Titan – vlastnosti, použití, slitiny a výroba

Titan patří se zirkoniem, tantalem a niobem do skupiny těžkotavitelných kovů, které se vyznačují velkou pevností krystalové mřížky, vysokou teplotou tavení, značnou tvrdostí a odolností proti korozi. Výroba těchto kovů je odlišná od běžných hutnických pochodů, což souvisí se stálostí jejich chemických sloučenin. Hustota při pokojové teplotě ………….4,51 g/cm3

Teplota taní čistého titanu …………….1668 °C (p ři atmosférickém tlaku)Teplota varu čistého titanu ………….. 3 287 °C (p ři atmosférickém tlaku)

Tvrdost …………………6,0 v Mohsově stupnici tvrdostiAtomové číslo ……22 Atomová hmotnost …. 47,9

Titan má mřížku hexagonální s těsným uspořádáním

Titan je sedmým nejrozšířenějším kovem v zemské kůře, jeho obsah se odhadujena 5,7 – 6,3 g/kg. Kovový titan je dobrým konstrukčním materiálem pro svou velkouodolnost proti korozi, pevnost, tvrdost a odolnost proti teplotám a malou měrnou hmotnost.

V malém množství je titan obsažen ve většině minerálů a mezi jeho nejvýznamnějšírudy patří ilmenit - (FeTiO3 oxid železnato-titaničitý) a rutil (TiO2 - oxid titaničitý).

Významné zásoby těchto minerálů se nacházejí v Austrálii, Severní Americe, Skandinávii a Malajsii. Významně je titan zastoupen i na měsíčním povrchu – horniny, které získala mise Apollo 17 obsahují přibližně 12 % TiO2.

Titan je šedý až stříbřitě bílý, lehký a tvrdý kov. Je dobrým vodičem tepla i elektřiny. Vyznačuje se mimořádnou chemickou stálostí - je zcela netečný k působení vody a atmosférických plynů a odolává působení většiny běžných minerálních kyselin i roztoků alkalických hydroxidů. Zvolna se rozpouští v horké HCl, naopak kyselina dusičná jeho povrch pasivuje. Pro jeho rozpouštění je nejúčinnější kyselina fluorovodíková HF nebo její směsi s jinými minerálními kyselinami.

Již od počátku průmyslové výroby kovového titanu spočívalo těžiště jeho využitív kosmických technologiích a speciálních aplikacích leteckého průmyslu.

Titan a jeho slitiny jsou proto základním materiálem při výrobě skeletů nebopovrchových ochranných štítů kosmických objektů (družice, vesmírné sondya vesmírné stanice). V leteckém průmyslu nacházejí využití při výrobě zvláštěnamáhaných součástí letadel, tedy především při konstrukci vojenských stíhacích letounů a dnes i při konstrukci komerčních dopravních letadel.V chemickém průmyslu je titan stále populárnějším materiálem pro výrobu nebo pouhou vystýlku chemických reaktorů, které pracují v extrémních podmínkách a vyžadují vysokou odolnost proti korozi. Titan je stále častěji používán v zařízeních, která dlouhodobě pracují ve styku s mořskou vodou. Mohou to být součásti lodí nebo ponorek (lodní šrouby), ale i komponenty průmyslových celků, sloužících k odsolování (desalianci ) mořské vody.V běžném každodenním životě se s titanem můžeme setkat například jako s materiálem pro výrobu luxusních náramkových hodinek nebo částí šperků.

Pro praktické použití je však nejvíce vhodná amorfn í prášková forma , nazývaná titanová b ěloba (čistý TiO2 ). Tento bílý pigment je mimořádně stálý, zdravotně zcela nezávadný s vysokou krycí schopností a patří proto mezi nejkvalitnější dostupné bílé pigmenty. Praktické použití nachází jak při výrob ě barev , tak ve sklářském a keramickém průmyslu, používá se i při výrobě vysoce kvalitního papíru, jako plnivo p ři výrob ě plastických hmot a někteří výrobci jej přidávají i do zubních past. Díky tomu, že prochází trávícím traktem nepozměněn, je používán i v potravinářském průmyslu k bělení mléka . Odhaduje se, že oxid titani čitý tvo ří více než 90 % celosv ětové spot řeby produkt ů z titanu. Největšími výrobci titanové houby jsou Rusko, USA,Japonsko a Čína.

Spotřebu titanu a jeho slitin z hlediska aplikace u jednotlivých oblastech lze

rozdělit přibližně následovně

Přes své vysoké zastoupení v zemské kůře byl čistý kovový titan po dlouhou dobu velmi vzácným a drahým materiálem. Důvodem je skutečnost, že běžné hutní metody, které se využívají k výrobě jiných kovů jsou v případě titanu neúčinné díky ochotě titanu reagovat za zvýšené teploty s kyslíkem, vodíkem, uhlíkem a dusíkem.

100 % stabilní

100 % nestabilní

5 -25

2 - 6

0

Obsah ββββ –fáze v %

UTA6VTi(6)4

TI6246

VT6

VT33

VT30

Ti-(5-7)Al-4V

Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo

Ti-11Mo-6Sn-4Zr

(a + b) slitiny martenzitického typu

4201Ti-33Moβ-slitiny

B120VCA

BETA III

VT15

Ti-13V-11Cr-3Al

Ti-11,5Mo-6Zr-4,5Sn

Ti-3Al-7Mo-11Cr

Pseudo β-slitiny

IMI 679

Ti 6242

Ti-11Sn-2,25Al-5Zr-1Mo-0,22Si

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si

Pseudo – α -slitiny

UT 40

UT 3502

VT1-00

VT1-04200

VT5-1

nelegovaný Ti

Ti – (0,2-0,5)Pd

Ti - 5Al – 2,5Sn

α - slitiny

OznačeníFrancie

OznačeníUSA

OznačeníRusko

Chemické složeníTyp slitiny

Přehled nejčastěji používaných Ti slitin

TiAl5Sn2.5α zliatinaPolyedrická α fáza 750 x

TiAl3.5Mn1.5Pseudo α zliatinaPolyedrická štruktúraα + β750 x

TiAl3.5Mn1.5Pseudo α zliatinaPočiato čné štádium tvorby WS750 x

TiAl5V4α + β martenzitického typuPolyedrická štruktúraα + β

750 x

TiAl5V4α+ β martenzitického typuPolyedrická štruktúra WS vβ fáze

750 x

TiAl5V4α + β martenzitického typuHeterogénna deformácia

750 x

TiAl6V4α + β martenzitického typuWS štruktúra750 x

TiAl6V4α+β martenzitického typu

TiAl6V4α + β martenzitického typuMartenzit

750 x

Martenzit

Sieťovie β fázy

VÝROBA TITANU

Prvé dvě tuny titanové houby se vyrobily v poloprovozním zařízení v USA v r. 1947.Převážná část kovového titanu se vyrábí tzv. Krollovým postupem . Stěžejní operací tohoto postupu je redukce chloridu titani čitého ho řčíkem nebo sodíkem. Podobnou technologií se zpracovávají všechny minerály Ti.Rozkladu koncentrátů kyselinou sírovou dnes používají pouze chemickézávody vyrábějící titanovou bělobu. Průmyslová výroba titanu se skládá zečtyř základních operací: • příprava materiálu pro chloraci, • výroba chloridu titani čitého, • redukce titanové houby, • přetavování Ti houby na kujný titan.

Obtíže při výrobě titanu (průmyslová výroba titanu je jedna z nejmladších)působí jeho značná reaktivnost s kyslíkem, dusíkem a vodíkem, které i při velmi malém obsahu zvyšují jeho tvrdost a křehkost a snižují jeho tvářitelnost.

Příprava materiálu pro chloraci

Zpracovává-li se rutil, v podstatě přírodní TiO2, míchá se pouze s uhlím v poměru 3 : 1 a briketuje. Hlavní surovinou p ři výrob ě titanu je však ilmenit FeTiO 3,jehož přímou chlorací by vznikala směs chloridu titaničitého a železitého. Proto se ilmenit nejdříve selektivně redukuje v obloukové peci na surové železo a strusku obsahující karbid titanu , který se snadno chlóruje:

FeTiO3 + 4 C = TiC + Fe + 3 CO

Jestliže se při tavení směsi ilmenitu a uhlí v obloukové peci přivádívzduch, popř. čpavek, vzniká snadno chlorovatelný nitrid titanu, který

se oddělí od vyredukovaného Fe magnetickou separací:

2 FeTiO3 + 6 C + N2 = 2 Fe + 2 TiN + 6 CO

Výroba chloridu titaničitého

Brikety z TiO2 s uhlím se chlórují v šachtových pecích, elektricky (odporově) vyhřívaných na teplotu 800°C,přičemž probíhají tyto reakce:

TiO2 + 2 Cl2 + 2 C = TiCl4 + 2 COTiO2 + 4 Cl2 + 2 C = TiCl4 + 2 COCl2

Chlorid titaničitý uniká v párách a jímá sev kondensátorech jako nažloutlá kapalina.Před vlastní redukcí se chemicky čistí odprůvodních kovů (Fe, V, Si) a znovu se destiluje

Redukce titanové houby

Nejrozšířenější je redukce chloridu titaničitého hořčíkem, která probíháv kelímcích pod ochrannou atmosférou argonu nebo hélia. Při redukci reagují při teplotě 850 až 920°C páry p řitékajícího chloridu titaničitého s roztaveným hořčíkem.

TiCl4 + 2 Mg = Ti + 2 MgCl2 + 510 kJ

Při reakci vzniklý chlorid hořečnatý a zbytky hořčíku se odstraňují buď chemicky - loužením zředěnou kyselinou solnou, nebo častěji vakuovou destilací. Vyredukovaný kov vytváří na stěnách kelímků nebo vložek vrstvu Ti houby.

Druhou možností je redukce chloridu titaničitého sodíkem, používaná především v USA, Velké Británii aj.

Přetavování Ti houby na kujný titan

Z titanové houby se získává kujný kov převážně přetavováním v elektrické obloukové peci do měděné kokily chlazené vodou. Taví se se samoodtavovací elektrodou, získanou slisováním Ti houby. Pracuje se ve vakuu nebo v atmosféře argonu.

Zkoumala se výroba titanu elektrolýzou z taveniny - pracuje ses taveninou solí obsahující subchloridy titanu, v inertní atmosféře.Pro ocelářské účely se přímo z koncentrátů vyrábí redukcí hliníkem ferotitan s obsahem 20 až 40 % Ti.