Металл сегодня - это не только чугун, и сталь..., это, и титан - юный соперник железа.
Академик И. П. БАРДИН.
Статья рассказывает об открытии титана, становлении титановой промышленности, роли этого металла в развитии техники, о широких возможностях советской титановой промышленности, занимающей одно * из первых мест в мире. В статье говорится о необходимости более широкого использования титана, определяющего технический прогресс во многих отраслях народного хозяйства. Титан - металл не только будущего, он занимает ведущее место в арсенале материалов современной техники.
Кандидат технических наук С. ВАЖЕНИН, инженеры Г. НИКОЛАЕВ, и А. КАНЮК (Всесоюзный научно-исследовательский, и проектный институт титана, г. Запорожье)
ДВАЖДЫ ОТКРЫТЫЙ
В 1790 году английский священник В. Грегор, увлекавшийся химией, и минералогией, заинтересовался, почему речной песок из местечка Менакаи имеет черный цвет. Исследуя этот песок, он обнаружил в нем окисел неизвестного элемента. Через год Грегор опубликовал сообщение о своих исследованиях, и предложил назвать обнаруженный им элемент менаканитом.
В 1795 году известный немецкий химик М. Клапрот, иностранный почетный член Петербургской академии наук, незадолго до этого открывший уран, и цирконий, тщательно изучая образцы минерала, который теперь называется рутилом, установил, что он содержит в себе новый, неизвестный науке металл. Сопоставляя результаты своих исследований с сообщением Грегора, М. Клапрот пришел к выводу, что открытый им металл, и менаканит тождественны. Позднее Клапрот изучал образцы ильменита, и установил, что, и этот минерал содержит в себе новый, открытый им элемент. Клапрот, признавая приоритет Грегора, предложил назвать новый металл все-таки по-иному - титаном. Вот, как он объяснил такое решение «Я хочу новому металлу, так же, как, и ранее открытому элементу, названному ураном, дать имя, заимствованное из мифологии, имя титана - в честь сыновей Земли»
Так элемент, имеющий ныне порядковый номер 22 в Периодической системе Д. И. Менделеева, получил название титан, и символ Ti.
Титаны в древнегреческой мифологии - бессмертные дети Урана (Неба), и Геи (Земли), вступившие с Зевсом в борьбу за обладание небом, и сброшенные в Тартар - самую глубокую часть преисподней. Там их стерегут сторукие великаны. Место заточения Титанов окружено тройным слоем мрака, и железной стеной, а вокруг вечно бушуют вихри.
За титаном не надо спускаться в недра земли металл лежит, что называется, под ногами его можно добыть даже из прибрежного песка. Но выделить титан из соединений не менее сложно, чем, в представлении древних, освободить его «тезок» из преисподней.
В течение многих лет ученые безуспешно пытались получить металлический титан. В природе не существует титана в чистом виде предстояло извлечь металл из его чрезвычайно прочных соединений. Задача оказалась не из легких. Неоднократно сообщалось, что металлический титан наконец получен, но затем другие исследователи доказывали, что это были нитриды, или окислы титана. Казалось невозможным разорвать связь титана с азотом, и кислородом, и выделить чистый металл. В России опыты над соединениями титана проводил Д. К. Кириллов, опубликовавший результаты своих работ в 1875 году. Но его исследования остались незамеченными, и не послужили базой для дальнейших изысканий.
В 1887 году шведским ученым Л. Нильсону и О. Петерсону удалось в стальной бомбе восстановить натрием четыреххлористый титан. В результате они получили титан, содержавший около 5% примесей. Первый относительно чистый образец металлического титана (99,7 - 99,8%) удалось получить лишь в 1910 году (спустя 120 лет после открытия элемента) американскому химику М. Хантеру. Вместе со своими сотрудниками он искал новые тугоплавкие материалы для волосков ламп накаливания. В то время предполагали, что чистый титан должен плавиться при очень высокой температуре. Но ученых постигло разочарование температура плавления титана оказалась не 6000°С, на, что рассчитывали исследователи, а лишь около 1800 С (как выяснилось впоследствии, температура плавления технически чистого титана - 1660°С. К тому же металл становился ковким только в нагретом состоянии, а в холодном был хрупким. Тем самым Хантер подтвердил устоявшееся мнение о том, что титан непригоден для обработки давлением. И еще многие годы титан считали бесперспективным металлом, из которого ничего невозможно сделать.
ПОКА МЕТАЛЛ ОСТАВАЛСЯ БЕЗВЕСТНЫМ
В 1906 году в последнем прижизненном издании своих «Основ химии». Д. И. Менделеев, описывая соединения титана, о самом металле сказал буквально несколько слов. Безвестным этот металл оставался еще долго. И пока над решением нелегкой задачи промышленного получения металлического титана трудились ученые, и инженеры в разных странах мира, практическую ценность приобрели соединения титана.
Еще в период первой мировой войны для создания дымовых завес использовали четыреххлористый титан, при соединении которого с водой образуется густой дым.
Чистая двуокись титана давно известна, как белая краска - титановые белила, по многим свойствам превосходящая все другие белые пигменты. Она отличается наилучшей кроющей способностью, совершенно не ядовита, отлично противостоит воздействию щелочей, и кислот, устойчива в атмосфере, и очень долго сохраняет снежную белизну.
Вплоть до 1947 года месторождения титановых руд разрабатывались в основном именно для производства титановых белил. Но, и в настоящее время наряду с получением металлического титана во всем мире растет, и выпуск титановой двуокиси. Половину производимого! продукта потребляет лакокрасочная промышленность, остальное количество расходуется для изготовления бумаги, искусственного волокна, пластических масс, резинотехнических изделий. Двуокись титана входит в состав люминесцентных покрытий, глазурей, эмалей, фарфоровых масс, тугоплавких стекол, используется для приготовления медицинских, и косметических препаратов.
Из других соединений титана, нашедших применение в промышленности, назовем карбид титана - жаростойкий материал, почти такой же твердости, как, и алмаз. Это соединение входит в состав твердых сплавов, и углей дуговых ламп. Применяется оно, и, как абразивный материал, в частности при обработке драгоценных камней. Из крупных кристаллов титановой двуокиси благодаря тому, что показатель преломления у нее (2,7) выше, чем у алмаза (2,4), делают искусственные драгоценные камни.
При выплавке специальных сталей в качестве легирующей добавки применяется ферротитан. Он оказывает раскисляющее воздействие, а также увеличивает прочность, и коррозионную стойкость сплавов.
Благодаря работам члена-корреспондента Академии наук СССР Б. Вула, и его сотрудников были изучены свойства титаната бария. Он оказался отличным сегнетоэлектриком, получившим широкое применение в радиотехнической промышленности.
ПРОЛОГ
В 1925 году голландцы Ван Аркель, и Де Бур разработали метод получения наиболее чистого титана. Сущность этого метода, применяемого, и в настоящее время, заключается в том, что неочищенный титан при температуре 150 - 400С взаимодействует с йодом, в результате чего образуется четырех йодистый титан, который при температуре около 1400°С разлагается на йод, и чистый титан Металл осаждается на раскаленной электрическим током титановой нити, а йод опять вступает в реакцию с новой порцией титана. Так постепенно наращивают титановый пруток. Процесс этот происходит в замкнутом пространстве, в вакууме. Этим малопроизводительным способом получают так называемый йодидный титан. применяемый в лабораторных целях, и для нужд электроники.
В последующие пятнадцать лет в Голландии была проведена целая серия исследований физических, и механических свойств титана, в результате которых выяснилось, что этот металл, если удастся найти экономичный метод его промышленного получения, сможет стать важным конструкционным материалом. Интерес к металлу усиливало, и то обстоятельство, что имеются богатейшие скопления титановых руд.
Еще, и сейчас титан иногда называют редким элементом, что совершенно не соответствует действительности. Титан широко распространен в природе. В земной коре его 0,6% (весовых); это намного больше, чем меди, свинца, цинка, олова, никеля, и драгоценных металлов, взятых вместе. Из конструкционных металлов титан уступает по распространенности только алюминию, же лезу, и магнию. Почти все кристаллические горные породы, пески, глины, и прочие составляющие земной коры содержат гитан. Много титана в почвах. Человек вдыхает его вместе с обычной пылью. Известно, что титан абсолютно безвреден для людей, и животных, однако биологическое значение элемента до сих пор неизвестно. В человеческом организме содержится около 20 миллиграммов титана. Это дало основание академику В. И. Вернадскому высказать предположение о том, что «титан нужен для организма, должен иметь определенные жизненно важные функции»
Спектральным анализом титан обнаружен на Солнце, и в составе звездных атмосфер, где его содержание по сравнению с другими химическими элементами значительно выше, чем на Земле. Неожиданно большое количество соединений титана найдено было в лунных почвах.
Известно около семидесяти минералов, в которых титан находится в виде двуокиси или солей титановой кислоты. Однако соединения титана редко встречаются в количествах, экономически выгодных для их извлечения. Поэтому для промышленной переработки используют в основном ильменит, и рутил, месторождения которых наиболее распространены, и велики.
Богатые месторождения титановых руд находятся в СССР, США, Австралии, Мексике, Индии, Норвегии, Канаде. Всего на земном шаре насчитывается более 150 крупных, и россыпных месторождений титана. В нашей стране имеются титановые руды разных видов. На Южном Урале в Ильменских горах (отсюда, и название минерала - ильменит) скопления титановой руды исчисляются миллионами тонн.
СТАНОВЛЕНИЕ ТИТАНОВОЙ ИНДУСТРИИ
Способ промышленного получения металлического титана был разработан в 1940 году в Люксембурге по заданию немецкой фирмы «Сименс и Гальске». В итоге многолетних исследовательских работ В. Кролль запатентовал метод, основанный на восстановлении четыреххлористого титана металлическим магнием. Хотя в годы второй мировой войны немецкие, американские, и английские ученые проявляли к титану далеко не праздный интерес, производство металла удалось наладить уже после войны.
В 1947 году Горным Бюро США при участии Кролля (ставшего к тому времени его сотрудником) были получены первые две тонны титана. А через несколько лет уже суточный выпуск титана измерялся десятками тонн. Даже производство алюминия в свое время развивалось вчетверо медленнее. Вообще такими темпами не росло производство ни одного металла. Мировое производство титана (в капиталистических странах) с 23 т в 1949 году поднялось в 1957 году до 20 тысяч т. Такой невиданный рост объясняется поистине «титаническими» свойствами нового металла, применение которого открывало исключительные перспективы развития техники.
Состав природных титановых руд сложный, они отличаются большой химической прочностью. Обычная техника плавки при получении титана использоваться не может в расплавленном состоянии он реагирует со всеми огнеупорами, жадно поглощает кислород, азот, водород, углерод, железо, и другие элементы, и становится непригодным для использования.
Титан вообще чрезвычайно активный металл, поэтому при получении, и охлаждении слитка, а также во время термической обработки, горячей прокатки, и сварки титан не должен контактировать с воздухом. Все эти процессы приходится проводить в вакууме или под защитой инертных газов (аргона или гелия). Следует заметить, что создание крупной титановой промышленности стало возможным только благодаря достижениям вакуумной металлургии.
Конструкции печей для плавки гитана отличаются особой сложностью. Печь размещается в шахте из армированного железобетона, и оборудуется защитными устройствами, которые обеспечивают обслуживающему персоналу максимальную степень безопасности. Оператор находится в железобетонном отсеке, и наблюдает за печью через окно из специального толстого стекла. Печи оснащены сложной контрольной аппаратурой, оптическими перископами, телевизионными установками.
Промышленный выпуск титана ведется двумя методами восстановлением четыреххлористого титана магнием или натрием. Каждый из этих способов имеет свои преимущества, и недостатки. Существенный недостаток второго метода - необходимость производства в больших количествах не конструкционного материала - натрия, тогда, как магний имеет самостоятельное значение, и широко применяется в технике. Поэтому наиболее распространен магниетермический метод производства титана.
Получение титана состоит из целого ряда самостоятельных производств. Сначала из руд выплавляют титановый шлак, затем в специальных аппаратах на него воздействуют хлором. Получающийся парообразный четыреххлористый титан подвергают глубокой очистке многократной перегонкой с тем, чтобы содержание каждой примеси не превышало десятитысячных долей процента. В нагретый до 600°С стальной герметичный реактор, из которого предварительно выкачан воздух, нагнетают инертный газ, после чего в аппарат заливают расплавленный магний. Температура внутри реактора повышается до 820°С. И тогда начинают подачу четыреххлористого титана. Происходит бурная реакция, сопровождающаяся выделением большого количества тепла. В итоге образуются металлический титан, и хлористый магний. В течение всего процесса хлористый магний периодически удаляют из зоны реакции, и направляют на электролиз для получения магния.
В результате такого процесса получают не слиток, не компактный титан, а так называемую титановую губку - тускло-серую пористую массу, которую очищают в вакуумных электропечах. При высоких температурах титан прикипает к поверхности любых металлов, что создает дополнительные трудности при извлечении губки. Ее дробят, и помещают в герметически закрытые контейнеры.
В вакуумно-дуговых печах губчатый титан переплавляют в слитки, причем для большей однородности металл переплавляют дважды.
Описанная технология сложна, и трудоемка; процесс не является непрерывным. Поэтому не удивительно, что титан стоит дороже алюминия, магния, меди, не говоря уже о черных металлах. С целью снижения себестоимости титана во всем мире ведутся многочисленные исследовательские работы, направленные на совершенствование технологии его производства, а также на разработку способов прямого извлечения металла из руд.
Если хотят получить титановый сплав, то в измельченную губку перед плавкой добавляют легирующие элементы. Прекрасным упрочнителем титана является алюминий. Он существенно повышает упругие характеристики сплавов, и их жаропрочность. Улучшают прочностные, и другие свойства титана ванадий, олово, марганец, хром. Значительно увеличивают коррозионную стойкость сплавов добавки палладия, молибдена, тантала. В качестве легирующих элементов используют также цирконий, кремний, ниобий, медь.
Титановая индустрия - передний край цветной металлургии. Титан сегодня производят только наиболее развитые страны мира. Кроме СССР, и США, крупная титановая промышленность создана в Англии, и Японии; небольшое количество этого металла в последние годы получают в ФРГ. Опытное производство титана налажено во Франции, Италии, Норвегии, и Канаде.
В Советском Союзе промышленное производство титана было организовано в начале 50-х годов по магниетермическому методу.
В становлении, и развитии отечественной титановой промышленности участвовали многие крупные ученые, и инженеры - С. Г. Глазунов, В. А. Ливанов, В. А. Резниченко, И. И. Корнилов, и другие. За короткое время создана отрасль цветной металлургии, одна из крупнейших в мире, которая непрерывно развивается высокими темпами. Так, например, в 1965 году выпуск титана возрос в 4 раза по сравнению с 1961 годом. Советский титан пользуется большим спросом на международном рынке, так, как он не только соответствует лучшим зарубежным стандартам, но по некоторым показателям превосходит их. Высококачественную титановую губку советского производства охотно покупают страны социализма; покупают ее, и такие страны, как США, Англия, Франция, ФРГ, Италия, Швеция.
ПРОРОЧЕСКОЕ НАЗВАНИЕ
Как только начали получать титан достаточной степени чистоты, сразу выяснилось, что хрупкость его объяснялась наличием примесей. Оказалось, что титан можно ковать, как железо, вытягивать в проволоку, прокатывать в листы, трубы, ленты, и даже в фольгу толщиной в сотые доли миллиметра. Титан поддается всем видам механической обработки, и сварке. Точение, фрезерование, сверление, и другие операции выполнимы на обычном оборудовании, причем режимы обработки титана примерно такие же, как, и нержавеющей стали. Большим преимуществом нового металла явилась высокая прочность сварного шва.
И когда стало ясно, что титан обладает отличными технологическими свойствами, особую ценность приобрела его прочность в сочетании с малой плотностью. Ведь титан в два раза легче железа, и при этом вдвое его прочнее. Превосходит титан по удельной прочности (прочность, отнесенная к плотности), и алюминий титан лишь чуть тяжелее его, а прочнее в 6 раз. А сплавы титана по этому показателю вообще вышли на первое место среди всех современных конструкционных материалов.
Название, данное элементу Клапротом, оказалось пророческим.
Первой, и наиболее широкой областью потребления титана, и его сплавов стала авиация. И это понятно ведь применение титана позволяет снижать вес деталей без потери прочности. А облегчить самолет - значит повысить его скорость, потолок, и радиус действия, увеличить маневренность, и грузоподъемность. Поэтому авиация заинтересована в замене стали титаном при изготовлении реактивных двигателей, кожухов камер сгорания, капотов, роторов турбин, деталей фюзеляжа, колес - везде, где только возможно, вплоть до таких несложных изделий, как гайки, и болты. Использование титановых сплавов вместо алюминиевых позволяет снизить вес самолета на 20%.
С развитием ракетной техники, созданием сверхзвуковых самолетов, работами по исследованию космического пространства роль титана еще более возросла.
При полете со скоростью, в 3 раза превышающей скорость звука, на высоте в 20 км, и более, несмотря на пятидесятиградусный мороз за бортом, поверхность самолета на отдельных участках полета нагревается до 500°С. Алюминиевые, и магниевые сплавы не выдерживают длительного нагрева при температурах выше 250 С, и это делает их непригодными для обшивки машин, летящих на таких скоростях, тогда, как сплавы титана не снижают своих прочностных свойств до 550 - 600°С, а при кратковременном нагреве - , и до 800°С.
У первого в мире сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144, который будет совершать рейсы со скоростью 2 500 км в час на высотах 16 - 20 км, мотогондолы, элероны, рули поворота выполнены из титана.
По прогнозам специалистов, в самолетах, летающих со скоростью, в 2 - 3 раза превышающей скорость звука, 60 - 90% конструкций будет изготовляться из титановых сплавов.
В зарубежной ракетной технике титан применяют для изготовления корпусов, и станин двигателей, реактивных сопел, резервуаров для хранения сжатых, и сжиженных газов, и других узлов. Корпуса ракет из титановых сплавов отличаются высокой жесткостью, и продольной устойчивостью, а топливные баки для хранения жидкого кислорода, и водорода, сделанные из нового конструкционного материала, не разрушаются при сверхнизких температурах, как это бывает с подавляющим большинством металлов, напротив, они становятся еще прочнее.
Титан, по-видимому, будет основным конструкционным материалом объектов, монтируемых непосредственно в космосе, поскольку в космическое пространство целесообразнее всего транспортировать материал, обладающий высокой прочностью при малом весе. К тому же в космосе почти полный вакуум, и сварка титана значительно упрощается отпадает необходимость создания специальной защиты металла от взаимодействия с воздухом.
Успешные эксперименты по автоматической сварке, и резке титана в межпланетном пространстве провели советские космонавты Г. С. Шонин, и В. Н. Кубасов во время группового полета трех космических кораблей «Союз» в октябре 1969 года.
В СССР разработана технология электрошлаковой сварки титана под защитой флюсов, позволяющая соединять детали практически любой толщины.
Преимущества титановых сплавов особенно заметны при изготовлении из них вращающихся деталей, где на материал воздействуют громадные центробежные силы. Например, разрушение ротора компрессора реактивного двигателя, изготовленного из высокопрочной стали, который весил 14 кг, наступало при 17 тысячах оборотов в минуту, тогда, как точно таких же размеров титановый ротор весил всего 8 кг, и разрушался только при 25 тысячах оборотов. Из титановых сплавов создали центрифуги биофизического назначения, развивающие несколько сот тысяч оборотов в минуту.
Повысить мощность паровых, и газовых турбин за счет увеличения размеров узлов, и деталей из нержавеющей стали становится уже невозможно запаса прочности стали недостаточно, чтобы противостоять воздействию центробежных сил. Применение сплавов титана снижает вес конструкции без снижения прочности. А это приводит к существенному уменьшению рабочих напряжений, и позволяет значительно увеличить мощность турбины.
Очень важно снижать вес деталей автомобильных, и дизельных двигателей. И здесь открываются широкие возможности из нового промышленного металла изготавливают шатуны, подвески, клапаны, выхлопные системы, соединительные тяги. Шатуны из титана гораздо легче стальных, они испытывают меньшие инерционные нагрузки; увеличивается число оборотов, и мощность двигателя.
Замена стали титаном при производстве рам, осей грузовиков, и автоприцепов позволит увеличить полезную грузоподъемность, и срок службы, уменьшить износ покрышек, сократить расходы на ремонт, простои, что в конечном итоге не только окупит стоимость титановых сплавов, но, и даст существенную экономию.
Использование титана на железнодорожном транспорте приведет к увеличению грузоподъемности, мощности локомотивов, к снижению расхода горючего, электроэнергии, к повышению срока службы, надежности локомотивного парка, и парка вагонов, и т. д.
В судостроении новый конструкционный материал применяется для изготовления помп, якорей, корпусов судов, мачт, гребных винтов, осей, валов, втулок, и г. д. Большие преимущества сулит применение этого металла, и при строительстве, например, танкерного или рефрижераторного флота. В результате повысится маневренность, и дальность плавания судов, будут значительно сэкономлены средства, затрачиваемые на ремонт материальной части, и уход за нею. Корпуса судов, обшитые листами титана, никогда не потребуют окраски. Высокая стойкость титановых сплавов в движущейся морской воде делает их наилучшим материалом для подводных крыльев, и стоек судов.
Титан - перспективный металл для корпусов батисфер, батискафов, и других глубоководных аппаратов. Фирма «Дженерал электрик» разрабатывает проект обитаемых станций, которые будут размещаться на глубинах до 3 700 м. Основными материалами этих станций будут пирокерамика, упрочняемые стеклопластики, и титановые сплавы.
Благодаря своей немагнитности эти сплавы с успехом могут использоваться в конструкциях геофизических исследовательских судов.
Есть на земле такие места, где долгую часть года царят лютые морозы, иногда ниже минус 80 С. При таком холоде через несколько минут резина разваливается на куски, даже железо становится хрупким. Титан сохраняет свои высокие механические свойства при температуре почти до минус 200 С. Это позволит эффективно использовать титан, и его сплавы при производстве оборудования для Крайнего Севера, в технике сверхнизких температур.
Высокопрочные титановые сплавы - практически единственный материал для наиболее нагруженной части турбобуров, применяемых для сверхглубокого бурения. Целесообразным оказалось применять новый материал, и для облегчения портативного бурильного оборудования. Так, в результате совместных работ Института титана, и криворожского завода горного оборудования «Коммунист» выпущена опытная партия ручных перфораторов с титановыми деталями. Без ухудшения технической характеристики удалось снизить вес перфоратора на 20%.
НАРЯДУ С ТИТАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ
Титан обладает исключительной стойкостью против воздействия многих кислот, щелочей, и солей. По стойкости в азотной, и хромовой кислотах титан превосходит все металлы. В азотной кислоте любых концентраций титан стоек вплоть до температуры ее кипения. При комнатной температуре на титан не действует даже «царская водка» - концентрированная смесь азотной, и соляной кислот, в которой растворяются, и золото, и платина. В органических кислотах - молочной, уксусной, стеариновой, лимонной, виннокаменной - отполированная поверхность титана даже не утрачивает своего блеска. Металл абсолютно стоек во влажном хлоре, и его водных соединениях, в соединениях серы, хрома.
Почему же титан, несмотря на свою активность, не подвергается сильной коррозии в таких агрессивных средах?
Это объясняется образованием на его поверхности очень тонкой, измеряемой десятитысячными долями микрометра, но плотной, и прочной окисной пленки, которая, и предохраняет металл от коррозии. Интенсивная коррозия титана происходит лишь в тех случаях, когда разрушается защитная пленка, обнажая активный металл. Так обычно бывает при контакте с плавиковой, щавелевой, муравьиной кислотами, с концентрированными растворами соляной, и серной кислот.
Добавка всего 0,2% палладия к титану в десятки раз повышает его антикоррозионные свойства, а сплав титана, и молибдена оказывается столь стойким, что его используют вместо золота, и тантала.
Поразительна стойкость титана в морской воде. Проводились, например, такие опыты. Погружали в аквариум с морской водой одинаковые - миллиметровой толщины - пластинки из алюминия, гитана, медно-никелевого сплава, и нержавеющей стали. Вскоре алюминий покрылся серыми пятнами, а медно-никелевый сплав (монель) стал темно-зеленым. Через 5 месяцев после погружения алюминиевая пластинка полностью разрушилась; медно-никелевая просуществовала на 4 месяца дольше. Нержавеющая сталь лучше сопротивляется воздействию морской воды, но, и ее образец, довольно быстро сделавшийся ржаво-коричневым, растворился через 4 года. А пластинка титана совсем не изменилась. Пройдут еще годы, десятилетия. Она по-прежнему будет оставаться блестящей, и невредимой. Пройдут века, но титан не утратит своих замечательных свойств. Ведь расчеты показывают, что за тысячу лет коррозия проникнет в глубь металла всего на 0,02 мм.
Не менее стоек титан в атмосфере. Его не зря называют «вечным металлом» ему не страшны ни дожди, ни туманы, ни воздух, загрязненный выбросами автомобильных двигателей, промышленных предприятий.
Борьба с коррозией - одна из важнейших и чрезвычайно сложных задач, стоящих перед техникой. Ежегодно каждая десятая тонна металла уничтожается коррозией. А это значит, что приходят в негодность машины, приборы, оборудование, погибает огромное количество овеществленного труда.
Современная технология во многих отраслях промышленности основана на применении агрессивных средств, высоких температур, и давлений. В таких условиях традиционные материалы довольно часто оказываются непригодными для изготовления оборудования.
Поэтому трудно переоценить важность для народного хозяйства широкого использования титана и его сплавов. Они должны найти применение всюду, где сделанные из них детали, аппараты, машины могут успешно работать, выдерживая действия агрессивных средств.
Титан пока еще в несколько раз дороже нержавеющей стали. Но если учесть, что срок службы титанового оборудования нередко в десятки раз выше оборудования, сделанного из других материалов, то становится очевидной экономическая целесообразность применения нового промышленного металла. В особо тяжелых, агрессивных условиях каждая тонна титана, используемая в оборудовании, дает много тысяч рублей годовой экономии. Кроме того, широкое внедрение титана в промышленность позволяет уменьшить потребность в нержавеющей стали, и других дефицитных металлах. Тонна титана, как показала практика эксплуатации оборудования, заменяет несколько тонн нержавеющей стали. Следовательно, при увеличении объема потребления титана народное хозяйство страны дополнительно сэкономит тысячи тонн никеля, хрома и других металлов, идущих на производство специальной стали.
Применение титана, и его сплавов не только дает большую экономию средств, но и позволяет в некоторых случаях интенсифицировать технологические процессы за счет увеличения их параметров.
Вот некоторые примеры использования титана.
Титановые насосы в горячей азотной кислоте, в нагретых хлорных, и солевых растворах работают в 10 - 20 раз дольше, чем насосы из нержавеющей стали. При перекачивании органических кислот, слабых растворов соляной кислоты титановые насосы служат годами, тогда, как стальные разрушаются через несколько месяцев.
Из титана делают трубопроводы, баки, мешалки, сушилки, детали реакторов, центрифуги, фильтры, подогреватели, вентили, вентиляционные трубы. Титан смачивается жидкостями в значительно меньшей степени, чем другие металлы; отдельные капли с поверхности титановых труб быстро удаляются, поэтому в течение всего периода эксплуатации теплообменника из титана сохраняется высокий коэффициент теплопередачи. Применяемые в производстве хлора теплообменники из титана намного дешевле стеклянных и занимают в 8 раз меньшую площадь.
В химической, и нефтехимической промышленности титан рекомендуется использовать для работы более чем в 130 агрессивных средах. Применение его способствовало, например, возникновению производства ацетальдегида, малеинового ангидрида и некоторых спиртов, являющихся исходным сырьем для получения синтетических волокон, пластиков, лаков. Титановое оборудование позволяет организовать промышленное получение хлористого аммония методом выпаривания, который прежде невозможно было применить из-за отсутствия стойкого конструкционного материала.
Титановая запорная арматура служит в 5 - 10 раз дольше, чем арматура, облицованная резиной, пластмассами, стеклоэмалями и другими покрытиями.
Широко применяется титановая аппаратура в ряде гидрометаллургических производств при получении молибдена, свинца, цинка, титана, никеля, кобальта и других цветных металлов. При использовании оборудования из титана, и его сплавов растворы не загрязняются продуктами коррозии. Это способствовало, например, освоению производства никеля высокой чистоты.
Большой эффект дает использование титана в гальванотехнике. Из него делают корзины, куда помещают растворимые аноды, благодаря чему они расходуются полностью; делают также крючки и подвески для изделий, погружаемых в гальванические ванны. Алюминиевые подвески при анодировании выходят из строя после 200 операций, титановые выдерживают 4 тысячи, и более циклов.
Титан начинают применять в целлюлозно-бумажной промышленности. Он оказался незаменимым материалом для башен, колонн. баков, реакторов, в которых производят отбелку целлюлозы соединениями хлора. Титановые втулки для валов насосов бумагоделательных машин работают более года, а втулки из нержавеющей стали приходится заменять каждые 3 месяца.
С каждым годом все острее становится проблема обеспечения пресной водой. В настоящее время во всем мире работает около 600 установок по опреснению морской воды и количество их продолжает расти. И в этой области применение титана весьма эффективно. Вот один пример. Полтораста километров бесшовных титановых труб использовано в одной из американских опреснительных установок. Несмотря на го, что через установку за 2 года эксплуатации прошло 18 миллиардов кубометров морской воды вместе со скорлупой моллюсков, а температура рассола в подогревателях, и испарителях находилась в диапазоне 85 - 120'С. вся система труб пребывала в идеальном состоянии. Трубы из других стойких материалов в таких условиях не выдерживают и года работы. Предполагают, что титановые грубы будут эксплуатироваться без замены многие десятки лет, обеспечивая на протяжении всего срока службы бесперебойную работу опреснительных агрегатов.
Высокая стойкость титана в органических, и жирных кислотах делает его перспективным металлом для пищевой промышленности, где в настоящее время основной конструкционный материал - нержавеющая сталь.
Титан стоек к воздействию рассолов, маринадов, томатных и других острых соусов, пищевых соков, чая, кофе, уксуса, спиртов, различных приправ. Это позволяет делать из него варочные котлы, смесители, резервуары, трубопроводы, пастеризаторы, сепараторы.
Некоторые пищевые продукты портятся от контакта со сталью, тогда, как титан не придает им постороннего запаха, цвета или вкуса.
Надо также учитывать, что пищевые продукты почти не прилипают к титану, что значительно экономит время, и трудовые затраты, так, как аппаратура очищается очень легко и быстро.
Титан оказался идеальным, обладающим абсолютной стойкостью материалом для оборудования винодельческого производства. Уже начали делать титановые трубопроводы, емкости для хранения, мерники, фильтры, и т. д. Вопреки распространенному мнению о том, что в подобных отраслях промышленности применять такой дорогой металл, как титан, невыгодно, только на винодельческих заводах Крыма по завершению «титановой программы» ежегодный экономический эффект составит несколько миллионов рублей.
В заключение рассказа об антикоррозионных свойствах гитана остановимся еще на одной важной области его применения.
Титан очень устойчив в тканях и жидкостях человеческого тела; он обрастает костной, и мышечной тканью и по своей биологической инертности превосходит не только все известные нержавеющие стали, но, и нашедший в последнее время широкое применение хромо-кобальтовый сплав «виталлиум». Титан сопротивляется воздействию антисептиков и стерилизующих веществ, отлично переносит обработку в автоклаве, и кипячение. Поэтому он стал весьма перспективным материалом для хирургических инструментов, медицинских приборов и аппаратов, для наружных, и внутренних протезов. Из титановых сплавов делают стержни, пластины, винты и другие конструкции для скрепления костей при переломах, протезы суставов, клапаны сердца, искусственные зубы. Титановые протезы хорошо переносятся организмом, и это позволяет использовать их для длительного, и даже постоянного нахождения в теле, к тому же они легки, очень прочны, и немагнитны.
Всесоюзным научно-исследовательским институтом хирургической аппаратуры, и инструментов успешно разрабатываются комплекты инструментов из титановых сплавов для различных областей медицины. Отечественные хирургические инструменты из сплавов титана брал с собою в трудный путь советский врач Ю. Сенкевич, участвовавший в интернациональной экспедиции Тура Хейердала на папирусном судне «Ра»
В последнее время для нужд машиностроения, радиоэлектроники, химической, и пищевой промышленности расширяется производство титановых порошков. Высокое качество порошков, возможность их прессования, отличная коррозионная стойкость, и регулируемая пористость изделий из них позволяют изготавливать эффективные фильтрующие, и распиливающие элементы для работы в агрессивных средах.
Титановые порошки используют также в качестве газопоглотителя, обеспечивающего в замкнутом объеме электронных приборов совершенный вакуум.
МЕТАЛЛ БУДУЩЕГО, МЕТАЛЛ НАСТОЯЩЕГО
Пожалуй, рассказанного достаточно, чтобы составить представление, сколь широки возможные области использования титана в народном хозяйстве. Применение нового промышленного металла и его сплавов позволяет создавать машины, аппараты, приборы, инструменты, соответствующие современному уровню развития техники, обеспечивает организацию новых производств, выпуск новых видов продукции, и резкое улучшение ее качества, повышает производительность труда и культуру производства. Однако уровень потребления титана в различных областях народного хозяйства иногда еще отстает от назревшей необходимости, он ниже тех возможностей, которыми располагает наша титановая металлургическая промышленность, ставшая одной из передовых в мире.
Распространено мнение, что титан - металл дефицитный, и дорогой. Но это мнение во многом несправедливо. В Советском Союзе, располагающем крупными сырьевыми ресурсами, созданы большие производственные мощности по выпуску титана и имеются все условия для их наращивания. Кроме того, следует учитывать, что на изделия требуется гораздо меньше титана, чем при изготовлении такого же оборудования из других конструкционных материалов. К тому же стоимость титана в результате совершенствования производства будет постоянно снижаться.
Уровень потребления титана неуклонно растет, и диапазон его использования уже сейчас очень широк. Титан применяют в ядерной энергетике и в полиграфии, в текстильной, и фармацевтической промышленности, из него делают гоночные автомобили и теннисные ракетки, детали часов, и киноаппаратов. инвентарь для антарктических экспедиций, снаряжение для пожарных и альпинистов, упрочняющие жилы проводов, лыжные палки, и садовые инструменты, ружья для подводной охоты, декоративные изделия, украшения, столовые и кухонные наборы.
Титан нередко называют металлом будущего. Это. конечно, верно появятся еще многие новые области применения замечательного материала, будут созданы сплавы с еще более удивительными свойствами. Титан будет основным металлом, определяющим технический прогресс во многих областях народного хозяйства. Но при этом надо помнить, что титан стал металлом настоящего, металлом сегодняшнего дня. И от широты его внедрения во многом зависят темпы научно-технического прогресса, а значит, и выполнение огромной созидательной программы строительства материально-технической базы коммунизма.
