Применение титана, его сплавов и соединений

Теперь, познакомившись с основными приемами и методами получения титана и его сплавов, изготовления и обработки различных изделий и деталей из него, можем сказать, что мы знаем практически все об этом металле, получившем, несмотря на свой очень молодой возраст, множество названий: "вечный", "космический", "металл века" и т. д. Титан оправдывает эти названия, ибо благодаря своим уникальным свойствам он может применяться в самых разных областях техники, промышленности, медицины, быта и т. п. Рассмотрим лишь главные области его применения.

Титан в авиации, ракетостроении и космической технике. Большую потребность в титане и его сплавах, обусловленную чрезвычайно высокими физико-механическими свойствами этого металла, собственно говоря, впервые испытала авиационная промышленность. Когда в конце 40-х - начале 50-х гг. стали создаваться реактивные самолеты со звуковыми и сверхзвуковыми скоростями, возникла необходимость в новом конструкционном материале для корпусов, обшивки, двигателей. Он мог быть получен только на основе титана, известного уже в те годы своими уникальными характеристиками. И сегодня авиационная и космическая техника в основном определяет потребность в титане и диктует темпы развития производства этого металла.

Вплоть до конца 60-х гг. титан в авиационной технике шел главным образом на изготовление газовых турбин. В 70-80-х гг. титановые сплавы широко применяются для изготовления различных деталей планерной части самолетов: лонжеронов, балок, шпангоутов, деталей шасси и т. п. По сравнению с деталями из стали выигрыш почти 40% по массе.

Очень широко стал применяться жаропрочный листовой титан для обшивки корпусов новейших сверхзвуковых самолетов. Например, в американском сверхзвуковом истребителе F-14 использовано более 3 т (или 30% массы планера) титана, в лайнере "Боинг-2707", берущем на борт 300 пассажиров и летящем с двойной звуковой скоростью, - 47 т титана (90% массы), в истребителе-перехватчике F-12A - 3,3 т (95% массы).

Широко используется титан в пассажирских сверхзвуковых и сверхвместительных самолетах - аэробусах. Без применения титановых сплавов, значительно облегчивших массу самолета, создать такие гигантские аэробусы было бы практически невозможно; например, в советском аэробусе Ту-144 - несколько тысяч деталей из литого титана. Наиболее нагревающиеся части его (мотогондолы двигателей, элероны, рули поворота и др.) выполнены полностью из титана. Во французском "Конкорде" титан широко использован в конструкциях двигателя. В наиболее крупных аэробусах типа "Боинг-747" и Ил-86 в конструкциях и турбореактивных двигателях используется более 20 т титана в каждом. В аэробусах применено более 2,5 млн штук титановых заклепок, только они одни облегчили вес гигантских самолетов на несколько тонн.

Титан начинает широко внедряться и в конструкцию обычных дозвуковых, самолетов, ибо высокая эффективность любого летательного аппарата определяется прежде всего снижением его массы при сохранении всех остальных высоких качеств: долговечности, надежности, экономичности, скоростности. Практически незаменим стал титан в ракетостроении и космической технике.

Космос представляет собой глубокий, почти абсолютный вакуум, где царит ледяной холод. Если там находится какое-либо искусственное тело - спутник, космический корабль, автоматическая станция, то в тени Земли стенки его будут охлаждаться до очень низких температур, а сторона, повернутая к Солнцу, станет сильно перегреваться. Кроме того, нельзя забывать, что стенки космического аппарата бомбардируются космическими частицами, летящими с огромной скоростью, и подвергаются космической радиации. Мало какие металлы могут выдержать эти сверхтяжелые условия работы в космосе.

Многие металлы, даже такие широко применяемые в авиации, как магниевые сплавы, не выдерживают глубокого вакуума даже при обычных температурах: они в нем либо закипают и испаряются, либо начинают "терять" свои собственные атомы и изменять физико-механические свойства. Самыми устойчивыми в космическом вакууме оказались сталь, вольфрам, платина и титан. Судите сами, кому может быть отдано предпочтение? Среди них, конечно, первенствуют титан и его сплавы, широко шагнувшие в космос.

Американские космические корабли "Аполлон" содержали 60 т различных деталей и агрегатов, сделанных из титана и его сплавов. Каждый из них насчитывал около 40 титановых емкостей с различными химически активными компонентами. Цилиндры, хранящие под давлением 200 атм воздух для вентиляции кабины, тоже были сделаны из титана. Лунный модуль, отделявшийся от космического корабля "Аполлон" и опускавшийся на поверхность Луны, имел титановую камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя. Почти полностью были сделаны из титана и его сплавов кабины первых космических кораблей США серии "Меркурий", запускавшихся в космос в 1961- 1963 гг., и "Джемини" - в 1964-1965 гг.

Очень широко используются титан и его сплавы в ракетах-носителях. Одна из самых крупных американских трехступенчатых ракет-носителей "Сатурн-5", осуществлявших запуски космических кораблей по программе "Аполлон" (1967-1973 гг.), имела большое количество узлов и деталей из титановых сплавов. Целиком из титана были сделаны корпуса ракеты-носителя серии "Титан" (1971-1983 гг.), которая выводила на орбиту корабли "Джемини", а впоследствии марсианские космические аппараты "Викинг", гелиоцентрические космические аппараты "Гелиос" и "Вояджер".

Титан в судостроении. Широко используются титановые сплавы в морском судостроении. Исключительная стойкость титана и его сплавов при воздействии морской воды делает их незаменимыми материалами для обшивки судов, производства деталей насосов, трубопроводов и для других целей морского судостроения.

Главные свойства титана, которые открывают ему большие перспективы в морском судостроении, - это малая плотность, феноменальная коррозионная стойкость металла в морской воде, стойкость к эрозии и кавитации.

Малая плотность позволяет снижать массу корабля, что повышает его маневренность и дальность хода. Обшитые листами титана корпуса судов никогда не потребуют окраски, так как они десятилетиями не ржавеют и не разрушаются в морской воде. Эрозионная и навигационная стойкость позволят не бояться больших скоростей в морской воде: взвешенные в ней мириады песчинок не повредят титановым рулям, винтам, корпусу. Из титановых сплавов можно изготовлять валы, распорки, опоры, части якоря, выхлопные глушители подлодок. Глушители из титана значительно экономичнее, долговечнее, прочнее медно-никелевых. На подводных лодках титан используется для изготовления различных деталей палубной арматуры, антенн, приборов, рукояток, постоянно погруженных в морскую воду. Они способны служить вечно, не требуя покрасок и ремонтов. Из титана можно сделать и корпуса подводных лодок сверхглубокого погружения (до 6 км).

Кроме того, слабые магнитные свойства титана и его сплавов позволяют применять их для создания самых разнообразных навигационных приборов, устранять девиацию, т. е. влияние металлических частей корабля на навигационные приборы, уменьшать опасность подрыва на магнитных минах. Не исключена возможность создания из титановых сплавов так называемых немагнитных кораблей, крайне необходимых для геолого-геофизических исследований в открытых океанах.

Наибольшие перспективы в судостроении имеет применение титана в производстве конденсаторных труб, турбинных двигателей и паровых котлов. Увеличение размеров кораблей требует резкого повышения мощности двигателей и размеров котлов. Загрязнение последних в процессе эксплуатации приводит к замедлению скорости хода или даже к полной остановке судна. Применение конденсаторов из титана практически снимает проблему очистки котлов. Так, на одном из японских танкеров водоизмещением 164 тыс. т титановый конденсатор после эффективной эксплуатации в течение почти 5 тыс. ч не обнаружил ни следов коррозии и загрязнения, ни изменений в микроструктуре металла и его механических свойств.

Серьезно обсуждаются проблемы строительства из титана обитаемых батискафов и батисфер для исследования морских глубин. Американские специалисты создали обитаемый батискаф "Алвин" с титановой оболочкой, который может исследовать глубины океана до 4 км. Действительно, титан с его высочайшей коррозионной стойкостью и способностью выдерживать огромные давления и нагрузки - наилучший материал для создания глубоководных аппаратов. Не исключено, что в будущем титан станет широко использоваться для строительства обитаемых экспериментальных жилищ под водой, где будут подолгу жить исследователи океанских и морских глубин, разведчики подводных богатств.

Перспективной областью применения сплавов титана является глубокое и сверхглубокое бурение. Сейчас, как известно, человечество для добычи подземных богатств и для изучения глубоких слоев земной коры проникает на очень большие глубины. Согласно проекту "Верхняя мантия Земли" необходимо будет пройти несколько сверхглубоких скважин на глубину 15-20 тыс. м. Как достичь таких глубин? Ведь обычные буровые трубы будут рваться под собственном силой тяжести уже на глубине нескольких тысяч метров! Ясно, что эти трубы нужно делать только из высокопрочных сплавов на основе титана. Благодаря применению таких труб скважины могут быть пройдены до глубин 20 и 30 км.

Как видим, титану много работы и в небе, и в космосе, и под водой, и под Землей.

Титан в машиностроении. Большие перспективы титан и его сплавы имеют в машиностроении. Однако сегодня применение этого металла в машиностроительных отраслях народного хозяйства пока еще ограниченно. Объясняется это, во-первых, дефицитностью и довольно высокой стоимостью титана; во-вторых, недостаточностью сведений о свойствах титана и его сплавов при использовании в машиностроении; в-третьих, технологическими трудностями обработки титана (антифрикционные свойства, нелегкая свариваемость и т. п.). И, тем не менее, несмотря на сложности внедрения нового материала, титан и его сплавы в последнее десятилетие начали применяться при изготовлении множества видов оборудования в химическом машиностроении. На заводах этой отрасли из титановых сплавов серийно изготавливаются запорная и перекачивающая аппаратура, самые разнообразные емкости, трубы, колонны, фильтры, автоклавы, специальная колонная аппаратура, предназначенная для работы с высокоагрессивными жидкостями и парогазовыми смесями. Это различные башни из листового титана, специальной конструкции адсорберы: барботажные, ректификационные, распылительные и др.

Широко используются титан и его сплавы при изготовлении теплообменной аппаратуры, применяемой в промышленности для подогрева, кипячения, испарения, конденсации и охлаждения различных агрессивных сред: жидких, газо-, паро-, пастообразных и даже твердых. Выпускают теплообменники с самой различной площадью теплообмена - от 2 до 160 м², холодильники - от 30 до 140 м², конденсаторы, кипятильники, подогреватели-от 30 до 150 м³. Для всех типов этих аппаратов титан и его сплавы дают возможность повысить коррозионную стойкость и эффективность теплообмена при минимальной толщине стенок. Еще одно преимущество применения титановых сплавов в теплообменниках заключается в том, что они подвержены меньшему смачиванию и образованию на их поверхности осадков. Это обеспечивает, в свою очередь, высокий коэффициент теплопередачи за время эксплуатации аппарата.

Весьма эффективно использование титановых сплавов в фильтровальных аппаратах. Фильтрация - отделение взвешенных твердых частиц от жидкой фазы - процесс, очень распространенный во многих химико-технологических производствах. Его интенсификация сказывается на производительности всей технологической цепочки в целом. Так, применение в автоматических фильтр-прессах деталей, соприкасающихся с агрессивной средой, из титановых сплавов повышает производительность единицы фильтрующей поверхности в 4-15 раз. При этом титановые фильтр-прессы могут использоваться для фильтрации суспензий с температурой до 300-350° С и с содержанием взвешенных частиц от 5 до 600 г/м³. Из титановых сплавов выпускаются также дисковые и ленточные вакуум-фильтры, патронные, керамические фильтры для осветлительной и сгустительной фильтраций.

Титановое оборудование находится в эксплуатации в самых трудных режимах работы и в агрессивных средах, весьма длительное время не требуя замены. Зарекомендовало оно себя с самой лучшей стороны и быстро окупило.

Рассмотрим несколько примеров применения и использования оборудования и аппаратов из титана в черной, цветной металлургии, в химической, в целлюлозно-бумажной промышленности и в других отраслях народного хозяйства, где работы ведутся в агрессивных средах, при высоких температурах и больших давлениях. Как ведет себя в этих условиях оборудование из титана?

В черной металлургии оборудование из титана может применяться в коксохимических, металлургических, сталеплавильных и ферросплавных производствах.

Коксохимическое производство связано с широким использованием различных агрессивных сред и газов, в которых аппараты и трубопроводы из нержавеющих сталей выдерживают сравнительно небольшой срок. Титановое оборудование превышает стойкость стального в десятки раз. Например, трубы-нейтрализаторы, змеевики обесфеноливающих скрубберов, изготовленные из титана, могут служить 5-10 лет, а из углеродистой стали - всего 0,5-1,5 года. В травильных участках сталепрокатных, трубопрокатных и других цехов, где удаляется окалина с поверхности металлов, оборудование из нержавеющей стали, гуммированное различным кислотоупорным материалом, выдерживает всего два-три года эксплуатации, а из титана - в несколько раз больше. Титановые трубопроводы травильных участков служат десятки лет, скорость коррозии титановых труб травильными растворами составляет всего 0,01- 0,05 мм/год. В то же время трубопроводы из гуммированной углеродистой стали выходят из строя через полтора-три месяца. Технико-экономические выгоды замены на титановое оборудование здесь очевидны. На ряде металлургических заводов титановое оборудование успешно применяется на самых разнообразных участках. Например, на заводе "Запорожсталь" много эксплуатировалась титановая ванна для отбеливания нержавеющей стали в высокотемпературной (70-80° С) среде, содержащей 9-12% серной и 2-5% азотной кислоты. После нескольких лет эксплуатации, не было даже обнаружено следов коррозии ванны.

В цветной металлургии титан успешно применяется во многих производствах, способствуя техническому прогрессу отрасли в целом, повышению качества металлов и производительности труда. Используются емкости, колонны, автоклавы, реакторы, экстракторы, насосы, вентиляторы и многое другое - всего несколько сот наименований. Наибольшее распространение имеет титановое оборудование на предприятиях никель-кобальтовой и титано-магниевой подотраслей. Интенсивно внедряется это оборудование в производстве меди, свинца и цинка, благородных и других металлов.

Никель-кобальтовое производство с его наиболее агрессивными условиями гидрометаллургических процессов является пионером в широком применении титанового оборудования. Здесь используется около 200 наименований различных аппаратов и установок из титана, что дало значительный экономический эффект. Например, автоклавная установка с титановыми узлами и деталями, заменявшая ванну для приготовления никелевых растворов, дала возможность снизить себестоимость получения 1 т никеля в растворе на 25%. На комбинате "Северониколь" внедрен комплекс титановых современных аппаратов, отличающихся высокой степенью надежности, что позволило осуществить комплексную автоматизацию всего цикла и гидрометаллургических процессов.

Предприятия никель-кобальтовой подотрасли постоянно ведут работу по замене обычного оборудования аппаратами из титана, имея при этом высокие технико-экономические показатели.

Производство титана, магния, многих редких металлов, связанное, как правило, с применением очень сложных гидрометаллургических процессов с большим набором агрессивных сред, применяет титановое оборудование очень широко, и наиболее эффективно - на хлорировании титановых шлаков, в операциях пылегазоочистки.

Отстойники шламов, поступающих с титановых хлораторов, газоходы и другое титановое оборудование имеют срок службы в 20-30 раз больший, чем стальное. Практически на всех титано-магниевых заводах трубопроводы, насосы, вентили и другое стандартное оборудование - из титана. Общий экономический эффект составляет миллионы рублей в год.

В производстве циркониевых соединений, отличающемся высокой агрессивностью сред, наряду со стандартным титановым оборудованием (трубы, насосы, вентиляторы) успешно эксплуатируются нестандартные аппараты из титановых сплавов, специально изготовленные в опытно-металлургическом цехе (реакторы, экстракторы, циклопы, кюбели для хлоридов, конденсаторы, баки, фильтры и др.). Эффективным оказалось и применение титановых насосов, газоходов, дросселей, вентиляторов на переделах пылегазоочистки редкометалльного производства.

Крупным потребителем титанового оборудования становится медная подотрасль цветной металлургии. Здесь титаном заменяется свинец в фасонных частях кислотопроводов, деталей насосов и электрофильтров. Меняется и другое оборудование. Заменяются чугунные насосы титановыми в системе орошения промывных башен сернокислотного производства: стойкость последних в 30-60 раз выше. В 3-4 раза дольше служат титановые электроды по сравнению со свинцовыми. В электрофильтрах идет замена свинца титаном в отношении 4:1. На медных заводах успешно эксплуатируются также титановые понитовые колонки и промывные башни, отстойники, напорные кислотопроводы и запорная арматура, циклоны, вентиляторы и другое оборудование, отдельные узлы, детали крепления и т. п.

Особо важное значение приобрела замена в электролитических процессах матриц (катодов) из нержавеющей стали или меди титановыми. Ускоренно ведется наращивание катодной меди, облегчен и механизирован съем осадка, повышена почти на 30% производительность труда. Применение титанового барабан-катода позволило получать более качественную и тонкую фольгу.

В производстве свинца и цинка применяются титановые вентиляторы, газоходы, дроссели, детали электрофильтров, а при производстве цинка, кроме того, электролитные ванны из титана, насосы, трубопроводы, емкости, змеевики-теплообменники.

Большим разнообразием технологических процессов и агрессивных сред отличается производство вольфрама и молибдена. Здесь используется как стандартное, так и нестандартное оборудование. В реакторах непрерывного осаждения оксида молибдена вместо стальных гуммированных труб для охлаждения применяются титановые, срок службы которых во много раз дольше. Используются также атмосферные одновальцовые сушилки из титана, титановые детали к рукавным фильтрам, центробежные насосы и вентиляторы, поддоны к рамным фильтр-прессам. В гидрометаллургическом производстве вольфрамового ангидрида и молибденокислого аммония применяются центробежные насосы из титана при перекачке горячих (80° С) солянокислых пульп. С содержанием 40-45 г/л соляной кислоты эксплуатируются титановые трубопроводы, газоходы, вентиляторы, работающие в парах соляной кислоты, используются титановая баковая и теплообменная аппаратура, бункера, поддоны, решетки и др.

При производстве ртути успешно работают в течение многих лет титановые конденсаторы, в которых происходит улавливание ртути из обжиговых газов трубчатых печей кипящего слоя. Конденсационная система из стали, работающая в среде сернистого газа и слабой серной кислоты при температурах 200-300° С, не выдерживают обычно одного-двух лет, в то время как титановая работает по нескольку лет.

Ограниченное применение имеет пока титановое оборудование в алюминиевой промышленности, связано это с тем, что все технологические переделы бокситов и сам процесс получения металла характеризуются наличием высокотемпературных агрессивных сред с фторионом, почти мгновенно разрушающих титан. Тем не менее на газоочистных участках, свободных от фтора, здесь применяются насосы и запорные устройства из титановых материалов.

В производстве драгоценных металлов на стадии горно-обогатительного передела высокоабразивных песков и руд титановое оборудование практически не используется. А вот при электрохимических, ионообменных процессах, в травильных цехах, при цианировании и выщелачивании золота, в производстве вторичных драгметаллов титановое оборудование и аппаратура могут применяться очень широко. Идет титан и для изготовления колонок ионитов, теплообменников, ионообменных установок, баков-сгустителей, катодов самых различных емкостей для цианирования и выщелачивания, выпарных чаш и, конечно, труб, насосов, вентиляторов.

Широко применяется титан и при обработке цветных металлов, главным образом для изготовления травильного оборудования. Ведь почти все полуфабрикаты цветных металлов (ленты, листы, прутки, трубки и т. п.) после прокатки, прессования, штамповки подвергаются травлению в горячей 5-15%-ной серной кислоте, и нет лучшего материала для травильных ванн, чем сплавы титана.

Большие перспективы и технико-экономическую эффективность имеет применение титанового оборудования в целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности. Все основные процессы целлюлозно-бумажного производства: получение вторичной кислоты, варка сульфитной целлюлозы, приготовление белильных растворов, отбеливание целлюлозной массы - требуют оборудования и аппаратов со специальной антикоррозионной защитой. Многие из них очень сложны в изготовлении и недолговечны. Например, отбельные башни делают, из стального листа, гуммируют специальной резиной, футеруют глазурованной кислотоупорной или керамической плиткой на полиэфирной замазке. Но даже такая защита недолговечна и неуниверсальна для всех отбеливателей. Внедрение отбеливающих башен из титановых сплавов снимает все эти проблемы. На многих целлюлозно-бумажных комбинатах страны успешно работают следующие, виды титанового оборудования: эксгаустеры с титановыми колесами, титановые спрыски для подачи промывной воды в скрубберах, абсорберы, газоходы, трубопроводы, насосы и запорная аппаратура, титановые чехлы к датчикам приборов.

В пищевой промышленности, борьба с коррозией металлов пищевого машиностроения имеет особо важное значение. Если для других производств незначительные количества ионов металлов оборудования, переходящие в реакционную массу, не имеют существенного значения, то для пищевой промышленности это совершенно недопустимо. Количество пищевых продуктов во многом обеспечивается чистотой и стерильностью проведении сложных биохимических процессов их изготовления. Санитарно-гигиенические требования к материалу оборудования исключительно высоки, поэтому выбор его очень важная проблема. Титан, как это проверено многочисленными исследованиями, практически полностью отвечает высоким санитарно-гигиеническим требованиям пищевых производств. В США, например, готовят рассолы, томатные продукты, соусы в титановых котлах, и они совершенно не подвергаются коррозии или разрушению. Есть опыт изготовления из титана холодильников повышенной экономичности.

С большим успехом применяется титан при создании установок для опреснения морской воды. В Саудовской Аравии в каждой из таких действующих установок содержится около 3 тыс. т оборудования из титана.

Большое количество опреснительных установок с применением бесшовных титановых труб, трубчатых решеток, различных других узлов и деталей построено в США. Благодаря тому что титан обеспечивает высокую теплопередачу, удалось повысить температуру рапы с 85 до 121° С. Проверка состояния титановых труб, произведенная через два года работы агрегата, показала их отличное состояние, несмотря на то что за это время трубы пропустили 18 млрд м³ морской воды со взвесью песка и моллюсков.

К настоящему времени в разных странах, и том числе и в СССР, действует уже около тысячи опреснителей морской воды различных конструкций. Использование в них титановых труб, узлов и деталей позволит резко повысить их производительность по выпуску столь дефицитной пресной воды.

Применение титана в энергомашиностроении пока незначительно, хотя титан здесь может оказать отличную помощь энергетикам - ведь до сих пор нет более приемлемого материала для изготовления рабочих лопаток паровых турбин длиной более 1000 мм, чем титановые сплавы с высокой удельной прочностью. Применение титановых сплавов для изготовления таких длинных лопаток приводит к разгрузке напряженности ротора низкого давления турбин и повышает надежность конструкции в целом.

Попытки изготовления из титановых сплавов более коротких лопаток для цилиндра низкого давления маломощных турбин (до 50 МВт) были сделаны еще в конце 60-х гг. Затем титановые лопатки длиной 780 и 960 мм были поставлены на более мощных турбинах, в 200 и 300 МВт. Они проработали бессменно в этих турбинах десятки тысяч часов, показав прекрасную работоспособность этого материала. В условиях воздействия влажного пара титановые лопатки по своей коррозионно-эрозионной стойкости превосходят стальные во много раз.

Очень перспективно применение титана и его сплавов в дизельных, в автомобильных двигателях. Здесь их использование обусловливается целым рядом ценных свойств титановых, сплавов, главное - высокая удельная прочность. Например, применение титановых шатунов, обладающих лучшей, чем стальные, удельной прочностью, позволяет снизить на 30% нагрузки на шатунные подшипники. Тем самым значительно повышается их надежность и долговечность, на 20% уменьшается усилие на элементы крепления (болты, шпильки) прицепного шатуна, несущего большую нагрузку. В клапанных механизмах детали из титановых сплавов снижают напряжение в них на 25%, уменьшают силу удара клапана на 30%, увеличивают запас усилия пружин по отношению к силам инерции с 1,6 до 2,1. Исследования показали также, что в автомобиле- и тракторостроении из титановых сплавов можно изготовлять не только детали двигателей, но и несущие конструкции автомобилей, ходовые части. В результате значительно увеличивается срок службы двигателей и машин, повышается их мощность при снижении массы. Могут быть созданы принципиально новые, легкие конструкции автомобилей и двигателей, обладающих большой мощностью и маневренностью.

Весьма ценно свойство титана и его сплавов сохранять свои высокие механические, прочностные качества при низких и сверхнизких температурах. Это позволяет рекомендовать его широкое использование в создании машин и механизмов для работы в условиях Крайнего Севера и Заполярья. Известно, что при температурах ниже 40° С сталь и железо делаются хрупкими, а при морозах -50...-60° С обычные машины и механизмы вообще могут выходить из строя. В этих условиях требуется техника в особом, "полярном" исполнении из морозостойких материалов. Имеются сорта стали, легированные редкими металлами (цирконием, ниобием), устойчивые к низким температурам. Но все они уступают "морозостойкому" титану и его сплавам, способным выдерживать сверхнизкую температуру, до -200 и даже -250° С, без каких-либо изменений своих физико-механических свойств. Детали и механизмы автомашин, тракторов, бульдозеров, экскаваторов и другой техники, сделанные из титановых морозостойких сплавов, будут абсолютно надежны и практически долговечны в самых суровых условиях Севера. Исключительно высокие морозостойкие свойства титановых сплавов используются и для создания промышленных холодильных установок, в которых аммиачные компрессоры из титана могут развивать температуру до - 100° С и ниже. В изготовлении и эксплуатации холодильники с узлами и деталями из титановых сплавов значительно экономичнее обычных холодильных установок, выполненных из традиционных материалов.

Стоит рассказать и еще об одном интересном свойстве титана при сверхнизких температурах - резком повышении его электропроводности при температурах, близких к абсолютному нулю. Уже упоминалось, что титан при обычных температурах плохой проводник электричества. Однако с понижением температуры его электропроводность резко возрастает. Созданные на основе титана специальные сплавы при низких температурах обладают впятеро более высокой электропроводностью, чем обычные электротехнические металлы - медь, алюминий и др. Эти сплавы можно использовать при сооружении линий сверхмощных электропередач и мощных турбогенераторов со сверхпроводящей обмоткой возбуждения, охлаждаемой жидким гелием. В этих условиях при температуре около - 270° С титановые сверхпроводящие сплавы сохраняют свои высоко-коррозионные и прочностные свойства, хладостойкость, низкую теплопроводность, немагнитность и являются, по существу, незаменимым материалом. Есть еще, однако, области техники и промышленности, где титан применяется пока сравнительно мало.

Во многих странах, например в Японии, США, Канаде и др., эти сплавы уже широко применяются в автомобильных двигателях, особенно в двигателях для спортивных машин. Некоторые из них, состоящие на 80% из титана, при более высокой мощности в 2-2,5 раза легче обычных автомобильных моторов.

Титан также может использоваться и как материал для изготовления корпусов, рам, осей и других конструкций легковых и грузовых автомашин. Автомобили станут легкими, долговечными, надежными, уменьшится надобность в запчастях, снизятся расход горючего, износ покрышек, затраты на ремонт.

Перспективны разработки автомобильных моторов на водородном топливе. Наилучшим материалом для хранилищ этого топлива являются так называемые гидридные сплавы, состоящие из титана с железом. Собственно творя, это железо-титановые гранулы, помещаемые вместе с газообразным водородом в специальные балоны. В них водород находится в связанном с этими сплавами состоянии и поэтому безопасен: при охлаждении они поглощают водород, при нагревании выделяют газообразный водород, используемый в качестве топлива автомобильного мотора. Обеспечивается полная безопасность всей системы. Опытные образцы автомобилей на водородном топливе с использованием железо-титановых гранул уже создавались в ФРГ и США.

Большие перспективы имеет использование титана и для железнодорожного транспорта. Уменьшение массы вагонов, снижение расходов энергии, повышение мощностей железнодорожных двигателей и турбин за счет более широкого применения титановых сплавов дадут большой технико-экономический эффект. Уже созданы с использованием титановых сплавов турбины, развивающие скорость до 300 км/ч. Автомобилестроение и железнодорожный транспорт - потенциально крупнейшие потребители титана.

Еще одним крупномасштабным потребителем титановой продукции может стать гальванотехника. Гальванический способ металлопокрытий очень распространенный процесс. Его расширение и интенсификация связаны с применением новых, весьма агрессивных электролитических сред, с повышением температур и плотности тока в гальванических процессах. Все это предъявляет высокие требования к конструкционным материалам для гальванотехнического оборудования: ванн, электродов, подвесок.

Вес современные конструкционные и футеровочные материалы, используемые в гальванотехнике (сталь, свинец, винипласт, резина), по разным причинам недолговечны, малоэффективны, требуют частой смены и трудоемких ремонтов. Единственным материалом, обладающим высокой коррозиестойкостью в большинстве электролитов (кислых, слабокислых, щелочных), являются только титановые сплавы. Из всех известных электролитов титан корродирует в горячих (около 75° С) сернокислотных растворах с содержанием серной кислоты примерно 10%; в этом случае ингибирующие добавки азотной кислоты приостанавливают этот процесс. Совершенно неприемлемы для титанового оборудования электролиты, содержащие фтористоводородную кислоту. Во всех остальных случаях применение высококоррозионного титанового оборудования для гальванотехники весьма перспективно.

Есть еще немало отраслей, где титан, будучи жизненно необходимым, используется в небольших масштабах - в количество сотен - первых тысяч килограммов. В первую очередь это медицинская промышленность. Из титановых сплавов изготавливаются зажимы, пинцеты, крючки, зеркала, ранорасширители, щипцы и т. д. Сейчас уже известно более 200 наименований титановых медицинских инструментов, размеры и вес которых уменьшены на 20-50% по сравнению со стальными. Правда, пока из титана нельзя делать режущие инструменты, их делают разъемными, со съемными стальными лезвиями. Главное в титановых хирургических инструментах - легкость, коррозионная стойкость в любых средах и высокие стерилизационные свойства. Наборы таких инструментов незаменимы в экспедиционных условиях, морских плаваниях, в военно-полевых условиях. Особо ценными свойствами титановых инструментов для медицины являются их устойчивость к морской воде, по составу похожей на человеческую лимфу, ко всем стерилизующим агентам (перекись водорода, фенол, формальдегид и др.) и инертность к биологической среде. Например, при испытаниях титановые инструменты специально подвергались многомесячной выдержке в растворах хлорамина, 96%-ного спирта, сулемы, трихлорэтилена, многократно стерилизовались кипячением в автоклаве и никаких следов коррозии. Менее устойчив он в спиртовой настойке йода, и то после многосуточных испытаний появляется лишь точечная коррозия титанового сплава.

Титан и его сплавы используются медицинской промышленностью для изготовления не только хирургических инструментов, но и наркозно-дыхательных аппаратов, "искусственных" сердца, легких, почек, защитных устройств радиологической аппаратуры.

Биологическая инертность титана превосходит все известные марки нержавеющей стали и даже специальный кобальтовый сплав "виталлиум". Технически чистый титан и его сплавы содержат гораздо меньше примесей, чем другие, применяющиеся в медицине сплавы, он хорошо переносится человеческим организмом, обрастает костной и мышечной тканью, не корродирует в агрессивных средах человеческого тела (в лимфе, крови, желудочном соке), структура окружающей титановый элемент ткани не изменяется на протяжении десятилетий. Все эти свойства титана в сочетании с его высокими механическими качествами позволяют широко использовать его для металлического остеосинтеза - распространенного способа лечения переломов костей. Из него изготавливают для наружных и внутренних протезов стержни, спицы, гвозди, болты, скобы, внутрикостные фиксаторы, а также протезы бедренных костей, тазобедренных суставов и челюстно-лицевых костей. Как известно, детали для остеосинтеза даже из самых высококачественных сортов нержавеющей стали приводят со временем к самым различным осложнениям, связанным с коррозией и разрушением этих деталей, повреждением костных и мышечных тканей продуктами коррозии. Из-за реакции их с физиологическими солями организма происходят воспаления тканей, возникают болевые ощущения. Костные фиксаторы и любые протезы из титана осложнений и воспалений не дают, они могут находиться в человеческом организме сколь угодно долго, практически вечно. Важно также и то, что титан, обладая высокой усталостной прочностью при знакопеременных нагрузках, как нельзя лучше служит в качестве протезов костей, постоянно подвергающихся переменным нагрузкам. Кроме того, его немагнитность и слабая электропроводность позволяют проводить физиотерапевтическое лечение больных с титановыми протезами без осложнений. Немаловажны малая плотность и высокие прочностные свойства титана, что позволяет почти вдвое уменьшать вес и объем протезов. Все эти качества делают титан уже сегодня практически незаменимым материалом в костной хирургии. Успешно он может использоваться в стоматологии (искусственные зубы) и офтальмологии (имплантат глазного яблока). Имеются попытки изготовления из титана миниатюрного, массой 300 г, искусственного сердца. Наряду с нейлоновыми для вживания в сердце используются и титановые клапаны. Учесть надо и то, что детали и конструкции из титана сравнительно несложны в изготовлении и сравнительно недороги, во всяком случае проще и дешевле, чем применяемые ныне сплавы типа "виталан" или "комохром".

Остановимся еще на нескольких областях применения титана.

Атомная энергетика: оболочки реакторов на быстрых нейтронах, конструктивные детали ядерных реакторов с водяным охлаждением, футеровка реакторов тонкими пористыми или перфорированными листами титана, титановые электроды в плазменных установках.

Приборостроение: нетускнеющие зеркала телескопов, затворы кино- и фотокамер, мембраны телефонов, гибкие трубки для бронирования кабелей.

Электроника: создание высокого вакуума в электронно-лучевых трубках, (используется свойство расплавленного титана энергично поглощать газы), аноды высоковольтных кенотронов и катоды поляризационных электролитических конденсаторов, сетки электронных ламп с минимальной эмиссией, тонкопленочные интегральные схемы и тонкопленочные конденсаторы; электронные трубки микроскопических размеров.

Военная техника: опорные плиты минометов, лафеты, кронштейны, станки орудий, пламегасители, атомные орудия малой мощности, облегченная броня, равная по снарядостойкости стальной броне, детали танкостроения; многие виды оружия и снаряжении для десантных войск.

Экспедиционное и спортивное снаряжение: инвентарь для антарктических и других экспедиции, снаряжение для альпинистов и пожарных, ружья для подводной охоты, мачты гоночных яхт, лыжные палки, теннисные ракетки, шары и клюшки для гольфа и др.

Бытовая техника и приборы: кухонные приборы, садовые инструменты, шариковые и перьевые авторучки.

Монументальное искусство: из титана созданы памятник Ю. Л. Гагарину и монумент покорителям космоса в Москве, обелиск в честь успехов в освоении Вселенной в Женеве.

Есть еще один, совершенно необычный аспект применения титана - колокольный звон. Колокола, отлитые из этого металла, обладают необычным, очень красивым звучанием. Применяется титан в колокольчиках для электрозвонков.

Главными потребителями двуокиси титана являются лакокрасочная промышленность, использующая 60-65% всей производимой двуокиси титана, бумажная промышленность (12-10%) и производство пластмассы (10-14%). Остальное потребляется химической промышленностью для производства химволокна, резинотехнических изделий, искусственной кожи.

Лакокрасочное производство потребляет двуокись титана для изготовления водоэмульсионных красок и алкидных эмалей. Из всех известных белых пигментов - цинковых, свинцовых и литопона - пигментная двуокись титана по всем своим свойствам самая лучшая.

Наиважнейший показатель пигмента - это его интенсивность, определяемая показателем преломления составляющих его частиц. Так вот, показатель преломления частиц рутила титанового пигмента на 30%, а анатаза - на 20% выше показателя преломления пигментных частиц цинковых белил и литопона (свинцовые белила очень высокотоксичны и применяются лишь в специальных целях).

Титановым пигмент, обладая высокой степенью дисперсности и исключительной яркостью, имеет способность разбеливать цветные пигменты в 3-5 раз интенсивнее, чем цинковые белила или литопон, содержащий 30% сернистого цинка. Особо высокой интенсивностью отличается рутильная двуокись титана, полученная хлорным способом. Чем выше интенсивность пигмента, тем меньше его требуется для получения покрытий необходимой яркости.

Вторым важным качеством белого пигмента является его хорошая укрывистость, кроющая способность, зависящая от белизны, непрозрачности и способности закрывать окрашиваемое изделие минимальным количеством краски. Показателем укрывистости служит расход пигмента в граммах на один квадратный метр окрашиваемой поверхности. Для известных белых пигментов он составляет (в г): двуокись титана рутильная - 40, двуокись титана анатазная - 45, литопон - 120, цинковые белила - 140-150.

Как видим, титановые пигменты и по этому свойству самые лучшие. Высокоукрывистый пигмент позволяет сократить количество лакокрасочного материала на окраску единицы площади, снизить количество слоев покрытия. И на этом достигается большая экономия, перекрывающая повышенную стоимость высококачественного пигмента.

Третьим важным достоинством титановых пигментов, выдвигающих их на первое место среди всех других известных белых пигментов, является их очень высокая химическая стойкость. На них не действуют ни кислоты, ни щелочи, ни сероводород, поэтому с течением времени титановые белила практически не темнеют. Они не изменяют своего цвета и от действия света. Наряду с высокой химической инертностью двуокиси титана (особенно ее рутильной модификации) и низкой фотохимической активностью (устойчивостью к действию света) она обладает отличной термостойкостью и совместимостью в широких пределах со всеми известными синтетическими пленкообразующими веществами. Все эти качества обеспечивают идеальную атмосферостойкость покрытий на основе двуокиси титана. Наилучшие по этому показателю - марки поверхностно обработанной двуокиси титана, полученной по сернокислотному способу. Лучшие сорта этого пигмента, не обнаруживающие признаков меления очень длительное время, - непревзойденный материал для наружных покрытий. Ими можно красить не только поверхности зданий, но и опоры, конструкции мостов, подводные части судов, автомобили, самолеты, вагоны и т. п.

Краски на основе титановых пигментов готовят по довольно сложной технологии. Белый пигмент применяется главным образом в смеси с различными наполнителями - сульфатом бария, безводным сульфитом кальция, силикатом магния (тальком). Как правило, к титановому пигменту добавляют и цинковые белила. В смешанных титановых пигментах двуокиси титана содержится всего 25-40%, остальное - различные наполнители. Смешивают их или механическим путем, или же путем совместного гидролиза, при котором частицы наполнителя используются в качестве зародышей.

Смешивать механически титановый пигмент с наполнителем можно сухим способом, но чаще это делают в мокром виде. Предварительно мокрым помолом готовят пастообразные пигмент и наполнитель, затем, разбавляя водой, из этих паст получают жидкие однородные суспензии того и другого, которые и смешивают в определенных соотношениях. После тщательного перемешивания суспензии фильтруют, твердую дисперсную фазу пигмента с наполнителем затем сушат и измельчают.

При гидролизном способе получении смеси на завершающих стадиях сернокислотного получения пигментной двуокиси титана в сульфатно-титановый раствор вводят пастообразный наполнитель (например, сульфат бария), тщательно перемешивают смесь и кипячением ведут его гидролиз. В этом процессе на взвешенные частицы наполнителя осаждается метатитановая кислота, получается очень однородная сухая смесь титанового пигмента (25-40%) и наполнителя (60-75%), которая является материалом для приготовления белых титановых масляных красок. Сначала производят так называемое грубое смешение тертых титановых белил (смесей) с маслом, получают легко растирающуюся массу при помощи механических мешалок. Затем однородную грубую массу направляют в машины-краскотерки, добавляют масло, происходит окончательное растирание и смешение белил с маслом. Готовые к употреблению белила содержат в среднем 42% (36-48%) масла, они достаточно жидки и могут сразу использоваться для окраски поверхности. Хорошие масляные титановые белила должны быть однородны, без крупинок, масло не должно отделяться от пигмента.

Помимо надежности и долговечности, титановые краски дают еще и чисто экономические выгоды: сокращается расход лакокрасочных материалов на единицу окрашиваемой поверхности и уменьшаются затраты труда на окраску в связи с сокращением числа наносимых слоев. Благодаря этому производство титановых пигментов постоянно увеличивается, и по прогнозам специалистов, к концу XX в. может достигнуть нескольких миллионов тонн в год.

В бумажной промышленности применение пигментной двуокиси титана имеет многоцелевое назначение. Во-первых, ее использование широко практикуется для получения бумаги высших сортов для словарей, энциклопедий, каталогов: высокой степени белизны и непрозрачности, тонких и легких видов. Во-вторых, для снижения веса 1 м² бумаги. Например, бумага, облицованная трехслойным покрытием литопона, весит 240 г/м², а при использовании двуокиси титана достаточно однослойного покрытия бумаги, и ее вес снижается до 170 г/м². В-третьих, применение двуокиси титана в производстве цветных бумаг увеличивает интенсивность и сохранность цвета в течение длительного времени. В-четвертых, введение двуокиси титана в композицию бумажной массы позволяет использовать более низкокачественную целлюлозу и другие полуфабрикаты для получения бумаги высокого качества.

В производстве пластических масс двуокись титана применяется очень эффективно благодаря своей высокой степени белизны и дисперсности, интенсивности и химической инертности. Расход титанового пигмента на окраску полимера снижается по сравнению с обычно применяемым литопоном в 5 раз. При использовании двуокиси титана, хорошо совмещаемой с полимерами, как наполнителя увеличивается прочность полимерных материалов, а нетоксичность титанового пигмента позволяет применять его при изготовлении пластмассовой посуды и детских игрушек.

Как пигмент и наполнитель двуокись титана применяется в производстве полиолефинов, поливинилхлорида, поливинилацетата, полиакрилата, фенолформальдегидных смол, полистирола и др.

В производстве химических волокон применяется анатазная двуокись титана особых марок. Ею матируется искусственное волокно и ткани на его основе, для чего анатазный пигмент должен иметь строго ограниченный размер частиц - менее 1 мкм почти все 100% частиц. Такая исключительная дисперсность позволяет применять этот пигмент в волокнах любой толщины, не уменьшая прочности волокон. С его же помощью можно производить рельефную набивку узоров на тканях из химволокна, не допуская искажения рисунка и абразивного воздействия пигмента на оборудование.

В производстве резинотехнической продукции применение двуокиси титана повышает ее прочность и эластичность, а также придает изделиям, получаемым как из природного, так и из синтетического каучука, белые и светлые тона. Из специальных сортов резины с применением двуокиси титана выпускается большой ассортимент светлых и белых видов резиновой обуви. С применением двуокиси титана взамен белой сажи изготовляется и повышенной прочности и термостойкости силиконовый каучук.

При производстве искусственных кож двуокись титана придает им яркость и белизну, сохраняет мягкость и эластичность без нарушения текстуры.

Помимо вышеперечисленных областей, пигментная двуокись титана годится для производства силикатных эмалей, глазурей и тугоплавких стекол, фарфоровых масс и люминесцентных покрытий, она входит в состав высших сортов мыла, медицинских и косметических препаратов, применяется в стоматологии при изготовлении искусственных зубов с особой белизной, может служить исходным сырьем для получения искусственных драгоценных камней типа фабулита (титанат стронция), неотличимых по своим оптическим свойствам от алмаза.

Двуокись титана, являясь хорошим изолятором, может применяться в электрорадиотехнике. Кроме того, этот ускоритель химических реакций используется при переработке нефти и в химическом производстве. Используется также двуокись титана и для покрытий сварочных электродов, дающих высокое качество сварки вследствие хорошей защиты сварочной дуги от вредного воздействия воздуха.

Технические и пожарные лестницы - ПроектРесурс смотреть тут.