المادة التيتانيوم. التيتانيوم - وصف للعنصر مع صورة ، ووصف لتأثيره على جسم الإنسان ، وكذلك الحاجة إلى هذا العنصر الكيميائي

التيتانيوم

يعتمد الاهتمام الكبير الذي يظهر في سبائك التيتانيوم والتيتانيوم على خصائصها القيمة - الجاذبية النوعية المنخفضة والقوة النوعية العالية والمقاومة الجيدة للتآكل.
في السنوات الأخيرة ، فيما يتعلق بتطوير طرق أكثر تقدمًا للحصول على التيتانيوم القابل للطرق والقابل للتشوه ، فقد توسع استخدامه في مختلف الصناعات.
يوجد التيتانيوم في شكلين متعددي الأشكال ؛ α-Ti ، التي لها شبكة سداسية معبأة بشكل وثيق وتوجد عند درجات حرارة أقل من 885 درجة ، و β-Ti ، مع شعرية مكعبة مركزها الجسم ، عند درجات حرارة أعلى. في تحويل α → β ، يتغير حجم الصوت هو 5.5٪.
يتفاعل التيتانيوم بشكل ضعيف مع النيتريك ويخفف حمض الهيدروكلوريك. ولكنه يذوب في أحماض الهيدروكلوريك والكبريتيك المركزة وفي فودكا آر. في القلويات ، في العديد من الأملاح ، حتى عند غليها ، وفي الأحماض العضوية ، يكون التيتانيوم مستقرًا للغاية. يتفاعل التيتانيوم بقوة مع الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين والكربون ومع العديد من أكاسيد المعادن ، مما يجعل من الصعب للغاية الحصول على التيتانيوم النقي ويسبب صعوبات كبيرة في إنتاج المنتجات شبه المصنعة منه.
يؤثر الأكسجين في معظم الحالات سلبًا على الخصائص الفيزيائية والكيميائية والتكنولوجية للتيتانيوم. تبلغ قابلية ذوبان الأكسجين في التيتانيوم حوالي 30٪ (ذريًا) ، وهو ما يتوافق مع التركيبة TiO0.42. عند تسخين الأكسجين إلى 600 درجة ، لا يتفاعل الأكسجين عمليًا مع التيتانيوم. عند درجات حرارة أعلى من 650 درجة ، يبدأ الأكسجين الجوي في الانتشار بقوة في التيتانيوم ، مما يؤدي إلى تكوين طبقة سطحية صلبة للغاية. يظهر معدل أكسدة التيتانيوم عند درجات حرارة من 650 إلى 800 درجة في الشكل. 7.

يظهر الرسم التخطيطي لحالة نظام التيتانيوم والأكسجين بمحتوى أكسجين يصل إلى 30٪ في الشكل. 8. هذا المخطط ، بحكم طبيعته ، هو نظام معماري. في الحالة الصلبة ، يشكل الأكسجين مناطق محدودة من المحاليل α و.
هناك نوعان من الهندسة المعمارية في القسم أعلاه من النظام.
أقصى ذوبان للأكسجين في التيتانيوم هو 1.8٪ عند 1740 درجة ، في ألفا تيتانيوم يكون 14.5٪ في نطاق درجة حرارة 800-1700 درجة.

أعلى نقطة انصهار تبلغ 1900 درجة تمتلكها سبيكة من المحلول الصلب من النوع أ تحتوي على 10٪ أكسجين.
الأكسجين الذي تغلغل في شبكة بلورات التيتانيوم يشوهها بشدة ، لذلك تتغير الخصائص الفيزيائية والقوة الميكانيكية للتيتانيوم بشكل كبير.
يظهر تأثير الأكسجين في حدود 0-1٪ (ذريًا) على قوة الشد والاستطالة والصلابة والمقاومة الكهربائية لتيتانيوم يوديد في الشكل. تسع.
يمكن درفلة التيتانيوم المحتوي على 0.25٪ (ذري) من الأكسجين دون تكسير حتى 95٪ اختزال. مع ارتفاع نسبة الأكسجين ، تظهر التشققات بالفعل بنسبة 60-70٪.
عند تزوير وسحب التيتانيوم ، من الضروري تجنب تشكيل الشقوق ، حيث يصعب شدها بسبب الأكسدة السريعة للسطح.

السبائك التي تحتوي على 0.5-2.0٪ أكسجين (ذري) سهلة المعالجة نسبيًا عن طريق الحفر والقطع ، وتلك التي تحتوي على 2.5-3.0٪ أكسجين (ذري) تتم معالجتها بشكل مرض عن طريق القطع ، ولكن يصعب حفرها.
من الصعب للغاية معالجة السبائك التي تحتوي على 3.5-5.0٪ أكسجين (ذري).
يؤثر النيتروجين بشدة على خصائص التيتانيوم التي تحتوي بالفعل على نسبة مئوية من المئات. يتميز نظام التيتانيوم-النيتروجين (الشكل 10) بوجود تفاعلين معماريين.

يزيد النيتروجين بشكل كبير من صلابة وقوة التيتانيوم ويقلل بشكل حاد من ليونة. من الصعب جدًا معالجة سبائك النيتروجين والتيتانيوم في حالة البرد: عندما يزيد محتوى النيتروجين عن 0.5٪ (بالوزن) ، تصبح السبيكة هشة ولا يمكن معالجتها.
بالفعل بكميات صغيرة ، يؤدي النيتروجين إلى تكوين بنية حلقية. يظهر تأثير النيتروجين على الخواص الميكانيكية والمقاومة الكهربائية للتيتانيوم في الشكل. أحد عشر.
يبدو أن التغيير في الخصائص الفيزيائية وقوة التيتانيوم من شوائب النيتروجين يرجع إلى حقيقة أن النيتروجين له تأثير كبير على معلمات الشبكة البلورية ، بشكل أساسي على المعلمة c ، والتي تظهر بوضوح في الشكل. 12.
النيتروجين ، مثل الأكسجين ، يزيد بشكل كبير من درجة حرارة بداية ونهاية تحويل التيتانيوم β⇔α.

الهيدروجين ، على عكس الأكسجين والنيتروجين والكربون ، له تأثير ضئيل على الخواص الميكانيكية للتيتانيوم ، لكنه لا يزال شوائب ضارة للغاية ، حيث يتم تدمير منتجات التيتانيوم وسبائكها تحت تأثيرها أثناء الدرفلة أو التشكيل أو التسخين.
ويترتب على مخطط حالة التيتانيوم-الهيدروجين (الشكل 13) أنه كلما زاد محتوى الهيدروجين ، تنخفض درجة حرارة تحول الطور ، وتتوسع منطقة درجة الحرارة لوجود بنية ثنائية الطور α + β.
ينتشر الهيدروجين بقوة شديدة في التيتانيوم ويشكل محاليل خلالية ، مثل الأكسجين والنيتروجين والكربون. عندما يذوب الهيدروجين في التيتانيوم ، يتم إطلاق الحرارة ؛ عند تسخين الهيدروجين ، يتم إطلاق الهيدروجين من السبائك.
عند درجة حرارة 20 ° α-titanium ، التي تحتوي على عدة أجزاء من عشرة آلاف من نسبة الهيدروجين الزائدة ، سيكون لها هيدرات حرة في الهيكل ، والتي يمكن رؤيتها تحت المجهر على شكل ألواح رفيعة. الزيادة في هشاشة السبائك هي نتيجة لظهور كمية متزايدة من الهيدريدات في بنيتها.
الهيدروجين في حدود 0.3-0.5٪ (ذري) ، الموجود عادة في التيتانيوم التجاري ، يقلل بشكل كبير من امتصاص الطاقة عند الاصطدام دون تغيير قوة الشد. على التين. 14 عبارة عن منحنيات توضح تأثير الهيدروجين على قوة الشد والاستطالة والصلابة والمقاومة الكهربائية للتيتانيوم.
يؤثر الكربون بشكل كبير على خصائص التيتانيوم. نظام التيتانيوم والكربون (الشكل 15) بطبيعته ينتمي إلى أنظمة معمارية ذات مركبات كيميائية. في هذا النظام ، لوحظ التحلل في الهندسة المعمارية للمرحلة مع قابلية ذوبان محدودة للكربون في β- و α- التيتانيوم.

الكربون هو عامل استقرار α ؛ فهو يرفع درجة حرارة التحول المتآصل للتيتانيوم من 882 إلى 920 درجة.
عند 0.48٪ كربون و 920 درجة يحدث تحول محيطي

في درجات الحرارة المرتفعة ، يتحد الكربون بقوة مع التيتانيوم ويشكل TiC كربيد التيتانيوم المقاوم للحرارة ، والذي يتميز بصلابة عالية ونقطة انصهار عالية (أكثر من 3000 درجة).
لقد وجد كربيد التيتانيوم تطبيقًا واسعًا للعديد من الأغراض: لتصنيع مواد مقاومة للحرارة ومقاومة للحرارة ، وكمكون من السبائك الصلبة وكمواد كاشطة.
تقل قابلية ذوبان الكربون في التيتانيوم بشكل ملحوظ مع انخفاض درجة الحرارة. نتيجة لقابلية الذوبان الضئيلة للكربون في α- و-titanium ، تسبب بالفعل أعشار نسبة مئوية من الكربون في سبائك التيتانيوم والكربون هشاشة ، حيث يتم ترسيب كربيد التيتانيوم.
يظهر تأثير الكربون على الخواص الميكانيكية للتيتانيوم في الشكل. 16. كما ترى ، تزداد قوة السبائك خطيًا حتى 0.25٪ كربون ، تتغير ليونة السبائك في الاتجاه المعاكس.
إضافات السبائك الرئيسية في سبائك التيتانيوم هي حاليًا المنغنيز والكروم والحديد والفاناديوم والموليبدينوم والألمنيوم والقصدير. مع معظم هذه الإضافات ، يشكل التيتانيوم eutectoid.
تتميز الزيادة في قوة التيتانيوم ، اعتمادًا على إضافات صناعة السبائك ، بالمنحنيات الموضحة في الشكل. 17.

قد تتكون سبائك التيتانيوم إما من طور ألفا أو طور أو طور ألفا + طور. ومع ذلك ، يتم استخدام سبائك α + فقط على نطاق واسع في الصناعة ، وسبائك α محدودة الاستخدام ، ولا تستخدم سبائك β على الإطلاق.
يوسع الألمنيوم منطقة المرحلة ألفا ويتم إدخاله في سبائك مقاومة للحرارة. لا يشكل الفاناديوم مادة سهلة الانصهار مع التيتانيوم ويزيد بشكل طفيف من قوة سبائك التيتانيوم. وفقًا لبعض التقارير ، فإن سبائك التيتانيوم والفاناديوم عرضة لتقصف الهيدروجين. يبطئ المنغنيز بشكل كبير تحلل eutectoid ، ويقوي المرحلة ويعزز المعالجة الحرارية. السبائك الثنائية من النوع Tl + 8٪ Mn عرضة لتقصف الهيدروجين.
يزيد الموليبدينوم من صلابة سبائك التيتانيوم ، ويوفر مع الألمنيوم مقاومة للحرارة للسبائك. يوسع القصدير أيضًا منطقة المرحلة α ، وعلى الرغم من أنه يمنح التيتانيوم مقاومة حرارة أقل قليلاً من الألمنيوم ، إلا أنه يقلل من الليونة إلى حد أقل.
يتم إدخال الكروم في معظم الحالات في التيتانيوم على شكل فيروكروميوم. يعمل الكروم على إبطاء عملية التحلل الانصهار. الأجزاء المصنوعة من سبائك التيتانيوم مع الكروم ليست مناسبة جدًا للعمل تحت الجهد وفي درجات حرارة مرتفعة. عمل الحديد مشابه لعمل الكروم. ينتج التيتانيوم بالحديد سبائك يكون فيها تحلل eutectoid يتقدم ببطء نسبيًا ؛ يزيد الحديد صلابة ويقلل من القوة في درجات الحرارة العالية.
يستخدم الزركونيوم والسيليكون أيضًا لتقوية α-titanium ، ويستخدم النيوبيوم والتنغستن لتقوية التيتانيوم β.
وفقًا لأحدث البيانات ، يتكون النحاس والنيكل والسيليكون من سبائك التيتانيوم التي يستمر فيها تحلل eutectoid بسرعة كبيرة. يمكن إعطاء هذه السبائك الخصائص المرغوبة عن طريق تبريدها بمعدلات مختلفة.
إن الإضافة المتزامنة للمنغنيز والألمنيوم أو السيليكون والبريليوم والبورون إلى التيتانيوم ، والتي تعطي مركبات كيميائية ، تجعل من الممكن تقوية السبائك عن طريق المعالجة الحرارية.
تعتمد الخواص الميكانيكية للتيتانيوم إلى حد كبير على نقاوته وطريقة إنتاجه.
في الجدول. يوضح الشكل 21 الخصائص الميكانيكية للتيتانيوم التي تم الحصول عليها بطرق مختلفة.

عند تسخينه ، تقل قوة التيتانيوم ، ولكن حتى عند 500 درجة تظل القوة النهائية حوالي 28 كجم / مم 2 (الشكل 18).
في روسيا ، وفقًا للمواصفات المؤقتة ، يتم إنتاج إسفنجة من التيتانيوم من خمس درجات ، ويرد التركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية لها في الجدول. 22.

سبائك التيتانيوم

لم يتم بعد تطوير سبائك التيتانيوم القياسية المستخدمة في الصناعة بشكل كافٍ ، وهو ما ينبغي تفسيره بالحداثة المقارنة للتكنولوجيا لإنتاج التيتانيوم نفسه. ومع ذلك ، يوجد في الوقت الحالي عدد غير قليل من السبائك القائمة على التيتانيوم ذات الخصائص الفيزيائية والميكانيكية المختلفة.

في الجدول. يوضح الشكل 23 التركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية لبعض سبائك التيتانيوم.

اسم:*
بريد الالكتروني:
تعليق:

يضيف

27.03.2019

بادئ ذي بدء ، عليك أن تقرر المبلغ الذي ترغب في إنفاقه على الشراء. يوصي الخبراء بالمستثمرين المبتدئين بمبلغ من 30 ألف روبل إلى 100. إنه يستحق ...

27.03.2019

يتم استخدام درفلة المعادن بنشاط في عصرنا في مجموعة متنوعة من المواقف. في الواقع ، في العديد من الصناعات ، من المستحيل الاستغناء عنها ، لأن المعدن المدلفن ...

27.03.2019

تم تصميم الحشيات الفولاذية للقسم البيضاوي لإغلاق وصلات شفة التركيبات وخطوط الأنابيب التي تنقل الوسائط العدوانية ...

26.03.2019

لقد سمع الكثير منا عن مثل هذا المنصب كمسؤول عن النظام ، ولكن لا يمكن للجميع تخيل المقصود بالضبط من هذه العبارة ...

26.03.2019

يجب على كل شخص يقوم بإجراء إصلاحات في غرفته أن يفكر في الهياكل التي يجب تثبيتها في المساحة الداخلية. في السوق...

26.03.2019

26.03.2019

حتى الآن ، يتم استخدام أجهزة تحليل الغاز بنشاط في صناعات النفط والغاز ، في قطاع البلدية ، في سياق التحليل في مجمعات المختبرات ، من أجل ...

تعريف

التيتانيومعلى شكل سبيكة - معدن صلب أبيض فضي (الشكل 1) ، مرن وقابل للدكتات ، يمكن تشكيله بشكل جيد. ومع ذلك ، حتى نسبة صغيرة من الشوائب تغير خصائصها الميكانيكية بشكل كبير ، مما يجعلها أكثر صلابة وهشاشة.

أرز. 1. التيتانيوم. مظهر.

ثوابت التيتانيوم الرئيسية موضحة في الجدول أدناه.

الجدول 1. الخصائص الفيزيائية وكثافة التيتانيوم.

التيتانيوم له هيكل سداسي معبأ قريبًا ، والذي يتحول إلى هيكل مكعب محوره الجسم في درجات حرارة عالية.

انتشار التيتانيوم في الطبيعة

من حيث الانتشار في قشرة الأرض ، يحتل التيتانيوم المرتبة التاسعة بين جميع العناصر الكيميائية. محتواه فيه 0.63٪ (وزن). يوجد التيتانيوم في الطبيعة حصريًا في شكل مركبات. من معادن التيتانيوم ، الروتيل TiO2 ، ilmenite FeTiO 3 ، perovskite CaTiO 3 لها أهمية قصوى.

وصف موجز للخصائص الكيميائية وكثافة التيتانيوم

في درجات الحرارة العادية ، يكون التيتانيوم في شكل مضغوط (أي على شكل سبائك ، سلك سميك ، إلخ) مقاومًا للتآكل في الهواء. على سبيل المثال ، على عكس السبائك التي أساسها الحديد ، فإنه لا يصدأ حتى في مياه البحر. ويرجع ذلك إلى تكوين طبقة أكسيد واقية رقيقة ولكنها مستمرة وكثيفة على السطح. عند تسخينه ، يتم تدمير الفيلم ، ويزداد نشاط التيتانيوم بشكل ملحوظ. لذلك ، في جو الأكسجين ، يشتعل التيتانيوم المضغوط فقط عند درجة حرارة بيضاء (1000 درجة مئوية) ، ويتحول إلى مسحوق أكسيد TiO2. تستمر التفاعلات مع النيتروجين والهيدروجين عند نفس درجات الحرارة تقريبًا ، ولكن بشكل أبطأ بكثير ، مع تكوين نيتريد TiN و TiH4 هيدريد التيتانيوم.

Ti + O 2 \ u003d TiO 2 ؛

2Ti + N 2 = 2TiN ؛

Ti + 2H 2 = TiH 4.

تؤثر مساحة سطح التيتانيوم بشكل كبير على معدل تفاعلات الأكسدة: تشتعل رقائق التيتانيوم الرقيقة عند إدخالها في اللهب ، والمساحيق الدقيقة جدًا قابلة للاشتعال - تشتعل ذاتيًا في الهواء.

يبدأ التفاعل مع الهالوجينات عند التسخين المنخفض ، وكقاعدة عامة ، يكون مصحوبًا بإطلاق كمية كبيرة من الحرارة ، ويتم دائمًا تكوين رباعي الهاليدات التيتانيوم. فقط في التفاعل مع اليود يتطلب درجات حرارة أعلى (200 درجة مئوية).

Ti + 2Cl 2 \ u003d TiCl 4 ؛

Ti + 2Br 2 = TiBr 4.

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1

يمارس	أوجد كثافة الهيدروجين لمزيج من الهيليوم والأكسجين بحجم 300 dm 3 و 100 dm 3 ، على التوالي.
قرار	أوجد الكسور الحجمية للمواد في الخليط: j = V gas / V خليط_غاز ؛ ي (O 2) = V (O 2) / V خليط_ غاز ؛ ي (O 2) = 100 / (300 + 100) = 100/400 = 0.25. j (He) = V (He) / V mixgas ؛ ي (هو) = 300 / (300 + 100) = 300/400 = 0.75. تتطابق الكسور الحجمية للغازات مع الكسور المولية ، أي مع أجزاء من كميات المواد ، هذا نتيجة لقانون أفوجادرو. أوجد الوزن الجزيئي الشرطي للخليط: M r مشروط (خليط) = j (O 2) × M r (O 2) + j (He) × M r (He) ؛ M r الشرطي (الخليط) = 0.25 × 32 + 0.75 × 20 = 8 + 15 = 23. أوجد الكثافة النسبية لخليط الأكسجين: D H2 (خليط) = M r مشروط (خليط) / M r (O 2) ؛ D H 2 (خليط) = 23/2 = 11.5.
إجابه	كثافة الهيدروجين النسبية لخليط يتكون من الهيليوم والأكسجين هي 11.5.

مثال 2

يمارس	أوجد كثافة الهيدروجين لمزيج غاز يكون فيه الجزء الكتلي لثاني أكسيد الكبريت 60٪ وثاني أكسيد الكربون 40٪.
قرار	تتطابق الكسور الحجمية للغازات مع الكسور المولية ، أي مع أجزاء من كميات المواد ، هذا نتيجة لقانون أفوجادرو. أوجد الوزن الجزيئي الشرطي للخليط: M r الشرطي (الخليط) = j (SO 2) × M r (SO 2) + j (CO 2) × M r (CO 2) ؛

التيتانيوم- معدن خفيف ومتين من اللون الفضي والأبيض. إنه موجود في تعديلين بلوريين: α-Ti مع شبكة سداسية معبأة متقاربة ، β-Ti مع عبوة مكعبة محورها الجسم ، ودرجة حرارة التحول متعدد الأشكال α↔β هي 883 درجة مئوية.تجمع سبائك التيتانيوم والتيتانيوم بين الخفة والقوة ، مقاومة عالية للتآكل ، توسع معامل حراري منخفض ، القدرة على العمل في نطاق درجات حرارة واسعة.

أنظر أيضا:

بنية

التيتانيوم له تعديلين متآصلين. يحتوي تعديل درجة الحرارة المنخفضة ، والذي يصل إلى 882 درجة مئوية ، على شبكة سداسية معبأة قريبة مع فترات أ = 0.296 نانومتر و ج = 0.472 نانومتر. يحتوي تعديل درجة الحرارة المرتفعة على شعرية مكعب محورها الجسم مع فترة أ = 0.332 نانومتر.
يحدث التحول متعدد الأشكال (882 درجة مئوية) أثناء التبريد البطيء وفقًا للآلية العادية مع تكوين حبيبات متوازنة ، وأثناء التبريد السريع ، وفقًا لآلية مارتينسيتي مع تكوين بنية أصلية.
التيتانيوم لديه مقاومة عالية للتآكل والمواد الكيميائية بسبب طبقة أكسيد واقية على سطحه. لا يتآكل في المياه العذبة ومياه البحر والأحماض المعدنية والأكوا ريجيا وما إلى ذلك.

ملكيات

نقطة الانصهار 1671 درجة مئوية ، نقطة الغليان 3260 درجة مئوية ، كثافة α-Ti و β-Ti هي 4.505 (20 درجة مئوية) و 4.32 (900 درجة مئوية) جم / سم مكعب ، على التوالي ، الكثافة الذرية 5.71 × 1022 عند / سم مكعب. بلاستيك ، ملحوم في جو خامل.
يحتوي التيتانيوم التقني المستخدم في الصناعة على شوائب من الأكسجين والنيتروجين والحديد والسيليكون والكربون ، مما يزيد من قوته ويقلل من الليونة ويؤثر على درجة حرارة التحول متعدد الأشكال ، والذي يحدث في حدود 865-920 درجة مئوية. بالنسبة لدرجات التيتانيوم التقنية VT1-00 و VT1-0 ، تبلغ الكثافة حوالي 4.32 جم / سم 3 ، وقوة الشد 300-550 MN / م 2 (30-55 كجم / مم 2) ، والاستطالة النسبية لا تقل عن 25٪ ، وصلابة برينل 1150 - 1650 مليون نيوتن / م 2 (115-165 كجم / مم 2). إنه شبه مغناطيسي. تكوين غلاف الإلكترون الخارجي لذرة Ti 3d24s2.

تتميز بلزوجة عالية ، أثناء المعالجة تكون عرضة للالتصاق بأداة القطع ، وبالتالي فإن تطبيق طلاء خاص على الأداة يتطلب مواد تشحيم مختلفة.

في درجة الحرارة العادية ، يتم تغطيتها بطبقة واقية من التخميل من أكسيد TiO2 ، مما يجعلها مقاومة للتآكل في معظم البيئات (باستثناء القلوية). يميل غبار التيتانيوم إلى الانفجار. نقطة الوميض 400 درجة مئوية.

الاحتياطيات والإنتاج

الخامات الرئيسية: الإلمنيت (FeTiO 3) ، الروتيل (TiO2) ، التيتانيوم (CaTiSiO 5).

في عام 2002 ، تم استخدام 90٪ من التيتانيوم المستخرج لإنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم TiO 2. بلغ الإنتاج العالمي من ثاني أكسيد التيتانيوم 4.5 مليون طن سنويًا. تبلغ الاحتياطيات المؤكدة من ثاني أكسيد التيتانيوم (بدون روسيا) حوالي 800 مليون طن. بالنسبة لعام 2006 ، وفقًا للمسح الجيولوجي الأمريكي ، من حيث ثاني أكسيد التيتانيوم وباستثناء روسيا ، يبلغ احتياطي خامات الإلمنيت 603-673 مليون طن ، والروتيل. - 49.7- 52.7 مليون طن ، وبالتالي ، وبمعدل الإنتاج الحالي ، فإن احتياطيات العالم المؤكدة من التيتانيوم (باستثناء روسيا) ستكون كافية لأكثر من 150 عامًا.

تمتلك روسيا ثاني أكبر احتياطي من التيتانيوم في العالم بعد الصين. تتكون قاعدة الموارد المعدنية للتيتانيوم في روسيا من 20 رواسب (11 منها أساسية و 9 غرينية) ، موزعة بالتساوي في جميع أنحاء البلاد. تقع أكبر الرواسب المستكشفة على بعد 25 كم من مدينة أوختا (جمهورية كومي). وتقدر احتياطيات الودائع بنحو 2 مليار طن.

يخضع تركيز خامات التيتانيوم لحمض الكبريتيك أو المعالجة المعدنية الحرارية. منتج معالجة حامض الكبريتيك هو مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم TiO 2. باستخدام طريقة المعالجة المعدنية الحرارية ، يتم تلبيد الخام بفحم الكوك ومعالجته بالكلور ، والحصول على أبخرة رباعي كلوريد التيتانيوم عند 850 درجة مئوية وتقليله بالمغنيسيوم.

يتم صهر "الإسفنج" الناتج من التيتانيوم وتنقيته. يتم تقليل مركزات الإلمنيت في أفران القوس الكهربائي مع كلورة لاحقة لخبث التيتانيوم الناتج.

الأصل

التيتانيوم هو العاشر الأكثر وفرة في الطبيعة. المحتوى في قشرة الأرض - 0.57٪ بالوزن ، في مياه البحر - 0.001 ملغم / لتر. 300 جم / طن في الصخور فائقة القاعدة ، 9 كجم / طن في الصخور الأساسية ، 2.3 كجم / طن في الصخور الحمضية ، 4.5 كجم / طن في الطين والصخر الزيتي. في قشرة الأرض ، يكون التيتانيوم دائمًا رباعي التكافؤ ولا يوجد إلا في مركبات الأكسجين. لا يحدث في شكل حر. التيتانيوم تحت ظروف التجوية وهطول الأمطار له صلة جيوكيميائية لـ Al 2 O 3. يتركز في البوكسيت من قشرة التجوية وفي الرواسب الطينية البحرية.
يتم نقل التيتانيوم في شكل شظايا ميكانيكية من المعادن وفي شكل غرويات. يتراكم ما يصل إلى 30٪ TiO 2 بالوزن في بعض الطين. معادن التيتانيوم مقاومة للعوامل الجوية وتشكل تركيزات كبيرة في الغرينيات. من المعروف أن أكثر من 100 معدن يحتوي على التيتانيوم. أهمها: الروتيل TiO 2 ، الإلمنيت FeTiO 3 ، التيتانيوم المغنطيسي FeTiO 3 + Fe3O 4 ، البيروفسكايت CaTiO 3 ، التيتانيوم CaTiSiO 5. توجد خامات التيتانيوم الأولية - الإلمنيت - تيتانوماغنتيت والغرينية - الروتيل - الإلمنيت - الزركون.
توجد رواسب التيتانيوم في جنوب إفريقيا وروسيا وأوكرانيا والصين واليابان وأستراليا والهند وسيلان والبرازيل وكوريا الجنوبية وكازاخستان. في بلدان رابطة الدول المستقلة ، يحتل الاتحاد الروسي (58.5٪) وأوكرانيا (40.2٪) مكان الصدارة من حيث احتياطيات خامات التيتانيوم المستكشفة.

تطبيق

تلعب سبائك التيتانيوم دورًا مهمًا في تكنولوجيا الطيران ، حيث الهدف هو الحصول على أخف تصميم مقترن بالقوة المطلوبة. التيتانيوم خفيف مقارنة بالمعادن الأخرى ، لكنه في نفس الوقت يمكنه العمل في درجات حرارة عالية. تُستخدم سبائك التيتانيوم في صناعة الجلد ، وأجزاء التثبيت ، ومجموعة الطاقة ، وأجزاء الهيكل ، والوحدات المختلفة. كما تستخدم هذه المواد في صناعة المحركات النفاثة للطائرات. هذا يسمح لك بتخفيض وزنهم بنسبة 10-25٪. تُستخدم سبائك التيتانيوم لإنتاج أقراص وشفرات الضاغط ومدخل الهواء وأجزاء ريشة التوجيه والمثبتات.

كما يستخدم التيتانيوم وسبائكه في علم الصواريخ. في ضوء التشغيل قصير المدى للمحركات والمرور السريع للطبقات الكثيفة من الغلاف الجوي في علم الصواريخ ، تتم إزالة مشاكل قوة التعب والتحمل الثابت والزحف الجزئي إلى حد كبير.

نظرًا لمقاومة الحرارة العالية غير الكافية ، فإن التيتانيوم التقني غير مناسب للاستخدام في الطيران ، ولكن نظرًا لمقاومته العالية للتآكل بشكل استثنائي ، فإنه في بعض الحالات لا غنى عنه في الصناعة الكيميائية وبناء السفن. لذلك يتم استخدامه في تصنيع الضواغط والمضخات لضخ الوسائط العدوانية مثل حامض الكبريتيك وحمض الهيدروكلوريك وأملاحهما وخطوط الأنابيب والصمامات والأوتوكلاف والحاويات المختلفة والمرشحات وما إلى ذلك. التيتانيوم فقط لديه مقاومة للتآكل في بيئات مثل الكلور الرطب ومحاليل الكلور المائي والحمضي ، لذلك فإن معدات صناعة الكلور مصنوعة من هذا المعدن. يستخدم التيتانيوم في صنع المبادلات الحرارية التي تعمل في البيئات المسببة للتآكل ، مثل حمض النيتريك (غير مدخن). في بناء السفن ، يتم استخدام التيتانيوم لتصنيع المراوح ، وطلاء السفن ، والغواصات ، والطوربيدات ، إلخ. لا تلتصق الأصداف بالتيتانيوم وسبائكه ، مما يزيد بشدة من مقاومة الوعاء عندما يتحرك.

تعتبر سبائك التيتانيوم واعدة للاستخدام في العديد من التطبيقات الأخرى ، ولكن استخدامها في التكنولوجيا مقيد بسبب التكلفة العالية وندرة التيتانيوم.

التيتانيوم - Ti

تصنيف

سترونز (الإصدار الثامن)	1 / A.06-05
دانا (الإصدار السابع)	1.1.36.1
نيكل سترونز (الطبعة العاشرة)	1.AB.05

التيتانيوم هو أحد العناصر الأكثر شيوعًا الموجودة في الأرض. وبحسب نتائج البحث ، فقد احتلت المرتبة الرابعة من حيث الانتشار ، حيث احتلت الألومونيوم والحديد والمغنيسيوم المراكز الرائدة. على الرغم من هذا التوزيع الكبير ، بدأ استخدام التيتانيوم في الصناعة فقط في القرن العشرين. أثرت سبائك التيتانيوم إلى حد كبير على تطور علم الصواريخ والطيران ، والذي يرتبط بمزيج من الكثافة المنخفضة والقوة النوعية العالية ، فضلاً عن مقاومة التآكل. النظر في جميع ميزات هذه المواد بمزيد من التفصيل.

الخصائص العامة للتيتانيوم وسبائكه

الخصائص الميكانيكية الأساسية لسبائك التيتانيوم هي التي تحدد توزيعها على نطاق واسع. إذا كنت لا تهتم بالتركيب الكيميائي ، فيمكن وصف جميع سبائك التيتانيوم على النحو التالي:

1. مقاومة عالية للتآكل. يمكن تسمية عيب معظم المعادن بحقيقة أنه عند التعرض للرطوبة العالية ، يتشكل التآكل على السطح ، مما لا يؤدي فقط إلى تفاقم مظهر المادة ، بل يقلل أيضًا من أدائها الأساسي. التيتانيوم أقل عرضة للرطوبة من الحديد.
2. مقاومة البرد. تؤدي درجة الحرارة المنخفضة جدًا إلى تقليل الخصائص الميكانيكية لسبائك التيتانيوم بشكل كبير. في كثير من الأحيان يمكنك أن تجد موقفًا يؤدي فيه العمل في درجات حرارة منخفضة إلى زيادة كبيرة في الهشاشة. غالبًا ما يستخدم التيتانيوم في صناعة المركبات الفضائية.
3. تتميز سبائك التيتانيوم والتيتانيوم بكثافة منخفضة نسبيًا ، مما يقلل الوزن بشكل كبير. تستخدم المعادن الخفيفة على نطاق واسع في العديد من الصناعات ، على سبيل المثال ، في صناعة الطائرات ، وبناء ناطحات السحاب ، وما إلى ذلك.
4. القوة النوعية العالية والكثافة المنخفضة من الخصائص التي نادرًا ما يتم دمجها. ومع ذلك ، فإن هذا المزيج هو بالضبط سبب استخدام سبائك التيتانيوم على نطاق واسع اليوم.
5. تحدد قابلية التصنيع في معالجة الضغط أن السبيكة تستخدم غالبًا كقطعة عمل للضغط أو أنواع أخرى من المعالجة.
6. يُطلق على عدم وجود استجابة لعمل المجال المغناطيسي أيضًا سبب استخدام السبائك قيد الدراسة على نطاق واسع. غالبًا ما يمكنك العثور على موقف يتم فيه إنتاج الهياكل ، حيث يتم تكوين مجال مغناطيسي أثناء التشغيل. استخدام التيتانيوم يلغي إمكانية الترابط.

تحدد هذه المزايا الرئيسية لسبائك التيتانيوم توزيعها الواسع إلى حد ما. ومع ذلك ، كما لوحظ سابقًا ، يعتمد الكثير على التركيب الكيميائي المحدد. مثال على ذلك هو أن الصلابة تختلف باختلاف المواد المستخدمة في صناعة السبائك.

من المهم أن تصل درجة الانصهار إلى 1700 درجة مئوية. نتيجة لهذا ، تزداد مقاومة التركيبة للحرارة بشكل كبير ، لكن عملية المعالجة معقدة أيضًا.

أنواع سبائك التيتانيوم

يتم تصنيف سبائك التيتانيوم وفقًا لعدد كبير من الميزات. يمكن تقسيم جميع السبائك إلى عدة مجموعات رئيسية:

1. سبائك التيتانيوم عالية القوة والهيكلية ، والتي تتمتع أيضًا بليونة عالية إلى حد ما. نتيجة لذلك ، يمكن استخدامها في تصنيع الأجزاء التي يوجد عليها حمولة متغيرة.
2. تُستخدم السبائك منخفضة الكثافة المقاومة للحرارة كبديل أرخص لسبائك النيكل المقاومة للحرارة ، مع مراعاة نطاق درجة حرارة معين. يمكن أن تختلف قوة سبيكة التيتانيوم هذه على نطاق واسع إلى حد ما ، اعتمادًا على التركيب الكيميائي المحدد.
3. تقدم سبائك التيتانيوم القائمة على مركب كيميائي بنية مقاومة للحرارة بكثافة منخفضة. بسبب الانخفاض الكبير في الكثافة ، يتم تقليل الوزن أيضًا ، وتسمح مقاومة الحرارة للمواد باستخدامها في تصنيع الطائرات. بالإضافة إلى ذلك ، ترتبط اللدونة العالية أيضًا بعلامة تجارية مماثلة.

يتم وضع علامات على سبائك التيتانيوم وفقًا لقواعد معينة تسمح لك بتحديد تركيز جميع العناصر. ضع في اعتبارك بعض الأنواع الأكثر شيوعًا من سبائك التيتانيوم بمزيد من التفصيل.

بالنظر إلى الدرجات الأكثر شيوعًا لسبائك التيتانيوم ، يجب الانتباه إلى VT1-00 و VT1-0. إنهم ينتمون إلى طبقة العمالقة التقنيين. يتضمن تكوين سبيكة التيتانيوم هذه عددًا كبيرًا بدرجة كافية من الشوائب المختلفة ، والتي تحدد انخفاض القوة. ومع ذلك ، بسبب انخفاض القوة ، تزداد الليونة بشكل كبير. تحدد اللدونة التكنولوجية العالية أنه يمكن الحصول على التيتانيوم التقني حتى في إنتاج الرقائق.

في كثير من الأحيان ، يخضع التكوين المدروس للسبيكة لتصلب العمل. نتيجة لذلك ، تزداد القوة ، لكن اللدونة تقل بشكل كبير. يعتقد العديد من الخبراء أن طريقة المعالجة قيد الدراسة لا يمكن وصفها بأنها الأفضل ، لأنها لا تملك تأثيرًا مفيدًا معقدًا على الخصائص الأساسية للمادة.

تعتبر سبيكة VT5 شائعة جدًا ، وتتميز باستخدام الألومنيوم كعنصر في صناعة السبائك فقط. من المهم ملاحظة أن الألومنيوم هو العنصر الأكثر شيوعًا في صناعة السبائك في سبائك التيتانيوم. هذا يتعلق بالنقاط التالية:

1. يتيح استخدام الألمنيوم زيادة كبيرة في معايير المرونة.
2. يسمح لك الألمنيوم أيضًا بزيادة قيمة مقاومة الحرارة.
3. يعد هذا المعدن من أكثر المعادن شيوعًا ، حيث يتم تقليل تكلفة المواد الناتجة بشكل كبير.
4. تقليل التقصف الهيدروجين.
5. كثافة الألمنيوم أقل من كثافة التيتانيوم ، مما يؤدي إلى إدخال مادة السبائك المدروسة في زيادة القوة المحددة بشكل كبير.

عندما يكون ساخنًا ، فإن VT5 يكون مزورًا وملفوفًا ومختومًا جيدًا. هذا هو السبب في أنها تستخدم في كثير من الأحيان للتزوير أو الدرفلة أو الختم. يمكن لمثل هذا الهيكل أن يتحمل التعرض لما لا يزيد عن 400 درجة مئوية.

يمكن أن يكون لسبائك التيتانيوم VT22 هيكل مختلف تمامًا ، اعتمادًا على التركيب الكيميائي. تشمل الميزات التشغيلية للمادة النقاط التالية:

1. ليونة تكنولوجية عالية عند التشكيل على الساخن.
2. يتم استخدامه لتصنيع القضبان والأنابيب والألواح والطوابع والملامح.
3. يمكن استخدام جميع الطرق الشائعة في اللحام.
4. نقطة مهمة هي أنه بعد الانتهاء من عملية اللحام ، يوصى بإجراء التلدين ، مما أدى إلى زيادة الخصائص الميكانيكية للحام الناتج بشكل كبير.

من الممكن تحسين أداء سبائك التيتانيوم VT22 بشكل ملحوظ باستخدام تقنية التلدين المعقدة. إنها تنطوي على تسخين لدرجة حرارة عالية والاحتفاظ بها لعدة ساعات ، متبوعة بتبريد تدريجي في الفرن ، وكذلك مع الإمساك لفترة طويلة. بعد التلدين عالي الجودة ، تكون السبيكة مناسبة لتصنيع الأجزاء عالية التحميل والهياكل التي يمكن تسخينها إلى درجات حرارة أعلى من 350 درجة مئوية. مثال على ذلك هو عناصر جسم الطائرة أو الجناح أو أجزاء من نظام التحكم أو المرفقات.

تلقت سبائك التيتانيوم VT6 اليوم أوسع توزيع في الخارج. الغرض من سبيكة التيتانيوم هذه هو تصنيع أسطوانات يمكنها العمل تحت ضغط عالٍ. بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا لنتائج الدراسات ، في 50 ٪ من الحالات في صناعة الطيران ، يتم استخدام سبيكة التيتانيوم ، والتي تتوافق من حيث أدائها وتكوينها مع VT6. لا يتم استخدام معيار GOST اليوم عمليًا في الخارج لتعيين التيتانيوم والعديد من السبائك الأخرى ، والتي يجب أن تؤخذ في الاعتبار. للتسمية ، يتم استخدام العلامات الفريدة الخاصة بها.

يتمتع VT6 بأداء استثنائي بسبب حقيقة أن الفاناديوم يضاف أيضًا إلى التكوين. يتميز عنصر صناعة السبائك هذا بحقيقة أنه لا يزيد القوة فحسب ، بل يزيد أيضًا من الليونة.

هذه السبيكة مشوهة جيدًا في الحالة الساخنة ، والتي يمكن أيضًا أن تسمى الجودة الإيجابية. عند استخدامه ، يتم الحصول على الأنابيب ومختلف الملامح والألواح والطوابع والعديد من الفراغات الأخرى. يمكن استخدام جميع الطرق الحديثة في اللحام ، مما يوسع أيضًا بشكل كبير نطاق سبائك التيتانيوم المدروسة. لتحسين الأداء ، يتم إجراء المعالجة الحرارية أيضًا ، على سبيل المثال ، التلدين أو التصلب. لفترة طويلة ، تم إجراء التلدين في درجة حرارة لا تزيد عن 800 درجة مئوية ، ومع ذلك ، تشير نتائج الدراسات إلى أنه من المنطقي زيادة المؤشر إلى 950 درجة مئوية. غالبًا ما يتم إجراء التلدين المزدوج لتحسين مقاومة التآكل.

أيضًا ، أصبحت سبيكة VT8 منتشرة على نطاق واسع. بالمقارنة مع سابقتها ، لديها قوة أعلى وخصائص مقاومة للحرارة. كانوا قادرين على تحقيق صفات أداء فريدة من خلال إضافة كمية كبيرة من الألومنيوم والسيليكون إلى التركيبة. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن درجة الحرارة القصوى التي يمكن تشغيل سبيكة التيتانيوم عندها هي حوالي 480 درجة مئوية. يمكن تسمية شكل مختلف من هذا التكوين باسم VT8-1. سنقوم بتسمية النقاط التالية على أنها خصائصها التشغيلية الرئيسية:

1. ثبات حراري عالي.
2. احتمالية منخفضة لتكوين تشققات في الهيكل بسبب توفير روابط قوية.
3. قابلية التصنيع أثناء إجراءات المعالجة المختلفة ، على سبيل المثال ، الختم على البارد.
4. ليونة عالية مقترنة بزيادة القوة.

لتحسين الأداء بشكل كبير ، غالبًا ما يتم تنفيذ التلدين المتساوي الحرارة. في معظم الحالات ، يتم استخدام سبائك التيتانيوم هذه في إنتاج المطروقات ، والبرك ، والألواح المختلفة ، والطوابع وغيرها من الفراغات. ومع ذلك ، يجب ألا يغيب عن البال أن ميزات التكوين لا تسمح باللحام.

تطبيق سبائك التيتانيوم

بالنظر إلى مجالات تطبيق سبائك التيتانيوم ، نلاحظ أن معظم الأصناف تستخدم في صناعات الطيران والصواريخ ، وكذلك في صناعة السفن البحرية. المعادن الأخرى غير مناسبة لتصنيع أجزاء محرك الطائرة نظرًا لحقيقة أنه عند تسخينها إلى درجات حرارة منخفضة نسبيًا ، فإنها تبدأ في الذوبان ، مما يؤدي إلى تشوه الهيكل. كما أن زيادة وزن العناصر يؤدي إلى فقدان الكفاءة.

استخدام سبائك التيتانيوم في الطب

دعونا نطبق المواد عن طريق الإنتاج:

1. تستخدم خطوط الأنابيب لتزويد المواد المختلفة.
2. وقف الصمامات.
3. الصمامات والمنتجات المماثلة الأخرى المستخدمة في البيئات الكيميائية العدوانية.
4. في صناعة الطائرات ، تُستخدم السبائك للحصول على الجلود ، ومختلف أدوات التثبيت ، وأجزاء معدات الهبوط ، ومجموعات الطاقة والوحدات الأخرى. كما تظهر نتائج الدراسات الجارية ، فإن إدخال مثل هذه المواد يقلل الوزن بحوالي 10-25٪.
5. مجال آخر للتطبيق هو علم الصواريخ. يؤدي تشغيل المحرك على المدى القصير والحركة بسرعة عالية والدخول إلى طبقات كثيفة إلى تعرض الهيكل لأحمال شديدة لا يمكنها تحمل جميع المواد.
6. في الصناعة الكيميائية ، يتم استخدام سبائك التيتانيوم بسبب حقيقة أنها لا تتفاعل مع تأثيرات المواد المختلفة.
7. في بناء السفن ، يعتبر التيتانيوم جيدًا لأنه لا يتفاعل مع تأثيرات المياه المالحة.

بشكل عام ، يمكننا القول أن نطاق سبائك التيتانيوم واسع جدًا. في هذه الحالة ، يتم تنفيذ صناعة السبائك ، مما يؤدي إلى زيادة الصفات التشغيلية الرئيسية للمادة بشكل كبير.

المعالجة الحرارية لسبائك التيتانيوم

لتحسين الأداء ، يتم إجراء المعالجة الحرارية لسبائك التيتانيوم. هذه العملية أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ نظرًا لحقيقة أن إعادة ترتيب الشبكة البلورية للطبقة السطحية تتم عند درجة حرارة تزيد عن 500 درجة مئوية. بالنسبة للسبائك من الدرجات VT5 و VT6-C ، غالبًا ما يتم إجراء التلدين. يمكن أن يختلف وقت التعرض بشكل كبير ، اعتمادًا على سمك قطعة العمل والأبعاد الخطية الأخرى.

يجب أن تتحمل الأجزاء المصنوعة من VT14 درجات حرارة تصل إلى 400 درجة مئوية في وقت الاستخدام. هذا هو السبب في أن المعالجة الحرارية تتضمن تصلبًا متبوعًا بالشيخوخة. في الوقت نفسه ، يتطلب التصلب تسخين الوسط إلى درجة حرارة حوالي 900 درجة مئوية ، بينما تتضمن الشيخوخة التعرض لبيئة بدرجة حرارة 500 درجة مئوية لأكثر من 12 ساعة.

تسمح طرق التسخين التعريفي بتنفيذ مجموعة متنوعة من عمليات المعالجة الحرارية. تشمل الأمثلة التلدين ، والشيخوخة ، والتطبيع ، وما إلى ذلك. يتم تحديد أوضاع المعالجة الحرارية المحددة اعتمادًا على خصائص الأداء التي سيتم تحقيقها.

يهتم الكثيرون بالتيتانيوم الغامض إلى حد ما وغير المفهوم تمامًا - وهو معدن تكون خصائصه غامضة إلى حد ما. المعدن هو الأقوى والأكثر هشاشة.

أقوى المعادن وأكثرها هشاشة

اكتشفه عالمان بفارق 6 سنوات - الإنجليزي دبليو جريجور والألماني إم. كلابروث. يرتبط اسم العملاق ، من ناحية ، بالجبابرة الأسطورية ، الخارقة للطبيعة والشجاعة ، من ناحية أخرى ، تيتانيا ، ملكة الجنيات.
هذه واحدة من أكثر المواد شيوعًا في الطبيعة ، لكن عملية الحصول على معدن نقي صعبة بشكل خاص.

22 عنصرًا كيميائيًا من جدول D. Mendeleev ينتمي Titanium (Ti) إلى المجموعة الرابعة من الفترة الرابعة.

لون التيتانيوم أبيض فضي مع بريق واضح. تلمع معالمها مع كل ألوان قوس قزح.

إنه أحد المعادن المقاومة للصهر. يذوب عند +1660 درجة مئوية (± 20 درجة). التيتانيوم متوازي مغناطيسي: فهو غير ممغنط في مجال مغناطيسي ولا يتم دفعه للخارج.
يتميز المعدن بكثافة منخفضة وقوة عالية. لكن خصوصية هذه المادة تكمن في حقيقة أنه حتى الحد الأدنى من شوائب العناصر الكيميائية الأخرى يغير خصائصها بشكل جذري. في حالة وجود جزء ضئيل من المعادن الأخرى ، يفقد التيتانيوم مقاومته للحرارة ، ويؤدي الحد الأدنى من المواد غير المعدنية في تركيبته إلى جعل السبيكة هشة.
تحدد هذه الميزة وجود نوعين من المواد: نقية وتقنية.

1. يتم استخدام التيتانيوم النقي عند الحاجة إلى مادة خفيفة للغاية يمكنها تحمل الأحمال الثقيلة ونطاقات درجات الحرارة المرتفعة للغاية.
2. يتم استخدام المواد التقنية حيث يتم تقييم المعلمات مثل الخفة والقوة ومقاومة التآكل.

المادة لها خاصية تباين الخواص. هذا يعني أن المعدن يمكنه تغيير خصائصه الفيزيائية بناءً على القوة المطبقة. يجب أن تؤخذ هذه الميزة في الاعتبار عند التخطيط لاستخدام المواد.

يفقد التيتانيوم قوته عند أدنى وجود لشوائب المعادن الأخرى فيه.

تؤكد الدراسات التي أجريت على خصائص التيتانيوم في ظل الظروف العادية خمولها. لا تتفاعل المادة مع العناصر الموجودة في الغلاف الجوي المحيط.
يبدأ التغيير في المعلمات عندما ترتفع درجة الحرارة إلى + 400 درجة مئوية وما فوق. يتفاعل التيتانيوم مع الأكسجين ، ويمكن أن يشتعل في النيتروجين ، ويمتص الغازات.
هذه الخصائص تجعل من الصعب الحصول على مادة نقية وسبائكها. يعتمد إنتاج التيتانيوم على استخدام معدات فراغ باهظة الثمن.

التيتانيوم والمنافسة مع المعادن الأخرى

تتم مقارنة هذا المعدن باستمرار مع سبائك الألومنيوم والحديد. العديد من الخصائص الكيميائية للتيتانيوم أفضل بكثير من تلك الخاصة بالمنافسين:

1. من حيث القوة الميكانيكية ، يتفوق التيتانيوم على الحديد مرتين ، والألمنيوم بمقدار 6 مرات. تزداد قوتها مع انخفاض درجة الحرارة ، وهو ما لا يتم ملاحظته في المنافسين.
   خصائص التيتانيوم المضادة للتآكل أعلى بكثير من تلك الموجودة في المعادن الأخرى.
2. في درجات الحرارة المحيطة ، يكون المعدن خاملًا تمامًا. ولكن عندما ترتفع درجة الحرارة عن + 200 درجة مئوية ، تبدأ المادة في امتصاص الهيدروجين وتغيير خصائصه.
3. في درجات الحرارة المرتفعة ، يتفاعل التيتانيوم مع العناصر الكيميائية الأخرى. تتميز بقوة عالية محددة ، وهي أعلى بمرتين من خصائص أفضل سبائك الحديد.
4. تتعدى خصائص التيتانيوم المضادة للتآكل بشكل كبير خصائص الألمنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ.
5. المادة موصل ضعيف للكهرباء. التيتانيوم لديه مقاومة 5 مرات من الحديد ، و 20 مرة من الألمنيوم ، و 10 مرات من المغنيسيوم.
6. يتميز التيتانيوم بموصلية حرارية منخفضة ، ويرجع ذلك إلى انخفاض معامل التمدد الحراري. 3 مرات أقل من الحديد ، و 12 مرة أقل من الألومنيوم.
   

كيف يتم الحصول على التيتانيوم؟

تحتل المادة المرتبة العاشرة من حيث التوزيع في الطبيعة. يوجد حوالي 70 معدنًا يحتوي على التيتانيوم على شكل حمض التيتانيوم أو ثاني أكسيده. اشهرها وتحتوي على نسبة عالية من المشتقات المعدنية:

• ألمنيت.
• الروتيل.
• أناتاز.
• البيروفسكايت.
• بروكيت.

توجد الرواسب الرئيسية لخامات التيتانيوم في الولايات المتحدة الأمريكية وبريطانيا العظمى واليابان ، وتم اكتشاف رواسب كبيرة منها في روسيا وأوكرانيا وكندا وفرنسا وإسبانيا وبلجيكا.

يعد تعدين التيتانيوم عملية مكلفة وكثيفة العمالة

الحصول على المعادن منها مكلف للغاية. طور العلماء 4 طرق لإنتاج التيتانيوم ، كل منها يعمل ويستخدم بشكل فعال في الصناعة:

1. طريقة المغنيسيوم. تتم معالجة المواد الخام المستخرجة التي تحتوي على شوائب التيتانيوم والحصول على ثاني أكسيد التيتانيوم. تخضع هذه المادة للكلور في المناجم أو أجهزة الكلورة بالملح في درجات حرارة مرتفعة. هذه العملية بطيئة للغاية ويتم إجراؤها في وجود محفز كربوني. في هذه الحالة ، يتم تحويل ثاني أكسيد الصلب إلى مادة غازية - رباعي كلوريد التيتانيوم. يتم تقليل المواد الناتجة عن طريق المغنيسيوم أو الصوديوم. تتعرض السبيكة المتكونة أثناء التفاعل للتسخين في وحدة تفريغ لدرجات حرارة عالية جدًا. نتيجة التفاعل يحدث تبخر للمغنيسيوم ومركباته بالكلور. في نهاية العملية ، يتم الحصول على مادة تشبه الإسفنج. يتم صهره والحصول على التيتانيوم عالي الجودة.
2. طريقة هيدريد الكالسيوم. يخضع الخام لتفاعل كيميائي ويتم الحصول على هيدريد التيتانيوم. المرحلة التالية هي فصل المادة إلى مكونات. يتم إطلاق التيتانيوم والهيدروجين أثناء التسخين في محطات التفريغ. في نهاية العملية ، يتم الحصول على أكسيد الكالسيوم ، والذي يتم غسله بأحماض ضعيفة. الطريقتان الأوليان تتعلقان بالإنتاج الصناعي. إنها تجعل من الممكن الحصول على التيتانيوم النقي في أقصر وقت ممكن بتكاليف منخفضة نسبيًا.
3. طريقة التحليل الكهربائي. مركبات التيتانيوم تخضع لتيار عالي. اعتمادًا على المواد الأولية ، يتم تقسيم المركبات إلى مكونات: الكلور والأكسجين والتيتانيوم.
4. طريقة اليوديد أو التكرير. يتم صب ثاني أكسيد التيتانيوم المستخرج من المعادن ببخار اليود. نتيجة للتفاعل ، يتم تكوين يوديد التيتانيوم ، والذي يتم تسخينه إلى درجة حرارة عالية - + 1300 ... + 1400 درجة مئوية ويعمل عليه بتيار كهربائي. في الوقت نفسه ، يتم عزل المكونات من مادة المصدر: اليود والتيتانيوم. المعدن الذي يتم الحصول عليه بهذه الطريقة لا يحتوي على شوائب أو إضافات.

مجالات الاستخدام

يعتمد استخدام التيتانيوم على درجة تنقيته من الشوائب. إن وجود حتى كمية صغيرة من العناصر الكيميائية الأخرى في تكوين سبيكة التيتانيوم يغير جذريًا خصائصها الفيزيائية والميكانيكية.

يسمى التيتانيوم بكمية معينة من الشوائب التقنية. تتميز بمعدلات عالية من مقاومة التآكل ، فهي مادة خفيفة ومتينة للغاية. يعتمد تطبيقه على هذه المؤشرات وغيرها.

• في الصناعة الكيميائيةيستخدم التيتانيوم وسبائكه في صناعة المبادلات الحرارية والأنابيب بأقطار مختلفة والتركيبات والأغلفة وأجزاء المضخات لأغراض مختلفة. المادة لا غنى عنها في الأماكن التي تتطلب قوة عالية ومقاومة للأحماض.
• في النقليستخدم التيتانيوم لتصنيع أجزاء وتجميعات الدراجات والسيارات وعربات السكك الحديدية والقطارات. يقلل استخدام المواد من وزن المعدات الدارجة والسيارات ، ويجعل أجزاء الدراجات أخف وزنا وأقوى.
• التيتانيوم مهم في قسم البحرية. أجزاء وعناصر هياكل الغواصات ومراوح القوارب والمروحيات مصنوعة منها.
• في صناعة البناءتم استخدام سبائك الزنك والتيتانيوم. يتم استخدامه كمادة تشطيب للواجهات والأسقف. تتميز هذه السبيكة القوية جدًا بخاصية مهمة: يمكن استخدامها لعمل تفاصيل معمارية للتكوين الأكثر روعة. يمكن أن يأخذ أي شكل.
• في العقد الماضي ، تم استخدام التيتانيوم على نطاق واسع في صناعة النفط. تستخدم سبائكها في تصنيع معدات الحفر العميق. تُستخدم المادة لتصنيع معدات إنتاج النفط والغاز على الأرفف البحرية.

التيتانيوم لديه مجموعة واسعة جدا من التطبيقات.

التيتانيوم النقي له استخداماته. إنه ضروري عندما تكون المقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة مطلوبة وفي نفس الوقت يجب الحفاظ على قوة المعدن.

يتم تطبيقه في :

• صناعة الطائرات والفضاء لتصنيع أجزاء الجلد ، والهيكل ، والمثبتات ، والهيكل ؛
• طب الأطراف الصناعية وتصنيع صمامات القلب والأجهزة الأخرى ؛
• تقنية للعمل في مجال التبريد (هنا يستخدمون خاصية التيتانيوم - مع انخفاض درجة الحرارة ، تزداد قوة المعدن ولا تضيع مرونته).

من حيث النسبة المئوية ، يبدو استخدام التيتانيوم لإنتاج مواد مختلفة كما يلي:

• 60٪ يستخدم في صناعة الطلاء.
• يستهلك البلاستيك 20٪ ؛
• يستخدم 13٪ في إنتاج الورق ؛
• تستهلك الهندسة الميكانيكية 7٪ من التيتانيوم الناتج وسبائكه.

تعتبر المواد الخام وعملية الحصول على التيتانيوم باهظة الثمن ، ويتم تعويض تكاليف إنتاجها وتسديدها من خلال عمر خدمة المنتجات من هذه المادة ، وقدرتها على عدم تغيير مظهرها طوال فترة التشغيل بأكملها.