与钛相关的性质文档格式.docx
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17.5
10.0
81.5
2006
24
28
17.3
14.0
97.3
从表1-16可以看出，目前世界钛材加工生产大国主要是美国和日本，其产量约占世界钛材总量的70%，其次是俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦等独联体国家。
随着钛冶金技术的不断发展和完善，生产成本的逐渐下降，如果采用新方法、新工艺使钛及钛合金的价格降到比不锈钢贵得不多，其世界年产量和年用量有可能增加到50万吨甚至上百万吨。
目前钛价是不锈钢的6~8倍，如果降到不锈钢的2~4倍，由于钛的优良性能及使用寿命长，就会有广大的用户和广阔的市场。
作为一种理想的金属材料，可以预计，崛起的“第三金属”在本世纪将有飞速的发展。
2钛及其重要化合物的性质
2.钛的性质
钛是元素周期表中第四周期的副族元素，即IVB族元素。
钛、锆、铪组成钛副族，因此，它们在性质上有许多相似之处，如原子的外电子层构型相同（都为d2s2），原子半径相近，化学性质相似，彼此可形成无限固溶体等。
钛与相邻IIIB族的钪、钇和VB族的钒、铌、钽，因原子最外层电子数相同，只是次外层电子数不同，性质上也有某些近似之处，钛也可与这些元素形成无限固溶体。
在自然界产出的钛矿物中，也经常伴生有这些元素。
致密金属钛呈银白色，外观似不锈钢；
钛粉呈深灰色。
其原子的电子构型为1s22s22p63s23p63d24s2。
钛的熔点高、密度小（只有钢的57%）、强度大（等于钢）、易加工成形，且具优异的耐腐蚀性能。
因而是一种很有应用价值的金属。
金属钛的物理性质和热力学性质
钛的物理性质和热力学性质如表2-1所示
。
化学性质
在较高温度下，钛可与许多元素和化合物发生反应。
图2-1表示钛与周期表中元素相互作用的情况。
由图可见，可分为五种情况：
第一种情况，钛与同族元素锆、铪在所有浓度和温度范围内都生成无限固溶体（形成Ti-Zr、Ti-Hf合金）；
第二种情况，邻族元素钪、钒、铌、钽、铬、钼、钨、铀与β-Ti形成无限固溶体，但与α-Ti形成有限固溶体（形成Ti-Sc、Ti-V、Ti-Nb、Ti-Ta、Ti-Cr、Ti-Mo、Ti-W、Ti-U合金）；
第三种情况，钛与锰、铁、钴、镍、铝、锡、镓、硼、硅、铜、铋、锕、钍、氢、氮、碳等形成有限固溶体和化合物（形成Ti-Mn、Ti-Fe、Ti-Co……等二元系合金）；
第四种情况，钛与卤素和硫、硒、碲等氧族元素形成离子化合物。
在工业生产中，TiCl4是镁（及钠）热还原制钛的原料，TiI4是热离解法制高纯钛的原料。
第五种情况，钛与惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（钪除外）和镤等不发生相互作用（正因为钛不与惰性气体反应，在金属热还原法制钛时，氩被用作保护气氛；
而钠、镁用作还原剂，将钛从TiCl4中还原出来，获得金属钛）。
钛在最重要、最稳定的化合物中呈四价。
钛是变价元素，它易形成三价和二价的化合物。
一价的钛化合物大多不稳定。
在-196至+500℃温度范围内，钛在空气中具有很高的抗腐蚀能力。
当加热到400~500℃时，钛表面形成一层化学稳定性很高的氧化物-氮化物保护膜，膜结构与钛相似，能紧密
表2-1金属钛的物理性质和热力学性质[1,35-38]
原子序数
国际相对原子质量
稳定同位素的相对原子质量
原子半径/nm
摩尔原子体积
/m3•kgmol-1
晶体结构：
α-Ti（<
882.5℃）
β-Ti（>
882.5℃）
晶格参数/nm：
α-Ti
β-Ti
晶型转变温度/℃
（α-Ti→β-Ti）
相变热/kJ•mol-1
相变体积增量/%
密度/g•cm-3：
α-Ti（25℃）
β-Ti（885℃）
（1000℃）
液体钛（1668℃）
可压缩性/cm2•kg-1
熔点/℃
熔化潜热/kJ•mol-1
沸点/℃
蒸发潜热/kJ•mol-1
升华潜热/kJ•mol-1
电子输出功/eV
超导临界温度/K
导磁率/H•m-1
磁化率/电磁系单位•g-1
>
200K
α-Ti（20℃）
β-Ti（900℃）
47,88
46,47,48,49,50
0.145
10.8×
10-3
密排六方晶系
体心立方晶系
c=0.46832±
0.00004
a=0.29504±
c/a=1.5873
a=0.328±
0.0003
高纯钛为882.5；
工业纯钛由于含有一定量的杂质,为900~950
4.99
5.5
4.505
4.35
4.30
4.11
0.8×
10-6
高纯钛（碘化钛法）：
1670±
10
工业纯钛:
1660±
20.92
3262
428.86
471.80
4.05±
0.1
0.38~0.4（<
0.5）
1.00004
顺磁性
（3.2±
0.4）×
4.5×
电阻率/Ω•m
高纯钛（20℃）
工业纯钛（20℃）
传音速度/m•s-1
热中子俘获截面/靶恩
（10-28m2）
弹性模量（293K）/MPa
泊松比
线膨胀系数（20~300℃）/K-1
导热系数（工业纯钛）
/J•m-1•s-1•K-1
t>
0℃时
t=373~900K范围的平均值
T=293~298时/w•m-1•K-1
液体钛的表面张力/N•m-1
液体钛的动力粘度
（1730℃）/m2•s-1
恒压摩尔热容/J•mol-1•K-1
α-Ti（298~1155.5K）
β-Ti（1155.5~1941K）
液体钛
蒸汽压/kPa
固体钛：
293K时
298~1933
1155~1933K
液体钛：
1933~3575K
熵/J•mol-1•K-1：
298K时的标准熵
α-Ti（>
160K）
β-Ti
4.20×
10-7
5.56×
4975
5.8±
0.4
1.08×
105
0.34~0.405
7.35×
=17.5-4.6×
10-3t+7.5×
10-6t2+
4.2×
10-12t4
=17.1
22.08
1.588（或1588Dyn•cm-1）
8.9×
10-5
Cp=22.1+1×
10-2T
Cp=19.8+7.9×
10-3T
Cp=35.5
7.76×
10-10
lgp=-3.593×
103T-1-0.900lgT+
0.0813×
10-3T+4.324
lgp=-3245.2T-1-0.121lgT+1.753
lgp=-2.970×
103T-1+1.214
lgp=-3085.6T-1-0.0878lgT+1.561
30.5
39.0+0.33T-5390T-1
34.2+0.41T-6.3×
10-6T2
55.8+0.0062T-2.7×
图2-1钛与周期表中各元素的相互作用[35]
I—与钛形成连续固溶体的元素；
II—与β-Ti形成无限固溶体，而与α-Ti形成有限固溶体的元素；
III—与钛形成有限固溶体和化合物的元素；
IV—与钛形成离子化合物的元素；
V—不与钛相互作用的元素
地与基体钛结合在一起，起到防止钛进一步被氧化的作用。
钛能耐氧化性介质和氯化物盐溶液的侵蚀，对许多酸、碱溶液、海水和工业腐蚀气氛具有优良的耐腐蚀性能。
钛在沸点以下的任何浓度的硝酸中均不被腐蚀。
致密金属钛在通常条件下是稳定的。
但在高温下钛的化学活性很高，可与卤族元素、氧、硫、碳、氮、氢、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳和氨等发生强烈反应。
在较低温度（100~200℃）下，钛可与F2、Cl2、Br2、I2相互作用生成易挥发的化合物。
钛容易被氢氟酸溶解。
室温下钛在稀硫酸（约5%H2SO4）、稀盐酸（5~10%HCl）中相当稳定，随着酸的浓度和温度的增加，钛的腐蚀速度增加。
当在盐酸或硫酸中加入少量氧化剂（如HNO3、KMnO4、K2CrO4、FeCl3、Cl2、铜盐等）时，可显著降低钛的腐蚀率。
下面首先介绍一下工业纯钛。
工业纯钛可承受锻造、轧制、挤压等压力加工。
在力学性能和化学性能方面工业纯钛与不锈钢相似。
我国根据杂质含量不同将其分为四种牌号：
TA0，TA1，TA2和TA3。
工业纯钛的化学成分如表2-2所示。
工业纯钛可加工成板、带、箔、管、棒等各种形式的型材。
我国宝鸡有色金属加工厂生产的产品种类及尺寸范围见表2-3。
钛的抗腐蚀能力一般优于不锈钢，它比常用的不锈钢强15倍，使用寿命比不锈钢强15倍以上。
表2-2工业纯钛的化学成分（GB/T3620.1-94）
牌号
主要成分
Ti
杂质含量/%（≯）
Fe
C
N
H
O
单一
总和
TA0
余量
0.15
0.10
0.03
0.015
TA1
0.25
0.20
TA2
0.30
0.05
TA3
0.40
表2-3我国工业纯钛产品种类及尺寸范围[22,23]
产品种类
状态
尺寸范围/mm
板材
R、M
厚0.3～30，宽400～3000，长6000以下
带、箔材
M
厚0.01～0.04，宽120以下；
厚0.05～0.3，宽300以下
管材
φ210以下（挤压成型）
φ110以下（冷轧-退火）
棒材
φ200以下
丝材
φ0.2～6
锻件
各类饼环及其他形式的铸件
铸件
铸态
质量35kg以下的各类泵、阀
注：
R-热加工；
M－退火状态
一般说来，在还原性介质，如盐酸、甲酸、草酸等介质中，由于钛的氧化膜不稳定，易遭破坏，因而在这种情况下纯钛并不耐腐蚀，而一些耐腐蚀钛合金，如钛镍、钛钼、钛钌、钛钯、钛钽等合金则有优良的耐腐蚀性能（见表2-4）。
Ti-0.2Pd合金的牌号为TA9。
其名义成分为0.15~0.20%Pd。
加入少量贵金属钯后，不仅大大提高了钛在还原性介质中的耐蚀性，同时也改善了它在氧化性介质中的耐蚀性能。
尤其是在高温高浓度的各种氯化物溶液中，Ti-0.2Pd合金的抗蚀能力是首屈一指的。
且其加工性、焊接性和成型性也都很好。
这种合金的化学成分见表2-5。
微细钛粉具有爆炸性。
海绵钛和钛粉有较大的活性表面，着火可燃烧。
钛的一个重要特性是能强烈吸收O2、N2、H2等气体。
钛与O2、N2的作用是不可逆的，因此钛是一种良好的吸气剂，常被用于真空技术和炼钢工业。
钛吸H2具有可逆性，在真空下加热到800~900℃时所吸的H2可解吸出来。
钛吸收气体后会变硬、变脆，塑性降低。
但致密金属钛在400℃以下只在表面有轻微的吸气现象，常温下在空气中是稳定的。
碳和含碳气体与钛在高温下反应可生成TiC。
表2-4几种耐蚀钛合金与工业纯钛耐蚀性能的比较[22,23]
溶液浓度/质量%
温度/℃
耐蚀性/mm•a-1
工业纯钛
Ti-0.2Pd
Ti-10Mo
Ti-15Mo-5Zr
25%NaCl
沸腾
25%AlCl3
50.8
0.0254
30%FeCl3
0.127
5%HCl
28.5
0.28
0.102
10%HCl
室温
0.11
0.002
50
75
0.08
20%HCl
0.41
0.04
12.5
6.67
127
19.56
0.13~0.25
35.56
25%HCl
0.59
0.055
30%HCl
1.92
0.087
20%HCl+1%FeCl3
2.80
2.92
38.10
5%H2SO4
36.6
0.169
10%H2SO4
0.014
3.67
0.125
20%H2SO4
0.407
14.8
0.499
30%H2SO4
1.72
40%H2SO4
2.91
0.234
2.98
330.2
0.051~0.254
60%H2SO4
2.19
6.65
80%H2SO4
7.04
8.05
98%H2SO4
1.67
1.05
65%HNO3
0.051
65~68%HNO3
0.032~0.51
0.033
1.27
5.84
10%H2C2O4
100
88.9
122
0.038
表2-5Ti-0.2Pd合金（TA9）的化学成分
合金元素
Pd
Si
含量/质量%
（最大）
2.力学性能
钛的力学性能不仅取决于化学成分，而且与所承受的机械加工及热处理方法有关。
不同方法生产的钛，由于所含杂质量不同，在机械性能上有着明显的差异。
可锻钛具有优良的机械性能（强度、屈服点、极限强度等）。
钛的比强度（强度/密度比）高于铁和铝。
比纯铁大1倍，比纯铝高约5倍。
钛作为结构金属，曾被称为“未来的钢铁”。
其机械性能介于优质钢和高强度轻合金之间，优于一系列高熔点金属和耐热合金。
纯钛的拉伸强度为2.7~6.3GPa（27~63kg/mm2），一般钛合金为7~12GPa（70~120kg/mm2）。
钛的抗压强度与其拉伸强度相近似，而剪切强度一般为拉伸强度的60~70%，承压屈服强度约为拉伸强度的1.2~2.0倍。
在大气中，经加工和退火的钛及钛合金的抗疲劳极限是拉伸强度的50~65%。
高纯金属钛具有很低的强度和很高的塑性。
其延伸率可达60%以上；
断裂强度极限为2.2~2.6GPa（22~26kg/mm2）。
硬度是判断海绵钛质量的基本参数之一。
优质工业纯钛的布氏硬度一般小于120。
钛的硬度越高，质量越差。
微量杂质会使钛的硬度显著增高，可塑性明显降低。
当同时存在几种杂质时对钛硬度的影响基本上是加合性的。
杂质对钛布氏硬度增加的影响示于图2-2。
影响最大的元素有N、O、C、Fe等。
图2-2一些杂质含量对钛硬度的影响
a—杂质含量0~0.12%；
b—杂质含量0~2%
钛和钛合金在低温下仍能保持其力学性能。
某些钛合金在-253℃下仍具有足够的韧性，此种性能被用来制造盛装液态气体（如液氮、液氦、液氢等）的容器。
在高温下许多钛合金仍能保持室温下的性能，一般钛合金的长期使用温度达400~500℃。
2.钛的重要化合物的性质
氧化物（TiO2、Ti3O5、Ti2O3、TiO）
Ti-TiO2系的状态图如图2-3所示。
图2-4表示Ti-O系中不同价态的钛氧化物及Ti（O）固溶体的标准自由焓变化与钛中氧含量的关系（以1molO2为基准）。
图2-4表明，任何一种还原剂，即使它能够克服氧对TiO2、Ti3O5、Ti2O3甚至TiO的亲和力，但是由于溶解在金属钛相中的氧（即Ti-O固溶体）的亲和力，仍然不能将纯钛还原出来。
因此，那种不考虑溶液相的简略的热化学计算，有时候是会失败的，还原反应的实际完成程度会比计算所预料的小。
镁和锂能够还原氧化钛，生成含氧2%（质量分数）的钛，但是它们无法克服接近纯钛溶液相（Ti（O）固溶体）时因
迅速增大而产生的亲和力。
在这种情形下，只有钙是有效的，在1000℃氧在钛中的相应平衡浓度为0.07%（质量分数）。
由图2-3可见，钛除形成三种简单的氧化物TiO2、Ti2O3、TiO外，在氧化物TiO2—Ti2O3间还能形成多种同系物。
其通式为：
TinO2n-1,n=3,4,5,……,10，其中有重要意义的是Ti3O5。
钛氧化物的碱性按TiO2、Ti3O5、Ti2O3、TiO的顺序增强。
TiO2是两性氧化物，但酸碱性都很弱，碱性相对要强些；
TiO是典型的碱性氧化物。
氧化物的还原性是按Ti3O5、Ti2O3、TiO的顺序增强的，其中TiO是一种强还原剂。
钛氧化物的主要性质如表2-6所示。
表2-6钛氧化物的物理性质及热力学性质[35]
性质
TiO2
Ti3O5
Ti2O3
TiO
金红石型
锐钛矿型
外观特征
白色粉末
蓝黑色粉末
紫黑色粉末
金黄色
晶系
四方晶系
菱形晶系
斜方晶系
立方晶系
晶格常数，nm
a
0.458
0.378
0.975
0.515
0.424
c
0.295
0.949
0.944
0.136
分子量
79.9
223.7
149.8
63.9
密度，g/cm3
4.21~4.24
3.9~4.15
4.21
4.486
4.93~5.53
折射率
2.71
2.52
—
电导率/Ω·
cm-1
室温
10-13~10-14
500℃
5.5×
10-8
1000℃
0.12
熔点，℃
1850~1860
高温时转变
为金红石型
1840~1860
1722
沸点，℃
~3000
热离解温度，℃
2000~2230
相变点，℃
645
（锐钛矿型→金红石型）
152
（α→β）
175
966~990
莫氏硬度
6~7
5.5~6
转变热，kJ/mol
熔化潜热
64.9±
10.5
58.6±
6.3
沸点时的蒸发热
581.4
563.4~581.8
离解热
670
相变热
9.38±
0.84
0.92±
0.21
定压摩尔热容Cp*，J/mol·
K
72.04
71.74
149.6（α）
174.13（β）
30.59（α）
145.17（β）
44.24（α）
49.6（β）
b·
103
4.52
4.1
123.48（α）
224.03（α）
15.06（α）
-c·
15.02
14.65
42.69（β）
7.78（β）
kJ/mol
916.7~944.4
2444.6~2456.8
1519.5~1536.3
518.6±
J/mol·
95.4~182.9
265.8
283.8
95.4
kJ/mol
861~889.1
2302.3~2315.3
1432.8~1448.3
489.4~490.2
Cp=a+bT+cT2
二氧化钛（TiO2）
TiO2是一种多晶型氧化物，它有三种晶型：
锐钛矿型、板钛矿型和金红石型。
图2-5表示TiO2的三种形态。
在自然界中，锐钛矿和金红石以矿物形式存在，但很难找到板钛矿型的矿物。
因为它晶型不稳定，在成矿时的高温下会转变成金红石型。
板钛矿可人工合成，它不具有多大实际价值。
在晶体化学中，按照鲍林关于离子晶体结构的第三规则：
当配位多面体共棱，特别是共面时，晶体结构的稳定性会降低。
这是因为与其共角顶时相比，共棱和共面时其中心阳离子之间的距离缩短，从而使得斥力增加，稳定性降低。
又如果在几种晶型中，都是共棱不共面，则其稳定型随共棱数目的增加而降低。
Ti4+离子的配位数为6，它构成[TiO6]八面体，Ti4+位于八面体的中心，O2-位于八面体的六个角顶，每一个Ti4+被
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