Реферат : Титан, магний и их сплавы

Введение

Монумент в честь покорителей космоса воздвигнут в Москве в 1964 г. Почти семь лет (1958 – 1964) ушло на проектирование и сооружение этого обелиска. Авторам пришлось решать не только архитектурно-художественные, но и технические задачи. Первой из них был выбор материалов, в том числе и облицовочных. После долгих экспериментов остановились на отполированных до блеска титановых листах.

Действительно, по многим характеристикам, и прежде всего по коррозионной стойкости, титан превосходит подавляющее большинство металлов и сплавов. Иногда титан называют вечным металлом.

[sms]

Титан был впервые получен лишь в 1875 г. русским ученым Д. К. Кирилловым. Результаты этой работы опубликованы в его брошюре “Исследования над титаном”. Но работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Еще через 12 лет довольно чистый продукт — около 95 % титана — получили соотечественники Берцелиуса, известные химики Л. Нильсон и О. Петерсон.

Одной из основных “проблем”, которые пытались разрешить средневековые алхимики, было получение “философского камня”. Предполагалось, что он необходим для массового производства золота из “неблагородных” металлов [Беляев А. И. История магния. — М.: Наука, 1974, стр. 15].

Поиски велись в разных направлениях, но ни “камня философов”, ни “эликсира молодости” алхимики не нашли. Они делали много ошибок; некоторых из них современники уличали в ереси, но для будущей химической науки, особенно для техники лабораторного эксперимента, алхимики сделали немало.

В XVII в. начался новый период в истории химической науки. Именно в этот период произошло открытие, в значительной степени предвосхитившее открытие элемента магния.

В 1808 г. Хэмфри Дэви при электролизе слегка увлажненной белой магнезии с окисью ртути получил амальгаму нового металла, который вскоре был из нее выделен и назван магнием. Правда, магний, полученный Дэви, был загрязнен примесями; первый действительно чистый магний получен А. Бюсси в 1829 г. [Популярная библиотека химических элементов. —М.: Наука, 1977, стр. 145].

1. Свойства титана и его сплавов

1.1. Физико-механические свойства титана

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, холодостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.

Таблица 1.

Физико-механические свойства титана

Плотность , кг/м3

4,5 x 10–3

Температура плавления Тпл, ° С

1668± 4

Коэффициент линейного расширения  ·  10–6, град–1

8,9

Теплопроводность, Вт/(м · град)

16,76

Предел прочности при растяжении в, МПа

300–450

Условный предел текучести 0,2, МПа

250–380

Удельная прочность ( в/ · g) · 10–3, км

7–10

Относительное удлинение %

25–30

Относительное сужение, %

50–60

Модуль нормальной упругости Е х 10–3, МПа

110,25

Модуль сдвига G х 10–3, МПа

41

Коэффициент Пуассона

0,32

Твердость НВ

103

Ударная вязкость KCU, Дж/см2

120

Титан имеет две полиморфные модификации: -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900° С. Температура полиморфного ↔ -превращения составляет 882° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается [Некрасов Б. В. Основы общей химии. — М.: Химия, 1967, стр. 56].

1.2. Титан и его сплавы

Роль титана как конструкционного материала, основы высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники, быстро возрастает. Именно в сплавы идет большая часть выплавляемого в мире титана. Широко известен сплав для авиационной промышленности, состоящий из 90 % титана, 6 % алюминия и 4 % ванадия. В 1976 г. в американской печати появились сообщения о новом сплаве того же назначения: 85 % титана, 10 % ванадия, 3 % алюминия и 2 % железа. Утверждают, что этот сплав не только лучше, но и экономичнее.

А вообще в титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия. Последние (в количестве 0,1...0,2 %) повышают и без того высокую химическую стойкость титановых сплавов.

Прочность титана повышают и такие “легирующие добавки”, как азот и кислород. Но вместе с прочностью они повышают твердость и, главное, хрупкость титана, поэтому их содержание строжайше регламентируется: в сплав допускается не более 0,15 % кислорода и 0,05 % азота.

Несмотря на то, что титан дорог, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Вот характерный пример. Корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава — 600 рублей. Но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый — 10 лет. Прибавьте затраты на замену стальных реакторов, вынужденные простои оборудования — и станет очевидно, что применять дорогостоящий титан бывает выгоднее, чем сталь.

Значительные количества титана использует металлургия. Существуют сотни марок сталей и других сплавов, в состав которых титан входит как легирующая добавка. Его вводят для улучшения структуры металлов, увеличения прочности и коррозийной стойкости.

Некоторые ядерные реакции должны совершаться в почти абсолютной пустоте. Ртутными насосами разрежение может быть доведено до нескольких миллиардных долей атмосферы. Но этого недостаточно, а ртутные насосы на большее неспособны. Дальнейшая откачка воздуха осуществляется уже особыми титановыми насосами. Кроме того, для достижения еще большего разрежения по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан.

2. Свойства магния и его сплавов

2.1. Физико-химические и механические свойства магния

Магний — металл серебристо-белого цвета, один из самых распространенных элементов в земной коре. Магний кристаллизуется в решетку ГПУ с периодами a = 0,32 нм, с = 0,52 нм и не имеет аллотропических модификаций. Характеристики основных физико-химических и механических свойств приведены ниже.

Таблица 2.

Характеристики физико-химических и механических свойств магния

Плотность , (кг/м3) · 10–3 1,74

Температура плавления Тпл, °С 651

Температура кипения Ткип, °С 1107

Скрытая теплота плавления, Дж/г 393

Удельная теплоемкость (при 20–100 °С), Дж/(г·град) 1,03

Теплопроводность , Вт/(м град) 157

Удельное электросопротивление ,

(при 20 °С), Ом мм2/м 0,047

Коэффициент линейного расширения , при 25° С, (1/град) 106 26

Временное сопротивление в, МПа:

в литом состоянии 118

в деформированном состоянии 196

Предел текучести, МПа:

в литом состоянии 30

в деформированном состоянии 88

Твердость НВ:

в литом состоянии 30,0

в деформированном состоянии 36,0

Относительное удлинение , %:

в литом состоянии 8,0

в деформированном состоянии 12,0

Модуль упругости Е, МПа:

в литом состоянии 42000–44000

в деформированном состоянии 41000–43000

Магний — химически активный металл и легко окисляется. Оксидная пленка MgO не обладает высокими защитными свойствами и с повышением температуры скорость окисления быстро возрастает. При нагреве на воздухе до 623° С магний воспламеняется. Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов. Магниевая пыль, мелкая стружка самовозгораются при еще более низкой температуре. Поэтому отливки перед загрузкой в печь для их термообработки необходимо очищать от магниевой пыли, стружки и заусенцев [Самсонов Г. В., Перминов В. П. Магниды. — Киев: Наукова думка, 1971, стр. 35].

Литой магний имеет крупнокристаллическую структуру и низкие механические свойства: в = 110–120 МПа, 0,2 = 20–30 МПа, = 6–8 %, НВ 30. Низкая пластичность магния при нормальной температуре связана с особенностью решетки ГПУ, в которой скольжение происходит только по базисным плоскостям. Повышение температуры приводит к появлению новых плоскостей скольжения и двойникованию и, как следствие, к увеличению пластичности. Поэтому обработку давлением магния и его сплавов проводят при температуре 320–430° С в состоянии наибольшей пластичности.

2.2. Магний и его сплавы

Из-за низких механических свойств чистый магний как конструкционный материал не применяется. Он используется для производства магниевых сплавов, в пиротехнике, в химической промышленности, а также в металлургии в качестве раскислителя, восстановителя, модификатора и легирующего элемента.

Свойства магния значительно улучшаются при легировании. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Mn, Li. Для дополнительного легирования используют Zr, Cd, Ce, Nd и др. Механические свойства магниевых сплавов при температуре 20–25° С улучшаются с помощью легирования алюминием, цинком и цирконием, при повышенной температуре — добавкой церия, неодима и, особенно, тория. Цирконий и церий оказывают модифицирующее действие на структуру сплавов магния. Особенно эффективен цирконий: добавка 0,5–0,7 % Zr уменьшает размер зерна в 80–100 раз. Кроме того, Zr и Mn значительно уменьшают вредное влияние примесей железа и никеля на свойства сплавов.

Увеличение растворимости легирующих элементов в магнии с повышением температуры позволяет подвергать сплавы упрочняющей термической обработке: закалке и искусственному старению. Однако термическая обработка магниевых сплавов усложняется из-за весьма медленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16 – 30 ч) для растворения вторичных фаз и обеспечивает закалку при охлаждении на воздухе. Магниевые сплавы не склонны к естественному старению. При искусственном старении необходимы высокие температуры (до 200° С) и большие выдержки (до 16 – 24 ч).

Магниевые сплавы находят широкое применение. Авиация и реактивная техника, ядерные реакторы, детали моторов, баки для бензина и масла, приборы, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, масляные насосы, отбойные молотки, пневмобуры, фото и киноаппараты, бинокли — вот далеко не полный перечень областей применения магниевых сплавов [Тихонов В. Н. Аналитическая химия магния. — М.: Наука, 1973, стр. 65].

Заключение

Благодаря высокой коррозионной стойкости титан и его сплавы широко используются в химической промышленности: теплообменники и выпарная аппаратура, реакторы, скрубберы, сушилки, разделительные колонны, емкости, насосы, прочее оборудование. Примерно 30 % титана расходуется на изготовление коммуникаций из титана, применяемых в химической промышленности, титан используется также в хлорном производстве.

Широкое применение титан находит в производстве искусственного волокна, красителей, азотной кислоты, синтетических жирных кислот, хлорированных углеводородов, кальцинированной соды, в хлорорганическом синтезе, во многих агрессивных средах.

Титан применяется в качестве элемента, повышающего твердость алюминиевых сплавов, и модификатора, позволяющего получать мелкозернистую структуру металла.

Добавки титана повышают качество чугуна и стали. Отдельно или с другими элементами титан применяется как раскислитель при производстве многих низколегированых и углеродистых сталей.

Титан часто называют металлом будущего. Факты, которыми уже сейчас располагают наука и техника, убеждают, что это не совсем так — титан уже стал металлом настоящего.

Магний — один из самых распространенных в земной коре элементов, он занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция.

Он используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационной и ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах, как восстановитель при магнийтермическом получении металлов (титана, циркония и т. п.), в производстве высокопрочного “магниевого” чугуна со включенным графитом. Другие соединения магния — окись, карбонат, сульфат и т. п. — совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных материалов.

Библиографический список

Беляев А. И. История магния. — М.: Наука, 1974.

Некрасов Б. В. Основы общей химии. — М.: Химия, 1967.

Николаев Г. И. Магний служит человеку. — М.: Металлургия, 1978.

Самсонов Г. В., Перминов В. П. Магниды. — Киев: Наукова думка, 1971.

Тихонов В. Н. Аналитическая химия магния. — М.: Наука, 1973.

Популярная библиотека химических элементов. — М.: Наука, 1977.

[/sms]