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钛及稀有金属在磨料磨具行业的应用


钛及钛合金是一种新兴金属的工程材料。具有比重小、高比强、耐高温、耐腐蚀、超导性、记忆性、亲生物性能,不仅是航空、航天、兵器、舰船等军事工业中不可缺少的结构材料;而且在民用工业领域内,如化工、石油、石油化工等部门也广泛应用。因此,钛工业的发展和钛结构的应用,受到世界各国的重视,钛及钛合金被人们誉为现代“新金属”。



一、钛的特性


钛是一种与钢相似的银灰色光泽金属,属于难熔稀有金属,近年来有人把它列为轻有色金属。


金属钛具有两种同素异结构,在1625℃时为密排六方晶格的结构,在1625~3140℃范围内是稳定的体心立方β相。


工业纯钛的物理性质如表1,为了比较和其它金属的物理性能。

二、钛的物理性能



(1)比重小、强度高、比强度大。


钛的比重为4.5g/ cm2  ,仅为铁的比重的0.577。是铝比重的1.7倍,钛合金的比强度是铝合金1.3倍,是钢的1.5倍,在-253~600℃范围内它的比强度(抗拉强度/密度)在金属材料中几乎最高。


(2)无磁性。钛在很强大的磁场中也不会磁化。


(3)熔点高:钛的熔点为1668℃,沸点为3400℃,稍高于铁、镍,远高出铅、镁1000℃有余。因此钛作为轻型耐热材料具有良好的基础。耐热钛合金的长期工作温度远远超过铝合金和镍长期工作温度,耐热钛合金可在不超过500℃的温度下长期工作,研制的新型钛合金其长期工作温度还要高,因此,有人认为如果没有钛,2.7马赫以上的超音飞机实际上是不可能制成,在超硬材料生产中保护顶锤损耗。生产金刚石复合片,立方氮化硼复合片用钛片、钛杯等。


(4)膨胀系数小


钛膨胀系数为8.2×10-6 /℃,因此钛在受热或急冷时热应力小,钛金属结构或设备在温度急剧变化的环境中使用是可靠的,钛的膨胀系数为碳钢的1/5,相当于不锈钢一半。


(5)导热性差:钛的导热率为0.036卡/厘米.秒.度


导热系数仅为钢的1/5,铝的1/3,铜的1/2,有粘性。对于钛的成型加工来说,这一特点不利于切削加工;焊接时焊缝易得到粗晶或过热组织;热加工需要适当长的保温时间。对使用而言,导热性差,固然不足,易形成高的温度梯度,并易产生热应力及冷疲劳。


(6)弹性模量(E=Q/E)较低;钛的弹性模量为65~110MPa/mm2,虽比铝、镁高得多,但钛的比重小,可通过增加结构材料的断面尺寸来补充其刚性不足。对于钛的冷成型加工来说,由于弹性模量较低,加工时回弹性大,不易冷成型。


(7)抗拉强度与屈服强度很接近,抗阻尼性低耐热性好,传热慢,对超硬材料生产不易烧坏导电钢碗,对保护顶锤大有好处。


(8)耐蚀性能好。工业钛在许多化学介质中都有优异的耐蚀性,其耐蚀性能超过不锈钢,尤其是在氧化性,中性介质中呈现了优异耐蚀性。在超硬材料电镀制品用钛网篮、钛挂具、钛阳极板,是优选的金属材料。



三、钛的化学性能



钛在高温中是化学活性极高的元素,能和卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈反应。其中同氟在常温,同氧、溴、碘分别在350℃、360℃和400℃中即能发生反应。


钛尘在空气中能发生强烈的爆炸。


钛是在氧气中加热就能够进行燃烧的元素之一,在常温中即能够吸收氢气。钛与氢、氮、氧、碳反应后能使机械性能变坏。钛在500℃以上有强烈吸收气体能力。因此钛的熔炼必须在真空条件下进行,钛可用作高真空电子仪器的脱气剂,在超硬材料生产过程中,除了保护顶锤损耗外,钛还可提高人造金刚石立方氮化硼的质量。


1、硝酸


钛在室温对各种浓度的硝酸均极稳定,甚至在高温和高压下,反应也很慢。对酸作用与硝酸相似,在氯气或硝酸介质中钛也是很突出的耐蚀材料。


钛在沸点以下各种浓度的硝酸中均具有优异的耐蚀性。钛在硝酸中的腐蚀化合物Ti4+,对铬腐蚀起缓蚀作用,因而钛在流动硝酸中的腐蚀要比在静止的硝酸中高些。在发烟硝酸中,当NO2含量较高,(超过2%)而水含量不足时,钛与发烟硝酸可能会由于剧烈反应放热而引起爆炸。


NO2含量达20%时,爆炸倾向增加,但当含量水量增至2%时,可完全避免爆炸。钛一般不用于含量80%以上的高温硝酸中。


2、硫酸


钛和硫酸的作用与浓度有关,对稀酸比较稳定,但随浓度的增加,特别是有空气存在时,反应速度也随之增加。钛在10%~98%浓度的硫酸中不耐蚀,只能用于室温下5%的溶氧硫酸中。10℃时,钛仅能在0.2%硫酸中保持纯态。当硫酸中存在少量氧化剂或重金属离子时能显着提高钛的耐蚀性。如高价铁、高价铜、铬酸根、二氧化锰、硝酸、氯气四价钛离子等均能缓蚀。钛在硫酸中加入H2O2,会加速对钛的腐蚀。在90℃浓度50%的硫酸中氢气可加速对钛的腐蚀,个别情况下还会发生钛的燃烧。应该特别指出,钛钼合金在硫酸中有很好的耐腐性。


3、盐酸


钛在盐酸中有中等的耐蚀性。一般纯钛可用于室温,7.5%、60%、3%;100℃、0.5%的盐酸中,钛和盐酸的腐蚀反应为;2Ti+6HCl=2TiCl3+3H2盐酸中含有氯气,硝酸,次氯酸钠,铬酸盐,亚硝酸纳,Fe3+、Cu2-、Ti4+少量贵金属以及空气(盐酸浓度较低时)能促进钛在盐酸中的纯化。扩大钛在盐酸中的应用范围。Fe2+对钛的腐蚀没有影响,应指出,钛钼合金在盐酸中的耐蚀性比纯钛好得多,特别是具有抗缝隙腐蚀的能力。


4、磷酸


钛可用于35℃、30%;60℃、10%;100℃、3%;以下的磷酸中,若介质中含有Fe+1、Ca+2、Ag1+、Hg2+以及硝酸等氧化剂,可以提高钛在磷酸中的耐蚀性。


钛在任一浓度的氢氟酸中,均能迅速溶解。钛的发现和工业化生产,为我们提供了耐腐蚀性能优异的金属材料,在高科技领域和各种腐蚀性的介质中,钛取代碳钢、不锈钢、作金属结构材料,电极材料和人体金属材料等获得了引人注目的效果,在人类与腐蚀的关键中钛做出了不可磨灭的贡献。


钛的耐腐蚀性能分三个等级。


优良——耐腐蚀,腐蚀速率在0.127毫米/年以下;

良好——比较耐蚀,腐蚀速度在0.127~1.27毫米/年之间;

差——不耐腐蚀,腐蚀速率在1.27毫米/年以上。

5、盐和碱


钛对大多数碱液耐腐。钛在室温下对各种浓度的氢氧化钡、氢氧化钙、氢氧化钠和氢氧化钾完全耐蚀,不能用于沸腾的氢氧化钠、氢氧化钾溶液中。碱溶液中含有游离氯时,钛耐腐。碱中含氨会加剧的腐蚀。在含有过氧化氯的碱液中加入硅酸钠和偏磷酸钠,对钛的腐蚀可缓蚀作用。


钛在大系数无机盐溶液中都很耐腐蚀。在有机物,除了蚁酸、草酸和较浓的柠檬酸外。钛对所有的有机酸均具有优异的耐腐蚀性。浓醋酸中含有醋酐时,钛被加速腐蚀。钛在碳氢化合物和氯化碳氢化物中有优异的耐蚀性。在酮醛、醇(甲醇除外)中极好耐蚀。钛在含少量氯化物或溴化物的甲醇易产生应力腐蚀。在丙烯酸,脂肪酸、酚、氯化乙酸,人造纤维等介质以及这些物质合成过程,钛耐腐蚀性大大优于不锈钢。


钛在沸腾氯酸钠和次氯酸钠等氧化物溶液中具有优异耐腐性。这是钛比不锈钢突出的优点之一。


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