介紹金屬鈦——大學(xué)化學(xué)

1、 金屬鈦 什么是鈦鈦的冶煉 鈦的性質(zhì)與優(yōu)點 物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)特性優(yōu)點 鈦金屬材料的應(yīng)用 航空航天汽車工業(yè) 艦船工業(yè)電力工業(yè)醫(yī)藥領(lǐng)域 鈦合金的發(fā)展趨勢 目錄 金屬鈦 鈦是一種化學(xué)元素，化學(xué)符號Ti，原子序數(shù) 22，是一種銀白色的過渡金屬，其特征為重量輕、 強度高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力 （包括海水、王水及氯氣）。由于其穩(wěn)定的化學(xué) 性質(zhì)，良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強堿， 以及高強度、低密度，被譽為“太空金屬”。 鈦的主要礦石是金紅石(TiO2)和鈦鐵礦 (FeTiO3)，它的發(fā)現(xiàn)也正是從這兩種礦石的分 析而來。 鈦在自然界分布極廣，地殼中鈦含量為4400 克噸，居第九位,比常見金屬

2、銅、鉛和鋅的總 量還多。已發(fā)現(xiàn)含鈦1以上的礦物有80多種, 工業(yè)上使用的僅有兩種：金紅石(TiO2)和鈦鐵 礦（FeTiO3）。金紅石含TiO2品位高，但儲 量有限。鈦鐵礦儲量豐富，將逐漸成為鈦工業(yè) 的主要原料，但含TiO2低，必須進行富集。 金屬鈦 金屬鈦鈦的冶煉 鈦的冶煉 鈦的冶煉有硫酸法和氯化法 硫酸法可以使用較低品位的鈦鐵礦石，而且 還可以生產(chǎn)硫酸亞鐵成本低廉，但是污染太大副 產(chǎn)物難于處理消耗硫酸多。 氯化法使用的礦石品位較高而且成本較高，但 是污染小副產(chǎn)物較少而且氯可以循環(huán)使用 純的二氧化鈦 鈦的冶煉 鈦礦 與純氯和焦炭在高溫反應(yīng)四氯化鈦和 一氧化碳 海綿狀的金屬海綿狀的金屬 鈦鈦

3、基本原理圖 鈦的特性與優(yōu)點物理性質(zhì) 鈦的物理性質(zhì)與其中雜質(zhì)種類和數(shù)量有密切關(guān)系。尤其是雜質(zhì)氧、氮、碳會增加其 硬度和脆性，雜質(zhì)鐵不僅增加硬度，而且降低耐蝕性。因此工業(yè)用鈦對于雜質(zhì)含量和硬 度有嚴格的要求 化學(xué)性質(zhì) 鈦很像鐵，但比鐵還堅硬的多，而重量只有鐵的一半。 鈦的缺點是總跟其他元素混合，所以人們總把它當成稀有 元素。 鈦的化學(xué)性質(zhì)同硅和鋯相似。鈦屬于化學(xué)性質(zhì)比較活潑的 金屬。 1 鈦在水溶液中低價態(tài)的某些性質(zhì)同釩和鉻相似，鈦在 高溫下容易與氧、氮、氫、水汽、氨、CO、CO2等氣體 反應(yīng),所以是良好的吸氣劑。吸收量小時，呈固溶體存在； 吸收量大時,生成相應(yīng)的化合物。鈦在一定溫度范圍內(nèi)吸 氫,

4、升高溫度后放氫,因此70年代開始研究被用作貯氫材料。 2 鈦的表面能生成致密的氧化膜，有保護作用。因此鈦 在海水、堿性溶液、硝酸、含水氯氣中有很強的抗腐蝕能 力；在濃度小于5的稀鹽酸和稀硫酸中，也有一定的抗 腐蝕能力 3. 液態(tài)鈦幾乎能溶解所有的金屬，因此可以和多種金屬形 成合金。鈦加入鋼中制得的鈦鋼堅韌而富有彈性。鈦與金屬 Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金屬間化合物。 鈦屬于稀有金屬稀有金屬，實際上鈦并不稀有，其在地殼 中的豐度占第七位，占0.45%，遠遠高于許多常見 的金屬。但由于鈦的性質(zhì)活潑，對冶煉工藝要求高， 使得人們長期無法制得大量的鈦，從而被歸類為“稀 有”的金屬

5、。 化學(xué)性質(zhì) 1791年發(fā)現(xiàn)，年發(fā)現(xiàn)，1910 年才制得高純度鈦年才制得高純度鈦 鈦鐵礦 鈦礦石鈦礦石 鈦的優(yōu)點概括起來就是強度高，導(dǎo)熱系數(shù)小，無磁 可塑性好，抗疲勞性能焊接性能好，膨脹系數(shù)小， 比重小（比鋼輕43% ），機械強度高（與鋼相差不多，比鋁 大兩倍，比鎂大五倍）。鈦耐高溫（比黃金高近1000K ，比鋼高 近500K）。在強腐蝕環(huán)境下，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。在化工 中的實際應(yīng)用價值很大。某些鈦合金還具有超導(dǎo)性， 記憶性能和儲氫性能。 鈦的特性 鈦金屬的應(yīng)用 一航空航天工業(yè)中 在飛機機身及其發(fā)動機和火箭部件中，稱鈦為 不可缺少的“太空金屬”。航空構(gòu)架要求高抗拉強度 并結(jié)合良好的抗疲勞強度和斷裂

6、韌性。而鈦合金 的優(yōu)異的高抗溫強度，蠕變強度和高溫穩(wěn)定性也 使之被應(yīng)用于噴氣式發(fā)動機上。 太空飛行器的有效載荷相對飛機較小，因此其 結(jié)構(gòu)的減重就顯得更為重要。鈦合金質(zhì)量輕，強 度高，與燃料的長期化學(xué)穩(wěn)定性好，因此比高強 度鋼更有優(yōu)勢。 中國第四代重型殲擊機殲14 機體的36由碳纖維復(fù)合材料制成，鈦64約占24%，鈦 62222占3%，鋼占16%，鋁合金占16%，傳統(tǒng)的鋼和鋁合金 占的比重很小，而大量使用了鈦合金和復(fù)合材料，這有利于 提高飛機的隱身性和耐熱性，減輕機體重量，增大機體強度。 鈦及鈦合金始終受到航天火箭技術(shù)裝備研制人 員的關(guān)注。實際上沒有一種航天火箭是不使用鈦及 鈦合金的。鈦合金在航

7、天火箭中所占質(zhì)量為5 30。在“能源暴風雪”號、“和平一l”號、 “進步”號、“金星”號、“月球”號航天器中也 得到 非常廣泛的應(yīng)用 。 “能源暴風雪”號 二汽車工業(yè)中 在汽車工業(yè)中，由于鈦的價格昂貴，一般應(yīng)用 制造賽車及汽車的關(guān)鍵部分。 如用鈦合金制作汽車閥,發(fā)動機連桿， 發(fā)動機氣門。在賽車方面，用于制作賽車的進氣 閥，排氣閥，閥擋板，連接桿等。 減輕汽車重量，延減輕汽車重量，延 長使用壽命，提高長使用壽命，提高 汽車的可靠性，節(jié)汽車的可靠性，節(jié) 省燃油（美國汽車省燃油（美國汽車 廠商大量使用）廠商大量使用） 三在艦船工業(yè)中 船舶以鈦作為最基本最重要的材料之一，原因是 其強度高，比重輕，耐海

8、水腐蝕。尤其是在深海潛 水調(diào)查船，潛水艇，核潛艇，深潛器等都用到了鈦 材料制造的螺旋槳推進器，潛艇天線，海水管路， 冷凝器等等。 蘇聯(lián)歷史上最后一級規(guī)劃的大型巡洋艦夏伯陽級巡洋艦 俄羅斯已經(jīng)將“光榮”級裝備的P-500導(dǎo)彈進行改進，結(jié)構(gòu) 上應(yīng)用了大量的鈦合金以及無機材料，使得彈重大大減輕 。 四在電力工業(yè)中 由于火力發(fā)電和原子能發(fā)電中需要巨大的汽輪和 凝汽管，鈦的特性符合其特殊要求，所以使用鈦材 料。 五在醫(yī)藥領(lǐng)域 由于鈦具有生物適應(yīng)性，即對身體組織和體液幾 乎沒有什么影響，被作為醫(yī)療外科用的植入材料， 鈦的彈性模量與人體組織最接近，可以減輕金屬種 植體與骨組織間的機械不適應(yīng)性。 現(xiàn)年8歲半的

9、“科爾”是一條來自 倫敦的斗牛犬，由于患癌，它于 去年經(jīng)手術(shù)截除了前側(cè)的左小腿 和整個腳掌?？吹綈廴畯拇藷o法 正常行走，主人雷格沃克不惜花 費1萬英鎊巨資，為它安裝了一條 高科技的鈦合金假肢。安上假肢 后的“科爾”如今健步如飛，并 且獲得了“仿生犬”的稱號。 鈦合金的發(fā)展趨勢 目前，鈦合金材料主要的應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天等軍事 工業(yè)部門，但在新的領(lǐng)域特別是汽車，火車，磁浮列車等 民用領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。 總的來看，鈦合金研究的多，應(yīng)用的少的現(xiàn)象仍然嚴重， 另外鈦合金的高成本也限制了其更加廣泛的應(yīng)用。鈦合金 將來的發(fā)展趨勢是: 1）改進設(shè)備和工藝，改善鈦合金的使用性能，擴大應(yīng)用 范圍。 2）大力

10、發(fā)展民用鈦合金，如汽車用低成本鈦合金，生物 鈦合金等 3)采用先進的熔煉加工技術(shù)和設(shè)備，以提高生產(chǎn)效率，降 低生產(chǎn)成本。 稀有金屬 目前市場上最為出彩的無疑是標著“稀有金屬”標 簽的鈦（Titanium）合金產(chǎn)品，但是鈦在自然界中 分布其實非常廣泛，地殼中鈦的含量為4400克/噸， 僅次于鋁、鐵、鎂，位列第四，是常見的銅、鎳、 鉛、鋅的總量的16倍。我們之所以稱鈦為“稀有金屬” 實際上是指它是“難溶稀有金屬”，這一系列金屬包 括鈦（Ti）、釩（V）、鎢（W）、鉬（Mo）、鈮 （Nb）、鉭（Ta）、鋯（Za）、鉿（Hf）這八個成 員，其共同特點就是熔點高不易提煉，鈦的熔點即 達到了1667攝氏度。 我國鈦資源總量9.65億噸，居世界之首，主要集中 在四川，云南，廣東，廣西及海南等地，其中攀西 （攀枝花西昌）地區(qū)是中國最大的鈦資源基地。 海綿鈦 金屬熱還原法生產(chǎn)出的海綿狀金屬鈦。純度 %(質(zhì)量)一般為99.199.7。雜質(zhì)元素%(質(zhì)量)總 量為0.30.9，雜質(zhì)元素氧%(質(zhì)量)為0.060.20， 硬度(HB)為100157，根據(jù)純度的不同分為 WHTiO至MHTi4五個等級。為制取工業(yè)鈦合金的 主要原料。 海綿鈦生產(chǎn)是鈦工業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，它 是鈦材、鈦粉及其他鈦構(gòu)