金属钛为什么有这么高的耐腐蚀能力呢?上面已经谈过,钛和氧有很强的结合能力。当钛暴露在空气中时,在它的表面会立刻形成一层很薄的氧化膜。这层薄膜十分稳定,并且具有特殊的耐腐蚀能力。如果这层膜受到机械损伤的话,还会重新形成一层薄膜。
下面再介绍几个应用钛作耐腐蚀材料的实际例子。我们知道,在氯碱工业中,是在电解槽中生产火碱的。过去一直用石墨作电解槽的阳极。现在,国内外都用钛代替了石墨。改用钛以后,还是原来那个电解槽,在相同的电压下,通过的电流可以增加一倍,也就是说一个电解槽可以顶两个电解槽使用,使生产能力提高一倍。原来的石墨阳极只能用半年,而用钛作的阳极可以使用4年以上,寿命延长了8倍多。采用钛以后,还可以省掉石墨阳极浇铸所用的铅和沥青,这不仅避免了污染,并且大大改善了劳动条件。
又比如,我们大家熟悉的尼龙又叫锦纶。在生产尼龙时,介质对设备的腐蚀也非常严重。有人作过试验,把3毫米厚的不锈钢板放进生产尼龙的介质当中,24小时以后,变成了10毫米厚的疏松状物质,也就是人们常说的变成了“豆腐渣”。而钛几乎不被腐蚀,用钛作的设备,可以使用100年以上。
钛在冶金工业上的应用。在钢铁工业上,钛有两大用途。一个是作脱氧剂除气剂;另一个是作合金的添加元素。在上边曾提过钛在高温下与氧、氮、碳有很大的亲和力,就是利用钛的这一性质,在炼钢时加入钢中,达到脱氧和除气的目的。
在合金钢中加入少量的钛,可以大大改善钢的性能,提高钢的强度,韧性和耐腐蚀性能。比如我们最常见的18—8不锈钢中就含有1%左右的钛。在有色金属湿法冶金中,使用了钛以后,也收到了很好的效果。比如在金属镍的电解生产中,已经采用钛板代替不锈钢板作母板,有的也叫种板,是指把镍先电解到这板上,然后再把这层电解上去的镍板剥离下来,作为阴极,继续把镍电解在这层薄镍板上,就是最终电解镍产品。原来使用不锈钢作母板时,电解上去的镍和不锈钢沾结在一起,使从母板上剥离镍板发生困难。而改用钛后钛与电解上去的镍不沾结,大大减轻了劳动强度。另一方面,不锈钢板只能使用一年左右,而钛板可以使用10年以上,使用寿命延长了10倍。
随着工业的发展,在沿海地区大力开采石油;大量建立发电厂和淡化海水工厂,在沿海地区设的工厂使用的设备与海水接触的要考虑到海水腐蚀问题。如在发电厂中利用海水冷却的冷凝器,过去用铝黄铜管制成,为了防止泄漏,必须设置附属设备。后改用钛管后,大大降低了泄漏率,所以取消了附属设备,使生产成本下降,操作简化,收到了很大好处,在国外有的国家已规定:在原子能发电厂,为了安全,必须全部使用钛制冷凝器。在这方面用钛量是相当可观的,是钛应用的一个重要方面,如发电量为60万千瓦的火力发电站,需要钛材60吨。而发电量为110万千瓦的原子能发电站需要钛材多达150吨。
钛还是制作超导材料的重要材料。什么叫超导材料呢?一些物质在很低的温度下,直流电阻突然消失了,也就是说几乎没有电阻了。这种现象,就叫做“超导现象”。具有这种特殊性质的元素、合金和化合物就叫做超导材料。由于没有电阻,在电流通过的时候,不会产生热量,所以超导材料允许通过的电流比我们常用的铜和铝成百倍,上千倍地增加。举个例子来说,铜导线每平方厘米只能通过几百安培的电流,而超导体材料,每平方厘米可以通过几百万安培的电流。用超导材料代替铜、铝来制造电动机、发电机、电器设备、输电线和强磁体等,具有以下优点:体积小、重量轻、能力大、大量节省电能等等,所以超导材料是今后极有发展前途的一种材料。用50%左右的钛和50%左右的铌制成的合金,是目前研究和使用最多的一种超导材料。比如在美国每年生产的100多吨超导材料中,铌钛合金占90%。
钛在医疗卫生方面也得到了应用。经长期试验证明:钛在人体内没有毒性,和人体的分泌物不起作用,对任何杀菌方法都适应,且没有磁性,所以国内外都已经用钛作矫形外科材料和医疗器械。对某些因外伤或者肿瘤而使骨头或关节损坏的病人,现在已经普遍采用钛制的骨头和各种关节来代替损坏的部分。目前已经大量使用的有髋关节、膝关节、肋关节和脊骨等。虽然在人造骨和骨关节上用的钛量不算大,但是它的意义却很大,为不少因失去关节活动能力的病人解除了痛苦,保全了肢体,恢复了功能。
最后,说明一点,目前,钛仍然比不锈钢贵2—3倍,但是使用寿命一般比不锈钢要提高10倍以上。这就是说,使用钛材一次投资是贵了些,可是由于使用时间长,终究还是经济的。另一方面,在生产过程中,由于使用钛材料制的设备,可以减少检修,维护的时间和事故的发生,从而大大改善了劳动条件,减轻了劳动强度。所以钛的应用范围和使用量都在逐年增加。特别是随着工业的发展,科学技术的进步,钛的冶炼技术和工艺流程的改进和提高,成本逐步下降,产量和应用范围必然会进一步扩大。预计在不远的将来,钛将会像钢铁、铜、铝一样,成为我们日常生活中必不可少的一种金属。
我国幅员辽阔,钛的资源非常丰富,我国是世界上钛储量最多的国家之一,这就为我国发展钛工业提供了优越条件。我们相信在实现四个现代化过程中,我国钛工业必将得到大的发展,并且在各个领域里得到更广泛的应用。
(选自《五光十色的稀有金属》,1981年)