Титан к какой группе металлов относится: Титан. Свойства, применение, марки, химический состав. Сплавы титана

\ [\ ce {2FeTiO3 (s) + 6C (s) + 7Cl2 (g) \ rightarrow 2TiCl4 (g) + 2FeCl3 (g) + 6CO (g)} \ label {1.1.1} \]

с последующим восстановлением тетрахлоридов активным металлом, таким как Mg.

В химии металлов 4 группы преобладает степень окисления +4. Только Ti имеет обширный химический состав в более низких степенях окисления.

В отличие от элементов группы 3, элементы группы 4 имеют важные применения.Титан (точка плавления = 1668 ° C) часто используется в качестве замены алюминия (точка плавления = 660 ° C) в приложениях, требующих высоких температур или коррозионной стойкости. Например, трение с воздухом нагревает обшивку сверхзвукового самолета, работающего выше 2,2 Маха, до температур, близких к температуре плавления алюминия; следовательно, во многих аэрокосмических приложениях вместо алюминия используется титан. Коррозионная стойкость титана все чаще используется в архитектурных приложениях, как показано на первой фотографии главы.Металлический цирконий используется в топливных стержнях, содержащих UO ₂ , в ядерных реакторах, в то время как гафний используется в управляющих стержнях, которые регулируют мощность ядерных реакторов большой мощности, таких как ядерные подводные лодки.

В соответствии с периодическими тенденциями, металлы группы 4 становятся более плотными, более плавкими и более электроположительными по столбцу (Таблица \ (\ PageIndex {1} \)). Однако неожиданно атомный радиус Hf оказался немного меньше, чем у Zr, из-за сжатия лантаноида. Из-за их ns ² (n — 1) d ² валентных электронных конфигураций, степень окисления +4 является наиболее важной для всех трех металлов.Только титан демонстрирует значительный химический состав в степенях окисления +2 и +3, хотя соединения Ti ^{2 +} обычно являются мощными восстановителями. Фактически, ион Ti ^{2 +} (водн.) Является настолько сильным восстановителем, что быстро восстанавливает воду с образованием газообразного водорода.

Реакция металлов группы 4 с избытком галогена приводит к образованию соответствующих тетрагалогенидов (MX ₄ ), хотя титан, самый легкий элемент в группе, также образует дигалогениды и тригалогениды (X не является F).Ковалентный характер галогенидов титана увеличивается по мере увеличения степени окисления металла из-за увеличения поляризации анионов катионом по мере увеличения его отношения заряда к радиусу. Таким образом, TiCl ₂ представляет собой ионную соль, тогда как TiCl ₄ представляет собой летучую жидкость, содержащую тетраэдрические молекулы. Все три металла реагируют с избытком кислорода или более тяжелыми халькогенами (Y) с образованием соответствующих диоксидов (MO ₂ ) и дихалькогенидов (MY ₂ ).В промышленности TiO ₂ , который используется в качестве белого пигмента в красках, получают путем взаимодействия TiCl ₄ с кислородом при высоких температурах:

\ [\ ce {TiCl4 (g) + O2 (g) \ rightarrow TiO2 (s) + 2Cl2 (g)} \ label {1.1.2} \]

Дихалькогениды группы 4 имеют необычную слоистую структуру без связей M – Y, удерживающих смежные листы вместе, что делает их в некотором смысле похожими на графит (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). Металлы группы 4 также реагируют с водородом, азотом, углеродом и бором с образованием гидридов (таких как TiH ₂ ), нитридов (таких как TiN), карбидов (таких как TiC) и боридов (таких как TiB ₂ ). ), все из которых являются твердыми, тугоплавкими твердыми частицами.Многие из этих бинарных соединений нестехиометричны и обладают металлической проводимостью.

Titanium Compound — обзор

МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ СТЕРЕОСПЕЦИФИЧЕСКОГО КАТАЛИЗА

Процессы полимеризации, действующие по механизму свободных радикалов, в целом не являются стереоселективными, несмотря на то, что при работе в определенных условиях полимеризации (например, при низкой температуре) , процессы передачи цепи могут быть уменьшены, и в случае некоторых виниловых мономеров синдиотактическое связывание голова к хвосту более вероятно. Однако, как правило, невозможно получить полимеры с высокой регулярностью структуры по свободнорадикальному механизму.

Способы катионной полимеризации имеют недостаток, заключающийся в том, что они демонстрируют частые явления передачи цепи, которые можно уменьшить только при работе при очень низкой температуре и полимеризацией мономеров винилиденового типа. В редких случаях, когда мономер содержит полярные группы, способные связываться с катализатором, можно получить виниловые полимеры, содержащие фракции с регулярной структурой. Фактически, Schildknecht ²⁴ описал кристаллические полимеры алкилвиниловых эфиров, которые при нашем исследовании показали изотактическую структуру. ²⁵

Наши исследования в области стереоспецифической полимеризации в основном проводились на α-олефинах и диолефинах с помощью определенных катализаторов, которым мы приписали анионный механизм; этот механизм лучше, чем катионный, удовлетворяет первому и третьему условиям.

Катализаторы, которые мы использовали первыми, были выбраны из предложенных К. Циглером для полимеризации этилена при низком давлении. ^{26, 27} Эти катализаторы позволяют полимеризацию виниловых углеводородов CH ₂ –CHR с образованием высокополимеров, ^{28, 29} , но не полимеризации винилиденовых углеводородов (CH ₂ = CR _{1 2} рэнд).

Эти катализаторы характеризуются присутствием соединений переходных металлов, которые принадлежат к IV – VIII группам периодической таблицы, в состоянии валентности металла ниже его максимума. Строение этих атомов характеризуется незавершенностью оболочки d ; их соединения с более низкой валентностью (большей стабильностью по отношению к основаниям) могут быть связаны с гидридами металлов или с алкилами металлов с образованием комплексов, которые в некоторых случаях существуют в виде поверхностных соединений.В таких комплексах присутствуют сильно поляризованные связи металл-водород или металл-алкил со смещениями электронов, способствующими образованию карбаниона или гидрид-иона (таблица 7).

ТАБЛИЦА 7.

9025 4 ²

Не все переходные металлы дают хорошие катализаторы.Мы обнаружили, что наилучшими катализаторами являются катализаторы, полученные из металлов, которые в своем элементарном состоянии являются лучшими донорами электронов. В качестве меры этого свойства мы можем рассматривать их энергию ионизации и потенциал ионизации. ³⁰

Эти переходные металлы (выделены курсивом в таблице 7) дают лучшие катализаторы на практике; когда их соединения связаны с алкилами металлов, энергия ионизации первого электрона этих металлов мала (ниже 4 эВ), как и первый потенциал ионизации (ниже 7 В).Только металлы, такие как Na, Li, Ba, Al, которые имеют энергию ионизации ниже 4 эВ, могут давать стабильные гидриды. В этих соединениях поляризация связи Me – H увеличивается (до предела иона H в гидридах металлов с более низкой валентностью) с уменьшением энергии ионизации.

В серии электроотрицательностей Полинга эти элементы имеют электроотрицательность ниже 1,7.

В соединениях металл – алкил элементов с низкой электроотрицательностью связь Me – C поляризована подобно карбаниону.

В случае вышеупомянутых переходных металлов только соединения с низшей валентностью обладают значительной основной активностью. В этом причина различия в поведении соединений низшей и высшей валентностей. Последние, например, VOCl ₃ и TiCl ₄ , ведут себя как кислоты Льюиса и с сокатализаторами (такими как HCl, H ₂ O, алкилгалогениды) образуют комплексы, которые из-за присутствия протоны или ионы карбония дают катионные катализаторы.Эти соединения с более низкой валентностью, такие как VC1 ₂ и TiCl ₂ , объединяются с такими веществами, как гидриды металлов или металл-алкилы, и дают катализаторы, действующие по анионному механизму из-за присутствия гидрид-ионов или карбанионов. .

Хороший катализатор для нашего анионного катализа может быть получен реакцией солей переходных металлов с соединениями алкилов металлов. Это возможно только тогда, когда реакция обмена сопровождается образованием нестабильных алкильных соединений, которые разлагаются (часто с образованием свободных радикалов или их комбинации или продуктов диспропорционирования) на соединения переходных металлов с более низкой валентностью.Например, Циглер уже наблюдал ²⁷ , что это восстановление происходит в тех катализаторах, которые он предложил для полимеризации этилена, то есть в катализаторах, полученных реакцией TiCl ₄ с Al (C ₂ H ₅ ) ₃ .

Сравнение каталитических процессов, которые обычно считаются катионными, с изученными нами, подтверждает гипотезу о том, что последние действуют по анионному механизму. Эта гипотеза дополнительно подтверждается не только наличием связей металл-гидрид и металл-карбанион в наиболее типичных катализаторах, но и результатами, полученными спектрографическим исследованием полимеров и кинетическим исследованием реакции полимеризации этилена. ³¹ и пропилен ³² с алкилами металлов.

Мы полагаем, что в случае виниловых мономеров реакция полимеризации происходит за счет введения мономерных звеньев между катализатором и растущей полимерной цепью таким образом, что группа CH ₂ соединяется с катализатором. Рост полимерной цепи останавливается в основном из-за диссоциации (регенерация катализатора с образованием связи металл-гидрид) или из-за переноса аниона водорода от растущей полимерной цепи к молекуле мономера (передача цепи с мономером).В любом случае остановка происходит с образованием полимерных макромолекул, которые являются ненасыщенными из-за концевой винилиденовой группы.

Эти утверждения подтверждаются следующими экспериментальными результатами.

(1)

При использовании катализаторов, полученных обработкой алкилов алюминия соединениями переходных металлов, в полимере были обнаружены те органические группы (алкил или арил), которые первоначально принадлежали соединению алкилалюминия. Например, при использовании катализатора, полученного обработкой соединения титана трифенилом алюминия, получается полимер, который содержит фенильные группы, связанные с третичными атомами углерода (полосы поглощения при 13,26 мкм и 14,33 мкм присутствуют в различных фракции полимера).

(2)

При использовании некоторых стабилизированных катализаторов скорость полимеризации остается постоянной во времени, при условии, что концентрация мономера остается постоянной. Таким образом, полимеризация протекает с постоянным числом активных центров, что свидетельствует о том, что в процессе полимеризации катализатор не расходуется.

(3)

Когда катализатор готовят реакцией солей титана с трифенилом алюминия, количество концевых фенильных групп в полимере уменьшается по мере протекания полимеризации.

Например, после 4–5 часов реакции при 90 ° C отношение количества молекул полимера к количеству концевых фенильных групп составляет от 3 до 8, в зависимости от рассматриваемых фракций. Это доказывает, что даже если катализатор изначально содержит связи металл-фенил, полимеризация продолжается, когда фенильные группы удаляются и заменяются другими связями металл-алкил.

(4)

Наши кинетические измерения показывают, что средний срок службы каждой полимерной цепи довольно велик и, в зависимости от условий полимеризации, составляет от нескольких минут до нескольких часов.

(5)

Полимерные цепи содержат двойные связи, в основном винилиденовые. Количество винилиденовых связей приблизительно равно количеству молекул полимера, определенному с помощью вискозиметрических измерений молекулярной массы. Поскольку такие двойные связи образуются в результате расщепления связи металл – алкил, следует предположить, что карбанион, принадлежащий первичному атому углерода, связан с катионом катализатора.

(6)

Сравнение осмометрических и вискозиметрических измерений растворов и поведения высокомолекулярных полимеров в расплавленном состоянии показывает, что макромолекулы являются линейными и не имеют длинных разветвлений.

(7)

Хорошо упорядоченная структура полимеров, полученных с помощью этого типа анионного катализа, и возможное отсутствие длинных разветвлений можно объяснить более высокой стабильностью первичного карбаниона. Эта более высокая стабильность предотвращает передачу заряда вторичному или третичному атому углерода (Таблица 8).

ТАБЛИЦА 8. СРАВНЕНИЕ ТИПОВЫХ ПРОЦЕССОВ АНИОННОЙ И КАТИОННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

соли карбоновых кислот или соли карбоновых кислот, хлорсодержащие углеводороды

	Катионогенные	Анионные
Катализаторы
Инициаторы цепи	H +, -R «R» C +	H-, -CH-, Ar-
Коионы	Анионы: e.грамм. (BF 3 OH) -, (AlBr 4 ) —	Катионы: например, (TiAlX n ) +, AlX 2 + и др.
Основной катализатор	Соли сильных кислот и слабых оснований. Электрофильные вещества. Максимальная валентность соединений металлов от 2-й до 4-й группы (AlCl 3 , TiCl 4 и др.) И высших групп	Нуклеофильные вещества. Соединения металлов с 4-й по 8-ю группы низшей валентности (TiCl 2 , VC1 2 и др.)
Сокатализатор	Вещества, дающие ионы H + или катионы карбения. Галогеноводородные кислоты. Алкилгалогениды (HCl, H 2 O, CH 3 C1 и т. Д.)	Вещества, дающие анионы водорода: H — или карбанионы. Гидриды металлов, металл-алкилы: LiH, LiCH 3 , Al (C 2 H 5 ) 3
Порядок увеличения реакционной способности алифатических олефинов
CH 2 = CH 2	малый	большой
CH 2 = CHR	средний	нижний
CH 2 = CR’R ”	большой	нулевой или очень маленький
Ингибиторы	Акцепторы электронов основания, амины, спирты	Доноры электронов, кислоты, H 2 O, галогенированные алифатические соединения
Растворители	Углеводороды	Углеводороды	Углеводороды	Преимущественно 1-го порядка по катализатору и мономерам и нулевого порядка по сокатализатору (в определенном диапазоне концентраций п последних).Исключения и аномалии являются частыми	1-го порядка по отношению к некоторым стабилизированным катализаторам и к мономеру и нулевого порядка по отношению к сокатализатору (в определенном диапазоне концентраций последнего). Аномалии с гетерогенными нестабилизированными катализаторами
Видимая теплота активации	Всегда небольшая (менее 15 000 кал.). Иногда отрицательно	Всегда мало
Прекращение роста цепи макромолекулы	Перенос протона на катализатор (диссоциация) или на мономер (перенос цепи) и другие вторичные процессы	Перенос аниона H — к катализатор (диссоциация) или мономер (передача цепи)
Удаление ионного заряда от одного атома углерода к другому в той же цепи	Часто от вторичного к третичному атому	Не наблюдается и маловероятно первичный, вторичный или третичный атом.
Возможность сополимеризации мономера с его полимерами	Часто	Возможно в некоторых случаях с этиленом; еще не наблюдается для α-олефинов.
Образованная структура полимеров	Часто неправильная. Наличие длинных разветвлений, а иногда и циклизация в цепи	Регулярно. Отсутствие длинных разветвлений в полимерах α-олефинов

Теплота активации общей реакции полимеризации не очень высока и в целом не превышает 15000 кал.Например, мы обнаружили, что теплота активации для полимеризации пропилена в изотактический полимер составляла 11000 кал, если относиться к газообразному пропилену (15000, если относиться к пропилену в растворе гептана).

Между анионными и катионными катализаторами существуют значительные аналогии; но эти два процесса различаются механизмом передачи цепи и возможностями. Высокая регулярность структуры, которую можно наблюдать в этих продуктах анионной полимеризации, может быть объяснена присутствием карбениатного концевого иона (–CH ₂ ), заряд которого с трудом переносится на другие атомы полимерной цепи.

В случае катионного катализа, напротив, перенос гидрид-иона от третичного атома к вторичному иону карбония, сопровождающийся нейтрализацией и образованием третичного иона карбония, возможен и происходит часто. Этот процесс отвечает за образование разветвлений в полимере.

Поскольку реакции переноса менее часты в анионных процессах, они лучше подходят для получения полимеров с регулярной структурой, чем катионные.В случае катионной полимеризации регулярные структуры получаются только при работе при очень низких температурах. Более того, рассматриваемые нами анионные полимеризации, проводимые при той же температуре полимеризации, дают полимеры с высокой молекулярной массой, которые, даже если бы они были атактическими, имели бы линейную структуру «голова к хвосту».

Перенос «аниона водорода» (гидрид-иона) представляет собой наиболее частый случай прекращения роста макромолекулы. Это может происходить двумя способами:

(1).

В случае, если B является катионом катализатора, происходит регенерация катализатора.

Перенос аниона водорода на молекулу мономера происходит чаще:

(2).

Другой относительно редкий случай в наших анионных полимеризациях, который будет описан в другой статье, состоит в переносе заряда на ион водорода, полученный из другой молекулы, и сопровождаемый регенерацией катализатора. Этот случай отличается от первого и второго случаев тем, что образованный полимер насыщен группой R ‘:

При катионной полимеризации перенос заряда от иона углерода к другому атому углерода происходит часто, даже с атомами внутри одного и того же атома углерода. полимерная цепь, и это вызывает некоторые неровности структуры.С другой стороны, этого не может произойти в случае анионной полимеризации, проводимой с помощью катализаторов, используемых нами для стереоспецифической полимеризации α-олефинов (схема 4).

Схема 4.

Реакция:

R′R ″ C + H + R′R ″ R ‴ → R′R ″ 2 + R′R ″ R ‴ C +

очень часто происходит при катионной полимеризации, ³³ , если он не работает при очень низких температурах; это приводит к нейтрализации вторичного иона карбония с образованием третичного иона карбония.

В то время как в случае катиона углерода стабильность иона соответствует порядку C + h4

C-h4> C-h3R> C-HR2> C-R3.

Реакции, которые считаются маловероятными при анионной полимеризации:

В растущей полимерной цепи, которая заканчивается ионом –CH ₂ , перенос заряда на атом углерода внутри цепи маловероятен.Следовательно, разветвлений цепи не происходит.

По этой причине поли-α-олефины, полученные с помощью используемых нами анионных катализаторов, даже если они не являются стереоспецифичными, являются линейными и строго прямолинейными.

I.R. анализ не выявил последовательностей — CH ₂ — CH ₂ — или -CHCH ₃ — CHCh4 — в цепи полипропилена, полученной с помощью таких катализаторов.

С катионными катализаторами можно получить регулярные цепи, только если ион карбония уже является третичным атомом углерода и если полимерная цепь не содержит нуклеофильных атомов углерода (например, полиизобутилена).

При анионном катализе наблюдается большая регулярность полимеризации α-олефинов, чем при полимеризации этилена. В случае полимеризации этилена на самом деле может иметь место сополимеризация этилена с молекулами низкомолекулярного полиэтилена:

Этот процесс может вызывать разветвления цепи, а также заметное количество CH ₂ / CH _{3 Соотношение} в некоторых высокомолекулярных полиэтиленах, полученных с катализаторами типа Циглера.

Это, как мы полагаем, является причиной того, что небольшое количество разветвлений может происходить при полимеризации этилена в присутствии тех катализаторов, которые при полимеризации α-олефинов дают линейные полимеры.

Этого не происходит при полимеризации α-олефинов. Фактически, используя, как и мы, наиболее типичные анионные катализаторы, реакция присоединения:

с образованием соединения, такого как

, не может иметь место, вероятно, по стерическим причинам.

Фактически даже в полимерах с низкой молекулярной массой четвертичные атомы углерода не могут быть обнаружены. Такое специфическое поведение анионной полимеризации также наблюдается в поли-α-олефинах, имеющих пространственно неупорядоченную структуру.

Аморфные полипропилены, полибутены, полиамилены, полигексены средней и высокой молекулярной массы отличаются от соответствующих полимеров такой же молекулярной массы, полученных катионными процессами. Они демонстрируют вязкоупругие свойства, аналогичные свойствам невулканизированных каучуков.

Титан, Ti, атомный номер 22

Общие

Титан — химический элемент с символом Ti и атомным номером 22. Он принадлежит к переходным металлам и находится в 4-й подгруппе (группа 4) или группе титана в периодической таблице.Металл бело-металлический, блестящий, легкий, прочный, гибкий, устойчивый к коррозии и температуре. Поэтому он особенно подходит для применений, требующих высокой коррозионной стойкости, прочности и небольшого веса. Из-за сложного производственного процесса титан в десять раз дороже обычной стали.

Титан был открыт в 1791 году в Англии священником и химиком-любителем Уильямом Грегором в титановом железе. В 1795 году немецкий химик Генрих Клапрот также обнаружил его в рутиловой руде и дал элементу его нынешнее название — в честь греческих богов титанов.

Однако только в 1831 году Юстусу фон Либиху удалось извлечь металлический титан из руды. Чистый металлический титан (99,9%) был впервые произведен Мэтью А. Хантером в 1910 году путем нагревания тетрахлорида титана с натрием до 700-800 ° C в стальной бомбе.

Только в 1940-х годах Уильяму Джастину Кроллу удалось использовать процесс Кролла для разработки титана для коммерческого применения, внедрив крупномасштабное восстановление тетрахлорида титана магнием.

происшествие

Титан встречается в земной коре только в связи с кислородом в виде оксида. Это отнюдь не редкость, с содержанием 0,565% занимает 9-е место по содержанию элементов в континентальной коре. Обычно он доступен только в низких концентрациях.

Важные минералы:

• Ильменит (титановая железная руда), FeTiO3
• лейкоксен, ильменит с низким содержанием железа
• Перовскит, CaTiO3
• Рутил, TiO2
• Титанит (сфен), CaTi [SiO4] O
• Титанаты, такие как титанат бария, (BaTiO3)
• Товарищ по железной руде.

Основные месторождения находятся в Австралии, Скандинавии, Северной Америке, на Урале и в Малайзии. В 2010 году месторождения были обнаружены в Парагвае, но их разработка только планируется.

Метеориты могут содержать титан. Титан также обнаружен на Солнце и в звездах спектрального класса M. Есть также месторождения на Луне Земли. Образцы горных пород из лунной миссии Apollo 17 содержали до 12,1% TiO ₂ . Есть соображения по добыче астероидов.

Он также содержится в угольной золе, растениях и в организме человека.

Восстановление

Чистый титан практически не встречается в земле. Титан добывают из ильменита или рутила. Используемый производственный процесс очень сложен, что отражается в высокой цене на титан. В 2008 году тонна титановой губки стоила в среднем 12 000 евро.

Производственный процесс практически не изменился с момента открытия процесса Кролла. Обычно на основе ильменита или рутила обогащенный диоксид титана превращается при нагревании с хлором и углеродом в хлорид титана (IV) и монооксид углерода.Затем происходит восстановление до титана с использованием жидкого магния. Для производства обрабатываемых сплавов полученную титановую губку необходимо переплавить в дуговой вакуумной печи.

Крупнейшим производителем титана и титановых сплавов является ВСМПО-АВИСМА со штаб-квартирой в Верхней Салде или Екатеринбурге на Урале, которая с 12 сентября 2006 года косвенно принадлежит российскому государству через холдинг «Рособоронэкспорт».

Чистейший титан получают с помощью процесса Ван Аркеля де Бура.

Недвижимость

При контакте с воздухом титан образует чрезвычайно стойкий оксидный защитный слой, который делает его устойчивым к коррозии во многих средах. Замечательна высокая прочность при относительно низкой плотности. Однако выше температуры 400 ° C прочностные свойства быстро снижаются. Сверхчистый титан пластичен. При более высоких температурах он очень быстро становится хрупким из-за поглощения кислорода, азота и водорода. Также важно отметить высокую реакционную способность титана со многими средами при повышенных температурах или повышенном давлении, если пассивный слой не выдерживает химического воздействия.Здесь скорость реакции может увеличиваться до точки взрыва. В чистом кислороде при 25 ° C и 25 бар титан полностью сгорает от свежеобрезанного края с образованием диоксида титана. Несмотря на пассивирующий слой, он реагирует с кислородом при температурах выше 880 ° C и с хлором при температурах выше 550 ° C.Титан также реагирует («горит») с чистым азотом, что необходимо учитывать, например, при механической обработке, поскольку выделяемого тепла.

Титан устойчив к разбавленной серной кислоте, соляной кислоте, растворам, содержащим хлорид, холодную азотную кислоту и большинство органических кислот и оснований, таких как гидроксид натрия.Напротив, он медленно растворяется в концентрированной серной кислоте с образованием фиолетового сульфата титана. Из-за опасности взрыва необходимо строго соблюдать условия эксплуатации при использовании газообразного хлора.

Механические свойства и коррозионное поведение можно значительно улучшить, добавляя в основном второстепенные сплавы алюминия, ванадия, марганца, молибдена, палладия, меди, циркония и олова.

Титан становится сверхпроводящим при температуре ниже 0,4 К.

При температуре ниже 880 ° C титан присутствует в гексагональной плотнейшей упаковке сфер. При температуре выше 880 ° C образуется объемно-центрированная кубическая структура решетки.

титановые сплавы

Титановые сплавы часто используются в соответствии со стандартом США ASTM Grade от 1 до 35. Марка от 1 до 4 обозначает чистый титан различной степени чистоты.

Чистый титан имеет номер материала 3.7034; наиболее экономически важный используемый материал (также для лопаток турбокомпрессора) Ti-6Al-4V (6% алюминия, 4% ванадия, ASTM: Grade 5) имеет номера 3.7165 (промышленное применение) и 3.7164 (аэрокосмическое применение).

Прочие важные титановые сплавы, в основном используемые в аэрокосмической промышленности:

Нитинол (никель-титан) — это так называемый сплав с памятью формы.

Использование

Титан в основном используется в качестве микролегированного компонента стали. Он придает стали высокую вязкость, прочность и пластичность даже в концентрациях 0,01-0,1 процента по массе. В нержавеющих сталях титан предотвращает межкристаллитную коррозию.

Сплавы на основе титана значительно дороже суперсплавов — около 45 евро / кг. Поэтому они используются только для самых высоких требований:

Применение в морской воде и средах, содержащих хлориды

• Детали гребного винта судна, такие как валы и распорки для морского применения
• Детали встраиваемые в опреснительные установки морской воды
• Компоненты для испарения растворов хлорида калия
• Аноды подводных кабельных передач HVDC
• Аппараты хлорохимических заводов

Товары для активного отдыха и спорта

• для высококачественных велосипедов в сочетании с алюминием и ванадием в качестве материала рамы
• (Дайвинг) ножи с лезвиями из титана или титанового сплава, а также столовые приборы
• в качестве колышков для палатки (высокая прочность, несмотря на небольшой вес)
• для клюшек в качестве головки клюшки
• с теннисными ракетками в раме
• для стрельбы палкой как чрезвычайно устойчивая палка с палкой для льда
• как особо легкий ледобур для альпинизма
• как стержень для лакросса для большей прочности и меньшего веса
• твердым лидером при ловле хищной рыбы с острыми зубами

Применение в виде соединений

• Производство относительно мягких искусственных драгоценных камней
• Монокристаллы сапфира, легированного титаном, служат активной средой в титан-сапфировом лазере для ультракоротких импульсов фемтосекундного диапазона
• как тетрахлорид титана для производства стеклянных зеркал и искусственного тумана
• Образование интерметаллических фаз (Ni ₃ Ti) в жаропрочных никелевых сплавах
• сверхпроводящие ниобий-титановые сплавы (например,грамм. в качестве сверхпроводящих кабелей в электромагнитах от HERA в DESY)
• в пиротехнике
• Более 90% производимой титановой руды в основном перерабатывается в диоксид титана с использованием хлоридного и, в меньшей степени, сульфатного процесса.
• в качестве титановых титров для покрытий сменных пластин и фрез в технологии производства

В качестве твердых материалов используются соединения титана с бором, углеродом или азотом. Соединения титана также используются для производства металлокерамики, композиционных материалов из керамики и металла.

строительные детали

• Изнашиваемые детали в паяльных установках, прямой контакт с электрическим припоем до 500 ° C
• Пружины в шасси автомобиля
• в самолетах и ​​космических кораблях для особо нагруженных частей, которые все еще должны быть легкими (внешняя обшивка на сверхзвуковых скоростях, лопатки компрессора и другие детали двигателей)
• в паровых турбинах для наиболее нагруженных лопаток части низкого давления
• в броне: некоторые типы подводных лодок бывшего Советского Союза имели прочный корпус из титанового сплава (например.грамм. Класс Майка, Класс Альфа, Класс Папа или Класс Сьерра). Кроме того, в военной авиации титан используется чаще, чем в гражданской. В результате на пике производства советских вооружений большая часть титана, добываемого во всем мире, производилась в России и перестраивалась.
• из-за его низкой плотности при производстве указателей уровня и поплавков

Медицина

• В качестве биоматериала для имплантатов в медицинской технике и стоматологии (дентальные имплантаты, прим.200000 штук в год только в Германии) из-за очень хорошей коррозионной стойкости по сравнению с другими металлами. Нет иммунологической реакции отторжения (аллергия на имплант). Он также используется для изготовления зубных коронок и мостовидных протезов из-за его значительно более низкой стоимости по сравнению с сплавами золота. В хирургической ортопедии при протезировании металлических ног (протезы тазобедренного сустава) и при замене головки бедренной кости, при замене коленного сустава после остеоартроза применяется массово. Слой оксида титана позволяет костям прочно врастать в имплант (остеоинтеграция) и, таким образом, позволяет искусственному имплантату прочно закрепиться в теле человека.
• В хирургии среднего уха титан является предпочтительным материалом для протезов слуховых косточек и тимпаностомических трубок.
• В нейрохирургии титановые зажимы (для операций при аневризме) в значительной степени заменили зажимы из нержавеющей стали из-за их более благоприятных свойств ЯМР.

Электроника

• В 2002 году Nokia выпустила мобильный телефон 8910, а годом позже — мобильный телефон 8910i в титановом корпусе.
• В апреле 2002 года Apple Inc.вывела на рынок ноутбук PowerBook G4 Titanium. Крупные части корпуса были выполнены из титана, а версия с экраном 15,2 дюйма и толщиной 1 дюйм весила всего 2,4 кг.
• Некоторые ноутбуки серии ThinkPad от Lenovo (ранее IBM) имеют корпус из армированного титаном пластика или раму корпуса из титано-магниевого композита.

Другие приложения

• Ювелирные изделия, оправы для часов и очков из титана
• Монеты с титановым сердечником (e.грамм. 200 австрийских шиллингов)
• Титановый сублимационный насос для создания сверхвысокого вакуума
• Гальваника в качестве опорной рамы для анодного окисления алюминия (ELOXAL)
• В составе пуленепробиваемых жилетов, стандартизированных по CRISAT

пруф

TiO ²⁺ образует характерный желто-оранжевый комплекс с пероксидом водорода (комплекс триаквогидроксооксотитана (IV)), который также подходит для фотоспектрометрического обнаружения.

стандартизировать

Титан и титановые сплавы стандартизированы в:

• DIN 17850, редакция: 1990-11 Титан; химический состав
• ASTM B 348: Стандартные спецификации для титана и титановых сплавов, прутков и заготовок
• ASTM B 265: Стандартные спецификации для титана и титановых сплавов, листов и пластин
• ASTM F 67: Стандартные спецификации для нелегированного титана для хирургических имплантатов
• ASTM F 136: Стандартные технические условия на кованый сплав титан-6, алюминий-4, ванадий ELI (сверхнизкое межклеточное пространство) для хирургических имплантатов
• ASTM B 338: Стандартные технические условия на бесшовные и сварные трубы из титана и титановых сплавов для конденсаторов и теплообменников
• ASTM B 337: Технические условия на бесшовные и сварные трубы из титана и титановых сплавов

Указания по технике безопасности

Титан легко воспламеняется в виде порошка и безвреден.Большинство солей титана считаются безвредными. Несовместимые соединения, такие как трихлорид титана, очень агрессивны, поскольку они образуют соляную кислоту со следами воды.

Тетрахлорид титана используется в дымовых свечах и дымовых гранатах; он вступает в реакцию с влажностью и образует белый дым из диоксида титана, а также туман соляной кислоты.

Биологические недостатки титана в организме человека в настоящее время неизвестны. Таким образом, титановые тазобедренные суставы или имплантаты челюсти, в отличие от никеля, не вызывали аллергии.

Подключения

В то время как металлический титан предназначен только для сложных технических применений из-за его высокой стоимости производства, относительно недорогой и нетоксичный цветной пигмент диоксид титана стал спутником в повседневной жизни. Сегодня практически все белые пластмассы и краски, включая пищевые красители, содержат диоксид титана (его можно найти в продуктах питания как E 171). Однако соединения титана также используются в электротехнике и технологиях материалов, а в последнее время при производстве высокоэффективных батарей для силовых установок транспортных средств (литий-титанатные батареи).

• Титанат бария, BaTiO ₃
• титанат лития
• Хлорид титана (III), TiCl ₃
• Борид титана, TiB
• Карбид титана, TiC
• Нитрид титана, TiN
• Хлорид титана (IV), TiCl ₄
• Оксид титана (II) TiO
• Оксид титана (III) Ti ₂ O ₃
• Оксид титана (IV) (титановый белый), TiO ₂
• Субоксиды титана состава от TiO до Ti ₂ O
• Сульфат оксида титана (IV) (сульфат титанила), TiOSO ₄
• ферротитан
• Нитинол, металл с памятью

• Гидрид титана, TiH ₂

Обозначения опасности H и P H: 250EUH: нет оценок EUH P: 222-231-422 Маркировка опасных веществ (порошок) Порошок

R- и S-SätzeR: 17-36 / 37 / 38S: 26 (Pulver)

Следите за нами и ставьте лайки:

Какие металлы самые твердые в мире?

Металлы — это род, который описывает ряд различных материалов, которые обычно являются блестящими, электрически и теплопроводными и, прежде всего, твердыми.Металлы чрезвычайно разнообразны. Фактически, более 75 процентов из 118 элементов таблицы Менделеева сделаны из металлов. Поэтому, естественно, у многих возникает вопрос: «Какие металлы самые твердые в мире?» В этой статье мы рассмотрим множество различных видов металлов, независимо от того, являются ли они элементами, соединениями или сплавами, чтобы выяснить, какие металлы самые прочные и самые твердые. В нашем списке используется шкала Бринелля, которая измеряет твердость материалов при вдавливании.Важно отметить, что редко бывает одно единое значение для одного металла, поскольку они имеют тенденцию меняться в зависимости от того, из каких сплавов и соединений они состоят.

1. Вольфрам (1960–2450 МПа)

Вольфрам — один из самых твердых металлов в природе. Также известный как Вольфрам, этот редкий химический элемент имеет высокую плотность (19,25 г / см3), а также высокую температуру плавления (3422 ° C / 6192 ° F). С вольфрамом в его редкой форме трудно работать из-за его хрупкости, которая может измениться, когда станет чистым.Вольфрам часто используется для создания твердых сплавов, таких как быстрорежущая сталь, для повышения защиты от истирания, а также для улучшения электропроводности.

2. Иридий (1670 МПа)

Как и вольфрам, иридий представляет собой химический элемент, обладающий признаками высокой плотности и устойчивостью к высоким температурам. Иридий относится к металлам платиновой группы и по внешнему виду напоминает платину. Однако с иридием сложно работать. Поскольку иридий очень твердый, он также довольно хрупкий, что усугубляется его очень высокой температурой плавления, превышающей 2000 ° C.Иридий считается одним из самых редких элементов на поверхности Земли, а также одним из самых устойчивых к коррозии элементов.

3. Сталь

Сталь — это легированный металл, состоящий из железа и других элементов, например углерода. Это наиболее часто используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. Из-за множества вариантов и уровней качества стали, которые могут применяться, не существует единого значения твердости. Существует множество различных методов закалки стали для улучшения защиты стали от износа, термостойкости и защиты от истирания.Borocoat, например, оптимизирует твердость стали, не делая ее хрупкой. Узнайте больше о борировании и Borocoat.

4. Осмий (3920–4000 МПа)

Осмий относится к металлам платиновой группы и обладает высокой плотностью. Фактически, это самый плотный природный элемент на Земле с 22,59 г / см3. По этой же причине осмий не плавится до 3033 ° C, температуры, которая затрудняет работу с металлом. Когда он легирован другими металлами платиновой группы (такими как иридий, платина и палладий), его можно использовать во многих различных областях, где необходимы твердость и долговечность.

5. Хром (687-6500 МПа)

Хром — элемент, часто встречающийся в сплавах, таких как нержавеющая сталь. По шкале Мооса, которая измеряет устойчивость к царапинам, он находится среди лучших. Хром ценится как за высокую коррозионную стойкость, так и за твердость. Поскольку с ним легче обращаться, а также он более распространен, чем металлы платиновой группы, хром является популярным элементом, используемым в сплавах.

6. Титан (от 716 до 2770 МПа)

Титан известен своей прочностью.Хотя по твердости по Бринеллю он не совсем сравнивается с другими металлами из этого списка, титан имеет впечатляющее соотношение прочности и веса. Даже в чистом виде титан тверже многих стальных форм. Как тугоплавкий металл, он обладает высокой устойчивостью к нагреванию и истиранию, поэтому титан является популярным легирующим металлом. Его можно легировать, например, железом и углеродом.

Бинарные титановые сплавы в качестве материалов для дентальных имплантатов — обзор

Abstract

Титан (Ti) давно используется в стоматологии и медицине для имплантации.В течение многих лет использовались не только технически чистый Ti, но также некоторые сплавы, такие как бинарные и третичные сплавы Ti. Цель этого обзора — описать и сравнить текущую литературу по бинарным сплавам Ti, включая Ti – Zr, Ti – In, Ti – Ag, Ti – Cu, Ti – Au, Ti – Pd, Ti – Nb, Ti – Mn. , Ti – Mo, Ti – Cr, Ti – Co, Ti – Sn, Ti – Ge и Ti – Ga, в частности, механические, химические и биологические параметры, связанные с применением имплантата. Поиск литературы проводился с использованием баз данных PubMed и Web of Science, а также Google без ограничения года, но с использованием основных ключевых терминов, таких как «сплав Ti», «бинарный Ti», «Ti-X» (где X — элемент сплава. ), «дентальный имплант» и «медицинский имплант».Были включены только лабораторные исследования, преднамеренно предназначенные для имплантации или биомедицинского применения. Согласно имеющейся литературе, мы можем сделать вывод, что большинство бинарных сплавов Ti с легирующими элементами Zr, In, Ag, Cu, Au, Pd, Nb, Mn, Cr, Mo, Sn и Co имеют высокий потенциал в качестве имплантата менее 20%. материалы, благодаря хорошим механическим характеристикам без ущерба для биосовместимости и биологического поведения по сравнению с cp-Ti.

Ключевые слова: : бинарный Ti, сплав Ti, дентальный имплант, биосовместимость

Введение

Титан (Ti) — переходный металл и элемент с атомным номером 22.Ti имеет блестящую поверхность, серебристый цвет, низкую плотность и высокую прочность. Он обладает высокой способностью противостоять коррозии в различных средах, таких как морская вода, царская водка и хлор [1]. Ti также считается биосовместимым, поскольку он нетоксичен и не отторгается человеческим организмом. Таким образом, Ti и его сплавы могут использоваться в различных медицинских целях, например хирургические инструменты и имплантаты, а также в стоматологии, например абатменты, протезы и ортодонтические спицы [2]. В частности, исследование [3] показало, что изготовленные из титана тазобедренные суставы и впадины (в качестве замены сустава) могут оставаться в теле пациентов более 20 лет.Кроме того, Ti обладает присущей ему способностью к остеоинтеграции, что позволяет использовать Ti для применения в ортопедических имплантатах [4]. Кроме того, Ti имеет низкий модуль упругости (то есть модуль Юнга), который близко соответствует кости. В результате нагрузки со стороны скелета могли более равномерно распределяться между костью и имплантатом, что приводило к снижению частоты деградации кости, которая возникает из-за [1] экранирования напряжения и [2] перипротезных переломов кости на границах ортопедических имплантатов [5] ].Несмотря на то, что жесткость Ti более чем в два раза превышает жесткость кости, что может привести к ухудшению состояния соседней кости из-за снижения нагрузки на кость [6], Ti по-прежнему считается материалом, который используется в медицине.

Ti представляет собой диморфный металл с двумя фазами, α и β фазой. α-Ti представляет собой гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую решетку, а β-Ti представляет собой объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку. Во время обработки Ti существует в виде α-Ti, когда температура ниже 883 ° C. Когда Ti нагревается до температуры более 883 ° C, атомы в кристаллической решетке ГПУ сближаются друг с другом и превращаются в β-Ti [7–9].α-Ti отличается прочностью, высокой прочностью при высоких температурах (<883 ° C) и хорошей свариваемостью. Однако с ним сложно работать и он поддается термообработке. Предел прочности при растяжении составляет около 330–860 МПа, а вязкость разрушения> 70 МПа · м ^{— 1/2} . Для β-Ti бета-фаза наблюдалась при комнатной температуре после закалки, а иногда даже при охлаждении на воздухе. Таким образом, он готов к холодной обработке (формованию) и может подвергаться обработке на твердый раствор, закалке и старению для получения более высокой прочности при низкой пластичности.Однако его усталостные характеристики невысоки. Предел прочности при растяжении составляет около 1220–1450 МПа, а вязкость разрушения> 50 МПа · м ^{— 1/2} .

Действительно, технически чистый Ti (cp-Ti) делится на четыре сорта от 1 до 4, в зависимости от чистоты и содержания кислорода в процессе [10]. Эти разные марки cp-Ti обладают различной коррозионной стойкостью, пластичностью и прочностью (). Например, сорт 1 cp-Ti, который обрабатывается с наименьшим содержанием кислорода (около 0.18%), имеет высочайшую чистоту, лучшую коррозионную стойкость и формуемость. Однако общая механическая прочность самая низкая. С другой стороны, сорт 4 cp-Ti, который обрабатывается с наибольшим содержанием кислорода (около 0,4%), имеет самую высокую прочность и умеренную формуемость. Таким образом, из-за наивысшей продемонстрированной прочности большинство имплантатов Ti изготовлено из сплава титана Grade 4 cp-Ti.

изменение прочности и содержания кислорода в cp-Ti, адаптировано из [9]

Ti в качестве материала имплантата

Для замены отсутствующего зуба используется множество материалов, таких как кобальт-хром (Co-Cr, Vitallium) и нержавеющей стали, была предпринята попытка сделать имплант.Развитие материаловедения и технологий улучшило материалы для имплантации. В настоящее время Ti становится самым популярным материалом для имплантатов благодаря своим преимуществам.

На самом деле, титан широко и успешно используется в качестве материала для имплантатов, прежде всего благодаря различным факторам. Ti биологически инертен, способен связываться с остеобластами и обладает отличной биосовместимостью. Спонтанно образованный оксидный слой, то есть оксиды Ti (TiO _x ) в виде пленки, очень стабилен и может отделять объемный материал Ti от окружающей его среды.Таким образом, Ti обладает высокой способностью противостоять коррозии. Слой TiO _x обычно имеет толщину около 3–10 нм, который стабильно остается на поверхности Ti, а оксидная пленка на поверхности [11] может поглощать ионы кальция и фосфата и вызывать образование апатита в некотором количестве белка, то есть способствовать остеоинтеграции. . Однако этот слой оксидной пленки очень тонкий и легко разрушается. Таким образом, были предприняты различные попытки защитить покрытие TiO _x . Например, некоторые искусственные методы, такие как электрохимическое окисление [12], анодное окисление [13] и нагрев при атмосферном давлении [14] или в вакууме [15], предлагаются для утолщения оксидного слоя (но все же <10 нм) которые также могут предотвратить утечку ионов Ti, вызывающую денатурацию белка и некроз тканевых клеток [16].

Несмотря на то, что толщину TiO ₂ (<10 нм) можно было контролировать единообразно, в основном, в атмосферной среде, небольшая часть Ti и Ti-OH на поверхности будет химически реагировать (путем хемосорбции) с влагой воды, которая может выводить на поверхность слабосвязанную физадсорбированную воду. В состоянии многовалентного металла Ti (например, Ti ⁴⁺ ) вместе с физически адсорбированной водой, которая в процессе равновесия становится гидроксидом (OH ^— ) и ионами гидроксония (H ⁺ ), Ti легко образует Ti -ОЙ:

H ₂ O ↔ H ⁺ + OH ^—

(1)

Ti ⁴⁺ + 4OH ^— ↔ 4Ti — OH

(2)

Затем Ti-OH, вероятно, подвергнется дальнейшему гидролизу [17]:

Ti-OH + H ₂ O ↔ [Ti-O] ^— + H ₃ O ⁺

Ti — OH + H ₂ O ↔ [Ti − O] ^— + H ₃ O ⁺

(3)

Ti — OH + H ₂ O ↔ [Ti − OH ₂ ] ⁺ + OH ^—

(4)

Теоретически равновесная реакция по уравнению (3) приведет к образованию оксида Ti основного типа ([Ti-O] ^— ), который несет отрицательный заряд на поверхности, и кислотного типа [Ti-OH ₂ ] ⁺ несут положительный заряд для уравнения (4) [18].Исследования [19–21] показали, что изоэлектрическая точка (IEP) для этих оксидов Ti на поверхности находится в диапазоне от 5,0 до 6,7. Равновесные реакции. Уравнения (3) и (4) предполагают, что при кислом pH ниже, чем IEP, преобладающим видом оксида будет [Ti-OH ₂ ] ⁺ . Таким образом, методы обработки поверхности, такие как кислотное травление, могут не только сделать поверхность шероховатой, которая обеспечивает место для размещения отрицательно заряженных остеобластов [22], но также вызвать образование гидроксилированной формы оксида Ti [Ti-OH ₂ ] ⁺ , который является гидрофильным и документально подтвержден для повышения биологической активности [23].Таким образом, поддержание положительного кислого [Ti-OH ₂ ] ⁺ на поверхности Ti может быть хорошей стратегией для связывания Ti-остеобластов без добавления би-положительно заряженных факторов роста / белков [24].

Однако во время хранения и равновесной природы оксида слой нанооксида станет толще из-за времени и качества открытой атмосферы хранения [17]. В таком случае гидроксилированный оксид будет разбавлен и депротонирован, то есть образуется больше [Ti-O] ^—, и, таким образом, это повлияет на гидрофильность и наноструктуру.Следовательно, для поддержания уровня [Ti-OH ₂ ] ⁺ рекомендуется хранение в кислой среде, что может быть тактикой в ​​коммерческом продукте SLActive (Straumann, Базель, Швейцария), в котором используется подкисленный физиологический раствор (например, 0,9% NaCl, pH 4–6) для эффективного сохранения гидрофильности и наноструктуры [25].

В целом, титан является хорошим выбором для внутрикостных применений не только из-за биосовместимости, но также из-за того, что титан можно обрабатывать и обрабатывать механически быстро, так что формы и размеры можно легко контролировать.Тем не менее, одним из недостатков титана может быть эстетическая проблема, поскольку Ti имеет серый цвет, так что темный цвет будет виден через тонкую слизистую, если ситуация с мягкими тканями не является оптимальной. Ti также допустил некоторые другие недостатки, например низкая деформируемость и износостойкость, а также высокая реакционная способность с окружающими примесями (такими как кислород и азот) при повышенных температурах [26, 27]. Более того, доказано, что Ti высвобождает ионы Ti в физиологических условиях, так что присутствие цитрата и лактата увеличивает уровни Ti, а также способствует связыванию Ti и трансферрина [28].Другое исследование [29] показало, что указанное соединение, образованное между Ti, цитратом и трансферрином, было стабильным и нетоксичным. Однако это соединение транспортируется в организме через кровоток, снижает pH эндосомы и ослабляет целостность имплантата Ti. Все эти эффекты в долгосрочной перспективе неизвестны. Таким образом, следует соблюдать осторожность при использовании Ti для имплантации.

Одна из тактик — легирование Ti различными элементами — может стать жизнеспособным для улучшения некоторых из этих свойств, таких как повышение коррозионной стойкости, снижение модуля упругости и улучшение обрабатываемости.Это связано с тем, что свойства Ti-сплавов связаны с их соответствующими фазами / кристаллическими структурами, так что добавление некоторых легирующих элементов может стабилизировать определенные фазы. Кроме того, некоторые металлические подложки могут объединяться с этим оксидным слоем, чтобы предотвратить поглощение и разрушение покрытия [30, 31]. Таким образом, легирование титана может быть стратегией улучшения механических и других свойств [10].

Бинарные титановые сплавы

Обычно сплав можно в широком смысле определить как «смесь металла и другого элемента (элементов), который имеет металлический связывающий характер».В титане было предпринято множество попыток, таких как использование серебра (Ag), алюминия (Al), меди (Cu), железа (Fe), ванадия (V) и цинка (Zn), чтобы улучшить материал. .

Фактически, как упоминалось выше, титан имеет три формы: α, β и α-β. При добавлении легирующих элементов фазовый состав можно регулировать и, таким образом, изменять объемные свойства Ti-сплава. Например, Al действует как стабилизатор α-фазы, что может улучшить прочность и снизить вес сплава.V — стабилизатор β-фазы, который может улучшить пластичность и формуемость. Таким образом, путем добавления Al и V температура для α-фазового превращения в β-фазу также была изменена на диапазон, то есть как α-, так и β-фазы существуют в этом диапазоне температур. Наиболее часто используемый сплав Ti в дентальных имплантатах [7, 32] — это Ti – 6Al – 4V, также известный как титановый сплав Grade V, состоящий из 6 и 4% алюминия и ванадия, соответственно, вместе с добавлением максимального количества 0,25% железа и 0,2% кислорода. Остальной сплав — титан.По сравнению с cp-Ti, Ti – 6Al – 4V имеет превосходный предел текучести и усталостные свойства, отличную коррозионную стойкость и более низкий модуль упругости.

Ti – 6Al – 4V (также известный как титан Grade V) — один из наиболее часто используемых третичных титановых сплавов, который может использоваться в качестве биомедицинского имплантата. Как следует из символа, Ti – 6Al-4V состоит из 6 мас.% Алюминия и 4 мас.% Ванадия. В частности, сплав Ti – 6Al – 4V обладает более высокой прочностью, что позволяет использовать его в различных сферах, например, для фиксации стержней бедренных компонентов вместе со сплавом Co – Cr – Mo или Al ₂ O ₃ керамических шаровых головок. .Однако сплав Ti-6Al – 4 V имеет недостаток, заключающийся в низкой износостойкости [33], высоком модуле упругости [34] (примерно в 4–10 раз превышающем человеческую кость) и низкой прочности на сдвиг [35], что может ухудшить его использование в качестве имплант и как в винтовой форме. Такое явление называется «эффектом защиты от напряжений» [36], который возникает из-за несоответствия жесткости материала имплантата и окружающей кости. Долгосрочные исследования [37, 38] показали, что, когда передача нагрузки от искусственного имплантата недостаточна на соседнюю реконструирующуюся кость, может произойти резорбция кости, и в конечном итоге протез расшатывается.Поэтому было сочтено, что для улучшения ситуации необходима соответствующая обработка поверхности [33–35].

Несмотря на то, что сплав Ti – 6Al – 4V широко используется в качестве биоматериала имплантата, исследование [39] показало, что сплав может выделять ионы алюминия и ванадия [40]. В частности, ванадий проявляет высокую цитотоксичность [41], а алюминий может даже вызывать старческое слабоумие [41]. При этом вымываемые ионы металлов могут вызывать различные проблемы со здоровьем, такие как аллергические, цитотоксические эффекты и даже неврологические расстройства.Поскольку имплантат не устанавливается в организме в течение короткого времени, не следует недооценивать некоторые проблемы со здоровьем, такие как болезнь Альцгеймера, остеомаляция и периферическая невропатия, и следует осторожно выбирать использование сплавов для установки имплантата. Особое внимание следует уделять легированию титаном.

Таким образом, для успешного использования новых материалов в стоматологии ведется постоянная разработка новых сплавов на основе Ti с идеальными свойствами, например без каких-либо токсических эффектов, желательно.Таким образом, некоторые другие сплавы, особенно бинарные Ti-сплавы, такие как Ti – Nb [42–44], Ti – Ag [45, 46], Ti – Au [47], Ti – Mn [48], Ti – Cr [49] , 50], Ti – Mo [51], Ti – Sn [52], Ti – Zr [53–55], Ti – Co [56], Ti – Pd [57] и Ti – Cu [58]). . Технология обработки и химический состав этих Ti-сплавов будут влиять на их микроструктуру и, следовательно, на механические свойства. В следующих разделах кратко представлены, обсуждены и описаны несколько бинарных Ti-сплавов.

Ti – Zr

Цирконий (Zr) является нейтральным элементом при растворении в Ti.Цирконий относится к группе 4 (согласно новому названию IUPAC) в периодической таблице, которая совпадает с титаном и гафнием, имеет аналогичную химическую структуру и свойства. Таким образом, они были признаны нетоксичными и неаллергенными. Цирконий — переходный металл с атомным номером 40 и атомной массой 91,22 а.е.м. Цирконий, как серовато-белый блестящий металл, имеет чрезвычайно высокие температуры плавления (1857 ° C) и кипения (4409 ° C). Цирконий имеет высокую коррозионную стойкость, аналогичную титану, и, следовательно, обладает высокой биосовместимостью [59], поскольку обе металлические поверхности образуют стабильный оксидный слой на своей поверхности в течение наносекунд при воздействии кислорода.Таким образом, окисление пассивирует материалы. Однако цирконий нельзя было использовать в стоматологии в чистом виде.

Начиная с 1990-х годов, оксидная форма циркония, диоксид циркония (ZrO ₂ ), начал использоваться в стоматологии благодаря своей биосовместимости и способности к остеоинтеграции [60]. Диоксид циркония — это «керамический» биоматериал, который широко используется в качестве материалов для коронок, наполнителей для композитных материалов и винтовых креплений имплантатов. Очень подробный и хороший обзор был изучен Miyazaki et al. [61]. Несмотря на то, что в 1970-х годах процесс производства диоксида циркония стал полностью управляемым, для того чтобы диоксид циркония можно было использовать в стоматологии, материалы должны быть изготовлены с помощью множества различных этапов, таких как прокаливание соединений циркония, чтобы использовать его высокую термическую стабильность [62]. Однако процесс производства стоматологического диоксида циркония очень строг и варьируется для каждой компании. Конечный продукт может иметь различный химический состав. Более того, компании намеренно не предоставили обширную информацию о материалах и характеристиках поверхности диоксида циркония.Таким образом, всегда возникают трудности с оценкой коммерческих продуктов. Например, в Ho et al. [63] упомянул, что диоксид циркония китайского производства не может быть полностью спечен и может дать неожиданный результат прочности связи. Поэтому необходим тщательный выбор диоксида циркония.

В обширной обзорной статье [64] было высказано предположение, что циркониевые [sic] имплантаты имели более низкую степень остеоинтеграции, чем титановые аналоги, при использовании тестов крутящего момента при удалении, и, возможно, некоторые модификации поверхности могли бы реструктурировать имплант, что позволило бы получить значения крутящего момента при удалении, сопоставимые с титановые имплантаты.Хотя значения крутящего момента при снятии действительно сильно зависят исключительно от структуры поверхности (с точки зрения механической фиксации и биологического взаимодействия), чем от самого материала имплантата [65], атомная структурная компоновка позволяет выполнять крутящий момент в металлических сплавах лучше, чем в керамике. Причина использования имплантата из диоксида циркония просто связана с улучшением эстетических качеств реставрации зубов. Таким образом, разработка Ti-сплавов все еще жизнеспособна и активна.

Бинарная фазовая диаграмма между титаном и цирконием представляет собой сплошной твердый раствор.Действительно, температура плавления Ti (1670 ° C) понижается за счет увеличения количества Zr (∼1640 и 1560 ° C для 10 и 40 мас.% Zr соответственно) независимо от α-Ti или β-Ti. Таким образом, процесс литья можно было легко упростить. Кроме того, исходя из знаний о литье титана [66], снижение температуры плавления Ti может снизить его кислородную реакционную способность и, таким образом, снизить риск неадекватного заполнения формы. Следовательно, рассогласование температур между горячим расплавленным сплавом и гораздо более холодными паковочными материалами может быть меньше.Таким образом, может быть получена меньшая пористость.

Недавно из-за их хорошей коррозионной стойкости и биосовместимости были разработаны бинарные сплавы Ti – Zr для стоматологического применения [67–69], которые, как утверждается, сопоставимы с cp-Ti. Wen et al. [70] продемонстрировал, что сплав Ti-Zr обладает уникальными комбинаторными свойствами биоактивности, биосовместимости и механики, что имеет высокий потенциал в биомедицинских приложениях. Кроме того, сплав Ti-Zr может значительно улучшить адгезию остеобластов [71], который в настоящее время продается как Roxolid (Straumann, Базель, Швейцария).Поэтому легирование титана цирконием целесообразно.

Кобаяши и др. [72] исследовал некоторые свойства (твердость, предел прочности и кристалличность с помощью оптической микроскопии) бинарных сплавов Ti-Zr. Их результаты показали, что для Ti-Zr с содержанием Zr до 50 мас.% Твердость и предел прочности всех сплавов были выше, чем у cp-Ti и чистого циркония. Они указали, что сплав Ti-Zr может быть полезен в биомедицине в качестве материала основного сплава. Действительно, Ho et al. [73] заявили о разработке экспериментального сплава Ti-10Zr, который имеет более высокую твердость и лучшую шлифуемость, чем нелегированный титан, но затем они подвергли самокритике экспериментальный сплав Ti-Zr, имеющий недостаточную прочность и свойства упругого восстановления (т.е. упругого возврата) для стоматологические приложения. Следовательно, обработка сплава Ti-Zr может быть проблемой.

Ti – In

В течение долгого времени индий (In) использовался в сплавах из фарфора (PFM) на основе Pd и Ag.Фактически, в процессе обжига фарфора на поверхности металла будет образовываться пленка оксида индия, которая может служить «связующим агентом» между металлом и фарфором [74, 75]. Кроме того, тесты на цитотоксичность показали, что стоматологические сплавы, содержащие индий, безопасны. Поэтому использование индия в качестве легирующего элемента для улучшения сплава с целью улучшения клинических характеристик cp-Ti считается разумным.

Несколько исследований экспериментальных сплавов Ti-In показали, что сплавы Ti-In являются биосовместимыми.Кроме того, добавление индия к Ti может улучшить клинические характеристики с точки зрения механических свойств, коррозионной стойкости и биосовместимости [76] дентального имплантата. Согласно исследованию, касающемуся сплава Ti – In – Nb – Ta, подвергнутого щелочной термообработке, анализ поверхности показал, что сплав обладает хорошей биологической активностью [77].

Для бинарных сплавов Ti-In Ван [78] обнаружил, что плотности тока пассивации в растворах искусственной слюны для сплавов Ti – In и cp – Ti имеют одинаковый порядок величины.Кроме того, Ti-10In и Ti-15In (10 и 15 обозначают соответствующие мас.% Индия) показали транспассивное поведение и более низкие плотности тока при высоких потенциалах в присутствии NaF. Han et al. [79] показал, что сплавы Ti-In (5–20 мас.% In) не только демонстрируют коррозионную стойкость, аналогичную cp-Ti по электрохимии, но даже более высокую стойкость к окислению по сравнению с cp-Ti были обнаружены в сплавах Ti-In. . Следовательно, сплавы Ti-In могут давать хорошую или лучшую коррозионную стойкость, как cp-Ti.

Han et al. [79] дополнительно изучил коррозионное поведение, механические свойства и микроструктуру бинарных сплавов Ti-In, что подтверждается другим исследованием Wang et al. [78], что прочность и микротвердость сплавов повышены. Кроме того, в экспериментальных сплавах Ti – In и cp-Ti Ванга [78] показали хорошую и аналогичную цитосовместимость. Следовательно, сплавление индия с титаном было эффективным для создания нового сплава, который мог бы иметь лучшие механические свойства без ущерба для его коррозионных свойств и цитосовместимости.

Ti – Ag

Oh et al. [45] сообщил, что сплавы Ti-Ag обладают более высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью, чем Ti. Они также сообщили, что токсичность сплава Ti-Ag аналогична токсичности cp-Ti. Zhang et al. [46] подтвердил это, используя тест in vitro на цитотоксичность , который показал, что сплавы Ti-Ag и сплавы cp-Ti кажутся цитосовместимыми друг с другом. Они рекомендуют, чтобы для стоматологического применения Ti-5Ag и Ti-20Ag могли быть более подходящими с точки зрения поверхностной пассивной пленки и точки зрения цитотоксичности.

Ti – Cu

Медь давно используется в качестве сплавов для стоматологического литья. Исследование [80] показало, что бинарный сплав Ti – Cu имеет эвтектоидную структуру при 7,0 мас.%, Так что в богатой титаном области была обнаружена промежуточная фаза Ti ₂ Cu. Таким образом, ожидалось, что сплавы Ti – Cu, которые имеют состав, близкий к эвтектоидному, будут иметь более высокую прочность и меньшую пластичность, чем cp-Ti.

Исследования [80, 81] показали, что некоторые сплавы Ti – Cu могут иметь лучшие механические свойства, чем cp-Ti.Фактически, это можно объяснить различными факторами: (i) твердый раствор упрочняет титан и (ii) мелкое осаждение интерметаллических соединений, которые могут быть похожи на зубную амальгаму серебра [6]! Несмотря на то, что исследование [80] показало, что экспериментальные сплавы Ti – Cu (до 10,0% меди) увеличивают как предел текучести, так и предел прочности на разрыв, но снижают пластичность, прочность сплавов Ti – 20Ag и Ti – 5Cu была в 1,6–2 раза выше, чем cp-Ti.

Более того, с точки зрения шлифуемости некоторые сплавы Ti – Cu и Ti – Ag показали лучший результат, чем cp-Ti [47, 82].При более высоких скоростях шлифования некоторые Ti-сплавы с 5 и 10% Cu и 20% Ag показали значительно более высокую шлифовальную способность и даже в 2,6 раза более высокую скорость шлифования, чем cp-Ti. Другой отчет [83] также продемонстрировал, что эти титановые сплавы обладают превосходной коррозионной стойкостью, аналогичной cp-Ti. Таким образом, прочность и технологичность этих сплавов могут соответствовать требованиям, предъявляемым к частичным протезам, кламмерам и зубным мостам.

Ti – Au

Золото (Au) долгое время в основном использовалось для зубных протезов в стоматологии, особенно для литья, поскольку золото обладает хорошей коррозионной стойкостью, подходящей температурой плавления и может достигать соответствующих механических свойств за счет легирования [ 51].Золото само по себе принадлежит к группе 11 периодической таблицы, так же, как серебро и медь. Золото, подобно серебру и меди, стабилизирует β-фазу титана до более низкой температуры, согласно диаграммам состояния бинарного равновесия.

Согласно фазовой диаграмме, как и сплавы Ti-Cu и Ti-Ag, сплав Ti-Au имеет точку эвтектоида с титаном. При содержании золота 15,3% образуется интерметаллид Ti ₃ Au. Следовательно, можно ожидать, что золото как легирующий элемент для титана положительно повлияет на механические свойства и шлифуемость титана, как серебро и медь.

Hwang et al. [84] обнаружил, что сплав Ti – 10Au показал наименьшее значение при испытании плотности тока гальванической коррозии, то есть с очень меньшей вероятностью коррозии. Действительно, для изучения эффектов гальванической коррозии пассивных поверхностных слоев на сплавах Ti-Au использовались электрохимические методы. Результаты спектрального анализа импеданса показали, что пассивные слои сплава Ti – Au состоят из дефектного металла, внутреннего, промежуточного и внешнего слоев. Первоначальная гальваническая коррозия была вызвана внешним слоем сплавов Ti – Au.Если образуется тонкий и пористый поверхностный слой, тогда начальная плотность тока гальванической коррозии будет уменьшена, и наоборот. Таким образом, Ti-Au имеет самую низкую плотность тока гальванической коррозии, что означает, что был сформирован только тонкий и пористый самый внешний слой, и, следовательно, была обнаружена наименьшая коррозия.

Ti – Pd

Moser et al. [85] сообщил, что сплавы Pd-Ti обладают адекватной коррозионной стойкостью и механическими свойствами, например твердость. Следовательно, его можно использовать в качестве сплава для зубного протезирования.Кроме того, Nakagawa et al. [86] использовал анодные поляризационные кривые и экспериментальные методы потенциалов коррозии для испытания сплавов Ti – Pd (0,1–2 мас.% Pd) в искусственной слюне, содержащей 0,2% NaF, и сообщил, что сплавы Ti-Pd обладают хорошей коррозионной стойкостью. Rosalbino et al. [87] использовал метод анализа импеданса для проверки электрохимической коррозии некоторых бинарных сплавов Ti ( около 1 ат.% Ag, Au, Pd и Pt) по сравнению с коммерческим Ti-6Al-7Nb во фторированном искусственном слюна.Takahashi et al. [81, 88] также сообщил о коррозионных свойствах в растворе 0,9 мас.% NaCl и 1 мас.% Молочной кислоты путем оценки микроструктуры сплавов Ti – Ag и Ti – Au с использованием метода потенциодинамической поляризации. Из всех вышеперечисленных исследований можно сделать вывод, что титан, легированный элементами из благородных металлов, может выдержать и выжить в условиях искусственной коррозии. Таким образом, сплавы благородных металлов Ti могут демонстрировать потенциальные преимущества: (i) биосовместимости, (ii) коррозионной стойкости и (iii) приемлемых температур литья для зубных протезов из PFM.

Ti – Nb

Ли и др. [42] изучал коррозионное поведение, механические свойства и микроструктуру некоторых бинарных сплавов Ti – Nb (до 35 мас.% Nb). Все сплавы Ti – Nb показали отличную стойкость к коррозии. В другом исследовании Kikuchi et al. [43], они исследовали механические свойства и шлифуемость зубного литья из сплавов Ti-Nb. Они обнаружили, что твердость, предел текучести и предел прочности на разрыв у сплавов Ti – Nb (Nb> 10%) будет значительно выше, чем у cp-Ti, в то время как предел прочности на разрыв был значительно ниже.Только сплав Ti – 30% Nb, возможно, из-за осаждения, показал значительно лучшую шлифовальную способность при низкой скорости шлифования с более высокими твердостью, прочностью и модулем Юнга, чем cp-Ti.

Ti – Mn

Марганец (Mn) является одним из микроэлементов, которые могут быть обнаружены в организме человека, который имеет более низкую токсичность, чем Al и V. Mn может быть добавлен к трикальцийфосфату путем допирования и стать биокерамикой, которая показал хорошую совместимость клеток [89]. В недавнем исследовании сплавы Ti-Mn, спеченные плазменной искрой, продемонстрировали усиление адгезии ячеек [90].Аналогичным образом, используя аналогичную технику, Zhang et al. [48] исследовал микроструктуру, механические свойства и цитотоксичность экспериментальных сплавов Ti – Mn по сравнению с металлами cp-Ti и Mn. Соответственно, были приготовлены сплавы Ti – 8Mn и Ti – 12Mn, и они обнаружили, что легирование Mn в Ti может значительно повысить твердость и относительную плотность сплавов Ti, а также снизить температуру фазового превращения из α в β. Кроме того, сплав Ti – 8Mn продемонстрировал 86% жизнеспособности ячеек, сравнимую с таковой у cp-Ti (93%).Таким образом, Mn может быть хорошим легирующим элементом для изготовления биомедицинского сплава Ti, например, для использования в качестве заменителей кости и зубных имплантатов.

Ti – Cr

Хром (Cr) хорошо известен в стоматологии благодаря применению Co – Cr, которое может контролировать анодную активность сплава и пассивировать Ti [49]. Takemoto et al. [91] сообщил, что в условиях солевого раствора с F ^— сплав Ti – 20Cr имел более высокую коррозионную стойкость, чем cp-Ti. Кроме того, согласно фазовой диаграмме, легирование Ti с высоким содержанием Cr (46%) может снизить температуру ликвидуса с высокой точки плавления cp-Ti (1670 ° C) до минимума (1410 ° C), аналогично Ti– Zr, как обсуждалось ранее.

Hsu et al. [49] сообщил, что содержание Cr в структуре будет сильно влиять на сплавы Ti – Cr. Литой cp-Ti имеет гексагональную α-фазу. Метастабильная β-фаза будет сохраняться с 5 мас.% Cr, а равноосная β-фаза будет почти полностью сохраняться, когда содержание Cr выше 10 мас.%. Атермальная ω-фаза также была обнаружена в сплаве Ti – Cr с содержанием Cr> 5 мас.%. Наибольшее количество ω-фазы, самая высокая микротвердость и лучшая шлифуемость были обнаружены в хрупком сплаве Ti – 10Cr, поскольку ω-фаза обнаружена в β-матрице.

Ho et al. [50] исследовали литые сплавы Ti – Cr с 5-30 мас.% Cr. В частности, что касается различных количеств Cr, эти сплавы, очевидно, ведут себя очень по-разному при деформации. Например, сплав Ti – 20Cr имеет такую ​​же прочность на изгиб, что и сплав Ti – 10Cr, который примерно в 1,8 раза выше, чем cp-Ti. Это могло быть связано с эффектом упрочнения со стороны ω-фазы. Ho et al. также изучил фрактографию образца, и фрактограммы SEM показали, что сплав Ti – 10Cr имеет: (i) крупные грани скола на поверхности излома; и (ii) некоторая морфология террасного типа.Кроме того, Ti – 20Cr показал свою пластичность, так что он имеет даже на 460% большую способность к упругому восстановлению, чем cp-Ti, тогда как другие составы сплавов Ti – Cr не проявляют таких свойств. Как показано на их нетравленных оптических микрофотографиях, на поверхности сплава Ti – 20Cr наблюдалось большое количество полос скольжения. При этом дислокации скольжения являются причиной деформации сплава Ti – 20Cr. Следовательно, если сплавы Ti – Cr необходимо использовать для протезирования зубов, многие свойства, такие как механические свойства и поведение при деформации, должны быть дополнительно изучены.

Ti – Mo

Согласно Bania [92] и Ho et al. [51], для стабилизации β-фазы сплава Ti-Mo при комнатной температуре требуется минимум 10 мас.% Изоморфного β-стабилизирующего элемента. Ниже этого процента сплав состоит из мартенситной фазы α ″, которая имеет более низкую твердость, чем β-Ti-Mo. Ti – 10Mo показал самую высокую прочность на изгиб, а Ti – 15Mo имеет самый низкий модуль упругости среди β-Ti-Mo [51] и даже ниже, чем у других сплавов, таких как Ti – 6Al – 4V, Ti – 6Al – 7Nb. и нержавеющая сталь 316 L, и cp-Ti класса IV [93], благодаря мелкозернистой ОЦК-структуре.Утверждалось, что такой сплав лучше обрабатывается [51]. Действительно, такой метастабильный сплав Ti – 15Mo с β-фазой, производимый методом быстрой закалки, был продан компанией Synthes USA для ортопедических имплантатов. Однако необходим тщательный выбор концентрации, поскольку наличие ω-фазы [94] при низкой концентрации Мо (<15%) может иметь низкотемпературное ω → α-превращение и, таким образом, влиять на прочность материалов.

Ti – Sn

Ti – Sn не токсичен и не вызывает аллергии [95].Таким образом, олово (Sn) является легирующим элементом, который безопасно использовать с Ti. Кроме того, Sn может также упрочнять сплавы Ti [96], так что бинарные сплавы Ti – Sn продемонстрировали некоторые благоприятные механические свойства, которые можно использовать в качестве металла для стоматологического литья [52]. Например, экспериментальные результаты показали, что все сплавы Ti – Sn, содержащие 1–30 мас.% Sn, имеют ГПУ α-структуру. Увеличение содержания Sn может увеличить твердость по Виккерсу (H _V ) сплавов Ti – Sn, например 30 мас.% Sn показали высокое значение твердости 357 H _V .Чтобы проиллюстрировать технологичность CAD / CAM, также была изучена шлифуемость сплавов [52]. Фактически, добавление Sn к cp-Ti будет способствовать улучшению измельчаемости сплавов Ti-Sn, так что более высокая концентрация Sn может быть легче измельчена, например Ti – 30Sn имел степень измельчения в 3,4 раза выше, чем cp-Ti, при скорости измельчения 1200 м / мин. Однако шлифуемость каждого металла или сплава фактически во многом зависела от условий шлифования. Таким образом, необходима тщательная интерпретация экспериментальных данных.

Ti – Co

Кобальт (Co) — широко распространенный биосовместимый элемент [97, 98), который широко используется в стоматологии, например, сплав на основе Co – Cr. Согласно фазовой диаграмме Ti – Co, при его эвтектическом или почти эвтектическом составе, интервал плавления сплава может быть значительно снижен. Таким образом, Ti – Co с низким интервалом плавления [56] может иметь хорошее применение в стоматологии, особенно для основного сплава, который может иметь хорошие литейные качества и меньшее количество реакций металл-форма. Исследование [56] продемонстрировало, что, по сравнению с обычными сплавами для стоматологического литья, экспериментальный сплав Ti – 12Co имеет такие же механические свойства, как и литье, и значительное улучшение прочности на разрыв было обнаружено после термообработки после литья при> 1000 ° C. так как образование хрупких интерметаллидов было сведено к минимуму.Следовательно, Ti – Co будет хорошим кандидатом на замену базовых сплавов с лучшей технологичностью.

Ti – Ge и Ti – Ga

Lin et al. [99] изучил литые сплавы Ti-Ge с содержанием германия от 2 до 20 мас.% И пришел к выводу, что 2 и 5 мас.% Имеют самый высокий потенциал для стоматологического использования благодаря отсутствию токсичности, хорошим механическим характеристикам, стойкости к химической коррозии и хорошей устойчивости. технологичность. Аналогичным образом, из той же группы авторов Qiu et al. [100] сообщил, что сплавы Ti – Ga с 2 и 5 мас.% Галлия показали хороший потенциал для стоматологического использования по тем же причинам.Следует отметить, что оба исследования не раскрывают температуру обработки. Согласно фазовой диаграмме Ti – Ge [101], в присутствии α-Ti температура обработки должна быть <882 ° C и> 95,9 ат.% Ti. Управление таким процессом очень чувствительно к технике, в противном случае интерметаллические соединения, такие как Ti ₆ Ge ₅ и впоследствии TiGe ₂ , будут предпочтительно зародышеобразоваться и кристаллизоваться [102]. Для Ti – Ga, поскольку галлий — жидкий металл с чрезвычайно низкой температурой плавления (29.77 ° C), поэтому температура обработки может быть низкой. Фактически, оба исследования выявили возможность похудания не только после хранения из искусственной слюны, но и на открытом воздухе. Также были обнаружены утечки Ga или Ge. Кроме того, было показано, что галлий гальванически взаимодействует с Ti [103], т. Е. Происходит коррозия. Следовательно, использование этих двух сплавов в настоящий момент может оказаться нежизнеспособным.

3d переходные металлы | Безграничная химия

Титан, хром и марганец

Титан, хром и марганец — это 3d-переходные металлы, которые используются для придания стали коррозионной стойкости, долговечности и легкости.

Цели обучения

Напомним полезные физические характеристики, которые титан, хром и марганец придают при легировании стали.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Двумя наиболее полезными свойствами титана являются его устойчивость к коррозии и высокое отношение прочности к весу.
• Металлический хром очень ценен благодаря своей высокой коррозионной стойкости и твердости.
• Марганец — металл, который широко используется в промышленных сплавах, особенно в нержавеющих сталях.

Ключевые термины

• нержавеющая сталь : сплав железа и хрома, устойчивый к коррозии.
• титан : прочный, коррозионно-стойкий переходный металл с атомным номером 22.

Титан, хром и марганец — это переходные металлы, которые используются во многих сплавах железа для производства коррозионно-стойкой, прочной и легкой стали.

Титан

Титан — прочный блестящий переходный металл.Он имеет низкую плотность, устойчив к коррозии и имеет серебристый цвет. Титан был обнаружен в Корнуолле, Великобритания, в 1791 году Уильямом Грегором. Он был назван Мартином Генрихом Клапротом в честь титанов греческой мифологии.

Титановый стержень : Титан — один из наименее плотных, прочных и устойчивых к коррозии элементов. Он имеет множество применений, особенно в сплавах с другими элементами, такими как железо. Титан обычно используется в самолетах, клюшках для гольфа и других объектах, которые должны быть прочными, но легкими.

Титан может быть легирован железом, алюминием, ванадием, молибденом и некоторыми другими элементами для производства прочных и легких сплавов, которые используются в различных отраслях промышленности, в том числе:

• аэрокосмическое строительство (реактивные двигатели, ракеты и космические аппараты)
• военная разработка
• промышленный процесс (химикаты и нефтехимия, опреснительные установки, целлюлоза и бумага)
• автомобильная промышленность
• сельское хозяйство и пищевая промышленность
• протезы медицинские
• имплантаты ортопедические
• стоматологические и эндодонтические инструменты
• зубные имплантаты
• спортивные товары
• ювелирные изделия
• мобильных телефонов

Металлический титан обладает двумя очень важными и полезными свойствами: он устойчив к коррозии и имеет самое высокое отношение прочности к весу среди всех металлов.В нелегированном состоянии титан такой же прочный, как и некоторые стали, но на 45% легче.

Хром

Хром — стально-серый, блестящий, твердый металл, который требует полировки и имеет высокую температуру плавления. Он без запаха, вкуса и податливости. Название элемента происходит от греческого слова «chrōma» (χ), означающего цвет, потому что многие из его соединений сильно окрашены.

Хром : Хром, как титан и ванадий до него, чрезвычайно устойчив к коррозии и действительно является одним из основных компонентов нержавеющей стали.Хром также имеет много красочных соединений и очень часто используется в пигментах, таких как хромовый зеленый.

Оксид хрома использовался китайцами во времена династии Цинь более 2000 лет назад для покрытия металлического оружия. Оружие, покрытое оксидом хрома, было обнаружено Терракотовой армией. Хром был открыт как элемент после 1761 года, когда он был обнаружен в красном кристаллическом минерале крокоите (хромат свинца (II)). Первоначально он использовался как пигмент.

Луи Николя Воклен в 1797 году первым выделил металлический хром из этого минерала крокоита.После этого первого открытия небольшие количества самородного (свободного) металлического хрома были обнаружены в редких минералах, но они не используются в коммерческих целях. Почти весь коммерчески извлекаемый хром производится из единственной коммерчески жизнеспособной руды, хромита, который также известен как оксид железа и хрома (FeCr ₂ O ₄ ). Хромит также является основным источником хрома, который используется в пигментах.

Крокоит : Крокоит — это минерал, образованный из хромата свинца (PbCrO ₄ ), соединения хрома.

Металлический хром оказался очень ценным благодаря своей высокой коррозионной стойкости и твердости, особенно когда сталь сочетается с металлическим хромом для образования нержавеющей стали. Нержавеющая сталь обладает высокой устойчивостью к коррозии и обесцвечиванию. Это применение, наряду с хромированием (гальваника хромом), в настоящее время составляет 85% коммерческого использования элемента. Остальные 15% составляют другие области применения соединений хрома.

Марганец

Марганец содержится в природе как свободный элемент (часто в сочетании с железом), а также содержится во многих минералах.Это металл, который широко используется в промышленности, особенно в производстве нержавеющих сталей.

Марганец : Марганец, как и предшествующий ему хром, является важным компонентом нержавеющей стали, предотвращающим ржавление железа. Марганец часто используется в пигментах, опять же, как хром. Марганец также ядовит; если вдыхать достаточно, это может вызвать необратимые неврологические нарушения.

Исторически марганец был назван в честь различных черных минералов (таких как пиролюзит), которые были обнаружены в том же регионе Магнезии в Греции.К середине 18 ^-го века шведский химик Карл Вильгельм Шееле использовал пиролюзит для получения хлора. Шееле и другие знали, что пиролюзит (теперь известный как диоксид марганца) содержит новый элемент, но они не смогли его выделить. Йохан Готлиб Ган был первым, кто выделил нечистый образец металлического марганца в 1774 году, восстановив диоксид углерода углеродом.

Фосфатирование марганцем используется для обработки стали от ржавчины и коррозии. В зависимости от степени окисления ионы марганца имеют различный цвет и используются в промышленности в качестве пигментов.Диоксид марганца используется в качестве материала катода (акцептора электронов) в углеродно-цинковых и щелочных батареях.

В биологии ионы марганца (II) действуют как кофакторы для большого количества ферментов, выполняющих множество функций. Ферменты марганца особенно важны для детоксикации супероксидных свободных радикалов в организмах, которые должны иметь дело с элементарным кислородом. Марганец также участвует в синтезирующем кислород комплексе фотосинтезирующих растений. Элемент является необходимым микроэлементом для всех известных живых организмов.При вдыхании в больших количествах марганец может вызвать у млекопитающих ядовитый синдром с неврологическими повреждениями, которые иногда необратимы.

Железо, кобальт, медь, никель и цинк

Кобальт, никель, медь и цинк — это 3d-орбитальные переходные металлы с множеством свойств.

Цели обучения

Вспомните характеристики кобальта, меди, никеля и цинка в их элементарных состояниях и в сочетании в сплавах.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Медь является наиболее часто используемым в чеканке металлом благодаря своим электрическим свойствам, большому количеству (в отличие от серебра и золота) и привлекательности ее сплавов — латуни и бронзы.
• Цинк используется в сплавах с медью для создания более твердого металла, известного как латунь.
• При гальванике цинк покрывает железо путем окисления, образуя защитный слой оксида цинка (ZnO), который защищает железо от ржавчины.
• Кобальт и никель — микроэлементы со свойствами, близкими к железу.

Ключевые термины

• медь : Красновато-коричневый, податливый, пластичный металлический элемент с высокой электрической и теплопроводностью. Его символ — Cu, а его атомный номер — 29.
• латунь : металлический сплав меди и цинка, используемый во многих промышленных и сантехнических приложениях.
• бронза : Природный или искусственный сплав меди, обычно с оловом, но также с одним или несколькими другими металлами.

Медь

Медь является членом семейства металлов, известных как «чеканные металлы», в которое входят медь, серебро, золото и рентгений. Из-за своей мягкости из металла для чеканки легко превращаются в монеты. Их сравнительная редкость и привлекательность, а также их устойчивость к коррозии делают их компактными хранилищами богатства.Однако чистая медь слишком мягкая, чтобы иметь структурную ценность, а медные сплавы с цинком и оловом позволяют образовывать более твердые латуни и бронзы. Латунь и бронза были важными компонентами самых ранних металлических инструментов.

Медные трубы : Медь широко используется во многих областях, включая медные трубы.

Медь является наиболее широко используемым металлом для чеканки монет из-за ее электрических свойств, большого количества (по сравнению с серебром и золотом), а также свойств латуни и бронзовых сплавов.Пока алюминий не стал обычным явлением, медь по производству металлов занимала второе место после железа. Медь легко узнать по красноватому цвету.

Медь окисляется — с некоторыми трудностями — до состояния +1 в галогенидах и оксиде и до состояния +2 в солях, таких как сульфат меди CuSO ₄ . Растворимые соединения меди легко идентифицировать по их характерному сине-зеленому цвету.

цинк

Цинковая монета : Цинк — важный микроэлемент для живых существ.Обладает бактерицидными свойствами и в больших количествах токсичен. Цинковые монеты нельзя глотать.

Семейство цинков состоит из цинка, кадмия, ртути и коперника. Цинк и кадмий — мягкие металлы, которые легко окисляются до степени окисления +2. Ни один из этих двух металлов не кажется несоединенным в природе. Цинк используется в сплавах с медью для создания более твердого металла, известного как латунь. При гальванике цинк покрывает железо путем окисления, образуя защитный слой оксида цинка (ZnO), который защищает железо от окисления.Оксид цинка намного безопаснее оксида свинца, и его часто используют в белой краске. С 1982 года цинк был основным металлом, используемым в американских монетах. Теперь он используется в новых органных трубах.

Кобальт : Как и никель, кобальт в земной коре находится только в химически комбинированной форме, за исключением небольших отложений, обнаруженных в сплавах природного метеоритного железа. Свободный элемент, полученный восстановительной плавкой, представляет собой твердый блестящий серебристо-серый металл.

Цинк является важным микроэлементом для живых существ и обладает некоторыми бактерицидными свойствами, но в больших количествах может быть токсичным.