Titanium Metal? Everything About This Magical Metal

Co je Titanium?

1. Definice a základní vlastnosti titanu

Titan je chemický prvek s atomovým číslem 22 a chemickým symbolem Ti. Je to přechodový kov s relativně nízkou hustotou a dobrou pevností. Kovový titan existuje v přírodě ve formě minerálů, jako je ilmenit a rutil. Je to devátý nejrozšířenější prvek v zemské kůře, typicky se vyskytující ve formě oxidů.

Kovový titan má řadu vynikajících fyzikálních a chemických vlastností, díky čemuž je ideální volbou pro mnoho aplikací. Za prvé, kovový titan má nízkou hustotu, přibližně 4,5 gramů na krychlový centimetr, lehčí než mnoho jiných kovů, jako je ocel a nikl. Díky tomu je titanový kov široce používán v oblastech vyžadujících lehký design, jako je letecký a automobilový průmysl.

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. Historie a objev kovového titanu

Kovový titan byl poprvé objeven na konci 18. století. V roce 1801 objevil britský chemik Gregor prvek titan v minerálu známém jako ilmenit. Následně začali další chemici zkoumat kovový titan a objevili ho v různých rudách.

V roce 1840 německý chemik Martin Heinrich Klapoulos poprvé úspěšně extrahoval titanový kov a pojmenoval jej “titan” vzdát hold obřímu Titánovi v řecké mytologii. Avšak teprve ve 40. letech 20. století se titanový kov začal široce využívat v průmyslu. S rozvojem metalurgické technologie a snižováním nákladů se titanový kov postupně stal důležitým materiálem pro různé aplikace.

3. Vlastnosti titanu

Obecně má titanový kov následující hlavní vlastnosti:

3.1 Dobrá odolnost proti korozi: Kovový titan může odolávat korozi mnoha chemikálií, včetně mořské vody a kyselých roztoků. Díky tomu je ideální volbou pro lodní strojírenství a chemický průmysl.

3.2 Biokompatibilita: Kovový titan vykazuje dobrou biokompatibilitu s lidskými tkáněmi, díky čemuž je široce používán při výrobě umělých kloubů a zubních implantátů.

3.3 Dobré vlastnosti při vysokých teplotách: Titan má vysokou teplotu tání, asi 1 668 stupňů Celsia (3 034 stupňů Fahrenheita), kov titanu si stále zachovává dobré mechanické vlastnosti a stabilitu při vysokých teplotách, což ho činí důležitým v prostředí s vysokou teplotou, jako jsou letecké motory a plynové turbíny.

3.4 Vysoká pevnost a nízká hustota: Navzdory své nízké hustotě má titanový kov vysokou pevnost a vynikající pevnost a srovnání hustoty. Díky tomu je titan ideálním materiálem pro výrobu leteckých zařízení, automobilových dílů a dalších produktů, které vyžadují odlehčení.

3.5 Vynikající tepelná vodivost: Titanový kov má dobrou tepelnou vodivost, což mu dává výhodu při výrobě vysoce výkonných radiátorů, chladičů a dalších produktů.

Výroba a zpracování kovů titanu

1. Metody extrakce a přípravy kovového titanu

Způsob extrakce: Extrakce kovového titanu se provádí především dvěma metodami, a to Clausovou metodou a chlorační metodou. Clausova metoda je nejběžněji používanou metodou pro získání kovového titanu vyšší čistoty redukcí oxidové rudy titanu. Pravidlem chlorace je reakce oxidu titaničitého s plynným chlorem za vzniku chloridu titaničitého a poté získání kovového titanu redukční reakcí.

Proces čištění: Po získání kovového titanu je zapotřebí řada procesů čištění, aby se zlepšila jeho čistota a výkon. Tyto procesy zahrnují vakuové tavení, oxidové metody v plynné fázi a plazmové metody.

2. Technologie zpracování: kování, válcování a tváření

Kování: Titanový kov může být kován za tepla nebo za studena, aby se zlepšily jeho mechanické a strukturální vlastnosti. Kování za tepla je vhodné pro díly s velkými deformacemi a složitými tvary, zatímco kování za studena je vhodné pro zpracování malých dílů a přesných dílů.

Rolování: Titanový kov lze také vyrábět válcováním za tepla a válcováním za studena pro přípravu výrobků, jako jsou desky, pásy a trubky. Válcováním za tepla lze získat produkty větší velikosti a tloušťky, zatímco válcováním za studena lze získat vyšší kvalitu povrchu a rozměrovou přesnost.

Lití: Titanový kov lze také použít k přípravě dílů a produktů různých tvarů prostřednictvím procesů, jako je tlakové lití, vstřikování a 3D tisk. Tyto lisovací procesy jsou vhodné pro výrobu dílů složitých tvarů a struktur.

Rozdíl mezi čistým titanem a slitinami titanu

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

Je to slitina na bázi titanu a doplněná dalšími prvky. Jde o relativně mladý kov, s historií pouhých šedesát nebo sedmdesát let od svého objevení. Materiály z titanové slitiny se vyznačují nízkou hmotností, vysokou pevností, nízkou elasticitou, vysokou teplotní odolností a odolností proti korozi. Používají se především v leteckých motorech, raketách, střelách a dalších součástech. Titan má dva izomorfní krystaly. Titan je izomer s teplotou tání 1720 °C. Když je teplota nižší než 882 °C, má uzavřenou hexagonální krystalovou mřížkovou strukturu, která se nazývá alfa titan; má strukturu zaměřenou na tělo nad 882 °C. Kubická mřížková struktura, nazývaná beta titan, využívá různé charakteristiky výše uvedených dvou struktur titanu, přidává vhodné legovací prvky a postupně mění svou teplotu fázové transformace a obsah fáze, aby se získaly slitiny titanu s různými strukturami.

Stupně titanu

1. třída

Je to první ze čtyř tříd průmyslově čistého titanu. Je to nejměkčí a nejvíce tvárné z těchto tříd. Nabízí maximální tvarovatelnost, vynikající odolnost proti korozi a vysokou rázovou houževnatost. Stupeň 1 je materiálem volby pro jakoukoli aplikaci vyžadující snadnou tvarovatelnost a běžně se používá jako titanová deska a titanové trubky.

2. třída

Díky své rozmanité dostupnosti a široké dostupnosti je titan třídy 2 známý jako „tahoun“ komerčního průmyslu čistého titanu. Má mnoho stejných kvalit jako titan 1. třídy, ale je o něco silnější. Oba jsou stejně odolné vůči korozi. Tato třída nabízí dobrou svařitelnost, pevnost, tažnost a tvárnost. Díky tomu jsou titanové tyče a destičky třídy 2 první volbou pro mnoho aplikací, jako je stavebnictví, výroba energie a lékařský průmysl.

3. třída

Tato třída je nejméně používaná z komerčně čistých tříd titanu, ale to ji nečiní méně hodnotnou. Stupeň 3 je pevnější než Stupeň 1 a 2, má podobnou tažnost a je jen o něco méně tvárný – ale má lepší mechaniku než jeho předchůdci. Stupeň 3 se používá v aplikacích vyžadujících střední pevnost a primární odolnost proti korozi, jako je letecký průmysl, chemické zpracování, námořní průmysl atd.

4. třída

Je považován za nejsilnější ze čtyř typů komerčně čistého titanu. Je také známý pro svou vynikající odolnost proti korozi, dobrou tvarovatelnost a svařitelnost. Používá se v některých součástech trupu, kryogenních nádobách, výměnících tepla a dalších aplikacích, které vyžadují vysoké rozlišení.

7. třída

Mechanicky a fyzikálně stejné jako Grade 2, kromě toho, že byl přidán intersticiální prvek palladium, aby se z něj stala slitina. Stupeň 7 nabízí vynikající svařitelnost a zpracovatelnost a je nejodolnější vůči korozi ze všech slitin titanu. Proto se používá hlavně jako součást chemických procesů a výrobních zařízení.

11. třída

Velmi podobné jako Grade 1, kromě toho, že je přidáno malé množství palladia pro zvýšení odolnosti proti korozi, což z něj dělá slitinu. Tato odolnost proti korozi může být použita k prevenci štěrbinové koroze a snížení kyselin v chloridových prostředích. Mezi další užitečné vlastnosti patří optimální tažnost, tvárnost za studena, užitečná pevnost, rázová houževnatost a vynikající svařitelnost. Tato slitina může být použita ve stejných aplikacích titanu jako Grade 1, zejména tam, kde je vyžadována koroze.

5. třída

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.

23. třída

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.

12. třída

Jedná se o vysoce odolnou slitinu, která poskytuje velkou pevnost při vysokých teplotách. Titan třídy 12 má podobné vlastnosti jako nerezová ocel řady 300. Slitina může být tvářena za tepla nebo za studena pomocí tváření lisováním, hydraulického tváření, tažením nebo metodou poklesu hmotnosti. Jeho schopnost tvarovat se různými způsoby ho činí užitečným v mnoha aplikacích. Vysoká odolnost slitiny proti korozi ji také činí neocenitelnou pro výrobní zařízení, kde je problémem štěrbinová koroze.

9. třída

Je vyroben z čistého titanu s přidaným asi 3 % hliníku a asi 2,5 % vanadu. Tato slitina má obecně vynikající odolnost proti korozi, vysokou pevnost a dobré svařovací vlastnosti. Titanová slitina Gr9 je široce používána v letectví, stavbě lodí, chemických zařízeních a dalších oblastech, zejména tam, kde jsou vyžadovány vysoce výkonné materiály ve vysokoteplotním a korozivním prostředí. Vlastnosti titanové slitiny Gr9 z ní činí ideální konstrukční materiál, který lze použít k výrobě různých dílů a komponent.

Aplikační trhy titanu

1. Letectví

Titanový kov je široce používán při výrobě leteckých konstrukcí a částí motorů, jako jsou trupy letadel, lopatky motorů atd.
Jeho lehké a vysoce pevné vlastnosti umožňují letadlům snížit hmotnost, zlepšit spotřebu paliva a zvýšit odolnost a bezpečnost letadla.

2. Lékařské

Kovový titan se používá k výrobě lékařských zařízení, jako jsou kostní implantáty, umělé klouby a vybavení pro obnovu zubů.
Jeho biokompatibilita a odolnost proti korozi činí titan jedním z nejideálnějších materiálů v oblasti medicíny.

3. Automobilový průmysl

V automobilovém průmyslu se titan používá k výrobě lehkých součástí, jako jsou výfukové systémy, součásti zavěšení a konstrukce karoserie.
Lehká konstrukce může zlepšit spotřebu paliva, výkon a bezpečnost vozu.

4. Námořní inženýrství

Aplikace kovového titanu v oceánském inženýrství zahrnuje odsolování, průzkum oceánů a podmořské potrubí.
Jeho odolnost proti korozi a odolnost vůči korozi mořské vody činí titan ideálním materiálem pro mořské prostředí.

5. Výroba sportovních potřeb

Titan se používá k výrobě špičkového sportovního zboží, jako jsou golfové hole, rámy jízdních kol a tenisové rakety.
Jeho vysoká pevnost, lehkost a odolnost proti korozi poskytují titanovým výrobkům vynikající výkon a trvanlivost.

6. Průmysl

Kovový titan se používá v průmyslu k výrobě chemických zařízení, nástrojů pro vrtání ropy a zařízení pro přenos energie.
Jeho vysoká teplotní odolnost a odolnost proti korozi činí titanový kov slibným pro použití v náročných průmyslových prostředích.

Několik zajímavých faktů o titanu

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.