Il titanio è un importante elemento metallico con il simbolo chimico Ti e il numero atomico 22 nella tavola periodica. Ha una lucentezza metallica bianco-argento e possiede proprietà eccellenti come alto punto di fusione, bassa densità, elevata resistenza e forte duttilità. Titanio è un materiale industriale cruciale. Se vuoi saperne di più sul titanio, continua a leggere qui sotto!
L'altro termine per il titanio
Il titanio presenta molti vantaggi eccezionali, tra cui: bassa densità, forte duttilità e forte resistenza alla corrosione, per questo è noto anche come "metallo miracoloso", "metallo spaziale" o "metallo marino".
La storia del titanio
Nel 1791, il titanio fu scoperto in Inghilterra da un geologo dilettante William Gregory. Nel 1795, il chimico tedesco Klaproth, riferendosi al nome delle divinità dei Titani della mitologia greca, chiamò questo nuovo elemento “Titanio”. Fu solo nel 1910 che il chimico americano Hunter ottenne per la prima volta titanio puro al 99.9% riducendo TiCl con sodio. Nel 1940, lo scienziato lussemburghese Kroll produsse anche titanio puro utilizzando il metodo di riduzione del magnesio. Da allora, sia il metodo di riduzione del magnesio che quello di riduzione del sodio sono diventati processi industriali per la produzione del titanio.
Il colore del titanio
Il metallo titanio ha l'aspetto dell'acciaio, con una lucentezza bianco-argento o grigio-argento, ed è un metallo di transizione.
Di cosa è fatto il titanio?
Il titanio è ampiamente distribuito, rappresenta circa lo 0.44% della crosta terrestre e si trova in tutte le rocce, sabbie, argille e altri terreni. Tuttavia, poiché il titanio reagisce facilmente con l’ossigeno, il titanio puro non si trova in natura; esiste principalmente sotto forma di biossido di titanio. I minerali di titanio includono principalmente ilmenite e rutilo e il titanio puro può essere ottenuto attraverso la purificazione di questi minerali.
Come viene prodotto il titanio?
Il titanio viene solitamente prodotto utilizzando il Processo Kroll. Innanzitutto, il minerale di titanio viene riscaldato per produrre tetracloruro di titanio liquido (TiCl4). Successivamente, la purificazione viene effettuata utilizzando la distillazione frazionata. Dopo la distillazione viene aggiunto magnesio fuso per ridurlo alla forma “spugna”. La spugna viene poi fusa per formare lingotti, che vengono ulteriormente trasformati in vari prodotti meccanici come barre, piastre, lastre e tubi. Infine, questi prodotti meccanici vengono ulteriormente lavorati e modellati e viene applicato il trattamento superficiale necessario per ottimizzare il prodotto.
Quali sono i principali tipi di titanio?
Il titanio ha due tipi di strutture polimorfiche, vale a dire la fase α e la fase β. In base alle caratteristiche polimorfiche del titanio, le leghe di titanio possono essere suddivise nelle seguenti tre categorie principali: leghe di titanio α, leghe di titanio β e leghe di titanio α+β.
Lega alfa titanio
Le leghe alfa di titanio sono ulteriormente suddivise in leghe alfa complete e leghe quasi alfa. Sono leghe monofase composte da soluzione solida in fase alfa. Presentano buone proprietà di lavorazione a freddo e a caldo, struttura stabile e forte resistenza all'ossidazione.
Lega di beta titanio
Le leghe beta di titanio sono ulteriormente suddivise in leghe beta stabili, leghe beta metastabili e leghe quasi beta. Sono leghe monofase composte da soluzione solida della fase beta e presentano eccellenti caratteristiche di resistenza, raggiungendo elevati livelli di resistenza. Possiedono inoltre una forte resistenza alla corrosione e saldabilità.
Lega di titanio α+β (Alfa+Beta).
È una lega bifase con buone proprietà complete, tra cui struttura stabile, buona tenacità, buona plasticità e resistenza alla deformazione ad alta temperatura. La lega può essere rafforzata attraverso processi quali pressatura a caldo, tempra e trattamento di invecchiamento.
Quali sono i gradi comuni di titanio?
Grade 1
Il titanio puro commerciale di grado 1 è il tipo di titanio più morbido e duttile. Offre la massima formabilità, eccellente resistenza alla corrosione ed elevata tenacità agli urti. È il materiale preferito per applicazioni che richiedono facilità di formatura ed è comunemente utilizzato nei settori aerospaziale, automobilistico e della produzione di energia.
Grade 2
Il titanio puro commerciale di grado 2 è il titanio puro commerciale più comunemente utilizzato, con resistenza moderata ed eccellenti proprietà di formatura a freddo. Rispetto ad altri gradi di titanio puro commerciale, il titanio di grado 2 è leggermente più debole del grado 3 ma più resistente del grado 1, pur offrendo resistenza alla corrosione. Grazie alla sua resistenza alla corrosione, è comunemente utilizzato nei settori marittimo, medico, della produzione di energia e petrolifero.
Grade 3
Il titanio di grado 3 è il meno utilizzato tra i gradi di titanio puro commerciale, ma non ne diminuisce il valore. Ha elevata resistenza, buona resistenza alla corrosione e saldabilità. La sua resistenza è superiore al Grado 1 e al Grado 2, ma la sua duttilità è inferiore rispetto agli altri due gradi. È comunemente usato nell'industria marittima, aerospaziale e di lavorazione chimica.
Grade 4
Il titanio di grado 4 è considerato il più resistente tra i gradi di titanio puro commerciale, noto per la sua eccellente resistenza alla corrosione, buona formabilità e saldabilità. È comunemente utilizzato nell'industria aerospaziale, chimica e medica per applicazioni quali strutture di cellule aeree, scambiatori di calore, hardware chirurgico, ecc.
Grado 5 o Ti 6Al-4V
Il titanio di grado 5, noto anche come Ti6Al-4V, è definito il “cavallo di battaglia” delle leghe di titanio ed è il più comunemente utilizzato tra tutte le leghe di titanio, rappresentando il 50% dell’utilizzo totale globale di titanio. Questa lega è caratterizzata da leggerezza, resistenza estremamente elevata, resistenza al calore, resistenza alla corrosione e formabilità. Pertanto, è molto apprezzato nell'industria aerospaziale per la produzione di motori, componenti strutturali e elementi di fissaggio.
Grado 6 o Ti 5Al-2.5Sn
Il titanio di grado 6 ha una stabilità estremamente forte e mantiene una buona saldabilità e resistenza anche a temperature elevate. Presenta anche eccellenti proprietà di lavorazione. Viene comunemente utilizzato per involucri di motori a turbina, componenti di aeromobili e parti di lavorazione chimica.
Grade 7
Il titanio di grado 7 è simile al titanio di grado 2, ad eccezione dell'aggiunta dell'elemento interstiziale palladio (nell'intervallo dallo 0.12% allo 0.25%), che ne migliora la capacità di resistere alla corrosione interstiziale. Il grado 7 mostra anche un'eccellente saldabilità ed è la più resistente alla corrosione tra tutte le leghe di titanio. È comunemente usato nella produzione chimica, nella desalinizzazione dell'acqua di mare e nella produzione di energia.
Grade 11
Il titanio di grado 11, noto anche come CP Ti-0.15Pd, è un titanio puro commerciale simile al grado 1 e al grado 2, con l'aggiunta di una piccola quantità di palladio per migliorare la resistenza alla corrosione. Può essere utilizzato per prevenire la corrosione interstiziale e ridurre gli acidi negli ambienti contenenti cloruro. Il titanio di grado 11 presenta anche elevata duttilità, formabilità a freddo, resistenza utile, resistenza agli urti ed eccellente saldabilità. È comunemente usato nei processi chimici e negli scambiatori di calore.
Grado 12 o Ti 0.3-Mo 0.8-Ni
Il titanio di grado 12, noto anche come Ti 0.3 Mo 0.8 Ni, è una lega altamente resistente alla corrosione contenente piccole quantità di nichel e molibdeno. Questi elementi migliorano la resistenza alla corrosione e aumentano la resistenza della lega. È comunemente usato in applicazioni come navi o piattaforme di perforazione offshore.
Grado 23 o Ti 6AL-4V ELI
Il titanio di grado 123, noto anche come Ti 6Al-4V ELI, è caratterizzato da elevata duttilità, elevata resistenza, leggerezza, resistenza alla corrosione ed elevata tenacità. È la scelta preferita per applicazioni dentali e mediche.
Quale grado di titanio è il migliore?
Il titanio di grado 5 (Ti 6Al-4V) è noto come il “cavallo di battaglia” perché rappresenta la metà della domanda di titanio. Grazie alla sua vasta gamma di proprietà desiderabili, è diventato il grado di titanio più comunemente utilizzato. Il titanio di grado 5 ha elevata resistenza, elevata duttilità, forte resistenza alla corrosione, eccellente stabilità termica ed è facile da lavorare e modellare, il che lo rende ampiamente utilizzato in settori come quello aerospaziale e marino.
Qual è il costo del titanio?
Il costo del titanio puro commerciale è di circa 23-25 dollari al chilogrammo, mentre il costo delle leghe di titanio è di circa 27-30 dollari al chilogrammo.
Qual è il grado di titanio più economico?
Attualmente, il prezzo del titanio di grado 1 è relativamente più economico, principalmente a seconda dei requisiti applicativi specifici e delle condizioni di offerta del mercato.
Quale grado di titanio viene utilizzato per l'anodizzazione
Sia il titanio di grado 2 che quello di grado 3 possono essere utilizzati per il trattamento di anodizzazione.
Quali sono le proprietà del titanio?
Di seguito sono riportate le proprietà fisiche e chimiche del titanio:
Proprietà fisiche
Densità: 4.5 grammi/centimetro cubo
Colore: Lucentezza metallica bianco-argento
Forza: La resistenza del titanio dipende dal grado del titanio e dalla concentrazione dei suoi elementi leganti.
Abbondanza: Il titanio è il nono elemento più abbondante nella crosta terrestre, quasi presente in tutte le rocce e i sedimenti.
Resistenza alla temperatura: Il titanio può resistere a temperature più alte e più basse rispetto all'acciaio inossidabile e all'alluminio.
Duttilità: La duttilità del titanio varia dal 6% di allungamento (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) al 25% (grado 1 commercialmente puro).
Proprietà chimica
Ossidazione: A causa del suo elevato potenziale di ossidazione, il titanio non esiste in natura nella sua forma pura ma piuttosto sotto forma di ossidi nelle rocce e nei minerali.
Reattività: Reagisce con acidi e alogeni ad alte temperature ma non reagisce affatto con gli alcali.
Resistenza alla corrosione: Il titanio ha una resistenza alla corrosione estremamente forte, resistendo alla corrosione di acidi, alcali e acqua di mare, perché le molecole di ossigeno si combinano con il titanio per formare ossido di titanio.
Lavorabilità: È facile da trasformare in varie forme di prodotti, come aste, piastre, tubi, ecc.
Processo di fabbricazione del metallo di titanio
Il processo Kroll viene utilizzato per convertire il titanio grezzo in titanio metallico. Le fasi di questo processo comprendono l'estrazione, la purificazione, la produzione di spugne, la produzione di leghe, nonché la modellatura e la formatura.
Estrazione
I concentrati di alta qualità vengono estratti da minerali grezzi come ilmenite e rutilo e inviati alle fabbriche per la lavorazione. Dopo il pretrattamento per rimuovere il contenuto di ferro, l'ilmenite viene posta in un reattore a letto fluidizzato contenente cloro e carbonio e riscaldata a 900°C. Durante la reazione chimica, viene prodotto tetracloruro di titanio insieme al monossido di carbonio. Il tetracloruro di titanio contiene impurità che devono essere rimosse per preparare il biossido di titanio.
Purificazione
Il tetracloruro di titanio viene sottoposto a distillazione sotto vuoto ad alta temperatura per la purificazione. Il metallo prodotto durante il processo di estrazione viene riscaldato in grandi vasche di distillazione. Il processo di purificazione utilizza la distillazione frazionata e la precipitazione per separare le impurità. A causa dei diversi punti di ebollizione dei vari elementi, durante il processo di distillazione, i vari elementi vengono rimossi quando raggiungono il punto di ebollizione. Le impurità rimosse includono vanadio, silicio, magnesio, zirconio e ferro.
Formazione di spugne
Con la formazione della spugna, il tetracloruro di titanio purificato viene versato in recipienti di reazione di acciaio inossidabile in forma liquida. Viene aggiunto magnesio e la miscela viene riscaldata a 1100°C per reagire con il cloro per produrre cloruro di magnesio. Il gas argon viene pompato per rimuovere l'aria, prevenendo reazioni con ossigeno e azoto. Il titanio prodotto viene estratto mediante perforazione e trattato con una miscela di acqua e acido cloridrico per rimuovere il magnesio in eccesso e il cloruro di magnesio. Il titanio risultante è sotto forma di spugna.
Creazione di leghe
Il titanio spugnoso puro viene miscelato con varie leghe e rottami metallici per produrre leghe. Dopo aver fuso e miscelato i metalli nelle proporzioni appropriate, i pezzi vengono compattati e saldati per formare elettrodi in spugna. Questi vengono fusi in un forno ad arco sotto vuoto per formare lingotti per l'ulteriore trasformazione in vari prodotti industriali e commerciali.
Formare e Formare
I lingotti vengono rimossi dal forno, ispezionati, imballati e trasportati per la produzione di prodotti in lega di titanio. Le proprietà di ciascun lingotto vengono ispezionate per garantire che soddisfino i requisiti del cliente. I lingotti subiscono diversi processi come saldatura, sagomatura, fusione, forgiatura e metallurgia delle polveri durante il processo di fabbricazione del prodotto.
Quali sono i vantaggi del titanio?
Alta resistenza
Il titanio possiede un'eccellente resistenza, rendendolo uno dei metalli più resistenti della tavola periodica. A causa della sua bassa densità, il titanio è anche molto leggero.
Resistenza alla corrosione
Il titanio reagisce prontamente con l'ossigeno, formando un sottile strato di ossido sulla sua superficie, che fornisce una naturale resistenza alla corrosione.
biocompatibilità
Il titanio è atossico e biocompatibile sia con l'uomo che con gli animali. Pertanto, il titanio è spesso utilizzato nell’industria medica e dentale.
Basso coefficiente di espansione termica
Il titanio ha un basso coefficiente di dilatazione termica, con conseguente espansione e contrazione minima a temperature estreme, portando a una maggiore stabilità strutturale.
Alto punto di fusione
Il titanio ha un punto di fusione estremamente elevato (circa 1668°C), che lo rende particolarmente adatto per applicazioni ad alta temperatura come fonderie e motori a turbina.
Eccellenti possibilità di produzione
Nonostante sia un metallo molto resistente, il titanio è anche morbido e duttile. Ciò consente di produrre componenti in titanio utilizzando vari processi di produzione.
Quali sono i limiti del titanio?
Costoso
Il titanio è considerato un metallo raro e la sua purificazione è costosa e complessa.
Difficile da modellare
Per modellarlo in forme utili sono necessari macchinari avanzati e attrezzature specializzate.
Reagisce alle alte temperature
Ciò rende la produzione di titanio puro e leghe di titanio complessa e altamente controllata. La produzione del titanio deve essere condotta in ambienti anaerobici rigorosamente controllati.
Scarsa conduttività termica
Il titanio è un materiale con scarsa conduttività termica, che ne rende difficile la lavorazione.
Quali sono le applicazioni del titanio?
Aeronautico
Le leghe di titanio sono apprezzate nel aerospaziale industria per il loro elevato rapporto resistenza/densità, resistenza alla corrosione e capacità di resistere a temperature moderate senza scorrimento.
Automotive
Il titanio è preferito nell'industria automobilistica grazie alla sua bassa densità, all'elevato rapporto resistenza/peso, alla resistenza alla corrosione e al calore.
Industria
Il titanio è ampiamente utilizzato negli ambienti industriali grazie alla sua elevata resistenza, resistenza alla corrosione, leggerezza e durata. Le sue applicazioni includono scambiatori di calore, valvole, tubi e bielle.
Medicale
Il titanio è atossico e biocompatibile con le ossa umane, il che lo rende particolarmente adatto per applicazioni mediche. Ha proprietà intrinseche per l'integrazione ossea e può essere utilizzato per impianti dentali che possono durare più di 30 anni, il che è utile anche per applicazioni di impianti ortopedici.
Effetti sulla salute e sull'ambiente del metallo titanio
Effetti sulla salute del titanio
Il titanio metallico è un materiale biocompatibile con eccellente biocompatibilità e non è tossico. È comunemente usato negli strumenti e negli impianti medici e non ha effetti dannosi sul corpo umano.
Effetti ambientali del titanio
Il titanio non rilascia sostanze tossiche, evitando così impatti ambientali negativi. Tuttavia, durante il processo di produzione del titanio, possono essere generati alcuni rifiuti o emissioni di gas di scarico. Tuttavia, con una gestione efficace e misure di trattamento proattive, l’impatto ambientale può essere ridotto al minimo nella massima misura possibile.
FAQ
Il titanio è resistente alla ruggine?
Sì, le leghe di titanio hanno un'eccellente resistenza alla corrosione e possono resistere all'erosione di molti prodotti chimici.
Il titanio è magnetico?
In generale, il titanio puro è tipicamente non magnetico perché la struttura cristallina del titanio puro non supporta il magnetismo. Tuttavia, alcune leghe di titanio possono presentare magnetismo, a seconda del tipo e della concentrazione degli elementi di lega.
Il titanio è antiproiettile?
Sì, il titanio ha capacità antiproiettile per pistole e fucili da caccia, ma per le attrezzature di livello militare, il titanio non è a prova di proiettile.
Qual è la differenza tra titanio e alluminio?
Caratteristiche del materiale
Il titanio ha una robustezza e una resistenza alla corrosione più elevate rispetto al titanio alluminio, pur essendo più leggero dell'alluminio, ma è più costoso. L'alluminio è un metallo leggero con una buona conduttività termica ed elettrica e un costo inferiore rispetto al titanio.
Applicazioni
Il titanio è comunemente usato in applicazioni che richiedono elevata robustezza e resistenza alla corrosione, come i dispositivi aerospaziali e medici. L’alluminio ha una gamma più ampia di applicazioni, tra cui aerospaziale, automobilistica, edile ed elettronica.
Difficoltà di elaborazione
A causa della sua maggiore robustezza e resistenza alla corrosione, il titanio è più difficile da lavorare e richiede attrezzature e tecniche di lavorazione di livello superiore. Al contrario, l’alluminio è relativamente facile da lavorare e può essere lavorato e formato utilizzando metodi convenzionali.
Quale grado di titanio viene utilizzato per la stampa 3D?
Il titanio di grado 5, noto anche come Ti-6Al-4V, è comunemente utilizzato nella stampa 3D grazie al suo eccellente rapporto resistenza/peso e alla biocompatibilità.
Conclusione
Questo articolo presenta cos'è il titanio, la sua storia di sviluppo, i tipi di titanio, la classificazione dei gradi di titanio, le informazioni di base sulle sue caratteristiche, ecc. Il processo di formazione delle leghe di titanio viene spiegato principalmente utilizzando il metodo Kroll, insieme ai vantaggi e agli svantaggi del titanio. e i suoi ambiti di applicazione.
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