Титан. Свойства, применение, марки, химический состав. Сплавы титана

Алюминий

Наверное, самый разнообразный в вариантах исполнения материал. Туристическую посуду из алюминия штампуют, льют, анодируют, покрывают тефлоном. Высокая теплопроводность алюминия является как преимуществом, так и недостатком. Да, жар костра или горелки быстрее распределится по площади посуды, вероятность подгорания еды в ней снижается. Но использовать алюминиевую кружку для питья горячих напитков очень неудобно, если только её ручка не покрыта силиконом или не обмотана паракордом, и то существует риск обжечь если не руки, то губы.

Литой алюминий — король костровой кухни. Казаны, кастрюли, сковороды из толстого металла идеальны для приготовления самых разнообразных блюд — от яичницы до плова. Благодаря толщине стенок тепло в такой посуде распределяется максимально равномерно, что снижает риск пригорания пищи до минимума. Кроме того, такая посуда легко отмывается — как от остатков приготовленного, так и от копоти. Конечно, посуде из литого алюминия далеко до лёгкости нержавейки или титана. Зато по стойкости к повреждениям она не уступит, наверное, никому. На мой взгляд, сковорода или кастрюля из литого алюминия могут появиться в рюкзаке, собранном с прицелом на небольшие переходы и посиделки у костра.

Стоимость такой посуды средняя — именитые outdoor-бренды её не выпускают, а вот у отечественных производителей и цены низкие, и ассортимент богатый.

Посуда из алюминия, произведённая методом штамповки — чемпион по лёгкости. Но стоит на последнем месте по стойкости к повреждениям. Алюминий — мягкий металл, и если в случае с литьём спасает толщина стенок, то в случае со штамповкой немного выручает разве что анодирование. Зато такую посуду уже не потрёшь песочком — расцарапанный анодированный котелок выглядит совсем непрезентабельно. Тефлон и другие антипригарные покрытия на тонкостенном алюминии принесут больше пользы — ведь штампованная посуда хуже, чем литая, распределяет тепло, и риск пригорания пищи довольно высок, особенно в случае использования горелок с узконаправленным пламенем.

К слову, высокая теплопроводность алюминия используется в производстве интегрированных систем приготовления пищи, с распространением сублиматов и мягких консервов пришедших в массовый туризм из альпинизма. Пионерами во внедрении таких систем стали Jet Boil, теперь джетбойлами называют подобные системы от всех производителей газового туристического оборудования.

Алюминиевая посуда без покрытия — вне конкуренции по дешевизне. А вот анодированная будет стоить примерно так же, как аналог из нержавейки.

Области применения

Применение титана зависит от степени его очистки от примесей. Наличие даже небольшого количества других химических элементов в составе сплава титана кардинально меняет его физико-механические характеристики.

Титан с некоторым количеством примесей называется техническим. Он имеет высокие показатели коррозийной стойкости, это легкий и очень прочный материал. От этих и других показателей зависит его применение.

В химической промышленности из титана и его сплавов изготавливают теплообменники, различного диаметра трубы, арматуру, корпуса и детали для насосов различного назначения. Вещество незаменимо в местах, где требуются высокая прочность и стойкость к кислотам.
На транспорте титан используют для изготовления деталей и агрегатов велосипедов, автомобилей, железнодорожных вагонов и составов. Применение материала уменьшает вес подвижных составов и автомобилей, придает легкость и прочность велосипедным деталям.
Большое значение титан имеет в военно-морском ведомстве. Из него изготавливают детали и элементы корпусов для подводных лодок, пропеллеры для лодок и вертолетов.
В строительной промышленности применяется сплав цинк-титан. Он используется как отделочный материал для фасадов и кровель. Этот очень прочный сплав имеет важное свойство: из него можно изготавливать архитектурные детали самой фантастической конфигурации. Он может принимать любую форму.
В последнее десятилетие титан широко применяют в нефтедобывающей отрасли. Сплавы его применяют при изготовлении оборудования для сверхглубокого бурения. Материал используется для изготовления оборудования для добычи нефти и газа на морских шельфах.

Прочие методики

Существует ряд альтернативных способов, как определить титан в руках или алюминий, например. Один из вариантов – тонкая стружка. В случае титана она легко воспламеняется и ярко горит. Напротив, алюминиевая стружка плавится. При помещении «металлических опилок» дюралюминия в щелочной раствор наблюдается активное выделение водорода.

Следующий способ как отличить металл титан от стали и алюминия – теплопроводность. Численные значения параметра Вт/(м·K) для указанных металлов составляют:

титан – 14;
сталь низкоуглеродистая – 55;
нержавейка – 16;
алюминий – 250.

Титановые изделия более теплые в руках. Конечно, подход не характеризуется высокой точностью, а для отличия титана от нержавеющей стали – вообще непригоден.

Физические свойства

Титан — лёгкий серебристо-белый металл. При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония, пространственная группа C

6
mmc
, параметры ячейки
a
= 0,2953 нм,
c
= 0,4729 нм,
Z
= 2) и высокотемпературный β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония, пространственная группа
Im
3
m
, параметры ячейки
a
= 0,3269 нм,
Z
= 2), температура перехода α↔β 883 °C, теплота перехода Δ
H
=3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β-фазу и снижают температуру перехода α↔β. При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω-Ti). Плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C). Атомная плотность α-титана 5,67⋅1022 ат/см³.

Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90. Температура кипения 3287 °C. При достаточно низкой температуре (-80 °C), титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях Cp

= 25,060 кДж/(моль·K), что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K). Теплота плавления 15 кДж/моль, теплота испарения 410 кДж/моль. Характеристическая дебаевская температура 430 К. Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C. Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10−6 К−1 в интервале от −120 до +860 °C. Молярная энтропия α-титана
S
0 = 30,7 кДж/(моль·К). Для титана в газовой фазе энтальпия формирования Δ
H
0 f = 473,0 кДж/моль, энергия Гиббса Δ
G
0 f = 428,4 кДж/моль, молярная энтропия
S
0 = 180,3 кДж/(моль·К), теплоёмкость при постоянном давлении
Cp
= 24,4 кДж/(моль·K)

Удельное электрическое сопротивление при 20 °C составляет 0,58 мкОм·м (по другим данным 0,42 мкОм·м), при 800 °C 1,80 мкОм·м. Температурный коэффициент сопротивления 0,003 К−1 в диапазоне 0…20 °C.

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки. Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790—800 МПа, модуль нормальной упругости 103 ГПа, модуль сдвига 39,2 ГПа. У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140—170 МПа, относительное удлинение 55—70 %, твёрдость по Бринеллю 716 МПа.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,387 К. При температурах выше 73 кельвин титан парамагнитен. Магнитная восприимчивость при 20 °C составляет 3,2·10−6. Постоянная Холла α-титана равна +1,82·10−13.

Изотопы

Основная статья: Изотопы титана

Известны изотопы титана с массовыми числами от 38 до 63 (количество протонов 22, нейтронов от 16 до 41), и 2 ядерных изомера.

Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46Ti (изотопная распространенность 7,95 %), 47Ti (7,75 %), 48Ti (73,45 %), 49Ti (5,51 %), 50Ti (5,34 %).

Среди искусственных изотопов самые долгоживущие 44Ti (период полураспада 60 лет) и 45Ti (период полураспада 184 минуты).

Резюме

Как видно, даже в домашних условиях, отличить титан от алюминия и стали вполне реально. Наиболее практичные варианты – искра и стекло. Для первого случая достаточно любой абразивной поверхности, даже асфальта или застывшего бетона. Яркое искрение титана успешно используют байкеры, устанавливая на обувь подковы из этого металла. След на стекле – выгоден тем, что металл не повреждается. Относительный недостаток – некоторые титановые сплавы рисунка не оставляют. Но для чистого метала это оптимальный вариант.

Определение по массе

Самый легкий из этих трех металлов алюминий, самый тяжелый – сталь. Например, титановая пластина будет в полтора раза тяжелее алюминиевой и в два раза легче, чем стальная. Если образец сравнить не с чем, то придется использовать математический метод. Плотность рассматриваемых металлов нам известна и составляет:

у титана – 4.5 г/см³
у алюминия – 2.7 г/см³
у нержавеющей стали 7.8 г/см³

Это масса, приходящаяся на единицу объема. Остается взвесить изделие на точных весах и определить его объем. Если изделие имеет сложную форму, то проще узнать объем архимедовским способом. Опустите образец в емкость с водой и по объему вытесненной воды узнаете искомую величину. Останется вычислить плотность, разделив массу на объем, а затем свериться, соответствует ли она плотности титана.

Рисунки на стекле

Это наиболее доступный метод, как отличить титан в домашних условия, но им нужно овладеть и иметь опыт работы с титаном. Металл оставляет характерные несмываемые следы на стекле, кафеле. Достаточно провести заостренным краем металла по одному из указанных материалов. Это именно следы, а не царапины. Подобным способом часто разрисовывают окна общественного транспорта. Отмыть титановую графику на кафеле можно раствором плавиковой кислоты, связываться с ней следует предельно осторожно.

Это метод отличается простотой и эффективностью. Титан, вопреки бытующему мнению, оставляет след даже на загрязненном стекле. Так что обезжиривать его поверхность не обязательно. Напротив, любые марки стали и алюминия способны разве что едва поцарапать стекло. Это отличный метод, чтобы определить титан.

Проверка анодированием

Известно, что в результате естественного окисления на воздухе на поверхности титана образуется слой оксида TiO2. Электрохимическим способом можно получить оксидный слой с эффектом окрашивания. Для проведения эксперимента необходим 12-вольтовый аккумулятор автомобиля или несколько батареек крона. Титановый образец присоединяют проводом к электроду «+». К электроду «-» присоединяют любой железный стержень, обмотанный кусочком ткани, смоченным в соляном растворе или в любой другой токопроводящей жидкости (уксус, кола). Если этой тканью провести по титановой поверхности, то она мгновенно окрасится, чего никогда не случится с нержавеющими и алюминиевыми изделиями.

Существует и ряд других методов тестирования, позволяющих отличить настоящий титан от других металлов, окружающих нас в быту. Например, при тактильном контакте титановые предметы кажутся более теплыми. Если нагреть одну часть детали, то другая будет оставаться холодной, что говорит о его низкой теплопроводности. Резка титана гораздо тяжелее, чем других металлов. На диск налипают частицы материала, что делает резку нестабильной и небезопасной. Для точного определения титана рекомендуется провести не один, а несколько способов.

Способы получения

Титан является одним из самых распространённых элементов на Земле. Содержание его в недрах планеты по массе составляет 0,57%. Самая большая концентрация металла наблюдается в «базальтовой оболочке» (0,9%), в гранитных породах (0,23%) и в ультраосновных породах (0,03%). Существует около 70 минералов титана, в которых он содержится в виде титановой кислоты или двуокиси. Главные минералы титановых руд это: ильменит, анатаз, рутил, брукит, лопарит, лейкоксен, перовскит и сфен. Основные мировые производители титана – это Великобритания, США, Франция, Япония, Канада, Италия, Испания и Бельгия. Существует несколько способов получения титана. Все они применяются на практике и вполне эффективны.

Магниетермический процесс.

Добывают руду, содержащую титан и перерабатывают его в диоксид, который медленно и при очень высоких температурных значениях подвергают хлорированию. Хлорирование проводят в углеродной среде. Затем хлорид титана, образовавшийся в результате реакции, восстанавливают магнием. Полученный металл нагревают в вакуумном оборудовании при высокой температуре. В результате магний и хлорид магния испаряются, остаётся титан с множеством пор и пустот. Губчатый титан переплавляют для получения качественного металла.

Гидридно-кальциевый метод.

Сначала получают гидрид титана, а затем разделяют его на компоненты: титан и водород. Процесс происходит в безвоздушном пространстве при высокой температуре. Образуется оксид кальция, который проходит отмывку слабыми кислотами. Гидридно-кальциевый и магниетермический методы обычно используются в промышленных масштабах. Эти методы позволяют получить значительное количество титана за небольшой промежуток времени, с минимальными денежными затратами.

Электролизный метод.

Хлорид или диоксид титана подвергается воздействию высокой силы тока. В результате происходит разложение соединений.

Йодидный метод.

Диоксид титана взаимодействует с парами йода. Далее на титановый йодид воздействуют высокой температурой, в результате чего получается титан. Этот метод является наиболее эффективным, но и самым дорогостоящим. Титан получается очень высокой чистоты без примесей и добавок.

Способы получения

Магниетермический процесс.

Гидридно-кальциевый метод.

Электролизный метод.

Йодидный метод.

Абразивный круг

Идеальный способ как отличить титан от нержавейки для владельцев точильного станка (что, на самом деле, совсем не обязательно). Впрочем, подойдет практически любая абразивная поверхность, даже асфальт. Контакт титана с абразивом сопровождается россыпью искр насыщенно-белого цвета. Взаимодействие стали с абразивной поверхностью характеризуется желтым или красным оттенком. Искр при этом существенно меньше.

Нержавеющие марки стали – пожаробезопасны. Обработка определенных марок нержавейки происходит вообще без искр. Это свойство используется на пожароопасных производствах. Там допускаются исключительно инструменты из нержавеющей стали. Аналогичная методика применяется в вопросе как отличить титан от алюминия. Стачивание последнего на абразивном круге также происходит практически без искр.

Этот способ определения титана можно назвать самым эффективным – цвет искры действительно будет отличным от других металлов. Вообще, тест на искру является одним из самых популярных и правильных для определения и распознования разных металлов.

Видео – как отличить титан от магния и алюминия:

Определение по следу на стекле

Данный способ самый легкий и основан на способности титана налипать на стекло при трении, то есть им можно рисовать. Такой же эффект наблюдается и при проведении острым краем по гладкому кафелю, что обусловлено высоким коэффициентом трения чистого титана. Если нержавейка царапает стеклянную поверхность, то к большому удивлению этот твердый металл не повреждает стекло, а оставляет на нем характерный металлический след, смыть который можно только при помощи очень сильной плавиковой кислоты. Алюминием же нельзя ни повредить стекло, ни рисовать на нем. Следует также учесть, что некоторые титановые сплавы тоже не оставляют рисунка.

Как понять что украшение из титана?

Отличительной особенностью титана является его способность оставлять на стекле, а часто и на фаянсе или другой глазурованной поверхности, заметный, темно-серебристый след. Если получившаяся полоска достаточно невнятная, то попытайтесь очистить или обезжирить стекло и повторите попытку.

Интересные материалы:

Что значит слово тишина? Что значит слово трэш в молодежном сленге? Что значит слово триггер? Что значит слово Цербер? Что значит слово уязвим? Что значит слово урбанизация? Что значит слово Уркаганское? Что значит слово важно? Что значит слово Вертуально? Что значит слово включительно?

Чистая математика

В этом подходе идентификация металлов производится по весу. Недостаток метода проявляется, когда в наличии только один тип металла. Определить в руках, что тяжелее уже не получится, приходится прибегнуть к математическим вычислениям. Способствует этому существенные отличия в плотности металлов:

титан – 4.5;
железа – 7.8;
алюминия и дюрали – 2.7.

Для такого способа определения титана в своем хозяйстве нужно иметь точные весы

Значения параметра приведены в г/куб.см. Остается добавить, что плотность стали зависит от конкретной марки металла. Однако в абсолютных величинах эти отличия несущественны. Поэтому за плотность стали можно смело принимать значение аналогичной характеристики у железа.

Остается только уточнить объем и вес детали или куска металла. Далее, несложные вычисления, покажут, это алюминий, сталь или искомый металл – титан. Как определить объем детали сложной формы? Тут лучший вариант – закон Архимеда. Масса вытолкнутой жидкости, при погружении металлической конструкции, позволяет установить ее объем. Ситуацию упрощает плотность воды, эквивалентная 1 кг/куб.дм. Соответственно каждый грамм вытолкнутой жидкости равен одному кубическому сантиметру объема.