טיטניום הוא יסוד מתכתי חשוב עם הסמל הכימי Ti ומספר האטומי 22 בטבלה המחזורית. יש לו ברק מתכתי לבן כסוף ובעל תכונות מצוינות כמו נקודת התכה גבוהה, צפיפות נמוכה, חוזק גבוה וגמישות חזקה. טיטניום הוא חומר תעשייתי חיוני. אם אתה רוצה ללמוד עוד על טיטניום, אנא המשך לקרוא למטה!
המונח הנוסף לטיטניום
לטיטניום יתרונות בולטים רבים, כגון: צפיפות נמוכה, משיכות חזקה ועמידות בפני קורוזיה חזקה, ולכן הוא ידוע גם בשם "מתכת פלא", "מתכת חלל" או "מתכת ימית".
ההיסטוריה של טיטניום
בשנת 1791, טיטניום התגלה באנגליה על ידי גיאולוג חובב וויליאם גרגור. בשנת 1795, הכימאי הגרמני קלפרות', בהתייחס לשם אלוהויות הטיטאן מהמיתולוגיה היוונית, כינה את היסוד החדש הזה "טיטניום". רק בשנת 1910, הכימאי האמריקני האנטר השיג לראשונה 99.9% מתכת טיטניום טהורה על ידי הפחתת TiCl עם נתרן. בשנת 1940, המדען מלוקסמבורג קרול ייצר גם טיטניום טהור בשיטת הפחתת המגנזיום. מאז הפכו גם שיטת הפחתת המגנזיום וגם שיטת הפחתת הנתרן לתהליכים תעשייתיים לייצור טיטניום.
הצבע של טיטניום
למתכת טיטניום יש מראה של פלדה, עם ברק כסוף-לבן או כסוף-אפור, והיא מתכת מעבר.
ממה עשוי טיטניום?
טיטניום נמצא בתפוצה רחבה, מהווה כ-0.44% מקרום כדור הארץ, והוא נמצא בכל הסלעים, החולות, החרסיות וקרקעות אחרות. עם זאת, מכיוון שטיטניום מגיב בקלות עם חמצן, טיטניום טהור אינו נמצא בטבע; הוא קיים בעיקר בצורה של טיטניום דו חמצני. עפרות טיטניום כוללות בעיקר אילמניט ורוטיל, וניתן להשיג טיטניום טהור באמצעות טיהור של מינרלים אלו.
איך מייצרים טיטניום?
טיטניום מיוצר בדרך כלל באמצעות תהליך קרול. ראשית, מחממים עפרות טיטניום כדי לייצר טיטניום טטרכלוריד נוזלי (TiCl4). לאחר מכן, הטיהור נעשה באמצעות זיקוק חלקי. לאחר הזיקוק, מוסיפים מגנזיום מותך כדי לצמצם אותו לצורת "ספוג". לאחר מכן נמס הספוג ליצירת מטיל, אשר עובר עיבוד נוסף למוצרים מכניים שונים כגון מוטות, צלחות, יריעות וצינורות. לבסוף, מוצרים מכניים אלה עוברים עיבוד ומעצבים, וטיפול פני השטח מוחל לפי הצורך כדי לייעל את המוצר.
מהם הסוגים העיקריים של טיטניום?
לטיטניום שני סוגים של מבנים פולימורפיים, כלומר שלב α ושלב β. בהתבסס על המאפיינים הפולימורפיים של טיטניום, ניתן לחלק סגסוגות טיטניום לשלוש הקטגוריות העיקריות הבאות: סגסוגות טיטניום α, סגסוגות טיטניום β וסגסוגות טיטניום α+β.
סגסוגת אלפא טיטניום
סגסוגות אלפא טיטניום מחולקות עוד יותר לסגסוגות אלפא מלאות וסגסוגות כמעט אלפא. הן סגסוגות חד-פאזיות המורכבות מתמיסת אלפא פאזה מוצקה. הם מציגים תכונות טובות לעבודה קרה וחמה, מבנה יציב ועמידות חזקה לחמצון.
סגסוגת בטא טיטניום
סגסוגות בטא טיטניום מחולקות עוד יותר לסגסוגות בטא יציבות, סגסוגות בטא מטסטיות וסגסוגות כמעט בטא. הן סגסוגות חד-פאזיות המורכבות מתמיסת בטא פאזה מוצקה ומציגות מאפייני חוזק מצוינים, ומשיגות רמות חוזק גבוהות. יש להם גם עמידות חזקה בפני קורוזיה ויכולת ריתוך.
α+β (אלפא+בטא) סגסוגת טיטניום
זוהי סגסוגת דו-פאזית עם תכונות מקיפות טובות, כולל מבנה יציב, קשיחות טובה, פלסטיות טובה ועמידות לדפורמציה בטמפרטורה גבוהה. ניתן לחזק את הסגסוגת באמצעות תהליכים כמו כבישה חמה, מרווה וטיפול יישון.
מהן הדרגות הנפוצות של טיטניום?
הכיתה 1
טיטניום טהור מסחרי דרגה 1 הוא הסוג הרך והרקיע ביותר של טיטניום. הוא מציע יכולת צורה מקסימלית, עמידות מצוינת בפני קורוזיה וקשיחות השפעה גבוהה. זהו החומר המועדף ליישומים הדורשים קלות יצירה והוא נמצא בשימוש נפוץ בתעשיות התעופה והחלל, הרכב וייצור החשמל.
הכיתה 2
טיטניום טהור מסחרי דרגה 2 הוא הטיטניום הטהור המסחרי הנפוץ ביותר, בעל חוזק מתון ותכונות יצירת קור מצוינות. בהשוואה לשאר סוגי טיטניום טהור מסחריים, טיטניום דרגה 2 חלש מעט יותר מדרגה 3 אך חזק יותר מדרגה 1, תוך שהוא עדיין מציע עמידות בפני קורוזיה. בשל עמידותו בפני קורוזיה, הוא נמצא בשימוש נפוץ בתעשיות ימיות, רפואיות, ייצור חשמל ותעשיות נפט.
הכיתה 3
טיטניום דרגה 3 הוא הפחות בשימוש מבין ציוני טיטניום טהור מסחריים, אך הוא אינו מוריד מערכו. יש לו חוזק גבוה, עמידות בפני קורוזיה טובה ויכולת ריתוך. חוזקו גבוה יותר מדרגה 1 ודרגה 2, אך משיכותו נמוכה משתי הדרגות האחרות. הוא נמצא בשימוש נפוץ בתעשייה הימית, תעופה וחלל ותעשיות עיבוד כימיות.
הכיתה 4
טיטניום דרגה 4 נחשב לחזק ביותר מבין ציוני טיטניום טהור מסחריים, הידוע בעמידות הקורוזיה המעולה שלו, יכולת הצורה הטובה והריתוך שלו. הוא נמצא בשימוש נפוץ בתעשיות תעופה וחלל, עיבוד כימי ותעשיות רפואיות עבור יישומים כגון מבני שלדות אוויר, מחליפי חום, חומרה כירורגית וכו'.
דרגה 5 או Ti 6Al-4V
טיטניום דרגה 5, הידוע גם בשם Ti6Al-4V, מכונה "סוס העבודה" של סגסוגות טיטניום והוא הנפוץ ביותר מבין כל סגסוגות הטיטניום, המהווה 50% מכלל השימוש בטיטניום העולמי. סגסוגת זו מאופיינת על ידי קל משקל, חוזק גבוה במיוחד, עמידות בחום, עמידות בפני קורוזיה וכושר הצורה שלה. לכן, הוא מועדף מאוד בתעשיית התעופה והחלל לייצור מנועים, רכיבים מבניים ומחברים.
דרגה 6 או Ti 5Al-2.5Sn
טיטניום דרגה 6 בעל יציבות חזקה במיוחד ושומר על ריתוך וחוזק טובים גם בטמפרטורות גבוהות. הוא גם מציג תכונות עיבוד מצוינות. הוא משמש בדרך כלל עבור מארזי מנועי טורבינה, רכיבי מטוסים וחלקי עיבוד כימיים.
הכיתה 7
טיטניום דרגה 7 דומה לטיטניום דרגה 2, למעט תוספת של היסוד הבין-סטיציאלי פלדיום (בטווח של 0.12% עד 0.25%), מה שמשפר את יכולתו לעמוד בפני קורוזיה של חריצים. דרגה 7 גם מציגה יכולת ריתוך מצוינת והיא העמידה ביותר בפני קורוזיה מבין כל סגסוגות הטיטניום. הוא נמצא בשימוש נפוץ בייצור כימי, התפלת מי ים וייצור חשמל.
הכיתה 11
טיטניום דרגה 11, הידוע גם בשם CP Ti-0.15Pd, הוא טיטניום טהור מסחרי הדומה לדרגה 1 ודרגה 2, עם תוספת של כמות קטנה של פלדיום כדי לשפר את עמידות בפני קורוזיה. זה יכול לשמש כדי למנוע קורוזיה חריצים ולהפחית חומצות בסביבות כלוריד. טיטניום דרגה 11 גם מפגין גמישות גבוהה, יכולת צורה קרה, חוזק שימושי, קשיחות השפעה ויכולת ריתוך מצוינת. הוא נפוץ בשימוש בעיבוד כימי ובמחליפי חום.
כיתה 12 או Ti 0.3-Mo 0.8-Ni
טיטניום דרגה 12, הידוע גם בשם Ti 0.3 Mo 0.8 Ni, הוא סגסוגת עמידה בפני קורוזיה המכילה כמויות קטנות של ניקל ומוליבדן. אלמנטים אלה משפרים עמידות בפני קורוזיה ומגבירים את חוזק הסגסוגת. הוא משמש בדרך כלל ביישומים כגון ספינות או פלטפורמות קידוח בים.
דרגה 23 או Ti 6AL-4V ELI
טיטניום דרגה 123, הידוע גם בשם Ti 6Al-4V ELI, מאופיין בגמישות גבוהה, חוזק גבוה, קל משקל, עמידות בפני קורוזיה וקשיחות גבוהה. זוהי הבחירה המועדפת עבור יישומים דנטליים ורפואיים.
איזו דרגת טיטניום היא הטובה ביותר?
טיטניום דרגה 5 (Ti 6Al-4V) ידוע בתור "סוס העבודה" מכיוון שהוא מהווה מחצית מהביקוש לטיטניום. בשל מגוון רחב של תכונות רצויות, הוא הפך לדרגת טיטניום הנפוץ ביותר. טיטניום דרגה 5 הוא בעל חוזק גבוה, משיכות גבוהה, עמידות בפני קורוזיה חזקה, יציבות תרמית מצוינת, וקל לעיבוד ועיצוב, מה שהופך אותו לשימוש נרחב בתעשיות כגון תעופה וחלל וימי.
מה העלות של טיטניום?
העלות של טיטניום טהור מסחרי היא כ-23-25 דולר לק"ג, בעוד שהעלות של סגסוגות טיטניום היא כ-27-30 דולר לק"ג.
מהי דרגת הטיטניום הזולה ביותר?
נכון לעכשיו, טיטניום דרגה 1 זול יחסית במחיר, בעיקר בהתאם לדרישות היישום הספציפיות ולתנאי האספקה בשוק.
איזו דרגת טיטניום משמשת לאלגון
ניתן להשתמש בטיטניום בדרגה 2 וגם בדרגה 3 לטיפול באנודיזציה.
מהן התכונות של טיטניום?
להלן התכונות הפיזיקליות והכימיות של טיטניום:
תכונות גשמיות
צפיפות: 4.5 גרם/סנטימטר מעוקב
צבע: ברק מתכתי לבן כסוף
כוח: חוזק הטיטניום תלוי בדרגת הטיטניום ובריכוז יסודות הסגסוג שלו.
שפע: טיטניום הוא היסוד התשיעי בשכיחותו בקרום כדור הארץ, כמעט קיים בכל הסלעים והמשקעים.
התנגדות טמפרטורה: טיטניום יכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות ונמוכות יותר בהשוואה לנירוסטה ואלומיניום.
מְשִׁיכוּת: המשיכות של טיטניום נעה בין 6% התארכות (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) ל-25% (טהור מסחרי דרגה 1).
מאפיין כימי
חמצון: בשל פוטנציאל החמצון הגבוה שלו, טיטניום אינו קיים בצורתו הטהורה בטבע אלא בצורה של תחמוצות בסלעים ובמינרלים.
תגובתיות: הוא מגיב עם חומצות והלוגנים בטמפרטורות גבוהות אך אינו מגיב עם אלקליות כלל.
קורוזיה ההתנגדות: לטיטניום עמידות בפני קורוזיה חזקה במיוחד, עמיד בפני קורוזיה מחומצות, אלקליות ומי ים, מכיוון שמולקולות חמצן מתחברות עם טיטניום ויוצרות תחמוצת טיטניום.
יכולת עיבוד: קל לעבד אותו לצורות שונות של מוצרים, כמו מוטות, צלחות, צינורות וכו'.
תהליך ייצור מתכת טיטניום
תהליך Kroll משמש להמרת טיטניום גולמי למתכת טיטניום. השלבים של תהליך זה כוללים מיצוי, טיהור, ייצור ספוג, ייצור סגסוגת, כמו גם עיצוב וצורה.
הפקה
תרכיזים ברמה גבוהה מופקים מעפרות גולמיות כמו אילמניט ורוטיל ונשלחים למפעלים לעיבוד. לאחר טיפול מקדים להסרת תכולת הברזל, האילמניט מוכנס לכור מיטה נוזלית המכיל כלור ופחמן ומחומם ל-900 מעלות צלזיוס. במהלך התגובה הכימית, טיטניום טטרכלוריד מיוצר יחד עם פחמן חד חמצני. טיטניום טטרכלוריד מכיל זיהומים שיש להסיר כדי להכין טיטניום דו חמצני.
טָהֳרָה
טיטניום טטרכלוריד עובר זיקוק ואקום בטמפרטורה גבוהה לטיהור. המתכת המיוצרת בתהליך המיצוי מחוממת במיכלי זיקוק גדולים. תהליך הטיהור משתמש בזיקוק חלקי ומשקעים כדי להפריד זיהומים. בשל נקודות הרתיחה השונות של יסודות שונים, בתהליך הזיקוק מוסרים יסודות שונים כשהם מגיעים לנקודות הרתיחה שלהם. הזיהומים שהוסרו כוללים ונדיום, סיליקון, מגנזיום, זירקוניום וברזל.
היווצרות ספוג
עם היווצרות הספוג, טיטניום טטרכלוריד מטוהר נשפך לתוך כלי תגובה מנירוסטה בצורה נוזלית. מגנזיום מתווסף, והתערובת מחוממת ל-1100 מעלות צלזיוס כדי להגיב עם כלור לייצור מגנזיום כלוריד. גז ארגון נשאב פנימה כדי להסיר אוויר, ולמנוע תגובות עם חמצן וחנקן. הטיטניום המיוצר מופק באמצעות קידוח ומטופל בתערובת של מים וחומצה הידרוכלורית כדי להסיר עודפי מגנזיום ומגנזיום כלוריד. הטיטניום שנוצר הוא בצורת ספוג.
יצירת סגסוגת
טיטניום ספוג טהור מעורבב עם סגסוגות שונות וגרוטאות מתכות לייצור סגסוגות. לאחר התכה וערבוב המתכות בפרופורציות מתאימות, הנתחים נדחסים ומרותכים ליצירת אלקטרודות ספוג. אלה מומסים בכבשן קשת ואקום ליצירת מטילי עיבוד נוסף למוצרים תעשייתיים ומסחריים שונים.
עיצוב וגיבוש
מטילים מוסרים מהכבשן, נבדקים, נארזים ומועברים לייצור מוצרי סגסוגת טיטניום. המאפיינים של כל מטיל נבדקים כדי להבטיח שהם עומדים בדרישות הלקוח. המטילים עוברים תהליכים שונים כמו ריתוך, עיצוב, יציקה, פרזול ומטלורגיית אבקה במהלך תהליך ייצור המוצר.
מהם היתרונות של טיטניום?
חוזק גבוה
טיטניום הוא בעל חוזק מעולה, מה שהופך אותו לאחת המתכות החזקות בטבלה המחזורית. בשל הצפיפות הנמוכה שלו, טיטניום הוא גם קל משקל.
עמידות בפני קורוזיה
טיטניום מגיב בקלות עם חמצן, ויוצר שכבת תחמוצת דקה על פני השטח שלו, המספקת עמידות בפני קורוזיה טבעית.
תאימות ביולוגית
טיטניום אינו רעיל ותואם ביולוגית לבני אדם ובעלי חיים כאחד. לכן, טיטניום נמצא בשימוש תכוף בתעשיות הרפואה והשיניים.
מקדם התפשטות תרמית נמוך
לטיטניום מקדם התפשטות תרמית נמוך, וכתוצאה מכך התפשטות והתכווצות מינימלית בטמפרטורות קיצוניות, מה שמוביל ליציבות מבנית גבוהה יותר.
נקודת התכה גבוהה
לטיטניום נקודת התכה גבוהה במיוחד (כ-1668 מעלות צלזיוס), מה שהופך אותו למתאים מאוד ליישומים בטמפרטורה גבוהה כגון מפעלי יציקה ומנועי סילון טורבינות.
אפשרויות ייצור מצוינות
למרות היותה מתכת חזקה מאוד, הטיטניום הוא גם רך וגמיש. זה מאפשר לייצר רכיבי טיטניום תוך שימוש בתהליכי ייצור שונים.
מהן המגבלות של טיטניום?
יקר
טיטניום נחשב למתכת נדירה, וטיהורו יקר ומורכב כאחד.
קשה לעצב
נדרשים מכונות מתקדמות וציוד מיוחד כדי לעצב אותו לצורות שימושיות.
מגיב בטמפרטורות גבוהות
זה הופך את הייצור של טיטניום וסגסוגות טיטניום טהור למסורבל ומבוקר מאוד. ייצור טיטניום חייב להתבצע בסביבות אנאירוביות מבוקרות בקפדנות.
מוליכות תרמית ירודה
טיטניום הוא חומר עם מוליכות תרמית ירודה, מה שמקשה על העיבוד.
מהם היישומים של טיטניום?
אווירי
סגסוגות טיטניום מוערכים ב תעופה וחלל התעשייה על יחס חוזק-צפיפות גבוה, עמידות בפני קורוזיה ויכולת לעמוד בטמפרטורות מתונות ללא זחילה.
כלי רכב
טיטניום מועדף בתעשיית הרכב בשל הצפיפות הנמוכה שלו, יחס חוזק-משקל גבוה, עמידות בפני קורוזיה ועמידות בחום.
תעשייה
טיטניום נמצא בשימוש נרחב בסביבות תעשייתיות בשל חוזק גבוה, עמידות בפני קורוזיה, קל משקל ועמידותו. היישומים שלו כוללים מחליפי חום, שסתומים, צינורות ומוטות חיבור.
רפואה
טיטניום אינו רעיל ותואם ביולוגית לעצמות האדם, מה שהופך אותו למתאים מאוד ליישומים רפואיים. יש לו תכונות מובנות לאינטגרציה של עצמות וניתן להשתמש בו להשתלות שיניים שיכולות להימשך יותר מ-30 שנה, וזה שימושי גם עבור יישומי שתלים אורטופדיים.
השפעות בריאותיות וסביבתיות של מתכת טיטניום
השפעות בריאותיות של טיטניום
מתכת טיטניום היא חומר תואם ביולוגי עם תאימות ביולוגית מעולה ואינו רעיל. הוא נפוץ בשימוש במכשירים רפואיים ובשתלים ואין לו השפעות מזיקות על גוף האדם.
השפעות סביבתיות של טיטניום
טיטניום אינו משחרר חומרים רעילים, ובכך נמנע מהשפעות סביבתיות שליליות. עם זאת, במהלך תהליך הייצור של טיטניום, עשויות להיווצר פסולת או פליטות פליטה. עם זאת, עם ניהול יעיל ואמצעי טיפול יזום, ניתן למזער את ההשפעה הסביבתית עד כמה שניתן.
שאלות נפוצות
האם טיטניום עמיד בפני חלודה?
כן, לסגסוגות טיטניום יש עמידות מצוינת בפני קורוזיה ויכולות לעמוד בפני שחיקה של כימיקלים רבים.
האם טיטניום מגנטי?
באופן כללי, טיטניום טהור הוא בדרך כלל לא מגנטי מכיוון שמבנה הגביש של טיטניום טהור אינו תומך במגנטיות. עם זאת, סגסוגות טיטניום מסוימות עשויות להפגין מגנטיות, בהתאם לסוגים ולריכוזים של יסודות סגסוגת.
האם טיטניום חסין כדורים?
כן, לטיטניום יש יכולות חסינות כדורים עבור אקדחים ורובי ציד, אבל עבור ציוד ברמה צבאית, טיטניום אינו חסין כדורים.
מה ההבדל בין טיטניום לאלומיניום?
מאפיינים חומריים
לטיטניום יש חוזק ועמידות בפני קורוזיה גבוהים יותר מאשר אלומיניום, אמנם גם קל יותר מאלומיניום, אבל זה יותר יקר. אלומיניום היא מתכת קלת משקל עם מוליכות תרמית וחשמלית טובה ועלות נמוכה יותר בהשוואה לטיטניום.
יישומים
טיטניום נמצא בשימוש נפוץ ביישומים הדורשים חוזק גבוה ועמידות בפני קורוזיה, כגון תעופה וחלל ומכשירים רפואיים. לאלומיניום מגוון רחב יותר של יישומים, כולל תעופה וחלל, רכב, בנייה ואלקטרוניקה.
קושי בעיבוד
בשל החוזק הגבוה יותר שלו ועמידות בפני קורוזיה, טיטניום קשה יותר לעיבוד, ודורש ציוד וטכניקות עיבוד ברמה גבוהה יותר. לעומת זאת, אלומיניום קל יחסית לעיבוד וניתן לעיבוד וליצור בשיטות קונבנציונליות.
איזו דרגת טיטניום משמשת להדפסת תלת מימד?
טיטניום דרגה 5, הידוע גם בשם Ti-6Al-4V, נמצא בשימוש נפוץ בהדפסת תלת מימד בשל יחס חוזק למשקל המצוין וההתאמה הביולוגית שלו.
סיכום
מאמר זה מציג מהו טיטניום, ההיסטוריה ההתפתחותית שלו, סוגי טיטניום, סיווג דרגות טיטניום, מידע בסיסי על מאפייניו וכו'. תהליך היווצרות סגסוגות טיטניום מוסבר בעיקר בשיטת Kroll, יחד עם היתרונות והחסרונות של טיטניום ותחומי היישום שלו.
אם תרצה ללמוד עוד על טיטניום או שיש לך דרישות מוצר מותאמות אישית, אנא בקר באתר האינטרנט שלנו.