). Die Zahlen bedeuten Brinellhärte HB, T B - hart.
Um monolithisches Titan zu erhalten, wird der Schwamm zu Pulver gemahlen, gepresst und gesintert oder in Lichtbogenöfen unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre umgeschmolzen.
Die mechanischen Eigenschaften von Titan zeichnen sich durch eine gute Kombination aus Festigkeit und Duktilität aus. Zum Beispiel hat handelsübliches Reintitan VT1-0: s in = 375–540 MPa, s 0,2 = 295–410 MPa, d ³ 20 %, und diese Eigenschaften stehen einer Reihe von korrosionsbeständigen Kohlenstoff- und Cr-Ni-Stählen in nichts nach.
Die hohe Duktilität von Titan im Vergleich zu anderen Metallen mit hcp-Gitter (Zn, Mg, Cd) erklärt sich durch eine große Anzahl von Gleit- und Zwillingssystemen aufgrund des kleinen Verhältnisses mit/a= 1,587. Offensichtlich ist dies der Grund für die hohe Kältebeständigkeit von Titan und seinen Legierungen (Details siehe Kap. 13).
Wenn die Temperatur auf 250 ° C ansteigt, nimmt die Festigkeit von Titan um fast das Zweifache ab. Hitzebeständige Ti-Legierungen sind jedoch hinsichtlich der spezifischen Festigkeit im Temperaturbereich von 300–600 °C unerreicht; bei Temperaturen über 600 °C sind Titanlegierungen Eisen- und Nickelbasislegierungen unterlegen.
Titan hat einen niedrigen Modul normaler Elastizität ( E= 110,25 GPa) - fast zweimal weniger als Eisen und Nickel, was die Herstellung starrer Strukturen erschwert.
Titan gehört zu den reaktiven Metallen, weist jedoch eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf, da sich auf seiner Oberfläche ein stabiler passiver TiO 2 -Film bildet, der fest mit dem Grundmetall verbunden ist und dessen direkten Kontakt mit einer korrosiven Umgebung ausschließt. Die Dicke dieses Films erreicht normalerweise 5–6 nm.
Aufgrund des Oxidfilms korrodieren Titan und seine Legierungen nicht in der Atmosphäre, in Süß- und Meerwasser, sind beständig gegen Kavitationskorrosion und Spannungskorrosion sowie gegen organische Säuren.
Die Herstellung von Produkten aus Titan und seinen Legierungen weist eine Reihe technologischer Besonderheiten auf. Aufgrund der hohen chemischen Aktivität von geschmolzenem Titan werden das Schmelzen, Gießen und Lichtbogenschweißen im Vakuum oder in einer Atmosphäre von Inertgasen durchgeführt.
Beim technologischen und betrieblichen Erhitzen, insbesondere oberhalb von 550–600 °C, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um Titan vor Oxidation und Gassättigung (Alphaschicht) zu schützen (siehe Kap. 3).
Titan lässt sich im heißen Zustand gut durch Druck und im kalten zufriedenstellend verarbeiten. Es lässt sich leicht walzen, schmieden, stanzen. Titan und seine Legierungen lassen sich gut durch Widerstands- und Argon-Lichtbogenschweißen schweißen und bieten eine hohe Festigkeit und Duktilität der Schweißverbindung. Der Nachteil von Titan ist die schlechte Bearbeitbarkeit durch Kleben, geringe Wärmeleitfähigkeit und schlechte Gleiteigenschaften.
Der Hauptzweck des Legierens von Titanlegierungen besteht darin, die Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Breite Anwendung fanden Titanlegierungen mit Aluminium, Chrom, Molybdän, Vanadium, Mangan, Zinn und anderen Elementen. Legierungselemente haben einen großen Einfluss auf die polymorphen Umwandlungen von Titan.
Tabelle 17.1
Sorten, chemische Zusammensetzung (%) und Härte von schwammigem Titan (GOST 17746–79)
| Ti, nicht weniger | Härte HB, 15.10.30, nicht mehr |
||||||||
Tabelle 17.2
Sorten und chemische Zusammensetzung (%) von geschmiedeten Titanlegierungen (GOST 19807–91)
| Notation | ||||||||||||||
Notiz. Die Summe anderer Verunreinigungen in allen Legierungen beträgt 0,30%, in der Legierung VT1-00 - 0,10%.
Die Gefügebildung und damit die Eigenschaften von Titanlegierungen werden maßgeblich durch die mit der Titanpolymorphie einhergehenden Phasenumwandlungen beeinflusst. Auf Abb. 17.1 zeigt Diagramme der Zustandsdiagramme "Titanlegierungselement", die die Einteilung der Legierungselemente nach der Art ihres Einflusses auf die polymorphen Umwandlungen von Titan in vier Gruppen widerspiegeln.
a - Stabilisatoren(Al, O, N), die die Temperatur der polymorphen Umwandlung a «b erhöhen und das Spektrum an Mischkristallen auf Basis von a-Titan erweitern (Abb. 17.1, a). Unter Berücksichtigung der Versprödungswirkung von Stickstoff und Sauerstoff ist nur Aluminium für das Legieren von Titan von praktischer Bedeutung. Es ist das Hauptlegierungselement in allen technischen Titanlegierungen, reduziert deren Dichte und Neigung zur Wasserstoffversprödung und erhöht zudem Festigkeit und E-Modul. Legierungen mit stabilem a-Gefüge werden nicht durch Wärmebehandlung gehärtet.
Isomorphe b-Stabilisatoren (Mo, V, Ni, Ta usw.), die die Temperatur einer "b-Umwandlung" erniedrigen und das Spektrum von Mischkristallen auf Basis von b-Titan erweitern (Abb. 17.1, b).
Eutektoidbildende b-Stabilisatoren (Cr, Mn, Cu etc.) können mit Titan intermetallische Verbindungen vom Typ TiX bilden. In diesem Fall erfährt die b-Phase beim Abkühlen eine eutektoide Umwandlung b ® a + TiX (Abb. 17.1, in). Mehrheitlich
b-Stabilisatoren erhöhen die Festigkeit, Hitzebeständigkeit und thermische Stabilität von Titanlegierungen, wodurch ihre Duktilität etwas verringert wird (Abb. 17.2.). Außerdem können Legierungen mit (a + b)- und Pseudo-b-Gefüge durch Wärmebehandlung (Härten + Altern) gehärtet werden.
Neutrale Elemente (Zr, Sn) beeinflussen die Temperatur der polymorphen Umwandlung nicht wesentlich und verändern die Phasenzusammensetzung von Titanlegierungen nicht (Abb. 17.1, G).
Die polymorphe b ® a -Transformation kann auf zwei Wegen erfolgen. Bei langsamer Abkühlung und hoher Atombeweglichkeit kommt es nach dem üblichen Diffusionsmechanismus zur Bildung einer polyedrischen Struktur einer festen a-Lösung. Bei schneller Abkühlung - durch einen diffusionslosen martensitischen Mechanismus unter Bildung eines nadelförmigen martensitischen Gefüges, bezeichnet mit a ¢ oder bei höherem Legierungsgrad - a ¢ ¢ . Die Kristallstruktur von a , a ¢ , a ¢ ¢ ist praktisch vom gleichen Typ (HCP), jedoch ist das Gitter von a ¢ und a ¢ ¢ stärker verzerrt, und der Grad der Verzerrung nimmt mit steigender Konzentration an Legierungselementen zu. Es gibt Hinweise [1], dass das Gitter der a ¢ ¢ -Phase eher orthorhombisch als hexagonal ist. Als Alterungsphasen a ¢ und a ¢ ¢ werden b-Phase oder intermetallische Phase getrennt.
Reis. 17.1. Zustandsdiagramme von "Ti-Legierungselement"-Systemen (Schemata):
a) "Ti-a-Stabilisatoren";
b) „Ti-isomorphe b-Stabilisatoren“;
in) "Ti-eutektoidbildende b-Stabilisatoren";
G) "Ti-neutrale Elemente"
Reis. 17.2. Einfluss von Legierungselementen auf die mechanischen Eigenschaften von Titan
Im Gegensatz zu Martensit von Kohlenstoffstählen, der eine interstitielle Lösung ist und durch hohe Festigkeit und Sprödigkeit gekennzeichnet ist, ist Titanmartensit eine Ersatzlösung, und das Abschrecken von Titanlegierungen für Martensit führt zu einer leichten Härtung und wird nicht von einer starken Abnahme der Plastizität begleitet .
Phasenumwandlungen, die beim langsamen und schnellen Abkühlen von Titanlegierungen mit unterschiedlichen Gehalten an b-Stabilisatoren auftreten, sowie die resultierenden Strukturen sind in einem verallgemeinerten Diagramm dargestellt (Abb. 17.3). Sie gilt für isomorphe b-Stabilisatoren (Abb. 17.1, b) und in einiger Näherung für eutektoidbildende b-Stabilisatoren (Abb. 17.1, in), da die eutektoide Zersetzung in diesen Legierungen sehr langsam ist und vernachlässigt werden kann.
Reis. 17.3. Schema der Änderung der Phasenzusammensetzung von Legierungen "Ti-b-Stabilisator" in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
Abkühlung und Verhärtung aus der b-Region
Bei langsamer Abkühlung in Titanlegierungen können je nach Konzentration der b-Stabilisatoren Strukturen erhalten werden: a, a + b bzw. b.
Beim Abschrecken infolge martensitischer Umwandlung im Temperaturbereich M n -M k (gestrichelt in Abb. 17.3 dargestellt) sind vier Legierungsgruppen zu unterscheiden.
Die erste Gruppe umfasst Legierungen mit einer Konzentration an b-stabilisierenden Elementen bis zu C 1 , d. h. Legierungen, die, wenn sie aus dem b-Bereich abgeschreckt werden, ausschließlich eine ¢ (a ¢ ¢)-Struktur aufweisen. Nach Abschrecken dieser Legierungen ab Temperaturen (a+b)-Bereich im Bereich der polymorphen Umwandlung an T In 1 ist ihre Struktur eine Mischung aus den Phasen a ¢ (a ¢ ¢), a und b und nach dem Abschrecken von Temperaturen darunter T cr sie haben eine (a + b)-Struktur.
Die zweite Gruppe besteht aus Legierungen mit einer Legierungselementkonzentration von C 1 bis C cr , bei denen beim Abschrecken aus dem b-Gebiet die martensitische Umwandlung nicht bis zum Ende eintritt und sie das Gefüge a ¢ (a ¢ ¢ ) und B. Legierungen dieser Gruppe können nach dem Abschrecken von Temperaturen aus polymorpher Umwandlung an T kr haben die Struktur a ¢ (a ¢ ¢), a und b, und mit Temperaturen darunter T cr - Struktur (a + b).
Härten von Legierungen der dritten Gruppe mit einer Konzentration an b-stabilisierenden Elementen von C cr bis C 2 ab Temperaturen im b-Bereich oder ab Temperaturen aus polymorpher Umwandlung an T 2 wird von der Umwandlung eines Teils der b-Phase in die w-Phase begleitet, und Legierungen dieses Typs haben nach dem Abschrecken die Struktur (b + w). Legierungen der dritten Gruppe nach dem Härten bei Temperaturen darunter T 2 haben die Struktur (b + a).
Legierungen der vierten Gruppe haben nach dem Abschrecken von Temperaturen oberhalb der polymorphen Umwandlung ausschließlich b-Struktur und von Temperaturen unterhalb der polymorphen Umwandlung - (b + a).
Es ist zu beachten, dass die b ® b + w-Umwandlungen sowohl beim Abschrecken von Legierungen mit einer Konzentration von (С cr –С 2) als auch beim Altern von Legierungen mit einer Konzentration von mehr als С 2 auftreten können, die eine metastabile b-Phase haben . In jedem Fall ist die Anwesenheit der w-Phase unerwünscht, da sie stark versprödet Titanlegierungen. Die empfohlenen Wärmebehandlungsregime schließen sein Vorhandensein in Industrielegierungen oder sein Auftreten unter Betriebsbedingungen aus.
Bei Titanlegierungen kommen folgende Arten der Wärmebehandlung zum Einsatz: Glühen, Härten und Auslagern sowie chemisch-thermische Behandlung (Nitrieren, Silizieren, Oxidieren etc.).
Das Glühen wird für alle Titanlegierungen durchgeführt, um die Bildung des Gefüges zu vervollständigen, die Gefüge- und Konzentrationsheterogenität sowie die mechanischen Eigenschaften auszugleichen. Die Tempertemperatur sollte höher sein als die Rekristallisationstemperatur, aber niedriger als die Übergangstemperatur in den b-Zustand ( T pp) um Kornwachstum zu verhindern. Anwenden konventionelles Glühen, doppelt oder isotherm(zur Stabilisierung der Struktur und Eigenschaften), unvollständig(um innere Spannungen abzubauen).
Abschrecken und Altern (härtende Wärmebehandlung) ist auf Titanlegierungen mit (a + b)-Struktur anwendbar. Das Prinzip der Härtewärmebehandlung besteht darin, während des Abschreckens metastabile Phasen b , a ¢ , a ¢ ¢ und deren anschließenden Zerfall unter Freisetzung von dispergierten Partikeln zu erhalten a - und b -Phasen während der künstlichen Alterung. Die Verfestigungswirkung hängt dabei von Art, Menge und Zusammensetzung der metastabilen Phasen sowie der Feinheit der nach der Alterung gebildeten a- und b-Phasenpartikel ab.
Die chemisch-thermische Behandlung wird durchgeführt, um die Härte und Verschleißfestigkeit, die Beständigkeit gegen "Festfressen" beim Arbeiten unter Reibungsbedingungen, die Ermüdungsfestigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit und Hitzebeständigkeit zu erhöhen. Nitrieren, Silizieren und einige Arten von Diffusionsmetallisierungen haben praktische Anwendungen.
Titanlegierungen haben im Vergleich zu technischem Titan eine höhere Festigkeit auch bei hohen Temperaturen bei gleichzeitig ausreichend hoher Duktilität und Korrosionsbeständigkeit.
Marken und chemische Zusammensetzung des Inlandes
Legierungen (GOST 19807–91) sind in der Tabelle dargestellt. 17.2.
Nach der Herstellungstechnologie werden Titanlegierungen unterteilt in geschmiedet und gegossen; nach dem Niveau der mechanischen Eigenschaften - für Legierungen geringe Festigkeit und hohe Duktilität, Mitte Stärke, hohe Festigkeit; gemäß den Nutzungsbedingungen - auf kältebeständig, hitzebeständig, korrosionsbeständig . Entsprechend der Fähigkeit, durch Wärmebehandlung zu härten, werden sie unterteilt in gehärtet und nicht gehärtet, je nach Gefüge im geglühten Zustand - in a-, Pseudo-a-, (a + b)-, Pseudo-b- und b-Legierungen (Tab. 17.3).
Separate Gruppen von Titanlegierungen unterscheiden sich im Wert des bedingten Stabilisierungskoeffizienten Kb, die das Verhältnis des Gehalts an b-stabilisierendem Legierungselement zu seinem Gehalt in einer Legierung kritischer Zusammensetzung zeigt mit kr. Wenn die Legierung mehrere b-stabilisierende Elemente enthält, deren Kb zusammengefasst.
< 700 MPa, nämlich: a - Legierungen der Sorten VT1-00, VT1-0 (technisches Titan) und Legierungen OT4-0, OT4-1 (Ti-Al-Mn-System), AT3 (Ti-Al-System mit geringen Zusätzen von Cr , Fe, Si, B), bezogen auf Pseudo-a-Legierungen mit einem geringen Anteil an b-Phase. Die Festigkeitseigenschaften dieser Legierungen sind aufgrund von Verunreinigungen in VT1-00- und VT1-0-Legierungen und einer leichten Legierung mit a- und b-Stabilisatoren in OT4-0-, OT4-1- und AT3-Legierungen höher als die von reinem Titan.
Diese Legierungen zeichnen sich durch eine hohe Duktilität sowohl im heißen als auch im kalten Zustand aus, was es ermöglicht, alle Arten von Halbzeugen zu erhalten: Folien, Bänder, Bleche, Platten, Schmiedestücke, Stanzteile, Profile, Rohre usw. Die mechanischen Eigenschaften von Halbzeuge aus diesen Legierungen sind in tab. 17.4–17.6.
Tabelle 17.3
Klassifizierung von Titanlegierungen nach Struktur
| Legierungsgruppe | Legierungsqualität |
| VT1-00, VT1-0, VT5, VT5-1, PT-7M |
|
| Pseudo-a-Legierungen | OT4-0, OT4-1, OT4, VT20, AT3 |
| (a + b)-martensitische Klasse ( Kb= 0,3–0,9) | VT6S, VT6, VT14, VT8, VT9, PT-3V, VT3-1, AT3 |
| (a + b)-Übergangsklassenlegierungen ( Kb= 1,0–1,4) | |
| Pseudo-b-Legierungen ( Kb= 1,5–2,4) | VT35*, VT32*, VT15 |
| b-Legierungen ( Kb= 2,5–3,0) |
* Experimentelle Legierungen.
Tabelle 17.4
Mechanische Eigenschaften von Blechen aus Titanlegierungen (GOST 22178–76)
| Titan-Sorten | Beispielzustand | Blechdicke, | Zugfestigkeit, s in, MPa | Relative Dehnung, d, % |
| geglüht | ||||
| St. 6.0–10.5 | ||||
| St. 6.0–10.5 | ||||
| geglüht | ||||
| St. 6.0–10.5 | ||||
| St. 6.0–10.5 | ||||
| St. 6.0–10.5 | ||||
| 885 (885–1080) | ||||
| geglüht | 885 (885–1050) | |||
| St. 5.0–10.5 | 835 (835–1050) | |||
| temperiert und | ||||
| St. 7.0–10.5 | ||||
| geglüht | 930 (930–1180) | |||
| St. 4.0–10.5 | ||||
| geglüht | 980 (980–1180) | |||
| St. 4.0–10.5 | ||||
Notiz. Zahlen in Klammern gelten für Bleche mit hoher Oberflächengüte.
Tabelle 17.5
Mechanische Eigenschaften von Stangen aus Titanlegierungen (GOST 26492–85)
| Legierungsqualität | Bundesland | Stangendurchmesser | Grenze | Relativ | Relativ | Schlagzeug |
| Geglüht | ||||||
| Geglüht | ||||||
| Geglüht | 885 (905–1050) | |||||
| 835 (835–1050) | ||||||
| Gehärtet und gealtert | ||||||
| Geglüht | ||||||
| Gehärtet und gealtert | ||||||
| Geglüht | 930 (980–1230) | |||||
| 930 (930–1180) | ||||||
| 980 (980–1230) | ||||||
| 930 (930–1180) | ||||||
| 980 (1030–1230) | ||||||
| 930 (980–1230) | ||||||
| Geglüht | 885 (885–1080) | |||||
| 865 (865–1080) | ||||||
| Gehärtet und gealtert | ||||||
| Geglüht | 885 (930–1130) | |||||
| 885 (885–1130) | ||||||
| 1030 (1080–1230) | ||||||
| 1030 (1080–1280) | ||||||
Notiz. Daten in Klammern beziehen sich auf Barren höherer Qualität.
Tabelle 17.6
Mechanische Eigenschaften von Titanlegierungsplatten (GOST 23755–79)
| Legierungsqualität | Bundesland | Plattendicke, | Zugfestigkeit s in, MPa | Relative Dehnung d, % | Relative Kontraktion y , % | Schlagfestigkeit KCU, J/cm2 |
| Ohne | ||||||
| geglüht | ||||||
| geglüht | ||||||
| Gehärtet und gealtert | ||||||
| geglüht | ||||||
| Ohne Wärmebehandlung | ||||||
Schmieden, Volumen- und Blechstanzen, Walzen, Pressen werden im heißen Zustand gemäß den in der Tabelle angegebenen Modi durchgeführt. 17.7. Endwalzen, Blechstanzen, Ziehen und andere Operationen werden in kaltem Zustand durchgeführt.
Diese Legierungen und Produkte daraus werden nur gemäß den in der Tabelle angegebenen Modi geglüht. 17.8. Unvollständiges Glühen wird verwendet, um innere Spannungen abzubauen, die durch spanende Bearbeitung, Blechstanzen, Schweißen usw. entstehen.
Diese Legierungen lassen sich gut durch Schmelzschweißen (Argon-Lichtbogen, Unterpulver, Elektroschlacke) und Kontakt (Punkt, Rolle) schweißen. Beim Schmelzschweißen entsprechen die Festigkeit und Duktilität der Schweißverbindung fast denen des Grundmetalls.
Die Korrosionsbeständigkeit dieser Legierungen ist in vielen Medien (Meerwasser, Chloride, Laugen, organische Säuren usw.) hoch, mit Ausnahme von Lösungen von HF, H 2 SO 4 , HCl und einigen anderen.
Anwendung. Diese Legierungen werden häufig als Konstruktionswerkstoffe für die Herstellung fast aller Arten von Halbzeugen, Teilen und Strukturen, einschließlich geschweißter, verwendet. Ihre effektivste Anwendung liegt in der Luft- und Raumfahrttechnik, in der Chemietechnik, in der Kryotechnik (Tabelle 17.9.) sowie in Einheiten und Strukturen, die bei Temperaturen von bis zu 300–350 ° C betrieben werden.
Zu dieser Gruppe gehören Legierungen mit der Zugfestigkeit s in = 750–1000 MPa, nämlich: a - Legierungen der Sorten VT5 und VT5-1; Pseudo-a-Legierungen der Sorten OT4, VT20; (a + b)-Legierungen der Sorten PT3V, sowie VT6, VT6S, VT14 im geglühten Zustand.
Die Legierungen VT5, VT5-1, OT4, VT20, PT3V, VT6S, die eine geringe Menge der b-Phase enthalten (2–7% der b-Phase im Gleichgewichtszustand), werden keiner Wärmebehandlung zum Härten unterzogen und verwendet im geglühten Zustand. Die Legierung VT6S wird manchmal in einem thermisch gehärteten Zustand verwendet. Die Legierungen VT6 und VT14 werden sowohl im geglühten als auch im thermisch gehärteten Zustand eingesetzt. Im letzteren Fall wird ihre Festigkeit höher als 1000 MPa und sie werden im Abschnitt über hochfeste Legierungen betrachtet.
Die betrachteten Legierungen behalten zusammen mit erhöhter Festigkeit eine zufriedenstellende Duktilität im kalten Zustand und eine gute Duktilität im warmen Zustand, was es ermöglicht, alle Arten von Halbzeugen daraus zu erhalten: Bleche, Bänder, Profile, Schmiedestücke, Stanzteile , Rohre usw. Ausnahme ist die VT5-Legierung, aus der Bleche und Platten aufgrund geringer technologischer Plastizität nicht hergestellt werden. Arten der Heißdruckbehandlung sind in der Tabelle angegeben. 17.7.
Diese Kategorie von Legierungen macht den größten Teil der Produktion von Halbzeugen aus, die im Maschinenbau verwendet werden. Die mechanischen Eigenschaften der wichtigsten Halbzeuge sind in der Tabelle angegeben. 17.4–17.6.
Alle mittelfesten Legierungen lassen sich mit allen für Titan verwendeten Schweißarten gut schweißen. Die Festigkeit und Duktilität einer durch Schmelzschweißen hergestellten Schweißverbindung liegt nahe an der Festigkeit und Duktilität des Grundmetalls (für VT20- und VT6S-Legierungen beträgt dieses Verhältnis 0,9–0,95). Nach dem Schweißen wird ein unvollständiges Glühen empfohlen, um innere Schweißspannungen abzubauen (Tabelle 17.8).
Die Bearbeitbarkeit dieser Legierungen ist gut. Die Korrosionsbeständigkeit in den meisten aggressiven Umgebungen ist ähnlich wie bei technischem Titan VT1-0.
Tabelle 17.7
Arten der Warmumformung von Titanlegierungen
| Legierungsqualität | Barrenschmiedemodus | Schmiedemodus vor | Stempelmodus drücken | Hammerprägemodus | Modus |
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| Temperatur | Dicke, | Temperatur | Temperatur | Temperatur | Temperatur |
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| das Ende | das Ende | das Ende | das Ende |
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| Alles | ||||||||||||||
| 40–70 | ||||||||||||||
| 40–70 | ||||||||||||||
| 40–50** | ||||||||||||||
| 40–50** | ||||||||||||||
| 850 | 40–50** | |||||||||||||
| Alles | ||||||||||||||
* Verformungsgrad für eine Erwärmung, %.
** Verformung im (a + b)-Bereich.
*** Verformung im b-Bereich.
Tabelle 17.8
Glühmodi für Titanlegierungen
| Legierungsqualität | Glühtemperatur, ° С | Notiz |
|
| Blätter | Stangen, Schmiedestücke, Stanzteile, |
||
| 445–585 °C* |
|||
| 445–585 °C* |
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| 480–520 °C* |
|||
| 520–560 °C* |
|||
| 545–585 °C* |
|||
| Isothermes Glühen: Aufheizen auf 870–920°C, Halten, Abkühlen auf 600–650°C, Abkühlen mit Ofen oder Transfer in einen anderen Ofen, Halten 2 h, Luftabkühlung |
|||
| Zweifaches Glühen, Halten bei 550–600 °C für 2–5 Stunden Glühen bei 850 °C, Luftkühlung ist für Leistungsteile zulässig |
|||
| 550–650 °C* |
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| Das Glühen ist nach folgenden Modi zulässig: 1) Erhitzen auf 850 ° C, Halten, Abkühlen mit einem Ofen auf 750 ° C, Halten für 3,5 Stunden, Abkühlen an der Luft; 2) Erhitzen auf 800°C, Halten für 30 min, Abkühlen mit einem Ofen auf 500°C, dann an der Luft |
|||
| Doppeltes Glühen, Exposition bei 570–600 ° C - 1 h. Isothermes Glühen ist erlaubt: Aufheizen auf 920–950 °C, Halten, Abkühlen mit einem Ofen oder Überführen in einen anderen Ofen mit einer Temperatur von 570–600 °C, Halten für 1 h, Abkühlen an der Luft |
|||
| Zweifaches Glühen, Aussetzung bei 530–580 °C – 2–12 h. Isothermes Glühen ist erlaubt: Aufheizen auf 950–980 °C, Halten, Abkühlen mit einem Ofen oder Überführen in einen anderen Ofen mit einer Temperatur von 530–580 °C, Halten für 2–12 h, Abkühlen an Luft |
|||
| 550–650 °C* |
|||
| Isothermes Glühen ist erlaubt: Aufheizen auf 790–810 °C, Halten, Abkühlen mit einem Ofen oder Transfer in einen anderen Ofen auf 640–660 °C, Halten für 30 min, Abkühlen an der Luft |
|||
| Das Glühen von Blechteilen ist bei 650–750 ° C zulässig. (600–650 °C)* |
|||
| (je nach Profil und Art des Halbzeugs) | Abkühlen mit einem Ofen mit einer Geschwindigkeit von 2–4 °C/min auf 450 °C, dann an der Luft. Doppeltes Glühen, Exposition bei 500–650 ° C für 1–4 Stunden Doppeltes Glühen ist für Teile zulässig, die bei Temperaturen bis 300 ° C und einer Dauer von bis zu 2000 h betrieben werden |
||
| (545–585 °C*) |
|||
* Unvollständige Glühtemperaturen.
Tabelle 17.9
Mechanische Eigenschaften von Titanlegierungen bei niedrigen Temperaturen
| s in (MPa) bei Temperatur, ° С | d (%) bei Temperatur, ° С | KCU, J / cm 2 bei Temperatur, ° С |
||||||
Anwendung. Diese Legierungen werden für die Herstellung von Produkten durch Blechstanzen (OT4, VT20), für geschweißte Teile und Baugruppen, für stanzgeschweißte Teile (VT5, VT5-1, VT6S, VT20) usw. empfohlen. Die Legierung VT6S wird häufig verwendet für die Herstellung von Behältern und Druckbehältern. Teile und Baugruppen aus den Legierungen OT4, VT5 können lange bei Temperaturen bis 400 ° C und kurzzeitig bis 750 ° C arbeiten; aus den Legierungen VT5-1, VT20 - lange Zeit bei Temperaturen bis 450–500 ° C und kurzzeitig - bis 800–850 ° C. Die Legierungen VT5-1, OT4, VT6S werden auch für den Einsatz in der Kältetechnik empfohlen und Kryotechnik (Tab. 17.9).
Zu dieser Gruppe gehören Legierungen mit einer Zugfestigkeit s > 1000 MPa, nämlich (a + b)-Legierungen der Sorten VT6, VT14, VT3-1, VT22. Die hohe Festigkeit dieser Legierungen wird durch eine härtende Wärmebehandlung (Härten + Altern) erreicht. Ausnahme ist die hochlegierte Legierung VT22, die auch im geglühten Zustand s B > 1000 MPa aufweist.
Diese Legierungen behalten neben ihrer hohen Festigkeit auch im heißen Zustand eine gute (VT6) und zufriedenstellende (VT14, VT3-1, VT22) technologische Duktilität, was es ermöglicht, aus ihnen verschiedene Halbzeuge zu erhalten: Bleche (außer VT3- 1), Stäbe, Platten, Schmiedestücke, Stanzteile, Profile usw. Warmumformungsmodi sind in der Tabelle angegeben. 17.7. Die Legierungen VT6 und VT14 können im geglühten Zustand (s in » 850 MPa) mit geringen Verformungen kaltblechgeschmiedet werden. Die mechanischen Eigenschaften der wichtigsten Halbzeuge im geglühten und gehärteten Zustand sind in der Tabelle angegeben. 17.4–17.6.
Trotz der heterophasischen Struktur weisen die betrachteten Legierungen eine zufriedenstellende Schweißbarkeit durch alle für Titan verwendeten Schweißarten auf. Um die erforderliche Festigkeit und Duktilität zu gewährleisten, ist ein vollständiges Glühen obligatorisch, und für die Legierung VT14 (mit einer Dicke der geschweißten Teile von 10–18 mm) wird empfohlen, ein Härten mit anschließender Alterung durchzuführen. Die Festigkeit der Schweißverbindung (Schmelzschweißen) beträgt dabei mindestens das 0,9-fache der Festigkeit des Grundwerkstoffes. Die Duktilität der Schweißverbindung kommt der Duktilität des Grundwerkstoffs nahe.
Bearbeitbarkeit ist zufriedenstellend. Die Bearbeitung von Legierungen kann sowohl im geglühten als auch im thermisch gehärteten Zustand erfolgen.
Diese Legierungen haben eine hohe Korrosionsbeständigkeit im geglühten und thermisch gehärteten Zustand in feuchter Atmosphäre, Meerwasser und in vielen anderen aggressiven Umgebungen, wie handelsübliches Titan.
Wärmebehandlung . Die Legierungen VT3-1, VT6, VT6S, VT14, VT22 werden gehärtet und gealtert (siehe oben). Die empfohlenen Heizarten zum Härten und Auslagern für monolithische Produkte, Halbzeuge und Schweißteile sind in der Tabelle angegeben. 17.10.
Das Abkühlen während des Abschreckens erfolgt in Wasser und nach dem Altern in Luft. Volle Härtbarkeit ist für Teile aus VT6-, VT6S-Legierungen mit einem maximalen Querschnitt von bis zu 40–45 mm und aus VT3-1-, VT14-, VT22-Legierungen - bis zu 60 mm vorgesehen.
Um eine zufriedenstellende Kombination von Festigkeit und Duktilität von Legierungen mit einer (a + b)-Struktur nach dem Abschrecken und Altern sicherzustellen, ist es notwendig, dass ihre Struktur vor der Wärmebehandlung zum Härten gleichachsig oder "korbgeflecht" ist. Beispiele für anfängliche Mikrostrukturen, die zufriedenstellende Eigenschaften liefern, sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt. 17.4 (Typen 1–7).
Tabelle 17.10
Arten der verstärkenden Wärmebehandlung von Titanlegierungen
| Legierungsqualität | Temperatur der polymorphen Transformation T pp, °С | Temperatur | Temperatur | Dauer |
Die anfängliche nadelförmige Struktur der Legierung mit dem Vorhandensein primärer Korngrenzen der b-Phase (Typen 8–9) während der Überhitzung nach dem Abschrecken und Altern oder Glühen führt zur Ehe - einer Abnahme der Festigkeit und Duktilität. Daher ist es notwendig, das Erhitzen von (a + b)-Legierungen auf Temperaturen oberhalb der polymorphen Umwandlungstemperatur zu vermeiden, da es unmöglich ist, die überhitzte Struktur durch Wärmebehandlung zu korrigieren.
Es wird empfohlen, das Erhitzen während der Wärmebehandlung in Elektroöfen mit automatischer Temperaturregelung und -registrierung durchzuführen. Um die Bildung von Zunder zu verhindern, muss das Erwärmen von Fertigteilen und Blechen in Öfen mit Schutzatmosphäre oder unter Verwendung von Schutzbeschichtungen erfolgen.
Beim Erhitzen von Dünnblechteilen zum Härten wird zum Temperaturausgleich und zur Verringerung des Verzugs eine 30–40 mm dicke Stahlplatte auf den Ofenboden gelegt. Zum Härten von Teilen mit komplexer Konfiguration und dünnwandigen Teilen werden Sperrvorrichtungen verwendet, um ein Verziehen und Verziehen zu verhindern.
Nach der Hochtemperaturbehandlung (Abschrecken oder Glühen) im Ofen ohne Schutzatmosphäre müssen Halbzeuge, die keiner weiteren Bearbeitung unterzogen werden, hydrosandgestrahlt oder korundbesandet und Bleche zusätzlich gebeizt werden.
Anwendung. Hochfeste Titanlegierungen werden zur Herstellung kritischer Teile und Baugruppen verwendet: Schweißkonstruktionen (VT6, VT14), Turbinen (VT3-1), Stanzschweißbaugruppen (VT14), hochbelastete Teile und Stanzkonstruktionen (VT22). Diese Legierungen können lange Zeit bei Temperaturen bis 400 °C und kurzzeitig bis 750 °C arbeiten.
Ein Merkmal von hochfesten Titanlegierungen als Konstruktionsmaterial ist ihre erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentratoren. Daher müssen bei der Konstruktion von Teilen aus diesen Legierungen eine Reihe von Anforderungen (verbesserte Oberflächenqualität, Vergrößerung der Übergangsradien von einem Abschnitt zum anderen usw.) berücksichtigt werden, ähnlich wie bei hochfesten Stählen Gebraucht.
Physikalische und chemische Eigenschaften von Titan, Gewinnung von Titan
Die Verwendung von Titan in reiner Form und in Form von Legierungen, die Verwendung von Titan in Form von Verbindungen, die physiologische Wirkung von Titan
Abschnitt 1. Geschichte und Vorkommen von Titan in der Natur.
Titan -Das ein Element einer sekundären Untergruppe der vierten Gruppe, der vierten Periode des Periodensystems der chemischen Elemente von D. I. Mendelejew, mit der Ordnungszahl 22. Die einfache Substanz Titan (CAS-Nummer: 7440-32-6) ist ein Leichtmetall aus Silber -weiße Farbe. Es existiert in zwei Kristallmodifikationen: α-Ti mit hexagonal dicht gepacktem Gitter, β-Ti mit kubisch raumzentrierter Packung, die Temperatur der polymorphen Umwandlung α↔β beträgt 883 °C. Schmelzpunkt 1660 ± 20 °C.
Geschichte und Präsenz von Titan in der Natur
Titan wurde nach den altgriechischen Schriftzeichen Titanen benannt. Der deutsche Chemiker Martin Klaproth nannte es aus persönlichen Gründen so, im Gegensatz zu den Franzosen, die versuchten, Namen in Übereinstimmung mit den chemischen Eigenschaften des Elements zu geben, aber da die Eigenschaften des Elements damals unbekannt waren, war ein solcher Name gewählt.
Titan ist zahlenmäßig das 10. Element auf unserem Planeten. Die Menge an Titan in der Erdkruste beträgt 0,57 Gew.-% und 0,001 Milligramm pro 1 Liter Meerwasser. Titanvorkommen befinden sich auf dem Territorium der Republik Südafrika, der Ukraine, Russlands, Kasachstans, Japans, Australiens, Indiens, Ceylons, Brasiliens und Südkoreas.
In Bezug auf die physikalischen Eigenschaften ist Titan ein leicht silbriges Metall, außerdem zeichnet es sich durch eine hohe Viskosität während der Bearbeitung aus und neigt dazu, am Schneidwerkzeug zu haften, so dass spezielle Schmiermittel oder Sprühen verwendet werden, um diesen Effekt zu beseitigen. Bei Raumtemperatur ist es mit einem durchscheinenden Film aus TiO2-Oxid bedeckt, wodurch es in den meisten aggressiven Umgebungen, mit Ausnahme von Alkalien, korrosionsbeständig ist. Titanstaub hat die Fähigkeit zu explodieren, mit einem Flammpunkt von 400 °C. Titanspäne sind brennbar.
Um reines Titan oder seine Legierungen herzustellen, wird in den meisten Fällen Titandioxid mit einer kleinen Anzahl darin enthaltener Verbindungen verwendet. Beispielsweise ein Rutilkonzentrat, das durch Aufbereitung von Titanerzen erhalten wird. Die Rutilvorräte sind jedoch äußerst gering, und in diesem Zusammenhang wird die sogenannte synthetische Rutil- oder Titanschlacke verwendet, die bei der Verarbeitung von Ilmenitkonzentraten anfällt.
Als Entdecker des Titans gilt der 28-jährige englische Mönch William Gregor. Als er 1790 in seiner Gemeinde mineralogische Untersuchungen durchführte, machte er auf das Vorkommen und die ungewöhnlichen Eigenschaften von schwarzem Sand im Tal von Menaken im Südwesten Englands aufmerksam und begann, ihn zu erforschen. Im Sand fand der Priester Körner eines schwarz glänzenden Minerals, die von einem gewöhnlichen Magneten angezogen wurden. Das reinste Titan, das 1925 von Van Arkel und de Boer nach der Jodidmethode gewonnen wurde, erwies sich bei vielen als duktiles und technologisches Metall wertvolle Eigenschaften, die die Aufmerksamkeit einer Vielzahl von Designern und Ingenieuren auf sich zog. 1940 schlug Croll ein Magnesium-Thermalverfahren zur Gewinnung von Titan aus Erzen vor, das bis heute das wichtigste ist. 1947 wurden die ersten 45 kg kommerziell reinem Titan hergestellt.
Titan hat die Ordnungszahl 22 in Mendelejews Periodensystem der Elemente. Atommasse natürliches Titan, berechnet aus den Ergebnissen von Untersuchungen seiner Isotope, beträgt 47,926. Der Kern eines neutralen Titanatoms enthält also 22 Protonen. Die Anzahl der Neutronen, dh neutraler ungeladener Teilchen, ist unterschiedlich: häufiger 26, kann jedoch zwischen 24 und 28 variieren. Daher ist die Anzahl der Titanisotope unterschiedlich. Insgesamt kennt man heute 13 Isotope des Elements Nr. 22. Natürliches Titan besteht aus einer Mischung von fünf stabilen Isotopen, Titan-48 ist am weitesten verbreitet, sein Anteil in natürlichen Erzen beträgt 73,99 %. Titan und andere Elemente der IVB-Untergruppe sind in ihren Eigenschaften den Elementen der IIIB-Untergruppe (Scandiumgruppe) sehr ähnlich, obwohl sie sich von letzteren in ihrer Fähigkeit unterscheiden, eine große Wertigkeit aufzuweisen. Die Ähnlichkeit von Titan mit Scandium, Yttrium sowie mit Elementen der VB-Untergruppe - Vanadium und Niob - drückt sich auch darin aus, dass Titan häufig zusammen mit diesen Elementen in natürlichen Mineralien vorkommt. Mit einwertigen Halogenen (Fluor, Brom, Chlor und Jod) kann es Di-Tri- und Tetra-Verbindungen bilden, mit Schwefel und Elementen seiner Gruppe (Selen, Tellur) - Mono- und Disulfide, mit Sauerstoff - Oxide, Dioxide und Trioxide .
Titan bildet auch Verbindungen mit Wasserstoff (Hydride), Stickstoff (Nitride), Kohlenstoff (Carbide), Phosphor (Phosphide), Arsen (Arside) sowie Verbindungen mit vielen Metallen - intermetallische Verbindungen. Titan bildet nicht nur einfache, sondern auch zahlreiche komplexe Verbindungen, viele seiner Verbindungen mit organischen Stoffen sind bekannt. Wie aus der Liste der Verbindungen, an denen Titan beteiligt sein kann, ersichtlich ist, ist es chemisch sehr aktiv. Und gleichzeitig ist Titan eines der wenigen Metalle mit außergewöhnlich hoher Korrosionsbeständigkeit: Es ist praktisch ewig in der Luft, in kaltem und kochendem Wasser, es ist sehr widerstandsfähig in Meerwasser, in Lösungen vieler anorganischer und organischer Salze Säuren. In Bezug auf seine Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser übertrifft es alle Metalle mit Ausnahme von Edelmetallen - Gold, Platin usw., die meisten Arten von Edelstahl, Nickel, Kupfer und anderen Legierungen. In Wasser, in vielen aggressiven Umgebungen, unterliegt Reintitan keiner Korrosion. Beständig gegen Titan und Erosionskorrosion, die durch eine Kombination aus chemischen und mechanischen Einwirkungen auf das Metall entstehen. In dieser Hinsicht steht es den besten Sorten von Edelstählen, Legierungen auf Kupferbasis und anderen Konstruktionsmaterialien in nichts nach. Titan widersteht auch gut Ermüdungskorrosion, die sich oft in Form von Verletzungen der Integrität und Festigkeit des Metalls äußert (Risse, lokale Korrosionszentren usw.). Das Verhalten von Titan in vielen aggressiven Umgebungen wie Stickstoff, Salzsäure, Schwefelsäure, Königswasser und anderen Säuren und Laugen ist für dieses Metall überraschend und bewundernswert.
Titan ist ein sehr hitzebeständiges Metall. Lange glaubte man, dass es bei 1800 °C schmilzt, aber Mitte der 50er Jahre. Die englischen Wissenschaftler Diardorf und Hayes bestimmten den Schmelzpunkt für reines elementares Titan. Sie betrug 1668 ± 3 ° C. Titan ist in seiner Feuerfestigkeit nur Metallen wie Wolfram, Tantal, Niob, Rhenium, Molybdän, Platinoiden, Zirkonium unterlegen und steht unter den Hauptstrukturmetallen an erster Stelle. Das wichtigste Merkmal von Titan als Metall ist seine einzigartige physikalische Beschaffenheit Chemische Eigenschaften: geringe Dichte, hohe Festigkeit, Härte usw. Hauptsache, diese Eigenschaften ändern sich bei hohen Temperaturen nicht wesentlich.
Titan ist ein Leichtmetall, seine Dichte beträgt bei 0°C nur 4,517 g/cm8 und bei 100°C 4,506 g/cm3. Titan gehört zur Gruppe der Metalle mit einem spezifischen Gewicht von weniger als 5 g/cm3. Dazu gehören alle Alkalimetalle (Natrium, Cadium, Lithium, Rubidium, Cäsium) mit einem spezifischen Gewicht von 0,9–1,5 g/cm3, Magnesium (1,7 g/cm3), Aluminium (2,7 g/cm3) usw. Titan ist mehr als 1,5-mal schwerer als Aluminium und verliert dabei natürlich, aber es ist 1,5-mal leichter als Eisen (7,8 g/cm3). Allerdings nehmen spezifisches Gewicht eine Zwischenstellung zwischen Aluminium und Eisen, übertrifft Titan diese in seinen mechanischen Eigenschaften um ein Vielfaches.). Titan hat eine erhebliche Härte: Es ist 12-mal härter als Aluminium, 4-mal härter als Eisen und Kupfer. Eine weitere wichtige Eigenschaft eines Metalls ist seine Streckgrenze. Je höher sie ist, desto besser halten die Teile aus diesem Metall den Betriebsbelastungen stand. Die Streckgrenze von Titan ist fast 18-mal höher als die von Aluminium. Die spezifische Festigkeit von Titanlegierungen kann um den Faktor 1,5–2 gesteigert werden. Seine hohen mechanischen Eigenschaften bleiben bei Temperaturen bis zu mehreren hundert Grad gut erhalten. Reines Titan eignet sich für alle Arten der Bearbeitung im heißen und kalten Zustand: Es lässt sich wie Eisen schmieden, ziehen und sogar zu Draht verarbeiten, zu Blechen, Bändern und Folien bis zu einer Dicke von 0,01 mm walzen.
Im Gegensatz zu den meisten Metallen hat Titan einen erheblichen elektrischen Widerstand: Wenn die elektrische Leitfähigkeit von Silber mit 100 angenommen wird, beträgt die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer 94, Aluminium 60, Eisen und Platin -15 und Titan nur 3,8. Titan ist ein paramagnetisches Metall, es wird nicht wie Eisen in einem Magnetfeld magnetisiert, aber nicht wie Kupfer herausgedrückt. Seine magnetische Suszeptibilität ist sehr schwach, diese Eigenschaft kann im Bauwesen genutzt werden. Titan hat eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit, nur 22,07 W / (mK), was etwa 3-mal niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit von Eisen, 7-mal niedriger als Magnesium, 17-20-mal niedriger als Aluminium und Kupfer. Dementsprechend ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von Titan niedriger als der anderer Strukturmaterialien: Bei 20 ° C ist er 1,5-mal niedriger als der von Eisen, 2 - für Kupfer und fast 3 - für Aluminium. Daher ist Titan ein schlechter Strom- und Wärmeleiter.
Titanlegierungen sind heute in der Luftfahrttechnik weit verbreitet. Titanlegierungen wurden erstmals im industriellen Maßstab beim Bau von Flugzeugstrahltriebwerken verwendet. Die Verwendung von Titan bei der Konstruktion von Strahltriebwerken ermöglicht eine Gewichtsreduzierung um 10 bis 25 %. Insbesondere Verdichterscheiben und -schaufeln, Lufteinlassteile, Leitschaufeln und Befestigungselemente werden aus Titanlegierungen hergestellt. Titanlegierungen sind für Überschallflugzeuge unverzichtbar. Das Wachstum der Fluggeschwindigkeiten Flugzeug führten zu einer Erhöhung der Hauttemperatur, wodurch Aluminiumlegierungen die Anforderungen der Luftfahrttechnik für Überschallgeschwindigkeiten nicht mehr erfüllen. Die Hauttemperatur erreicht dabei 246...316 °C. Unter diesen Bedingungen erwiesen sich Titanlegierungen als das akzeptabelste Material. In den 70er Jahren nahm die Verwendung von Titanlegierungen für Flugzeugzellen von Zivilflugzeugen erheblich zu. In einem Mittelstreckenflugzeug TU-204 Gesamtgewicht Teile aus Titanlegierungen beträgt 2570 kg. Die Verwendung von Titan in Hubschraubern nimmt allmählich zu, hauptsächlich für Teile des Hauptrotorsystems, des Antriebs und des Steuerungssystems. Einen wichtigen Platz nehmen Titanlegierungen in der Raketenwissenschaft ein.
Aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser werden Titan und seine Legierungen im Schiffbau zur Herstellung von Propellern, Schiffspanzerungen, U-Booten, Torpedos usw. verwendet. Schalen haften nicht an Titan und seinen Legierungen, die den Widerstand des Gefäßes bei Bewegung stark erhöhen. Nach und nach erweitern sich die Anwendungsgebiete von Titan. Titan und seine Legierungen werden in der chemischen, petrochemischen, Zellstoff- und Papier- und Lebensmittelindustrie, NE-Metallurgie, Energietechnik, Elektronik, Nukleartechnik, Galvanik, in der Waffenherstellung, zur Herstellung von Panzerplatten, chirurgischen Instrumenten, chirurgische Implantate, Entsalzungsanlagen, Rennwagenteile, Sportausrüstung (Golfschläger, Kletterausrüstung), Uhrenteile und sogar Schmuck. Das Nitrieren von Titan führt zur Bildung eines goldenen Films auf seiner Oberfläche, der in seiner Schönheit echtem Gold in nichts nachsteht.
Die Entdeckung von TiO2 wurde fast gleichzeitig und unabhängig voneinander von dem Engländer W. Gregor und dem deutschen Chemiker M. G. Klaproth gemacht. W. Gregor, der die Zusammensetzung von magnetischem eisenhaltigem Sand untersuchte (Creed, Cornwall, England, 1791), isolierte eine neue „Erde“ (Oxid) eines unbekannten Metalls, das er Menaken nannte. 1795 entdeckte der deutsche Chemiker Klaproth im Mineral Rutil ein neues Element und nannte es Titan. Zwei Jahre später stellte Klaproth fest, dass Rutil und Menakenerde Oxide desselben Elements sind, hinter denen der von Klaproth vorgeschlagene Name „Titan“ stand. Nach 10 Jahren fand die Entdeckung von Titan zum dritten Mal statt. Der französische Wissenschaftler L. Vauquelin entdeckte Titan in Anatas und bewies, dass Rutil und Anatas identische Titanoxide sind.
Die erste Probe von metallischem Titan wurde 1825 von J. Ya. Berzelius erhalten. Aufgrund der hohen chemischen Aktivität von Titan und der Komplexität seiner Reinigung erhielten die Niederländer A. van Arkel und I. de Boer 1925 eine reine Ti-Probe durch thermische Zersetzung von Titaniodid-TiI4-Dampf.
Titan ist das zehnthäufigste in der Natur. Der Gehalt in der Erdkruste beträgt 0,57 Massen-%, im Meerwasser 0,001 mg/l. 300 g/t in ultrabasischen Gesteinen, 9 kg/t in basischen Gesteinen, 2,3 kg/t in sauren Gesteinen, 4,5 kg/t in Tonen und Schiefern. In der Erdkruste ist Titan fast immer vierwertig und kommt nur in Sauerstoffverbindungen vor. Es kommt nicht in freier Form vor. Titan hat unter Witterungs- und Niederschlagsbedingungen eine geochemische Affinität zu Al2O3. Es ist in Bauxiten der Verwitterungskruste und in marinen Tonsedimenten angereichert. Die Übertragung von Titan erfolgt in Form von mechanischen Bruchstücken von Mineralien und in Form von Kolloiden. In manchen Tonen reichern sich bis zu 30 Gew.-% TiO2 an. Titanmineralien sind witterungsbeständig und bilden große Konzentrationen in Seifen. Mehr als 100 titanhaltige Mineralien sind bekannt. Die wichtigsten davon sind: Rutil TiO2, Ilmenit FeTiO3, Titanomagnetit FeTiO3 + Fe3O4, Perowskit CaTiO3, Titanit CaTiSiO5. Es gibt primäre Titanerze - Ilmenit-Titanmagnetit und Placer - Rutil-Ilmenit-Zirkon.
Haupterze: Ilmenit (FeTiO3), Rutil (TiO2), Titanit (CaTiSiO5).
Im Jahr 2002 wurden 90 % des abgebauten Titans für die Produktion von Titandioxid TiO2 verwendet. Die Weltproduktion von Titandioxid betrug 4,5 Millionen Tonnen pro Jahr. Die bestätigten Reserven an Titandioxid (ohne Russland) betragen etwa 800 Mio. t. Für das Jahr 2006 belaufen sich laut US Geological Survey in Bezug auf Titandioxid und ohne Russland die Reserven an Ilmenit-Erzen auf 603-673 Mio. t und Rutil - 49,7 - 52,7 Mio. t. Damit reichen die nachgewiesenen Titanvorräte der Welt (ohne Russland) bei der derzeitigen Produktionsrate für mehr als 150 Jahre.
Russland verfügt nach China über die zweitgrößten Titanvorkommen der Welt. Die Mineralressourcenbasis von Titan in Russland besteht aus 20 Lagerstätten (davon 11 primäre und 9 alluviale), die ziemlich gleichmäßig über das Land verteilt sind. Die größte der erkundeten Lagerstätten (Jaregskoje) liegt 25 km von der Stadt Uchta (Republik Komi) entfernt. Die Reserven der Lagerstätte werden auf 2 Milliarden Tonnen Erz mit einem durchschnittlichen Titandioxidgehalt von etwa 10 % geschätzt.
Der weltweit größte Titanproduzent ist das russische Unternehmen VSMPO-AVISMA.
Ausgangsstoff für die Herstellung von Titan und seinen Verbindungen ist in der Regel Titandioxid mit relativ geringen Verunreinigungen. Insbesondere kann es sich um ein Rutilkonzentrat handeln, das bei der Aufbereitung von Titanerzen gewonnen wird. Allerdings sind die weltweiten Rutilreserven sehr begrenzt, und häufiger wird der sogenannte synthetische Rutil oder die Titanschlacke verwendet, die bei der Verarbeitung von Ilmenitkonzentraten anfallen. Um Titanschlacke zu erhalten, wird Ilmenitkonzentrat in einem Lichtbogenofen reduziert, während Eisen in eine Metallphase (Gusseisen) getrennt wird und nicht reduzierte Titanoxide und Verunreinigungen eine Schlackenphase bilden. Reiche Schlacke wird nach dem Chlorid- oder Schwefelsäureverfahren aufbereitet.
In reiner Form und in Form von Legierungen
Gagarin-Denkmal aus Titan am Leninsky-Prospekt in Moskau
Das Metall wird verwendet in: der chemischen Industrie (Reaktoren, Rohrleitungen, Pumpen, Rohrleitungsarmaturen), der Militärindustrie (Körperschutz, Panzerung und Feuerschutzwände in der Luftfahrt, U-Boot-Rümpfe), industriellen Prozessen (Entsalzungsanlagen, Zellstoff- und Papierprozesse), der Automobilindustrie , Agrarindustrie, Lebensmittelindustrie, Piercingschmuck, medizinische Industrie (Prothesen, Osteoprothesen), zahnärztliche und endodontische Instrumente, Zahnimplantate, Sportartikel, Schmuck (Alexander Khomov), Mobiltelefone, Leichtmetalle usw. Es ist das wichtigste Strukturmaterial im Flugzeug-, Raketen-, Schiffsbau.
Der Titanguss erfolgt in Vakuumöfen in Graphitformen. Vakuum-Feinguss wird ebenfalls verwendet. Aufgrund technologischer Schwierigkeiten wird es im künstlerischen Gießen in begrenztem Umfang verwendet. Die erste monumentale Titanguss-Skulptur der Welt ist das Juri-Gagarin-Denkmal auf dem nach ihm benannten Platz in Moskau.
Titan ist ein Legierungszusatz in vielen legierten Stählen und den meisten Speziallegierungen.
Nitinol (Nickel-Titan) ist eine Formgedächtnislegierung, die in Medizin und Technik verwendet wird.
Titanaluminide sind sehr oxidations- und hitzebeständig, was wiederum ihre Verwendung in der Luftfahrt- und Automobilindustrie als Strukturwerkstoffe bestimmt.
Titan ist eines der am häufigsten in Hochvakuumpumpen verwendeten Gettermaterialien.
Weißes Titandioxid (TiO2) wird in Farben (z. B. Titanweiß) sowie bei der Papier- und Kunststoffherstellung verwendet. Lebensmittelzusatzstoff E171.
Organische Titanverbindungen (z. B. Tetrabutoxytitan) werden als Katalysator und Härter in der Chemie- und Lackindustrie eingesetzt.
Anorganische Titanverbindungen werden in der chemischen, elektronischen und Glasfaserindustrie als Additive oder Beschichtungen verwendet.
Titancarbid, Titandiborid, Titancarbonitrid sind wichtige Bestandteile superharter Werkstoffe für die Metallbearbeitung.
Titannitrid wird zur Beschichtung von Werkzeugen, Kirchenkuppeln und bei der Herstellung von Modeschmuck verwendet, weil. hat eine goldähnliche Farbe.
Bariumtitanat BaTiO3, Bleititanat PbTiO3 und eine Reihe anderer Titanate sind Ferroelektrika.
Es gibt viele Titanlegierungen mit unterschiedlichen Metallen. Legierungselemente werden nach ihrer Wirkung auf die Temperatur der polymorphen Umwandlung in drei Gruppen eingeteilt: Beta-Stabilisatoren, Alpha-Stabilisatoren und neutrale Härter. Erstere erniedrigen die Umwandlungstemperatur, letztere erhöhen sie, letztere beeinflussen sie nicht, führen aber zu einer Lösungshärtung der Matrix. Beispiele für Alpha-Stabilisatoren: Aluminium, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff. Beta-Stabilisatoren: Molybdän, Vanadium, Eisen, Chrom, Nickel. Neutrale Härter: Zirkonium, Zinn, Silizium. Beta-Stabilisatoren wiederum werden in beta-isomorphe und beta-eutektoidbildende unterteilt. Die gebräuchlichste Titanlegierung ist die Ti-6Al-4V-Legierung (in Russische Klassifikation-BT6).
60% - Farbe;
20% - Kunststoff;
13% - Papier;
7% - Maschinenbau.
$15-25 pro Kilo, je nach Reinheit.
Die Reinheit und Qualität von Rohtitan (Titanschwamm) wird normalerweise durch seine Härte bestimmt, die vom Gehalt an Verunreinigungen abhängt. Die gängigsten Marken sind TG100 und TG110.
Der Preis für Ferrotitan (mindestens 70 % Titan) beträgt am 22.12.2010 6,82 $ pro Kilogramm. Am 01.01.2010 lag der Preis bei 5,00 $ pro Kilogramm.
In Russland lagen die Titanpreise Anfang 2012 bei 1200-1500 Rubel/kg.
Vorteile:
geringe Dichte (4500 kg / m3) hilft, die Masse des verwendeten Materials zu reduzieren;
hohe mechanische Festigkeit. Es sollte beachtet werden, dass Titanlegierungen bei erhöhten Temperaturen (250–500 °C) hochfesten Aluminium- und Magnesiumlegierungen in der Festigkeit überlegen sind;
ungewöhnlich hohe Korrosionsbeständigkeit aufgrund der Fähigkeit von Titan, dünne (5-15 Mikron) kontinuierliche Filme aus TiO2-Oxid auf der Oberfläche zu bilden, die fest mit der Metallmasse verbunden sind;
Die spezifische Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit und Dichte) der besten Titanlegierungen erreicht 30-35 oder mehr, was fast der doppelten spezifischen Festigkeit von legierten Stählen entspricht.
Nachteile:
hohe Produktionskosten, Titan ist viel teurer als Eisen, Aluminium, Kupfer, Magnesium;
aktive Wechselwirkung bei hohen Temperaturen, insbesondere im flüssigen Zustand, mit allen Gasen, aus denen die Atmosphäre besteht, wodurch Titan und seine Legierungen nur im Vakuum oder in einer Inertgasumgebung geschmolzen werden können;
Schwierigkeiten bei der Produktion von Titanabfall;
schlechte Gleiteigenschaften, da Titan an vielen Materialien haftet, Titan gepaart mit Titan kann nicht für Reibung arbeiten;
hohe Neigung von Titan und vielen seiner Legierungen zu Wasserstoffversprödung und Salzkorrosion;
schlechte Bearbeitbarkeit ähnlich der von austenitischen Edelstählen;
hohe Reaktivität, eine Tendenz zum Kornwachstum bei hoher Temperatur und Phasenumwandlungen während des Schweißzyklus verursachen Schwierigkeiten beim Schweißen von Titan.
Der Hauptteil des Titans wird für den Bedarf der Luftfahrt- und Raketentechnik sowie des Schiffbaus ausgegeben. Titan (Ferrotitan) wird als Legierungszusatz für hochwertige Stähle und als Desoxidationsmittel verwendet. Technisches Titan wird für die Herstellung von Tanks, chemischen Reaktoren, Rohrleitungen, Armaturen, Pumpen, Ventilen und anderen Produkten verwendet, die in aggressiven Umgebungen eingesetzt werden. Gitter und andere Teile von Elektrovakuumgeräten, die bei hohen Temperaturen arbeiten, werden aus kompaktem Titan hergestellt.
Bei der Verwendung als Strukturwerkstoff liegt Titan auf Platz 4, nach Al, Fe und Mg an zweiter Stelle. Titanaluminide sind sehr oxidations- und hitzebeständig, was wiederum ihre Verwendung in der Luftfahrt- und Automobilindustrie als Strukturwerkstoffe bestimmt. Die biologische Unbedenklichkeit von Titan macht es zu einem hervorragenden Material für die Lebensmittelindustrie und die rekonstruktive Chirurgie.
Titan und seine Legierungen werden aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit, die bei hohen Temperaturen erhalten bleibt, ihrer Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit, spezifischen Festigkeit, geringen Dichte und anderer nützlicher Eigenschaften in der Technik weit verbreitet. Die hohen Kosten von Titan und seinen Legierungen werden in vielen Fällen durch ihre höhere Leistung ausgeglichen, und in einigen Fällen sind sie das einzige Material, aus dem es möglich ist, Geräte oder Strukturen herzustellen, die unter bestimmten spezifischen Bedingungen funktionieren können.
Titanlegierungen spielen eine wichtige Rolle in der Luftfahrttechnik, wo es darum geht, ein möglichst leichtes Design bei gleichzeitig erforderlicher Festigkeit zu erreichen. Titan ist im Vergleich zu anderen Metallen leicht, kann aber gleichzeitig bei hohen Temperaturen arbeiten. Titanlegierungen werden zur Herstellung von Haut, Befestigungsteilen, einem Antriebssatz, Fahrwerksteilen und verschiedenen Einheiten verwendet. Diese Materialien werden auch beim Bau von Flugzeugstrahltriebwerken verwendet. Dadurch können Sie ihr Gewicht um 10-25% reduzieren. Titanlegierungen werden zur Herstellung von Verdichterscheiben und -schaufeln, Luftansaug- und Leitschaufelteilen sowie Befestigungselementen verwendet.
Titan und seine Legierungen werden auch in der Raketenwissenschaft verwendet. Angesichts des kurzzeitigen Betriebs der Triebwerke und des schnellen Durchgangs dichter Atmosphärenschichten in der Raketenwissenschaft sind die Probleme der Dauerfestigkeit, der Standfestigkeit und teilweise des Kriechens weitgehend beseitigt.
Technisches Titan ist aufgrund seiner unzureichend hohen Hitzebeständigkeit für Anwendungen in der Luftfahrt nicht geeignet, jedoch aufgrund seiner außergewöhnlich hohen Korrosionsbeständigkeit in manchen Fällen in der chemischen Industrie und im Schiffbau unverzichtbar. So wird es bei der Herstellung von Kompressoren und Pumpen zum Pumpen von aggressiven Medien wie Schwefelsäure und verwendet Salzsäure und deren Salze, Rohrleitungen, Ventile, Autoklaven, verschiedene Behälter, Filter usw. Nur Titan ist korrosionsbeständig in Umgebungen wie nassem Chlor, wässrigen und sauren Chlorlösungen, daher werden Geräte für die Chlorindustrie aus diesem Metall hergestellt. Titan wird zur Herstellung von Wärmetauschern verwendet, die in korrosiven Umgebungen betrieben werden, beispielsweise in Salpetersäure (nicht rauchend). Im Schiffbau wird Titan für die Herstellung von Propellern, die Beschichtung von Schiffen, U-Booten, Torpedos usw. verwendet. Schalen haften nicht an Titan und seinen Legierungen, die den Widerstand des Gefäßes bei Bewegung stark erhöhen.
Titanlegierungen sind für die Verwendung in vielen anderen Anwendungen vielversprechend, aber ihre Verwendung in der Technologie wird durch die hohen Kosten und die Knappheit von Titan eingeschränkt.
Titanverbindungen werden auch in verschiedenen Industrien weit verbreitet verwendet. Titankarbid hat eine hohe Härte und wird bei der Herstellung von Schneidwerkzeugen und Schleifmitteln verwendet. Weißes Titandioxid (TiO2) wird in Farben (z. B. Titanweiß) sowie bei der Papier- und Kunststoffherstellung verwendet. Organische Titanverbindungen (z. B. Tetrabutoxytitan) werden als Katalysator und Härter in der Chemie- und Lackindustrie eingesetzt. Anorganische Titanverbindungen werden in der chemischen, elektronischen und Glasfaserindustrie als Additiv verwendet. Titandiborid ist ein wichtiger Bestandteil superharter Metallbearbeitungswerkstoffe. Titannitrid wird zur Beschichtung von Werkzeugen verwendet.
Bei den bestehenden hohen Preisen für Titan wird es hauptsächlich für die Herstellung von Militärausrüstung verwendet, bei der die Hauptrolle nicht den Kosten, sondern den technischen Eigenschaften zukommt. Dennoch sind Fälle bekannt, in denen die einzigartigen Eigenschaften von Titan für zivile Zwecke genutzt wurden. Da der Preis von Titan sinkt und seine Produktion wächst, wird die Verwendung dieses Metalls für militärische und zivile Zwecke immer mehr zunehmen.
Luftfahrt. Das geringe spezifische Gewicht und die hohe Festigkeit (insbesondere bei erhöhten Temperaturen) von Titan und seinen Legierungen machen sie zu äußerst wertvollen Materialien für die Luftfahrt. Im Bereich des Flugzeugbaus und der Produktion von Flugzeugtriebwerken ersetzt Titan zunehmend Aluminium und Edelstahl. Mit steigender Temperatur verliert Aluminium schnell seine Festigkeit. Andererseits hat Titan einen klaren Festigkeitsvorteil bei Temperaturen bis zu 430 °C, und erhöhte Temperaturen in dieser Größenordnung treten bei hohen Geschwindigkeiten aufgrund aerodynamischer Erwärmung auf. Der Vorteil des Ersatzes von Stahl durch Titan in der Luftfahrt besteht darin, das Gewicht zu reduzieren, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen. Die Gesamtgewichtsreduzierung bei erhöhter Leistung bei erhöhten Temperaturen ermöglicht eine erhöhte Nutzlast, Reichweite und Manövrierfähigkeit des Flugzeugs. Dies erklärt die Bestrebungen, die Verwendung von Titan im Flugzeugbau bei der Herstellung von Triebwerken, dem Bau von Rümpfen, der Herstellung von Häuten und sogar Verbindungselementen auszuweiten.
Im Triebwerksbau wird Titan hauptsächlich zur Herstellung von Verdichterschaufeln, Turbinenscheiben und vielen anderen Stanzteilen verwendet. Hier ersetzt Titan rostfreie und wärmebehandelte legierte Stähle. Eine Einsparung von einem Kilogramm Triebwerksgewicht spart durch die Rumpferleichterung bis zu 10 kg Gesamtgewicht des Flugzeugs ein. In Zukunft ist geplant, Titanbleche zur Herstellung von Gehäusen für Motorbrennkammern zu verwenden.
Im Flugzeugbau wird Titan häufig für Rumpfteile verwendet, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden. Titanblech wird zur Herstellung von Gehäusen aller Art, Schutzhüllen von Kabeln und Führungen für Geschosse verwendet. Diverse Versteifungselemente, Rumpfspanten, Spanten etc. werden aus legierten Titanblechen gefertigt.
Shrouds, Flaps, Kabelmäntel und Projektilführungen sind aus unlegiertem Titan gefertigt. Legiertes Titan wird für die Herstellung von Rumpfspanten, Spanten, Rohrleitungen und Brandschutzwänden verwendet.
Titan wird zunehmend beim Bau der Flugzeuge F-86 und F-100 verwendet. Aus Titan werden zukünftig Fahrwerksklappen, Hydraulikleitungen, Auspuffrohre und -düsen, Holme, Klappen, Faltstreben etc.
Titan kann zur Herstellung von Panzerplatten, Propellerblättern und Granatenkästen verwendet werden.
Derzeit wird Titan beim Bau von Militärflugzeugen Douglas X-3 für Skin, Republic F-84F, Curtiss-Wright J-65 und Boeing B-52 verwendet.
Titan wird auch beim Bau des Zivilflugzeugs DC-7 verwendet. Die Firma Douglas hat durch den Ersatz von Aluminiumlegierungen und Edelstahl durch Titan bei der Herstellung der Triebwerksgondel und der Brandschutzwände bereits eine Gewichtseinsparung der Flugzeugstruktur von rund 90 kg erzielt. Derzeit beträgt das Gewicht von Titanteilen in diesem Flugzeug 2 %, und es wird erwartet, dass diese Zahl auf 20 % des Gesamtgewichts des Flugzeugs erhöht wird.
Die Verwendung von Titan ermöglicht es, das Gewicht von Hubschraubern zu reduzieren. Titanblech wird für Böden und Türen verwendet. Eine deutliche Gewichtsreduzierung des Hubschraubers (ca. 30 kg) wurde erreicht, indem legierter Stahl durch Titan ersetzt wurde, um die Blätter seiner Rotoren zu ummanteln.
Marine. Die Korrosionsbeständigkeit von Titan und seinen Legierungen macht sie zu einem sehr wertvollen Material auf See. Das US-Marineministerium untersucht umfassend die Korrosionsbeständigkeit von Titan gegenüber Rauchgasen, Dampf, Öl und Meerwasser. Von nahezu gleicher Bedeutung ist die hohe spezifische Festigkeit von Titan in der Marine.
Das geringe spezifische Gewicht des Metalls in Kombination mit der Korrosionsbeständigkeit erhöht die Manövrierfähigkeit und Reichweite der Schiffe und reduziert auch die Kosten für die Wartung des Materialteils und seine Reparatur.
Zu den Anwendungen von Titan in der Marine gehören Auspuffschalldämpfer für U-Boot-Dieselmotoren, Instrumentenscheiben, dünnwandige Rohre für Kondensatoren und Wärmetauscher. Laut Experten ist Titan wie kein anderes Metall in der Lage, die Lebensdauer von Schalldämpfern auf U-Booten zu verlängern. Bei Messscheiben, die Salzwasser, Benzin oder Öl ausgesetzt sind, bietet Titan eine bessere Haltbarkeit. Untersucht wird die Möglichkeit, Titan für die Herstellung von Wärmetauscherrohren zu verwenden, die korrosionsbeständig in Meerwasser sein sollen, das die Rohre von außen umspült, und gleichzeitig den Auswirkungen von darin strömendem Abgaskondensat standhalten sollen. Angedacht ist die Möglichkeit, Antennen und Komponenten von Radaranlagen aus Titan herzustellen, die widerstandsfähig gegen Rauchgas- und Seewassereinwirkung sein müssen. Titan kann auch zur Herstellung von Teilen wie Ventilen, Propellern, Turbinenteilen usw. verwendet werden.
Artillerie. Der größte potentielle Abnehmer von Titan dürfte offenbar die Artillerie sein, wo derzeit intensiv an verschiedenen Prototypen geforscht wird. Allerdings ist in diesem Bereich die Fertigung von nur Einzelteilen und Teilen aus Titan standardisiert. Die eher begrenzte Verwendung von Titan in der Artillerie mit großem Forschungsumfang erklärt sich aus seinen hohen Kosten.
Verschiedene Teile der Artillerieausrüstung wurden im Hinblick auf die Möglichkeit untersucht, herkömmliche Materialien durch Titan zu ersetzen, vorbehaltlich einer Reduzierung der Titanpreise. Das Hauptaugenmerk wurde auf Teile gelegt, bei denen eine Gewichtsreduzierung unerlässlich ist (Teile, die von Hand getragen und in der Luft transportiert werden).
Mörsergrundplatte aus Titan statt Stahl. Durch einen solchen Austausch und nach einigen Umbauten konnte anstelle einer Stahlplatte aus zwei Hälften mit einem Gesamtgewicht von 22 kg ein Teil mit einem Gewicht von 11 kg hergestellt werden. Durch diesen Austausch kann die Zahl der Servicekräfte von drei auf zwei reduziert werden. Die Möglichkeit, Titan zur Herstellung von Flammensperren für Pistolen zu verwenden, wird in Erwägung gezogen.
Aus Titan gefertigte Waffenhalterungen, Schlittenkreuze und Rückstoßzylinder werden getestet. Titan kann in großem Umfang bei der Herstellung von gelenkten Projektilen und Raketen verwendet werden.
Die ersten Untersuchungen von Titan und seinen Legierungen zeigten die Möglichkeit, Panzerplatten daraus herzustellen. Durch den Austausch einer Stahlpanzerung (12,7 mm dick) durch eine Titanpanzerung mit gleicher Beschussfestigkeit (16 mm dick) lassen sich diesen Studien zufolge bis zu 25 % Gewicht einsparen.
Hochwertige Titanlegierungen lassen auf die Möglichkeit hoffen, Stahlplatten durch Titanplatten gleicher Dicke zu ersetzen, was bis zu 44 % Gewicht einspart. Industrielle Anwendung Titan bietet eine größere Manövrierfähigkeit, erhöht die Transportreichweite und die Haltbarkeit der Waffe. Modernes Niveau Die Entwicklung des Luftverkehrs macht die Vorteile von leichten gepanzerten Autos und anderen Fahrzeugen aus Titan deutlich. Die Artillerie-Abteilung beabsichtigt, Infanterie mit Helmen, Bajonetten, Granatwerfern und auszurüsten Handflammenwerfer aus Titan. Titanlegierungen wurden erstmals in der Artillerie zur Herstellung des Kolbens einiger automatischer Geschütze verwendet.
Transport. Viele der Vorteile der Verwendung von Titan bei der Herstellung von gepanzertem Material gelten auch für Fahrzeuge.
Der Ersatz von Strukturmaterialien, die derzeit von Verkehrstechnikunternehmen verbraucht werden, durch Titan sollte zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, einer Erhöhung der Nutzlast, einer Erhöhung der Dauerfestigkeit von Teilen von Kurbeltrieben usw. führen. Eisenbahnen Es ist wichtig, das Eigengewicht zu reduzieren. Eine deutliche Reduzierung des Gesamtgewichts des Rollmaterials durch die Verwendung von Titan spart Traktion, reduziert die Abmessungen der Hälse und Achslager.
Gewicht ist auch wichtig für Anhänger. Fahrzeug. Auch hier würde der Ersatz von Stahl durch Titan bei der Produktion von Achsen und Rädern die Nutzlastkapazität erhöhen.
All diese Möglichkeiten könnten realisiert werden, indem der Titanpreis von 15 auf 2-3 Dollar pro Pfund Titan-Halbzeug gesenkt wird.
Chemische Industrie. Bei der Herstellung von Anlagen für die chemische Industrie ist die Korrosionsbeständigkeit des Metalls von größter Bedeutung. Es ist auch wichtig, das Gewicht zu reduzieren und die Festigkeit der Ausrüstung zu erhöhen. Logischerweise sollte davon ausgegangen werden, dass Titan bei der Herstellung von Geräten zum Transport von Säuren, Laugen und anorganischen Salzen eine Reihe von Vorteilen bieten könnte. Zusätzliche Möglichkeiten für den Einsatz von Titan eröffnen sich bei der Herstellung von Apparaten wie Tanks, Kolonnen, Filtern und Hochdruckzylindern aller Art.
Die Verwendung von Titanrohren kann die Effizienz von Heizschlangen in Laborautoklaven und Wärmetauschern verbessern. Die Anwendbarkeit von Titan für die Herstellung von Zylindern, in denen Gase und Flüssigkeiten lange Zeit unter Druck gelagert werden, wird durch die Verwendung von Verbrennungsprodukten in der Mikroanalyse anstelle eines schwereren Glasrohrs belegt (im oberen Teil des Bildes gezeigt). Aufgrund seiner geringen Wandstärke und seines geringen spezifischen Gewichts kann dieses Röhrchen auf kleineren, empfindlicheren Analysenwaagen gewogen werden. Hier verbessert die Kombination aus Leichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit die Genauigkeit der chemischen Analyse.
Andere Anwendungen. Der Einsatz von Titan ist sinnvoll in der Lebensmittel-, Öl- und Elektroindustrie, sowie bei der Herstellung von chirurgischen Instrumenten und in der Chirurgie selbst.
Tische für die Speisenzubereitung, Dampfgartische aus Titan sind Stahlprodukten qualitativ überlegen.
In der Öl- und Gasbohrindustrie ist der Kampf gegen Korrosion von großer Bedeutung, daher wird die Verwendung von Titan es ermöglichen, korrodierende Ausrüstungsstangen seltener auszutauschen. In der katalytischen Produktion und für die Herstellung von Ölpipelines ist es wünschenswert, Titan zu verwenden, das seine mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen behält und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweist.
In der Elektroindustrie kann Titan aufgrund seiner guten spezifischen Festigkeit, seines hohen elektrischen Widerstands und seiner nichtmagnetischen Eigenschaften zur Armierung von Kabeln verwendet werden.
In verschiedenen Industrien werden Befestigungselemente der einen oder anderen Form aus Titan verwendet. Eine weitere Ausweitung der Verwendung von Titan zur Herstellung von chirurgischen Instrumenten ist vor allem aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit möglich. Titaninstrumente sind in dieser Hinsicht herkömmlichen chirurgischen Instrumenten überlegen, wenn sie wiederholt ausgekocht oder autoklaviert werden.
Im Bereich der Chirurgie hat sich Titan gegenüber Vitallium und Edelstählen bewährt. Das Vorhandensein von Titan im Körper ist durchaus akzeptabel. Die Platte und die Schrauben aus Titan zur Befestigung der Knochen befanden sich mehrere Monate im Körper des Tieres, und der Knochen wuchs in die Gewinde der Schrauben und in das Loch in der Platte hinein.
Der Vorteil von Titan liegt auch darin, dass Muskelgewebe auf der Platte gebildet wird.
Ungefähr die Hälfte der weltweit hergestellten Titanprodukte werden normalerweise an die zivile Flugzeugindustrie geliefert, aber ihr Niedergang nach den bekannten tragischen Ereignissen zwingt viele Branchenteilnehmer, nach neuen Anwendungen für Titan zu suchen. Dieses Material stellt den ersten Teil einer Auswahl von Veröffentlichungen in der ausländischen metallurgischen Presse dar, die den Aussichten von Titan unter modernen Bedingungen gewidmet sind. Laut einem der führenden amerikanischen Hersteller von Titan RT1 entfallen vom Gesamtvolumen der Titanproduktion auf globaler Ebene in Höhe von 50-60.000 Tonnen pro Jahr bis zu 40 Verbrauchs-, Industrie- und Anwendungsbereiche auf das Luft- und Raumfahrtsegment 34 und der militärische Bereich 16 und etwa 10 entfielen auf die Verwendung von Titan in Konsumgütern. Industrielle Anwendungen von Titan umfassen chemische Prozesse, Energie, Öl- und Gasindustrie, Entsalzungsanlagen. Militärische nicht-luftfahrttechnische Anwendungen schließen hauptsächlich die Verwendung in Artillerie- und Kampffahrzeugen ein. Sektoren mit bedeutender Verwendung von Titan sind die Automobilindustrie, Architektur und Bauwesen, Sportartikel und Schmuck. Nahezu das gesamte Titan in Barren wird in den USA, Japan und der GUS produziert – auf Europa entfallen nur 3,6 % des weltweiten Volumens. Regionale Märkte für die Endverwendung von Titan sind sehr unterschiedlich – das bemerkenswerteste Beispiel für Originalität ist Japan, wo der zivile Luft- und Raumfahrtsektor nur 2-3 mit 30 des Gesamtverbrauchs von Titan in Ausrüstungen und Strukturelementen von Chemieanlagen ausmacht. Etwa 20% der Gesamtnachfrage in Japan stammt aus Atomkraft und in Festbrennstoffkraftwerken, der Rest entfällt auf Architektur, Medizin und Sport. Das gegenteilige Bild zeigt sich ausschließlich in den USA und Europa sehr wichtig hat einen Verbrauch im Luft- und Raumfahrtsektor - 60-75 bzw. 50-60 für jede Region. In den USA sind die traditionell starken Endmärkte Chemie, medizinische Ausrüstung, Industrieausrüstung, während in Europa der größte Anteil auf die Öl- und Gasindustrie und die Bauindustrie entfällt. Die starke Abhängigkeit von der Luft- und Raumfahrtindustrie ist seit langem ein Problem für die Titanindustrie, die versucht, Titananwendungen zu erweitern, insbesondere in der aktuellen Wirtschaftskrise Zivilluftfahrt auf globaler Ebene. Nach Angaben des US Geological Survey gab es im ersten Quartal 2003 einen deutlichen Rückgang der Importe von Titanschwamm - nur 1319 Tonnen, das sind 62 weniger als 3431 Tonnen im gleichen Zeitraum des Jahres 2002. Der Luft- und Raumfahrtsektor wird immer einer der führenden Märkte für Titan sein, aber wir in der Titanindustrie müssen uns der Herausforderung stellen und alles tun, um sicherzustellen, dass unsere Branche nicht in Entwicklungs- und Rezessionszyklen im Luft- und Raumfahrtsektor gerät. Einige der führenden Hersteller der Titanindustrie sehen wachsende Möglichkeiten in bestehenden Märkten, von denen einer der Markt für Unterwasserausrüstung und -materialien ist. Laut Martin Proko, Verkaufs- und Vertriebsleiter für RT1, wird Titan seit Anfang der 1980er Jahre in der Stromerzeugung und für Unterwasseranwendungen eingesetzt, aber erst in den letzten fünf Jahren haben sich diese Bereiche stetig weiterentwickelt und ein entsprechendes Wachstum verzeichnet die Marktnische. Im Subsea-Sektor wird das Wachstum hauptsächlich durch Bohrungen in größeren Tiefen angetrieben, wo Titan das am besten geeignete Material ist. Sein sozusagen Unterwasserlebenszyklus beträgt fünfzig Jahre, was der üblichen Dauer von Unterwasserprojekten entspricht. Die Bereiche, in denen eine Zunahme des Einsatzes von Titan zu erwarten ist, haben wir bereits aufgelistet. Bob Funnell, Vertriebsleiter von Howmet Ti-Cast, merkt an, dass die aktuelle Marktlage als Wachstumschancen in neuen Bereichen wie rotierenden Teilen für LKW-Turbolader, Raketen und Pumpen angesehen werden kann.
Eines unserer laufenden Projekte ist die Entwicklung von BAE Butitzer XM777 leichten Artilleriesystemen mit einem Kaliber von 155 mm. Nowmet wird 17 der 28 strukturellen Titanbaugruppen für jede Pistolenhalterung liefern, die teilweise geliefert werden Marinesoldaten Die USA sollen im August 2004 starten. Bei einem Geschützgesamtgewicht von 9.800 Pfund von etwa 4,44 Tonnen macht Titan etwa 2.600 Pfund von etwa 1,18 Tonnen Titan in seiner Konstruktion aus - eine 6A14U-Legierung mit einer großen Anzahl von Gussteilen wird verwendet, sagt Frank Hörster, Leiter des Bereichs Feuerunterstützungssysteme BAE Sy81et8. Dieses XM777-System soll das aktuelle M198 Newitzer-System ersetzen, das etwa 17.000 Pfund und etwa 7,71 Tonnen wiegt. Die Massenproduktion ist für den Zeitraum von 2006 bis 2010 geplant – zunächst sind Lieferungen in die USA, Großbritannien und Italien vorgesehen, das Programm kann aber auf Lieferungen in NATO-Mitgliedsstaaten ausgeweitet werden. John Barber von Timet weist darauf hin, dass der Abramé-Panzer und das Bradley-Kampffahrzeug Beispiele für militärische Ausrüstung sind, bei deren Herstellung erhebliche Mengen Titan verwendet werden. Seit zwei Jahren läuft ein gemeinsames Programm der NATO, der USA und des Vereinigten Königreichs, um die Verwendung von Titan in Waffen und Verteidigungssystemen zu intensivieren. Wie bereits mehrfach erwähnt, eignet sich Titan sehr gut für den Einsatz in der Automobilindustrie, der Anteil dieser Richtung ist jedoch eher bescheiden - etwa 1 der gesamten verbrauchten Titanmenge oder 500 Tonnen pro Jahr, so der Italiener Firma Poggipolini, ein Hersteller von Komponenten und Teilen aus Titan für Formel-1- und Rennmotorräder. Daniele Stoppolini, Leiter Forschung und Entwicklung bei diesem Unternehmen, glaubt, dass die aktuelle Nachfrage nach Titan in diesem Marktsegment bei 500 Tonnen liegt, da dieses Material massiv in der Konstruktion von Ventilen, Federn, Abgassystemen und Getrieben verwendet wird Wellen, Bolzen, könnten potenziell auf das Niveau von fast 16.000 Tonnen pro Jahr steigen. Er fügte hinzu, dass sein Unternehmen gerade erst anfänge, eine automatisierte Produktion von Titanbolzen zu entwickeln, um die Produktionskosten zu senken. Die limitierenden Faktoren, aufgrund derer sich der Einsatz von Titan in der Automobilindustrie nicht wesentlich ausweitet, sind seiner Meinung nach die Unberechenbarkeit der Nachfrage und die Unsicherheit bei der Rohstoffversorgung. Gleichzeitig bleibt eine große potenzielle Nische für Titan in der Automobilindustrie, die optimale Gewichts- und Festigkeitseigenschaften für Schraubenfedern und Abgassysteme kombiniert. Leider ist auf dem amerikanischen Markt die breite Verwendung von Titan in diesen Systemen nur durch ein ziemlich exklusives Semi-Sportmodell Chevrolet Corvette Z06 gekennzeichnet, das in keiner Weise den Anspruch erheben kann, ein Massenauto zu sein. Aufgrund der anhaltenden Herausforderungen in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und Korrosionsbeständigkeit bleiben die Aussichten für Titan in diesem Bereich jedoch bestehen. Für die Zulassung in den Märkten für Nicht-Luftfahrt- und Nicht-Militär-Anwendungen wurde kürzlich das Joint Venture UNITI gegründet, in dessen Namen das Wort Unity hochgespielt wird – Unity und Ti – die Bezeichnung von Titan im Periodensystem als Teil der Welt führende Titanproduzenten - American Allegheny Technologies und Russian VSMPO-Avisma. Diese Märkte wurden absichtlich ausgeschlossen, sagte Carl Moulton, Präsident des neuen Unternehmens, da wir beabsichtigen, das neue Unternehmen zu einem führenden Lieferanten für Industrien zu machen, die Titanteile und -baugruppen verwenden, hauptsächlich Petrochemie und Stromerzeugung. Darüber hinaus beabsichtigen wir eine aktive Vermarktung in den Bereichen Entsalzungsgeräte, Fahrzeuge, Konsumgüter und Elektronik. Ich glaube, dass unsere Produktionsstätten einander gut ergänzen – VSMPO verfügt über hervorragende Fähigkeiten zur Herstellung von Endprodukten, Allegheny hat ausgezeichnete Traditionen in der Herstellung von kalt- und warmgewalzten Titanprodukten. Der Anteil von UNITI am globalen Markt für Titanprodukte wird voraussichtlich 45 Millionen Pfund betragen, etwa 20.411 Tonnen. Der Markt für medizinische Geräte kann als ein sich stetig entwickelnder Markt betrachtet werden – laut der British Titanium International Group beträgt der jährliche Gehalt an Titan weltweit in verschiedenen Implantaten und Prothesen etwa 1000 Tonnen, und diese Zahl wird steigen, da die Möglichkeiten, chirurgische Eingriffe zu ersetzen menschliche Gelenke nach Unfällen oder Verletzungen. Zusätzlich zu den offensichtlichen Vorteilen der Flexibilität, Festigkeit und Leichtigkeit ist Titan im biologischen Sinne hochgradig körperverträglich, da es keine Korrosion an Geweben und Flüssigkeiten im menschlichen Körper gibt. Auch in der Zahnmedizin steigt der Einsatz von Prothesen und Implantaten sprunghaft an – dreimal in den letzten zehn Jahren, laut der American Dental Association, vor allem aufgrund der Eigenschaften von Titan. Obwohl die Verwendung von Titan in der Architektur mehr als 25 Jahre zurückreicht, begann seine weite Verbreitung in diesem Bereich erst in letzten Jahren. Die Erweiterung des Flughafens Abu Dhabi in den Vereinigten Arabischen Emiraten, die 2006 fertiggestellt werden soll, wird bis zu 1,5 Millionen Pfund von etwa 680 Tonnen Titan verbrauchen. Nicht nur in den Industrieländern USA, Kanada, Großbritannien, Deutschland, Schweiz, Belgien, Singapur, sondern auch in Ägypten und Peru sind eine ganze Reihe verschiedener Architektur- und Bauprojekte mit Titan geplant.
Das Konsumgütermarktsegment ist derzeit das am schnellsten wachsende Segment des Titanmarktes. Während dieses Segment vor 10 Jahren nur 1-2 des Titanmarktes ausmachte, ist es heute auf 8-10 des Marktes angewachsen. Insgesamt wuchs der Titanverbrauch in der Konsumgüterindustrie etwa doppelt so schnell wie der gesamte Titanmarkt. Die Verwendung von Titan im Sport ist die am längsten laufende und hat den größten Anteil an der Verwendung von Titan in Konsumgütern. Der Grund für die Popularität von Titan in Sportgeräten ist einfach - es ermöglicht ein Verhältnis von Gewicht und Festigkeit, das jedem anderen Metall überlegen ist. Die Verwendung von Titan in Fahrrädern begann vor etwa 25-30 Jahren und war die erste Verwendung von Titan in Sportgeräten. Hauptsächlich verwendet werden Rohre aus Ti3Al-2.5V ASTM Grade 9. Andere Teile aus Titanlegierungen sind Bremsen, Kettenräder und Sitzfedern. Die Verwendung von Titan bei der Herstellung von Golfschlägern begann erstmals Ende der 80er und Anfang der 90er Jahre durch Schlägerhersteller in Japan. Vor 1994-1995 war diese Anwendung von Titan in den USA und Europa praktisch unbekannt. Das änderte sich, als Callaway seinen Ruger Titanium Titanium Stick namens Great Big Bertha vorstellte. Aufgrund der offensichtlichen Vorteile und des gut durchdachten Marketings von Callaway wurden Titan-Sticks sofort zum Hit. Innerhalb kurzer Zeit haben sich Titanschläger von der exklusiven und teuren Ausrüstung einer kleinen Gruppe von Golfern zu einer weit verbreiteten Verwendung durch die meisten Golfer entwickelt, während sie immer noch teurer sind als Stahlschläger. Ich möchte die meiner Meinung nach wichtigsten Trends in der Entwicklung des Golfmarktes nennen, der sich in einem kurzen Zeitraum von 4-5 Jahren von High-Tech zur Massenproduktion entwickelt hat und dem Weg anderer Industrien mit hohem Personalaufwand gefolgt ist Kosten wie die Produktion von Kleidung, Spielzeug und Unterhaltungselektronik, die Produktion von Golfschlägern ist in Länder mit den billigsten Arbeitskräften gegangen, zuerst nach Taiwan, dann nach China, und jetzt werden Fabriken in Ländern mit noch billigeren Arbeitskräften wie Vietnam gebaut und Thailand wird Titan definitiv für Treiber verwendet, wo seine überlegenen Eigenschaften einen klaren Vorteil bieten und einen höheren Preis rechtfertigen. Allerdings hat Titan bei den nachfolgenden Schlägern noch keine große Verbreitung gefunden, da der deutlichen Kostensteigerung keine entsprechende Verbesserung des Spiels gegenübersteht.Momentan werden Driver hauptsächlich mit einer geschmiedeten Schlagfläche, einem geschmiedeten oder gegossenen Oberteil und einem produziert Die Professional Golf Association ROA erlaubte kürzlich eine Anhebung der Obergrenze des sogenannten Return Factors, in deren Zusammenhang alle Schlägerhersteller versuchen werden, die Federeigenschaften der Schlagfläche zu erhöhen. Dazu ist es notwendig, die Dicke der Aufprallfläche zu reduzieren und dafür stärkere Legierungen wie SP700, 15-3-3-3 und VT-23 zu verwenden. Konzentrieren wir uns nun auf die Verwendung von Titan und seinen Legierungen bei anderen Sportgeräten. Rennradschläuche und andere Teile werden aus der Legierung ASTM Grade 9 Ti3Al-2.5V hergestellt. Bei der Herstellung von Tauchermessern wird eine überraschend große Menge an Titanblech verwendet. Die meisten Hersteller verwenden eine Ti6Al-4V-Legierung, aber diese Legierung bietet keine Klingenhaltbarkeit wie andere stärkere Legierungen. Einige Hersteller wechseln zur Verwendung von BT23-Legierungen.
Der Einzelhandelspreis von Titan-Tauchmessern liegt bei etwa 70-80 $. Hufeisen aus Titanguss bieten eine deutliche Gewichtsreduzierung im Vergleich zu Stahl und sorgen gleichzeitig für die nötige Festigkeit. Leider kam diese Verwendung von Titan nicht zustande, weil die Titanhufeisen funkelten und die Pferde erschreckten. Nur wenige werden nach den ersten erfolglosen Experimenten der Verwendung von Titanhufeisen zustimmen. Titanium Beach mit Sitz in Newport Beach, Kalifornien Newport Beach, Kalifornien, hat Schlittschuhkufen aus Ti6Al-4V-Legierung entwickelt. Leider ist auch hier das Problem die Haltbarkeit der Klingenkante. Ich denke, dass dieses Produkt eine Chance hat, wenn Hersteller stärkere Legierungen wie 15-3-3-3 oder BT-23 verwenden. Titan wird beim Bergsteigen und Wandern sehr häufig verwendet, für fast alle Gegenstände, die Bergsteiger und Wanderer in ihren Rucksäcken tragen, Flaschen, Becher für 20 bis 30 US-Dollar im Einzelhandel, Kochsets für etwa 50 US-Dollar im Einzelhandel, Geschirr, das hauptsächlich aus kommerziell reinem Titan Grad 1 und 2 hergestellt wird. Andere Beispiele der Kletter- und Wanderausrüstung sind Kompaktkocher, Zeltträger und -halterungen, Eispickel und Eisschrauben. Waffenhersteller haben kürzlich damit begonnen, Titanpistolen sowohl für das Sportschießen als auch für Anwendungen bei der Strafverfolgung herzustellen.
Unterhaltungselektronik ist ein ziemlich neuer und schnell wachsender Markt für Titan. Der Einsatz von Titan in der Unterhaltungselektronik liegt in vielen Fällen nicht nur an den hervorragenden Eigenschaften, sondern auch an der ansprechenden Optik der Produkte. Kommerziell reines Titan der Güteklasse 1 wird zur Herstellung von Gehäusen für Laptops, Mobiltelefone, Plasma-Flachbildfernseher und andere elektronische Geräte verwendet. Die Verwendung von Titan im Lautsprecherbau bietet bessere akustische Eigenschaften, da Titan leichter als Stahl ist, was zu einer erhöhten akustischen Empfindlichkeit führt. Titanuhren, die erstmals von japanischen Herstellern auf den Markt gebracht wurden, sind heute eines der erschwinglichsten und anerkanntesten Titanprodukte für Verbraucher. Der weltweite Verbrauch von Titan bei der Herstellung von traditionellem und sogenanntem tragbarem Schmuck wird in mehreren zehn Tonnen gemessen. Zunehmend finden Sie Titan Eheringe, und natürlich sind Menschen, die Schmuck am Körper tragen, einfach verpflichtet, Titan zu verwenden. Titan wird häufig bei der Herstellung von Verbindungselementen und Armaturen für die Schifffahrt verwendet, wo die Kombination aus hoher Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit sehr wichtig ist. Das in Los Angeles ansässige Unternehmen Atlas Ti stellt eine breite Palette dieser Produkte aus der VTZ-1-Legierung her. Die Verwendung von Titan bei der Herstellung von Werkzeugen begann in der Sowjetunion Anfang der 80er Jahre, als auf Anweisung der Regierung leichte und praktische Werkzeuge hergestellt wurden, um die Arbeit der Arbeiter zu erleichtern. Der sowjetische Gigant der Titanproduktion, der Verkhne-Saldinskoye Metal Processing Production Association, produzierte damals Schaufeln, Nagelzieher, Reittiere, Beile und Schlüssel aus Titan.
Später begannen japanische und amerikanische Werkzeughersteller, Titan in ihren Produkten zu verwenden. Vor nicht allzu langer Zeit hat VSMPO einen Vertrag mit Boeing über die Lieferung von Titanplatten unterzeichnet. Dieser Vertrag hat sich zweifellos sehr positiv auf die Entwicklung der Titanproduktion in Russland ausgewirkt. Titan wird seit vielen Jahren in der Medizin eingesetzt. Die Vorteile sind Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und vor allem, manche Menschen sind allergisch gegen Nickel, ein notwendiger Bestandteil von rostfreien Stählen, während niemand gegen Titan allergisch ist. Die verwendeten Legierungen sind kommerziell reines Titan und Ti6-4Eli. Titan wird bei der Herstellung von chirurgischen Instrumenten, inneren und äußeren Prothesen, einschließlich kritischer Prothesen wie Herzklappen, verwendet. Krücken und Rollstühle werden aus Titan hergestellt. Die Verwendung von Titan in der Kunst geht auf das Jahr 1967 zurück, als das erste Titandenkmal in Moskau errichtet wurde.
Im Moment wurde auf fast allen Kontinenten eine beträchtliche Anzahl von Denkmälern und Gebäuden aus Titan errichtet, darunter so berühmte wie das Guggenheim-Museum, das vom Architekten Frank Gehry in Bilbao erbaut wurde. Das Material ist bei Künstlern wegen seiner Farbe, seines Aussehens, seiner Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sehr beliebt. Aus diesen Gründen wird Titan in Souvenirs und Modeschmuck-Kurzwaren verwendet, wo es erfolgreich mit Edelmetallen wie Silber und sogar Gold konkurriert. Laut Martin Proko von RTi liegt der durchschnittliche Preis für Titanschwamm in den USA bei 3,80 pro Pfund, in Russland bei 3,20 pro Pfund. Darüber hinaus ist der Metallpreis stark von der Zyklizität der kommerziellen Luft- und Raumfahrtindustrie abhängig. Die Entwicklung vieler Projekte könnte sich dramatisch beschleunigen, wenn Wege gefunden werden, die Kosten der Titanproduktion und -verarbeitung, der Schrottverarbeitung und der Schmelztechnologien zu senken, sagte Markus Holz, Geschäftsführer der German Deutshe Titan. British Titanium stimmt zu, dass die Expansion von Titanprodukten durch hohe Produktionskosten gebremst wird und viele Verbesserungen vorgenommen werden müssen, bevor Titan in Massenproduktion hergestellt werden kann. moderne Technologien.
Einer der Schritte in diese Richtung ist die Entwicklung des sogenannten FFC-Verfahrens, eines neuen elektrolytischen Verfahrens zur Herstellung von metallischem Titan und Legierungen, dessen Kosten deutlich geringer sind. Laut Daniele Stoppolini erfordert die Gesamtstrategie in der Titanindustrie die Entwicklung der am besten geeigneten Legierungen, Produktionstechnologien für jeden neuen Markt und jede neue Anwendung von Titan.
Quellen
Wikipedia - Die freie Enzyklopädie, WikiPedia
metotech.ru - Metotechnik
housetop.com - Hausspitze
atomsteel.com – Atom-Technologie
domremstroy.ru - DomRemStroy
Da Titan ein Metall mit guter Härte, aber geringer Festigkeit ist, haben Legierungen auf Titanbasis in der industriellen Produktion immer mehr Verbreitung gefunden. Legierungen mit unterschiedlicher Kornstruktur unterscheiden sich in Struktur und Art des Kristallgitters.
Sie können durch Vorsehen bestimmter Temperaturregimes im Herstellungsprozess erhalten werden. Und durch Zugabe verschiedener Legierungselemente zu Titan ist es möglich, Legierungen zu erhalten, die sich durch bessere Betriebs- und Technologieeigenschaften auszeichnen.
Beim Hinzufügen Legierungselemente und verschiedene Arten Kristallgitter in Strukturen auf Basis von Titan können höher erhalten werden als in reinem Metall Hitzebeständigkeit und Festigkeit. Gleichzeitig zeichnen sich die resultierenden Strukturen durch eine geringe Dichte, gute Korrosionsschutzeigenschaften und eine gute Plastizität aus, was den Anwendungsbereich erweitert.
Eigenschaften von Titan
Titan ist ein Leichtmetall, das sich verbindet hohe Härte und geringe Festigkeit was die Verarbeitung erschwert. Schmelztemperatur dieses Materials liegt im Durchschnitt 1665 °C. Das Material zeichnet sich durch geringe Dichte (4,5 g/cm3) und guten Korrosionsschutz aus.
Auf der Oberfläche des Materials bildet sich ein Oxidfilm mit einer Dicke von mehreren nm, der schließt Korrosionsprozesse aus Titan in Meer- und Süßwasser, Atmosphäre, Oxidation durch organische Säuren, Kavitationsvorgänge und in unter Spannung stehenden Strukturen.
Im Normalzustand hat das Material keine Wärmebeständigkeit, es ist durch das Phänomen des Kriechens bei Raumtemperatur gekennzeichnet. Bei Kälte und Tiefkälte zeichnet sich das Material jedoch durch hohe Festigkeitseigenschaften aus.
Titan hat einen niedrigen Elastizitätsmodul, was seine Verwendung für die Herstellung von Strukturen einschränkt, die Steifigkeit erfordern. In reinem Zustand hat das Metall hohe Antistrahlungseigenschaften und keine magnetischen Eigenschaften.
Titan zeichnet sich durch gute plastische Eigenschaften u leicht zu verarbeiten bei Raumtemperatur und darüber. Schweißnähte aus Titan und seinen Verbindungen weisen Duktilität und Festigkeit auf. Das Material ist jedoch durch intensive Absorptionsprozesse von Gasen in einem instabilen chemischen Zustand gekennzeichnet, der bei steigender Temperatur auftritt. Titan bildet je nach Gas, mit dem es sich verbindet, Hydrid-, Oxid- und Karbidverbindungen, die sich negativ auf seine technologischen Eigenschaften auswirken.
Das Material ist gekennzeichnet schlechte Bearbeitbarkeit, als Ergebnis seiner Umsetzung, er innerhalb kurzer Zeit klebt am Werkzeug, was seine Ressource reduziert. Die zerspanende Bearbeitung von Titan ist durch intensive Kühlung bei hohen Vorschüben, bei niedrigen Bearbeitungsgeschwindigkeiten und großer Spantiefe möglich. Außerdem wird Schnellarbeitsstahl als Werkzeug für die Verarbeitung ausgewählt.
Das Material zeichnet sich durch eine hohe chemische Aktivität aus, die zur Verwendung von Inertgasen beim Schmelzen, Gießen von Titan oder beim Lichtbogenschweißen führt.
Während des Gebrauchs müssen Titanprodukte vor einer möglichen Aufnahme von Gasen bei einer Erhöhung der Betriebstemperaturen geschützt werden.
Titanlegierungen
Strukturen auf Titanbasis mit Zusatz von Legierungselementen wie:
Strukturen, die durch Verformung von Legierungen der Titangruppe erhalten werden, werden zur Herstellung von Produkten verwendet, die einer mechanischen Bearbeitung unterzogen werden.
Nach Stärke unterscheiden sie:
- Hochfeste Materialien, deren Festigkeit mehr als 1000 MPa beträgt;
- Strukturen mit mittlerer Festigkeit im Wertebereich von 500 bis 1000 MPa;
- Materialien mit geringer Festigkeit, mit einer Festigkeit unter 500 MPa.
Nach Einsatzgebiet:
- Strukturen mit Korrosionsbeständigkeit.
- Baumaterialien;
- Hitzebeständige Strukturen;
- Strukturen mit hoher Kältebeständigkeit.
Arten von Legierungen
Entsprechend den in der Zusammensetzung enthaltenen Legierungselementen werden sechs Haupttypen von Legierungen unterschieden.
Legierungen vom Typ α-Legierungen
Legierungen vom Typ α-Legierungen auf Titanbasis mit Anwendung zum Legieren Aluminium, Zinn, Zirkonium, Sauerstoff charakterisiert gute Schweißbarkeit, Senkung des Gefrierpunkts von Titan und Erhöhung seiner Fließfähigkeit. Diese Eigenschaften erlauben den Einsatz sogenannter α-Legierungen zur Formgebung von Rohlingen oder beim Gießen von Teilen. Die resultierenden Produkte dieses Typs haben eine hohe thermische Stabilität, wodurch sie für die Herstellung kritischer Teile verwendet werden können. Arbeiten unter Temperaturbedingungen bis 400°С.
Mit minimalen Mengen an Legierungselementen werden die Verbindungen als technisches Titan bezeichnet. Es zeichnet sich durch eine gute thermische Stabilität aus und verfügt über hervorragende Schweißeigenschaften bei Schweißarbeiten an diversen Maschinen. Das Material hat zufriedenstellende Eigenschaften für die Möglichkeit des Schneidens. Es wird nicht empfohlen, die Festigkeit für Legierungen dieser Art durch Wärmebehandlung zu erhöhen, Materialien dieser Art werden nach dem Glühen verwendet. Legierungen, die Zirkonium enthalten, haben die höchsten Kosten und sind in hohem Maße herstellbar.
Lieferformen der Legierung werden in Form von Draht, Rohren, gewalzten Stäben, Schmiedestücken dargestellt. Das am häufigsten verwendete Material dieser Klasse ist die Legierung VT5-1, gekennzeichnet durch mittlere Festigkeit, Hitzebeständigkeit bis 450 ° C und hervorragende Leistung beim Arbeiten bei niedrigen und ultraniedrigen Temperaturen. Diese Legierung wird nicht durch thermische Verfahren verstärkt, ihre Verwendung bei niedrigen Temperaturen erfordert jedoch eine minimale Menge an Legierungsmaterialien.
Legierungen vom Typ β-Legierungen
Legierungen vom β-Typ durch Legieren von Titan gewonnen Vanadium, Molybdän, Nickel, in diesem Fall werden die resultierenden Strukturen charakterisiert erhöhte Kraft im Bereich von Raumtemperatur bis Minustemperaturen im Vergleich zu α-Legierungen. Durch deren Einsatz erhöht sich die Hitzebeständigkeit des Materials, seine Temperaturstabilität jedoch Reduzierung von Plastik Eigenschaften von Legierungen dieser Gruppe.
Um stabile Eigenschaften zu erhalten, müssen die Legierungen dieser Gruppe sein stark dotiert die angegebenen Elemente. Aufgrund der hohen Kosten dieser Materialien haben die Strukturen dieser Gruppe keine breite industrielle Verbreitung gefunden. Legierungen dieser Gruppe zeichnen sich durch Kriechfestigkeit und die Möglichkeit der Festigkeitssteigerung aus verschiedene Wege, die Möglichkeit der mechanischen Bearbeitung. Da jedoch die Betriebstemperatur ansteigt 300°С Legierungen dieser Gruppe erwerben Zerbrechlichkeit.
Pseudo-α-Legierungen
Pseudo-α-Legierungen, deren Legierungselemente die meisten sind α-Phasenkomponenten mit Zusätzen von bis zu 5 % Elementen der β-Gruppe. Das Vorhandensein der β-Phase in Legierungen fügt zu den Vorteilen der Legierungselemente der α-Gruppe die Eigenschaft der Plastizität hinzu. Eine Erhöhung der Hitzebeständigkeit dieser Legierungsgruppe wird durch die Verwendung von Aluminium, Silizium und Zirkon erreicht. Das letzte der aufgeführten Elemente wirkt sich positiv auf die Auflösung der β-Phase im Legierungsgefüge aus. Diese Legierungen haben jedoch auch Einschränkungen, darunter gut Absorption von Wasserstoff durch Titan und die Bildung von Hydriden mit der Möglichkeit der Wasserstoffversprödung. Wasserstoff wird in Form einer Hydridphase in der Verbindung fixiert, verringert die Viskosität und die plastischen Eigenschaften der Legierung und trägt zu einer Erhöhung der Sprödigkeit der Verbindung bei.Eines der häufigsten Materialien in dieser Gruppe ist Titanlegierungsmarke VT18, das eine Hitzebeständigkeit von bis zu 600°C aufweist, hat gute Plastizitätseigenschaften. Diese Eigenschaften ermöglichen es, das Material z Herstellung von Kompressorteilen in der Flugzeugindustrie. Die Wärmebehandlung des Materials umfasst ein Glühen bei Temperaturen von etwa 1000 °C mit weiterer Luftkühlung oder ein doppeltes Glühen, wodurch die Reißfestigkeit um 15 % erhöht werden kann.
Pseudo-β-Legierungen
Pseudo-β-Legierungen sind durch das Vorhandensein nach dem Quenchen oder Normalisieren durch das Vorhandensein nur der β-Phase gekennzeichnet. Im Zustand des Glühens ändert sich die Struktur dieser Legierungen dargestellt durch die α-Phase mit einem erheblichen Anteil an Legierungsbestandteilen der β-Gruppe. Diese Legierungen sind gekennzeichnet der höchste spezifische Festigkeitsindex unter den Titanverbindungen, haben eine geringe thermische Stabilität. Darüber hinaus sind die Legierungen dieser Gruppe wenig anfällig für Versprödung bei Wasserstoffeinwirkung, sie sind jedoch sehr empfindlich gegenüber dem Gehalt an Kohlenstoff und Sauerstoff, was die Verringerung der duktilen und duktilen Eigenschaften der Legierung beeinflusst. Diese Legierungen zeichnen sich durch schlechte Schweißbarkeit, ein breites Spektrum mechanischer Eigenschaften aufgrund der Heterogenität der Zusammensetzung und geringe Stabilität bei der Arbeit bei hohen Temperaturen.Die Form der Freisetzung der Legierung wird durch Bleche, Schmiedestücke, Stangen und Bandmetall dargestellt, wobei die empfohlene Verwendung für eine lange Zeit bei Temperaturen nicht über 350 ° C erfolgt. Ein Beispiel für eine solche Legierung ist BT35, die sich durch Druckbehandlung bei Temperaturbelastung auszeichnet. Nach dem Aushärten zeichnet sich das Material durch hohe plastische Eigenschaften und die Fähigkeit zur Verformung im kalten Zustand aus. Die Durchführung des Alterungsvorgangs für diese Legierung verursacht eine mehrfache Härtung in Gegenwart einer hohen Viskosität.
Legierungen vom α+β-Typ
Legierungen vom α+β-Typ mit möglichen Einschlüssen intermetallischer Verbindungen zeichnen sich gegenüber Legierungen der Gruppen 1 und 3 durch eine geringere Sprödigkeit bei Einwirkung von Hydriten aus. Darüber hinaus zeichnen sie sich im Vergleich zu Legierungen der α-Gruppe durch eine bessere Herstellbarkeit und eine einfachere Verarbeitung mit verschiedenen Verfahren aus. Beim Schweißen mit dieser Art von Material ist nach Abschluss des Vorgangs ein Glühen erforderlich, um die Duktilität der Schweißnaht zu erhöhen. Die Werkstoffe dieser Gruppe werden in Form von Bändern, Blechen, Schmiedeteilen, Stanzteilen und Stäben hergestellt. Das häufigste Material in dieser Gruppe ist Legierung VT6, zeichnet sich durch gute Verformbarkeit während der Wärmebehandlung, verringerte Wahrscheinlichkeit einer Wasserstoffversprödung aus. Aus diesem Stoff produzieren Flugzeuglagerteile und hitzebeständige Produkte für Triebwerkskompressoren in der Luftfahrt. Die Verwendung von geglühten oder warmgehärteten VT6-Legierungen wird praktiziert. Beispielsweise werden Teile eines dünnwandigen Profils oder Blechzuschnitte bei einer Temperatur von 800 °C geglüht, anschließend an Luft abgekühlt oder in einem Ofen belassen.
Titanlegierungen auf Basis intermetallischer Verbindungen.
Intermetalle sind eine Legierung aus zwei Metallen, von denen eines Titan ist.
Empfang von Produkten
Durch Gießen erhaltene Strukturen, die in speziellen Metallformen unter Bedingungen mit begrenztem Zugang zu aktiven Gasen ausgeführt werden, unter Berücksichtigung der hohen Aktivität von Titanlegierungen bei steigender Temperatur. Durch Gießen erhaltene Legierungen haben schlechtere Eigenschaften als durch Verformung erhaltene Legierungen. Eine Wärmebehandlung zur Festigkeitssteigerung wird bei derartigen Legierungen nicht durchgeführt, da sie die Plastizität dieser Gefüge maßgeblich beeinflusst.
Titan (Titan), Ti, ist ein chemisches Element der Gruppe IV des Periodensystems der Elemente von D. I. Mendeleev. Ordnungszahl 22, atomares Gewicht 47,90. Besteht aus 5 stabilen Isotopen; Es wurden auch künstlich radioaktive Isotope erhalten.
1791 fand der englische Chemiker W. Gregor im Sand der Stadt Menakan (England, Cornwall) eine neue "Erde", die er Menakan's nannte. 1795 entdeckte der deutsche Chemiker M. Klairot im Mineral Rutil eine noch unbekannte Erde, deren Metall er Titan nannte. Mythologie sind die Titanen die Kinder von Uranus (Himmel) und Gaia (Erde)]. 1797 bewies Klaproth die Identität dieses Landes mit dem von W. Gregor entdeckten. Reines Titan wurde 1910 von dem amerikanischen Chemiker Hunter isoliert, indem er Titantetrachlorid mit Natrium in einer Eisenbombe reduzierte.
In der Natur sein
Titan ist eines der häufigsten Elemente in der Natur, sein Gehalt in der Erdkruste beträgt 0,6 % (Gewicht). Es kommt hauptsächlich in Form von TiO 2 -Dioxid oder seinen Verbindungen - Titanaten - vor. Mehr als 60 Mineralien sind bekannt, darunter Titan, das auch im Boden, in tierischen und pflanzlichen Organismen vorkommt. Ilmenit FeTiO 3 und Rutil TiO 2 dient als Hauptrohstoff für die Herstellung von Titan. Als Quelle für Titan gewinnen Schmelzschlacken an Bedeutung Titan-Magnetite und Ilmenit.
Physikalische und chemische Eigenschaften
Titan existiert in zwei Zuständen: amorph - dunkelgraues Pulver, Dichte 3,392-3,395 g / cm 3 und kristallin, Dichte 4,5 g / cm 3. Für kristallines Titan sind zwei Modifikationen bekannt mit einem Übergangspunkt bei 885° (unter 885° eine stabile hexagonale Form, darüber – kubisch); t° pl etwa 1680°, t° kip über 3000°. Titan nimmt aktiv Gase (Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff) auf, wodurch es sehr spröde wird. Technisches Metall bietet sich für die Heißdruckbehandlung an. Vollkommen reines Metall kann kaltgewalzt werden. In Luft bei normaler Temperatur ändert sich Titan nicht, beim Erhitzen bildet es eine Mischung aus Oxid Ti 2 O 3 und Nitrid TiN. In einem Sauerstoffstrom bei Rotglut wird es zu Dioxid TiO 2 oxidiert. Reagiert bei hohen Temperaturen mit Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Schwefel usw. Beständig gegen Meerwasser, Salpetersäure, feuchtes Chlor, organische Säuren und starke Laugen. Es löst sich in Schwefel-, Salz- und Flusssäure, am besten in einem Gemisch aus HF und HNO 3 . Die Zugabe eines Oxidationsmittels zu Säuren schützt das Metall bei Raumtemperatur vor Korrosion. Vierwertige Titanhalogenide, mit Ausnahme von TiCl 4 - kristalline Körper, schmelzbar und in wässriger Lösung flüchtig, hydrolysiert, neigen zur Bildung von Komplexverbindungen, von denen Kaliumfluortitanat K 2 TiF 6 in Technologie und analytischer Praxis wichtig ist. Von großer Bedeutung sind TiC-Karbid und TiN-Nitrid - metallähnliche Substanzen, die sich durch hohe Härte (Titankarbid ist härter als Karborund), Feuerfestigkeit (TiC, t ° pl = 3140 °; TiN, t ° pl = 3200 °) auszeichnen. und gute elektrische Leitfähigkeit.
Chemisches Element Nummer 22. Titan.
Die elektronische Formel von Titan lautet: 1s 2 |2s 2 2p 6 |3s 2 3p 6 3d 2 |4s 2 .
Die Seriennummer von Titan im Periodensystem der chemischen Elemente D.I. Mendeleev - 22. Die Elementnummer gibt die Ladung eines Yard an, daher hat Titan eine Kernladung von +22, die Masse des Kerns beträgt 47,87. Titan befindet sich in der vierten Periode in einer sekundären Untergruppe. Die Periodenzahl gibt die Anzahl der Elektronenschichten an. Die Gruppennummer gibt die Anzahl der Valenzelektronen an. Eine seitliche Untergruppe weist darauf hin, dass Titan zu den d-Elementen gehört.
Titan hat zwei Valenzelektronen im s-Orbital der Außenschicht und zwei Valenzelektronen im d-Orbital der Vor-Außenschicht.
Quantenzahlen für jedes Valenzelektron:
4s4sMit Halogenen und Wasserstoff bildet Ti(IV) Verbindungen des TiX 4 -Typs mit sp 3 → q 4 -Hybridisierungstyp.
Titan ist Metall. Ist das erste Element der d-Gruppe. Das stabilste und gebräuchlichste ist Ti +4. Es gibt auch Verbindungen mit niedrigeren Oxidationsstufen – Ti 0, Ti –1, Ti +2, Ti +3, aber diese Verbindungen werden leicht durch Luft, Wasser oder andere Reagenzien zu Ti +4 oxidiert. Die Abspaltung von vier Elektronen erfordert viel Energie, daher existiert das Ti +4 -Ion nicht wirklich und Ti(IV)-Verbindungen enthalten normalerweise kovalente Bindungen Ti(IV) ist in gewisser Hinsicht den Elementen -Si, Ge, Sn ähnlich und Pb, insbesondere mit Sn.
Das bedeutendste für nationale Wirtschaft es gab und gibt legierungen und metalle, die leichtigkeit und festigkeit vereinen. Titan gehört zu dieser Werkstoffklasse und weist zudem eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf.
Titan ist ein Übergangsmetall der 4. Gruppe der 4. Periode. Sein Molekulargewicht beträgt nur 22, was auf die Leichtigkeit des Materials hinweist. Gleichzeitig zeichnet sich der Werkstoff durch eine außergewöhnliche Festigkeit aus: Unter allen Strukturwerkstoffen weist Titan die höchste spezifische Festigkeit auf. Farbe ist silbrig weiß.
Was Titan ist, zeigt das folgende Video:
Konzept und Funktionen
Titan ist weit verbreitet – es nimmt gehaltsmäßig den 10. Platz in der Erdkruste ein. Allerdings wurde erst 1875 ein wirklich reines Metall isoliert. Zuvor wurde die Substanz entweder mit Verunreinigungen erhalten oder ihre Verbindungen wurden als metallisches Titan bezeichnet. Diese Verwirrung führte dazu, dass die Metallverbindungen viel früher verwendet wurden als das Metall selbst.
Dies liegt an der Besonderheit des Materials: Die unbedeutendsten Verunreinigungen beeinträchtigen die Eigenschaften eines Stoffes erheblich und berauben ihn manchmal vollständig seiner inhärenten Eigenschaften.
Somit beraubt der kleinste Anteil anderer Metalle Titan seiner Hitzebeständigkeit, was eine seiner wertvollen Eigenschaften ist. Und eine kleine Zugabe eines Nichtmetalls macht ein haltbares Material spröde und für den Gebrauch ungeeignet.
Dieses Merkmal teilte das resultierende Metall sofort in 2 Gruppen ein: technisch und rein.
- Zuerst werden dort eingesetzt, wo Festigkeit, Leichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit am meisten benötigt werden, da Titan nie seine letzte Qualität verliert.
- Hochreines Material verwendet, wo ein Material benötigt wird, das sehr gut funktioniert schwere Lasten und hohen Temperaturen, aber gleichzeitig von Leichtigkeit geprägt. Das ist natürlich Flugzeug- und Raketenwissenschaft.
Die zweite Besonderheit der Materie ist die Anisotropie. Einige seiner physikalischen Eigenschaften verändern sich je nach Krafteinwirkung, was bei der Anwendung berücksichtigt werden muss.
Unter normalen Bedingungen ist das Metall inert, korrodiert weder im Meerwasser noch in der See- oder Stadtluft. Darüber hinaus ist es die biologisch inertste bekannte Substanz, weshalb Titanprothesen und -implantate in der Medizin weit verbreitet sind.
Gleichzeitig beginnt es bei steigender Temperatur mit Sauerstoff, Stickstoff und sogar Wasserstoff zu reagieren und nimmt Gase in flüssiger Form auf. Diese unangenehme Eigenschaft macht es äußerst schwierig, sowohl das Metall selbst zu gewinnen als auch darauf basierende Legierungen herzustellen.
Letzteres ist nur bei Verwendung von Vakuumgeräten möglich. Der komplexeste Produktionsprozess hat ein ziemlich häufiges Element zu einem sehr teuren gemacht.
Bindung mit anderen Metallen
Titan nimmt eine Zwischenstellung zwischen den beiden anderen bekannten Strukturwerkstoffen Aluminium und Eisen bzw. Eisenlegierungen ein. In vielerlei Hinsicht ist das Metall seinen "Konkurrenten" überlegen:
- Die mechanische Festigkeit von Titan ist 2-mal höher als die von Eisen und 6-mal höher als die von Aluminium. Dabei nimmt die Festigkeit mit abnehmender Temperatur zu;
- die Korrosionsbeständigkeit ist viel höher als die von Eisen und sogar Aluminium;
- beim normale Temperatur Titan ist inert. Wenn es jedoch auf 250 ° C ansteigt, beginnt es, Wasserstoff aufzunehmen, was die Eigenschaften beeinträchtigt. In Bezug auf die chemische Aktivität ist es Magnesium unterlegen, aber leider übertrifft es Eisen und Aluminium;
- das Metall leitet den Strom viel schwächer: sein spezifischer elektrischer Widerstand ist 5-mal höher als der von Eisen, 20-mal höher als der von Aluminium und 10-mal höher als der von Magnesium;
- Die Wärmeleitfähigkeit ist ebenfalls viel geringer: 3-mal geringer als bei Eisen 1 und 12-mal geringer als bei Aluminium. Diese Eigenschaft führt jedoch zu einem sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Vorteile und Nachteile
Tatsächlich hat Titan viele Nachteile. Doch die Kombination aus Festigkeit und Leichtigkeit ist so gefragt, dass weder das aufwändige Herstellungsverfahren noch die Forderung nach außergewöhnlicher Reinheit Metallkonsumenten aufhalten.
Zu den unbestrittenen Vorteilen der Substanz gehören:
- geringe Dichte, was sehr geringes Gewicht bedeutet;
- außergewöhnliche mechanische Festigkeit sowohl des Titanmetalls selbst als auch seiner Legierungen. Mit steigender Temperatur übertreffen Titanlegierungen alle Aluminium- und Magnesiumlegierungen;
- das Verhältnis von Festigkeit und Dichte - spezifische Festigkeit erreicht 30–35, was fast zweimal höher ist als das der besten Baustähle;
- An der Luft wird Titan mit einer dünnen Oxidschicht überzogen, die eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bietet.
Metall hat auch seine Nachteile:
- Korrosionsbeständigkeit und Inertheit gelten nur für nicht aktive Oberflächenprodukte. Titanstaub oder -späne zum Beispiel entzünden sich selbst und verbrennen bei einer Temperatur von 400 C;
- ein sehr komplexes Verfahren zur Gewinnung von Titanmetall verursacht sehr hohe Kosten. Das Material ist viel teurer als Eisen, oder;
- die Fähigkeit, atmosphärische Gase bei steigender Temperatur zu absorbieren, erfordert die Verwendung von Vakuumgeräten zum Schmelzen und Erhalten von Legierungen, was auch die Kosten erheblich erhöht;
- Titan hat schlechte Gleiteigenschaften - es funktioniert nicht für Reibung;
- Metall und seine Legierungen sind anfällig für Wasserstoffkorrosion, die schwer zu verhindern ist;
- Titan ist schwer zu bearbeiten. Das Schweißen ist auch aufgrund des Phasenübergangs während des Erhitzens schwierig.
Titanblech (Foto)
Eigenschaften und Merkmale
Stark auf Sauberkeit angewiesen. Referenzdaten beschreiben natürlich reines Metall, aber die Eigenschaften von technischem Titan können stark variieren.
- Die Dichte des Metalls nimmt bei Erwärmung von 4,41 auf 4,25 g/cm3 ab, der Phasenübergang verändert die Dichte nur um 0,15 %.
- Der Schmelzpunkt des Metalls liegt bei 1668 C. Der Siedepunkt liegt bei 3227 C. Titan ist eine feuerfeste Substanz.
- Die Zugfestigkeit beträgt im Durchschnitt 300–450 MPa, kann jedoch durch Härten und Altern sowie durch das Einbringen zusätzlicher Elemente auf 2000 MPa erhöht werden.
- Auf der HB-Skala beträgt die Härte 103 und dies ist nicht die Grenze.
- Die Wärmekapazität von Titan ist gering - 0,523 kJ/(kg·K).
- Spezifischer elektrischer Widerstand - 42,1 10 -6 Ohm cm.
- Titan ist ein Paramagnet. Wenn die Temperatur abnimmt, nimmt seine magnetische Suszeptibilität ab.
- Metall als Ganzes zeichnet sich durch Duktilität und Formbarkeit aus. Diese Eigenschaften werden jedoch stark durch Sauerstoff und Stickstoff in der Legierung beeinflusst. Beide Elemente machen das Material spröde.
Die Substanz ist beständig gegen viele Säuren, darunter Salpetersäure, Schwefelsäure in geringen Konzentrationen und fast alle organischen Säuren außer Ameisensäure. Diese Qualität sorgt dafür, dass Titan in der chemischen, petrochemischen, Papierindustrie usw. nachgefragt wird.
Struktur und Zusammensetzung
Titan - obwohl es ein Übergangsmetall ist und sein elektrischer Widerstand gering ist, ist es dennoch ein Metall und leitet elektrischen Strom, was eine geordnete Struktur bedeutet. Beim Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur ändert sich die Struktur:
- bis 883 C ist die α-Phase stabil mit einer Dichte von 4,55 g/cu. siehe Es zeichnet sich durch ein dichtes sechseckiges Gitter aus. Sauerstoff löst sich in dieser Phase unter Bildung interstitieller Lösungen und stabilisiert die α-Modifikation - stößt an die Temperaturgrenze;
- oberhalb von 883 C ist die β-Phase mit einem kubisch-raumzentrierten Gitter stabil. Seine Dichte ist etwas geringer - 4,22 g / cu. siehe Wasserstoff stabilisiert diese Struktur - wenn er in Titan gelöst wird, werden auch interstitielle Lösungen und Hydride gebildet.
Dieses Merkmal macht die Arbeit des Metallurgen sehr schwierig. Die Löslichkeit von Wasserstoff nimmt beim Abkühlen von Titan stark ab und es scheidet sich Wasserstoffhydrid, die γ-Phase, in der Legierung aus.
Es verursacht beim Schweißen Kaltrisse, sodass die Hersteller nach dem Schmelzen des Metalls besonders hart arbeiten müssen, um es von Wasserstoff zu reinigen.
Wo Sie Titan finden und wie Sie es herstellen, erfahren Sie weiter unten.
Dieses Video widmet sich der Beschreibung von Titan als Metall:
Produktion und Bergbau
Titan ist sehr verbreitet, also bei metallhaltigen Erzen, und zwar durchaus große Mengen, da sind keine Probleme. Die Rohstoffe sind Rutil, Anatas und Brookit – Titandioxid in verschiedenen Modifikationen, Ilmenit, Pyrophanit – Verbindungen mit Eisen und so weiter.
Aber es ist komplex und erfordert teure Geräte. Die Gewinnungsmethoden sind etwas unterschiedlich, da die Zusammensetzung des Erzes unterschiedlich ist. Das Schema zur Gewinnung von Metall aus Ilmeniterz sieht beispielsweise so aus:
- Gewinnung von Titanschlacke - Das Gestein wird zusammen mit einem Reduktionsmittel - Anthrazit, Holzkohle - in einen Elektrolichtbogenofen geladen und auf 1650 ° C erhitzt. Gleichzeitig wird Eisen abgetrennt, aus dem Gusseisen und Titandioxid in der Schlacke gewonnen werden ;
- Schlacke wird in Gruben- oder Salzchlorieranlagen chloriert. Die Essenz des Verfahrens besteht darin, festes Dioxid in gasförmiges Titantetrachlorid umzuwandeln;
- in Widerstandsöfen in speziellen Kolben wird das Metall mit Natrium oder Magnesium aus Chlorid reduziert. Als Ergebnis wird eine einfache Masse erhalten - ein Titanschwamm. Dies ist technisches Titan, das zum Beispiel für die Herstellung von chemischen Geräten gut geeignet ist;
- Wenn ein reineres Metall erforderlich ist, greifen sie auf Raffination zurück - in diesem Fall reagiert das Metall mit Jod, um gasförmiges Jodid zu erhalten, und letzteres zersetzt sich unter dem Einfluss von Temperatur - 1300-1400 C - und elektrischem Strom und setzt es frei reines Titan. Elektrischer Strom wird durch einen in einer Retorte gespannten Titandraht geführt, auf dem sich eine Reinsubstanz ablagert.
Um Titanbarren zu erhalten, wird der Titanschwamm in einem Vakuumofen eingeschmolzen, um zu verhindern, dass sich Wasserstoff und Stickstoff auflösen.
Der Preis von Titan pro 1 kg ist sehr hoch: Je nach Reinheitsgrad kostet das Metall zwischen 25 und 40 US-Dollar pro 1 kg. Andererseits kostet das Gehäuse eines säurebeständigen Edelstahlgeräts 150 Rubel. und dauert nicht länger als 6 Monate. Titan kostet etwa 600 r, wird aber 10 Jahre lang betrieben. In Russland gibt es viele Titanproduktionsstätten.
Einsatzbereiche
Der Einfluss des Reinigungsgrades auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften zwingt uns, es unter diesem Gesichtspunkt zu betrachten. Technisches, also nicht das reinste Metall, hat eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Leichtigkeit und Festigkeit, die seine Verwendung bestimmen:
- chemische Industrie– Wärmetauscher, Rohre, Gehäuse, Pumpenteile, Armaturen und so weiter. Das Material ist unverzichtbar in Bereichen, in denen Säurebeständigkeit und Festigkeit erforderlich sind;
- Transportindustrie- Der Stoff wird zur Herstellung von Fahrzeugen, von Zügen bis hin zu Fahrrädern, verwendet. Im ersten Fall bietet das Metall eine geringere Masse an Verbindungen, was die Traktion effizienter macht, im letzteren gibt es Leichtigkeit und Festigkeit, nicht umsonst gilt ein Fahrradrahmen aus Titan als der beste;
- Marineangelegenheiten- Titan wird zur Herstellung von Wärmetauschern, Auspuffschalldämpfern für U-Boote, Ventilen, Propellern usw. verwendet;
- in Konstruktion weit verbreitet - Titan - ein hervorragendes Material für die Veredelung von Fassaden und Dächern. Neben der Festigkeit bietet die Legierung einen weiteren Vorteil, der für die Architektur wichtig ist – die Fähigkeit, Produkten die bizarrste Konfiguration zu geben, die Fähigkeit, die Legierung zu formen, ist unbegrenzt.
Das reine Metall ist auch bei hohen Temperaturen sehr widerstandsfähig und behält seine Festigkeit. Die Anwendung liegt auf der Hand:
- Raketen- und Flugzeugindustrie - daraus werden Ummantelungen hergestellt. Motorteile, Verbindungselemente, Fahrwerksteile und so weiter;
- Medizin - biologische Trägheit und Leichtigkeit machen Titan zu einem viel versprechenderen Material für die Prothetik bis hin zu Herzklappen;
- kryogene Technologie - Titan ist eine der wenigen Substanzen, die bei sinkender Temperatur nur fester wird und nicht an Plastizität verliert.
Titan ist ein Strukturmaterial von höchster Festigkeit mit einer solchen Leichtigkeit und Duktilität. Diese einzigartigen Qualitäten verschaffen ihm eine immer wichtigere Rolle in der Volkswirtschaft.
Das folgende Video zeigt Ihnen, wo Sie Titan für ein Messer bekommen: