钛冶金分析基础知识

1、概述

钛 （titanium ）元素符号Ti，银白色金属，在元素周期表中属ⅣB族，原子序数22，原子量47.90，α钛为密排六方晶体。1947年以后成为重要的结构材料，也有把它归入轻金属的。1910年美国人M.A.亨特用金属钠还原四氯化钛，制得金属钛。

钛在自然界分布极广，钛在地壳中的含量为0.6％，居第九位，在金属中仅次于铁、铝、镁居第四位，比常用金属铜、镍、锌的总和还多十几倍。但由于赋存状态分散，常与其他元素伴生，分离提取困难，长期被认为是一种稀有元素，实际上这是一种误解。

已发现含钛1％以上的矿物有100多种，最主要的钛矿物是钛铁矿（FeTiO3）、金红石（TiO2），其次是钙钛矿（CaTiO3）、榍石（CaTiSiO5）。工业上使用的主要有两种：金红石(TiO2)和钛铁矿（FeTiO3）。金红石含TiO2品位高，但储量有限。钛铁矿储量丰富，将逐渐成为钛工业的主要原料，但含TiO2低，必须进行富集。钛铁矿分岩矿和砂矿两种。岩矿主要产于中国、 加拿大、 美国、苏联、挪威等国；砂矿主要产于澳大利亚、南非、印度、斯里兰卡和中国。中国四川攀枝花以西地区有丰富的钛矿资源，为岩矿；广东、广西、福建的海滨钛铁矿为砂矿。

2、钛的性质

钛为银灰色金属，质软，有延展性。熔点1660℃，沸点3287℃，密度4.5g/cm3。钛有顺磁性，导电和导热性差。纯度越高塑性越大，机械加工性能越好。金属钛的优点是：耐腐蚀；钛比钢铁轻，密度只有铜的一半；强度高，比铝合金高2～3倍。因此，钛及其合金是制造飞机、坦克、军舰、潜艇、导弹、宇宙飞船不可缺少的金属，尤其适合做海轮的船壳和海水淡化装置，也用作火箭、导弹 、超音速飞机的结构材料，钛的缺点是总跟其他元素混合。主要是因为钛在高温下化合能力极强，可以与氧、碳、氮以及其他许多元素化合。因此，不论在冶炼或者铸造的时候，人们都小心地防止这些元素“侵袭”钛。在冶炼钛的时候，空气与水

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是严格禁止接近的，甚至连冶金上常用的氧化铝坩埚也禁止使用，因为钛会从氧化铝里夺取氧。现在，人们利用镁与四氯化钛在惰性气体——氦气或氩气中相作用，来提炼钛。

钛的常规六大特性

? 高比强:钛强度大比重小，是航天航空航海的最佳材料。

钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半，钛虽然稍稍比铝重一点，它的硬度却比铝大2倍。现在，在宇宙火箭和导弹中，就大量用钛代替钢铁。据统计， 目前世界上每年用于宇宙航行的钛，已达一千吨以上极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。 ? 高耐蚀:钛的抗腐蚀能力是任何金属不能替代的。

耐腐蚀性能好，钛及钛合金的耐腐蚀性能优于不锈钢，尤其是在沿海地区耐氯离子侵蚀和在微氧化气氛下表现良好的耐蚀性；但在还原性介质中使用工业纯钛要慎重。有些钛合金可承受还原性介质的腐蚀。在常温下，钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中。就连最凶猛的酸——王水，也不能腐蚀它。钛不怕海水，有人曾把一块钛沉到海底，五年以后取上来一看，上面粘了许多小动物与海底植物，却一点也没有生锈，依旧亮闪闪的。下表为在钛与其它合金在海水中的腐蚀速率。

表 1 钛与其它合金在海水中的腐蚀速率

材 料 钛 铝合金 不锈钢 在海水中的最大腐蚀速率(mm/a) 在静水中 0.000 2.24 1.43 在动水中(0.9m/s) 0.00003 5.08 3.57 ? 高耐温:新型钛合金可在650℃或更高温度下长期使用。 耐高温：耐热性能好，通常铝在近200oC，不锈钢在近150oC即失去了原有的力学性能，而钛合金在500oC甚至在650oC左右仍保持良好的力学性能。 耐低温：低温性能好，某些钛合金在低温情况下具有较好的延性及韧性、较小的热膨胀性能等特性。

? 亲生物:钛与人体最具亲和力，是植入物的关键材料。

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1 矫形外科的应用：表现在钛制人造骨、关节、接骨板、接骨螺钉等。这方面国内1972年开始临床应用，进行钛人造骨关节移换术，制成髋关节、膝关节、肘关节等等；

2 神经外科的应用：采用高醇钛板代替银制成脑压板、颅骨修补用品( 钛网板）等；

3 心血管系统使用：钛合金制成的瓣架、埋藏式心脏起搏器外壳等； 4 口腔额面外科：包含牙齿、下颚骨及支持和固定义耳、义额、义鼻和义眼等额面康复体、牙科正畸用钛镍方形弓、RTF弓等；

5 记忆合金介入支架：前列腺尿道支架、胆道支架、心血管支架、食道支架、气管支架、耳道支架和肛肠支架等； 6 各类医用手术器械。

? 记忆性:钛镍合金被公认为最佳记忆合金。

TiNi合金在一定温度下受外力发生变形，外力去除以后仍然保持变形后的形状，但是当温度发生变化时。能够记住原来的形状即具有能够恢复它原来形状的本领。这可以通过调整其成分等，将恢复温度设置在零下273度和零上100度之间。

? 超导性:铌钛合金低于临界温度呈现零电阻的超导性能。

1 零电阻特性：当温度低于某一温度以下，材料的电阻表现为零。 2 完全抗磁性：在某一温度以下，材料呈现出，不论外加磁场多强，该材料始终保持内部磁场为零。外部磁场的磁力线全部被排斥在材料以外。用钛建造的核潜艇不必担心磁性水雷的攻击。

钛能和大多数金属及许多非金属形成合金，金属钛中加入其它金属可以增加钛的强度，钛合金的强度比许多合金钢还强。钛的物理性质与其中杂质种类和数量有密切关系。尤其是杂质氧、氮、碳会增加其硬度和脆性，使它的熔点升高，杂质铁不仅增加硬度，而且降低耐蚀性和熔点。因此工业用钛对于杂质含量和硬度有严格的要求。

钛具有优异的抗腐蚀性。常温下，金属钛表面容易形成一层保护性氧化膜，不受水、硝酸、稀硫酸、稀盐酸和稀碱溶液的侵蚀，对海水的抗腐蚀能力特别强，硝酸和王水能使钛钝化，也不起反应。只有氢氟酸及热的浓盐酸、浓硫酸 、浓

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磷酸和中等强度的碱对钛有侵蚀作用。在250℃左右，钛的表面失去金属光泽，形成金黄色至蓝色的氧化物薄层，温度再升高，氧化物层逐渐加厚，1200℃时，钛迅速被氧化 。

钛的化学性质同硅和锆相似。在水溶液中低价态的钛某些性质同钒和铬相似。在高温时钛能和大多数非金属单质直接化合，如氢、氧、氮、碳、硫和卤素、水汽、氨、CO、CO2等气体反应，所以是良好的吸气剂。吸收量小时，呈固溶体存在；吸收量大时,生成相应的化合物如TiH2、TiO等。氢氟酸（或氟化氢气体）与钛剧烈反应，生成TiF3（TiF4），是钛最强的溶剂。钛的氧化态为 ＋2 、 ＋3、＋4，以＋4价化合物最稳定。

在钛（Ⅳ）的化合物中，比较重要的是TiO2、TiOSO4（硫酸酞酰）、TiCl4，以二氧化钛(TiO2)最有实用价值。Ti02与浓硫酸共热能缓慢溶解生成TiOSO4，与强碱熔融生成偏钛酸盐（Na2TiO3）。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，应用甚广。钛白近年大量用于油漆、造纸、塑料、橡胶、化纤、搪瓷、电焊条等工业。TiO2是商品钛白的主要成分，为白色粉末，加热时略带微黄，有两种晶形（天然的还有一种板钛型）：一种是金红石型，属四方晶系；一种为锐钛型，也属四方晶型，但当加热到610℃开始转化为金红石型，到915℃可以完全转化，转化速度视杂质的种类和含量而异。在整个钛工业中，制取金属钛耗用的金红石和钛铁矿,仅占总量的10％左右，而制取钛白耗用的,则占90％。

3、钛的冶炼

制取金属钛的原料主要为金红石，其中含TiO2大于96％。自然界中存在的金红石由于含有少量的铁、铌、钽、铬、钒而呈红色或黄色晶体，具有硬度高、化学稳定性好的特性，是一种天然宝石。缺少金红石矿的国家，例如苏联，则采用钛铁矿制成的“高钛渣”，其中含TiO290％左右。近年因天然金红石涨价和储量日减，各国都趋向于用钛铁矿制成富钛料，即高钛渣和人造金红石。

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