Titanium Metal? Everything About This Magical Metal

ما هو التيتانيوم؟

1. التعريف والخصائص الأساسية للتيتانيوم

التيتانيوم عنصر كيميائي عدده الذري 22 ورمزه الكيميائي Ti. إنه معدن انتقالي ذو كثافة خفيفة نسبيًا وقوة جيدة. يتواجد معدن التيتانيوم في الطبيعة على شكل معادن مثل الإلمنيت والروتيل. وهو العنصر التاسع الأكثر وفرة في القشرة الأرضية، ويتواجد عادةً على شكل أكاسيد.

يمتلك معدن التيتانيوم العديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية الممتازة، مما يجعله خيارًا مثاليًا للعديد من التطبيقات. أولاً، يتميز معدن التيتانيوم بكثافة منخفضة، تبلغ حوالي 4.5 جرام لكل سنتيمتر مكعب، وهو أخف من العديد من المعادن الأخرى مثل الفولاذ والنيكل. وهذا يجعل معدن التيتانيوم يستخدم على نطاق واسع في المجالات التي تتطلب تصميمًا خفيف الوزن، مثل صناعات الطيران والسيارات.

Secondly, titanium metal exhibits excellent strength. Despite its low density, it has strength comparable to many commonly used metals. This makes titanium metal highly favored in applications requiring high strength and corrosion resistance, such as aerospace engine components and artificial joints.

2. تاريخ واكتشاف معدن التيتانيوم

تم اكتشاف معدن التيتانيوم لأول مرة في أواخر القرن الثامن عشر. وفي عام 1801، اكتشف الكيميائي البريطاني جريجور عنصر التيتانيوم في معدن يعرف باسم الإلمنيت. وبعد ذلك، بدأ كيميائيون آخرون في دراسة معدن التيتانيوم واكتشفوه في خامات مختلفة.

في عام 1840، نجح الكيميائي الألماني مارتن هاينريش كلابولوس في استخلاص معدن التيتانيوم لأول مرة وأطلق على المعدن اسم “التيتانيوم” لتكريم العملاق تيتان في الأساطير اليونانية. ومع ذلك، لم يبدأ استخدام معدن التيتانيوم على نطاق واسع في الصناعة إلا في الأربعينيات من القرن العشرين. مع تطور تكنولوجيا المعادن وخفض التكاليف، أصبح معدن التيتانيوم تدريجياً مادة مهمة لمختلف التطبيقات.

3. مميزات التيتانيوم

بشكل عام، يتميز معدن التيتانيوم بالخصائص الرئيسية التالية:

3.1 مقاومة جيدة للتآكل: يمكن لمعدن التيتانيوم مقاومة التآكل الناتج عن العديد من المواد الكيميائية، بما في ذلك مياه البحر والمحاليل الحمضية. وهذا يجعلها خيارًا مثاليًا للهندسة البحرية والصناعات الكيميائية.

3.2 التوافق الحيوي: يظهر معدن التيتانيوم توافقًا حيويًا جيدًا مع الأنسجة البشرية، مما يجعله يستخدم على نطاق واسع في صناعة المفاصل الاصطناعية وزراعة الأسنان.

3.3 خصائص جيدة لدرجة الحرارة العالية: يتمتع التيتانيوم بنقطة انصهار عالية تبلغ حوالي 1,668 درجة مئوية (3,034 درجة فهرنهايت)، ولا يزال معدن التيتانيوم يحتفظ بخصائص ميكانيكية جيدة وثبات عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعله مهمًا في البيئات عالية الحرارة مثل محركات الطائرات وتوربينات الغاز.

3.4 قوة عالية وكثافة منخفضة: على الرغم من كثافته المنخفضة، يتمتع معدن التيتانيوم بقوة عالية وقوة وكثافة ممتازة مقارنة. وهذا يجعل التيتانيوم مادة مثالية لتصنيع أجهزة الطيران وقطع غيار السيارات وغيرها من المنتجات التي تتطلب وزنًا خفيفًا.

3.5 الموصلية الحرارية الممتازة: يتمتع معدن التيتانيوم بموصلية حرارية جيدة، مما يمنحه ميزة في تصنيع مشعات ومبردات ومنتجات أخرى عالية الأداء.

إنتاج ومعالجة معدن التيتانيوم

1. طرق استخلاص وتحضير معدن التيتانيوم

طريقة الاستخراج: يتم استخلاص معدن التيتانيوم بشكل رئيسي من خلال طريقتين، وهما طريقة كلاوس وطريقة الكلورة. طريقة كلاوس هي الطريقة الأكثر استخدامًا للحصول على معدن التيتانيوم عالي النقاء عن طريق تقليل خام أكسيد التيتانيوم. قاعدة الكلورة هي تفاعل أكسيد التيتانيوم مع غاز الكلور لتوليد كلوريد التيتانيوم، ومن ثم الحصول على معدن التيتانيوم من خلال تفاعل الاختزال.

عملية التنقية: بعد الحصول على معدن التيتانيوم، يلزم إجراء سلسلة من عمليات التنقية لتحسين نقائه وأدائه. وتشمل هذه العمليات الصهر الفراغي، وطرق أكسيد الطور الغازي، وطرق البلازما.

2. تكنولوجيا المعالجة: تزوير، المتداول والتشكيل

صقل: يمكن تشكيل معدن التيتانيوم على الساخن أو البارد لتحسين خصائصه الميكانيكية والهيكلية. يعتبر التشكيل على الساخن مناسبًا للأجزاء ذات التشوهات الكبيرة والأشكال المعقدة، في حين أن التشكيل على البارد مناسب لمعالجة الأجزاء الصغيرة والأجزاء الدقيقة.

المتداول: يمكن أيضًا إنتاج معدن التيتانيوم عن طريق الدرفلة على الساخن والدرفلة على البارد لتحضير منتجات مثل الألواح والشرائط والأنابيب. يمكن للدرفلة على الساخن الحصول على منتجات ذات حجم وسمك أكبر، بينما يمكن للدرفلة على البارد الحصول على جودة سطح أعلى ودقة الأبعاد.

صب: يمكن أيضًا استخدام معدن التيتانيوم لتحضير الأجزاء والمنتجات ذات الأشكال المختلفة من خلال عمليات مثل الصب بالقالب والقولبة بالحقن والطباعة ثلاثية الأبعاد. تعتبر عمليات التشكيل هذه مناسبة لتصنيع الأجزاء ذات الأشكال والهياكل المعقدة.

الفرق بين التيتانيوم النقي وسبائك التيتانيوم

Pure Titanium

It is also called industrial pure titanium or commercial pure titanium. It is graded according to the content of impurity elements. It has excellent stamping process performance and welding performance, is not sensitive to heat treatment and tissue type, and has a certain strength under satisfactory plasticity conditions. Its strength mainly depends on the content of interstitial elements oxygen and nitrogen. The properties of 99.5% industrial pure titanium are: density P=4.5g/cm3, melting point 1800°C, thermal conductivity λ=15.24W/(M.K), tensile strength σ b=539MPa, elongation: δ =25% , area shrinkage ψ=25%, elasticity modulus E=1.078×105MPa, hardness HB195

Titanium Alloy

وهي عبارة عن سبيكة تعتمد على التيتانيوم وتضاف مع عناصر أخرى. إنه معدن حديث العهد نسبيًا، ويبلغ تاريخه ستين أو سبعين عامًا فقط منذ اكتشافه. تتميز مواد سبائك التيتانيوم بخصائص الوزن الخفيف والقوة العالية والمرونة المنخفضة ومقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل. وهي تستخدم أساسا في محركات الطيران والصواريخ والقذائف وغيرها من المكونات. يحتوي التيتانيوم على بلورتين متماثلتين. التيتانيوم هو أيزومر ذو نقطة انصهار تبلغ 1720 درجة مئوية. يحتوي على هيكل شبكي كريستالي سداسي متماسك عندما تكون درجة حرارته أقل من 882 درجة مئوية، وهو ما يسمى ألفا تيتانيوم؛ لها هيكل يتمحور حول الجسم عند درجة حرارة أعلى من 882 درجة مئوية. يستخدم هيكل الشبكة المكعبة، المسمى بيتا تيتانيوم، الخصائص المختلفة للبنيتين المذكورتين أعلاه من التيتانيوم، ويضيف عناصر صناعة السبائك المناسبة، ويغير تدريجيًا درجة حرارة تحول الطور ومحتوى الطور للحصول على سبائك التيتانيوم بهياكل مختلفة.

درجات التيتانيوم

الصف 1

إنها الدرجة الأولى من أربع درجات من التيتانيوم النقي صناعيًا. إنها أنعم هذه الدرجات وأكثرها مرونة. إنه يوفر أقصى قابلية للتشكيل، ومقاومة ممتازة للتآكل وصلابة عالية التأثير. الدرجة 1 هي المادة المفضلة لأي تطبيق يتطلب سهولة التشكيل ويشيع استخدامها لوحة التيتانيوم و أنابيب التيتانيوم.

الصف 2

نظرًا لتنوعه وتوافره على نطاق واسع، يُعرف التيتانيوم من الدرجة الثانية باسم "العمود الفقري" لصناعة التيتانيوم النقي التجارية. يتمتع بالعديد من الصفات نفسها التي يتمتع بها التيتانيوم من الدرجة الأولى، ولكنه أقوى قليلاً. كلاهما متساويان في مقاومة التآكل. يوفر هذا الصف قابلية لحام جيدة وقوة وليونة وقابلية للتشكيل. وهذا يجعل قضبان وألواح التيتانيوم من الدرجة الثانية الخيار الأول للعديد من التطبيقات مثل البناء وتوليد الطاقة والصناعة الطبية.

الصف 3

هذا الصف هو الأقل استخدامًا من درجات التيتانيوم النقي تجاريًا، لكن هذا لا يجعله أقل قيمة. الدرجة 3 أقوى من الدرجة 1 و 2، وتتشابه في الليونة وأقل قابلية للتشكيل قليلاً – لكنها تمتلك آليات ميكانيكية أعلى من سابقاتها. يتم استخدام الدرجة 3 في التطبيقات التي تتطلب قوة متوسطة ومقاومة أولية للتآكل، مثل الفضاء الجوي والمعالجة الكيميائية والصناعات البحرية وما إلى ذلك.

الصف 4

ويعتبر أقوى الأنواع الأربعة من التيتانيوم النقي تجاريًا. وهي معروفة أيضًا بمقاومتها الممتازة للتآكل وقابلية التشكيل الجيدة وقابلية اللحام. يستخدم في بعض مكونات جسم الطائرة والأوعية المبردة والمبادلات الحرارية وغيرها من التطبيقات التي تتطلب دقة عالية.

الصف 7

ميكانيكيًا وفيزيائيًا، نفس الدرجة الثانية، باستثناء أنه تمت إضافة عنصر البلاديوم الخلالي لجعله سبيكة. توفر الدرجة 7 قابلية لحام وقابلية تشغيل ممتازة وهي الأكثر مقاومة للتآكل بين جميع سبائك التيتانيوم. لذلك يتم استخدامه بشكل رئيسي كمكونات في العمليات الكيميائية ومعدات الإنتاج.

الصف 11

يشبه إلى حد كبير الدرجة الأولى، إلا أنه يتم إضافة كمية صغيرة من البلاديوم لتعزيز مقاومة التآكل، مما يجعله سبيكة. يمكن استخدام مقاومة التآكل هذه لمنع تآكل الشقوق وتقليل الأحماض في بيئات الكلوريد. وتشمل الخصائص المفيدة الأخرى الليونة المثالية، وقابلية التشكيل على البارد، والقوة المفيدة، ومتانة التأثير، وقابلية اللحام الممتازة. يمكن استخدام هذه السبيكة في نفس تطبيقات التيتانيوم مثل الدرجة الأولى، خاصة عندما يكون التآكل مطلوبًا.

درجة 5

Known as the “workhorse” of titanium alloys, Ti6Al-4V or Grade 5 titanium is the most commonly used of all titanium alloys. It accounts for 50% of the world’s total titanium consumption. Its usability lies in its many benefits. Ti6Al-4V can be heat treated to increase its strength. It can be used in welded structures at service temperatures up to 600°F. The alloy combines high strength with light weight, useful formability and high corrosion resistance. The availability of Ti6AI-4V makes it the best alloy for use in multiple industries such as aerospace, medical, marine and chemical processing industries.

الصف 23

Ti 6AL-4V ELI or Grade 5 ELI grade is a higher purity form of Ti 6Al-4V. It can be made into coils, strands, wires or flat wires. It is the first choice for any situation where high strength, light weight, good corrosion resistance and high toughness are required. It has excellent damage tolerance to other alloys. These advantages make Ti 6Al-4V ELI grade the ultimate dental and medical titanium grade. Due to its biocompatibility, good fatigue strength and low modulus, it can be used in biomedical applications such as implantable components.

الصف 12

إنها سبيكة متينة للغاية توفر قوة كبيرة في درجات الحرارة المرتفعة. يتمتع التيتانيوم من الدرجة 12 بخصائص مشابهة للفولاذ المقاوم للصدأ من سلسلة 300. يمكن أن تكون السبيكة ساخنة أو باردة باستخدام التشكيل بالضغط، أو التشكيل المائي، أو التشكيل بالتمدد أو طريقة الوزن المسقط. إن قدرتها على التشكيل بعدة طرق تجعلها مفيدة في العديد من التطبيقات. كما أن مقاومة السبائك العالية للتآكل تجعلها ذات قيمة كبيرة في تصنيع المعدات حيث يشكل تآكل الشقوق مصدر قلق.

الصف 9

وهي مصنوعة من التيتانيوم النقي مع إضافة حوالي 3٪ من الألومنيوم وحوالي 2.5٪ من الفاناديوم. تتمتع هذه السبيكة عمومًا بمقاومة ممتازة للتآكل وقوة عالية وخصائص لحام جيدة. تُستخدم سبائك التيتانيوم Gr9 على نطاق واسع في مجال الطيران وبناء السفن والمعدات الكيميائية وغيرها من المجالات، خاصة حيث تكون المواد عالية الأداء مطلوبة في درجات الحرارة العالية والبيئات المسببة للتآكل. إن خصائص سبائك التيتانيوم Gr9 تجعلها مادة هيكلية مثالية يمكن استخدامها لتصنيع مجموعة متنوعة من الأجزاء والمكونات.

أسواق التطبيقات من التيتانيوم

1. الفضاء الجوي

يستخدم معدن التيتانيوم على نطاق واسع في صناعة هياكل الطائرات وأجزاء المحركات، مثل جسم الطائرة وشفرات المحرك وما إلى ذلك.
تسمح خصائصه خفيفة الوزن وعالية القوة للطائرات بتقليل الوزن وتحسين كفاءة استهلاك الوقود وتعزيز متانة الطائرة وسلامتها.

2. الطبية

ويستخدم معدن التيتانيوم في صناعة الأجهزة الطبية مثل زراعة العظام، والمفاصل الصناعية، ومعدات ترميم الأسنان.
إن توافقه الحيوي ومقاومته للتآكل يجعلان من التيتانيوم أحد أكثر المواد المثالية في المجال الطبي.

3. صناعة السيارات

في صناعة السيارات، يتم استخدام التيتانيوم لصنع مكونات خفيفة الوزن مثل أنظمة العادم ومكونات التعليق وهياكل الجسم.
تصميم خفيف الوزن يمكن أن يحسن كفاءة استهلاك الوقود وأداء الطاقة وسلامة السيارة.

4. الهندسة البحرية

يتضمن تطبيق معدن التيتانيوم في هندسة المحيطات تحلية المياه واستكشاف المحيطات وخطوط الأنابيب البحرية.
إن مقاومته للتآكل ومقاومته للتآكل بمياه البحر تجعل من التيتانيوم مادة مثالية للبيئات البحرية.

5. تصنيع السلع الرياضية

ويستخدم التيتانيوم في صناعة السلع الرياضية الراقية مثل نوادي الجولف وإطارات الدراجات ومضارب التنس.
قوتها العالية وخفيفة الوزن ومقاومتها للتآكل تمنح منتجات التيتانيوم أداءً ممتازًا ومتانة.

6. الصناعة

يستخدم معدن التيتانيوم في الصناعة لتصنيع المعدات الكيميائية وأدوات حفر النفط ومعدات نقل الطاقة.
إن متانته في درجات الحرارة العالية ومقاومته للتآكل تجعل معدن التيتانيوم واعدًا للاستخدام في البيئات الصناعية القاسية.

بعض الحقائق المثيرة للاهتمام حول التيتانيوم

1. The chemical symbol of titanium is Ti, the atomic number is 22.
2. Titanium is the 9^th most abundant element in the Earth’s crust.
3. The name titanium comes from the Titans in Greek mythology.
4. Titanium does not occur in nature as a metal.
5. Titanium is the only metal that can bond and grow with human bones.
6. The natural color of titanium is silvery white.
7. Titanium is not magnetic.
8. Titanium has a high melting point, about 1,668 degrees Celsius (3,034 degrees Fahrenheit)
9. Titanium won’t rust.
10. Titanium is non-toxic.
11. China is the largest titanium producer in the world.