钛金属基本知识

目录
钛工业发展史 (2)
钛矿资源 (3)
钛的原子结构 (4)
钛的物理性质 (4)
钛的化学性质 (4)
钛的腐蚀数据 (5)
钛的三大功能 (7)
钛的十大性能 (8)
钛的存在 (9)
钛的冶炼 (9)
钛及钛合金的特性、用途 (10)
钛的化合物及用途 (10)
钛的表面处理技术 (11)
金属管道腐蚀防护基础知识 (13)
钛工业发展史
1791年英国牧师W．格雷戈尔(Gregor)在黑磁铁矿中发现了一种新的金属元素。

1795年德国化学家M．H．克拉普鲁斯(Klaproth)在研究金红石时也发现了该元素，并以希腊神Titans命名之。

1910年美国科学家M．A．亨特(Hunter)首次用钠还原TiCI：制取了纯钛。

1940年卢森堡科学家W．J．克劳尔(kroll)用镁还原TiCl：制得了纯钛。

从此，镁还原法(又称为克劳尔法)和钠还原法(又称为亨特法)成为生产海绵钛的工业方法。

美国在1948年用镁还原法制出2t海绵钛，从此达到了工业生产规模。

随后，英国、日本、前苏联和中国也相继进入工业化生产，其中主要的产钛大国为前苏联、日本和美国。

钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。

金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。

它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。

但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。

这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出：海绵钛生产规模60年代为60kt/a，70年代为1l0kt/a，80年代为130kt/a，到1992年已达140kt/a。

实际产量1990年达到历史最高水平，为105kt/a。

目前，世界海绵钛生产厂家和生产能力列于表1—1。

进入90年代后，由于军用钛量减少和俄罗斯等一些国家抛售库存海绵钛，使前几年市场疲软。

1995年钛的市场开始回升，主要由于B777等民用飞机和高尔夫球杆等民用钛量大幅度增加，1996年钛的需求量达到一个新的高点。

专家预测今后几年内钛的需求量将继续较大幅度增长。

目前妨碍钛应用的主要原因是价格贵。

可以预料，随着科学技术的进步和钛生产工艺的不断完善、扩大企业的生产能力和提高管理水平、进一步降低钛制品的成本，必然会开拓出更广泛的钛市场。

表1—1世界海绵钛生产厂家和生产能力
国家公司名称方法公称生产能力
/
h·a-1
实际生产能
力/
kt·a-1
备注
美国钛冶金公司(Timet)
俄勒冈冶金公司
(Oremet)
活性金属公司
MD
MH
MD
12．7
6．8
(11．0)
10
6
生产中
2001年停产
1992年关闭
日本住友钛公司
东邦钛公司
昭和钛公司
MD
MD
MD
18．0
12．0
3．0
15
10．8
3．0
原大阪钛公司（生产
中）
生产中
关闭
乌克兰第聂伯镁钛联合企业MD 15．O 生产中
俄罗斯阿维斯玛镁钛联合企
业
MD 35．0 35．0 生产中
哈萨克斯
坦马斯季卡缅诺戈尔斯
克镁钛联合企业
MD 40．O 40．0 生产中
英国迪赛德钛公司SL 5．0 3．0 1993年关闭中国两个工厂 D - - 生产中合计- 155．5 137．8
-
钛矿资源
钛在地球上储量十分丰富，在地壳中含钛矿物有140多种，但现具有开采价值的仅十余种。

已开采的钛矿物矿床可分为岩矿床和砂矿床两大类，岩矿床为火成岩矿，具有矿床集中、贮量大的特点，FeO（相对于Fe2O3）含量高，脉石含量多，结构致密，且多是共生矿，这类矿床的主要矿物有钛铁矿、钛磁铁矿等，矿石选矿分离较为困难，产出的钛精矿TiO2含量一般不超过50％。

砂钛矿床是次生矿床，由岩矿床经风化剥离再经水流冲刷富集而成，主要集中在海岸、河滩、稻田等地，矿物有金红石、砂状钛铁矿、板钛矿、白钛矿等，该矿物的特点是：Fe2O3（相对于FeO）含量较高、结构疏松、杂质易分离，选出的大部分精矿含TiO2达５０％以上。

（见表１）。

表１世界各地钛铁矿精矿的化学组成（％）
国别及地区矿床类型TiO2FeO Fe2O3SiO2Al2O3P2O5
佛吉尼亚(美) 岩矿44.3 35.9 13.8 2.00 1.21 1.01
阿拉德(加) 岩矿34.30
27.50
25.20 4.30 3.50 0.015
挪威岩矿43.90 36.00 11.10 3.28 0.85 0.03 乌拉尔(俄) 岩矿48.07 12.21 24.59 1.54 4.65 0.16 乌克兰岩矿58.46 - 27.80 0.34 4.04 0.19 攀枝花(中国) 岩矿47.0 34.27 5.55 2.89 1.34 0.01 印度喀拉邦砂矿54.20 26.60 14.20 0.40 1.25 0.12
斯里兰卡砂矿53.13 19.11
22.95
0.86 0.61 0.05
马来西亚砂矿55.30 26.70 13.00 0.70 0.59 0.19 卡伯尔(澳) 砂矿54.57 25.15 16.34 0.53 0.10 0.13 巴西砂矿61.90 1.90 30.20 1.60 0.25 - 新西兰砂矿46.50 37.60 3.30 4.10 2.80 0.22 佛罗里达(美) 砂矿64.10 4.70 25.60 0.30 1.50 0.21
广西(中国) 砂矿50.94 28.61 16.68
2.27
1.07 0.071
云南(中国) 砂矿48.93 32.37 14.86 0.81 0.97 0.03
国别及地区矿床类型ZrO2MgO MnO CaO V2O5Cr2O3佛吉尼亚(美) 岩矿0.55 0.07 - 0.52 0.16 0.27 阿拉德(加) 岩矿- 3.10 0.16 0.90 0.27 0.10 挪威岩矿 1.09 3.69 0.33 0.18 0.20 0.03 乌拉尔(俄) 岩矿- 0.75 2.25 0.62 0.084 3.25 乌克兰岩矿- 0.98 0.66 0.20 - 3.58 攀枝花(中国) 岩矿0.80 6.12 0.65 0.75 0.095 - 印度喀拉邦砂矿- 1.03 0.40 0.40 0.16 0.07 斯里兰卡砂矿0.10 0.92 0.94 0.26 0.19 0.09
马来西亚砂矿- 0.02 0.70 0.50 0.07 0.03
卡伯尔(澳) 砂矿0.07 0.32 1.67 0.30 1.18 0.04 巴西砂矿- 0.30 0.30 0.10 0.20 0.10
新西兰砂矿- 1.20 1.20 1.40 0.03 0.03 佛罗里达(美) 砂矿- 0.35 1.35 0.13 0.13 0.10
广西(中国) 砂矿- 0.60 2.57 0.07 - -
云南(中国) 砂矿- 1.15 0.62 0.23 0.84 -
钛的原子结构
钛位于元素周期表中ⅣB族，原子序数为22，原子核由22个质子和20-32个中子组成，核外电子结构排列为1S22S22P63S23D24S2。

原子核半径5×10-13厘米。

钛的物理性质
钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20℃），熔点1668±4℃，熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点3260±20℃，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350℃，临界压力1130大气压。

钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为0.38-0.4K。

在25℃时，钛的热容为0.126卡/克原子·度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡/克原子·度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。

钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结构材料。

钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提高钛的强度，显著降低其塑性。

钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。

钛的化学性质
钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。

各种元素，按其与钛发生不同反应可分为四类：
第一类：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物；
第二类：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体；
第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体；
第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或基本上不发生反应。

与化合物的反应：
◇HF和氟化物
氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4，反应式为（1）；不含水的氟化氢液体可在钛表面上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF浸入钛的内部。

氢氟酸是钛的最强熔剂。

即使是浓度为1%的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应，见式（2）；无水的氟化物及其水溶液在低温下不与钛发生反应，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显著反应。

Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0千卡（1）2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2（2）
◇HCl和氯化物
氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在>300℃时与钛反应生成TiCl 4，见 式(3);浓度<5%的盐酸 在室温下不与钛反应，20%的盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的TiCl 3，见式(4);当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。

各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH 4离子及其水溶液，都不与钛发生反应，钛在这些氯化物中具有很好的稳定性。

Ti ＋4HCl ＝TiCl 4＋2H 2＋94.75千卡 (3)2Ti ＋6HCl ＝TiCl 3＋3H 2 (4)
◇ 硫酸和硫化氢
钛与<5%的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸 继续腐蚀。

但>5%的硫酸与钛有明显的反应，在常温下，约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快，当浓度大于40%，达到60%时腐蚀速度反而变慢，80%又达到最快。

加热的稀酸或50%的浓硫酸可与钛反应生成硫酸钛，见式（5）,（6），加热的浓硫酸可被钛还原，生成SO 2，见式（7）。

常温下钛与硫化氢反应，在其表面生成一层保护膜，可阻止硫化氢与钛的进一步反应。

但在高温下，硫化氢与钛反应析出氢，见式（8），粉末钛在600℃开始与硫化氢反应生成钛的硫化物，在900℃时反应产物主要为TiS ，1200℃时为Ti 2S 3。

Ti ＋H 2SO 4＝TiSO 4＋H 2 (5)
2Ti ＋3H 2SO 4＝Ti 2(SO4)3＋H 2 (6) 2Ti ＋6H 2SO 4＝Ti 2(SO 4)3＋3SO 2＋6H 2O ＋202千卡 (7) Ti ＋H 2S ＝TiS ＋H 2＋70千卡 (8)
◇ 硝酸和王水 致密的表面光滑的钛对硝酸具有很好的稳定性，这是由于硝酸能快速在钛表面生成一层牢固的氧化膜，但是表面粗糙，特别是海绵钛或粉末钛，可与次、热稀硝酸发生反应，见式（9）、（10），高于70℃的浓硝酸也可与钛发生反应，见式（11）；常温下，钛不与王水反应。

温度高时，钛可与王水反应生成TiCl2。

3Ti ＋4HNO 3＋4H 2O ＝3H 4TiO 4＋4NO (9)
3Ti ＋4HNO 3＋H 2O ＝3H 2TiO 3＋4NO (10) Ti ＋8HNO 3＝Ti(NO 3)4＋4NO 2＋4H 2O (11)
综上所述，钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。

致密的金属钛在自然界中是相当稳定的，但是，粉末钛在空气中可引起自燃。

钛中杂质的存在，显著的影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。

特别是一些间隙杂质，它们可以使钛晶格发生畸变，而影响钛的的各种性能。

常温下钛的化学活性很小，能与氢氟酸等少数几种物质发生反应，但温度增加时钛的活性迅速增加，特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。

钛的冶炼过程一般都在800℃以上的高温下进行，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。

钛的腐蚀数据
介质
浓度（质量分数）
（%） 温度/℃
腐蚀速度/mm/a(年) 耐蚀等级
无机
酸
盐酸 1 室温/沸腾 0.000/0.345 优良/良好 5 室温/沸腾 0.000/6.530 优良/差 10 室温/沸腾 0.175/40.87 良好/差 20 室温/— 1.340/— 差/— 35
室温/—
6.660/—
差/—
硫酸
5 室温/沸腾 0.000/13.01 优良/差 10
室温/— 0.230/— 良好/— 60 室温/— 0.277/— 良好/差 80 室温/— 32.660/— 差/— 95 室温/—
1.400/—
差/— 硝酸
37
室温/沸腾 0.000/<0.127 优良/优良 64 室温/沸腾 0.000/<0.127 优良/优良 95 室温/—
0.0025/—
优良/— 磷酸 10
室温/沸腾 0.000/6.400 优良/差 30 室温/沸腾 0.000/17.600 优良/差 50 室温/—
0.097/—
优良/— 铬酸 20 室温/沸腾 <0.127/<0.127 优良/优良 硝酸+盐酸 1:3 室温/沸腾 0.0040/0.127 优良/优良 3:1 室温/— <0.127/— 优良/— 硝酸+硫酸 7:3 室温/— <0.127/— 优良/— 4:6 室温/— <0.127/— 优良/— 有
机酸
醋酸 100 室温/沸腾 0.000/0.000 优良/优良 蚁酸 50 室温/— 0.000/— 优良/— 草酸 5 室温/沸腾 0.127/29.390 良好/差 10 室温/—
0.008/—
优良/— 乳酸 10 室温/沸腾 0.000/0.033 优良/优良 25 —/沸腾 —/0.028 —/优良 甲酸 10 —/沸腾 —/1.270 —/良好 25 —/100 —/2.440 —/差 50 —/100
—/7.620
—/差 丹柠酸 25 室温/沸腾 <0.127/<0.127 优良/优良 柠檬酸 50 室温/沸腾 <0.127/<0.127 优良/优良 硬脂酸
100 室温/沸腾 <0.127/<0.127 优良/优良 碱溶
液
氢氧化钠 10
—/沸腾 —/0.020 —/优良 20 室温/沸腾 <0.127/<0.127 优良/优良 50 室温/沸腾 <0.0025/0.0508 优良/优良 73 —/沸腾 —/0.127 —/良好 氢氧化钾 10 —/沸腾 —/<0.127 —/优良 25 —/沸腾 —/0.305 —/良好 50 30/沸腾 0.000/2.743 优良/差 氢氧化铵 28 室温/— 0.0025/— 优良/— 碳酸钠 20 室温/沸腾 <0.127/<0.127
优良/优良 阿摩尼亚 20 室温/— 0.0708/— 优良/— 无机盐 溶液氯化铁 40 室温/95
0.000/0.002 优良/优良
氯化亚铁 30 室温/沸腾
0.000/<0.127 优良/优良
氯化亚铅 10 <0.127/<0.127
氯化亚铜 50 <0.127/<0.127 氯化铵 10 <0.127/<0.000 氯化钙
10
<0.127/<0.000
氯化铝 25 <0.127/<0.127 氯化镁 10 <0.127/<0.127 氯化镍 5-10 <0.127/<0.127 氯化钡 20 <0.127/<0.127 硫酸铜 20 <0.127/<0.127 硫酸铵 20℃饱和 <0.127/<0.127 硫酸钠 50 <0.127/<0.127 硫酸亚铅 20℃饱和 <0.127/<0.127 硫酸亚铜 10 <0.127/<0.127 30 <0.127/<0.127 硝酸银
11
室温/— <0.127/— 优良/—
有机化合物 苯（含微量HCl 、
NaCl ） 蒸气与液体
80
0.005 优良 四氯化碳
同上
沸腾
0.005 四氯乙烯（稳定）
100%蒸气和液体 0.0005 四氯乙烯（H2O ）
0.0005 三氯甲烷
0.003
三氯甲烷（H2O ） 0.127 良好 三氯乙烯 99%蒸气和液体 0.00254 优良 三氯乙烯（稳定） 99 0.00254 甲醛
37
0.127 良好 甲醛（含
2.5%H2SO4）
50
0.305
良好 注：1.耐蚀等级分为三级： 优良——耐蚀，腐蚀速度在0.127mm/a 以下。

良好——中等耐蚀，腐蚀速度在0.127-1.27mm/a 之间。

差——不耐蚀，腐蚀速度在1.27mm/a 以上。

2．纯钛在大多数介质中，特别是在中性、氧化性介质和海水中有高的耐蚀性。

钛在海水中的耐蚀性比铝合金、不锈钢和镍合金还高，在工业、农业和海洋环境的大气中，虽然数年，表面也不变色。

氢氟酸、硫酸、盐酸、正磷酸以及某些热的浓有机酸对钛的腐蚀较大（见上表），其中氢氟酸不论浓度、温度高低，对钛都有很高的腐蚀作用。

钛对各种浓度的硝酸和铬酸的稳定性高，在碱溶液和大多数有机酸、无机盐溶液中的耐蚀性也很高。

3．钛不发生局部腐蚀和晶间腐蚀，腐蚀是均匀进行的。

4．钛合金的耐蚀性与工业纯钛相近，这一点是钛合金能在化工和造船工业获得广泛应用的原因。

钛的三大功能
功能材料是以物理性能为主的工程材料，即在电、磁、声、光、热等方面具有的特殊性质，或在其作用下表现出特殊功能的材料。

对钛和钛合金的研究已发现其有三种特殊功能有应用前途:
一、记忆功能
钛-镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应，被公认是最佳记忆合金。

在工程上做管接头用于战斗机的油压系统；石油联合企业的输油管路系统；直径0.5mm 丝做成的直径500mm 抛物网状天线用于宇航飞行器上；在医学工程上用于制作鼾症治疗；制成螺钉用于骨折愈合等。

上述应用均获得了明显效果。

二、超导功能
铌-钛合金在温度低于临界温度时，呈现出零电阻的超导功能。

三、贮氢功能
钛-铁合金具有吸氢的特性，把大量的氢安全的贮存起来，在一定的环境中又把氢释放出来。

这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应用很有前途。

钛的十大性能
一、密度小,比强度高
金属钛的密度为4.51g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍，但比强度位于金属之首。

二、耐腐蚀性能
钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。

但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。

这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。

即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。

这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。

介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。

为了提高钛的耐蚀性，研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。

针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要，开发出钛-钼、钛-钯、钛-钼-镍等一系列耐蚀钛合金。

钛铸件使用了钛-32钼合金，对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛-0.3钼-0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛-0.2钯合金,均获得了很好的使用效果。

三、耐热性能好
新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。

四、耐低温性能好
钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。

在-196～-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。

五、抗阻尼性能强
金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。

利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。

六、无磁性、无毒
钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，无毒且与人体组织及血液有好的相溶性，所以被医疗界采用。

七、抗拉强度与其屈服强度接近
钛的这一性能说明了其屈强比（抗拉强度/屈服强度）高，表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。

由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大，使钛成型时的回弹能力大。

八、换热性能好
金属钛的导热系数虽然比碳钢和铜低，但由于钛优异的耐腐蚀性能，所以壁厚可以大大减薄，而且表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝，减少了热组，太表面不结垢也可减少热阻，使钛的换热性能显著提高。

九、弹性模量低
钛的弹性模量在常温时为106.4GMPa,为钢的57%。

十、吸气性能
钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。

钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。

钛的存在
钛在地壳中的丰度为0.63% ，居元素分布序列中的第十位，仅次于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢，比常见的锌、铅、镍、铜的总和还要多16倍，但大部分处于分散状态。

主要的矿物有金红石（TiO2）和钛铁矿（FeTiO3)组成复杂的钒钛铁矿。

我国钛蕴藏量居全球之首，仅四川攀枝花地区的矾钛铁矿，储量约15亿吨，占全国已探明储量的97% 。

钛的冶炼
钛在1791年被发现，而第一次制得纯净的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。

原因在于：钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。

工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。

浓硫酸处理磨碎的钛铁矿（精矿），发生下面的化学反应：
FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O
FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O
FeO+H2SO4 == FeSO4+H2O
Fe2O3+3H2SO4 == Fe2(SO4)3+3H2O
为了除去杂质Fe2(SO4)3，加入铁屑，Fe3+还原为Fe2+，然后将溶液冷却至273K以下，使得FeSO4•7H2O（绿矾）作为副产品结晶析出。

Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是：
Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4
TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4
锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：
H2TiO3 == TiO2+H2O
工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。

将TiO2（或天然的金红石）和炭粉混合加热至1000～1100K，进行氯化处理，并使生成的TiCl4，蒸气冷凝。

TiO2＋2C＋2Cl2＝TiCl4＋2CO
在1070K 用熔融的镁在氩气中还原TiCl4可得多孔的海绵钛：
TiCl4＋2Mg＝2MgC12＋Ti
这种海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材。

钛及钛合金的特性、用途
纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。

钛的密度为4.54g／cm3，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。

机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。

钛耐高温，熔点1942K，比黄金高近1000K，比钢高近500K。

钛属于化学性质比较活泼的金属。

加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。

但在常温下，钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。

因此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。

液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。

钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。

钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。

钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。

制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。

同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。

钛具有“亲生物“’性。

在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。

因此被广泛用于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。

当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。

钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg，其作用尚不清楚。

但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实。

钛的化合物及用途
重要的钛化合物有：二氧化钛(TiO2)、四氯化钛(TiCl4)、偏钛酸钡(BaTiO3)。

纯净的二氧化钛是白色粉末，是优良的白色颜料，商品名称“钛白”。

它兼有铅白(PbCO3)的遮盖性能和锌白（ZnO）的持久性能。

因此，人们常把钛白加在油漆中，制成高级白色油漆；在造纸工业中作为填充剂加在纸桨中；纺织工业中作为人造纤维的消光剂；在玻璃、陶瓷、搪瓷工业上作为添加剂，改善其性能；在许多化学反应中用作催化剂。

在化学工业日益发展的今天，二氧化钛及钛系化合物作为精细化工产品，有着很高的附加价值，前景十分诱人。

四氯化钛是一种无色液体；熔点250K、沸点409K，有制激性气味。

它在水中或潮湿的空气中都极易水解，冒出大量的白烟。

TiCl4+3H2O == H2TiO3+4HCl
因此TiCl4在军事上作为人造烟雾剂，犹其是用在海洋战争中。

在农业上，人们用TiCl4形成的浓雾复盖地面，减少夜间地面热量的散失，保护蔬菜和农作物不受严寒、霜冻的危害。

将TiO2和BaCO3一起熔融制得偏钛酸钡：
TiO2+BaCO3 == BaTiO3十CO2
人工制得的BaTiO3具有高的介电常数，由它制成的电容器有较大的容量，更重要的是BaTiO3具有显著的“压电性能”，其晶体受压会产生电流，一通电，又会改变形状。

人们把它置于超声波中，它受压便产生电流，通过测量电流强弱可测出超声波强弱。

几乎所有的超
声波仪器中都要用到它。

随着钛酸盐的开发利用，它愈来愈广泛地用来制造非线性元件、介质放大器、电子计算机记忆元件、微型电容器、电镀材料、航空材料、强磁、半导体材料、光学仪器、试剂等。

钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。

然而，生产成本之高，使应用受到限制。

我们相信在不久的将来，随着钛的治炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用将会得到更大的发展。

钛的表面处理技术
钛在高温下易于与空气中的O、H、N等元素及包埋料中的Si、Al、Mg等元素发生反应，在铸件表面形成表面污染层，使其优良的理化性能变差，硬度增加、塑性、弹性降低，脆性增加。

钛的密度小，故钛液流动时惯性小，熔钛流动性差致使铸流率低。

铸造温度与铸型温差(300℃)较大，冷却快，铸造在保护性气氛中进行，钛铸件表面和内部难免有气孔等缺陷出现，对铸件的质量影响很大。

因此，钛铸件的表面处理与其它牙用合金相比显得更为重要，由于钛的独特的理化性能，如导热系数小、表面硬度、及弹性模量低，粘性大，电导率低、易氧化等，这对钛的表面处理带来了很大的难度，采用常规的表面处理方法很难达到理想的效果。

必须采用特殊的加工方法和操作手段。

铸件的后期表面处理不仅是为了得到平滑光亮的表面，减少食物及菌斑等的积聚和粘附，维持患者的正常的口腔微生态的平衡，同时也增加了义齿的美感；更重要的是通过这些表面处理和改性过程，改善铸件的表面性状和适合性，提高义齿的耐磨、耐蚀和抗应力疲劳等理化特性。

一、表面反应层的去除
表面反应层是影响钛铸件理化性能的主要因素，在钛铸件研磨抛光前，必须达到完全去除表面污染层，才能达到满意的抛光效果。

通过喷砂后酸洗的方法可完全去除钛的表面反应层。

1. 喷砂：钛铸件的喷砂处理一般选用白刚玉粗喷较好，喷砂的压力要比非贵金属者较小，一般控制在0.45Mpa以下。

因为，喷射压力过大时,砂粒冲击钛表面产生激烈火花，温度升高可与钛表面发生反应,形成二次污染，影响表面质量。

时间为15~30秒，仅去除铸件表面的粘砂、表面烧结层和部分和氧化层即可。

其余的表面反应层结构宜采用化学酸洗的方法快速去除。

2. 酸洗：酸洗能够快速完全去除表面反应层，而表面不会产生其他元素的污染。

HF—HCl 系和HF—HNO3系酸洗液都可用于钛的酸洗，但HF—HCl系酸洗液吸氢量较大，而HF—HNO3系酸洗液吸氢量小，可控制HNO3的浓度减少吸氢，并可对表面进行光亮处理，一般HF的浓度在3%~5%左右，HNO3的浓度在15%~30%左右为宜。

二、铸造缺陷的处理
内部气孔和缩孔内部缺陷：可等热静压技术(hot isostatic pressing)去除, 但对义齿的精度会产生影响，最好用X线探伤后，表面磨除暴露气孔，用激光补焊。

表面气孔缺陷可直接用
三、研磨与抛光
1．机械研磨：钛的化学反应性高，导热系数低，粘性大，机械研磨研削比低，且易于磨料磨具发生反应，普通磨料不宜用于钛的研磨与抛光，最好采用导热性好的超硬磨料，如金刚石、立方氮化硼等，抛光线速度一般为900~1800m/min.为宜，否则，钛表面易发生研削烧伤和微裂纹。

2．超声波研磨：通过超声振动作用，使磨头和被研磨面间的磨粒与被研磨面产生相对运动而达到研磨、抛光的目的。

其优点在于常规旋转工具研磨不到的沟、窝和狭窄部位变得容易了，但较大的铸件研磨效果还不能令人满意。

3．电解机械复合研磨：采用导电磨具，在磨具与研磨面之间施加电解液和电压，通过机械和电化学抛光的共同作用下，降低表面粗糙度提高表面光泽度。

电解液为0.9NaCl，电压为5v，转速为3000rpm/min.，此方法只能研磨平面，对复杂的义齿支架的研磨还处于研究阶段。

4．桶研磨：利用研磨桶的公转与自转所产生的离心力，使桶内的义齿与磨料相对摩擦运动而起到降低表面粗糙度的研磨目的。

研磨自动化、效率高，但只能降低表面粗糙度而不能提高表面光泽度，研磨的精度较差，可用与义齿精抛光前的去毛刺和粗研磨。

5．化学抛光：化学抛光是通过金属在化学介质中的氧化还原反应而达到整平抛光的目的。

其优点是化学抛光与金属的硬度、抛光面积与结构形状无关，凡与抛光液接触的部位均被抛光，不须特殊复杂设备，操作简便，较适合于复杂结构钛义齿支架的抛光。

但化学抛光的工艺参数较难控制，要求在不影响义齿精度的情况下能够对义齿有良好的抛光效果。

较好的钛化学抛光液是HF和HNO3按一定比例配制，HF是还原剂，能溶解钛金属，起到整平作用，浓度<10%, HNO3起氧化作用，防止钛的溶解过度和吸氢，同时可产生光亮作用。

钛抛光液要求浓度高，温度低，抛光时间短(1~2min.)。

6．电解抛光：又称为电化学抛光或者阳极溶解抛光，由于钛的电导率较低，氧化性能极强，采用有水酸性电解液如HF—H3PO4、HF—H2SO系电解液对钛几乎不能抛光，施加外电压后，钛阳极立刻发生氧化，而使阳极溶解不能进行。

但采用无水氯化物电解液在低电压下，对钛有良好的抛光效果，小型试件可得到镜面抛光，但对于复杂修复体仍不能达到完全抛光的目的，也许采用改变阴极形状和附加阴极的方法能解决这一难题，还有待于进一步研究。

四、钛的表面改性
1．氮化：采用等离子体渗氮、多弧离子镀、离子注入和激光氮化的等化学热处理技术，在钛义齿表面形成金黄色TiN渗镀层，从而提高钛的耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性。

但技术复杂，设备昂贵，用于钛义齿的表面改性很难达到临床实用化。

2．阳极氧化：钛的阳极氧化技术较为容易，在一些氧化性介质中，外加电压的作用下，钛阳极可形成较厚的氧化膜，从而提高其耐腐蚀性和耐磨性和耐候性。

阳极氧化的电解液一般采用H2SO4、H3PO4和有机酸水溶液。

3．大气氧化：钛在高温大气中可形成较厚坚固的无水氧化膜，对钛的全面腐蚀、间隙腐蚀都有效，方法比较简便。