Страница 56 из 83
Металл, о котором сейчас пойдет речь, был впервые выделен Берцелиусом в 1824 году и получил ко многому обязывающее имя «Титан».
Мифологические титаны спорили с богами, а один из них, Прометей, как рассказывает мифология, принес людям огонь… Но что дает людям металл титан, достоин ли он своего громкого имени? Если бы об этом зашла речь лет 20 назад, то такой вопрос вызвал бы только улыбку: применялись тогда лишь некоторые соединения титана, да и то далеко не на магистральных направлениях науки и техники. В небольших масштабах использовался титан в качестве легирующего элемента.
Причина такого невнимания достаточно ясна: без этого металла можно было обходиться. В химической промышленности работали нержавеющие стали, свинец и другие «обычные» и давно известные элементы. «Летал» тогда алюминий, алюминиевые и магниевые сплавы.
Но скорость самолета неуклонно росла, а когда она приблизилась к скорости звука, возникли трудности. Чтобы перейти этот «звуковой барьер», нужны были новые материалы — легкие, как алюминий, но гораздо более прочные. Реактивная авиация потребовала металлы, сочетающие легкость с жаростойкостью, нужные для изготовления реактивных двигателей. Жаропрочные материалы техника имела: вольфрамовые, молибденовые, хромовые стали были в достаточном количестве. Но вот легкие…
Тут-то и пришел час титана. Ведь он как раз сочетает высокую точку плавления (1725 градусов) с низким удельным весом (около 4,5). Всего в полтора раза тяжелее алюминия, он прочнее его в шесть раз. Чтобы сравнить прочность титана с прочностью железа и алюминия, скажем, что если для удержания некоторого груза достаточно титановой проволоки сечением в 1 миллиметр, то стальная должна быть в полтора, а алюминиевая — в 2,6 раза толще.
Титан хорошо куется и поддается другим видам обработки. Он обладает замечательной устойчивостью против коррозии. Прежде чем использовать какой-нибудь металл в технике, его буквально «истязают», подвергают жесточайшим испытаниям: разрывают на части, дробят, «варят» в кислотах и щелочах, подвергают чудовищным нагрузкам… Титан успешно прошел «огонь и воду». Пластинка из титана, помещенная в морскую воду, за 10 лет (срок, за который от такой же железной пластинки осталось бы одно воспоминание) совершенно не изменилась. В обычной воде титан корродирует лишь при температурах около 800 градусов. На воздухе титан устойчив до 600 градусов. При дальнейшем нагревании он защищается, образуя пленку окисла. Но при очень высокой температуре металл начинает поглощать газы — кислород, азот — и соединяться с серой и углеродом.
Эта особенность титана является, вообще говоря, его недостатком. Но именно она положила начало использованию титана в металлургии: добавляя титан в сталь, заставили его связывать растворенные в ней газы и тем улучшать ее структуру. Между прочим, мы теперь видим, что почти все новые металлы начинали свою «работу» в технике в союзе с железом и лишь потом выходили на самостоятельный путь…
Итак, при высоких температурах титан поглощает газы. Одновременно он становится тверже, но уменьшается его пластичность.
Великолепны свойства сплавов титана с нашими старыми знакомыми — молибденом, хромом, вольфрамом, ванадием — и с новыми металлами — цирконием, ниобием, танталом. Сплав титана, содержащий 5 процентов хрома и 3 процента алюминия, вдвое прочнее и в полтора раза легче нержавеющей стали. При 500 градусах прочность его выше, чем у нержавеющей стали при комнатной температуре. Соединяясь с углеродом, титан образует очень твердый карбид, использование которого в резцах позволяет в десятки раз увеличить скорость резания.
Широкое применение имеют и другие соединения титана. Вот одно из них — окисел TiO2. Это белая краска и материал для керамической промышленности. Это соединение — компонент тугоплавких стекол и катализатор некоторых реакций. Только в качестве белил ежегодно используют до 200 тысяч тонн этого вещества.
Запасы титановых руд в природе велики. Это титаномагнетиты, содержащие вместе железо, титан и ванадий, минерала ильменит (железная соль титановой кислоты FeTiO3) и рутил TiO2.
Подготовка исходного сырья для производства титана сводится к получению его двуокиси. Дальше TiO2 восстанавливают углеродом в струе хлора, получая четыреххлористый титан:
TiO2 + С + 2Cl2 = TiCl4 + CO2.
Чтобы из этого соединения выделить сам металл, действуют на него металлическим магнием, который и «забирает» хлор, давая титан в виде губчатой массы:
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.
Чтобы получить компактный металл, эту массу нужно переплавить. Процесс ведут или в вакууме, или в атмосфере инертного газа — аргона, чтобы не ухудшать свойств металла из-за поглощения им азота и кислорода из воздуха. И все-таки полученный таким образом металл не раскрывает всех своих способностей из-за недостаточной чистоты. Поэтому приходится дополнительно очищать его. Особенно чистый металл получают йодидным методом, имеющим большое значение в производстве не только титана, но и циркония и других новых металлов.
Выделенный из хлорида металл… превращают в йодид. Какой в этом смысл? А вот какой. Образовавшийся при 300 градусах TiJ4 легколетуч, поэтому он возгоняется в вакууме. На своем пути пары TiJ4 встречают раскаленную (1400 градусов) проволочку из титана. При такой температуре йодид разлагается, давая титан и йод. Чистый титан оседает на проволочке, а йод снова возвращают в процесс, и он переносит «на своих плечах» следующую порцию металла. Температуру возгонки регулируют, чтобы испарялся только йодид титана, а другие йодиды оставались на дне аппарата. Как видите, процессы сложные, требующие — в промышленных масштабах! — применения вакуума, инертного газа, объемистой аппаратуры, способной противостоять такому агрессору, как хлор… Не удивительно, что если стоимость руды принять за единицу, то стоимость готового чистого металла чуть ли не в 500 раз выше. Дорого? Да. Однако уже сегодня к титану не применима известная пословица: «Мал золотник, да дорог». Дорог пока — это верно. Но не мал. Помните, каким бурным был рост производства алюминия? Так вот, производство титана растет втрое быстрее.
Титан прочно «стал на ноги» в современной технике. Но жизнь не стоит на месте. На дорогу, ведущую из области редких элементов в область обычных материалов техники, становятся новые замечательные материалы.
В семействе тугоплавких металлов не последнее место занимают элементы-близнецы цирконий и гафний. Оба они — аналоги титана, поэтому любой из вас, даже не знакомый до сих пор с этими металлами, легко поверит, что они должны обладать не менее замечательными свойствами, чем титан.
Интересна история этих элементов. Цирконий был открыт очень давно — в 1789 году, гафний же, всегда «сопровождавший» его и в природе и в лабораторных препаратах, оставался незамеченным в течение более 130 лет благодаря чрезвычайной схожести с цирконием. О причине этой схожести — так называемом «лантаноидном сжатии» — будет сказано ниже.
Еще лет 20 назад цирконий использовали в очень небольших количествах, да и то в виде двуокиси ZrO2, служившей хорошим огнеупорным материалом. Металлический цирконий использовался мало (в качестве ценного, но слишком дорогого легирующего элемента). К жизни этот металл был вызван развитием ракетостроения и атомной техники.
Минералами циркония являются циркон ZrSiO4 и баддалеит ZrO2. Встречаются они в значительных количествах, причем в месторождениях, кроме циркона и баддалеита, часто содержатся также рутил, ильменит, редкоземельные элементы и торий в виде окислов.