认识钛钛的用途

据悉,中国钛资源已经探明的总量约9.65亿吨,居世界首位,占世界探明储量的38.85%。主要集中在四川、云南、广东、广西和海南,其中攀西(攀枝花西昌)地区是中国最大的钛资源基地,钛资源量8.7亿吨。

中国已探明的钛资源分布在21个省(区、市)的个矿区。主产区为四川,其次为河北、海南、广东、湖北、广西、云南、陕西、山西等省(区)。

钛磁铁矿矿床:主要矿床位于四川省攀枝花延边红阁、米依白马,西昌太和;河北承德大庙、黑山,丰宁赵炳沟,崇礼南天门;山西省左泉市通榆;陕西省阳县碧鸡沟;新疆维雅;河南舞阳赵安庄;广东省兴宁市夏兰;黑龙江省呼玛;北京新地昌平的尚庄和怀柔。其中,四川省表内储量(二氧化钛.32万吨)占全国同类储量(二氧化钛.83万吨)的95.1%,河北省(二氧化钛.46万吨)占3.3%,陕西省占0.46%,山西省占0.35%。

金红石矿主要矿床位于湖北省枣阳市大富山;山西省傣县碾子沟;河南省忻县阳冲;山东省莱西县刘家庄。其中,湖北省金红石(TiO2)表观储量(.43万吨)占全国同类储量(.86万吨)的71.2%,山西省(.79万吨)占20.6%,陕西省(44.4万吨)占5.9%。

钛的主要矿石是金红石TiO2和钛铁矿FeTiO3,其发现来源于对这两种矿石的分析。早在年,英格兰西南端梅纳坎教区梅纳坎教区的格雷戈尔牧师也是一名科学家。他分析了他所在教区出产的一种黑色矿石,即今天的钛铁矿被命名为镍铁矿时发现了一种新的金属物质。三年后的年,克拉普罗特分析了产自匈牙利博伊尼克的金红石,意识到它是一种新的金属氧化物,具有耐酸碱溶液的特性。他从希腊神话中借用了这片土地。第一代的儿子泰坦将金属钛命名,元素符号为钛。两年后,Kraprot证实Gregor发现的镍铁矿是钛。

钛对酸、碱具有很强的耐腐蚀性,已成为化工生产中的重要材料。

钛通常被认为是一种稀有金属。

事实上,它在地壳中的含量是相当大的,比锌、铜、锡等常见金属还要大,甚至比氯、磷还要大。

地球表面十公里厚的地层含有千分之六的钛,是铜的61倍,在地壳中居第十位(地壳中元素排列:氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛),只需从地上抓起一把土壤,其中含有千分之几的钛。世界上储量超过万吨的钛矿并不罕见,地球上有数亿吨的沙石。钛和锆这两种比沙子和砾石更重的矿物质混合在砾石中。海水经过亿万年的日夜冲刷,较重的钛铁矿与锆英砂一起破碎,在长长的海岸上,形成了一片片钛矿层和锆矿层。这个矿物层是黑色的沙子,通常有几厘米到几十厘米厚。钛不是铁磁性的,用高纯钛建造的核潜艇不必担心磁水雷的袭击。

钛的外观与钢极为相似,密度为4.51克/厘米3,不足钢的60%,是难熔金属中密度最低的金属元素。

钛在常温下的空气中十分稳定。当加热到~℃时,则在表面生成一层牢固的氧化膜,起防止进一步氧化的保护作用。钛吸收氧、氮、氢的能力很强,这类气体是对金属钛十分有害的杂质,即使含量甚微(0.01%~0.%)也能严重影响它的力学性能。

钛的力学性质即通称的机械性能与纯度十分相关。高纯钛具有优良的机加工性能,延伸率、断面收缩率均佳,但强度低,不适合作结构材料。工业纯钛含有适量的杂质,具有较高的强度和可塑性,适宜制作结构材料。

在钛的化合物中以二氧化钛(TiO2)最有实用价值。

Ti02对人体呈惰性,无毒害,它具有一系列优良的光学性质。Ti02不透明,光泽度与白度高,折射率与散射力大,遮盖力强、分散性好,制成的颜料为白色粉末,俗称钛白粉,应用甚广。

钛及其合金的应用

致密金属钛由于质量轻,比铝合金强度高,能在高温下保持比铝为高的强度而受到航空工业的高度重视。鉴于钛的密度为钢的57%,其比强度(强度/重量比或强度/密度比皆称比强度)高,抗腐蚀、抗氧化、抗疲劳能力均强,钛合金的3/4用作以航空结构合金为代表的结构材料,1/4主要用作耐蚀合金。

钛合金有低强高塑性、中强和高强之分,为(低强)~(高强)兆帕,但大体上可以把钛合金看作是高强合金。它们比被认为是中强的铝合金的强度为高,在强度上已完全可以取代某些型号的钢材。与铝合金在℃以上的温度下强度迅速下降相比,某些钛合金在℃仍能保持良好的强度。

除强度外,按用途还可分为耐热、耐蚀、低温及特殊功能(如TiNi形状记忆合金、TiFe贮氢合金)等钛合金,按相组成可分为α、α+β和β及近α、亚稳定等数种类型。至今投入生产的合金牌号已超过种,工业上广泛应用的只有10余种。其中作结构合金用的Ti-6Al-4V在钛合金的整个销售市场中占60%,居主导地位,其次是Ti-5Al-2.5Sn,它的长期工作温度可达℃(强度为~兆帕)。

目前,钛有两个主要因素使这个资源丰富的元素不能成为常用金属。

首先是成本。按美国的市场价格,每磅(1磅=0.45千克)钛锭坯8~12美元,铝锭为1.00~1.30美元/磅,碳素钢为0.20~0.40美元/磅。但主要因素是钛本身的活性极强,很难处理。炉内气氛必须严格控制,焊接须在惰性气氛内进行。

第二是金属钛的活性高、热导率低、变形抗力大、常温可塑性差,变形过程中不但易与模具粘结,特别在机加工时有刀具和磨料粘结到热的加工表面的倾向,使标准结构件的制造产生大量废钛屑,即所谓的残钛。一般锻造钛锭加工可产生70%的残钛,有时这一数字可高达90%。

为减少过高成本造成的负担,一方面发展了残钛处理工艺,另一方面开发了近净成形、超塑成形、精密铸造和粉末冶金以及热等静压与扩散连接等高新技术。比如通过制粉、成型、烧结或热等静压固结方法加工而成的粉末冶金制品为近净成形件,材料利用率高达80%,既降低了材料消耗,又明显减少了切削加工量。又如大型薄壁精密铸造技术在钛合金中的应用,使钛铸件性能接近钛锻件,而成本降低50%左右。随着科学技术的不断提高,钛材加工的成本呈现逐步降低的趋势。

钛材料生产降低成本,除了本身的材料成本高(海绵钛)以外,还存在的一个问题是各产业链资源不统一,由于钛材料的生产流程长,投资成本高的问题,导致目前市面上没有一家企业可以完整的囊括钛及钛合金的全流程生产线,那么必然导致在各个阶段的产出物都要经历买卖阶段,带入市场环节,受市场经济调控和影响,从而造成钛材料的系列产品随生产阶段进行,成本逐渐攀升。

20世纪80年代,美国航空工业用钛占钛材总用量的74.8%,俄罗斯、英国等也主要用于航空工业,日本90%的钛材用于民用工业。

近年来,钛材在各领域的应用不断增加,从年钛在道格拉斯DC-7班机上用作发动机短舱和隔火壁开始,至今许多飞机的结构件均已使用钛合金制造。在波音、超音速SR-71黑鸟、钛零件都起到极为关键的作用,如飞机内的风扇圆盘、发动机叶片等均为钛铸件和锻件制造。钛材料用于军工领域从军用水壶、匕首等小件到坦克、潜水艇、F-22喷气战斗机、空间卫星和导弹等,钛材料部件是现代装备的保障。

近年来,钛材在建筑领域的应用发展很快,日本建筑领域用钛历史悠久,钛建材主要应用于屋顶、外墙、纪念碑、钛装饰等。日本钛建材生产集中在神户制钢和新日铁住金两家公司。新日铁住金公司将无光精轧、氧化铝喷丸处理、酸洗处理三种表面处理方法与数十种着色方法相组合,形成了丰富的产品群。其中无光精轧钛材是用于建筑物最多的产品,氧化铝喷丸钛瓦更是荣获大谷美术奖等奖项;新日铁住金公司与神户制钢公司都已研发出耐变色钛建材,并大范围应用,其中新日铁开发并应用于大分银行大厦的钛建材经过十几年的实践检验,未发现钛建材变色现象,神户制钢开发的轻量钛建材耐酸雨腐蚀、材料寿命长;新日铁在浅草寺的翻修中,还开发了加工性能优良的SuperPureflex?,实现了加工复杂的鬼瓦的生产。我国建筑用高端钛产品的企业为数极少,这些产品的高端制造和加工一直被国外的大公司所垄断。截至年底,除神户制钢公司以外,仅日本新日铁住金的钛建材在我国的应用已有8例之多,分别是深圳世界之窗(1年)、杭州大剧院(4年)、国家大剧院(7年)、合肥大剧院(9年)、合肥浜湖国际会展中心(年)、芜湖城市规划展示馆和博物馆(年)、宁波港口博物馆(年)、江苏大剧院(年),钛材总用量超过吨,施工总面积达,多平方米,订单金额非常可观。

随着我国经济的不断发展,目前人们对物质文化的需求和美好生活的需要日益增长,因此,可以大胆地预测今后会有越来越多的大型公共事业投资项目上马,比如兴建大剧院、博物院项目等。这将会为钛建材带来无限商机。另外,我国与日本一样海岸线很长,且拥有比日本更多的古建筑,这些建筑物受气候、大气污染和酸雨危害,出现腐蚀、变色、结构件外露等一系列问题,不容小觑。而钛材的耐腐蚀性能够更好地保护古建筑不受腐蚀,使祖辈们遗留下的宝贵财富能够得到更好的传承。

钛材料在民用品的应用方兴未艾,用金属钛制作锅碗瓢勺、筷子、杯子等用具,既美观又耐用,关键是保健,既不会霉变也不会产生金属污染。钛眼镜架、钛假牙、假肢等等。

当钛材成本降低了,加工手段提高了,钛材料将会打开更广阔的市场,成为真正意义上的“未来金属”、“梦幻金属”。

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