Титан-металл новой техники (Н. Гудцов, академик)

Ученые и инженеры, разрабатывающие проблемы самых различных областей техники, постоянно сталкиваются с необходимостью применения таких материалов, которые были бы одновременно легкими и прочными, жаростойкими и хорошо сопротивляющимися коррозии. Если перелистать страницы технических журналов последних лет, в них все чаще и чаще можно встретить слово "титан" - название металла, который при широком применении может произвести настоящую революцию в современной технике. Именно титан удовлетворяет тем требованиям, которые ставятся перед материалом для новой техники.

Вот несколько примеров использования замечательных свойств титана.

Применение деталей из титанового сплава в конструкции двигателя весом 2300 кг позволит сократить его вес на 20%. Подобное облегчение двигателя при учете высокой прочности даст возможность в авиации развить огромную скорость самолета и перекрывать дальние расстояния с большой нагрузкой. Титан может применяться в самолетостроении и для других целей. Известно, что при трении о воздух корпус и обшивка скоростного самолета нагреваются до такой степени, что алюминиевые сплавы начинают размягчаться; применение же стальных сплавов из-за их большого веса ограничивает скорость и дальность полета. Большие надежды поэтому возлагаются на титан. Обшивки самолетов из титановых сплавов способны противостоять повышению температуры до 450°С. Большие перспективы обещает применение титана также в подводном флоте, где особенно важны его антикоррозийные качества, и в производстве легкой и прочной брони для танков и кораблей.

Что же представляет собой этот металл и каковы перспективы его применения? Титан - легкий и прочный металл, стоящий по своим механическим и коррозионным свойствам на уровне современных высококачественных сплавов. Он позволяет достичь необходимых результатов там, где другие металлы непригодны. Детали из титановых сплавов прочнее, чем из алюминия; они на 40% легче, чем детали из легированной стали. По отношению прочности к весу титан не имеет себе равных среди других используемых в технике металлов.

Неокисляемость титана при обычной температуре ставит его в один ряд с нержавеющей сталью, а неподверженность действию многих кислот и щелочей даже приближает его к платине. Не случайно поэтому в период второй мировой войны в США титан был оценен как стратегический материал, использование которого в создании боевой техники авиации, флота, сухопутных войск позволяет значительно увеличить скорость, дальнобойность, маневренность, живучесть, т. е. все основные решающие факторы современного вооружения.

Следует отметить, что сфера применения титана и его сплавов не ограничивается военным делом. Они могут быть использованы в химическом машиностроении, особенно для вращающихся деталей, где малый вес и коррозионная стойкость металла особенно необходимы. Достаточно сказать, что при комнатной температуре титан остается пассивным по отношению к морской воде, органическим кислотам, щелочам, азотной, серной и соляной кислотам и даже к смеси азотной и соляной кислот (царская водка). Агрессивное действие на титан оказывают лишь горячие кислоты: серная, соляная, фосфорная и муравьиная, а также плавиковая кислота всех концентраций.

Сплавы титана могут использоваться и в железнодорожном и водном транспорте, например, при изготовлении деталей паровых и газовых турбин. Титан может найти применение для изготовления поддерживающего сердечника натянутых электрических проводов взамен применяющейся для этой цели в настоящее время стали. Это снизит на 16% вес проводов, а следовательно, и их стоимость.

Сплавы титана, получаемые путем спекания карбидов и нитридов титана с кобальтом, являются сверхтвердыми. Они применяются для изготовления режущего инструмента, обладающего чрезвычайно высокой твердостью и износостойкостью. Из сплава карбида титана с вольфрамом делают различного рода наконечники, обладающие высокой твердостью, а также всевозможный инструмент. Этот сплав, помимо его значительной твердости, обладает хорошим сопротивлением к ударным нагрузкам и может употребляться для клапанных седел в двигателях, а также фильеров, применяемых для волочения стальной и медной проволоки. Высокая температура плавления титана позволяет применять титановые нити для электроламп, где его большое сопротивление сочетается с высокой излучающей способностью. Титан применяется в виде сплавов и для деталей радиоламп, где он заменяет платину. Случаи возможного применения титана показаны на рис. 59.

Рис. 59. Возможное применение титана

Титан - наиболее распространенный элемент земной коры. Его геологические запасы составляют около 0,61%. Для сравнения следует иметь в виду, что запасы такого широко применяемого в металлургии металла, как марганец, составляют всего лишь 0,10%, а содержание всех остальных легирующих сталь металлов в земной коре составляет также 0,10%, в том числе запас меди 0,008%, а олова 0,004%.

Почему же полезные и ценные свойства титана и его сплавов слабо использовались в технике раньше, что задержало его применение в промышленности? Титан как химический элемент был открыт еще в 1790 г. Многие из его свойств известны уже давно, однако в течение долгих лет он пребывал в ряду редких металлов из-за трудности получения. Тугоплавкость соединений титана, высокая температура плавления самого металла, равная 1660°, и большая склонность к соединению с газами из воздуха при температурах, близких к точке плавления, служили основными препятствиями к выплавке титана в чистом виде. Поэтому первые попытки получения чистого металлического титана оказывались или безуспешными, или приводили к получению металла, загрязненного примесями, которые резко ухудшали его качество и делали непригодным к использованию.

Только в 1910 г. впервые было получено несколько граммов чистого и ковкого титана, а в 1923 г. был открыт так называемый иодидный способ получения наиболее чистого титана, основанный на способности летучих соединений титана с йодом разлагаться на составные части под действием тепла раскаленной металлической нити. Этот способ, используемый и в настоящее время для очистки титана от примесей, послужил началом огромного количества научно-исследовательских работ, позволивших наиболее полно изучить свойства титана и перейти к разработке промышленных методов его получения.

В природе титан встречается не в чистом виде, а в составе многих минералов. Промышленное значение представляет в основном наиболее дешевый минерал ильменит, получивший свое название от Ильменских гор на Южном Урале, где он впервые был обнаружен. Ильменит содержит около 32% титана и является самым распространенным сырьем для промышленного получения титана. Лучшие по содержанию титана и наиболее дешевые ильмениты встречаются в Индии. Разработка ильменитовых залежей ведется в США, Норвегии, Канаде, Японии. Месторождения ильменита обнаружены также в Малайе, Южной Америке, Австралии, Бразилии.

Кроме ильменитов, титан содержится также в других минералах: рутиле, арканзите и др. Все эти руды служат сырьем для промышленного, так называемого магниетермического метода получения титана, который был впервые разработан в 1940 г. и применяется в настоящее время с некоторыми доработками и усовершенствованиями.

Извлечение металлического титана из его природных соединений представляет собой трудоемкий и пока еще довольно дорогой процесс, включающий в себя несколько отдельных самостоятельных стадий. К первой стадии относятся длительные и сложные процессы обогащения титановой руды, приводящие к получению кислородного соединения - двуокиси титана. Вторую стадию составляет превращение кислородного соединения титана в соединение его с хлором - тетрахлорид титана. Третья стадия - получение металлического титана в виде титановой губки путем восстановления его металлическим магнием. Все эти процессы протекают в нейтральной атмосфере аргона или гелия. Далее следует операция очистки титановой губки от остатков хлора и магния, производимая в вакууме при температуре 800-900°С. Измельченная в крошку титановая губка служит сырьем для последней стадии процесса - получения так называемого компактного титана.

Компактный титан может быть получен различными путями. Один из них - индукционная плавка в инертной атмосфере или в вакууме. Титановая шихта плавится в графитовом тигле, так как ни один из обычно применяемых огнеупорных материалов не выдерживает высокой температуры плавления и химической активности титана. В результате получают довольно крупные слитки весом 45-180 кг. Полученный этим способом титан содержит 0,25-0,8% углерода, который снижает его пластические свойства. Поэтому наиболее распространенным промышленным способом получения титана и его сплавов является метод дуговой плавки в печи специальной конструкции в вакууме или нейтральной атмосфере, позволяющий получать титан в виде слитков диаметром до 610 мм и весом до 2 т.

Слитки титана и его сплавов могут с успехом обрабатываться путем ковки или прокатки. Следует отметить, что сложны и дороги лишь процессы получения металлического титана, дальнейшие же операции его технологической обработки не представляют особых затруднений. Они ведутся обычным порядком, как и для ряда других металлических сплавов. Только одна операция - сварка - должна производиться в инертной атмосфере, так как в этом случае металл находится в расплавленном состоянии и вследствие своей химической активности при высокой температуре жадно поглощает из воздуха кислород, водород и азот и становится от этого хрупким.

Основными производителями титана среди капиталистических стран можно считать США и Японию, где выпуск этого металла из года в год непрерывно увеличивается. В США, например, производство титановой губки с 50 т в 1950 г. достигло к настоящему времени ориентировочно 9000 т в год. В Японии производство титана в 1952 г. составляло около 130 т, в 1954 г. 1200 г, а к концу 1958 г. выпуск титановой губки предполагается увеличить до 12000 т в год. Титановую губку Япония экспортирует в другие страны, в первую очередь в США. Значительно меньшее количество титановой губки производится в Англии, Канаде, Западной Германии и Франции.

Во многих странах ведутся исследования сплавов титана и путей удешевления его производства, так как значительная стоимость препятствует широкому применению этого ценного металла. Следует отметить, что в ряде капиталистических стран использование титана в настоящее время ограничивается той областью, где стоимость материала составляет лишь сравнительно небольшую долю стоимости разработки конструкций и затрат на их изготовление.

Директивы XX съезда КПСС по шестому пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1956-1960 гг. ставят задачу значительного расширения производства титана в нашей стране.

Титан может найти применение почти во всех отраслях промышленности, и в каждой он окажется весьма полезным. Применение этого металла создает новый этап в развитии современного машиностроения, в прогрессе новой техники. Дальнейшие исследования, проводимые нашими учеными и инженерами, творческая мысль новаторов помогут открыть широкую дорогу использованию нового металла.