Tytan jest ważnym pierwiastkiem metalicznym o symbolu chemicznym Ti i liczbie atomowej 22 w układzie okresowym. Ma srebrno-biały metaliczny połysk i doskonałe właściwości, takie jak wysoka temperatura topnienia, niska gęstość, wysoka wytrzymałość i duża ciągliwość. Tytan jest kluczowym materiałem przemysłowym. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o tytanie, czytaj dalej poniżej!
Inne określenie tytanu
Tytan ma wiele wyjątkowych zalet, takich jak: niska gęstość, duża ciągliwość i duża odporność na korozję, dlatego jest również znany jako „cudowny metal”, „metal kosmiczny” lub „metal morski”.
Historia tytanu
W 1791 roku geolog-amator odkrył w Anglii tytan Williama Gregora. W 1795 roku niemiecki chemik Klaproth, nawiązując do nazw bóstw Tytanów z mitologii greckiej, nazwał ten nowy pierwiastek „Tytanem”. Dopiero w 1910 roku amerykański chemik Hunter po raz pierwszy uzyskał tytan metaliczny o czystości 99.9% poprzez redukcję TiCl sodem. W 1940 r. luksemburski naukowiec Kroll również wyprodukował czysty tytan metodą redukcji magnezu. Od tego czasu zarówno metoda redukcji magnezu, jak i metoda redukcji sodu stały się procesami przemysłowymi do produkcji tytanu.
Kolor tytanu
Tytan metaliczny ma wygląd stali, ze srebrno-białym lub srebrnoszarym połyskiem i jest metalem przejściowym.
Z czego wykonany jest tytan?
Tytan jest szeroko rozpowszechniony, stanowi około 0.44% skorupy ziemskiej i występuje we wszystkich skałach, piaskach, glinach i innych glebach. Jednakże, ponieważ tytan łatwo reaguje z tlenem, czysty tytan nie występuje w przyrodzie; występuje głównie w postaci dwutlenku tytanu. Rudy tytanu obejmują głównie ilmenit i rutyl, a czysty tytan można otrzymać poprzez oczyszczenie tych minerałów.
Jak powstaje tytan?
Tytan jest zwykle produkowany przy użyciu Proces Krolla. Po pierwsze, ruda tytanu jest podgrzewana w celu wytworzenia ciekłego tetrachlorku tytanu (TiCl4). Następnie następuje oczyszczanie metodą destylacji frakcyjnej. Po destylacji dodaje się stopiony magnez w celu zredukowania go do postaci „gąbczastej”. Następnie gąbkę topi się, tworząc wlewki, które są dalej przetwarzane na różne produkty mechaniczne, takie jak pręty, płyty, arkusze i rury. Na koniec te produkty mechaniczne są poddawane dalszej obróbce i kształtowaniu, a w razie potrzeby stosowana jest obróbka powierzchniowa w celu optymalizacji produktu.
Jakie są główne rodzaje tytanu?
Tytan ma dwa rodzaje struktur polimorficznych, a mianowicie fazę α i fazę β. W oparciu o polimorficzne właściwości tytanu stopy tytanu można podzielić na trzy główne kategorie: stopy tytanu α, stopy tytanu β i stopy tytanu α+β.
Stop alfa tytanu
Stopy tytanu alfa dzielą się dalej na stopy pełne alfa i stopy prawie alfa. Są to stopy jednofazowe składające się z roztworu stałego fazy alfa. Wykazują dobre właściwości pracy na zimno i na gorąco, stabilną strukturę i dużą odporność na utlenianie.
Stop beta tytanu
Stopy beta tytanu dzielą się dalej na stabilne stopy beta, metastabilne stopy beta i stopy bliskie beta. Są to stopy jednofazowe składające się z roztworu stałego fazy beta i wykazują doskonałe właściwości wytrzymałościowe, osiągając wysoki poziom wytrzymałości. Mają także dużą odporność na korozję i spawalność.
α+β (Alfa+Beta) Stop tytanu
Jest to stop dwufazowy o dobrych kompleksowych właściwościach, w tym stabilnej strukturze, dobrej wytrzymałości, dobrej plastyczności i odporności na odkształcenia w wysokiej temperaturze. Stop można wzmocnić poprzez procesy takie jak prasowanie na gorąco, hartowanie i starzenie.
Jakie są popularne gatunki tytanu?
Stopień 1
Handlowy czysty tytan klasy 1 jest najmiększym i najbardziej plastycznym rodzajem tytanu. Oferuje maksymalną odkształcalność, doskonałą odporność na korozję i wysoką udarność. Jest to preferowany materiał do zastosowań wymagających łatwości formowania i jest powszechnie stosowany w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i energetycznym.
Stopień 2
Czysty tytan handlowy klasy 2 jest najczęściej stosowanym czystym tytanem komercyjnym, o umiarkowanej wytrzymałości i doskonałych właściwościach formowania na zimno. W porównaniu do innych dostępnych na rynku gatunków czystego tytanu, tytan klasy 2 jest nieco słabszy niż klasa 3, ale mocniejszy niż klasa 1, a jednocześnie zapewnia odporność na korozję. Ze względu na odporność na korozję jest powszechnie stosowany w przemyśle morskim, medycznym, energetycznym i naftowym.
Stopień 3
Tytan klasy 3 jest najrzadziej używany wśród komercyjnych gatunków czystego tytanu, ale nie umniejsza to jego wartości. Ma wysoką wytrzymałość, dobrą odporność na korozję i spawalność. Jego wytrzymałość jest wyższa niż w klasie 1 i klasie 2, ale plastyczność jest niższa niż w pozostałych dwóch klasach. Jest powszechnie stosowany w przemyśle morskim, lotniczym i przetwórstwie chemicznym.
Stopień 4
Tytan klasy 4 jest uważany za najmocniejszy spośród dostępnych na rynku gatunków czystego tytanu, znanego z doskonałej odporności na korozję, dobrej odkształcalności i spawalności. Jest powszechnie stosowany w przemyśle lotniczym, chemicznym i medycznym do zastosowań takich jak konstrukcje płatowców, wymienniki ciepła, sprzęt chirurgiczny itp.
Klasa 5 lub Ti 6Al-4V
Tytan klasy 5, znany również jako Ti6Al-4V, nazywany jest „koniem pociągowym” stopów tytanu i jest najczęściej stosowanym spośród wszystkich stopów tytanu, odpowiadając za 50% całkowitego światowego zużycia tytanu. Stop ten charakteryzuje się lekkością, wyjątkowo wysoką wytrzymałością, odpornością na ciepło, odpornością na korozję i odkształcalnością. Dlatego jest bardzo preferowany w przemyśle lotniczym do produkcji silników, elementów konstrukcyjnych i elementów złącznych.
Klasa 6 lub Ti 5Al-2.5Sn
Tytan klasy 6 ma wyjątkowo dużą stabilność i utrzymuje dobrą spawalność i wytrzymałość nawet w wysokich temperaturach. Wykazuje także doskonałe właściwości przetwórcze. Jest powszechnie stosowany do obudów silników turbinowych, elementów samolotów i części do procesów chemicznych.
Stopień 7
Tytan klasy 7 jest podobny do tytanu klasy 2, z wyjątkiem dodatku pierwiastka międzywęzłowego – palladu (w zakresie od 0.12% do 0.25%), który zwiększa jego odporność na korozję szczelinową. Klasa 7 wykazuje również doskonałą spawalność i jest najbardziej odporna na korozję spośród wszystkich stopów tytanu. Jest powszechnie stosowany w produkcji chemicznej, odsalaniu wody morskiej i produkcji energii.
Stopień 11
Tytan klasy 11, znany również jako CP Ti-0.15Pd, to dostępny w handlu czysty tytan podobny do klasy 1 i 2, z dodatkiem niewielkiej ilości palladu w celu zwiększenia odporności na korozję. Można go stosować w celu zapobiegania korozji szczelinowej i redukcji kwasów w środowiskach chlorkowych. Tytan klasy 11 wykazuje również wysoką ciągliwość, odkształcalność na zimno, wytrzymałość użyteczną, udarność i doskonałą spawalność. Jest powszechnie stosowany w procesach chemicznych i wymiennikach ciepła.
Klasa 12 lub Ti 0.3-Mo 0.8-Ni
Tytan klasy 12, znany również jako Ti 0.3 Mo 0.8 Ni, jest wysoce odpornym na korozję stopem zawierającym niewielkie ilości niklu i molibdenu. Elementy te zwiększają odporność na korozję i zwiększają wytrzymałość stopu. Jest powszechnie stosowany w zastosowaniach takich jak statki lub platformy wiertnicze na morzu.
Klasa 23 lub Ti 6AL-4V ELI
Tytan klasy 123, znany również jako Ti 6Al-4V ELI, charakteryzuje się wysoką ciągliwością, dużą wytrzymałością, lekkością, odpornością na korozję i wysoką wytrzymałością. Jest to preferowany wybór do zastosowań stomatologicznych i medycznych.
Który gatunek tytanu jest najlepszy?
Tytan klasy 5 (Ti 6Al-4V) nazywany jest „koniem pociągowym”, ponieważ odpowiada za połowę zapotrzebowania na tytan. Ze względu na szeroki zakres pożądanych właściwości stał się najczęściej stosowanym gatunkiem tytanu. Tytan klasy 5 ma wysoką wytrzymałość, wysoką ciągliwość, dużą odporność na korozję, doskonałą stabilność termiczną oraz jest łatwy w obróbce i kształtowaniu, dzięki czemu jest szeroko stosowany w branżach takich jak przemysł lotniczy i morski.
Jaki jest koszt tytanu?
Koszt komercyjnego czystego tytanu wynosi około 23-25 dolarów za kilogram, podczas gdy koszt stopów tytanu wynosi około 27-30 dolarów za kilogram.
Który gatunek tytanu jest najtańszy?
Obecnie tytan klasy 1 jest stosunkowo tańszy, głównie w zależności od wymagań konkretnego zastosowania i warunków dostaw rynkowych.
Jaki gatunek tytanu jest używany do anodowania
Do anodowania można stosować tytan klasy 2 i 3.
Jakie są właściwości tytanu?
Poniżej znajdują się właściwości fizyczne i chemiczne tytanu:
Właściwości fizyczne
Gęstość: 4.5 grama/centymetr sześcienny
Kolor: Srebrno-biały metaliczny połysk
Wytrzymałość: Wytrzymałość tytanu zależy od gatunku tytanu i stężenia jego pierwiastków stopowych.
Obfitość: Tytan jest dziewiątym pod względem liczebności pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, prawie obecnym we wszystkich skałach i osadach.
Odporność na temperaturę: Tytan może wytrzymać wyższe i niższe temperatury w porównaniu ze stalą nierdzewną i aluminium.
Plastyczność: Plastyczność tytanu waha się od 6% wydłużenia (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) do 25% (komercyjnie czysty stopień 1).
Właściwości chemiczne
Utlenianie: Ze względu na wysoki potencjał utleniania tytan nie występuje w przyrodzie w czystej postaci, ale raczej w postaci tlenków w skałach i minerałach.
Reaktywność: Reaguje z kwasami i halogenami w wysokich temperaturach, ale w ogóle nie reaguje z zasadami.
Odporność na korozję: Tytan ma wyjątkowo dużą odporność na korozję, jest odporny na korozję powodowaną przez kwasy, zasady i wodę morską, ponieważ cząsteczki tlenu łączą się z tytanem, tworząc tlenek tytanu.
Skrawalność: Łatwo jest go przetwarzać na różne kształty produktów, takie jak pręty, płyty, rury itp.
Proces wytwarzania tytanu i metalu
Proces Krolla służy do konwersji surowego tytanu na tytan metaliczny. Etapy tego procesu obejmują ekstrakcję, oczyszczanie, produkcję gąbek, wytwarzanie stopów, a także kształtowanie i formowanie.
Ekstrakcja
Wysokiej jakości koncentraty są wydobywane z surowych rud, takich jak ilmenit i rutyl, i wysyłane do fabryk w celu przetworzenia. Po wstępnej obróbce mającej na celu usunięcie zawartości żelaza ilmenit umieszcza się w reaktorze ze złożem fluidalnym zawierającym chlor i węgiel i ogrzewa do temperatury 900°C. Podczas reakcji chemicznej powstaje czterochlorek tytanu wraz z tlenkiem węgla. Czterochlorek tytanu zawiera zanieczyszczenia, które należy usunąć w celu wytworzenia dwutlenku tytanu.
Oczyszczenie
Czterochlorek tytanu poddawany jest destylacji próżniowej w wysokiej temperaturze w celu oczyszczenia. Metal powstający w procesie ekstrakcji podgrzewany jest w dużych zbiornikach destylacyjnych. W procesie oczyszczania stosuje się destylację frakcyjną i wytrącanie w celu oddzielenia zanieczyszczeń. Ze względu na różne temperatury wrzenia różnych pierwiastków, podczas procesu destylacji różne pierwiastki są usuwane, gdy osiągną temperaturę wrzenia. Usunięte zanieczyszczenia obejmują wanad, krzem, magnez, cyrkon i żelazo.
Formacja gąbczasta
Po utworzeniu gąbki oczyszczony czterochlorek tytanu wlewa się do naczyń reakcyjnych ze stali nierdzewnej w postaci płynnej. Dodaje się magnez i mieszaninę ogrzewa się do 1100°C w celu przereagowania z chlorem z wytworzeniem chlorku magnezu. Gaz argonowy jest pompowany w celu usunięcia powietrza, zapobiegając reakcjom z tlenem i azotem. Wytworzony tytan ekstrahuje się poprzez wiercenie i poddaje działaniu mieszaniny wody i kwasu solnego w celu usunięcia nadmiaru magnezu i chlorku magnezu. Powstały tytan ma postać gąbki.
Tworzenie stopów
Czysty tytan gąbczasty miesza się z różnymi stopami i złomem w celu wytworzenia stopów. Po stopieniu i wymieszaniu metali w odpowiednich proporcjach kawałki są zagęszczane i spawane, tworząc elektrody gąbczaste. Są one topione w próżniowym piecu łukowym w celu utworzenia wlewków do dalszego przetwarzania na różne produkty przemysłowe i handlowe.
Kształtowanie i formowanie
Wlewki są wyjmowane z pieca, sprawdzane, pakowane i transportowane w celu wytworzenia wyrobów ze stopu tytanu. Właściwości każdego wlewka są sprawdzane, aby upewnić się, że spełniają wymagania klienta. Wlewki poddawane są różnym procesom, takim jak spawanie, kształtowanie, odlewanie, kucie i metalurgia proszków podczas procesu wytwarzania produktu.
Jakie są zalety tytanu?
Wysoka siła
Tytan posiada doskonałą wytrzymałość, co czyni go jednym z najmocniejszych metali w układzie okresowym. Ze względu na małą gęstość tytan jest również bardzo lekki.
Odporność na korozję
Tytan łatwo reaguje z tlenem, tworząc na swojej powierzchni cienką warstwę tlenku, która zapewnia naturalną odporność na korozję.
Biokompatybilność
Tytan jest nietoksyczny i biokompatybilny zarówno z ludźmi, jak i zwierzętami. Dlatego tytan jest często stosowany w przemyśle medycznym i dentystycznym.
Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej
Tytan ma niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, co skutkuje minimalną rozszerzalnością i kurczeniem się w ekstremalnych temperaturach, co prowadzi do wyższej stabilności strukturalnej.
Wysoka temperatura topnienia
Tytan ma wyjątkowo wysoką temperaturę topnienia (około 1668°C), dzięki czemu doskonale nadaje się do zastosowań wysokotemperaturowych, takich jak odlewnie i turbinowe silniki odrzutowe.
Doskonałe możliwości produkcyjne
Pomimo tego, że jest bardzo mocnym metalem, tytan jest również miękki i plastyczny. Umożliwia to wytwarzanie elementów tytanowych przy użyciu różnych procesów produkcyjnych.
Jakie są ograniczenia tytanu?
Drogi
Tytan jest uważany za metal rzadki, a jego oczyszczanie jest kosztowne i skomplikowane.
Trudne do ukształtowania
Do nadania mu użytecznych form potrzebne są zaawansowane maszyny i specjalistyczny sprzęt.
Reaguje w wysokich temperaturach
To sprawia, że produkcja czystego tytanu i stopów tytanu jest uciążliwa i ściśle kontrolowana. Produkcja tytanu musi odbywać się w ściśle kontrolowanych warunkach beztlenowych.
Słaba przewodność cieplna
Tytan jest materiałem o słabej przewodności cieplnej, co utrudnia jego obróbkę.
Jakie są zastosowania tytanu?
Lotnictwo
Stopy tytanu są cenione w Aerospace w przemyśle ze względu na wysoki stosunek wytrzymałości do gęstości, odporność na korozję i zdolność wytrzymywania umiarkowanych temperatur bez pełzania.
Motoryzacja
Tytan jest preferowany w przemyśle motoryzacyjnym ze względu na niską gęstość, wysoki stosunek wytrzymałości do masy, odporność na korozję i odporność na ciepło.
Przemsyl
Tytan jest szeroko stosowany w środowiskach przemysłowych ze względu na jego wysoką wytrzymałość, odporność na korozję, lekkość i trwałość. Jego zastosowania obejmują wymienniki ciepła, zawory, rury i korbowody.
Dyrektorem
Tytan jest nietoksyczny i biokompatybilny z ludzkimi kośćmi, dzięki czemu doskonale nadaje się do zastosowań medycznych. Ma nieodłączne właściwości integracji kości i może być stosowany w implantach dentystycznych, które mogą wytrzymać ponad 30 lat, co jest również przydatne w zastosowaniach implantów ortopedycznych.
Wpływ tytanu na zdrowie i środowisko
Skutki zdrowotne tytanu
Tytan metaliczny jest materiałem biokompatybilnym o doskonałej biokompatybilności i nietoksycznym. Jest powszechnie stosowany w instrumentach medycznych i implantach i nie ma szkodliwego wpływu na organizm ludzki.
Wpływ tytanu na środowisko
Tytan nie wydziela substancji toksycznych, co pozwala uniknąć niekorzystnego wpływu na środowisko. Jednakże podczas procesu produkcji tytanu mogą powstawać pewne emisje odpadów lub spalin. Niemniej jednak dzięki skutecznemu zarządzaniu i proaktywnym środkom leczenia wpływ na środowisko można zminimalizować w największym możliwym stopniu.
Najczęściej zadawane pytania
Czy tytan jest odporny na rdzę?
Tak, stopy tytanu mają doskonałą odporność na korozję i mogą wytrzymać erozję wielu substancji chemicznych.
Czy tytan jest magnetyczny?
Ogólnie rzecz biorąc, czysty tytan jest zazwyczaj niemagnetyczny, ponieważ struktura krystaliczna czystego tytanu nie podtrzymuje magnetyzmu. Jednakże niektóre stopy tytanu mogą wykazywać magnetyzm, w zależności od rodzaju i stężenia pierwiastków stopowych.
Czy tytan jest kuloodporny?
Tak, tytan ma właściwości kuloodporne w przypadku broni krótkiej i strzelby myśliwskiej, ale w przypadku sprzętu wojskowego tytan nie jest kuloodporny.
Jaka jest różnica między tytanem a aluminium?
Charakterystyka materiału
Tytan ma wyższą wytrzymałość i odporność na korozję niż aluminium, a jednocześnie jest lżejszy od aluminium, ale jest droższy. Aluminium to lekki metal o dobrej przewodności cieplnej i elektrycznej oraz niższym koszcie w porównaniu z tytanem.
Konsultacje
Tytan jest powszechnie stosowany w zastosowaniach wymagających dużej wytrzymałości i odporności na korozję, takich jak urządzenia lotnicze i medyczne. Aluminium ma szerszy zakres zastosowań, w tym w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, budowlanym i elektronicznym.
Trudność przetwarzania
Ze względu na wyższą wytrzymałość i odporność na korozję tytan jest trudniejszy w obróbce, co wymaga sprzętu i technik przetwarzania wyższego poziomu. Natomiast aluminium jest stosunkowo łatwe w obróbce i można je obrabiać i formować konwencjonalnymi metodami.
Jaki gatunek tytanu jest używany do drukowania 3D?
Tytan klasy 5, znany również jako Ti-6Al-4V, jest powszechnie stosowany w druku 3D ze względu na doskonały stosunek wytrzymałości do masy i biokompatybilność.
Wnioski
W artykule przedstawiono czym jest tytan, jego historię rozwoju, rodzaje tytanu, klasyfikację gatunków tytanu, podstawowe informacje o jego właściwościach itp. Proces powstawania stopów tytanu wyjaśniono przede wszystkim metodą Krolla, wraz z zaletami i wadami tytanu i obszary jego zastosowań.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat tytanu lub masz niestandardowe wymagania dotyczące produktu, odwiedź naszą stronę internetową.