التيتانيوم عنصر معدني مهم بالرمز الكيميائي Ti والرقم الذري 22 في الجدول الدوري. إنه ذو بريق معدني أبيض فضي ويمتلك خصائص ممتازة مثل نقطة انصهار عالية، كثافة منخفضة، قوة عالية، ليونة قوية. التيتانيوم هي مادة صناعية حاسمة. إذا كنت تريد معرفة المزيد عن التيتانيوم، يرجى مواصلة القراءة أدناه!
مصطلح آخر للتيتانيوم
يتمتع التيتانيوم بالعديد من المزايا البارزة، مثل: الكثافة المنخفضة، والمرونة القوية، والمقاومة القوية للتآكل، لذلك يُعرف أيضًا باسم "المعدن المعجزة"، أو "المعدن الفضائي"، أو "المعدن البحري".
تاريخ التيتانيوم
في عام 1791، تم اكتشاف التيتانيوم في إنجلترا من قبل الجيولوجيين الهواة وليام جريجوري. في عام 1795، قام الكيميائي الألماني كلابروث، بالرجوع إلى اسم آلهة تيتان من الأساطير اليونانية، بتسمية هذا العنصر الجديد باسم "التيتانيوم". لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1910 عندما حصل الكيميائي الأمريكي هانتر لأول مرة على 99.9% من معدن التيتانيوم النقي عن طريق اختزال TiCl مع الصوديوم. في عام 1940، أنتج عالم لوكسمبورغ كرول أيضًا تيتانيومًا نقيًا باستخدام طريقة اختزال المغنيسيوم. منذ ذلك الحين، أصبحت كل من طريقة اختزال المغنيسيوم وطريقة اختزال الصوديوم عمليتين صناعيتين لإنتاج التيتانيوم.
لون التيتانيوم
يتميز معدن التيتانيوم بمظهر الفولاذ، مع بريق أبيض فضي أو رمادي فضي، وهو معدن انتقالي.
مما يتكون التيتانيوم؟
يتوزع التيتانيوم على نطاق واسع، حيث يشكل حوالي 0.44% من القشرة الأرضية، ويوجد في جميع الصخور والرمال والطين وغيرها من أنواع التربة. ومع ذلك، نظرًا لأن التيتانيوم يتفاعل بسهولة مع الأكسجين، فلا يوجد التيتانيوم النقي في الطبيعة؛ وهو موجود بشكل رئيسي في شكل ثاني أكسيد التيتانيوم. تشتمل خامات التيتانيوم بشكل رئيسي على الإلمنيت والروتيل، ويمكن الحصول على التيتانيوم النقي من خلال تنقية هذه المعادن.
كيف يتم تصنيع التيتانيوم؟
عادة ما يتم إنتاج التيتانيوم باستخدام عملية كرول. أولاً، يتم تسخين خام التيتانيوم لإنتاج رابع كلوريد التيتانيوم السائل (TiCl4). بعد ذلك، تتم عملية التنقية باستخدام التقطير التجزيئي. بعد التقطير، يضاف المغنيسيوم المنصهر لتحويله إلى شكل "إسفنجي". يتم بعد ذلك صهر الإسفنج لتكوين سبائك، والتي تتم معالجتها أيضًا إلى منتجات ميكانيكية مختلفة مثل القضبان والألواح والصفائح والأنابيب. أخيرًا، تتم معالجة هذه المنتجات الميكانيكية وتشكيلها بشكل أكبر، ويتم تطبيق المعالجة السطحية حسب الحاجة لتحسين المنتج.
ما هي الأنواع الرئيسية من التيتانيوم؟
يحتوي التيتانيوم على نوعين من الهياكل متعددة الأشكال، وهما الطور α والطور β. بناءً على الخصائص المتعددة الأشكال للتيتانيوم، يمكن تقسيم سبائك التيتانيوم إلى الفئات الثلاث الرئيسية التالية: سبائك التيتانيوم α، وسبائك التيتانيوم β، وسبائك التيتانيوم α+β.
سبائك ألفا تيتانيوم
تنقسم سبائك ألفا تيتانيوم أيضًا إلى سبائك ألفا الكاملة وسبائك قريبة من ألفا. إنها سبائك أحادية الطور تتكون من محلول صلب في طور ألفا. إنها تتميز بخصائص عمل جيدة على البارد والساخن، هيكل مستقر، ومقاومة قوية للأكسدة.
سبائك بيتا تيتانيوم
وتنقسم سبائك بيتا التيتانيوم أيضًا إلى سبائك بيتا المستقرة، وسبائك بيتا شبه المستقرة، وسبائك قريبة من بيتا. وهي عبارة عن سبائك أحادية الطور مكونة من محلول صلب من مرحلة بيتا وتظهر خصائص قوة ممتازة، مما يحقق مستويات عالية من القوة. كما أنها تمتلك مقاومة قوية للتآكل وقابلية اللحام.
سبائك التيتانيوم α+β (ألفا+بيتا).
إنها سبيكة ثنائية الطور ذات خصائص شاملة جيدة، بما في ذلك الهيكل المستقر والمتانة الجيدة واللدونة الجيدة ومقاومة التشوه بدرجة الحرارة العالية. يمكن تقوية السبيكة من خلال عمليات مثل الضغط الساخن والتبريد ومعالجة الشيخوخة.
ما هي الدرجات المشتركة من التيتانيوم؟
الصف 1
التيتانيوم النقي التجاري من الدرجة الأولى هو أنعم أنواع التيتانيوم وأكثرها ليونة. إنه يوفر أقصى قابلية للتشكيل، ومقاومة ممتازة للتآكل، وصلابة عالية التأثير. إنها المادة المفضلة للتطبيقات التي تتطلب سهولة التشكيل ويشيع استخدامها في صناعات الطيران والسيارات وتوليد الطاقة.
الصف 2
التيتانيوم النقي التجاري من الدرجة الثانية هو التيتانيوم النقي التجاري الأكثر استخدامًا، مع قوة معتدلة وخصائص ممتازة للتشكيل على البارد. بالمقارنة مع درجات التيتانيوم النقي التجارية الأخرى، فإن التيتانيوم من الدرجة 2 أضعف قليلاً من الدرجة 2 ولكنه أقوى من الدرجة 3، في حين لا يزال يوفر مقاومة للتآكل. نظرًا لمقاومته للتآكل، فإنه يستخدم بشكل شائع في الصناعات البحرية والطبية وتوليد الطاقة والبترول.
الصف 3
التيتانيوم من الدرجة 3 هو الأقل استخدامًا بين درجات التيتانيوم النقي التجاري، لكنه لا يقلل من قيمته. لديها قوة عالية، مقاومة جيدة للتآكل، وقابلية اللحام. قوتها أعلى من الدرجة 1 والدرجة 2، ولكن ليونة أقل من الدرجتين الأخريين. يتم استخدامه بشكل شائع في الصناعة البحرية والفضاء وصناعات المعالجة الكيميائية.
الصف 4
يعتبر التيتانيوم من الدرجة 4 هو الأقوى بين درجات التيتانيوم النقي التجارية، والمعروف بمقاومته الممتازة للتآكل، وقابلية التشكيل الجيدة، وقابلية اللحام. يتم استخدامه بشكل شائع في مجال الطيران والمعالجة الكيميائية والصناعات الطبية لتطبيقات مثل هياكل هيكل الطائرة والمبادلات الحرارية والأجهزة الجراحية وما إلى ذلك.
الصف 5 أو تي 6Al-4V
يشار إلى التيتانيوم من الدرجة الخامسة، والمعروف أيضًا باسم Ti5Al-6V، باسم "العمود الفقري" لسبائك التيتانيوم وهو الأكثر استخدامًا بين جميع سبائك التيتانيوم، وهو ما يمثل 4% من إجمالي استخدام التيتانيوم العالمي. تتميز هذه السبيكة بخفة الوزن، وقوتها العالية للغاية، ومقاومتها للحرارة، ومقاومة التآكل، وقابلية التشكيل. ولذلك، فهو مفضل للغاية في صناعة الطيران لتصنيع المحركات، والمكونات الهيكلية، والمثبتات.
الصف 6 أو Ti 5Al-2.5Sn
يتمتع التيتانيوم من الدرجة 6 بثبات قوي للغاية ويحافظ على قابلية اللحام الجيدة والقوة حتى في درجات الحرارة المرتفعة. كما أنه يعرض خصائص معالجة ممتازة. يتم استخدامه بشكل شائع لأغلفة المحركات التوربينية ومكونات الطائرات وأجزاء المعالجة الكيميائية.
الصف 7
يشبه التيتانيوم من الدرجة 7 التيتانيوم من الدرجة 2، باستثناء إضافة عنصر البلاديوم الخلالي (في نطاق 0.12% إلى 0.25%)، مما يعزز قدرته على مقاومة تآكل الشقوق. يُظهر الصف 7 أيضًا قابلية لحام ممتازة وهو الأكثر مقاومة للتآكل بين جميع سبائك التيتانيوم. ويستخدم عادة في التصنيع الكيميائي، وتحلية مياه البحر، وإنتاج الطاقة.
الصف 11
التيتانيوم من الدرجة 11، والمعروف أيضًا باسم CP Ti-0.15Pd، هو تيتانيوم تجاري نقي يشبه الدرجة 1 والدرجة 2، مع إضافة كمية صغيرة من البلاديوم لتعزيز مقاومة التآكل. يمكن استخدامه لمنع تآكل الشقوق وتقليل الأحماض في بيئات الكلوريد. يُظهر التيتانيوم من الدرجة 11 أيضًا ليونة عالية، وقابلية للتشكيل على البارد، وقوة مفيدة، وصلابة تأثير، وقابلية لحام ممتازة. يستخدم عادة في المعالجة الكيميائية والمبادلات الحرارية.
الصف 12 أو Ti 0.3-Mo 0.8-Ni
التيتانيوم من الدرجة 12، والمعروف أيضًا باسم Ti 0.3 Mo 0.8 Ni، عبارة عن سبيكة شديدة المقاومة للتآكل تحتوي على كميات صغيرة من النيكل والموليبدينوم. تعمل هذه العناصر على تعزيز مقاومة التآكل وزيادة قوة السبائك. يتم استخدامه بشكل شائع في تطبيقات مثل السفن أو منصات الحفر البحرية.
الصف 23 أو Ti 6AL-4V ELI
يتميز التيتانيوم من الدرجة 123، والمعروف أيضًا باسم Ti 6Al-4V ELI، بالليونة العالية، والقوة العالية، وخفة الوزن، ومقاومة التآكل، والمتانة العالية. هذا هو الخيار المفضل لتطبيقات طب الأسنان والطبية.
ما هي درجة التيتانيوم الأفضل؟
يُعرف التيتانيوم من الدرجة 5 (Ti 6Al-4V) باسم "العمود الفقري" لأنه يمثل نصف الطلب على التيتانيوم. نظرًا لمجموعة واسعة من الخصائص المرغوبة، فقد أصبح درجة التيتانيوم الأكثر استخدامًا. يتمتع التيتانيوم من الدرجة 5 بقوة عالية، وليونة عالية، ومقاومة قوية للتآكل، واستقرار حراري ممتاز، وسهل المعالجة والشكل، مما يجعله يستخدم على نطاق واسع في صناعات مثل الفضاء الجوي والبحرية.
ما هي تكلفة التيتانيوم؟
تبلغ تكلفة التيتانيوم النقي التجاري حوالي 23-25 دولارًا للكيلوغرام الواحد، بينما تبلغ تكلفة سبائك التيتانيوم حوالي 27-30 دولارًا للكيلوغرام الواحد.
ما هو أرخص درجة التيتانيوم؟
في الوقت الحالي، يعد سعر التيتانيوم من الدرجة الأولى أرخص نسبيًا، ويعتمد ذلك بشكل أساسي على متطلبات التطبيق المحددة وظروف العرض في السوق.
ما هي درجة التيتانيوم المستخدمة في الأنودة
يمكن استخدام كل من التيتانيوم من الدرجة 2 والدرجة 3 في معالجة الأنودة.
ما هي خصائص التيتانيوم؟
فيما يلي الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتيتانيوم:
الخصائص الفيزيائية
الكثافة: 4.5 جرام/سم مكعب
اللون: بريق معدني فضي-أبيض
قوة: تعتمد قوة التيتانيوم على درجة التيتانيوم وتركيز عناصر السبائك.
وفرة: التيتانيوم هو العنصر التاسع الأكثر وفرة في القشرة الأرضية، وهو موجود تقريبًا في جميع الصخور والرواسب.
مقاومة درجات الحرارة: يمكن أن يتحمل التيتانيوم درجات حرارة أعلى وأقل مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم.
ليونة: تتراوح ليونة التيتانيوم من 6% استطالة (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) إلى 25% (نقي تجاريًا من الدرجة 1).
الخواص الكيميائية
أكسدة: نظرًا لقدرته العالية على الأكسدة، لا يوجد التيتانيوم في شكله النقي في الطبيعة بل على شكل أكاسيد في الصخور والمعادن.
التفاعل: يتفاعل مع الأحماض والهالوجينات عند درجات حرارة عالية ولكنه لا يتفاعل مع القلويات على الإطلاق.
المقاومة للتآكل: يتمتع التيتانيوم بمقاومة قوية للغاية للتآكل، فهو يقاوم التآكل الناتج عن الأحماض والقلويات ومياه البحر، لأن جزيئات الأكسجين تتحد مع التيتانيوم لتكوين أكسيد التيتانيوم.
التشغيل في الماكينات: من السهل معالجتها إلى أشكال مختلفة من المنتجات، مثل القضبان، والألواح، والأنابيب، وما إلى ذلك.
عملية تصنيع معدن التيتانيوم
يتم استخدام عملية كرول لتحويل التيتانيوم الخام إلى معدن التيتانيوم. تشمل خطوات هذه العملية الاستخلاص، والتنقية، وإنتاج الإسفنج، وتصنيع السبائك، بالإضافة إلى التشكيل والتشكيل.
استخلاص
يتم استخراج المركزات عالية الجودة من الخامات الخام مثل الإلمنيت والروتيل وإرسالها إلى المصانع للمعالجة. بعد المعالجة المسبقة لإزالة محتوى الحديد، يتم وضع الإلمنيت في مفاعل ذو طبقة مميعة يحتوي على الكلور والكربون ويتم تسخينه إلى 900 درجة مئوية. أثناء التفاعل الكيميائي، يتم إنتاج رابع كلوريد التيتانيوم مع أول أكسيد الكربون. يحتوي رابع كلوريد التيتانيوم على شوائب يجب إزالتها لتحضير ثاني أكسيد التيتانيوم.
طهارة
يخضع رابع كلوريد التيتانيوم للتقطير الفراغي بدرجة حرارة عالية لتنقيته. يتم تسخين المعدن الناتج أثناء عملية الاستخراج في خزانات التقطير الكبيرة. تستخدم عملية التنقية التقطير التجزيئي والترسيب لفصل الشوائب. بسبب اختلاف نقاط الغليان للعناصر المختلفة، أثناء عملية التقطير، تتم إزالة العناصر المختلفة عندما تصل إلى نقاط الغليان الخاصة بها. وتشمل الشوائب التي تمت إزالتها الفاناديوم والسيليكون والمغنيسيوم والزركونيوم والحديد.
تشكيل الاسفنج
مع تكوين الإسفنج، يتم سكب رابع كلوريد التيتانيوم المنقى في أوعية التفاعل المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ في شكل سائل. يضاف المغنسيوم، ويسخن الخليط إلى 1100 درجة مئوية ليتفاعل مع الكلور لينتج كلوريد المغنسيوم. يتم ضخ غاز الأرجون لإزالة الهواء، ومنع التفاعلات مع الأكسجين والنيتروجين. يتم استخراج التيتانيوم المنتج من خلال الحفر ومعالجته بخليط من الماء وحمض الهيدروكلوريك لإزالة المغنيسيوم الزائد وكلوريد المغنيسيوم. التيتانيوم الناتج يكون في شكل إسفنجي.
خلق سبائك
يتم خلط التيتانيوم الإسفنجي النقي مع مختلف السبائك والمعادن الخردة لتصنيع السبائك. وبعد صهر المعادن وخلطها بنسب مناسبة، يتم ضغط القطع ولحامها لتكوين أقطاب إسفنجية. يتم صهرها في فرن القوس الفراغي لتشكيل سبائك لمزيد من المعالجة في مختلف المنتجات الصناعية والتجارية.
التشكيل والتشكيل
تتم إزالة السبائك من الفرن، وفحصها، وتعبئتها، ونقلها لتصنيع منتجات سبائك التيتانيوم. يتم فحص خصائص كل سبيكة للتأكد من أنها تلبي متطلبات العملاء. تخضع السبائك لعمليات مختلفة مثل اللحام والتشكيل والصب والتزوير وتعدين المساحيق أثناء عملية تصنيع المنتج.
ما هي فوائد التيتانيوم؟
قوة عالية
يتمتع التيتانيوم بقوة ممتازة، مما يجعله أحد أقوى المعادن في الجدول الدوري. نظرًا لكثافته المنخفضة، فإن التيتانيوم خفيف الوزن أيضًا.
المقاومة للتآكل
يتفاعل التيتانيوم بسهولة مع الأكسجين، ويشكل طبقة أكسيد رقيقة على سطحه، مما يوفر مقاومة طبيعية للتآكل.
توافق مع الحياة
التيتانيوم غير سام ومتوافق حيويًا مع كل من البشر والحيوانات. ولذلك، كثيرا ما يستخدم التيتانيوم في الصناعات الطبية وطب الأسنان.
معامل التمدد الحراري المنخفض
يتمتع التيتانيوم بمعامل تمدد حراري منخفض، مما يؤدي إلى الحد الأدنى من التمدد والانكماش عند درجات الحرارة القصوى، مما يؤدي إلى استقرار هيكلي أعلى.
نقطة انصهار عالية
يتمتع التيتانيوم بنقطة انصهار عالية للغاية (حوالي 1668 درجة مئوية)، مما يجعله مناسبًا للغاية للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مثل المسابك والمحركات النفاثة التوربينية.
إمكانيات تصنيع ممتازة
على الرغم من كونه معدنًا قويًا جدًا، إلا أن التيتانيوم أيضًا ناعم وقابل للسحب. وهذا يسمح بتصنيع مكونات التيتانيوم باستخدام عمليات التصنيع المختلفة.
ما هي حدود التيتانيوم؟
غالية
يعتبر التيتانيوم معدنًا نادرًا، كما أن عملية تنقيته مكلفة ومعقدة.
من الصعب تشكيلها
ويلزم وجود آلات متقدمة ومعدات متخصصة لتشكيلها في أشكال مفيدة.
يتفاعل في درجات حرارة عالية
وهذا يجعل تصنيع التيتانيوم النقي وسبائك التيتانيوم مرهقًا ويخضع لرقابة شديدة. يجب أن يتم إنتاج التيتانيوم في بيئات لاهوائية تخضع لرقابة صارمة.
ضعف التوصيل الحراري
التيتانيوم مادة ذات توصيل حراري ضعيف، مما يجعل من الصعب معالجتها.
ما هي تطبيقات التيتانيوم؟
فضاء
يتم تقييم سبائك التيتانيوم في الفضاء الصناعة لنسبة قوتها إلى كثافتها العالية، ومقاومتها للتآكل، وقدرتها على تحمل درجات الحرارة المعتدلة دون زحف.
قطاع المعدات الثقيلة
يُفضل التيتانيوم في صناعة السيارات بسبب كثافته المنخفضة، ونسبة القوة إلى الوزن العالية، ومقاومته للتآكل، ومقاومته للحرارة.
صناعي
يستخدم التيتانيوم على نطاق واسع في البيئات الصناعية بسبب قوته العالية ومقاومته للتآكل وخفة وزنه ومتانته. وتشمل تطبيقاته المبادلات الحرارية، والصمامات، والأنابيب، وقضبان التوصيل.
المنشآت الطبية
التيتانيوم غير سام ومتوافق حيويًا مع عظام الإنسان، مما يجعله مناسبًا للغاية للتطبيقات الطبية. وله خصائص متأصلة لتكامل العظام ويمكن استخدامه في زراعة الأسنان التي يمكن أن تستمر لأكثر من 30 عامًا، وهو مفيد أيضًا لتطبيقات زراعة العظام.
الآثار الصحية والبيئية لمعدن التيتانيوم
الآثار الصحية للتيتانيوم
معدن التيتانيوم هو مادة متوافقة حيويا مع توافق حيوي ممتاز وغير سامة. يستخدم بشكل شائع في الأدوات الطبية والمزروعات وليس له أي آثار ضارة على جسم الإنسان.
الآثار البيئية للتيتانيوم
لا يطلق التيتانيوم مواد سامة، وبالتالي يتجنب التأثيرات البيئية الضارة. ومع ذلك، أثناء عملية إنتاج التيتانيوم، قد يتم توليد بعض النفايات أو انبعاثات العادم. ومع ذلك، فمن خلال الإدارة الفعالة وتدابير المعالجة الاستباقية، يمكن تقليل التأثير البيئي إلى أقصى حد ممكن.
الأسئلة الشائعة
هل التيتانيوم مقاوم للصدأ؟
نعم، تتمتع سبائك التيتانيوم بمقاومة ممتازة للتآكل ويمكنها تحمل تآكل العديد من المواد الكيميائية.
هل التيتانيوم مغناطيسي؟
بشكل عام، التيتانيوم النقي عادة ما يكون غير مغناطيسي لأن التركيب البلوري للتيتانيوم النقي لا يدعم المغناطيسية. ومع ذلك، قد تظهر بعض سبائك التيتانيوم مغناطيسية، اعتمادًا على أنواع وتركيزات عناصر السبائك.
هل التيتانيوم مضاد للرصاص؟
نعم، يتمتع التيتانيوم بقدرات مضادة للرصاص بالنسبة للمسدسات وبنادق الصيد، ولكن بالنسبة للمعدات العسكرية، فإن التيتانيوم ليس مضادًا للرصاص.
ما هو الفرق بين التيتانيوم والألومنيوم؟
خصائص المواد
التيتانيوم لديه قوة أعلى ومقاومة للتآكل من الألومنيوم، في حين أنه أيضًا أخف وزنًا من الألومنيوم، لكنه أكثر تكلفة. الألومنيوم معدن خفيف الوزن ذو موصلية حرارية وكهربائية جيدة وتكلفة أقل مقارنة بالتيتانيوم.
التطبيقات
يستخدم التيتانيوم بشكل شائع في التطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومقاومة للتآكل، مثل الطيران والأجهزة الطبية. للألمنيوم نطاق واسع من التطبيقات، بما في ذلك الطيران والسيارات والبناء والإلكترونيات.
صعوبة المعالجة
نظرًا لقوته العالية ومقاومته للتآكل، فإن معالجة التيتانيوم أكثر صعوبة، مما يتطلب معدات وتقنيات معالجة عالية المستوى. في المقابل، من السهل نسبيًا معالجة الألومنيوم ويمكن تشكيله وتشكيله باستخدام الطرق التقليدية.
ما هي درجة التيتانيوم المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
يُستخدم التيتانيوم من الدرجة الخامسة، والمعروف أيضًا باسم Ti-5Al-6V، بشكل شائع في الطباعة ثلاثية الأبعاد نظرًا لنسبة القوة إلى الوزن الممتازة وتوافقه الحيوي.
وفي الختام
تقدم هذه المقالة ماهية التيتانيوم، وتاريخ تطوره، وأنواع التيتانيوم، وتصنيف درجات التيتانيوم، ومعلومات أساسية عن خصائصه، وما إلى ذلك. ويتم شرح عملية تشكيل سبائك التيتانيوم بشكل أساسي باستخدام طريقة كرول، إلى جانب مزايا وعيوب التيتانيوم. ومجالات تطبيقه.
إذا كنت ترغب في معرفة المزيد عن التيتانيوم أو لديك متطلبات مخصصة للمنتج، يرجى زيارة موقعنا على الإنترنت.