Благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии титан - прекрасный материал для изготовления химической аппаратуры. Но главное свойство титана, способствующее все большему его применению в современной технике, - высокая жаростойкость как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами. Кроме того эти сплавы обладают жаропрочностью - способностью сохранять высокие механические свойства при высоких температурах. Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения. [1,c649] Несмотря на сравнительно высокую стойкость титана, применение его в химическом машиностроении вполне оправдывается, так как окупается продолжительностью службы изготовленного из него оборудования. Многие области техники уже не могут обходиться без титана. [7,c7]

Титан лишь немного тяжелее алюминия, но в три раза прочнее его. Это открывает перспективы применения титана в различных областях машиностроения. Достаточно указать, что использование деталей из титана и его сплавав в двигателях внутреннего сгорания позволяет снизить массу этих двигателей примерно на 30%.

Широкие возможности применения титана в технике вызвали бурное развитие его производства. В 1948 г. был получен первый промышленный титан в количестве 2,5 т, в 1954 г. мировое производство этого металла составило 7000 т, а в 1957 г. достигло 30 000 т. Таких темпов роста не наблюдалось в производстве ни одного другого из металлов. [1,c.649]

Металлический титан похож на сталь; чистый титан ковок уже на холоду. Он применяется для производства жаропрочных карбидов. Для промышленных целей давно уже получают ферротитан, добавление которого в малых количествах (0,1%) в специальные стали повышает их тягучесть и увеличивает сопротивление на разрыв. [2,c.635]

Сплавы с алюминием отличаются хорошей свариваемостью; прочность их по сравнению с чистым титаном значительно выше. Однако такие сплавы недостаточно хорошо поддаются горячей пластической деформации. Для улучшения технологичности сплавов при ковке и прокатке в их состав вводят марганец, молибден, хром ванадий и другие элементы. Повышение содержания алюминия в сплавах титана приводит к повышению жаропрочности.

Сплавы титана используют для изготовления широкого ассортимента полуфабрикатов. Из сплавов ВТ-1 и 3А1 изготавливают поковки, штамповки, листы; из сплава ОТ-4 - листы, из сплава ВТ3 - поковки. Жаропрочный сплав ВТ-6 используют для различного типа полуфабрикатов. [7,c.279]

В процессе производства титановой губки и при переработке ее в готовые изделия образуется значительное количество отходов. Как правило, отходами являются кричная губка крупностью - 3+0мм и гарниссажная крупностью - 5+0мм. К отходам относятся и те части губки, которые удаляются при первичной обработке блока: верхняя и нижняя пленка и губка из мест соприкосновения блока со стенками реактора. Часть губки отбраковывается при визуальном осмотре ее на ленте транспортера. [7,c.291]

Примерно 2/3 общего количества отходов являются кондиционными, но имеют повышенное содержание кислорода, азота и других примесей. Если отходы загрязнены примесями только с поверхности, то после соответствующей обработки их можно использовать для подшихтовки при изготовлении расходуемых электродов.

Отходы с загрязнением по всему сечению бруска пока не находят рационального применения в промышленности. Мелкие куски, четко разделенный сбор которых по сплавам нельзя гарантировать вследствие трудоемкости контроля состава, также относятся к некондиционным отходам. Рациональное использование и переработка отходов титана позволяют значительно увеличить количество изделий без увеличения мощности заводов, производящих титан.

Наиболее рациональным путем использования кондиционных отходов, получаемых при переработке титановой губки а слитки, листы и литые изделия, является возвращение их в повторную плавку. Если технологический процесс литья идет нормально, то качество металла отходов практически не отличается от качества металла отливок. Если отливка считается годной, то ее отходы могут быть использованы для переплава. [7,c.292]

Из губки мелких фракций могут быть изготовлены металлокерамические фильтры для очистки магния. Отсевы титановой губки более мелких фракций могут быть использованы для изготовления прессованием различного рода металлокерамических деталей и титановой ленты путем прокатки порошков. [7,c.294]

В настоящее время в промышленности широко используется метод предотвращения коррозии основного металла путем пленочного или диффузного покрытия его другим металлом, более стойким в этой среде. Высокая коррозионная стойкость титана во многих средах является одним из самых ценных его качеств. В ряде случаев титановые покрытия обладают более высокими коррозионными свойствами, чем титан, в частности при действии серной и соляной кислот. [7,c.295]

Химическая промышленность может использовать значительные количества отходов титана, переработанных тем или иным способом в определенные продукты: двухлористый и треххлористый титан, гидрид титана, титансодержащие хлоридные расплавы и т.д.

Значительные количества некондиционных отходов титана применяются в черной металлургии для раскисления сталей. Учитывая высокую стоимость титановых отходов, использование их в черной металлургии нельзя признать рациональным. [7,c.296]

Соединения титана

При высокой температуре титан соединяется с галогенами, кислородом серой, азотом и другими элементами. На этом основано применение сплавов титана с железом (ферротитана) в качестве добавки к стали. Титан соединяется с находящимися в расплавленной стали азотом и кислородом и этим предотвращает выделение последних при затвердевании стали, - литье получается однородным и не содержит пустот.

Соединяясь с углеродом, титан образует карбид. Из карбидов титана и вольфрама с добавкой кобальта получают сплавы, по твердости приближающиеся к алмазу.

Диоксид титана TiO₂ - белое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде и разбавленных кислотах. Это - амфотерный оксид, но как основные, так и кислотные свойства у него выражены слабо. [1,c.650]

Встречается в природе как рутил (кубическая сингония), реже в виде анатаза (тетрагональная сингония) и брукита (ромбическая сингония). В рутиле каждый ион Ti⁴⁺ окружен шестью ионами О^2-, а каждый ион О^{2 -} окружен тремя ионами Ti⁴⁺. В остальных двух кристаллических формах непосредственные соседи ионов те же.

Совершенно чистый диоксид титана бесцветен. В природе он обычно загрязнен окисями железа и поэтому окрашен.

Совершенно не растворяется в воде и в разбавленных кислотах. В теплой концентрированной серной кислоте он растворяется медленно с возможным образованием сульфита титана Ti (SO₄) ₂, который, однако, нельзя выделить в чистом виде из-за легкости его перехода вследствие гидролиза в сульфит титанила (TiO) SO₄. Эта растворимая в холодной воде соль при нагревании также гидролизуется с образованием H₂SO₄ и гидратированного диоксида титана, так называемой в-титановой или метатитановой кислоты. Легкость с которой происходит этот гидролиз, говорит о слабых основных свойствах гидроокиси титана. Сульфат титана дает с сульфатами щелочных металлов (которые добавляются к используемой для растворения диоксида титана серной кислоте) двойные соли, например K₂ [Ti (SO₄) ₃], более устойчивые к гидролизу, чем простые сульфаты.

Гидроокиси и карбонаты щелочных металлов осаждают из растворов сульфатов на холоду студенистый гидратированный диоксид титана, так называемую Ь-титановую кислоту, отличающуюся от в-титановой более высокой реакционной способностью (так, например Ь-титановая кислота растворяется в щелочах, в которых в-титановая нерастворима). Гидроокись четырехвалентного титана, или собственно титановую кислоту Ti (OH) ₄, нельзя выделить, в этом она похожа на кремниевую и оловянную кислоты. Ь - и в - титановые кислоты, представляющие собой более или менее дегидратированные производные гидроокиси титана (IV), полностью сравнимы с Ь - и в-оловянными кислотами.

Нейтральный или подкисленный раствор сульфата титанила, а также других солей титана окрашивается перекисью водорода в темно-оранжевый цвет (реакция обнаружения перекиси водорода). Аммиак осаждает из этих растворов пероксотитановую кислоту H₄TiO₅ желто-коричневого цвета, имеющую формулу Ti (OH) ₃O-OH. [2,c.635]

Применяется TiO₂ при изготовлении тугоплавких стекол, глазури, эмали, жароупорной лабораторной посуды, а также для приготовления белой масляной краски, обладающей высокой кроющей способностью (титановые белила).

Сплавлением TiO₂ с BaCO₃ получают титанат бария BaTiO₃. Эта соль имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость и, кроме того, обладает способностью деформироваться под действием электрического поля. Кристаллы титаната бария применяются в электрических конденсаторах высокой емкости и малых размеров, в ультразвуковой аппаратуре, в звукоснимателях, в гидроакустических устройствах. [1,c.650]

Хлорид титана (IV) TiCl₄, получаемый тем же способом, что и SiCl₄, представляет собой бесцветную жидкость с температурой кипения 136?C и температурой плавления - 32?С, гидролизующуюся водой с образованием TiO₂ и 4HCl. С галогенидами щелочных металлов хлорид титана (IV) дает двойные хлориды, содержащие комплексный ион [TiCl₆] ^2-. Фторид титана (IV) TiF₄ выделяют в виде белого порошка с температурой плавления 284?С; он также легко гидролизуется и образует с HF гексафторотитановую (IV) кислоту H₂TiF₆, подобную гексафторкремниевой кислоте.

Безводный хлорид титана (III) TiCl₃ получают в виде фиолетового порошка пропусканием паров TiCl₄ вместе с Н₂ через медную трубку, нагретую примерно до 700?C. В виде водного раствора (фиолетового цвета) его получают восстановлением TiCl₄ в соляной кислоте при помощи цинка или электролитически. Так же получают и сульфат титана (III). Из водного раствора хлорида титана (III) выкристаллизовывается фиолетовый гексагидрат TiCl₃?6H₂O.

Хлорид титана (II) TiCl₂, окрашенный в черный цвет, получают термическим разложением TiCl₃ при 700?С в атмосфере водорода:

Бесцветный водный раствор этого хлорида быстро окисляется на воздухе, при этом он вначале окрашивается в фиолетовый цвет, а затем снова становится бесцветным вследствие образования сначала соединения Ti (III), а затем соединения Ti (IV). [2,c.636]

Карбонитриды, оксикарбиды и оксинитриды титана. Обнаружено, что характер зависимости растворения тугоплавких фаз внедрения (ТФВ) - карбидов, нитридов и оксидов титана - от состава коррелирует с изменением степени металличности связей Ti-Ti в ряду TiC-TiN-TiO, а именно: с увеличением степени металличности фаз в этом направлении их химическая стойкость в HCl и H₂SO₄ снижается, а в HNO₃ - растет. Поскольку карбиды, нитриды и монооксид титана характеризуются полной взаимной растворимостью, то можно ожидать, что и при взаимодействии их твердых растворов с кислотами будет проявляться аналогичная закономерность.

Однако имеющиеся в литературе сведения о зависимости степени растворения TiC_xO_y и TiN_xO_y от состава в минеральных кислотах плохо согласуются с этим предположением. Так, растворимость TiC_xO_y (фракция <56 мкм) в конц. HCl отсутствует вообще (20?C, 6 ч и 100?С, 3 ч), а в H₂SO₄ - отсутствует при 20?C (6 ч), но монотонно возрастает от 3% (TiC_0.30O_0.78) до 10% (TiC_0.86O_0.12) при 100?C (3 ч). Степень растворения TiC_xO_y (фракция 15-20 мкм) в 92% -ной H₂SO₄ (100?C, 1 ч), напротив, уменьшается с ростом содержания углерода от 16% (TiC_0.34O_0.66) до 2% (TiC_0.78O_0.22). Степень растворения TiC_xO_y в конц. HCl (d=1,19 г/см) в тех же условиях достигает 1-2%, не обнаруживая, однако, какой-либо зависимости от состава фазы. Степень растворения TiN_xO_y в конц. HNO₃ - низкая (2,5-3,0%) и не зависит от состава оксинитрида (20?C, 6 ч). С другой стороны степень растворения TiN_xO_y в HNO₃ в тех же условиях варьирует в очень широких пределах: от 98% для TiC_0.88O_0.13 до 4,5% для TiC_0.11O_0.82. Трудно сказать что-либо определенное о характере зависимости степень растворения - состав карбонитрида титана в соляной и серной кислотах. Степень растворения TiC_xO_y в HCl очень мала (0,3%) и не зависит от состава карбонитрида (60?C, 6 ч). Однако в конц. H₂SO₄ она на порядок выше (3,0-6,5%) и характеризуется минимумом (2%) для образца состава TiC_0.67O_0.26.

Полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что характер зависимости растворения TiC_xN_y, TiC_xO_y и TiN_xO_y от состава в HCl, H₂SO₄ и HNO₃ является вполне определенным и, более того, подобным установленному ранее для TiC_x, TiN_x и TiO_x. Это означает, что и причины качественно различного хода этих зависимостей в HCl и H₂SO₄, с одной стороны, и в HNO₃ с другой, должны быть общими для всех исследованных соединений системы TI-C-N-O, т.е. определяться степенью металличности связи Ti-Ti и пассивирующей способностью образующихся продуктов взаимодействия. [4]

Титанаты лития и цинка Li₂ZnTi₃O₈ и Li₂Zn₃Ti₄O₁₂ имеют кубическую шпинельную структуру с различным распределением катионов по позициям. Установлено, что эти соединения являются твердыми литийпроводящими электролитами. В Li₂ZnTi₃O₈ катионы лития и титана упорядочены в октаэдрических позициях в соотношении 1: 3, половина атомов лития и цинк статистически распределены по тетраэдрическим позициям: (Li_0.5Zn_0.5) [Li_0.5Ti_1.5] O₄. Кристаллохимическая формула Li₂Zn₃Ti₄O₁₂ может быть записана как (Zn) [Li_2/3Ti_4/3] O₄. На основе анализа ИК - и КР-спектров предложен иной способ распределения атомов лития и цинка в структуре данных шпинелей: литий имеет тетраэдрическую координацию, а цинк и титан - октаэдрическую. Отмечено также сильное искажение октаэдров TiO₆: так, в Li₂Zn₃Ti₄O₁₂ окружение ионов Ti⁴⁺, близко к пяти координационному. Невысокая ионная проводимость этих титанатов при повышенных температурах объясняется тетраэдрической координацией атомов лития.

На примере галидных шпинелей Li₂MX₄ (M=Mg²⁺,Mn²⁺,Fe²⁺; X=Cl^-,Br^-) установлено, что катионный состав и распределение атомов лития по позициям оказывает сильное влияние на величину электропроводности. Так как в структуре шпинели нет общих граней между одинаковыми катионными позициями, в ионном переносе участвует несколько различных позиций. Высокие значения ионной проводимости в хлоридных шпинелях наблюдались в результате разупорядочения структуры соединений, связанного с переходом атомов лития при повышенных температурах из тетраэдрических позиций 8а в свободные октаэдрические позиции 16с. При этом шпинельная структура превращалась в структуру типа NaCl. Информативным методом исследования разупорядочения структуры хлоридных шпинелей явилось изучение КР-спектров соединений при высоких температурах.

Литература

1. Н.Л. Глинка. Общая химия - Л.: Химия, 1981, - 720 с.;

2. К. Неницеску. Общая химия - М.: Мир, 1968, 816 с.;

3. Н.С. Ахметов. Общая и неорганическая химия - М.: Высшая школа, 743с.;

4. В.А. Жиляев, А.П. Штин. "Взаимодействие карбонитридов, оксикарбидов и оксинитридов титана с концентрированными минеральными кислотами", Журнал неорганической химии, т.48, №8 (Август 2003), с.1402;

5. И.А. Ленидов, Л.А. Переляева и др. "Исследование разупорядочения шпинелей Li_2xZn_2-3xTi_1+xO₄ (x=0.33, 0.5) методом спектроскопии комбинационного рассеяния света: Корреляция с ионной проводимостью", Журнал неорганической химии, т.48, №11 (Ноябрь 2003), с.1841;

6. М.М. Годнева, Д.Л. Мотов, Химия подгруппы титана - Л.: Наука, 1980, - 175с.;

7. Сергеев В.В., Галицкий Н. В и др. Металлургия титана - М.: Металлургия, 1971, - 320с.;

8. Под ред. Галицкого Б.А. Титан и его сплавы в химическом машиностроении - М.: Машиностроение, 1968 - 340с.

Размещено на Allbest.ru