ilustracnyTitan (Ti) byl objeven v roce 1791 a izolován z nerostu ilmenit v roce 1910. Patří mezi přechodové kovy s vysokým bodem tání. Titan je desátým nejvíce rozšířeným prvkem v zemské kůře a sedmým nejrozšířenějším mezi kovy.


Přes své vysoké zastoupení v zemské kůře, k jeho praktickému využití došlo až kolem roku 1950, vzhledem k tomu, že pro jeho získání v čistém stavu nebylo možné použít dosud známé hutní procesy používané pro výrobu jiných kovů. Využití nových metalurgických procesů, postupné snižování ceny a dostupnost zařízení a součástí způsobilo, že v dnešní době je titan standardním strojírenským materiálem.
Titan a jeho slitiny se používají převážně jako komerčně čistý titan (CP – titan) s hexagonální strukturou alfa stálou do teploty 880 °C. Pro zvýšení korozní odolnosti v redukčních prostředích se legují CP titany paládiem (Pd). Průmyslově často využívané jsou slitiny typu alfa + beta, z nichž nejznámější jsou slitiny TiAl6V4 a TiAl6V4 ELI (tab. 1).

tab1
Tab. 1: Chemické složení Ti a jeho slitin s nízkou elektrickou vodivostí (2,38.106 S.m-1) a vysokým bodem tání (1 941 K).


Fyzikální, mechanické a často i korozní vlastnosti titanu a jeho slitin jsou ovlivňovány nečistotami a příměsemi jako jsou kyslík, dusík, uhlík a vodík, které tvoří s titanem intersticiální tuhé roztoky.

* * * * *
Obsah titanu v zemské kůře je cca 0,63 %
* * * * *

Kyslík a dusík již ve velmi nízkých koncentracích způsobují zvýšení pevnosti, meze kluzu a tvrdosti a pokles tažnosti a houževnatosti. Uhlík také výrazně snižuje svařitelnost. Železo zvyšuje pevnost a tvrdost, ale zhoršuje tvářitelnost. Další průvodní nečistotou je křemík, který zhoršuje houževnatost. Vývoj titanu a jeho slitin je zaměřen na snižování obsahu nečistot použitím nových rafinačních metalurgických procesů. Naopak, legováním titanu vhodnými kovy jako je Al, Sn, V, Cr, Mn, Mo, a Nb se dosáhne zlepšení mechanických a korozních vlastností.

tab2
Tab. 2: Mechanické vlastnosti titanu a jeho slitin

 

Korozní odolnost
Korozní odolnost je dána vytvářením velmi stabilní, vysoce přilnavé ochranné pasivní oxidické vrstvy TiO2 na povrchu Ti. Vzhledem ke své vysoké reaktivitě má titan vysokou afinitu s kyslíkem a oxidický film vzniká na vzduchu okamžitě. Tloušťka oxidické vrstvy je cca 10 mikronů a je porušována pouze horkými koncentrovanými HCl, H2SO4 a NaOH a zejména kyselinou fluorovodíkovou. Odolnost titanu proti bodové a důlkové korozi je velmi vysoká a proto se titan používá pro prostředí obsahující chlor a chlorované sloučeniny Využívá se i v prostředích s hygienickou vysokou náročností jako je potravinářský a farmaceutický průmysl. Titan je nezávadný i ze zdravotního hlediska.

Formy koroze
Rovnoměrná koroze – v řadě prostředí je velmi nízká obvykle, pod 0,02 mm/rok, vzhledem k vyšší ceně Ti a náročnosti technologického zpracování není vhodné použití Ti při korozní rychlosti nad 0,15 mm/rok.
Bodová koroze – téměř absolutní odolnost proti důlkové korozi vzhledem k velmi rychlé obnově pasivní vrstvy, použití pro roztoky Cl-, ClO– , CO3-.
Štěrbinová koroze – odolává v roztocích halogenidů mimo fluoridy.
Korozní praskání – velmi omezeně vzniká v silně oxidačních prostředích s halogenidy.
Vodíkové zkřehnutí – titan je náchylný k vodíkovému křehnutí v důsledku vzniku hydridů nebo vzniku molekulárního vodíku.
Tělní tekutiny – jedná se o roztoky s obsahem chloridů cca 5 g/l, pH 5,5 – 9, teplotě 37 °C za přítomnosti kyslíku, dobrá korozní odolnost v kombinaci s dobrou pevností a houževnatostí.

Přírodní podmínky
Titan a jeho slitiny podléhají pouze rovnoměrné korozi a korozní rychlosti jsou prakticky neměřitelné. To platí jak pro čisté atmosféry, tak i pro průmyslové atmosféry s obsahem SO2, Cl2, NOx. Stálý je v pitné a říční vodě, velmi často je používán pro zařízení na mořskou vodu.

Roztoky solí
Vysoká korozní odolnost titanu a jeho slitin i bez přístupu vzduchu je dána schopností pasivace i hydroxylovými skupinami v prostředí obsahujícím dusičnany, sírany, uhličitany, fosforečnany a chloridy. Není odolný v roztocích solí obsahujících fluoridy, a to i pro nízké koncentrace fluoridů. Již při obsahu pod 0,02 % fluoridů, dochází k intenzivnímu porušení pasivní vrstvy a k velmi rychlé korozi.

Kyseliny a zásady
Oxidační kyseliny
V oxidačních kyselinách jako je HNO3 je rychlost koroze velmi nízká i pro vysoké teploty (300 °C) a koncentrace (65 %).

obr1
Obr. 1: Vliv oxidačních iontů Fe3+ na korozní odolnost CP titanu grade 2 v HCl korozní rychlost 0,127 mm/rok.

 

Redukční kyseliny (HCl, HBr, HJ, HF, H2SO4, H3PO4, (COOH)2)
Korozní odolnost závisí na koncentraci a teplotě, pro nízké koncentrace a teploty je vyhovující. Při vyšších koncentracích a teplotách dochází k poškození ochranné vrstvy TiO2 původně vzniklé na vzduchu (depasivace). Již velmi nízká přítomnost oxidačních látek např. Fe3+ výrazně rozšiřuje oblast použití Ti a jeho slitin v redukčních kyselinách (obr. 1). Legování Pd (grade 7 a 11) a Ru (grade 5) dále zvyšuje použitelnost v těchto prostředích.
V kyselině fosforečné je CP Ti odolný do 30 % a teploty1 i za nižších koncentrací teplot nad bod varu se výrazně zvyšuje rychlost koroze, zlepšení se dosahuje legováním paladiem. Titan je odolný při nízkých teplotách proti zředěným roztokům H2SO4, při 20 °C je odolný do 5 % H2SO4, potom korozní rychlost roste až do 40 % H2SO4, kde dosahuje 1. maxima, v oblasti 50 – 70 % H2SO4 je rychlost koroze minimální v důsledků vzniku málo rozpustných sloučenin, pak rychlost koroze stoupá do 2. maxima při koncentraci 75 %, kdy dochází k intenzivnímu rozpouštění doprovázenému redukci H2SO4 na H2S a elementární síru (obr. 2). Zlepšení korozní odolnosti se dosahuje jako u všech redukujících kyselin opět legováním Pd. Kyselina fluorovodíková velmi rychle napadá Titan již za nízkých koncentrací a nízkých teplot; využívá se při leptání titanu.

obr2
Obr. 2: Závislost rychlosti koroze Titanu na koncentraci H2SO4, 1 – teplota 30 °C, 2 – teplota 50 °C

 

Technologické operace
Obrábění
Není podstatný rozdíl mezi obráběním titanu (grade 1 – 4, 7 a 11) a obráběním korozivzdor-ných ocelí. Problémy při obrábění jsou způsobeny nízkou tepelnou vodivostí titanu a jeho slitin. Teplo vzniklé při obrábění se neodvádí rychle na další místa, koncentruje se do místa obrábění a vyšší teploty včetně přehřátí způsobují vytvrzování, doprovázené zvyšováním tvrdosti. Je nutné používat nízké rychlosti obrábění, aby bylo dosaženo dobré životnosti nástrojů a zajistit dobré ostří břitu.

Tváření
Tváření titanu a jeho slitin za studena je dáno mechanickými vlastnostmi jednotlivých typů. Způsob tváření je stejný jako pro korozivzdorné oceli. Při plošném tváření je nutno používat nízké rychlosti tváření a dostatečně dimenzovat poloměry ohybu tloušťky ohýbaného plechu podle mechanických vlastností jednotlivých typů. Se zvyšujícími se pevnostními hodnotami, se zvyšuje i poloměr ohybu v závislosti na tloušťce plechu. Nízké hodnoty modulu pružnosti způsobují vyšší zpětné dopružení a je nutno s tím při tváření počítat.
Tažnost za vyšších teplot se s teplotou zvyšuje a tvářením za tepla lze vyrobit tvary, které nejsou za studena realizovatelné. Je však nutné udržovat slitiny titanu na tvářecí teplotě pouze na dobu nezbytně nutnou, aby se zamezilo absorpci plynů. Pro tváření za tepla se doporučují teploty 500 – 650 °C.

Svařování
Pro svařování titanu a jeho slitin se nejčastěji využívají technologie MIG nebo TIG. Velmi dobrých výsledků se dosahuje při svařování plasmou za použití automatů. Využití svařování elektronovým paprskem je v letectví a kosmonautice. Všeobecně se pro svařování titanu používají velmi podobné parametry jako pro korozivzdorné oceli. Přídavné materiály pro svařování CP titanu jsou podobné základním materiálům a jsou rozlišeny obsahem kyslíku a železa. U slitiny TiAl6V4 přídavný materiál odpovídá základnímu materiálu.

Použití Ti a jeho slitin:
• chemický, petrochemický a papírenský průmysl, hlavně chlorová chemie;
• farmaceutický a potravinářský průmysl, zdravotně nezávadný;
• energetika (výměníky, kondenzátory), odsiřovací jednotky;
• letectví (kostry, hnací jednotky), kosmonautika;
• kryogenní technika;
• dentální a chirurgické implantáty, nanotechnologie;
• zařízení pro galvanické pokovování;
• šperky, bižuterie;
• spotřební zboží (obruby brýlí, jízdní kola, lyžařské hole, hodinky);
• architektura;
• doprava, odolný proti mořské vodě.

TEXT: Otakar Brenner, ČVUT v Praze, FS, Ústav strojírenské technologie FOTO: archiv redakce