Dove viene utilizzato il titanio? caratteristiche generali

Titano divenne noto all'uomo solo circa 200 anni fa. La storia della sua scoperta è associata ai nomi del chimico tedesco Klaproth e del ricercatore dilettante inglese McGregor. Nel 1825 I. Berzelius fu il primo a isolare il titanio puro, ma fino al XX secolo questo metallo era considerato raro e quindi inadatto all'uso pratico.

Tuttavia, fino ai nostri giorni è stato stabilito che il titanio è al nono posto in termini di abbondanza tra gli altri elementi chimici e la sua frazione di massa nella crosta terrestre è dello 0,6%. Il titanio si trova in molti minerali, le cui riserve ammontano a centinaia di migliaia di tonnellate. Giacimenti significativi di minerali di titanio si trovano in Russia, Norvegia, Stati Uniti, nell'Africa meridionale e in Australia, Brasile e India ci sono giacimenti aperti di sabbie contenenti titanio convenienti per l'estrazione mineraria.

Il titanio è un metallo leggero e duttile di colore bianco-argento, punto di fusione 1660±20 C, punto di ebollizione 3260 C, densità di due modifiche e rispettivamente pari a α-Ti - 4,505 (20 C) e β-Ti - 4,32 (900 C) g/cm3. Il titanio ha un'elevata resistenza meccanica, che viene mantenuta anche a temperature elevate. Ha un'elevata viscosità, che durante la sua lavorazione richiede l'applicazione di rivestimenti speciali all'utensile da taglio.

A temperature normali, la superficie del titanio è ricoperta da una pellicola di ossido passivante, che rende il titanio resistente alla corrosione nella maggior parte degli ambienti (eccetto quelli alcalini). I trucioli di titanio rappresentano un pericolo di incendio e la polvere di titanio è esplosiva.

Il titanio non si dissolve in soluzioni diluite di molti acidi e alcali (ad eccezione degli acidi fluoridrico, fosforico e solforico concentrato), ma in presenza di agenti complessanti interagisce facilmente anche con acidi deboli.

Quando riscaldato all'aria ad una temperatura di 1200°C, il titanio si accende formando fasi di ossido di composizione variabile. L'idrossido di titanio precipita da soluzioni di sali di titanio, la cui calcinazione consente di ottenere il biossido di titanio.

Quando riscaldato, il titanio reagisce anche con gli alogeni. In particolare è così che si ottiene il tetracloruro di titanio. Come risultato della riduzione del tetracloruro di titanio con alluminio, silicio, idrogeno e alcuni altri agenti riducenti, si ottengono tricloruro di titanio e dicloruro di titanio. Il titanio reagisce con bromo e iodio.

A temperature superiori a 400°C, il titanio reagisce con l'azoto per formare nitruro di titanio. Il titanio reagisce anche con il carbonio per formare carburo di titanio. Quando riscaldato, il titanio assorbe idrogeno, formando idruro di titanio, che si decompone quando riscaldato nuovamente, rilasciando idrogeno.

Molto spesso, come materiale di partenza per la produzione del titanio, viene utilizzato il biossido di titanio con una piccola quantità di impurità. Può trattarsi di scorie di titanio, ottenute dalla lavorazione di concentrati di ilmenite, o di concentrato di rutilo, ottenuto dall'arricchimento di minerali di titanio.

Il concentrato di minerale di titanio è sottoposto a lavorazione pirometallurgica o con acido solforico. Il prodotto del trattamento con acido solforico è la polvere di biossido di titanio. Quando si utilizza il metodo pirometallurgico, il minerale viene sinterizzato con coke e trattato con cloro per produrre vapore di tetracloruro di titanio, che viene poi ridotto con magnesio a 850°C.

La “spugna” di titanio risultante viene fusa e la massa fusa viene ripulita dalle impurità. Per la raffinazione del titanio viene utilizzato il metodo dello ioduro o l'elettrolisi. I lingotti di titanio sono prodotti mediante lavorazione ad arco, plasma o fascio di elettroni.

La maggior parte della produzione di titanio è destinata all’industria aeronautica, missilistica e navale. Il titanio viene utilizzato come additivo legante per acciai di alta qualità e come agente disossidante.

Con esso vengono realizzate varie parti di dispositivi elettrici per vuoto, compressori e pompe per il pompaggio di sostanze aggressive, reattori chimici, impianti di desalinizzazione e molte altre apparecchiature e strutture. Grazie alla sua sicurezza biologica, il titanio è un materiale eccellente per l'uso nell'industria alimentare e medica.

Metallo ad alta resistenza con molte proprietà uniche. Inizialmente veniva utilizzato nell'industria della difesa e militare. Lo sviluppo di vari rami della scienza ha portato ad un utilizzo più ampio del titanio.

Titano nella produzione aeronautica

Oltre alla sua elevata resistenza, il titanio è anche leggero. Questo metallo è ampiamente utilizzato nella costruzione di aeromobili. Il titanio e le sue leghe, per le loro proprietà fisiche e meccaniche, sono materiali strutturali insostituibili.

Curiosità: fino agli anni '60 il titanio veniva utilizzato principalmente per realizzare turbine a gas per motori aeronautici. Successivamente, il metallo iniziò ad essere utilizzato nella produzione di parti per console di aerei.

Oggi, il titanio viene utilizzato per realizzare rivestimenti di aerei, elementi di potenza, parti di motori e altro ancora.

Il titanio nella missilistica e nella tecnologia spaziale

Nello spazio, qualsiasi oggetto è soggetto sia a temperature molto basse che alte. Inoltre, ci sono anche radiazioni e particelle che si muovono ad alta velocità.

I materiali che possono resistere a tutte le condizioni difficili includono acciaio, platino, tungsteno e titanio. Secondo una serie di indicatori, la preferenza è data a quest'ultimo metallo.

Titanio nella costruzione navale

Nella costruzione navale, il titanio e le sue leghe vengono utilizzati per il rivestimento delle navi, nonché nella produzione di parti di tubazioni e pompe.

La bassa densità del titanio consente di aumentare la manovrabilità delle navi e allo stesso tempo ridurne il peso. L'elevata resistenza alla corrosione e all'erosione del metallo contribuisce ad aumentare la durata (le parti non arrugginiscono e non sono soggette a danni).

Anche gli strumenti di navigazione sono realizzati in titanio, poiché anche questo metallo ha deboli proprietà magnetiche.

Titanio nell'ingegneria meccanica

Le leghe di titanio vengono utilizzate nella produzione di tubi per apparecchiature di scambio termico, condensatori a turbina e superfici interne di camini.

Grazie alle sue proprietà ad alta resistenza, il titanio consente di prolungare la vita delle apparecchiature e risparmiare sui lavori di riparazione.

Titanio nell'industria del petrolio e del gas

I tubi realizzati in leghe di titanio contribuiranno a raggiungere profondità di perforazione fino a 15-20 km. Sono altamente durevoli e non sono soggetti a deformazioni così gravi come gli altri metalli.

Oggi, i prodotti in titanio vengono utilizzati con successo nello sviluppo di giacimenti di petrolio e gas nelle profondità marine. Curve, tubi, flange, adattatori, ecc. sono realizzati in metallo ad alta resistenza. Inoltre, la resistenza alla corrosione del titanio all'acqua di mare gioca un ruolo enorme nel funzionamento di alta qualità.

Titanio nell'industria automobilistica

La riduzione del peso dei componenti nell'industria automobilistica aiuta a ridurre il consumo di carburante e quindi a ridurre il volume dei gas di scarico. Ed ecco che il titanio e le sue leghe vengono in soccorso. Per le auto (soprattutto quelle da corsa), molle, valvole, bulloni, alberi di trasmissione e sistemi di scarico sono realizzati in titanio.

Titanio nella costruzione

Grazie alla sua capacità di resistere ai fattori ambientali negativi più conosciuti, il titanio ha trovato applicazione anche nell’edilizia. Viene utilizzato per rivestimenti esterni di edifici, rivestimenti di colonne, come materiali di copertura, cornicioni, intradossi, dispositivi di fissaggio, ecc.

Titanio in medicina

E in medicina, un'enorme nicchia è stata occupata dai prodotti in titanio e sue leghe. Questo metallo resistente, leggero, ipoallergenico e durevole viene utilizzato per produrre strumenti chirurgici, protesi, impianti dentali e fissatori intraossei.

Titano nello sport

Grazie alla stessa resistenza e leggerezza, il titanio è apprezzato anche nella produzione di attrezzature sportive. Questo metallo viene utilizzato per produrre parti per biciclette, mazze da golf, piccozze, utensili per il turismo e l'alpinismo, lame per pattini, coltelli per immersioni subacquee, pistole (tiro sportivo e forze dell'ordine).

Titanio nei beni di consumo

Il titanio viene utilizzato per realizzare penne stilografiche e a sfera, gioielli, orologi, stoviglie e utensili da giardino, custodie per telefoni cellulari, computer e televisori.

Interessante: le campane sono realizzate in titanio. Hanno un suono bellissimo e insolito.

Altri usi del titanio

Tra le altre cose, il biossido di titanio ha trovato un uso diffuso. Viene utilizzato come pigmento bianco per la produzione di pitture e vernici. Questa polvere bianca ha un elevato potere coprente, vale a dire in grado di coprire qualsiasi colore su cui viene applicato.

Quando il biossido di titanio viene applicato sulla superficie della carta, acquisisce elevate proprietà di stampa e levigatezza.

È la designazione E171 sulle confezioni di gomme da masticare e caramelle che indica la presenza di biossido di titanio. Inoltre, questo composto viene utilizzato per colorare bastoncini di granchio, torte, medicinali, creme, gel, shampoo, carne macinata, tagliatelle e per schiarire farina e glassa.

Lastra di titanio - laminata e lastra di titanio VT1-0, VT20, OT4.

PROPRIETÀ E APPLICAZIONI DEL TITANIO

Titano (Ti) fu scoperto nel 1795 e prese il nome dall'eroe epico greco Titano. Fa parte di oltre 70 minerali ed è uno degli elementi più comuni: il suo contenuto nella crosta terrestre è di circa lo 0,6%. Il titanio esiste in due modifiche: fino a 882°C sotto forma di modificazione a con un reticolo cristallino esagonale densamente impaccato, e sopra 882°C la modificazione β con un reticolo cubico a corpo centrato è stabile. Di seguito le principali proprietà fisiche del titanio:

Il titanio combina una grande robustezza con una bassa densità ed un'elevata resistenza alla corrosione. Grazie a ciò, in molti casi presenta vantaggi significativi rispetto a materiali strutturali di base come l'acciaio e l'alluminio. Numerose leghe di titanio hanno il doppio della resistenza dell'acciaio con una densità significativamente inferiore e una migliore resistenza alla corrosione. Tuttavia, a causa della sua bassa conduttività termica, il suo utilizzo per strutture e parti che operano in condizioni di grandi differenze di temperatura e quando si opera in condizioni di fatica termica è difficile. Gli svantaggi del titanio come materiale strutturale includono anche il suo modulo di elasticità normale relativamente basso.

Il titanio ad elevata purezza ha buone proprietà plastiche. Sotto l'influenza delle impurità, la sua plasticità cambia drasticamente. L'ossigeno si dissolve bene nel titanio e riduce notevolmente le sue proprietà plastiche anche nell'intervallo di basse concentrazioni.

Le proprietà plastiche del titanio diminuiscono anche quando vi viene introdotto azoto. Quando il contenuto di azoto nel titanio è >0,2%, si verifica una frattura fragile. Allo stesso tempo, l'ossigeno e l'azoto aumentano la resistenza temporanea e la durata del titanio e a questo proposito sono impurità utili.

L'idrogeno è un'impurità dannosa nel titanio. Riduce drasticamente la tenacità del titanio anche a concentrazioni molto basse.

L'idrogeno non ha un effetto notevole sulle caratteristiche di resistenza del titanio in un ampio intervallo di concentrazioni.

Le proprietà meccaniche del titanio, in misura molto maggiore rispetto ad altri metalli, dipendono dalla velocità di applicazione del carico. Pertanto, i test meccanici sul titanio dovrebbero essere eseguiti in condizioni più strettamente regolamentate e fisse rispetto ai test su altri materiali strutturali.

La resistenza all'impatto del titanio aumenta significativamente dopo la ricottura nell'intervallo 200–300°C; non si osservano cambiamenti evidenti in altre proprietà. Il maggiore aumento della duttilità del titanio si ottiene dopo tempra a temperature superiori alla temperatura di trasformazione polimorfica e successivo rinvenimento.

Il titanio puro non è un materiale resistente al calore, poiché la sua resistenza diminuisce drasticamente con l'aumentare della temperatura.

Una caratteristica importante del titanio è la sua capacità di formare soluzioni solide con gas atmosferici e idrogeno. Quando il titanio viene riscaldato all'aria, sulla sua superficie, oltre alle normali incrostazioni, si forma uno strato costituito da una soluzione solida a base di α-Ti (strato di alfaite), stabilizzata dall'ossigeno, il cui spessore dipende dalla temperatura e dalla durata di riscaldamento. Questo strato ha una temperatura di trasformazione più elevata rispetto allo strato del metallo base e la sua formazione sulla superficie di parti o semilavorati può causare fratture fragili.

Il titanio e le leghe a base di titanio sono caratterizzate da un'elevata resistenza alla corrosione nell'aria, nell'acqua dolce naturale fredda e calda, nell'acqua di mare, nonché in soluzioni di alcali, sali inorganici, acidi organici e composti, anche se bolliti. Non si corrode in acqua di mare a contatto con acciaio inossidabile e leghe rame-nichel. L'elevata resistenza alla corrosione del titanio è spiegata dalla formazione di una pellicola densa e uniforme sulla sua superficie, che protegge il metallo da ulteriori interazioni con l'ambiente.

Come materiale strutturale, il titanio è ampiamente utilizzato nell'aviazione, nella missilistica, nella costruzione di navi marittime, nella costruzione di strumenti e nell'ingegneria meccanica. Il titanio e le sue leghe mantengono caratteristiche di elevata resistenza alle alte temperature e pertanto possono essere utilizzati con successo per la produzione di parti esposte al riscaldamento ad alta temperatura.

Attualmente, la quantità principale di titanio viene utilizzata per preparare il bianco di titanio. Il titanio è ampiamente utilizzato in metallurgia, anche come elemento di lega negli acciai inossidabili e resistenti al calore. Le aggiunte di titanio alle leghe di alluminio, nichel e rame ne aumentano la resistenza. È un componente delle leghe di metallo duro per utensili da taglio. Il biossido di titanio viene utilizzato per rivestire gli elettrodi di saldatura. Il tetracloruro di titanio viene utilizzato negli affari militari per creare cortine fumogene.

Nell'ingegneria elettrica e nell'ingegneria radio, il titanio in polvere viene utilizzato come assorbitore di gas: quando riscaldato a 500°C, il titanio assorbe energicamente i gas e quindi fornisce un alto vuoto in un volume chiuso.

Il titanio in alcuni casi è un materiale insostituibile nell'industria chimica e nella costruzione navale. Viene utilizzato per realizzare parti destinate al pompaggio di liquidi aggressivi, scambiatori di calore che operano in ambienti corrosivi e dispositivi di sospensione utilizzati per l'anodizzazione di varie parti. Il titanio è inerte negli elettroliti e in altri liquidi utilizzati nella galvanica ed è quindi adatto alla fabbricazione di varie parti di bagni galvanici. È ampiamente utilizzato nella produzione di apparecchiature idrometallurgiche per impianti di nichel-cobalto, poiché è altamente resistente alla corrosione e all'erosione a contatto con fanghi di nichel e cobalto ad alte temperature e pressioni.

Il titanio è il più resistente agli ambienti ossidanti. Negli ambienti riducenti il ​​titanio si corrode abbastanza rapidamente a causa della distruzione della pellicola protettiva di ossido.

Il titanio tecnico e le sue leghe sono suscettibili a tutti i metodi conosciuti di trattamento a pressione. Possono essere laminati a freddo e a caldo, stampati, ondulati, imbutiti e svasati. Il titanio e le sue leghe vengono utilizzati per produrre barre, tondini, nastri,

vari profili laminati, tubi senza saldatura, fili e lamine.

La resistenza alla deformazione del titanio è superiore a quella degli acciai strutturali o delle leghe di rame e alluminio. Il titanio e le sue leghe vengono lavorati mediante pressione più o meno allo stesso modo degli acciai inossidabili austenitici. Molto spesso, il titanio viene forgiato a 800–1000°C. Per proteggere il titanio dalla contaminazione dei gas, il riscaldamento e il trattamento a pressione vengono effettuati nel più breve tempo possibile. Poiché a temperature >500°C l'idrogeno si diffonde nel titanio e nelle sue leghe a velocità enormi, il riscaldamento avviene in un'atmosfera ossidante.

Il titanio e le sue leghe hanno una lavorabilità ridotta, simile agli acciai inossidabili austenitici. Per tutti i tipi di taglio, i risultati migliori si ottengono a basse velocità e grandi profondità di taglio, nonché quando si utilizzano utensili da taglio realizzati in acciai rapidi o leghe dure.

A causa dell'elevata attività chimica del titanio alle alte temperature, la saldatura viene effettuata in un'atmosfera di gas inerti (elio, argon). Allo stesso tempo, è necessario proteggere non solo il metallo saldato fuso, ma tutte le parti altamente riscaldate dei prodotti saldati dall'interazione con l'atmosfera e i gas.

Grandi difficoltà tecnologiche sorgono nella produzione di getti di titanio e sue leghe.

LEGHE DI TITANIO

Molte leghe di titanio con altri elementi sono materiali più promettenti del titanio tecnico.

I principali elementi di lega nelle leghe industriali di titanio sono vanadio, molibdeno, cromo, manganese, rame, alluminio e stagno. In pratica il titanio forma leghe con tutti i metalli, ad eccezione dei metalli alcalino terrosi, nonché con silicio, boro, idrogeno, azoto e ossigeno.

La presenza di trasformazioni polimorfiche del titanio, la buona solubilità di molti elementi nel titanio e la formazione di composti chimici a solubilità variabile nel titanio consentono di ottenere un'ampia gamma di leghe di titanio con varie proprietà.

A seconda della natura dell'influenza esercitata sulle trasformazioni polimorfiche del titanio, tutti gli elementi possono essere suddivisi in tre gruppi:

stabilizzare la fase α (alluminio);

aumentare la stabilità della fase β (cromo, manganese, ferro, rame, nichel, berillio, tungsteno, cobalto, vanadio, molibdeno, niobio, tantalio);

lega, avendo scarso effetto sulla stabilità delle fasi α e β (stagno, zirconio, germanio).

Le leghe di titanio, legate con elementi che aumentano la stabilità della fase α, solitamente non vengono rinforzate mediante trattamento termico. Le leghe legate con elementi che aumentano la stabilità della fase β vengono notevolmente rafforzate a seguito del trattamento termico.

Le leghe di titanio possono essere sottoposte a tutte le principali tipologie di trattamento termico: tempra, ricottura, invecchiamento, rinvenimento, trattamento chimico-termico. La ricottura è più spesso utilizzata.

Leghe di titanio con alluminio hanno una densità inferiore e una resistenza specifica più elevata rispetto al titanio puro o commercialmente puro. In termini di resistenza specifica, le leghe di titanio-alluminio sono superiori a molte leghe inossidabili e resistenti al calore nell'intervallo 400-500°C. Le leghe di titanio-alluminio hanno una maggiore resistenza al calore e una maggiore resistenza allo scorrimento viscoso rispetto a molte altre leghe di titanio.

L'alluminio aumenta il normale modulo elastico del titanio.

Le leghe di titanio e alluminio non si corrodono e si ossidano leggermente alle alte temperature. Ciò consente alle leghe di essere lavorate a caldo a temperature più elevate rispetto al titanio non legato. Hanno una buona saldabilità e, anche con un contenuto significativo di alluminio, il materiale della zona saldata e alterata dal calore non diventa fragile. L'aggiunta di alluminio riduce la duttilità del titanio. Questo effetto è più intenso quando il contenuto di alluminio è superiore al 7,5%.

L'aggiunta di stagno alle leghe di titanio e alluminio aumenta le caratteristiche di resistenza della lega. Con una concentrazione di stagno fino al 5% in tali leghe non si osserva alcuna diminuzione evidente delle proprietà plastiche. Inoltre, l’aggiunta di stagno alle leghe titanio-alluminio ne aumenta la resistenza all’ossidazione e al creep. Le leghe contenenti 4-5% Al e 2-3% Sn mantengono una notevole resistenza meccanica fino a 500°C.

Lo zirconio non ha molto effetto sulle proprietà meccaniche delle leghe di titanio-alluminio, ma la sua presenza aiuta ad aumentare la resistenza allo scorrimento viscoso e ad aumentare la resistenza a lungo termine. Lo zirconio è un componente prezioso delle leghe di titanio.

La base per la produzione di leghe di titanio ad alta resistenza al calore è una lega contenente -36% Al. L'aggiunta di altri elementi di lega a questa lega produce materiali resistenti al calore con elevata resistenza a 1000°C e oltre e buone proprietà tecnologiche.

Lega VT5 laminato, stampato e forgiato a caldo, saldato mediante arco di argon e saldatura a resistenza, lavorabile in modo soddisfacente e ha una buona resistenza alla corrosione in acido nitrico concentrato e acqua di mare. Con questa lega sono realizzate parti funzionanti a temperature fino a 400°C. Ha basse proprietà antifrizione e non è adatto per la produzione di parti sfreganti. La lega VT5 viene fornita sotto forma di lastre, barre, pacchi, tubi e fili.

Leghe tipo VT5-1 sono destinati alla produzione di parti che funzionano a temperature fino a 500°C sotto carichi a lungo termine e fino a 900°C sotto carichi a breve termine. Sono abbastanza duttili durante il trattamento a pressione a caldo e possono essere prodotti sotto forma di fogli, nastri, piastre, pezzi fucinati, stampati, profili estrusi, tubi e fili, sono ben saldati e hanno un'elevata resistenza alla corrosione nell'atmosfera e in soluzioni di cloruro di sodio sotto carichi ciclici.

Lega VT4 Progettata principalmente per la produzione di lastre, nastri e strisce. Per pezzi di forma semplice è consentito lo stampaggio a freddo. Quando si stampano parti di forme più complesse, è necessario il riscaldamento a 500°C. La lega ha una lavorabilità soddisfacente ed è saldata mediante saldatura ad arco di argon. In termini di resistenza alla corrosione, la lega VT4 è vicina alle leghe VT5. La lega VT4 viene utilizzata per realizzare parti funzionanti a temperature fino a 350°C.

Lega OT4 le sue proprietà e campi di applicazione sono simili alla lega VT4.

Lega VT 10 ha un'elevata resistenza al creep e un'elevata stabilità termica. Può essere saldato in modo soddisfacente con tutti i tipi di saldatura ed è destinato alla realizzazione di pezzi funzionanti

a temperature fino a 500°C. I pezzi fucinati, le barre per stampaggio e i nastri sono preparati in lega VT10.

Le leghe VT5, VT5-1, VT4, OT4 e VT10 a temperatura ambiente mantengono il reticolo cristallino inerente alla modificazione dell'α-titanio. Nella maggior parte dei casi queste leghe vengono utilizzate allo stato ricotto. La loro temperatura di ricottura è superiore alla temperatura di ricottura del titanio tecnico. Anche il titanio tecnico (VT1-00, VT1-0, VT1-1, VT1-2) può essere considerato una lega con struttura α.

Leghe di titanio con fase β termodinamicamente stabile può essere ottenuto solo ad elevate concentrazioni di elementi di lega (vanadio, molibdeno, niobio, tantalio, ecc.). Tuttavia, questo perde uno dei principali vantaggi delle leghe di titanio: la densità relativamente bassa. Questo è il motivo principale per cui le leghe di titanio β-stabili non sono ampiamente utilizzate.

Le leghe di titanio con una struttura rappresentata da una singola fase β possono essere ottenute meccanicamente mediante tempra di leghe di titanio contenenti una concentrazione sufficientemente elevata di elementi di transizione. Tali leghe includono la lega VT 15, contenente 3-4% Al, 7-8% Mo e 10-15% Cr. Dopo la tempra a 760–780°C e l'invecchiamento a 450–480°C, la lega ha una resistenza alla trazione di 130–150 kg/mm2, ciò equivale all'acciaio con una resistenza alla trazione di 255 kg/mm2. Tuttavia, questa resistenza non viene mantenuta durante il riscaldamento, il che rappresenta il principale svantaggio di queste leghe. La lega viene fornita sotto forma di lamiere, barre e pezzi fucinati.

La migliore combinazione di proprietà si ottiene nelle leghe costituite da una miscela di fasi α e β. Un componente indispensabile in quasi tutte queste leghe è l'alluminio. Il contenuto di alluminio nelle leghe non solo espande l'intervallo di temperature al quale viene mantenuta la stabilità della fase α, ma aumenta anche la stabilità termica della fase β. Inoltre, l'alluminio riduce la densità della lega e quindi compensa l'aumento di densità associato all'introduzione di elementi leganti pesanti.

Lamiere, barre, forgiati e stampati sono realizzati in lega VT6. Hanno una buona resistenza e duttilità. La temperatura di riscaldamento della lega durante il trattamento a pressione solitamente non supera i 1000°C. I pezzi realizzati in lega VT6 possono essere uniti mediante saldatura a punti, di testa e ad arco di argon in atmosfera protettiva. Per ripristinare la plasticità del metallo dopo la saldatura è necessaria la ricottura a 700–800°C. Le leghe di questo tipo vengono lavorate in modo soddisfacente mediante taglio e presentano un'elevata resistenza alla corrosione in atmosfera umida e in acqua di mare. La resistenza delle leghe aumenta dopo l'indurimento seguito dall'invecchiamento a 450-550°C. Le leghe hanno una buona stabilità termica.

Tra le leghe del gruppo VT6 rientra anche la lega BT5. Questa lega, oltre all'alluminio e al molibdeno, è legata con una piccola quantità di silicio. La lega a caldo si presta bene alla laminazione, allo stampaggio e alla forgiatura. La forgiatura viene effettuata a 900–1000°C. La lega ha anche un'elevata resistenza alla corrosione, stabilità termica e resistenza al creep. Può essere tagliato in modo soddisfacente e può essere saldato a punti, a rullo e di testa. La lega viene utilizzata principalmente allo stato trattato termicamente.

Un gruppo separato di leghe è costituito dalle leghe VT3 e VT3-1. Queste leghe hanno una maggiore stabilità termochimica rispetto alle leghe di tipo VT6. La lega VT3-1, contenente, oltre ad alluminio e cromo, molibdeno, ha una maggiore stabilità termica e una minore tendenza a diventare fragile se riscaldata rispetto alla lega VT3 e ha una struttura a grana più fine.

Le leghe di titanio, costituite da una miscela di fasi α e β, vengono utilizzate allo stato ricotto o stabilizzato.

Per la lega VT3 si consiglia di effettuare ricottura a 750 ± 10 °C e raffreddamento in aria; per la lega VT3-1 omogeneizzazione a 870 ± 10 °C, raffreddamento con forno a 650 °C, mantenimento a temperatura stessa temperatura per circa 1 ora e successivo raffreddamento; per la lega VT6 - ricottura a 80 ± 10°C e raffreddamento in aria; per la lega VT8: omogeneizzazione a 800±10°C per 1 ora, raffreddamento in aria a 590±10°C, mantenimento per 1 ora, raffreddamento in aria. L'effetto dell'indurimento termico delle leghe VTZ, VTZ-1, VT6 e VT8 è relativamente piccolo.

Per la lega VT 14, il trattamento termico di indurimento prevede lo spegnimento in acqua a 860–880°C seguito da un invecchiamento a 480–500°C. La ricottura di questa lega, che garantisce elevata duttilità e soddisfacente resistenza, viene effettuata mediante riscaldamento a 750-850°C seguito da raffreddamento in aria. La lega VT 14 è sensibile al surriscaldamento durante la formatura a caldo e il trattamento termico. Se riscaldato oltre i 920-930°C, le sue proprietà meccaniche si deteriorano drasticamente. A questo proposito è consigliabile effettuare la deformazione a caldo della lega VT 14 a temperature non superiori a 930°C.

Attualmente sono state sviluppate leghe di titanio che, allo stato indurito, presentano un'elevata duttilità, necessaria per la fabbricazione di parti complesse, e vengono notevolmente rinforzate durante il successivo invecchiamento o rinvenimento.

Quasi tutte le leghe di titanio lavorato possono essere utilizzate come materiali di fusione. Molto spesso, per la produzione di parti mediante fusione, vengono utilizzati la lega VT6 e il titanio tecnico (VT1-1). Il metallo per la fusione sagomata viene fuso in forni ad arco sotto vuoto con un crogiolo di grafite ricoperto da un teschio. La colata del metallo e il raffreddamento degli stampi vengono effettuati in atmosfera di gas inerti o sotto vuoto. Gli stampi sono realizzati in grafite, materiali ceramici o metalli che non interagiscono con il titanio e le leghe di fusione del titanio.

Il carburo di titanio TiC e le leghe a base di carburo di titanio sono ampiamente utilizzati. Il carburo di titanio ha una grande durezza e un punto di fusione molto elevato, che determina le principali aree di applicazione. Il carburo di titanio è stato a lungo utilizzato come componente di leghe dure per utensili da taglio e matrici. L'uso di utensili da taglio contenenti carburo di titanio è particolarmente efficace per i materiali viscosi. Le tipiche leghe dure contenenti titanio per utensili da taglio sono le leghe T5KYu, T5K7, T14K8, T15K6, T30K4 (il primo numero corrisponde al contenuto di carburo di titanio e il secondo al contenuto di cobalto metallico cementante in %. Viene utilizzato anche il carburo di titanio come materiale abrasivo, sia in polvere che in forma cementata.

Punto di fusione del carburo di titanio >3000°C. Ha un'elevata conduttività elettrica e, a basse temperature, superconduttività. Lo scorrimento viscoso del titanio è trascurabile fino ad una temperatura di 1800°C. A temperatura ambiente è fragile. Il carburo di titanio è resistente agli acidi freddi e caldi - cloridrico, solforico, fosforico, ossalico, al freddo - all'acido perclorico, nonché alle miscele di alcuni acidi.

Molti metodi per produrre carburo di titanio puro implicano la separazione chimica del carburo da una ferrolega carburata. Tuttavia, il metodo di carburazione del titanio metallico in polvere o del biossido di titanio al di sotto del punto di fusione dei componenti è di massima importanza pratica. Un esempio di tale metodo è la calcinazione del biossido di titanio con fuliggine in cartucce di carbone. Una quantità significativa di carburo di titanio viene ottenuta come prodotto intermedio nella produzione del tetracloruro di titanio.

Si sono diffusi materiali resistenti al calore a base di carburo di titanio legato con molibdeno, tantalio, niobio, nichel, cobalto e altri elementi. La lega del carburo di titanio con i metalli consente di ottenere materiali che combinano elevata resistenza, resistenza allo scorrimento e all'ossidazione alle alte temperature del carburo di titanio con duttilità e resistenza allo shock termico dei metalli. Lo stesso principio viene utilizzato per produrre materiali resistenti al calore a base di altri carburi, nonché boruri e siliciuri, che sono collettivamente chiamati materiali ceramici-metallici.

Le leghe a base di carburo di titanio mantengono una resistenza al calore piuttosto elevata fino a 1000–1100°C. Queste leghe hanno un'elevata resistenza all'usura e alla corrosione. La resistenza agli urti delle leghe a base di carburo di titanio è bassa e questo è il principale ostacolo alla loro diffusione.

Come materiali refrattari vengono utilizzati il ​​carburo di titanio e le leghe di carburo di titanio con carburi di altri metalli. I crogioli in carburo di titanio e una lega di carburo di titanio con carburo di cromo non vengono bagnati e praticamente non interagiscono a lungo con stagno fuso, bismuto, piombo, cadmio e zinco. Il carburo di titanio non viene bagnato dal rame fuso a 1100-1300°C e dall'argento a 980°C sotto vuoto, dall'alluminio a 700°C in atmosfera di argon. Le leghe a base di carburo di titanio con carburo di tungsteno o carburo di tantalio con l'aggiunta fino al 15% di Co a 900-1000°C per lungo tempo sono quasi resistenti all'azione del sodio fuso e del bismuto.

Per preparare le leghe di carburo di titanio, i componenti vengono macinati insieme fino ad un grado di finezza molto elevato e quindi le miscele vengono pressate utilizzando un plastificante nelle forme desiderate. I grezzi così ottenuti vengono sinterizzati ad alte temperature. Le composizioni a base di carburo non hanno praticamente alcuna malleabilità. I compatti leggermente sinterizzati possono essere lavorati su un tornio con utensili diamantati e le parti complesse possono essere lavorate con mole abrasive. Dopo la sinterizzazione finale, il materiale viene lavorato esclusivamente mediante molatura. Utilizzando il metodo di estrusione da una massa a base di carburo di titanio, è possibile produrre tubi, barre, lastre e prodotti di sezioni trasversali complesse. Un prodotto più denso può essere ottenuto mediante pressatura a caldo. Il materiale di base principale per la produzione di titanio compatto e semilavorati di titanio è la spugna di titanio (spugna di titanio), ottenuta con vari metodi da materie prime di titanio.

Proprietà del titanio

Nella tavola periodica degli elementi di Mendeleev, il titanio ha il numero di serie 22. Il suo atomo neutro è costituito da un nucleo la cui carica è di 22 unità. elettricità positiva e ci sono 22 elettroni fuori dal nucleo.

Quindi, il nucleo di un atomo di titanio neutro contiene 22 protoni. Il numero di neutroni, cioè di particelle neutre prive di carica, è diverso: solitamente 26, ma può variare da 24 a 28. Pertanto, il numero di isotopi del titanio è diverso. Esistono solo cinque isotopi naturali stabili del titanio: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. Questo fu stabilito nel 1936 dal fisico tedesco F.W. Aston. Prima della sua ricerca, si credeva che il titanio non avesse alcun isotopo. Gli isotopi naturali stabili del titanio sono distribuiti come segue (in rel.%): 46 Ti - 7,99; 47 Ti - 7,32; 48 Ti - 73,97; 49 Ti - 5,46; 50 Ti - 5.25.

Oltre a quelli naturali, il titanio può avere anche una serie di isotopi artificiali ottenuti attraverso la sua irradiazione radioattiva. Pertanto, se il titanio viene bombardato con neutroni o particelle α, è possibile ottenere un isotopo radioattivo del titanio 52 Ti con un tempo di dimezzamento di 41,9 minuti, che produce radiazioni β e γ. Sono stati ottenuti artificialmente anche altri isotopi del titanio (42 Ti, 43 Ti, 44 Ti, 45 Ti, 51 Ti, 52 Ti, 53 Ti, 54 Ti), alcuni di essi sono altamente radioattivi, con emivite diverse. Pertanto, l'isotopo 44 Ti ha un'emivita di soli 0,58 s, mentre l'isotopo 45 Ti ha un'emivita di 47 anni.

Il raggio del nucleo in titanio è 5 fm. Intorno al nucleo di titanio caricato positivamente, gli elettroni si trovano in quattro orbite K, L, M, N: su K - due elettroni, su L - otto, su M - 10, su N - due. Un atomo di titanio può cedere liberamente due elettroni dalle orbite N e M. Pertanto, lo ione titanio più stabile è tetravalente. È impossibile “strappare” il quinto elettrone dall’orbita M, quindi il titanio non potrà mai essere più di uno ione tetravalente. Allo stesso tempo, un atomo di titanio può cedere non quattro, ma tre, due o un elettrone dalle orbite N e M. In questi casi diventa uno ione tri-, di- o monovalente

Il titanio di valenze diverse ha raggi ionici diversi. Pertanto, il raggio dello ione Ti 4+ è 64 pm, lo ione Ti 3+ è 69, Ti 2+ è 78, Ti 1+ è 95 pm.

Per molto tempo non è stato possibile determinare con precisione la massa atomica del titanio (peso atomico). Nel 1813, J. Ya Berzelius ricevette un valore incredibilmente gonfiato: 288,16. Nel 1823, il chimico tedesco Heinrich Rose scoprì che il peso atomico del titanio era 61,6. Nel 1829 lo scienziato chiarì più volte il valore: 50,63; 48.27 e 48.13. Le misurazioni del chimico inglese T. E. Thorne si sono rivelate più vicine a quelle reali: 48.09. Tuttavia, questo valore durò fino al 1928, quando la ricerca dei chimici Baxter e Butler diede il valore finale del peso atomico di 47,9. La massa atomica del titanio naturale, calcolata dai risultati degli studi sui suoi isotopi, è 47.926. Questo valore è quasi identico al valore delle tabelle internazionali.

Nella tavola periodica degli elementi di Mendeleev, il titanio si trova nel gruppo IVB, che, oltre ad esso, comprende zirconio, afnio e curchazio. Gli elementi di questo gruppo, a differenza degli elementi del gruppo del carbonio (IVA), hanno proprietà metalliche. Anche nei composti dello stesso titanio, la capacità di formare acidi è meno pronunciata che in qualsiasi elemento del gruppo del carbonio. Sebbene il titanio sia al primo posto nel suo sottogruppo, è l'elemento metallico meno attivo. Pertanto, il biossido di titanio è anfotero e i biossidi di zirconio e afnio hanno proprietà basiche debolmente espresse. Il titanio, più degli altri elementi del sottogruppo IVB, è vicino agli elementi del sottogruppo IVA: silicio, germanio, stagno. Il titanio quadrivalente si differenzia dal silicio e dal germanio per la maggiore tendenza a formare composti complessi di vario tipo, che è particolarmente simile allo stagno.

Il titanio e altri elementi del sottogruppo IVB hanno proprietà molto simili agli elementi del sottogruppo IIIB (gruppo scandio), sebbene differiscano da quest'ultimo per la capacità di mostrare una maggiore valenza. Il titanio è ancora più vicino allo scandio che agli elementi del sottogruppo IVA. La somiglianza del titanio con scandio, ittrio, nonché con elementi del sottogruppo VB - vanadio e niobio si esprime anche nel fatto che nei minerali naturali il titanio si trova spesso al posto di questi elementi, sostituendosi isomorficamente a vicenda.

Dalla cristallochimica dei composti dell'ossigeno è noto che il numero di coordinazione caratteristico del titanio è 6, e l'unico poliedro di coordinazione corrispondente a questo numero è l'ottaedro. Inoltre, in nessuno dei composti dell'ossigeno gli atomi di titanio hanno un numero di coordinazione maggiore di 6. In tale coordinazione, la distanza media tra titanio e ossigeno è 2 Å. Nelle strutture caratterizzate da una distribuzione statistica degli atomi di Ti 4+ e Nb 5+ in ottaedri, anche la corrispondente distanza media tra titanio e niobio è di 2 Å. Da ciò ne consegue che i raggi ionici del titanio e del niobio sono vicini.

La vicinanza dei raggi ionici degli elementi è una condizione indispensabile per la possibilità di isomorfismo tra loro. Per il titanio, questa condizione è pienamente soddisfatta dal niobio, dal tantalio, dal ferro ferrico e dallo zirconio.

Ora diamo un’occhiata a quali composti chimici il titanio può formare con altri elementi. Con alogeni monovalenti (fluoro, bromo, cloro e iodio) può formare di-, tri- e tetra-composti, con zolfo ed elementi del suo gruppo (selenio, tellurio) - mono- e disolfuri, con ossigeno - ossidi, diossidi e triossidi. Il titanio forma anche composti con idrogeno (idruri), azoto (nitruri), carbonio (carburi), fosforo (fosfuri), arsenico (arsidi), nonché composti con molti metalli - composti intermetallici. Il titanio forma non solo composti semplici ma anche numerosi composti complessi; sono noti molti dei suoi composti con sostanze organiche;

Come si può vedere dall'elenco dei composti a cui può partecipare il titanio, è chimicamente molto attivo. E allo stesso tempo, il titanio è uno dei pochi metalli con una resistenza alla corrosione eccezionalmente elevata: è praticamente eterno nell'aria, nell'acqua fredda e bollente, ed è molto resistente nell'acqua di mare, nelle soluzioni di molti sali, acidi inorganici e organici . In termini di resistenza alla corrosione nell'acqua di mare, supera tutti i metalli, ad eccezione di quelli nobili: oro, platino, ecc., La maggior parte dei tipi di acciaio inossidabile, nichel, rame e altre leghe. In acqua e in molti ambienti aggressivi il titanio puro non è soggetto a corrosione. Perché sta succedendo? Perché il titanio, che reagisce con quasi tutti gli elementi della tavola periodica, è così attivo, e spesso violento, con esplosioni, resistente alla corrosione? Il fatto è che le reazioni del titanio con molti elementi avvengono solo a temperature elevate. A temperature normali, l'attività chimica del titanio è estremamente bassa e praticamente non reagisce. Ciò è dovuto al fatto che su una superficie fresca di titanio puro, appena formata, appare una pellicola inerte e sottile (diversi angstrom) di biossido di titanio che si amalgama molto rapidamente con il metallo, proteggendolo da ulteriori ossidazioni. Anche se questo schiaffo viene rimosso, in qualsiasi ambiente contenente ossigeno o altri forti agenti ossidanti (ad esempio nell'acido nitrico o cromico), questo film appare di nuovo e il metallo, come si suol dire, ne viene "passivato", ad es. si protegge da ulteriori distruzioni.

È noto che la resistenza alla corrosione di qualsiasi metallo è determinata dal valore del potenziale del suo elettrodo, cioè dalla differenza di potenziale elettrico tra il metallo e la soluzione elettrolitica. Valori negativi del potenziale dell'elettrodo indicano la perdita di ioni metallici dalla sua superficie e la loro transizione in soluzione, cioè la solubilità e la corrosione del metallo. Un valore positivo indica che il metallo è stabile in questa soluzione, non rilascia i suoi ioni e non si corrode. Quindi, per una superficie di titanio appena pulita, i valori misurati del potenziale dell'elettrodo nell'acqua, nelle soluzioni acquose e in molti acidi e alcali vanno da -0,27 a -0,355 V, cioè il metallo, sembrerebbe, dovrebbe dissolversi rapidamente. Tuttavia, nella maggior parte delle soluzioni acquose, il potenziale dell'elettrodo del titanio aumenta molto rapidamente da valori negativi a positivi, a circa +0,5 V, e la corrosione si arresta quasi istantaneamente: il titanio viene passivato e diventa altamente resistente alla corrosione.

Diamo uno sguardo più da vicino al comportamento del titanio puro in vari ambienti aggressivi. Abbiamo già parlato della sua eccezionale resistenza nell'atmosfera, nelle acque dolci e oceaniche, anche se riscaldate. Il titanio resiste alla corrosione erosiva che si verifica a seguito di una combinazione di effetti chimici e meccanici sul metallo. Sotto questo aspetto non è inferiore alle migliori qualità di acciai inossidabili, leghe a base di rame e altri materiali strutturali. Il titanio resiste bene anche alla corrosione per fatica, che spesso si manifesta sotto forma di danni all'integrità del metallo (fessurazioni, corrosione locale, ecc.). Il comportamento del titanio in molti ambienti aggressivi, come nitrico, cloridrico, solforico, acqua regia e altri acidi e alcali, provoca sorpresa e ammirazione per questo metallo.

Nell'acido nitrico, che è un forte agente ossidante in cui molti metalli si dissolvono rapidamente, il titanio è eccezionalmente resistente. A qualsiasi concentrazione di acido nitrico (dal 10 al 99%), a qualsiasi temperatura, la velocità di corrosione del titanio nell'acido nitrico non supera 0,1-0,2 mm/anno. Solo l'acido nitrico fumante rosso, sovrasaturo (20% o più) con biossidi di azoto liberi, è pericoloso: il titanio puro reagisce in esso in modo violento ed esplosivo. Tuttavia, non appena si aggiunge almeno un po' d'acqua (1-2% o più) a tale acido, la reazione termina e la corrosione del titanio si arresta.

Il titanio è stabile nell'acido cloridrico solo in soluzioni diluite. Ad esempio, nell'acido cloridrico allo 0,5%, anche se riscaldato a 100° C, la velocità di corrosione del titanio non supera 0,01 mm/anno, nel 10% a temperatura ambiente la velocità di corrosione raggiunge 0,1 mm/anno e nel 20% a temperatura ambiente. 20° C - 0,58 mm/anno. Quando riscaldato, la velocità di corrosione del titanio nell'acido cloridrico aumenta notevolmente. Pertanto, anche nell'acido cloridrico all'1,5% a 100°C la velocità di corrosione del titanio è di 4,4 mm/anno, e nell'acido cloridrico al 20% quando riscaldato a 60°C è già di 29,8 mm/anno. Ciò è spiegato dal fatto che l'acido cloridrico, soprattutto se riscaldato, dissolve il film passivante del biossido di titanio e il metallo inizia a dissolversi. Tuttavia, la velocità di corrosione del titanio nell’acido cloridrico in tutte le condizioni rimane inferiore a quella degli acciai inossidabili.

In acido solforico a bassa concentrazione (fino allo 0,5-1%), il titanio è resistente anche a temperature della soluzione fino a 50 - 95 ° C. È resistente anche in soluzioni più concentrate (10-20%) a temperatura ambiente, in queste condizioni la velocità di corrosione del titanio non supera 0,005-0,01 mm/anno. Ma con l'aumentare della temperatura della soluzione, il titanio nell'acido solforico, anche a una concentrazione relativamente debole (10-20%), inizia a dissolversi e la velocità di corrosione raggiunge i 9-10 mm/anno. L'acido solforico, come l'acido cloridrico, distrugge la pellicola protettiva del biossido di titanio e ne aumenta la solubilità. Può essere drasticamente ridotto se una certa quantità di acidi nitrico, cromico, manganese, composti di cloro o altri agenti ossidanti viene aggiunta a soluzioni di questi acidi, che passivano rapidamente la superficie del titanio con una pellicola protettiva e ne impediscono l'ulteriore dissoluzione. Ecco perché il titanio è praticamente l'unico metallo che non si scioglie nella “regia vodka”: in essa, a temperature ordinarie (10-20°C), la corrosione del titanio non supera 0,005 mm/anno. Anche il titanio si corrode leggermente nella "regia vodka" bollente, ma in esso, come è noto, molti metalli, e persino l'oro, si dissolvono quasi istantaneamente.

Il titanio si corrode molto debolmente nella maggior parte degli acidi organici (acetico, lattico, tartarico), negli alcali diluiti e nelle soluzioni di molti sali cloruro, in soluzione fisiologica. Ma il titanio interagisce molto violentemente con il cloruro fonde a temperature superiori a 375° C.

Nella fusione di molti metalli, il titanio puro mostra una resistenza sorprendente. Nel magnesio caldo liquido, nello stagno, nel gallio, nel mercurio, nel litio, nel sodio, nel potassio e nello zolfo fuso, il titanio praticamente non si corrode e solo a temperature molto elevate (superiori a 300-400 ° C) la sua velocità di corrosione al loro interno può raggiungere 1 mm/anno. Tuttavia, esistono molte soluzioni aggressive e fusioni in cui il titanio si dissolve in modo molto intenso. Il principale "nemico" del titanio è l'acido fluoridrico (HF). Anche in una soluzione all'1%, il tasso di corrosione del titanio è molto elevato e, in soluzioni più concentrate, il titanio “si scioglie” come il ghiaccio nell'acqua calda. Il fluoro - questo elemento "che distrugge tutto" (greco) - reagisce violentemente con quasi tutti i metalli e li brucia.

Il titanio non può resistere nemmeno a basse concentrazioni di acido idrofluorosilicico e fosforico, perossido di idrogeno, cloro e bromo secchi, alcoli, inclusa la tintura alcolica di iodio e zinco fuso. Tuttavia, la resistenza del titanio può essere aumentata aggiungendo vari agenti ossidanti - i cosiddetti inibitori, ad esempio, a soluzioni di acido cloridrico e solforico - nitrico e cromico. Gli inibitori possono anche essere ioni di vari metalli in soluzione: ferro, rame, ecc.

Alcuni metalli possono essere introdotti nel titanio, aumentandone la resistenza decine e centinaia di volte, ad esempio fino al 10% di zirconio, afnio, tantalio, tungsteno. L'introduzione del 20-30% di molibdeno nel titanio rende questa lega così resistente a qualsiasi concentrazione di acido cloridrico, solforico e altri che può persino sostituire l'oro quando lavora con questi acidi. L'effetto maggiore si ottiene aggiungendo al titanio quattro metalli del gruppo del platino: platino, palladio, rodio e rutenio. Solo lo 0,2% di questi metalli è sufficiente per ridurre di decine di volte la velocità di corrosione del titanio negli acidi cloridrico e solforico concentrati bollenti. Va notato che i platinoidi nobili influenzano solo la durabilità del titanio e se vengono aggiunti, ad esempio, a ferro, alluminio, magnesio, la distruzione e la corrosione di questi metalli strutturali non diminuiscono.

Quali sono le proprietà fisiche del titanio che lo rendono il migliore tra tutti i metalli strutturali conosciuti?

Il titanio è un metallo molto refrattario. Per molto tempo si è creduto che si sciogliesse a 1800 ° C, ma a metà degli anni '50. Gli scienziati inglesi Deardorff e Hayes stabilirono il punto di fusione del titanio elementare puro. C'erano 1668±3°C. In termini di refrattarietà, il titanio è secondo solo a metalli come tungsteno, tantalio, niobio, renina, molibdeno, metalli del gruppo del platino, zirconio e tra i principali metalli strutturali è al primo posto:

La caratteristica più importante del titanio come metallo sono le sue proprietà fisiche e chimiche uniche: bassa densità, elevata resistenza, durezza, ecc. La cosa principale è che queste proprietà non cambiano in modo significativo alle alte temperature.

Il titanio è un metallo leggero, la sua densità a 0°C è di soli 4,517 g/cm3, a 100°C è di 4,506 g/cm3. Il titanio appartiene al gruppo dei metalli con peso specifico inferiore a 5 g/cm3. Ciò include tutti i metalli alcalini (sodio, potassio, litio, rubidio, cesio) con un peso specifico di 0,9-1,5 g/cm3, magnesio (1,7 g/cm3), alluminio (2,7 g/cm3 3) ecc. Il titanio è più di 1,5 volte più pesante dell'alluminio, e in questo ovviamente perde, ma è 1,5 volte più leggero del ferro (7,8 g/cm3). Tuttavia, occupando una posizione intermedia tra alluminio e ferro in termini di densità specifica, il titanio nelle sue proprietà meccaniche è molte volte superiore sia all'alluminio che al ferro.

Quali sono queste proprietà che consentono al titanio di essere ampiamente utilizzato come materiale strutturale? Innanzitutto la resistenza del metallo, ovvero la sua capacità di resistere alla distruzione, nonché ai cambiamenti irreversibili di forma (deformazione plastica). A seconda del tipo di stato di sollecitazione - tensione, compressione, flessione e altre condizioni di prova (temperatura, tempo), vengono utilizzati vari indicatori per caratterizzare la resistenza del metallo: resistenza allo snervamento, resistenza alla trazione, limite di fatica, ecc. In tutti questi indicatori , il titanio è significativamente superiore all'alluminio, al ferro e anche a molti dei migliori tipi di acciaio.

La resistenza specifica delle leghe di titanio può essere aumentata di 1,5-2 volte. Le sue elevate proprietà meccaniche sono ben conservate a temperature fino a diverse centinaia di gradi. Altri metalli semplicemente non possono resistere a tali temperature o sono notevolmente indeboliti.

Il titanio puro è un metallo altamente plastico, ciò è dovuto al rapporto favorevole degli assi “c” e “a” nel suo reticolo esagonale e alla presenza in esso di numerosi sistemi di piani di scorrimento e accoppiamento. Sebbene si creda che i metalli con un reticolo cristallino esagonale siano molto plastici, il titanio, a causa delle caratteristiche indicate dei suoi cristalli, è alla pari con metalli altamente plastici che hanno un diverso tipo di reticolo cristallino. Di conseguenza, il titanio puro è adatto a tutti i tipi di lavorazione a caldo e a freddo: può essere forgiato come il ferro, trafilato e persino trasformato in filo, laminato in fogli, nastri e lamine fino a 0,01 mm di spessore.

È interessante notare che il titanio per molti anni, fino alla produzione del metallo puro, era considerato un materiale molto fragile. Ciò era dovuto alla presenza di impurità nel titanio, in particolare azoto, ossigeno, carbonio, ecc. Anche una piccola quantità di esse influisce, e in modo abbastanza significativo, sulle proprietà del titanio, inclusa la sua duttilità. Lo stesso si può dire della durezza del titanio. Maggiore è il numero di impurità nel metallo, maggiore è. Pertanto, la durezza del titanio contenente millesimi di percentuale di ossigeno, azoto, carbonio, ferro è di 400-600 MPa e quando le stesse impurità sono contenute in centesimi di percentuale, la sua durezza aumenta a 900-1000 MPa.

Perché sta succedendo? L'ossigeno e l'azoto sono altamente solubili nel titanio, specialmente nella sua modificazione α a bassa temperatura. Con la loro introduzione nei vuoti ottaedrici dei cristalli di titanio, inizia la deformazione del suo reticolo cristallino, aumenta la rigidità dei legami interatomici e, di conseguenza, aumentano la durezza, la resistenza e la resistenza allo snervamento e diminuisce la duttilità del metallo. L'impurità più dannosa è l'idrogeno: anche piccole quantità di esso riducono drasticamente la duttilità del metallo e soprattutto la sua resistenza agli urti. Il carbonio si dissolve nel titanio in misura molto minore e ha scarso effetto sulla riduzione della duttilità del metallo. Il ferro deteriora le proprietà meccaniche del titanio solo se è contenuto nello 0,5% o più. Altri metalli hanno poco effetto su queste proprietà.

Quindi, il chitano puro è un metallo duro, durevole, duttile, abbastanza viscoso ed elastico. La sua durezza sulla scala Brinell è di circa 1000 mn/m2. Per confronto, segnaliamo che il ferro ha solo 350-450 ppm, il rame - 350, il magnesio fuso - 294, il magnesio deformato - 353 e l'alluminio - solo 170 ppm. Il modulo di elasticità normale del titanio è di 108 mila mN/m2; in elasticità è solo leggermente inferiore al rame e all'acciaio, ma è più elastico dell'alluminio e del magnesio.

Il titanio ha un elevato carico di snervamento - circa 250 MN/m2. Questo è 2,5 volte superiore a quello del ferro, 3 volte a quello del rame e quasi 20 volte a quello dell'alluminio. Di conseguenza, il titanio resiste meglio agli urti e ad altri carichi che possono deformare le parti in titanio rispetto a questi metalli.

Altezza e viscosità del titanio. Resiste perfettamente agli effetti di scheggiatura, urti e carichi di taglio. Questa resistenza spiega un'altra notevole proprietà del titanio: la sua eccezionale resistenza in condizioni di cavitazione, cioè con un maggiore "bombardamento" del metallo in un mezzo liquido da parte di bolle d'aria che si formano durante il rapido movimento o rotazione di una parte metallica in un liquido. medio. Queste bolle d'aria, scoppiando sulla superficie del metallo, provocano microurti molto forti del liquido sulla superficie del corpo in movimento. Distruggono rapidamente molti materiali, compresi i metalli, ma il titanio resiste perfettamente alla cavitazione.

Test in acqua di mare su dischi a rotazione rapida in titanio e altri metalli hanno dimostrato che durante la rotazione per due mesi, il disco di titanio praticamente non ha perso peso. I suoi bordi esterni, dove la velocità di rotazione e, di conseguenza, la cavitazione è massima, non sono cambiati. Altri dischi non superarono la prova: tutti avevano i bordi esterni danneggiati e molti crollarono completamente.

Il titanio ha un'altra proprietà straordinaria: la "memoria". Quando è legato con determinati metalli (ad esempio il nichel), “ricorda” la forma del prodotto che ne è stato ricavato ad una certa temperatura. Se un prodotto del genere viene poi deformato, ad esempio, arrotolato in una molla, piegato, rimarrà in questa posizione per molto tempo. Dopo il riscaldamento alla temperatura alla quale è stato realizzato il prodotto, ritorna alla sua forma originale. Questa proprietà del titanio è ampiamente utilizzata nella tecnologia spaziale (sulla nave vengono dispiegate grandi antenne, precedentemente piegate in modo compatto). Recentemente, i medici hanno iniziato a utilizzare questa proprietà del titanio per operazioni senza sangue sui vasi sanguigni: un filo in lega di titanio viene inserito in un vaso malato e ristretto e quindi, riscaldandosi alla temperatura corporea, si arriccia nella molla originale ed espande il vaso.

Le proprietà termiche, elettriche e magnetiche del titanio meritano attenzione. Ha una conduttività termica relativamente bassa, solo 22,07 W/(m K), che è circa 3 volte inferiore alla conducibilità termica del ferro, 7 volte inferiore a quella del magnesio, 17-20 volte inferiore a quella dell'alluminio e del miele. Di conseguenza, il coefficiente di dilatazione termica lineare del titanio è inferiore a quello di altri metalli strutturali: a temperatura ambiente (20° C) per il titanio è 8,5 10 -6 /° C, per il ferro - 11,7 10 -6 /° C , per rame - 17 10 -6 / ° C, per alluminio - 23,9 / ° C. Anche la conduttività elettrica del titanio è relativamente bassa. Questa proprietà è spiegata dalla resistenza elettrica piuttosto elevata del titanio: a temperatura ambiente è 42,1 10 -6 Ohm cm. Con l'aumento della temperatura, la resistenza elettrica del titanio aumenta ancora di più, e con una diminuzione aumenta bruscamente quasi assoluta; zero, il titanio diventa superconduttore.

Il titanio è un tipico materiale paramagnetico, la sua suscettibilità magnetica a 20° C è di sole 3,2±0,4 10 -6 unità. Come sai, l'alluminio e il magnesio sono paramagnetici, ma il rame è diamagnetico e il ferro è ferromagnetico.

Abbiamo esaminato le proprietà chimiche e fisiche del titanio, che generalmente favoriscono l'uso diffuso di questo metallo. Tuttavia, il titanio ha anche molte qualità negative. Ad esempio, può accendersi spontaneamente e in alcuni casi addirittura esplodere.

Si è già detto che nell'acido nitrico concentrato il titanio è eccezionalmente resistente, ma nel fumante rosso, sovrasaturo di ossidi di azoto, la pellicola protettiva del biossido di titanio sulla superficie metallica viene istantaneamente distrutta e il titanio puro comincia a reagire con l'acido con un'esplosione . Questa reazione fu la causa dell'esplosione dei serbatoi di carburante in titanio di uno dei razzi spaziali americani. Il titanio reagisce in modo esplosivo anche con il cloro secco. C’è un modo per prevenire queste reazioni esplosive. All'acido nitrico rosso fumante vale la pena aggiungere solo l'1-2% di acqua e ancora meno al cloro secco - 0,5-1% e sulla superficie metallica apparirà immediatamente una pellicola protettiva. Verrà impedita un'ulteriore ossidazione del titanio e non si verificherà un'esplosione.

Sotto forma di trucioli sottili, segatura o polvere, il titanio può accendersi spontaneamente anche in assenza di calore esterno. Tali casi sono stati osservati durante le prove di trazione in atmosfera di ossigeno al momento della rottura. Ciò è spiegato ancora una volta dall'elevata attività della superficie fresca e non ossidata del titanio e dalla forte natura esotermica della sua reazione con l'ossigeno.

Il titanio può bruciare non solo in un'atmosfera di ossigeno, ma anche in un'atmosfera di azoto, che è anche un forte ossidante del titanio. Pertanto, è impossibile spegnere il titanio in fiamme con azoto, così come acqua e anidride carbonica: si decompongono rilasciando ossigeno, che poi interagisce con il titanio caldo e provoca un'esplosione.

Un altro svantaggio del titanio è la sua capacità di mantenere elevate proprietà fisiche e meccaniche solo fino a una temperatura di 400-450 ° C, e con l'aggiunta di alcuni metalli leganti - fino a 600 ° C, e qui ha seri concorrenti - calore- acciai speciali resistenti. Tuttavia, nell’intervallo di temperature sotto lo zero, il titanio non ha eguali. Il ferro diventa fragile già a una temperatura di -40° C, gli acciai speciali per basse temperature - al di sotto di -100° C. Ma il titanio e le sue leghe non si decompongono a temperature fino a -253° C (nell'idrogeno liquido) e anche oltre a -260° C (in elio liquido). Questa proprietà molto importante del titanio apre grandi prospettive per il suo utilizzo nella tecnologia criogenica e per il lavoro nello spazio.

Il titanio reagisce con molti metalli. Quando si sfrega con parti costituite da un metallo più morbido, il titanio può strappare da esse particelle di metallo e attaccare il metallo a se stesso, mentre da un metallo più duro, al contrario, le particelle di titanio strapperanno via la parte di titanio e ne copriranno un'altra. Inoltre, l'assenza di grasso o olio lubrificante impedisce alle particelle di aderire tra loro. Per un breve periodo, questo fenomeno può essere attenuato solo utilizzando la molibdenite in scaglie o la grafite come lubrificante. Ma il titanio si salda molto male con altri metalli. Questo problema non è stato ancora risolto quasi completamente, sebbene la saldatura dei prodotti in titanio proceda bene.

Il titanio è un metallo duro, come già sappiamo, più duro del ferro, dell'alluminio e del rame. Ma non sono ancora più duri degli acciai speciali per utensili extra duri, con cui vengono realizzati strumenti affilati, coltelli e bisturi. Il titanio non è applicabile qui.

Il titanio è un cattivo conduttore di elettricità e calore. Non è possibile ricavarne cavi, ma il fatto che sia uno dei pochissimi metalli che è un superconduttore di elettricità a basse temperature apre grandi prospettive nella tecnologia elettrica per la trasmissione di energia su lunghe distanze.

Il titanio è un metallo paramagnetico: non si magnetizza come il ferro in un campo magnetico, ma non ne viene espulso come il rame. La sua suscettibilità magnetica è molto debole; queste proprietà possono essere utilizzate nella costruzione, ad esempio, di navi, strumenti e apparecchi non magnetici.

Quindi, il titanio presenta più vantaggi che svantaggi e il fatto che sia inferiore ad alcuni acciai e leghe speciali in altre caratteristiche è compensato da una circostanza molto importante. Leggerezza, resistenza, duttilità, durezza, durata e molte altre qualità sono combinate in un unico metallo in modo così organico che questo promette un grande futuro per il titanio.

Prima di raccontarvi come vengono utilizzati oggi il titanio, le sue leghe e i suoi composti e quali prospettive si aprono per questo metallo nel prossimo futuro, consideriamo in dettaglio quanto è diffuso questo straordinario metallo nel nostro Universo, sul pianeta Terra, in che forma è si trova nelle rocce della crosta terrestre, quali depositi si formano, come i minerali vengono estratti, arricchiti e i concentrati vengono lavorati. Tracciamo il lungo e difficile percorso per ottenere il titanio puro, la sua lavorazione e l'utilizzo da parte dell'uomo.

Il titanio (lat. Titanio; indicato con il simbolo Ti) è un elemento del sottogruppo secondario del quarto gruppo, il quarto periodo della tavola periodica degli elementi chimici, con numero atomico 22. La sostanza semplice titanio (numero CAS: 7440- 32-6) è un metallo leggero di colore bianco-argenteo.

Storia

La scoperta del TiO 2 fu fatta quasi contemporaneamente e indipendentemente l'una dall'altro dall'inglese W. Gregor e dal chimico tedesco M. G. Klaproth. W. Gregor, studiando la composizione della sabbia ferruginosa magnetica (Creed, Cornovaglia, Inghilterra, 1789), isolò una nuova “terra” (ossido) di un metallo sconosciuto, che chiamò menaken. Nel 1795 il chimico tedesco Klaproth scoprì un nuovo elemento nel minerale rutilo e lo chiamò titanio. Due anni dopo Klaproth stabilì che il rutilo e la terra menaken sono ossidi dello stesso elemento, da qui il nome “titanio” proposto da Klaproth. Dieci anni dopo, il titanio fu scoperto per la terza volta. Lo scienziato francese L. Vauquelin scoprì il titanio nell'anatasio e dimostrò che il rutilo e l'anatasio sono ossidi di titanio identici.
Il primo campione di metallo titanio fu ottenuto nel 1825 da J. Ya Berzelius. A causa dell'elevata attività chimica del titanio e della difficoltà della sua purificazione, un campione puro di Ti fu ottenuto dagli olandesi A. van Arkel e I. de Boer nel 1925 mediante decomposizione termica del vapore di ioduro di titanio TiI 4 .

origine del nome

Il metallo ha preso il nome in onore dei Titani, personaggi dell'antica mitologia greca, i figli di Gaia. Il nome dell'elemento è stato dato da Martin Klaproth, in accordo con le sue opinioni sulla nomenclatura chimica, in opposizione alla scuola francese di chimica, dove cercavano di nominare un elemento in base alle sue proprietà chimiche. Poiché lo stesso ricercatore tedesco notò l'impossibilità di determinare le proprietà di un nuovo elemento solo dal suo ossido, scelse per esso un nome tratto dalla mitologia, per analogia con l'uranio da lui precedentemente scoperto.
Tuttavia, secondo un'altra versione, pubblicata sulla rivista "Technology-Youth" alla fine degli anni '80, il metallo appena scoperto deve il suo nome non ai potenti titani degli antichi miti greci, ma a Titania, la regina delle fate della mitologia germanica (la moglie di Oberon nel “Sogno di una notte di mezza estate” di Shakespeare). Questo nome è associato alla straordinaria “leggerezza” (bassa densità) del metallo.

Ricevuta

Di norma, il materiale di partenza per la produzione del titanio e dei suoi composti è il biossido di titanio con una quantità relativamente piccola di impurità. In particolare può trattarsi di un concentrato di rutilo ottenuto dall'arricchimento di minerali di titanio. Tuttavia, le riserve di rutilo nel mondo sono molto limitate e più spesso vengono utilizzate le cosiddette scorie sintetiche di rutilo o titanio, ottenute dalla lavorazione dei concentrati di ilmenite. Per ottenere scorie di titanio, il concentrato di ilmenite viene ridotto in un forno elettrico ad arco, mentre il ferro viene separato nella fase metallica (ghisa) e gli ossidi di titanio e le impurità non ridotti formano la fase di scoria. Le scorie ricche vengono lavorate utilizzando il metodo del cloruro o dell'acido solforico.
Il concentrato di minerale di titanio viene sottoposto ad acido solforico o lavorazione pirometallurgica. Il prodotto del trattamento con acido solforico è la polvere di biossido di titanio TiO 2. Utilizzando il metodo pirometallurgico, il minerale viene sinterizzato con coke e trattato con cloro, producendo vapore di tetracloruro di titanio TiCl 4:
TiO2 + 2C + 2Cl2 =TiCl2 + 2CO

I vapori di TiCl 4 risultanti vengono ridotti con magnesio a 850 °C:
TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti

La “spugna” di titanio risultante viene fusa e pulita. Il titanio viene raffinato utilizzando il metodo dello ioduro o l'elettrolisi, separando il Ti da TiCl 4 . Per ottenere lingotti di titanio si utilizza la lavorazione ad arco, a fascio di elettroni o al plasma.

Proprietà fisiche

Il titanio è un metallo leggero bianco-argenteo. Esiste in due modifiche cristalline: α-Ti con un reticolo esagonale compatto, β-Ti con impaccamento cubico centrato sul corpo, la temperatura della trasformazione polimorfica α↔β è 883 °C.
Ha un'elevata viscosità e, durante la lavorazione, tende ad attaccarsi all'utensile da taglio, pertanto richiede l'applicazione di rivestimenti speciali all'utensile e vari lubrificanti.
A temperature normali è ricoperto da una pellicola passivante protettiva di ossido di TiO 2 , che lo rende resistente alla corrosione nella maggior parte degli ambienti (eccetto quelli alcalini).
La polvere di titanio tende ad esplodere. Punto di infiammabilità 400 °C. I trucioli di titanio sono pericolosi per gli incendi.