Propriétés magnétiques du titane. Collage avec d'autres métaux

Tout ce que vous devez savoir sur le titane, plus le chrome et le tungstène

Beaucoup s'intéressent à la question : quel est le métal le plus dur au monde ? C'est du titane. La majeure partie de l'article sera consacrée à cette substance solide. Nous nous familiariserons également un peu avec des métaux durs tels que le chrome et le tungstène.

9 faits intéressants sur le titane

1. Il existe plusieurs versions des raisons pour lesquelles le métal porte un tel nom. Selon une théorie, il a été nommé d'après les Titans, des êtres surnaturels intrépides. Selon une autre version, le nom vient de Titania, la reine des fées.
2. Le titane a été découvert à la fin du XVIIIe siècle par un chimiste allemand et anglais.
3. Le titane n'a pas été utilisé dans l'industrie depuis longtemps en raison de sa fragilité naturelle.
4. Au début de 1925, après une série d'expériences, des chimistes obtiennent du titane pur.
5. Les copeaux de titane sont hautement inflammables.
6. C'est l'un des métaux les plus légers.
7. Le titane ne peut fondre qu'à des températures supérieures à 3200 degrés.
8. Bouille à une température de 3300 degrés.
9. Le titane est de couleur argent.

Histoire de la découverte du titane

Le métal, qui a plus tard été nommé titane, a été découvert par deux scientifiques - l'Anglais William Gregor et l'Allemand Martin Gregor Klaproth. Les scientifiques ont travaillé en parallèle et ne se sont pas croisés. La différence entre les découvertes est de 6 ans.

William Gregor a donné à sa découverte le nom de Menakin.

Plus de 30 ans plus tard, le premier alliage de titane a été obtenu, qui s'est avéré extrêmement fragile et ne pouvait être utilisé nulle part. On pense que ce n'est qu'en 1925 que le titane a été isolé sous sa forme pure, qui est devenu l'un des métaux les plus demandés de l'industrie.

Il est prouvé que le scientifique russe Kirillov a réussi à extraire du titane pur en 1875. Il a publié une brochure détaillant son travail. Cependant, les recherches d'un Russe peu connu sont passées inaperçues.

Informations générales sur le titane

Les alliages de titane sont une bouée de sauvetage pour les mécaniciens et les ingénieurs. Par exemple, un corps d'avion est en titane. En vol, il atteint une vitesse plusieurs fois supérieure à la vitesse du son. Le boîtier en titane chauffe jusqu'à plus de 300 degrés et ne fond pas.

Le métal ferme le top dix des « Métaux les plus courants dans la nature ». De grands gisements ont été trouvés en Afrique du Sud, en Chine et beaucoup de titane au Japon, en Inde et en Ukraine.

La réserve mondiale totale de titans est de plus de 700 millions de tonnes. Si le rythme de production reste le même, le titane durera encore 150 à 160 ans.

Le plus grand producteur du métal le plus dur au monde est la société russe VSMPO-Avisma, qui satisfait un tiers des besoins mondiaux.

Propriétés du titane

1. Résistance à la corrosion.
2. Haute résistance mécanique.
3. Faible densité.

Le poids atomique du titane est de 47, 88 amu, le nombre ordinal dans le tableau périodique chimique est de 22. Extérieurement, il est très similaire à l'acier.

La densité mécanique du métal est 6 fois supérieure à celle de l'aluminium, 2 fois supérieure à celle du fer. Il peut se combiner avec l'oxygène, l'hydrogène, l'azote. Lorsqu'il est associé au carbone, le métal forme des carbures incroyablement durs.

La conductivité thermique du titane est 4 fois inférieure à celle du fer et 13 fois inférieure à celle de l'aluminium.

Processus d'extraction du titane

Il y a une grande quantité de titane dans la terre, cependant, il en coûte beaucoup d'argent pour l'extraire des intestins. Pour la production, la méthode à l'iodure est utilisée, dont l'auteur est Van Arkel de Boer.

La méthode est basée sur la capacité du métal à se combiner avec l'iode ; après la décomposition de ce composé, on peut obtenir du titane pur exempt d'impuretés.

Les choses les plus intéressantes du titane :

prothèses en médecine;
cartes pour appareils mobiles;
complexes de fusées pour l'exploration spatiale;
canalisations, pompes;
auvents, corniches, revêtements extérieurs de bâtiments;
la plupart des pièces (châssis, peau).

Domaines d'application du titane

Le titane est activement utilisé dans la sphère militaire, la médecine et la joaillerie. On lui a donné le nom officieux de "métal du futur". Beaucoup de gens disent que cela aide à transformer les rêves en réalité.

Le métal le plus dur au monde était à l'origine utilisé dans les secteurs militaire et de la défense. Aujourd'hui, le principal consommateur de produits en titane est l'industrie aéronautique.

Le titane est un matériau de construction polyvalent. Pendant de nombreuses années, il a été utilisé pour créer des turbines d'avion. Dans les moteurs d'avion, le titane est utilisé pour fabriquer des éléments de ventilateur, des compresseurs et des disques.

La conception d'un avion moderne peut contenir jusqu'à 20 tonnes d'alliage de titane.

Les principaux domaines d'application du titane dans la construction aéronautique :

produits spatiaux (bordures de portes, trappes, revêtements, revêtements de sol);
unités et ensembles soumis à de fortes charges (supports de garde-boue, jambes de train d'atterrissage, vérins hydrauliques) ;
pièces de moteur (carter, aubes de compresseur).

Grâce au titane, une personne a pu passer le mur du son et pénétrer dans l'espace. Il a été utilisé pour créer des systèmes de missiles habités. Le titane peut résister au rayonnement cosmique, aux chutes de température et à la vitesse de déplacement.

Ce métal a une faible densité, ce qui est important dans l'industrie de la construction navale. Les produits en titane sont légers, ce qui signifie que le poids est réduit, sa maniabilité, sa vitesse et sa portée augmentent. Si la coque du navire est gainée de titane, elle n'aura pas besoin d'être peinte pendant de nombreuses années - le titane ne rouille pas dans l'eau de mer (résistance à la corrosion).

Le plus souvent, ce métal est utilisé dans la construction navale pour la fabrication de moteurs à turbine, de chaudières à vapeur, de tubes de condenseur.

Champ pétrolifère et titane

Le forage très profond est considéré comme un domaine prometteur pour l'utilisation d'alliages de titane. Pour étudier et extraire les ressources souterraines, il est nécessaire de pénétrer profondément dans le sous-sol - plus de 15 000 mètres. Les tiges de forage en aluminium, par exemple, éclateront en raison de leur propre gravité, et seuls les alliages de titane peuvent aller très profondément.

Il n'y a pas si longtemps, le titane a commencé à être activement utilisé pour créer des puits sur les plateaux offshore. Les spécialistes utilisent des alliages de titane comme équipement :

installations de production pétrolière;
récipients sous pression;
pompes à eau profonde, canalisations.

Le titane dans le sport, la médecine

Le titane est extrêmement populaire dans le domaine du sport en raison de sa résistance et de sa légèreté. Il y a des décennies, des alliages de titane étaient utilisés pour fabriquer un vélo, le premier équipement de sport fabriqué à partir du matériau le plus dur au monde. Un vélo moderne se compose d'un corps en titane, des mêmes ressorts de frein et de selle.

Les clubs de golf en titane ont été créés au Japon. Ces luminaires sont légers et durables, mais extrêmement coûteux.

La plupart des articles qui se trouvent dans les sacs à dos des grimpeurs et des voyageurs sont en titane - vaisselle, ensembles pour préparer la nourriture, supports pour renforcer les tentes. Les piolets en titane sont des équipements sportifs très appréciés.

Ce métal est très demandé dans l'industrie médicale. La plupart des instruments chirurgicaux sont en titane - légers et confortables.

Un autre domaine d'application du métal du futur est la création de prothèses. Le titane se "combine" parfaitement avec le corps humain. Les médecins ont qualifié ce processus de « vraie parenté ». Les structures en titane sont sans danger pour les muscles et les os, provoquent rarement une réaction allergique et ne s'effondrent pas sous l'influence des fluides corporels. Les prothèses en titane sont durables et peuvent supporter d'énormes efforts physiques.

Le titane est un métal étonnant. Il aide une personne à atteindre des sommets sans précédent dans divers domaines de la vie. Il est aimé et vénéré pour sa force, sa légèreté et ses nombreuses années de service.

Le chrome est l'un des métaux les plus durs.

Faits intéressants sur le chrome

1. Le nom du métal vient du mot grec « chroma », qui signifie peinture.
2. Dans le milieu naturel, on ne trouve pas de chrome pur, mais uniquement sous forme de minerai de fer au chrome, oxyde double.
3. Les plus grands gisements de métal se trouvent en Afrique du Sud, en Russie, au Kazakhstan et au Zimbabwe.
4. Densité du métal - 7200kg/m3.
5. Le chrome fond à une température de 1907 degrés.
6. Bouille à une température de 2671 degrés.
7. Le chrome parfaitement pur sans impuretés se caractérise par sa ductilité et sa ténacité. Lorsqu'il est combiné avec de l'oxygène, de l'azote ou de l'hydrogène, le métal devient cassant et très dur.
8. Ce métal blanc argenté a été découvert par le français Louis Nicolas Vauquelin à la fin du XVIIIe siècle.

Propriétés du chrome métal

Le chrome a une dureté très élevée et peut couper le verre. Il n'est pas oxydé par l'air ou l'humidité. Si le métal est chauffé, l'oxydation ne se produira qu'en surface.

Plus de 15 000 tonnes de chrome pur sont consommées par an. La société britannique "Bell Metals" est considérée comme le leader dans la production du chrome le plus pur.

Le chrome est principalement consommé aux États-Unis, dans les pays occidentaux d'Europe et au Japon. Le marché du chrome est volatil et les prix couvrent une large gamme.

Domaines d'utilisation du chrome

Le plus souvent, il est utilisé pour créer des alliages et des revêtements galvaniques (chromage pour le transport).

Le chrome est ajouté à l'acier pour améliorer les propriétés physiques du métal. Ces alliages sont les plus demandés en métallurgie ferreuse.

La nuance d'acier la plus populaire est constituée de chrome (18 %) et de nickel (8 %). De tels alliages résistent parfaitement à l'oxydation, à la corrosion et sont solides même à haute température.

Les fours de chauffage sont fabriqués à partir d'acier, qui contient un tiers de chrome.

Quoi d'autre est fait de chrome?

1. Canons d'armes à feu.
2. Corps de sous-marins.
3. Briques utilisées en métallurgie.

Un autre métal extrêmement dur est le tungstène.

Faits intéressants sur le tungstène

1. Le nom du métal traduit de l'allemand ("Wolf Rahm") signifie "mousse de loup".
2. C'est le métal le plus réfractaire au monde.
3. Le tungstène a une teinte gris clair.
4. Le métal a été découvert à la fin du XVIIIe siècle (1781) par le Suédois Karl Scheele.
5. Le tungstène fond à 3422 degrés, bout à 5900.
6. Le métal a une densité de 19,3 g / cm³.
7. Masse atomique - 183,85, un élément du groupe VI dans le système périodique de Mendeleev (numéro de série - 74).

Processus d'extraction de tungstène

Le tungstène appartient à un grand groupe de métaux rares. Il comprend également le rubidium et le molybdène. Ce groupe se caractérise par une faible prévalence de métaux dans la nature et une faible consommation.

La production de tungstène se compose de 3 étapes :

séparation du métal du minerai, son accumulation en solution;
sélection d'un composé, sa purification;
séparation du métal pur du composé chimique fini.
La matière première pour la production de tungstène est la scheelite et la wolframite.

Applications du tungstène

Le tungstène est l'épine dorsale de la plupart des alliages résistants. Il est utilisé pour fabriquer des moteurs d'avion, des pièces pour appareils à vide électriques et des filaments.
La haute densité du métal permet d'utiliser le tungstène pour créer des missiles balistiques, des balles, des contrepoids et des obus d'artillerie.

Les composés à base de tungstène sont utilisés pour le traitement d'autres métaux, dans l'industrie minière (forage de puits), la peinture et le vernis et les textiles (comme catalyseur pour la synthèse organique).

Des composés complexes de tungstène sont utilisés pour fabriquer :

fils - utilisés dans les fours de chauffage;
bandes, feuilles, plaques, feuilles - pour le laminage et le forgeage à plat.

Le titane, le chrome et le tungstène arrivent en tête de liste des « métaux les plus durs au monde ». Ils sont utilisés dans de nombreux domaines d'activité humaine - aviation et fusée, militaire, construction, et en même temps, il ne s'agit pas d'une gamme complète d'applications métalliques.

Le titane se classe au 4e rang en termes de distribution dans la production, mais une technologie efficace pour son extraction n'a été développée que dans les années 40 du siècle dernier. C'est un métal de couleur argent avec une faible densité et des caractéristiques uniques. Pour analyser le degré de distribution dans l'industrie et d'autres domaines, il est nécessaire d'exprimer les propriétés du titane et la portée de ses alliages.

Caractéristiques principales

Le métal a une faible densité - seulement 4,5 g / cm³. Les propriétés anti-corrosion sont dues au film d'oxyde stable qui se forme à la surface. En raison de cette qualité, le titane ne modifie pas ses propriétés lors d'une exposition prolongée à l'eau, à l'acide chlorhydrique. Aucun dommage de contrainte ne se produit, ce qui est le principal problème avec l'acier.

Le titane pur possède les qualités et caractéristiques suivantes :

point de fusion nominal - 1660 ° ;
lorsqu'il est exposé à la chaleur +3 227 ° il bout;
résistance à la traction - jusqu'à 450 MPa;
caractérisé par un faible indice d'élasticité - jusqu'à 110,25 GPa;
sur l'échelle HB, la dureté est de 103 ;
la limite d'élasticité est l'une des plus optimales parmi les métaux - jusqu'à 380 MPa;
conductivité thermique du titane pur sans additifs - 16,791 W / m * С;
coefficient minimal de dilatation thermique;
cet élément est paramagnétique.

A titre de comparaison, la résistance de ce matériau est 2 fois celle du fer pur et 4 fois celle de l'aluminium. Le titane a également deux phases polymorphes - à basse température et à haute température.

Pour les besoins de production, le titane pur n'est pas utilisé en raison de son coût élevé et des performances requises. Pour augmenter la rigidité, des oxydes, des hybrides et des nitrures sont ajoutés à la composition. Moins fréquemment, des changements dans les caractéristiques des matériaux pour améliorer la résistance à la corrosion. Les principaux types d'additifs pour l'obtention d'alliages : acier, nickel, aluminium. Dans certains cas, il agit comme un composant supplémentaire.

Domaines d'utilisation

En raison de sa faible densité et de ses paramètres de résistance, le titane est largement utilisé dans les industries aéronautique et spatiale. Il est utilisé comme matériau structurel principal dans sa forme pure. Dans des cas particuliers, des alliages moins chers sont fabriqués en réduisant la résistance à la chaleur. Cependant, sa résistance à la corrosion et sa résistance mécanique restent inchangées.

De plus, le matériau avec des additifs au titane a trouvé une application dans les domaines suivants :

Industrie chimique. Sa résistance à presque tous les milieux agressifs, à l'exception des acides organiques, permet de fabriquer des équipements complexes avec de bons indicateurs de durée de vie sans entretien.
Fabrication de véhicules. La raison en est la faible densité et la faible résistance mécanique. Des cadres ou des éléments structurels porteurs en sont fabriqués.
La médecine. À des fins spéciales, un alliage spécial de nitinol (titane et nickel) est utilisé. Sa particularité est la mémoire de forme. Pour réduire le fardeau des patients et minimiser la probabilité d'effets négatifs sur le corps, de nombreuses attelles médicales et dispositifs similaires sont fabriqués en titane.
Dans l'industrie, le métal est utilisé pour la fabrication de boîtiers et d'équipements individuels.
Les bijoux en titane ont un aspect et une sensation uniques.

Dans la plupart des cas, le matériau est traité en usine. Mais il existe un certain nombre d'exceptions - connaissant les propriétés de ce matériau, une partie du travail de modification de l'apparence du produit et de ses caractéristiques peut être effectuée dans un atelier à domicile.

Fonctionnalités de traitement

Pour donner au produit la forme souhaitée, il est nécessaire d'utiliser un équipement spécial - un tour et une fraiseuse. La coupe ou le fraisage manuel du titane n'est pas possible en raison de sa dureté. Outre le choix de la puissance et des autres caractéristiques de l'équipement, il est nécessaire de choisir les bons outils de coupe : fraises, fraises, alésoirs, perceuses, etc.

Dans ce cas, les nuances suivantes sont prises en compte :

Les copeaux de titane sont hautement inflammables. Refroidissement forcé requis de la surface de la pièce et travail à des vitesses minimales.
Le pliage du produit n'est effectué qu'après un chauffage préalable de la surface. Sinon, des fissures risquent d'apparaître.
Soudage. Le respect des conditions particulières est impératif.

Le titane est un matériau unique avec de bonnes propriétés opérationnelles et techniques. Mais pour le traiter, vous devez connaître les spécificités de la technologie et, surtout, les précautions de sécurité.

Le titane (Latin Titanium ; désigné par le symbole Ti) est un élément d'un sous-groupe secondaire du quatrième groupe, la quatrième période du système périodique des éléments chimiques, avec le numéro atomique 22. La substance simple titane (numéro CAS : 7440-32 -6) est un métal blanc argenté clair...

Récit

La découverte du TiO 2 a été faite presque simultanément et indépendamment l'une de l'autre par l'Anglais W. Gregor et le chimiste allemand M. G. Klaproth. W. Gregor, enquêtant sur la composition du sable ferreux magnétique (Creed, Cornwall, Angleterre, 1789), a identifié une nouvelle "terre" (oxyde) d'un métal inconnu, qu'il a appelé Menakenova. En 1795, le chimiste allemand Klaproth découvrit un nouvel élément dans le minéral rutile et le nomma titane. Deux ans plus tard, Klaproth établit que le rutile et la terre ménakenienne sont des oxydes du même élément, derrière lesquels le nom "titane", proposé par Klaproth, est resté. Dix ans plus tard, le titane est découvert pour la troisième fois. Le scientifique français L. Vauquelin a découvert le titane dans l'anatase et a prouvé que le rutile et l'anatase sont des oxydes de titane identiques.
Le premier échantillon de titane métallique a été obtenu en 1825 par J. J. Berzelius. En raison de la forte activité chimique du titane et de la complexité de sa purification, un échantillon de Ti pur a été obtenu par les Hollandais A. van Arkel et I. de Boer en 1925 par décomposition thermique de vapeur d'iodure de titane TiI 4 .

origine du nom

Le métal a obtenu son nom en l'honneur des titans, les personnages de la mythologie grecque antique, les enfants de Gaïa. Le nom de l'élément a été donné par Martin Klaproth, conformément à ses vues sur la nomenclature chimique dans le contre-courant de l'école chimique française, où ils ont essayé de nommer l'élément en fonction de ses propriétés chimiques. Le chercheur allemand ayant lui-même constaté l'impossibilité de déterminer les propriétés d'un nouvel élément uniquement par son oxyde, il lui a choisi un nom issu de la mythologie, par analogie avec l'uranium qu'il avait découvert plus tôt.
Cependant, selon une autre version, publiée dans le magazine Tekhnika-Molodezhi à la fin des années 1980, le métal nouvellement découvert ne doit pas son nom aux puissants titans des mythes grecs anciens, mais à Titania - la reine des fées dans la mythologie allemande (la femme d'Oberon dans Le Songe d'une nuit d'été de Shakespeare). Ce nom est associé à l'extraordinaire "légèreté" (faible densité) du métal.

Réception

En règle générale, le matériau de départ pour la production de titane et de ses composés est du dioxyde de titane avec une quantité relativement faible d'impuretés. En particulier, il peut s'agir d'un concentré de rutile obtenu lors de l'enrichissement de minerais de titane. Cependant, les réserves de rutile dans le monde sont très limitées et le laitier dit synthétique de rutile ou de titane obtenu lors du traitement des concentrés d'ilménite est souvent utilisé. Pour obtenir du laitier de titane, le concentré d'ilménite est réduit dans un four à arc électrique, tandis que le fer est séparé en une phase métallique (fonte) et les oxydes de titane non réduits et les impuretés forment une phase de laitier. Les scories riches sont traitées par la méthode au chlorure ou à l'acide sulfurique.
Le concentré de minerai de titane est soumis à un traitement à l'acide sulfurique ou pyrométallurgique. Le produit du traitement à l'acide sulfurique est la poudre de dioxyde de titane TiO 2 . Par la méthode pyrométallurgique, le minerai est fritté avec du coke et traité avec du chlore, obtenant une paire de tétrachlorure de titane TiCl 4:
TiO 2 + 2C + 2Cl 2 = TiCl 2 + 2CO

Les vapeurs de TiCl 4 résultantes à 850°C sont réduites avec du magnésium :
TiCl 4 + 2Mg = 2MgCl 2 + Ti

L'"éponge" de titane qui en résulte est refondue et raffinée. Le titane est raffiné par la méthode à l'iodure ou par électrolyse, séparant Ti de TiCl 4. Pour obtenir des lingots de titane, un traitement à l'arc, par faisceau d'électrons ou au plasma est utilisé.

Propriétés physiques

Le titane est un métal léger de couleur blanc argenté. Il existe sous deux modifications cristallines : α-Ti avec un réseau compact hexagonal, β-Ti avec un garnissage cubique centré, la température de transformation polymorphe α↔β est de 883°C.
Il a une viscosité élevée, lors de l'usinage, il a tendance à coller à l'outil de coupe et nécessite donc l'application de revêtements spéciaux sur l'outil, de divers lubrifiants.
À des températures normales, il est recouvert d'un film protecteur de passivation d'oxyde de TiO 2 , de ce fait, il résiste à la corrosion dans la plupart des environnements (sauf alcalins).
La poussière de titane a tendance à exploser. Point éclair 400°C. Les copeaux de titane sont dangereux pour le feu.

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Récit

La découverte du dioxyde de titane (TiO 2) a été faite presque simultanément et indépendamment l'une de l'autre par l'Anglais W. Gregor et le chimiste allemand M. G. Klaproth. W. Gregor, enquêtant sur la composition du sable ferreux magnétique (Creed, Cornwall, Angleterre), a identifié une nouvelle "terre" (oxyde) d'un métal inconnu, qu'il a nommé Menakenova. En 1795, le chimiste allemand Klaproth découvrit un nouvel élément dans le minéral rutile et le nomma titane. Deux ans plus tard, Klaproth établit que le rutile et la terre ménakenienne sont des oxydes du même élément, derrière lesquels le nom "titane", proposé par Klaproth, est resté. Dix ans plus tard, le titane est découvert pour la troisième fois : le scientifique français L. Vauquelin découvre le titane dans l'anatase et prouve que le rutile et l'anatase sont des oxydes de titane identiques.

Le premier échantillon de titane métallique a été obtenu en 1825 par le Suédois J. J. Berzelius. En raison de la forte activité chimique du titane et de la complexité de sa purification, un échantillon de Ti pur a été obtenu par les Hollandais A. van Arkel et I. de Boer en 1925 par décomposition thermique de vapeur d'iodure de titane TiI 4 .

Le titane n'a pas trouvé d'utilisation industrielle jusqu'à ce que le Luxembourgeois G. Kroll (Anglais) russe en 1940, il n'a pas breveté une simple méthode thermique au magnésium pour la réduction du titane métallique à partir du tétrachlorure ; cette méthode (processus Kroll (Anglais) russe) reste jusqu'à présent l'un des principaux acteurs de la production industrielle de titane.

origine du nom

Le métal a obtenu son nom en l'honneur des titans, les personnages de la mythologie grecque antique, les enfants de Gaïa. Le nom de l'élément a été donné par Martin Klaproth conformément à ses vues sur la nomenclature chimique, par opposition à l'école chimique française, où ils ont essayé de nommer l'élément par ses propriétés chimiques. Le chercheur allemand ayant lui-même constaté l'impossibilité de déterminer les propriétés d'un nouvel élément uniquement par son oxyde, il lui a choisi un nom issu de la mythologie, par analogie avec l'uranium qu'il avait découvert plus tôt.

Être dans la nature

Le titane est le 10ème plus abondant dans la nature. Le contenu dans la croûte terrestre est de 0,57% en poids, dans l'eau de mer - 0,001 mg / l. Dans les roches ultrabasiques 300 g/t, dans les roches basiques - 9 kg/t, dans les roches acides 2,3 kg/t, dans les argiles et schistes 4,5 kg/t. Dans la croûte terrestre, le titane est presque toujours tétravalent et n'est présent que dans les composés oxygénés. Introuvable sous forme libre. Le titane dans des conditions d'altération et de sédimentation a une affinité géochimique pour Al 2 O 3. Il est concentré dans la bauxite de la croûte d'altération et dans les sédiments argileux marins. Le titane est transféré sous forme de fragments mécaniques de minéraux et sous forme de colloïdes. Jusqu'à 30 % de TiO 2 en poids s'accumule dans certaines argiles. Les minéraux de titane sont résistants aux intempéries et forment de grandes concentrations dans les placers. Plus de 100 minéraux contenant du titane sont connus. Les plus importants d'entre eux : rutile TiO 2, ilménite FeTiO 3, titanomagnétite FeTiO 3 + Fe 3 O 4, pérovskite CaTiO 3, titanite (sphène) CaTiSiO 5. Il existe des minerais de titane primaires - ilménite-titanomagnétite et des minerais de placer - rutile-ilménite-zircon.

Lieu de naissance

D'importants gisements primaires de titane sont situés en Afrique du Sud, en Russie, en Ukraine, au Canada, aux États-Unis, en Chine, en Norvège, en Suède, en Égypte, en Australie, en Inde, en Corée du Sud et au Kazakhstan ; les gisements de placers se trouvent au Brésil, en Inde, aux États-Unis, en Sierra Leone et en Australie. Dans les pays de la CEI, la Fédération de Russie (58,5%) et l'Ukraine (40,2%) occupent la première place dans les réserves explorées de minerais de titane. Le plus grand gisement de Russie est Yaregskoye.

Réserves et production

En 2002, 90 % du titane extrait était utilisé pour la production de dioxyde de titane TiO 2. La production mondiale de dioxyde de titane était de 4,5 millions de tonnes par an. Les réserves confirmées de dioxyde de titane (hors Russie) s'élèvent à environ 800 millions de tonnes.Pour 2006, selon l'US Geological Survey, en termes de dioxyde de titane et hors Russie, les réserves de minerais d'ilménite sont de 603 à 673 millions de tonnes, et de rutile minerais - 49. 7-52,7 millions de tonnes. Ainsi, au rythme actuel de production des réserves prouvées mondiales de titane (hors Russie), cela suffira pour plus de 150 ans.

La Russie possède les deuxièmes réserves mondiales de titane après la Chine. La base de ressources minérales de titane en Russie est composée de 20 gisements (dont 11 sont des gisements primaires et 9 sont des gisements de placers), qui sont assez uniformément dispersés dans tout le pays. Le plus grand des gisements explorés (Yaregskoye) est situé à 25 km de la ville d'Ukhta (République des Komis). Les réserves du gisement sont estimées à 2 milliards de tonnes de minerai avec une teneur moyenne en dioxyde de titane d'environ 10 %.

Le plus grand producteur de titane au monde est la société russe VSMPO-AVISMA.

Réception

Le concentré de minerai de titane est soumis à un traitement à l'acide sulfurique ou pyrométallurgique. Le produit du traitement à l'acide sulfurique est la poudre de dioxyde de titane TiO 2 . Par la méthode pyrométallurgique, le minerai est fritté avec du coke et traité avec du chlore, obtenant une paire de tétrachlorure de titane TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O (\ displaystyle (\ mathsf (TiO_ (2) + 2C + 2Cl_ (2) \ rightarrow TiCl_ (4) + 2CO)))

Les vapeurs de TiCl 4 résultantes à 850°C sont réduites avec du magnésium :

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i (\ displaystyle (\ mathsf (TiCl_ (4) + 2Mg \ rightarrow 2MgCl_ (2) + Ti)))

De plus, le processus dit FFC Cambridge commence maintenant à gagner en popularité, du nom de ses développeurs Derek Frey, Tom Farthing et George Chen de l'Université de Cambridge, où il a été créé. Ce procédé électrochimique permet la réduction directe et continue du titane à partir d'oxyde dans un mélange fondu de chlorure de calcium et de chaux vive (oxyde de calcium). Ce procédé utilise un bain électrolytique rempli d'un mélange de chlorure de calcium et de chaux, avec une anode en graphite consommable (ou neutre) et une cathode en oxyde à réduire. Lors du passage d'un courant dans le bain, la température atteint rapidement ~ 1000-1100 ° C, et l'oxyde de calcium fondu se décompose à l'anode en oxygène et calcium métallique :

2 C a O → 2 C a + O 2 (\ displaystyle (\ mathsf (2CaO \ rightarrow 2Ca + O_ (2))))

L'oxygène résultant oxyde l'anode (dans le cas de l'utilisation de graphite) et le calcium migre dans la masse fondue vers la cathode, où il réduit le titane de son oxyde :

O 2 + C → C O 2 (\ displaystyle (\ mathsf (O_ (2) + C \ rightarrow CO_ (2)))) T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O (\ displaystyle (\ mathsf (TiO_ (2) + 2Ca \ rightarrow Ti + 2CaO)))

L'oxyde de calcium formé se dissocie à nouveau en oxygène et en calcium métallique, et le processus est répété jusqu'à ce que la cathode soit complètement transformée en une éponge de titane ou que l'oxyde de calcium soit épuisé. Le chlorure de calcium dans ce procédé est utilisé comme électrolyte pour conférer une conductivité électrique à la masse fondue et la mobilité des ions calcium et oxygène actifs. Lors de l'utilisation d'une anode inerte (par exemple, le dioxyde d'étain), au lieu de dioxyde de carbone, de l'oxygène moléculaire est libéré à l'anode, ce qui pollue moins l'environnement, mais le processus dans ce cas devient moins stable et, en plus, dans certaines conditions , la décomposition du chlorure devient plus énergétiquement favorable et non de l'oxyde de calcium, ce qui conduit à la libération de chlore moléculaire.

Propriétés physiques

Le titane est un métal léger de couleur blanc argenté. A pression normale, il existe sous deux modifications cristallines : le α-Ti à basse température avec un réseau compact hexagonal (système hexagonal, groupe d'espace C 6mmc, paramètres de cellule une= 0,2953 nm, c= 0,4729 nm, Z = 2 ) et β-Ti haute température avec garnissage cubique centré (système cubique, groupe spatial Je suis 3m, paramètres de cellule une= 0,3269 nm, Z = 2 ), température de transition α↔β 883 ° C, chaleur de transition Δ H= 3,8 kJ/mol (87,4 kJ/kg). Lorsqu'ils sont dissous dans du titane, la plupart des métaux stabilisent la phase et abaissent la température de transition . A des pressions supérieures à 9 GPa et des températures supérieures à 900°C, le titane se transforme en une phase hexagonale (ω -Ti). La densité de α -Ti et β -Ti est respectivement égale à 4.505 g/cm³ (à 20°C) et 4.32 g/cm³ (à 900°C). La densité atomique du α-titane est de 5,67⋅10 22 at/cm³.

Le point de fusion du titane à pression normale est de 1670 ± 2 ° C, ou 1943 ± 2 K (adopté comme l'un des points d'étalonnage secondaires de l'échelle de température ITS-90 (Anglais) russe). Le point d'ébullition est de 3287°C. A des températures suffisamment basses (-80°C), le titane devient assez cassant. Capacité calorifique molaire dans des conditions normales Cp= 25,060 kJ / (mol K), ce qui correspond à la capacité thermique massique de 0,523 kJ / (kg · K). La chaleur de fusion est de 15 kJ/mol, la chaleur de vaporisation est de 410 kJ/mol. La température caractéristique de Debye est de 430 K. Conductivité thermique 21,9 W/(m K) à 20°C. Le coefficient de température de dilatation linéaire est de 9,2 · 10 -6 K -1 dans la plage de -120 à +860 ° C. Entropie molaire du α-titane S 0 = 30,7 kJ / (mol K). Pour le titane en phase gazeuse, l'enthalpie de formation est Δ H0
F= 473,0 kJ / mol, énergie de Gibbs Δ g0
F= 428,4 kJ / mol, entropie molaire S 0 = 180,3 kJ / (mol K), capacité calorifique à pression constante Cp= 24,4 kJ / (mol K)

Plastique, soudable en atmosphère inerte. Les caractéristiques de résistance dépendent peu de la température, mais dépendent fortement de la pureté et du prétraitement. Pour le titane technique, la dureté Vickers est de 790-800 MPa, le module d'élasticité normale est de 103 GPa et le module de cisaillement est de 39,2 GPa. Le titane de haute pureté préalablement recuit sous vide a une limite d'élasticité de 140 à 170 MPa, un allongement relatif de 55 à 70 % et une dureté Brinell de 716 MPa.

Il a une viscosité élevée, lors de l'usinage, il a tendance à coller à l'outil de coupe et nécessite donc l'application de revêtements spéciaux sur l'outil, de divers lubrifiants.

À des températures normales, il est recouvert d'un film protecteur de passivation d'oxyde de TiO 2 , de ce fait, il résiste à la corrosion dans la plupart des environnements (sauf alcalins).

Propriétés chimiques

Il réagit facilement même avec des acides faibles en présence d'agents complexants, par exemple avec l'acide fluorhydrique, il interagit en raison de la formation d'un anion complexe 2-. Le titane est le plus sensible à la corrosion dans les milieux organiques, car en présence d'eau, un film passif dense d'oxydes et d'hydrure de titane se forme à la surface d'un produit en titane. L'augmentation la plus notable de la résistance à la corrosion du titane est perceptible avec une augmentation de la teneur en eau dans un environnement agressif de 0,5 à 8,0%, ce qui est confirmé par des études électrochimiques des potentiels d'électrode du titane dans des solutions d'acides et d'alcalis dans un mélange aqueux. -médias organiques.

Lorsqu'il est chauffé à l'air à 1200°C, le Ti s'enflamme avec une flamme blanche brillante avec formation de phases oxydes de composition variable TiO x. A partir de solutions de sels de titane, l'hydroxyde TiO (OH) 2 · xH 2 O est précipité, qui est soigneusement calciné pour obtenir l'oxyde TiO 2. L'hydroxyde TiO (OH) 2 · xH 2 O et le dioxyde TiO 2 sont amphotères.

Lorsque le titane interagit avec le carbone, le carbure de titane Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC.

Le titane sous forme d'alliages est le matériau de structure le plus important dans la construction d'avions, de fusées et de navires.
Le métal est utilisé dans l'industrie chimique (réacteurs, canalisations, pompes, raccords de canalisation), l'industrie militaire (armures corporelles, armures et pare-feu dans l'aviation, coques de sous-marins), les procédés industriels (usines de dessalement, procédés de pâtes et papiers), l'automobile l'industrie, l'industrie agricole, l'industrie alimentaire, les articles de sport, les bijoux, les téléphones portables, les alliages légers, etc.
Le titane est physiologiquement inerte, c'est pourquoi il est utilisé en médecine (prothèses, ostéoprothèses, implants dentaires), dans les instruments dentaires et endodontiques, et les bijoux de piercing.
La coulée du titane est réalisée dans des fours sous vide dans des moules en graphite. La coulée de précision sous vide est également utilisée. En raison de difficultés technologiques dans le moulage artistique, il est utilisé dans une mesure limitée. La première sculpture monumentale en fonte de titane au monde est le monument à Youri Gagarine sur la place qui porte son nom à Moscou.
Le titane est un ajout d'alliage dans de nombreux aciers alliés et la plupart des alliages spéciaux [ quelle?] .
Le nitinol (nickel-titane) est un alliage à mémoire de forme utilisé en médecine et en technologie.
Les aluminures de titane sont très résistants à l'oxydation et à la chaleur, ce qui, à son tour, a déterminé leur utilisation dans l'aviation et l'industrie automobile comme matériaux de structure.
Le titane est l'un des plus courants

Beaucoup s'intéressent au titane légèrement mystérieux et pas entièrement compris - un métal dont les propriétés sont quelque peu ambiguës. Le métal est à la fois le plus solide et le plus fragile.

Le métal le plus dur et le plus fragile

Il a été découvert par deux scientifiques à 6 ans d'intervalle - l'Anglais W. Gregor et l'Allemand M. Klaproth. Le nom du titan est associé, d'une part, aux titans mythiques, surnaturels et intrépides, d'autre part, à Titania, la reine des fées.
C'est l'un des matériaux les plus répandus dans la nature, mais le processus d'obtention du métal pur est particulièrement complexe.

22 élément chimique du tableau de D. Mendeleev Le titane (Ti) appartient au 4ème groupe de la 4ème période.

La couleur du titane est blanc argenté avec un lustre prononcé. Ses reflets scintillent de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.

Il fait partie des métaux réfractaires. Il fond à une température de +1660°C (± 20°). Le titane est paramagnétique : il n'est pas magnétisé dans un champ magnétique et n'en est pas expulsé.
Le métal se caractérise par une faible densité et une résistance élevée. Mais la particularité de ce matériau réside dans le fait que même des impuretés minimes d'autres éléments chimiques modifient radicalement ses propriétés. En présence d'une fraction insignifiante d'autres métaux, le titane perd sa résistance à la chaleur et un minimum de substances non métalliques dans sa composition rend l'alliage cassant.
Cette caractéristique détermine la présence de 2 types de matériaux : purs et techniques.

Le titane pur est utilisé lorsqu'une substance très légère est requise, pouvant supporter de lourdes charges et des plages de températures ultra-élevées.
Le matériau technique est utilisé lorsque des paramètres tels que la légèreté, la résistance et la résistance à la corrosion sont évalués.

La substance a la propriété d'anisotropie. Cela signifie que le métal peut changer ses caractéristiques physiques en fonction de la force appliquée. Vous devez faire attention à cette caractéristique lors de la planification de l'utilisation du matériel.

Le titane perd de sa force à la moindre présence d'impuretés d'autres métaux

Les études des propriétés du titane dans des conditions normales confirment son inertie. La substance ne réagit pas aux éléments présents dans l'atmosphère environnante.
Le changement de paramètres commence lorsque la température atteint + 400 ° C et plus. Le titane réagit avec l'oxygène, peut s'enflammer dans l'azote et absorber les gaz.
Ces propriétés rendent difficile l'obtention d'une substance pure et de ses alliages. La production de titane est basée sur l'utilisation d'équipements sous vide coûteux.

Titane et concurrence avec d'autres métaux

Ce métal est constamment comparé aux alliages d'aluminium et de fer. De nombreuses propriétés chimiques du titane sont nettement meilleures que celles des concurrents :

En termes de résistance mécanique, le titane surpasse le fer de 2 fois et l'aluminium de 6 fois. Sa résistance augmente avec la diminution de la température, ce qui n'est pas observé chez les concurrents.
Les caractéristiques anticorrosives du titane sont nettement supérieures à celles des autres métaux.
A température ambiante, le métal est absolument inerte. Mais lorsque la température dépasse + 200 ° C, la substance commence à absorber de l'hydrogène, modifiant ses caractéristiques.
À des températures plus élevées, le titane réagit avec d'autres éléments chimiques. Il a une résistance spécifique élevée, 2 fois supérieure aux propriétés des meilleurs alliages de fer.
Les propriétés anticorrosion du titane sont nettement supérieures à celles de l'aluminium et de l'acier inoxydable.
La substance ne conduit pas bien l'électricité. Le titane a une résistivité 5 fois plus élevée que le fer, 20 fois plus élevée que l'aluminium et 10 fois plus élevée que le magnésium.
Le titane a une faible conductivité thermique en raison de son faible coefficient de dilatation thermique. C'est 3 fois moins que celui du fer, et 12 fois moins que celui de l'aluminium.

Comment obtenir du titane ?

Le matériau se classe 10e en termes de distribution dans la nature. Il existe environ 70 minéraux contenant du titane sous forme d'acide titanique ou de dioxyde de titane. Les plus courants d'entre eux et contenant un pourcentage élevé de dérivés métalliques :

ilménite;
rutile;
anatase;
pérovskite;
brookite.

Les principaux gisements de minerais de titane sont situés aux États-Unis, en Grande-Bretagne, au Japon, d'importants gisements d'entre eux ont été découverts en Russie, Ukraine, Canada, France, Espagne, Belgique.

L'extraction du titane est un processus coûteux et à forte intensité de main-d'œuvre

Obtenir du métal d'eux coûte très cher. Les scientifiques ont développé 4 méthodes de production de titane, dont chacune est un ouvrier et est efficacement utilisée dans l'industrie :

Méthode thermique au magnésium. Les matières premières extraites contenant des impuretés de titane sont traitées et du dioxyde de titane est obtenu. Cette substance est chlorée dans des électrolyseurs de mine ou au sel à des températures élevées. Le procédé est très lent et s'effectue en présence d'un catalyseur carboné. Dans ce cas, le dioxyde solide est converti en une substance gazeuse - le tétrachlorure de titane. Le matériau résultant est réduit avec du magnésium ou du sodium. L'alliage formé au cours de la réaction est soumis à un chauffage dans une unité sous vide à des températures ultra-élevées. À la suite de la réaction, l'évaporation du magnésium et de ses composés avec le chlore se produit. À la fin du processus, un matériau semblable à une éponge est obtenu. Il est fondu et du titane de haute qualité est obtenu.
Méthode à l'hydrure de calcium. Le minerai est mis à réagir chimiquement pour produire de l'hydrure de titane. L'étape suivante est la séparation de la substance en ses composants. Le titane et l'hydrogène sont libérés lors du chauffage dans les installations sous vide. A la fin du processus, on obtient de l'oxyde de calcium, qui est lavé avec des acides faibles. Les deux premières méthodes concernent la production industrielle. Ils permettent d'obtenir du titane pur dans les plus brefs délais à des coûts relativement faibles.
Méthode d'électrolyse. Les composés de titane sont exposés à des courants élevés. Selon la matière première, les composés sont divisés en composants : chlore, oxygène et titane.
Méthode à l'iodure ou raffinage. Le dioxyde de titane obtenu à partir de minéraux est aspergé de vapeur d'iode. À la suite de la réaction, il se forme de l'iodure de titane, qui est chauffé à une température élevée - + 1300 ... + 1400 ° C et est exposé à un courant électrique. Dans ce cas, les composants sont séparés de la matière première : l'iode et le titane. Le métal obtenu par ce procédé ne contient ni impuretés ni additifs.

Domaines d'utilisation

L'utilisation du titane dépend du degré de sa purification des impuretés. La présence même d'une petite quantité d'autres éléments chimiques dans la composition de l'alliage de titane modifie radicalement ses caractéristiques physiques et mécaniques.

Le titane avec une certaine quantité d'impuretés est appelé titane technique. Il a des indicateurs élevés de résistance à la corrosion, c'est un matériau léger et très durable. Son application dépend de ces indicateurs et d'autres.

Dans l'industrie chimique les échangeurs de chaleur de divers diamètres de tuyaux, raccords, carters et pièces de pompes à usages divers sont fabriqués à partir de titane et de ses alliages. La substance est irremplaçable dans les endroits où une résistance élevée et une résistance aux acides sont requises.
Sur les transports le titane est utilisé pour la fabrication de pièces et d'assemblages pour vélos, voitures, wagons et trains. L'utilisation du matériau réduit le poids du matériel roulant et des voitures, confère légèreté et résistance aux pièces de vélo.
Le titane est d'une grande importance au département de la marine... Des parties et éléments de coques de sous-marins, des hélices de bateaux et d'hélicoptères en sont fabriqués.
Dans le BTP un alliage zinc-titane est utilisé. Il est utilisé comme matériau de finition pour les façades et les toits. Cet alliage très résistant a une propriété importante : il peut être utilisé pour réaliser des pièces architecturales de la configuration la plus fantastique. Il peut prendre n'importe quelle forme.
Au cours de la dernière décennie, le titane a été largement utilisé dans l'industrie pétrolière... Ses alliages sont utilisés dans la fabrication d'équipements pour le forage très profond. Le matériau est utilisé pour la fabrication d'équipements pour la production de pétrole et de gaz offshore.

Le titane a une très large gamme d'applications

Le titane pur a ses propres utilisations. Il est nécessaire là où la résistance aux températures élevées est requise et en même temps la résistance du métal doit être maintenue.

Il est utilisé dans :

construction aéronautique et industrie spatiale pour la fabrication de pièces de peau, coques, attaches, châssis;
médicaments pour prothèses et fabrication de valves cardiaques et autres appareils;
équipement pour travailler dans la zone cryogénique (ici, ils utilisent la propriété du titane - avec une diminution de la température, la résistance du métal augmente et sa plasticité n'est pas perdue).

En termes de pourcentage, l'utilisation du titane pour la production de divers matériaux ressemble à ceci :

60% est utilisé pour la fabrication de peinture;
le plastique en consomme 20 % ;
13 % sont utilisés dans la production de papier ;
la construction mécanique consomme 7 % du titane produit et de ses alliages.

Les matières premières et le processus d'obtention du titane sont chers, les coûts de sa production sont compensés et payés par la durée de vie des produits fabriqués à partir de cette substance, sa capacité à ne pas changer d'aspect sur toute la durée de fonctionnement.