Charakterystyka i właściwości
Tytan jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu Ti i liczbie atomowej 22. Jest to lśniący metal o srebrnym kolorze, niskiej gęstości i wysokiej wytrzymałości. Jest odporny na korozję w wodzie morskiej i chlorze.
Pierwiastek znajduje się w szeregu złóż mineralnych, głównie rutylu i ilmenitu, które są szeroko rozpowszechnione w skorupie i litosferze.
Tytan jest używany do wytwarzania trwałych lekkich stopów. Dwie najbardziej przydatne właściwości metalu to odporność na korozję i stosunek twardości do gęstości, najwyższy z każdego elementu metalowego. W stanie czystym metal ten jest tak silny jak niektóre stale, ale mniej gęsty.
Właściwości fizyczne metalu
Jest to mocny metal o niskiej gęstości, raczej ciągliwy (zwłaszcza w środowisku beztlenowym), błyszczący i metaloidalno-biały. Stosunkowo wysoka temperatura topnienia powyżej 1650 ° C (lub 3000 ° F) czyni go użytecznym jako metal ogniotrwały. Jest paramagnetyczny i ma raczej niską przewodność elektryczną i cieplną.
W skali Mohsa twardość tytanu wynosi 6. Według tego wskaźnika jest on nieco gorszy od stali hartowanej i wolframu.
Tytany o czystości handlowej (99, 2%) mają wytrzymałość na rozciąganie około 434 MPa, co odpowiada zwykłym stopom stali niskiej jakości, ale jednocześnie tytan jest znacznie lżejszy.
Właściwości chemiczne tytanu
Podobnie jak aluminium i magnez, tytan i jego stopy natychmiast utleniają się pod wpływem powietrza. Reaguje powoli z wodą i powietrzem w temperaturze otoczenia, ponieważ tworzy pasywną powłokę tlenkową, która chroni metal w masie przed dalszym utlenianiem.
Pasywacja atmosferyczna daje tytanowi doskonałą odporność na korozję, prawie równą platynie. Tytan jest w stanie wytrzymać atak rozcieńczonych kwasów siarkowych i chlorowodorowych, roztworów chlorków i większości kwasów organicznych.
Tytan jest jednym z niewielu elementów, które spala się w czystym azocie, reagując w 800 ° C (1470 ° F), tworząc azotek tytanu. Z powodu ich wysokiej reaktywności z tlenem, azotem i niektórymi innymi gazami, włókna tytanowe są używane w tytanowych pompach sublimacyjnych jako zmiatacze tych gazów. Takie pompy są niedrogie i niezawodnie wytwarzają bardzo niskie ciśnienie w ultrawysokich systemach próżniowych.
Typowymi minerałami zawierającymi tytan są anataz, brookit, ilmenit, perowskit, rutyl i tytanit (sfer). Z tych minerałów tylko rutyl i ilmenit mają znaczenie gospodarcze, ale nawet trudno je znaleźć w wysokich stężeniach.
Tytan występuje w meteorytach i został odkryty na gwiazdach typu Sun i M o temperaturze powierzchni 3200 ° C (5790 ° F).
Obecnie znane sposoby ekstrakcji tytanu z różnych rud są czasochłonne i kosztowne.
Produkcja i produkcja
Obecnie opracowano i zastosowano około 50 gatunków tytanu i stopów tytanu. Obecnie rozpoznaje się 31 gatunków metali i stopów tytanu, z których klasy 1-4 są czyste komercyjnie (niedomieszkowane). Charakteryzują się wytrzymałością na rozciąganie w zależności od zawartości tlenu, a klasa 1 jest najbardziej plastyczna (najniższa wytrzymałość na rozciąganie przy zawartości tlenu 0, 18%), a klasa 4 jest najmniej plastyczna (maksymalna wytrzymałość na rozciąganie przy zawartości tlenu 0, 40% ).
Pozostałe klasy to stopy, z których każdy ma określone właściwości:
- plastyczność;
- siła;
- twardość
- opór elektryczny;
- specyficzna odporność na korozję i ich kombinacje.
Oprócz tych specyfikacji, stopy tytanu są również produkowane w celu spełnienia wymagań sprzętu lotniczego i wojskowego (SAE-AMS, MIL-T), norm ISO oraz specyfikacji specyficznych dla kraju, a także wymagań użytkowników końcowych w zastosowaniach lotniczych, wojskowych, medycznych i przemysłowych.
Łatwy w obróbce, płaski produkt (arkusz, płyta) może być łatwo formowany, ale obróbka musi uwzględniać fakt, że metal ma „pamięć” i tendencję do powrotu. Dotyczy to zwłaszcza niektórych stopów o wysokiej wytrzymałości.
Tytan jest często używany do wytwarzania stopów:
- z aluminium;
- z wanadem;
- z miedzią (do utwardzania);
- z żelazem;
- z manganem;
- z molibdenem i innymi metalami.
Obszary zastosowań
Stopy tytanu w postaci arkuszy, płyt, prętów, drutów, odlewów są stosowane w przemyśle, lotnictwie, rekreacji i na rynkach wschodzących. Sproszkowany tytan jest stosowany w pirotechnice jako źródło jasnych palących się cząstek.
Ponieważ stopy tytanu mają wysoki stosunek wytrzymałości na rozciąganie do gęstości, wysoką odporność na korozję, odporność na zmęczenie, wysoką odporność na pękanie i zdolność do wytrzymywania umiarkowanie wysokich temperatur, są stosowane w samolotach, przy rezerwacji, na statkach, statkach kosmicznych i rakietach.
W tych zastosowaniach tytan jest stapiany z aluminium, cyrkonem, niklem, wanadem i innymi elementami w celu wytworzenia różnych elementów, w tym krytycznych elementów konstrukcyjnych, ścian przeciwpożarowych, podwozia, rur wydechowych (helikopterów) i systemów hydraulicznych. W rzeczywistości około dwie trzecie wyprodukowanego metalu tytanowego jest wykorzystywane w silnikach lotniczych i ramach.
Ponieważ stopy tytanu są odporne na korozję powodowaną przez wodę morską, są one wykorzystywane do produkcji wałów śrubowych, do wyposażania wymienników ciepła itp. Stopy te są używane w obudowach i elementach urządzeń do obserwacji i monitorowania oceanów dla nauki i wojska.
Specjalne stopy są stosowane w odwiertach i szybach naftowych oraz w hydrometalurgii niklu ze względu na ich wysoką wytrzymałość. Przemysł celulozowo-papierniczy wykorzystuje tytan w urządzeniach procesowych narażonych na agresywne media, takie jak podchloryn sodu lub mokry gazowy chlor (w wybielaniu). Inne zastosowania obejmują zgrzewanie ultradźwiękowe, lutowanie falowe.
Ponadto stopy te są stosowane w samochodach, zwłaszcza w wyścigach samochodowych i motocyklowych, gdzie niezwykle ważna jest niska waga, wysoka wytrzymałość i sztywność.
Tytan jest używany w wielu produktach sportowych: rakietach tenisowych, kijach golfowych, murach obronnych lacrosse; kaski do krykieta, hokeja, lacrosse i piłki nożnej, a także ramy i elementy rowerowe.
Ze względu na swoją trwałość tytan stał się bardziej popularny wśród biżuterii designerskiej (w szczególności pierścieni tytanowych). Jego bezwładność sprawia, że jest to dobry wybór dla osób cierpiących na alergie lub tych, którzy będą nosić biżuterię w środowiskach takich jak baseny. Tytan jest również stopiony ze złotem, aby wytworzyć stop, który może być sprzedawany jako 24-karatowe złoto, ponieważ 1% domieszkowanego Ti nie wystarcza, aby wymagać niższego gatunku. Powstały stop ma w przybliżeniu twardość 14-karatowego złota i jest trwalszy niż czyste 24-karatowe złoto.
Środki ostrożności
Tytan jest nietoksyczny nawet w dużych dawkach . W postaci proszku lub w postaci wiórów metalowych stanowi poważne zagrożenie pożarowe, a po podgrzaniu w powietrzu istnieje niebezpieczeństwo wybuchu.
Właściwości i zastosowanie stopów tytanu
Poniżej znajduje się przegląd najczęstszych stopów tytanu, które są podzielone na klasy, ich właściwości, zalety i zastosowania przemysłowe.
Klasa 7
Klasa 7 jest mechanicznie i fizycznie równoważna klasie 2 czystego tytanu, z wyjątkiem dodatku elementu pośredniego palladu, który czyni go stopem. Ma doskonałą spawalność i elastyczność, najbardziej odporną na korozję ze wszystkich stopów tego typu.
Klasa 7 jest stosowana w procesach chemicznych i elementach wyposażenia produkcyjnego.
Klasa 11
Klasa 11 jest bardzo podobna do klasy 1, z wyjątkiem dodatku palladu w celu zwiększenia odporności na korozję, co czyni go stopem.
Inne użyteczne właściwości obejmują optymalną ciągliwość, wytrzymałość, wiązkość i doskonałą spawalność. Ten stop może być stosowany zwłaszcza w przypadkach, w których korozja powoduje problemy:
- obróbka chemiczna;
- produkcja chloranu;
- odsalanie;
- aplikacje morskie.
Ti 6Al-4V, klasa 5
Najczęściej stosowany jest stop Ti 6Al-4V lub tytan 5 stopnia. Odpowiada za 50% całkowitego zużycia tytanu na całym świecie.
Łatwość użytkowania polega na wielu zaletach. Ti 6Al-4V można poddać obróbce cieplnej w celu zwiększenia jego wytrzymałości. Stop ten ma wysoką wytrzymałość i niską masę.
Jest to najlepszy stop do stosowania w wielu gałęziach przemysłu, takich jak przemysł lotniczy, medyczny, morski i chemiczny. Może służyć do tworzenia:
- turbiny lotnicze;
- elementy silnika;
- elementy konstrukcyjne samolotu;
- elementy złączne dla przemysłu lotniczego;
- wysokiej jakości części automatyczne;
- sprzęt sportowy.
Ti 6AL-4V ELI, klasa 23
Klasa 23 - tytan chirurgiczny. Stop Ti 6AL-4V ELI, lub klasa 23, jest wersją Ti 6Al-4V o wyższej czystości. Może być wykonany z cewek, włókien, drutów lub płaskich drutów. Jest to najlepszy wybór w każdej sytuacji, gdy wymagane jest połączenie wysokiej wytrzymałości, niskiej masy, dobrej odporności na korozję i wysokiej lepkości. Ma doskonałą odporność na uszkodzenia.
Może być stosowany w zastosowaniach biomedycznych, takich jak elementy wszczepialne, ze względu na jego biokompatybilność, dobrą wytrzymałość zmęczeniową. Może być również stosowany w procedurach chirurgicznych do produkcji takich struktur:
- szpilki i śruby ortopedyczne;
- zaciski do ligatur;
- Szelki chirurgiczne;
- sprężyny;
- aparaty ortodontyczne;
- naczynia kriogeniczne;
- urządzenia do utrwalania kości.
Klasa 12
Titanium klasa 12 ma doskonałą spawalność o wysokiej jakości. Jest to stop o wysokiej wytrzymałości, który zapewnia dobrą wytrzymałość w wysokich temperaturach. Tytan klasy 12 ma właściwości podobne do stali nierdzewnych serii 300.
Jego zdolność do formowania na różne sposoby czyni go użytecznym w wielu zastosowaniach. Wysoka odporność na korozję tego stopu sprawia, że jest on również nieoceniony dla urządzeń produkcyjnych. Klasa 12 może być stosowana w następujących branżach:
- wymienniki ciepła;
- zastosowania hydrometalurgiczne;
- wysokotemperaturowa produkcja chemiczna;
- elementy morskie i powietrzne.
Ti 5Al-2, 5Sn
Ti 5Al-2, 5Sn to stop, który może zapewnić dobrą spawalność i odporność. Ma również wysoką stabilność temperaturową i wysoką wytrzymałość.
Ti 5Al-2, 5Sn jest stosowany głównie w przemyśle lotniczym, a także w zakładach kriogenicznych.