โลหะไทเทเนียม? ทุกอย่างเกี่ยวกับโลหะมหัศจรรย์นี้

ไทเทเนียมคืออะไร?

1. ความหมายและคุณสมบัติพื้นฐานของไทเทเนียม

ไทเทเนียมเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีเลขอะตอม 22 และมีสัญลักษณ์ทางเคมีของ Ti เป็นโลหะทรานซิชันที่มีความหนาแน่นค่อนข้างเบาและมีความแข็งแรงดี โลหะไทเทเนียมมีอยู่ในธรรมชาติในรูปของแร่ธาตุ เช่น อิลเมไนต์และรูไทล์ เป็นธาตุที่มีมากที่สุดอันดับที่ 9 ในเปลือกโลก ซึ่งมักเกิดขึ้นในรูปของออกไซด์

โลหะไทเทเนียมมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ยอดเยี่ยมมากมาย ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการใช้งานหลายประเภท ประการแรก โลหะไทเทเนียมมีความหนาแน่นต่ำ ประมาณ 4.5 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเบากว่าโลหะอื่นๆ หลายชนิด เช่น เหล็กและนิกเกิล ทำให้โลหะไทเทเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านที่ต้องการการออกแบบที่มีน้ำหนักเบา เช่น อุตสาหกรรมการบินและอวกาศและยานยนต์

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. ประวัติและการค้นพบโลหะไทเทเนียม

โลหะไทเทเนียมถูกค้นพบครั้งแรกในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 ในปี 1801 Gregor นักเคมีชาวอังกฤษได้ค้นพบธาตุไทเทเนียมในแร่ที่เรียกว่าอิลเมไนต์ ต่อมานักเคมีคนอื่นๆ ก็เริ่มศึกษาโลหะไทเทเนียมและค้นพบมันในแร่ต่างๆ

ในปี ค.ศ. 1840 นักเคมีชาวเยอรมัน Martin Heinrich Klapoulos ประสบความสำเร็จในการสกัดโลหะไทเทเนียมเป็นครั้งแรกและตั้งชื่อโลหะดังกล่าว “ไทเทเนียม” เพื่อแสดงความเคารพต่อไททันยักษ์ในตำนานเทพเจ้ากรีก อย่างไรก็ตาม จนกระทั่งถึงทศวรรษที่ 1940 โลหะไทเทเนียมจึงเริ่มมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีโลหะวิทยาและการลดต้นทุน โลหะไทเทเนียมจึงค่อยๆ กลายเป็นวัสดุสำคัญสำหรับการใช้งานต่างๆ

3.คุณสมบัติของไทเทเนียม

โดยทั่วไปโลหะไทเทเนียมมีลักษณะสำคัญดังต่อไปนี้:

3.1 ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี: โลหะไทเทเนียมสามารถต้านทานการกัดกร่อนจากสารเคมีหลายชนิด รวมถึงน้ำทะเลและสารละลายที่เป็นกรด ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับวิศวกรรมทางทะเลและอุตสาหกรรมเคมี

3.2 ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ: โลหะไทเทเนียมมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีกับเนื้อเยื่อของมนุษย์ ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตข้อต่อเทียมและรากฟันเทียม

3.3 คุณสมบัติอุณหภูมิสูงที่ดี: ไทเทเนียมมีจุดหลอมเหลวสูงประมาณ 1,668 องศาเซลเซียส (3,034 องศาฟาเรนไฮต์) โลหะไทเทเนียมยังคงรักษาคุณสมบัติเชิงกลที่ดีและความเสถียรที่อุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้มีความสำคัญในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง เช่น เครื่องยนต์เครื่องบินและกังหันก๊าซ

3.4 ความแข็งแรงสูงและความหนาแน่นต่ำ: แม้จะมีความหนาแน่นต่ำ แต่โลหะไทเทเนียมก็มีความแข็งแรงสูงและมีการเปรียบเทียบความแข็งแรงและความหนาแน่นที่ยอดเยี่ยม ทำให้ไททาเนียมเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับการผลิตอุปกรณ์การบินและอวกาศ ชิ้นส่วนยานยนต์ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่ต้องการน้ำหนักเบา

3.5 การนำความร้อนที่ดีเยี่ยม: โลหะไทเทเนียมมีค่าการนำความร้อนที่ดี ทำให้มีข้อได้เปรียบในการผลิตหม้อน้ำ เครื่องทำความเย็น และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่มีประสิทธิภาพสูง

การผลิตและการแปรรูปโลหะไทเทเนียม

1. วิธีการสกัดและการเตรียมโลหะไทเทเนียม

วิธีการสกัด: การสกัดโลหะไทเทเนียมส่วนใหญ่ทำได้ 2 วิธี ได้แก่ วิธี Claus และวิธีคลอรีน วิธี Claus เป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดเพื่อให้ได้โลหะไทเทเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงขึ้นโดยการลดแร่ไทเทเนียมออกไซด์ กฎการใช้คลอรีนคือการทำปฏิกิริยาไทเทเนียมออกไซด์กับก๊าซคลอรีนเพื่อสร้างไทเทเนียมคลอไรด์ จากนั้นจึงได้โลหะไทเทเนียมผ่านปฏิกิริยารีดักชัน

กระบวนการทำให้บริสุทธิ์: หลังจากได้รับโลหะไทเทเนียมแล้ว จำเป็นต้องมีกระบวนการทำให้บริสุทธิ์หลายขั้นตอนเพื่อปรับปรุงความบริสุทธิ์และประสิทธิภาพ กระบวนการเหล่านี้ประกอบด้วยการหลอมเหลวแบบสุญญากาศ วิธีแก๊สเฟสออกไซด์ และวิธีการพลาสมา

2. เทคโนโลยีการประมวลผล: การตี การรีด และการขึ้นรูป

การตี: โลหะไทเทเนียมสามารถหลอมร้อนหรือเย็นได้เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกลและโครงสร้าง การตีขึ้นรูปร้อนเหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่มีการเสียรูปขนาดใหญ่และรูปร่างที่ซับซ้อน ในขณะที่การตีขึ้นรูปเย็นเหมาะสำหรับการแปรรูปชิ้นส่วนขนาดเล็กและชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำ

กลิ้ง: โลหะไทเทเนียมยังสามารถผลิตได้โดยการรีดร้อนและการรีดเย็นเพื่อเตรียมผลิตภัณฑ์ เช่น แผ่น แถบ และท่อ การรีดร้อนจะได้ผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดและความหนามากขึ้น ในขณะที่การรีดเย็นจะได้คุณภาพพื้นผิวและความแม่นยำของมิติที่สูงขึ้น

การปั้น: โลหะไทเทเนียมยังสามารถใช้ในการเตรียมชิ้นส่วนและผลิตภัณฑ์ที่มีรูปทรงต่างๆ ผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การหล่อแบบตายตัว การฉีดขึ้นรูป และการพิมพ์ 3 มิติ กระบวนการขึ้นรูปเหล่านี้เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่มีรูปร่างและโครงสร้างที่ซับซ้อน

ความแตกต่างระหว่างไทเทเนียมบริสุทธิ์และโลหะผสมไทเทเนียม

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

เป็นโลหะผสมที่มีพื้นฐานจากไทเทเนียมและเสริมด้วยองค์ประกอบอื่นๆ มันเป็นโลหะที่ค่อนข้างใหม่ โดยมีประวัติเพียงหกสิบหรือเจ็ดสิบปีนับตั้งแต่มีการค้นพบ วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมมีลักษณะน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง ความยืดหยุ่นต่ำ ทนต่ออุณหภูมิสูง และทนต่อการกัดกร่อน ส่วนใหญ่จะใช้ในเครื่องยนต์อากาศยาน จรวด ขีปนาวุธ และส่วนประกอบอื่นๆ ไทเทเนียมมีผลึกไอโซมอร์ฟิกสองตัว ไทเทเนียมเป็นไอโซเมอร์ที่มีจุดหลอมเหลว 1,720°C มีโครงสร้างขัดแตะคริสตัลหกเหลี่ยมที่อัดแน่นเมื่อมีอุณหภูมิต่ำกว่า 882°C ซึ่งเรียกว่าอัลฟ่าไททาเนียม มีโครงสร้างที่มีลำตัวเป็นศูนย์กลางซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า 882°C โครงสร้างตาข่ายลูกบาศก์เรียกว่าเบต้าไทเทเนียม ใช้คุณสมบัติที่แตกต่างกันของโครงสร้างไทเทเนียมทั้งสองข้างต้น เพิ่มองค์ประกอบโลหะผสมที่เหมาะสม และค่อยๆ เปลี่ยนอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงเฟสและปริมาณเฟสเพื่อให้ได้โลหะผสมไทเทเนียมที่มีโครงสร้างต่างกัน

เกรดของไทเทเนียม

ชั้นประถมศึกษาปีที่ 1

เป็นไทเทเนียมบริสุทธิ์ทางอุตสาหกรรมเกรดแรกจากทั้งหมดสี่เกรด เป็นเกรดที่อ่อนที่สุดและอ่อนตัวได้มากที่สุด มีความสามารถในการขึ้นรูปสูงสุด ทนทานต่อการกัดกร่อนดีเยี่ยม และความเหนียวทนแรงกระแทกสูง เกรด 1 เป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับการใช้งานที่ต้องการความสะดวกในการขึ้นรูป และมักใช้เป็น แผ่นไทเทเนียม และ ท่อไทเทเนียม-

ชั้นประถมศึกษาปีที่ 2

เนื่องจากความพร้อมใช้งานที่หลากหลายและมีจำหน่ายในวงกว้าง ไทเทเนียมเกรด 2 จึงเป็นที่รู้จักในนาม "ตัวขับเคลื่อน" ของอุตสาหกรรมไทเทเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ มีคุณสมบัติหลายประการเช่นเดียวกับไทเทเนียมเกรด 1 แต่มีความแข็งแกร่งกว่าเล็กน้อย ทั้งสองมีความทนทานต่อการกัดกร่อนเท่ากัน เกรดนี้มีความสามารถในการเชื่อม ความแข็งแรง ความเหนียว และการขึ้นรูปที่ดี ทำให้แท่งและเพลทไทเทเนียมเกรด 2 เป็นตัวเลือกแรกสำหรับการใช้งานหลายประเภท เช่น การก่อสร้าง การผลิตไฟฟ้า และอุตสาหกรรมการแพทย์

ชั้นประถมศึกษาปีที่ 3

เกรดนี้มีการใช้น้อยที่สุดเมื่อเทียบกับเกรดไทเทเนียมบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์ แต่ก็ไม่ได้ทำให้มีค่าน้อยลงแต่อย่างใด เกรด 3 มีความแข็งแกร่งกว่าเกรด 1 และ 2 ซึ่งมีความเหนียวใกล้เคียงกันและขึ้นรูปได้น้อยกว่าเล็กน้อยเท่านั้น – แต่มีกลไกที่สูงกว่ารุ่นก่อน เกรด 3 ใช้ในงานที่ต้องการความแข็งแรงปานกลางและความต้านทานการกัดกร่อนเบื้องต้น เช่น การบินและอวกาศ การแปรรูปทางเคมี อุตสาหกรรมทางทะเล ฯลฯ

ชั้นประถมศึกษาปีที่ 4

ถือเป็นไททาเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ที่แข็งแกร่งที่สุดในบรรดาสี่ประเภท เป็นที่รู้จักในด้านความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม ขึ้นรูปได้ดี และเชื่อมได้ ใช้ในส่วนประกอบลำตัวบาง ภาชนะแช่แข็ง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และการใช้งานอื่นๆ ที่ต้องการความละเอียดสูง

ชั้นประถมศึกษาปีที่ 7

กลไกและทางกายภาพเหมือนกับเกรด 2 ยกเว้นว่าได้เพิ่มธาตุแพลเลเดียมคั่นระหว่างหน้าเพื่อทำให้เป็นโลหะผสม เกรด 7 มีความสามารถในการเชื่อมและใช้งานได้ดีเยี่ยม และทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีที่สุดในบรรดาโลหะผสมไทเทเนียมทั้งหมด ดังนั้นจึงใช้เป็นส่วนประกอบในกระบวนการเคมีและอุปกรณ์การผลิตเป็นหลัก

ชั้นประถมศึกษาปีที่ 11

คล้ายกับเกรด 1 มาก ยกเว้นว่ามีการเติมแพลเลเดียมจำนวนเล็กน้อยเพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน ทำให้เป็นโลหะผสม ความต้านทานการกัดกร่อนนี้สามารถใช้เพื่อป้องกันการกัดกร่อนของรอยแยกและลดกรดในสภาพแวดล้อมคลอไรด์ คุณสมบัติที่เป็นประโยชน์อื่นๆ ได้แก่ ความเหนียวที่เหมาะสม การขึ้นรูปเย็น ความแข็งแรงที่เป็นประโยชน์ ความเหนียวในการกระแทก และความสามารถในการเชื่อมที่ดีเยี่ยม โลหะผสมนี้สามารถนำไปใช้ในการใช้งานไทเทเนียมแบบเดียวกับเกรด 1 โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ต้องมีการกัดกร่อน

ชั้นประถมศึกษาปีที่ 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.

ชั้นประถมศึกษาปีที่ 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.

ชั้นประถมศึกษาปีที่ 12

เป็นโลหะผสมที่มีความทนทานสูงซึ่งให้ความแข็งแรงที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูง ไทเทเนียมเกรด 12 มีคุณสมบัติคล้ายกับเหล็กกล้าไร้สนิมซีรีส์ 300 โลหะผสมสามารถขึ้นรูปร้อนหรือเย็นได้โดยใช้การขึ้นรูปด้วยการกด การขึ้นรูปด้วยไฮโดรฟอร์ม การขึ้นรูปด้วยการยืด หรือวิธีการลดน้ำหนัก ความสามารถในการขึ้นรูปในรูปแบบต่างๆ ทำให้มีประโยชน์ในการใช้งานหลายๆ อย่าง ความต้านทานการกัดกร่อนสูงของโลหะผสมยังทำให้มีค่าอันล้ำค่าสำหรับอุปกรณ์การผลิตที่ต้องคำนึงถึงการกัดกร่อนของรอยแยก

ชั้นประถมศึกษาปีที่ 9

ทำจากไทเทเนียมบริสุทธิ์ โดยมีอะลูมิเนียมประมาณ 3% และวาเนเดียมประมาณ 2.5% โดยทั่วไปโลหะผสมนี้มีความทนทานต่อการกัดกร่อนดีเยี่ยม มีความแข็งแรงสูง และมีคุณสมบัติในการเชื่อมที่ดี โลหะผสมไทเทเนียม Gr9 ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ การต่อเรือ อุปกรณ์เคมี และสาขาอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องใช้วัสดุประสิทธิภาพสูงในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและมีฤทธิ์กัดกร่อน คุณสมบัติของโลหะผสมไทเทเนียม Gr9 ทำให้เป็นวัสดุโครงสร้างในอุดมคติที่สามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนและส่วนประกอบต่างๆ ได้

ตลาดแอปพลิเคชันของไทเทเนียม

1. การบินและอวกาศ

โลหะไทเทเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตโครงสร้างเครื่องบินและชิ้นส่วนเครื่องยนต์ เช่น ลำตัวเครื่องบิน ใบพัดเครื่องยนต์ เป็นต้น
คุณสมบัติน้ำหนักเบาและความแข็งแรงสูงช่วยให้เครื่องบินลดน้ำหนัก ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง และเพิ่มความทนทานและความปลอดภัยของเครื่องบิน

2. การแพทย์

โลหะไทเทเนียมใช้ในการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น การปลูกถ่ายกระดูก ข้อต่อเทียม และอุปกรณ์บูรณะฟัน
ความเข้ากันได้ทางชีวภาพและความต้านทานการกัดกร่อนทำให้ไทเทเนียมเป็นหนึ่งในวัสดุที่เหมาะที่สุดในวงการแพทย์

3. อุตสาหกรรมยานยนต์

ในการผลิตยานยนต์ ไทเทเนียมถูกนำมาใช้เพื่อผลิตส่วนประกอบที่มีน้ำหนักเบา เช่น ระบบไอเสีย ส่วนประกอบของระบบกันสะเทือน และโครงสร้างตัวถัง
การออกแบบให้มีน้ำหนักเบาสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และความปลอดภัยของรถยนต์ได้

4. วิศวกรรมทางทะเล

การใช้โลหะไทเทเนียมในงานวิศวกรรมมหาสมุทรเกี่ยวข้องกับการกรองน้ำทะเล การสำรวจมหาสมุทร และท่อส่งใต้น้ำ
ความต้านทานการกัดกร่อนและความต้านทานต่อการกัดกร่อนของน้ำทะเลทำให้ไทเทเนียมเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมทางทะเล

5. การผลิตเครื่องกีฬา

ไทเทเนียมใช้ในการผลิตสินค้ากีฬาระดับไฮเอนด์ เช่น ไม้กอล์ฟ เฟรมจักรยาน และไม้เทนนิส
ความแข็งแรงสูง น้ำหนักเบา และทนต่อการกัดกร่อนทำให้ผลิตภัณฑ์ไทเทเนียมมีประสิทธิภาพและความทนทานเป็นเลิศ

6. อุตสาหกรรม

โลหะไทเทเนียมใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อผลิตอุปกรณ์เคมี เครื่องมือขุดเจาะน้ำมัน และอุปกรณ์ส่งกำลัง
ความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและความต้านทานการกัดกร่อนทำให้โลหะไทเทเนียมมีแนวโน้มที่จะใช้ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่รุนแรง

ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจบางประการเกี่ยวกับไทเทเนียม

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.