Titanium is een belangrijk metaalelement met het chemische symbool Ti en atoomnummer 22 in het periodiek systeem. Het heeft een zilverwitte metaalglans en beschikt over uitstekende eigenschappen zoals een hoog smeltpunt, lage dichtheid, hoge sterkte en sterke ductiliteit. Titanium is een cruciaal industrieel materiaal. Als je meer wilt weten over titanium, lees dan hieronder verder!
De andere term voor titanium
Titanium heeft veel uitstekende voordelen, zoals: lage dichtheid, sterke ductiliteit en sterke corrosieweerstand, daarom wordt het ook wel ‘wondermetaal’, ‘ruimtemetaal’ of ‘maritiem metaal’ genoemd.
De geschiedenis van titanium
In 1791 werd titanium ontdekt in Engeland door amateurgeologen Willem Gregor. In 1795 noemde de Duitse scheikundige Klaproth, verwijzend naar de naam van de Titan-goden uit de Griekse mythologie, dit nieuwe element “Titanium”. Pas in 1910 verkreeg de Amerikaanse chemicus Hunter voor het eerst 99.9% puur titaniummetaal door TiCl te reduceren met natrium. In 1940 produceerde de Luxemburgse wetenschapper Kroll ook puur titanium met behulp van de magnesiumreductiemethode. Sindsdien zijn zowel de magnesiumreductiemethode als de natriumreductiemethode industriële processen voor de productie van titanium geworden.
De kleur van titanium
Titaniummetaal heeft het uiterlijk van staal, met een zilverwitte of zilvergrijze glans, en is een overgangsmetaal.
Waar is titanium van gemaakt?
Titanium is wijd verspreid, goed voor ongeveer 0.44% van de aardkorst, en wordt aangetroffen in alle rotsen, zandsoorten, kleisoorten en andere bodems. Omdat titanium echter gemakkelijk reageert met zuurstof, wordt puur titanium niet in de natuur aangetroffen; het bestaat voornamelijk in de vorm van titaniumdioxide. Titaanertsen omvatten voornamelijk ilmeniet en rutiel, en puur titanium kan worden verkregen door zuivering van deze mineralen.
Hoe wordt titanium gemaakt?
Titanium wordt meestal geproduceerd met behulp van de Kroll-proces. Ten eerste wordt titaniumerts verwarmd om vloeibaar titaniumtetrachloride (TiCl4) te produceren. Vervolgens vindt zuivering plaats met behulp van gefractioneerde destillatie. Na destillatie wordt gesmolten magnesium toegevoegd om het tot een “sponsvorm” te reduceren. De spons wordt vervolgens gesmolten om blokken te vormen, die verder worden verwerkt tot verschillende mechanische producten zoals staven, platen, platen en buizen. Tenslotte worden deze mechanische producten verder bewerkt en gevormd en indien nodig oppervlaktebehandeling toegepast om het product te optimaliseren.
Wat zijn de belangrijkste soorten titanium?
Titanium heeft twee soorten polymorfe structuren, namelijk de α-fase en de β-fase. Op basis van de polymorfe kenmerken van titanium kunnen titaniumlegeringen worden onderverdeeld in de volgende drie hoofdcategorieën: α-titaniumlegeringen, β-titaniumlegeringen en α+β-titaniumlegeringen.
Alfa-titaniumlegering
Alfa-titaniumlegeringen zijn verder onderverdeeld in volledige alfa-legeringen en bijna-alfa-legeringen. Het zijn eenfasige legeringen die zijn samengesteld uit een vaste oplossing in de alfafase. Ze vertonen goede koude en warme werkeigenschappen, een stabiele structuur en een sterke oxidatieweerstand.
Bèta-titaniumlegering
Bèta-titaniumlegeringen worden verder onderverdeeld in stabiele bèta-legeringen, metastabiele bèta-legeringen en bijna-bèta-legeringen. Het zijn eenfasige legeringen die zijn samengesteld uit een vaste oplossing in de bètafase en die uitstekende sterkte-eigenschappen vertonen, waardoor een hoog sterkteniveau wordt bereikt. Ze beschikken ook over een sterke corrosieweerstand en lasbaarheid.
α+β (Alfa+Beta) titaniumlegering
Het is een tweefasige legering met goede uitgebreide eigenschappen, waaronder een stabiele structuur, goede taaiheid, goede plasticiteit en vervormingsweerstand bij hoge temperaturen. De legering kan worden versterkt door processen zoals heetpersen, blussen en verouderingsbehandeling.
Wat zijn de gebruikelijke soorten titanium?
Grade 1
Commercieel puur titanium van klasse 1 is het zachtste en meest ductiele type titanium. Het biedt maximale vervormbaarheid, uitstekende corrosieweerstand en hoge slagvastheid. Het is het voorkeursmateriaal voor toepassingen die gemakkelijk te vormen vereisen en wordt vaak gebruikt in de lucht- en ruimtevaart-, automobiel- en energieopwekkingsindustrie.
Grade 2
Graad 2 commercieel puur titanium is het meest gebruikte commerciële pure titanium, met matige sterkte en uitstekende koudvervormingseigenschappen. Vergeleken met andere commerciële zuivere titaniumkwaliteiten is titanium van klasse 2 iets zwakker dan klasse 3, maar sterker dan klasse 1, terwijl het nog steeds corrosiebestendigheid biedt. Vanwege zijn corrosieweerstand wordt het vaak gebruikt in de maritieme, medische, energieopwekkings- en aardolie-industrie.
Grade 3
Titanium van klasse 3 wordt het minst gebruikt onder de commerciële zuivere titaniumkwaliteiten, maar doet niets af aan de waarde ervan. Het heeft een hoge sterkte, goede corrosieweerstand en lasbaarheid. De sterkte is hoger dan klasse 1 en graad 2, maar de ductiliteit is lager dan die van de andere twee kwaliteiten. Het wordt vaak gebruikt in de maritieme industrie, de ruimtevaart en de chemische verwerkingsindustrie.
Grade 4
Titanium van klasse 4 wordt beschouwd als de sterkste van de commerciële zuivere titaniumsoorten, bekend om zijn uitstekende corrosieweerstand, goede vervormbaarheid en lasbaarheid. Het wordt vaak gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de chemische verwerking en de medische industrie voor toepassingen zoals cascoconstructies, warmtewisselaars, chirurgische hardware, enz.
Graad 5 of Ti 6Al-4V
Titanium van klasse 5, ook bekend als Ti6Al-4V, wordt het ‘werkpaard’ van titaniumlegeringen genoemd en wordt van alle titaniumlegeringen het meest gebruikt, goed voor 50% van het totale wereldwijde titaniumgebruik. Deze legering wordt gekenmerkt door zijn lichtgewicht, extreem hoge sterkte, hittebestendigheid, corrosieweerstand en vervormbaarheid. Daarom is het zeer populair in de lucht- en ruimtevaartindustrie voor de productie van motoren, structurele componenten en bevestigingsmiddelen.
Graad 6 of Ti 5Al-2.5Sn
Titanium van klasse 6 heeft een extreem sterke stabiliteit en behoudt een goede lasbaarheid en sterkte, zelfs bij hoge temperaturen. Het vertoont ook uitstekende verwerkingseigenschappen. Het wordt vaak gebruikt voor behuizingen van turbinemotoren, vliegtuigonderdelen en chemische verwerkingsonderdelen.
Grade 7
Titanium van klasse 7 is vergelijkbaar met titanium van klasse 2, behalve de toevoeging van het interstitiële element palladium (in het bereik van 0.12% tot 0.25%), wat het vermogen ervan om spleetcorrosie te weerstaan vergroot. Graad 7 vertoont ook een uitstekende lasbaarheid en is de meest corrosiebestendige van alle titaniumlegeringen. Het wordt vaak gebruikt bij de chemische productie, ontzilting van zeewater en energieproductie.
Grade 11
Titanium van klasse 11, ook bekend als CP Ti-0.15Pd, is een commercieel puur titanium vergelijkbaar met klasse 1 en klasse 2, met toevoeging van een kleine hoeveelheid palladium om de corrosieweerstand te verbeteren. Het kan worden gebruikt om spleetcorrosie te voorkomen en zuren in chlorideomgevingen te verminderen. Titanium van klasse 11 vertoont ook een hoge ductiliteit, koude vervormbaarheid, nuttige sterkte, slagvastheid en uitstekende lasbaarheid. Het wordt vaak gebruikt in chemische processen en warmtewisselaars.
Graad 12 of Ti 0.3-Mo 0.8-Ni
Titanium van klasse 12, ook bekend als Ti 0.3 Mo 0.8 Ni, is een zeer corrosiebestendige legering die kleine hoeveelheden nikkel en molybdeen bevat. Deze elementen verbeteren de corrosieweerstand en verhogen de sterkte van de legering. Het wordt vaak gebruikt in toepassingen zoals schepen of offshore boorplatforms.
Klasse 23 of Ti 6AL-4V ELI
Titanium van klasse 123, ook bekend als Ti 6Al-4V ELI, wordt gekenmerkt door hoge ductiliteit, hoge sterkte, lichtgewicht, corrosieweerstand en hoge taaiheid. Het heeft de voorkeur voor tandheelkundige en medische toepassingen.
Welke kwaliteit titanium is het beste?
Titanium van klasse 5 (Ti 6Al-4V) staat bekend als het ‘werkpaard’ omdat het verantwoordelijk is voor de helft van de vraag naar titanium. Vanwege het brede scala aan wenselijke eigenschappen is het de meest gebruikte titaniumkwaliteit geworden. Titanium van klasse 5 heeft een hoge sterkte, hoge ductiliteit, sterke corrosieweerstand, uitstekende thermische stabiliteit en is gemakkelijk te verwerken en vorm te geven, waardoor het veel wordt gebruikt in industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart en de scheepvaart.
Wat zijn de kosten van titanium?
De kosten van commercieel puur titanium bedragen ongeveer $23-25 per kilogram, terwijl de kosten van titaniumlegeringen ongeveer $27-30 per kilogram bedragen.
Wat is de goedkoopste titaniumkwaliteit?
Momenteel is titanium van klasse 1 relatief goedkoper in prijs, voornamelijk afhankelijk van specifieke toepassingsvereisten en marktaanbodomstandigheden.
Welke kwaliteit titanium wordt gebruikt voor anodiseren?
Zowel graad 2 als graad 3 titanium kunnen worden gebruikt voor anodisatiebehandeling.
Wat zijn de eigenschappen van titanium?
Hieronder staan de fysische en chemische eigenschappen van titanium:
Fysieke eigenschappen
Dichtheid: 4.5 gram/kubieke centimeter
Kleur: Zilverwitte metallic glans
Kracht: De sterkte van titanium hangt af van de kwaliteit van titanium en de concentratie van de legeringselementen.
Overvloed: Titanium is het negende meest voorkomende element in de aardkorst en is vrijwel aanwezig in alle gesteenten en sedimenten.
Temperatuursbestendigheid: Titanium is bestand tegen hogere en lagere temperaturen in vergelijking met roestvrij staal en aluminium.
Vervormbaarheid: De ductiliteit van titanium varieert van 6% rek (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) tot 25% (commercieel zuivere klasse 1).
Chemische eigenschap
oxidatie: Vanwege het hoge oxidatiepotentieel komt titanium niet in pure vorm in de natuur voor, maar eerder in de vorm van oxiden in gesteenten en mineralen.
Reactiviteit: Het reageert bij hoge temperaturen met zuren en halogenen, maar reageert helemaal niet met alkaliën.
Corrosieweerstand: Titanium heeft een extreem sterke corrosieweerstand en is bestand tegen corrosie door zuren, logen en zeewater, omdat zuurstofmoleculen zich combineren met titanium om titaniumoxide te vormen.
bewerkbaarheid: Het is eenvoudig te verwerken tot diverse vormen van producten, zoals staven, platen, buizen etc.
Fabricageproces van titaniummetaal
Het Kroll-proces wordt gebruikt om ruw titanium om te zetten in titaniummetaal. De stappen van dit proces omvatten extractie, zuivering, sponsproductie, productie van legeringen, evenals vormgeving en vorming.
Afkomst
Uit ruwe ertsen zoals ilmeniet en rutiel worden hoogwaardige concentraten gewonnen en voor verwerking naar fabrieken gestuurd. Na voorbehandeling om het ijzergehalte te verwijderen, wordt ilmeniet in een wervelbedreactor geplaatst die chloor en koolstof bevat en verwarmd tot 900°C. Tijdens de chemische reactie wordt titaantetrachloride samen met koolmonoxide geproduceerd. Titaantetrachloride bevat onzuiverheden die moeten worden verwijderd om titaandioxide te bereiden.
Zuivering
Titaantetrachloride ondergaat ter zuivering vacuümdestillatie bij hoge temperatuur. Het metaal dat tijdens het extractieproces wordt geproduceerd, wordt verwarmd in grote destillatietanks. Het zuiveringsproces maakt gebruik van gefractioneerde destillatie en precipitatie om onzuiverheden te scheiden. Vanwege de verschillende kookpunten van verschillende elementen worden tijdens het destillatieproces verschillende elementen verwijderd wanneer ze hun kookpunt bereiken. De verwijderde onzuiverheden omvatten vanadium, silicium, magnesium, zirkonium en ijzer.
Sponsvorming
Onder vorming van een spons wordt gezuiverd titaantetrachloride in vloeibare vorm in roestvrijstalen reactievaten gegoten. Magnesium wordt toegevoegd en het mengsel wordt verwarmd tot 1100°C om te reageren met chloor om magnesiumchloride te produceren. Er wordt argongas naar binnen gepompt om lucht te verwijderen, waardoor reacties met zuurstof en stikstof worden voorkomen. Het geproduceerde titanium wordt door middel van boren geëxtraheerd en behandeld met een mengsel van water en zoutzuur om overtollig magnesium en magnesiumchloride te verwijderen. Het resulterende titanium heeft de vorm van een spons.
Legering creatie
Zuiver sponstitanium wordt gemengd met verschillende legeringen en schroot om legeringen te vervaardigen. Na het smelten en mengen van de metalen in de juiste verhoudingen worden de brokken verdicht en gelast om sponselektroden te vormen. Deze worden in een vacuümboogoven gesmolten om blokken te vormen voor verdere verwerking tot verschillende industriële en commerciële producten.
Vormgeven en vormen
Ingots worden uit de oven verwijderd, geïnspecteerd, verpakt en vervoerd voor de productie van producten van titaniumlegeringen. De eigenschappen van elke staaf worden geïnspecteerd om er zeker van te zijn dat ze aan de eisen van de klant voldoen. De blokken ondergaan tijdens het productieproces van het product verschillende processen, zoals lassen, vormen, gieten, smeden en poedermetallurgie.
Wat zijn de voordelen van titanium?
Grote sterkte
Titanium beschikt over een uitstekende sterkte, waardoor het een van de sterkste metalen in het periodiek systeem is. Door de lage dichtheid is titanium bovendien zeer licht van gewicht.
Corrosiebestendigheid
Titanium reageert gemakkelijk met zuurstof en vormt een dunne oxidelaag op het oppervlak, die natuurlijke corrosieweerstand biedt.
biocompatibiliteit
Titanium is niet giftig en biocompatibel met zowel mens als dier. Daarom wordt titanium vaak gebruikt in de medische en tandheelkundige industrie.
Lage thermische uitzettingscoëfficiënt
Titanium heeft een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, wat resulteert in minimale uitzetting en krimp bij extreme temperaturen, wat leidt tot een hogere structurele stabiliteit.
Hoog smeltpunt
Titanium heeft een extreem hoog smeltpunt (circa 1668°C), waardoor het zeer geschikt is voor toepassingen bij hoge temperaturen, zoals gieterijen en turbinestraalmotoren.
Uitstekende productiemogelijkheden
Ondanks dat het een zeer sterk metaal is, is titanium ook zacht en taai. Hierdoor kunnen titaniumcomponenten worden vervaardigd met behulp van verschillende productieprocessen.
Wat zijn de beperkingen van titanium?
Duur
Titanium wordt beschouwd als een zeldzaam metaal en de zuivering ervan is zowel duur als complex.
Moeilijk te vormen
Er zijn geavanceerde machines en gespecialiseerde apparatuur nodig om het in bruikbare vormen te gieten.
Reageert bij hoge temperaturen
Dit maakt de productie van puur titanium en titaniumlegeringen omslachtig en zeer gecontroleerd. De productie van titanium moet plaatsvinden in strikt gecontroleerde anaerobe omgevingen.
Slechte thermische geleidbaarheid
Titanium is een materiaal met een slechte thermische geleidbaarheid, waardoor het moeilijk te verwerken is.
Wat zijn de toepassingen van titanium?
LUCHT- EN RUIMTEVAART
Titaniumlegeringen worden gewaardeerd in de ruimte industrie vanwege hun hoge sterkte-dichtheidsverhouding, corrosieweerstand en het vermogen om gematigde temperaturen te weerstaan zonder kruip.
Automotive
Titanium heeft de voorkeur in de auto-industrie vanwege zijn lage dichtheid, hoge sterkte-gewichtsverhouding, corrosieweerstand en hittebestendigheid.
Industrieel
Titanium wordt veel gebruikt in industriële omgevingen vanwege zijn hoge sterkte, corrosieweerstand, lichtgewicht en duurzaamheid. De toepassingen omvatten warmtewisselaars, kleppen, pijpen en drijfstangen.
MEDISCHE
Titanium is niet giftig en biocompatibel met menselijke botten, waardoor het zeer geschikt is voor medische toepassingen. Het heeft inherente eigenschappen voor botintegratie en kan worden gebruikt voor tandheelkundige implantaten die meer dan 30 jaar meegaan, wat ook nuttig is voor orthopedische implantaattoepassingen.
Gezondheids- en milieueffecten van titaniummetaal
Gezondheidseffecten van titanium
Titaniummetaal is een biocompatibel materiaal met uitstekende biocompatibiliteit en is niet giftig. Het wordt vaak gebruikt in medische instrumenten en implantaten en heeft geen schadelijke effecten op het menselijk lichaam.
Milieueffecten van titanium
Titanium laat geen giftige stoffen vrij, waardoor nadelige gevolgen voor het milieu worden vermeden. Tijdens het productieproces van titanium kan er echter enige afval- of uitlaatemissie ontstaan. Niettemin kan met effectief beheer en proactieve behandelingsmaatregelen de impact op het milieu zoveel mogelijk worden geminimaliseerd.
Veelgestelde vragen
Is titanium roestbestendig?
Ja, titaniumlegeringen hebben een uitstekende corrosieweerstand en zijn bestand tegen de erosie van veel chemicaliën.
Is titanium magnetisch?
Over het algemeen is puur titanium doorgaans niet-magnetisch omdat de kristalstructuur van puur titanium geen magnetisme ondersteunt. Bepaalde titaniumlegeringen kunnen echter magnetisme vertonen, afhankelijk van de typen en concentraties van de legeringselementen.
Is titanium kogelvrij?
Ja, titanium heeft kogelvrije eigenschappen voor pistolen en jachtgeweren, maar voor uitrusting van militaire kwaliteit is titanium niet kogelvrij.
Wat is het verschil tussen titanium en aluminium?
Materiële kenmerken
Titanium heeft een hogere sterkte en corrosieweerstand dan aluminium, terwijl het ook lichter is dan aluminium, maar het is duurder. Aluminium is een lichtgewicht metaal met goede thermische en elektrische geleidbaarheid en lagere kosten in vergelijking met titanium.
Toepassingen
Titanium wordt vaak gebruikt in toepassingen die een hoge sterkte en corrosiebestendigheid vereisen, zoals in de lucht- en ruimtevaart en in medische apparatuur. Aluminium heeft een breder scala aan toepassingen, waaronder de lucht- en ruimtevaart, de automobielsector, de bouw en de elektronica.
Verwerkingsmoeilijkheden
Vanwege de hogere sterkte en corrosieweerstand is titanium moeilijker te verwerken, waardoor verwerkingsapparatuur en -technieken van een hoger niveau nodig zijn. Aluminium is daarentegen relatief eenvoudig te verwerken en kan met conventionele methoden worden bewerkt en gevormd.
Welke kwaliteit titanium wordt gebruikt voor 3D-printen?
Titanium van klasse 5, ook bekend als Ti-6Al-4V, wordt vaak gebruikt bij 3D-printen vanwege de uitstekende sterkte-gewichtsverhouding en biocompatibiliteit.
Conclusie
Dit artikel introduceert wat titanium is, de ontwikkelingsgeschiedenis ervan, soorten titanium, classificatie van titaniumkwaliteiten, basisinformatie over de kenmerken ervan, enz. Het vormingsproces van titaniumlegeringen wordt voornamelijk uitgelegd met behulp van de Kroll-methode, samen met de voor- en nadelen van titanium en de toepassingsgebieden ervan.
Als u meer wilt weten over titanium of aangepaste productvereisten heeft, bezoek dan onze website.