تسميات قصيرة:
σ في	- مقاومة الشد (قوة الشد القصوى) ، MPa		ε	- الاستقرار النسبي عند ظهور الشق الأول ،٪
σ 0.05	- حد مرن ، MPa		J إلى	- قوة الالتواء ، أقصى إجهاد القص ، MPa
σ 0.2	- قوة الخضوع المشروطة ، MPa		σ ينحني	- القوة القصوى في الانحناء ، MPa
δ5,δ4,δ 10	- الاستطالة النسبية بعد التمزق ،٪		σ-1	- حد التحمل أثناء اختبار الانحناء مع دورة تحميل متناظرة ، MPa
σ ضغط 0.05و σ ضغط	- مقاومة الخضوع للضغط ، MPa		J-1	- حد التحمل أثناء اختبار الالتواء مع دورة تحميل متناظرة ، MPa
ν	- التحول النسبي ،٪		ن	- عدد دورات التحميل
ق في	- حد القوة على المدى القصير ، MPa		صو ρ	- المقاومة الكهربائية ، أوم م
ψ	- تضيق نسبي ،٪		ه	- معامل المرونة العادي GPa
KCUو KCV	- قوة التأثير ، محددة على عينة ذات مركزات ، على التوالي ، من النوع U و V ، J / سم 2		تي	- درجة الحرارة التي يتم عندها الحصول على الخصائص ، درجة
شارع	- حد التناسب (مقاومة الخضوع للتشوه الدائم) MPa		لو λ	- معامل التوصيل الحراري (السعة الحرارية للمادة) W / (m ° C)
HB	- صلابة برينل		ج	- السعة الحرارية النوعية للمادة (المدى 20 o - T) ، [J / (كجم درجة)]
HV	- صلابة فيكرز		ص نو ص	- الكثافة كجم / م 3
HRC ه	- صلابة روكويل ، مقياس سي		أ	- معامل تمدد درجة الحرارة (الخطي) (المدى 20 درجة - T) ، 1 / ​​درجة مئوية
HRB	- صلابة روكويل ، مقياس ب		σ ر تي	- القوة المطلقة ، MPa
HSD	- صلابة الشاطئ		جي	- معامل المرونة عند القص بالتواء GPa

نظرًا لأن التيتانيوم معدن يتمتع بصلابة جيدة ، ولكنه منخفض القوة ، فقد أصبحت السبائك القائمة على التيتانيوم أكثر انتشارًا في الإنتاج الصناعي. تختلف السبائك ذات البنية الحبيبية المختلفة في هيكل ونوع الشبكة البلورية.

يمكن الحصول عليها من خلال توفير أنظمة درجات حرارة معينة في عملية الإنتاج. وعن طريق إضافة العديد من عناصر السبائك إلى التيتانيوم ، يمكن الحصول على سبائك تتميز بخصائص تشغيلية وتكنولوجية أعلى.

عند إضافة عناصر صناعة السبائكوأنواع مختلفة من المشابك البلورية في الهياكل القائمة على التيتانيوم ، فمن الممكن الحصول على أعلى مقاومة الحرارة والقوة. في الوقت نفسه ، تتميز الهياكل الناتجة بكثافة منخفضة وخصائص مقاومة للتآكل جيدة وليونة جيدة ، مما يوسع نطاق استخدامها.

خصائص التيتانيوم

التيتانيوم معدن خفيف يتحد صلابة عالية وقوة منخفضةمما يعقد معالجتها. درجة حرارة الانصهارمن هذه المواد في المتوسط 1665 درجة مئوية. تتميز المادة بكثافة منخفضة (4.5 جم / سم 3) وقدرة جيدة على مقاومة التآكل.

يتكون فيلم أكسيد بسمك عدة نانومتر على سطح المادة ، والذي يستثني عمليات التآكلالتيتانيوم في البحر والمياه العذبة والغلاف الجوي والأكسدة بالأحماض العضوية وعمليات التجويف والهياكل تحت التوتر.

في الحالة الطبيعية ، لا تحتوي المادة على مقاومة للحرارة ، فهي تتميز بظاهرة الزحف في درجات حرارة الغرفة. ومع ذلك ، في ظروف البرد العميق والبرودة ، تتميز المادة بخصائص قوة عالية.

التيتانيوم ذو معامل مرونة منخفض ، مما يحد من استخدامه لتصنيع الهياكل التي تتطلب الصلابة. في الحالة النقية ، يتميز المعدن بخصائص مقاومة عالية للإشعاع وليس له خصائص مغناطيسية.

يتميز التيتانيوم بخصائص بلاستيكية جيدة و سهل المعالجةفي درجة حرارة الغرفة وما فوق. اللحامات الملحومة المصنوعة من التيتانيوم ومركباتها لها ليونة وقوة. ومع ذلك ، تتميز المادة بعمليات مكثفة لامتصاص الغازات عندما تكون في حالة كيميائية غير مستقرة تحدث عندما ترتفع درجة الحرارة. التيتانيوم ، اعتمادًا على الغاز الذي يتحد به ، يشكل مركبات الهيدريد والأكسيد والكربيد ، والتي لها تأثير سيء على خصائصه التكنولوجية.

تتميز المادة ضعف التشغيل الآليونتيجة لتنفيذه في غضون فترة وجيزة يلتصق بالأداة، مما يقلل من مواردها. يمكن تصنيع التيتانيوم عن طريق القطع باستخدام التبريد المكثف بمعدلات تغذية عالية ، وبسرعات معالجة منخفضة وعمق قطع كبير. بالإضافة إلى ذلك ، يتم اختيار الفولاذ عالي السرعة كأداة للمعالجة.

تتميز المادة بنشاط كيميائي عالٍ ، مما يؤدي إلى استخدام الغازات الخاملة في صهر أو صب التيتانيوم أو اللحام بالقوس.

أثناء الاستخدام ، يجب حماية منتجات التيتانيوم من الامتصاص المحتمل للغازات في حالة زيادة درجات حرارة التشغيل.

سبائك التيتانيوم

الهياكل القائمة على التيتانيوم مع إضافة عناصر صناعة السبائك مثل:

يتم استخدام الهياكل التي تم الحصول عليها عن طريق تشوه سبائك مجموعة التيتانيوم لتصنيع المنتجات التي تخضع للمعالجة الميكانيكية.

بالقوة يميزون:

• مواد عالية القوة ، قوتها أكثر من 1000MPa ؛
• الهياكل ذات القوة المتوسطة ، في نطاق القيم من 500 إلى 1000 ميجا باسكال ؛
• مواد منخفضة القوة ، بقوة أقل من 500 ميجا باسكال.

حسب مجال الاستخدام:

• الهياكل المقاومة للتآكل.
• مواد بناء؛
• هياكل مقاومة للحرارة
• الهياكل ذات المقاومة العالية للبرودة.

أنواع السبائك

وفقًا لعناصر السبائك المدرجة في التكوين ، يتم تمييز ستة أنواع رئيسية من السبائك.

السبائك نوع السبائك ألفا

السبائك نوع السبائك ألفاعلى أساس التيتانيوم مع تطبيق للسبائك الألومنيوم والقصدير والزركونيوم والأكسجينتتميز قابلية لحام جيدة ، وخفض نقطة تجمد التيتانيوم وزيادة سيولتها. تسمح هذه الخصائص باستخدام ما يسمى سبائك ألفا للحصول على الفراغات بطريقة الشكل أو عند صب الأجزاء. المنتجات الناتجة من هذا النوع لها ثبات حراري عالي ، مما يسمح باستخدامها لتصنيع الأجزاء الهامة ، العمل في درجات حرارة تصل إلى 400 درجة مئوية.

مع وجود كميات قليلة من عناصر صناعة السبائك ، تسمى المركبات التيتانيوم التقني. يتميز بالثبات الحراري الجيد ، وله خصائص لحام ممتازة عند القيام بأعمال اللحام على مختلف الآلات. المادة لها خصائص مرضية لإمكانية القطع. لا ينصح بزيادة قوة السبائك من هذا النوع باستخدام المعالجة الحرارية ، حيث يتم استخدام مواد من هذا النوع بعد التلدين. السبائك المحتوية على الزركونيوم لها أعلى تكلفة وهي عالية التصنيع.

يتم تقديم أشكال توصيل السبيكة على شكل أسلاك وأنابيب وقضبان ملفوفة ومطروقات. المادة الأكثر استخدامًا في هذه الفئة هي سبيكة VT5-1تتميز بالقوة المتوسطة ومقاومة الحرارة حتى 450 درجة مئوية والأداء الممتاز عند العمل في درجات حرارة منخفضة ومنخفضة للغاية. لا يتم تقوية هذه السبيكة بالطرق الحرارية ، ومع ذلك ، فإن استخدامها في درجات حرارة منخفضة يتطلب الحد الأدنى من مواد صناعة السبائك.

سبائك سبائك نوع β

سبائك من نوع βتم الحصول عليها عن طريق صناعة سبائك التيتانيوم الفاناديوم والموليبدينوم والنيكل ،في هذه الحالة ، تتميز الهياكل الناتجة زيادة القوةفي النطاق من درجة حرارة الغرفة إلى درجات الحرارة السلبية مقارنةً بسبائك ألفا. عند استخدامها ، تزداد مقاومة المواد للحرارة ، ومع ذلك ، الحد من البلاستيكخصائص سبائك هذه المجموعة.

للحصول على خصائص مستقرة ، يجب أن تكون سبائك هذه المجموعة مخدر بكمية كبيرةالعناصر المحددة. بناءً على التكلفة العالية لهذه المواد ، لم تحصل هياكل هذه المجموعة على توزيع صناعي واسع. تتميز سبائك هذه المجموعة بمقاومة الزحف ، وإمكانية زيادة القوة بطرق مختلفة ، وإمكانية التشغيل الآلي. ومع ذلك ، حيث ترتفع درجة حرارة التشغيل إلى 300 درجة مئويةالحصول على سبائك هذه المجموعة هشاشة.

السبائك الزائفة ألفا

السبائك الزائفة ألفا، معظم عناصر السبائك التي هي مكونات طور α مع إضافات تصل إلى 5٪ من عناصر المجموعة. يضيف وجود المرحلة في السبائك إلى مزايا عناصر صناعة السبائك في مجموعة α خاصية اللدونة. يتم تحقيق زيادة في مقاومة الحرارة لهذه المجموعة من السبائك باستخدام الألومنيوم والسيليكون والزركونيوم.آخر العناصر المدرجة له ​​تأثير إيجابي على تفكك المرحلة في هيكل السبيكة. ومع ذلك ، فإن هذه السبائك لديها أيضا محدداتمن بينها الخير امتصاص التيتانيوم للهيدروجينوتشكيل الهيدريدات مع احتمال تقصف الهيدروجين. يتم تثبيت الهيدروجين في المركب على شكل طور هيدريد ، ويقلل من اللزوجة والخصائص البلاستيكية للسبيكة ويساهم في زيادة هشاشة المفصل. ومن أكثر المواد شيوعًا في هذه المجموعة ماركة سبائك التيتانيوم VT18، التي لديها مقاومة للحرارة تصل إلى 600 درجة مئوية ، ولها خصائص اللدونة الجيدة. هذه الخصائص تجعل من الممكن استخدام المواد من أجل تصنيع أجزاء الضاغط في صناعة الطائرات. تشمل المعالجة الحرارية للمادة التلدين عند درجات حرارة تبلغ حوالي 1000 درجة مئوية مع مزيد من تبريد الهواء أو التلدين المزدوج ، مما يسمح بزيادة مقاومة التمزق بنسبة 15٪.

سبائك زائفة β

سبائك زائفة βتتميز بالوجود بعد التبريد أو التطبيع من خلال وجود المرحلة فقط. في حالة التلدين ، هيكل هذه السبائك ممثلة بالطور α مع كمية كبيرة من مكونات السبائك للمجموعة. تتميز هذه السبائك أعلى مؤشر قوة محدد بين مركبات التيتانيوم، لديها استقرار حراري منخفض. بالإضافة إلى ذلك ، فإن سبائك هذه المجموعة تكون ضعيفة التأثر عند تعرضها للهيدروجين ، ولكنها شديدة الحساسية لمحتوى الكربون والأكسجين ، مما يؤثر على تقليل خصائص السبيكة المطيلة والمطيلة. تتميز هذه السبائك بضعف قابلية اللحام ، ومجموعة واسعة من الخصائص الميكانيكية بسبب عدم تجانس التكوين و استقرار منخفضفي العمل في درجات حرارة عاليةيتم تمثيل شكل تحرير السبيكة بألواح ومطروقات وقضبان وشريط معدني ، مع الاستخدام الموصى به لفترة طويلة في درجات حرارة لا تزيد عن 350 درجة مئوية. مثال على هذه السبيكة BT 35والتي تتميز بمعالجة الضغط عند تعرضها لدرجة الحرارة. بعد التصلب ، تتميز المادة بخصائص بلاستيكية عالية والقدرة على التشوه في الحالة الباردة. يؤدي إجراء عملية التقادم لهذه السبيكة إلى حدوث تصلب متعدد في وجود لزوجة عالية.

سبائك من النوع α + β

سبائك من النوع α + βمع شوائب محتملة للمركبات بين المعادن تتميز بهشاشة أقل عند تعرضها للهيدرات مقارنة بسبائك المجموعتين 1 و 3. بالإضافة إلى ذلك ، فهي تتميز بإمكانية تصنيع أكبر وسهولة في المعالجة باستخدام طرق مختلفة مقارنة بسبائك مجموعة α. عند اللحام باستخدام هذا النوع من المواد ، يلزم التلدين بعد اكتمال العملية لزيادة ليونة اللحام. تصنع مواد هذه المجموعة على شكل شرائط وصفائح معدنية ومطروقات وختم وقضبان. المادة الأكثر شيوعًا في هذه المجموعة هي سبيكة VT6.0، يتميز بالتشوه الجيد أثناء المعالجة الحرارية ، وانخفاض احتمالية التقصف الهيدروجين. من هذه المادة إنتاج أجزاء تحمل الطائرات ومنتجات مقاومة للحرارةلضواغط المحرك في الطيران. يتم استخدام سبائك VT6 الملدنة أو المصلدة بالحرارة. على سبيل المثال ، يتم تلدين أجزاء من مقاطع جانبية رقيقة الجدران أو فراغات الألواح عند درجة حرارة 800 درجة مئوية ، ثم يتم تبريدها في الهواء أو تركها في الفرن.

سبائك التيتانيوم على أساس المركبات المعدنية.

Intermetallics عبارة عن سبيكة من معدنين ، أحدهما التيتانيوم.

استلام المنتجات

الهياكل التي تم الحصول عليها عن طريق الصب ، والتي يتم إجراؤها في قوالب معدنية خاصة في ظل ظروف الوصول المحدود للغازات النشطة ، مع مراعاة النشاط العالي لسبائك التيتانيوم مع زيادة درجة الحرارة. تتميز السبائك التي يتم الحصول عليها عن طريق الصب بخصائص أقل من السبائك التي يتم الحصول عليها عن طريق التشوه. لا يتم إجراء المعالجة الحرارية لزيادة القوة لسبائك من هذا النوع ، حيث أن لها تأثيرًا كبيرًا على مرونة هذه الهياكل.

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 مارتينسيت 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.

الخصائص

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 ليونة 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). إنها مغناطيسية. 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. وأهمها: الروتيل TiO 2 ، الإلمنيت FeTiO 3 ، التيتانيوم المغنطيسي FeTiO 3 + Fe3O 4 ، البيروفسكايت CaTiO 3 ، التيتانيوم CaTiSiO 5. توجد خامات التيتانيوم الأولية - الإلمنيت - تيتانوماجنتيت 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.

طلب

تلعب سبائك التيتانيوم دورًا مهمًا في تكنولوجيا الطيران ، حيث الهدف هو الحصول على أخف تصميم مقترن بالقوة المطلوبة. التيتانيوم خفيف مقارنة بالمعادن الأخرى ، لكن 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.

يستخدم التيتانيوم وسبائكه أيضًا في علم الصواريخ. نظرًا للتشغيل قصير المدى للمحركات والمرور السريع للطبقات الكثيفة من الغلاف الجوي ، فإن مشاكل قوة التعب ، والتحمل الساكن ، والزحف إلى حد ما ، يتم إزالتها في علم الصواريخ.

نظرًا لمقاومة الحرارة العالية بشكل غير كافٍ ، 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 صناعة 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 والمحاليل المائية والحمضية للكلور ، 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 عنصر من عناصر المجموعة الرابعة من مجموعة فرعية ثانوية من النظام الدوري ، الرقم التسلسلي 22 ، الوزن الذري 47.9. العلامة الكيميائية - Ti. تم اكتشاف تيتان في عام 1795 وسميت على اسم بطل الملحمة اليونانية تيتان. إنه جزء من أكثر من 70 معدنًا وهو أحد العناصر المشتركة - يبلغ محتواه في قشرة الأرض حوالي 0.6٪. إنه معدن أبيض فضي. نقطة انصهارها هي 1665 درجة مئوية. معامل التمدد الخطي للتيتانيوم في النطاق 20-100 درجة مئوية هو 8.3 × 10 -6 درجة -1 ، والتوصيل الحراري l = 15.4 واط / (م × ك). إنه موجود في تعديلين متعددي الأشكال: ما يصل إلى 882 درجة مئوية في شكل تعديل a ، والذي يحتوي على شبكة بلورية سداسية الشكل ومعبأة بشكل وثيق مع معلمات أ= 2.95 Å و مع= 4.86 Å ؛ وفوق درجة الحرارة هذه ، يكون التحول b مع شعرية مكعبة محورها الجسم مستقرًا ( أ= 3.31 Å).

يجمع المعدن بين القوة الكبيرة والكثافة المنخفضة r = 4.5 جم / سم 3 ومقاومة عالية للتآكل. نتيجة لذلك ، في كثير من الحالات لها مزايا كبيرة على المواد الهيكلية الأساسية مثل الفولاذ والألمنيوم. ومع ذلك ، بسبب الموصلية الحرارية المنخفضة ، من الصعب استخدامه للهياكل والأجزاء التي تعمل في ظل ظروف اختلافات كبيرة في درجات الحرارة ، وعند العمل من أجل التعب الحراري. تزحف المعروضات المعدنية في كل من درجات حرارة الغرفة المرتفعة. تشمل عيوب التيتانيوم كمادة إنشائية معامل منخفض نسبيًا للمرونة العادية.

المعدن عالي النقاء له خصائص بلاستيكية جيدة. تحت تأثير الشوائب ، تتغير مرونته بشكل كبير. يذوب الأكسجين جيدًا في التيتانيوم ويقلل بشكل كبير من هذه الخاصية الموجودة بالفعل في منطقة التركيزات المنخفضة. تنخفض أيضًا الخصائص البلاستيكية للمعدن عند إضافة النيتروجين. عندما يزيد محتوى النيتروجين عن 0.2٪ ، يحدث كسر هش للتيتانيوم. في الوقت نفسه ، يزيد الأكسجين والنيتروجين من المقاومة المؤقتة وتحمل المعدن. في هذا الصدد ، فهي شوائب مفيدة.

الهيدروجين شوائب ضارة. إنه يقلل بشكل كبير من قوة تأثير التيتانيوم حتى في تركيزات منخفضة جدًا ، بسبب تكوين الهيدريدات. ليس للهيدروجين تأثير ملحوظ على خصائص قوة المعدن في نطاق واسع من التركيزات.

لا ينتمي التيتانيوم النقي إلى مواد مقاومة للحرارة ، حيث تقل قوته بشكل حاد مع زيادة درجة الحرارة.

من السمات المهمة للمعدن قدرته على تكوين محاليل صلبة من غازات الغلاف الجوي والهيدروجين. عندما يتم تسخين التيتانيوم في الهواء ، على سطحه ، بالإضافة إلى المقياس المعتاد ، تتشكل طبقة ، تتكون من محلول صلب يعتمد على a-Ti (alfited) ، مثبت بالأكسجين ، ويعتمد سمكه على درجة الحرارة و مدة التسخين. تتميز بدرجة حرارة تحول أعلى من الطبقة المعدنية الرئيسية ، ويمكن أن يتسبب تكوينها على سطح الأجزاء أو المنتجات شبه المصنعة في حدوث كسر هش.

يتميز التيتانيوم بمقاومته الكبيرة للتآكل في الهواء ، والبرد الطبيعي ، والمياه العذبة الساخنة ، ومياه البحر ، والمحاليل القلوية ، وأملاح الأحماض والمركبات غير العضوية والعضوية ، حتى عند غليها. إنه مقاوم لتخفيف الكبريت ، الهيدروكلوريك (حتى 5٪) ، النيتريك من جميع التركيزات (باستثناء الدخان) ، أحماض الخليك واللاكتيك ، والكلوريدات والأكوا ريجيا. تفسر مقاومة التيتانيوم العالية للتآكل من خلال تكوين طبقة واقية كثيفة ومتجانسة على سطحه ، يعتمد تكوينها على البيئة وظروف تكوينها. في معظم الحالات ، هذا هو ثاني أكسيد - TiO2. في ظل ظروف معينة ، يمكن تغطية المعدن المتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك بطبقة واقية من الهيدريد - TiH 2. التيتانيوم مقاوم للتآكل الناتج عن التجويف والتآكل الناتج عن الإجهاد.

تعود بداية الاستخدام الصناعي للتيتانيوم كمادة إنشائية إلى أربعينيات القرن الماضي. وبهذه الصفة ، يجد التيتانيوم أكبر تطبيق في مجال الطيران ، وتكنولوجيا الصواريخ ، وبناء السفن ، وصنع الأدوات والهندسة الميكانيكية. يحتفظ بخصائص قوة عالية في درجات حرارة مرتفعة ، وبالتالي يتم استخدامه بنجاح لتصنيع الأجزاء المعرضة للتسخين بدرجة حرارة عالية.

في الوقت الحاضر ، يستخدم التيتانيوم على نطاق واسع في علم المعادن ، بما في ذلك كعنصر صناعة السبائك في الفولاذ المقاوم للصدأ والمقاوم للحرارة. تزيد إضافات التيتانيوم إلى سبائك الألومنيوم والنيكل والنحاس من قوتها. إنه جزء لا يتجزأ من السبائك الصلبة لأدوات القطع. يستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم لطلاء أقطاب اللحام. يستخدم رابع كلوريد التيتانيوم في الجيش لإنشاء شاشات دخان.

في الهندسة الكهربائية والراديو ، يتم استخدام مسحوق التيتانيوم كممتص للغاز - عند تسخينه إلى 500 درجة مئوية ، فإنه يمتص الغازات بقوة وبالتالي يوفر فراغًا عاليًا في حجم مغلق. في هذا الصدد ، يتم استخدامه لتصنيع أجزاء المصباح الإلكترونية.

التيتانيوم في بعض الحالات مادة لا غنى عنها في الصناعة الكيميائية وفي بناء السفن. الأجزاء المخصصة لضخ السوائل العدوانية ، والمبادلات الحرارية التي تعمل في البيئات المسببة للتآكل ، وأجهزة التعليق المستخدمة في أنودة الأجزاء المختلفة مصنوعة منها. التيتانيوم خامل في الإلكتروليتات وسوائل الطلاء الكهربائي الأخرى ، وبالتالي فهو مناسب لإنتاج أجزاء الحمام المختلفة المطلية بالكهرباء. يستخدم على نطاق واسع في تصنيع معدات المعالجة المائية لمصانع النيكل والكوبالت ، حيث يتمتع بمقاومة عالية للتآكل والتآكل عند ملامسة حمأة النيكل والكوبالت في درجات الحرارة والضغط المرتفعين.

التيتانيوم هو الأكثر استقرارًا في البيئات المؤكسدة. في البيئات المختزلة ، تتآكل بسرعة كبيرة بسبب تدمير طبقة الأكسيد الواقية.

تعتبر سبائك التيتانيوم ذات العناصر المختلفة مواد واعدة أكثر من المعدن النقي تجاريًا.

مكونات السبائك الرئيسية لسبائك التيتانيوم الصناعية هي الفاناديوم والموليبدينوم والكروم والمنغنيز والنحاس والألمنيوم والقصدير. في الممارسة العملية ، يشكل التيتانيوم سبائك من جميع المعادن ، باستثناء العناصر القلوية الأرضية ، وكذلك مع السيليكون والبورون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين.

إن وجود تحولات متعددة الأشكال للتيتانيوم ، وقابلية الذوبان الجيدة للعديد من العناصر فيه ، وتكوين مركبات كيميائية ذات قابلية متغيرة للذوبان ، تجعل من الممكن الحصول على مجموعة واسعة من سبائك التيتانيوم ذات الخصائص المختلفة.

لديهم ثلاث مزايا رئيسية على السبائك الأخرى: الجاذبية النوعية المنخفضة ، الخصائص الكيميائية العالية والمقاومة الممتازة للتآكل. إن الجمع بين الخفة والقوة العالية يجعلها مواد واعدة بشكل خاص كبدائل للفولاذ الخاص لصناعة الطيران ، ومقاومة تآكل كبيرة لبناء السفن والصناعة الكيميائية.

في كثير من الحالات ، يكون استخدام سبائك التيتانيوم مجديًا اقتصاديًا ، على الرغم من ارتفاع تكلفة التيتانيوم. على سبيل المثال ، أدى استخدام مضخات التيتانيوم المصبوب ذات أعلى مقاومة للتآكل في إحدى الشركات في روسيا إلى تقليل تكاليف التشغيل لكل مضخة بمقدار 200 مرة. وهناك العديد من هذه الأمثلة.

اعتمادًا على طبيعة التأثير الذي تمارسه عناصر صناعة السبائك على التحولات متعددة الأشكال للتيتانيوم أثناء صناعة السبائك ، يتم تقسيم جميع السبائك إلى ثلاث مجموعات:

1) مع المرحلة (الألومنيوم) ؛

2) مع المرحلة ب (الكروم والمنغنيز والحديد والنحاس والنيكل والبريليوم والتنغستن والكوبالت والفاناديوم والموليبدينوم والنيوبيوم والتنتالوم) ؛

3) مع أطوار أ + ب (قصدير ، زركونيوم جرمانيوم).

سبائك التيتانيوم مع الألومنيوم لها كثافة أقل وقوة نوعية أكبر من التيتانيوم النقي أو النقي تجارياً. من حيث القوة المحددة ، فهي تتفوق على العديد من الفولاذ المقاوم للصدأ والمقاوم للحرارة في نطاق 400-500 درجة مئوية. تتمتع هذه السبائك بمقاومة أعلى للحرارة ومقاومة زحف أعلى من العديد من السبائك الأخرى التي أساسها التيتانيوم. لديهم أيضًا معامل متزايد للمرونة العادية. لا تتآكل السبائك وتتأكسد قليلاً في درجات الحرارة العالية. لديهم قابلية جيدة للحام ، وحتى مع وجود محتوى كبير من الألمنيوم ، فإن مادة اللحام ومنطقة اللحام القريبة لا تصبح هشة. تقلل إضافة الألمنيوم من ليونة التيتانيوم. يكون هذا التأثير أكثر كثافة عندما يكون محتوى الألومنيوم أكثر من 7.5٪. تزيد إضافة القصدير إلى السبائك من خصائص قوتها. بتركيز يصل إلى 5٪ Sn فيها ، لم يلاحظ أي انخفاض ملحوظ في خصائص البلاستيك. بالإضافة إلى ذلك ، فإن إدخال القصدير في السبائك يزيد من مقاومتها للأكسدة والزحف. السبائك المحتوية على 4-5٪ Al و2-3٪ Sn تحتفظ بقوة ميكانيكية كبيرة تصل إلى 500 درجة مئوية.

للزركونيوم تأثير ضئيل على الخصائص الميكانيكية للسبائك ، ولكن وجوده يساهم في زيادة مقاومة الزحف وزيادة القوة على المدى الطويل. الزركونيوم عنصر قيم في سبائك التيتانيوم.

السبائك من هذا النوع مطيلة تمامًا: يتم لفها وختمها وتشكيلها في حالة ساخنة ، ويتم لحامها بقوس الأرجون ولحام التلامس ، وتتم معالجتها بشكل مرض عن طريق القطع ، وتتمتع بمقاومة جيدة للتآكل في حمض النيتريك المركز ، في الغلاف الجوي ، وفي الملح المحاليل تحت الأحمال الدورية ومياه البحر. وهي مصممة لتصنيع الأجزاء التي تعمل في درجات حرارة تتراوح من 350 إلى 500 درجة مئوية للأحمال طويلة الأجل وحتى 900 درجة مئوية للأحمال قصيرة الأجل. يتم توريد السبائك على شكل صفائح ، وقضبان ، وشرائط ، وألواح ، ومطروقات ، وختم ، وأقسام مبثوقة ، وأنابيب وأسلاك.

في درجة حرارة الغرفة ، فإنها تحتفظ بالشبكة البلورية المتأصلة في تعديل التيتانيوم. في معظم الحالات ، يتم استخدام هذه السبائك في الحالة الصلبة.

تشتمل سبائك التيتانيوم ذات الطور ب المستقر ديناميكيًا على أنظمة تحتوي على الألومنيوم (3.0 - 4.0٪) والموليبدينوم (7.0 - 8.0٪) والكروم (10.0 - 15.0٪)). ومع ذلك ، فإن هذا يفقد إحدى المزايا الرئيسية لسبائك التيتانيوم - كثافة منخفضة نسبيًا. هذا هو السبب الرئيسي لعدم استخدام هذه السبائك على نطاق واسع. بعد التصلب من 760 - 780 درجة مئوية والشيخوخة عند 450 - 480 درجة مئوية ، يكون لديهم مقاومة مؤقتة من 130 - 150 كجم / مم 2 , هذا يعادل الفولاذ مع s in = 255 كجم / مم 2 . ومع ذلك ، لا يتم الاحتفاظ بهذه القوة عند تسخينها ، وهو العيب الرئيسي لهذه السبائك. يتم توفيرها على شكل صفائح وقضبان ومطروقات.

يتم تحقيق أفضل مزيج من الخصائص في السبائك التي تتكون من خليط من المرحلتين أ وب. الألومنيوم عنصر لا غنى عنه فيها. لا يوسع محتوى الألمنيوم نطاق درجة الحرارة الذي يتم فيه الحفاظ على استقرار المرحلة a فحسب ، بل يزيد أيضًا من الاستقرار الحراري للمكون ب. بجانب , يقلل هذا المعدن من كثافة السبيكة وبالتالي يعوض الزيادة في هذه المعلمة المرتبطة بإدخال عناصر السبائك الثقيلة. لديهم قوة جيدة وليونة. يتم تصنيع الصفائح والقضبان والمطروقات والطوابع منها ، ويمكن ربط أجزاء من هذه السبائك باللحام الموضعي والتناكبي وقوس الأرجون في جو وقائي. يمكن تشكيلها بطريقة مرضية ، ولها مقاومة عالية للتآكل في جو رطب وفي مياه البحر ، ولديها استقرار حراري جيد.

في بعض الأحيان ، بالإضافة إلى الألومنيوم والموليبدينوم ، يتم إضافة كمية صغيرة من السيليكون إلى السبائك. يساهم هذا في حقيقة أن السبائك في الحالة الساخنة تصلح بشكل جيد للدحرجة والختم والتزوير ، كما أنها تزيد من مقاومة الزحف.

تستخدم على نطاق واسع كربيد التيتانيوم والسبائك التي تعتمد عليها. يتميز كربيد التيتانيوم بصلابة عالية ونقطة انصهار عالية جدًا ، مما يحدد مجالات استخدامه الرئيسية. لطالما تم استخدامه كعنصر من مكونات السبائك الصلبة لأدوات القطع والقوالب. السبائك الصلبة النموذجية المحتوية على التيتانيوم لأدوات القطع هي السبائك T5K10 ، T5K7 ، T14K8 ، T15K6 ، TZ0K4 (الشكل الأول يتوافق مع محتوى كربيد التيتانيوم ، والثاني مع تركيز الكوبالت المعدني المعزز في٪). يستخدم كربيد التيتانيوم أيضًا كمواد كاشطة في شكل مسحوق وأسمنت. نقطة انصهارها تزيد عن 3000 درجة مئوية. لديها موصلية كهربائية عالية ، وفي درجات حرارة منخفضة - الموصلية الفائقة. زحف هذا المركب منخفض حتى 1800 درجة مئوية. إنه هش في درجة حرارة الغرفة. كربيد التيتانيوم مستقر في الأحماض الباردة والساخنة - الهيدروكلوريك ، الكبريتيك ، الفوسفوريك ، الأكساليك ، في البرد - في حمض البيركلوريك ، وكذلك في مخاليطهم.

تستخدم على نطاق واسع المواد المقاومة للحرارة على أساس كربيد التيتانيوم المخلوط مع الموليبدينوم والتنتالوم والنيوبيوم والنيكل والكوبالت وعناصر أخرى. هذا يجعل من الممكن الحصول على مواد تجمع بين القوة العالية ومقاومة الزحف والأكسدة في درجات حرارة عالية من كربيد التيتانيوم مع ليونة ومقاومة الصدمات الحرارية للمعادن. يعتمد إنتاج المواد المقاومة للحرارة على أساس الكربيدات الأخرى ، وكذلك البوريدات ، ومبيدات السيليكون ، التي يتم دمجها تحت الاسم العام للمواد المعدنية الخزفية ، على نفس المبدأ.

تحتفظ السبائك القائمة على كربيد التيتانيوم بمقاومة حرارة عالية بدرجة كافية تصل إلى 1000-1100 درجة مئوية. لديهم مقاومة عالية للتآكل ومقاومة التآكل. قوة تأثير السبائك منخفضة ، وهذا هو العقبة الرئيسية أمام توزيعها على نطاق واسع.

يتم استخدام كربيد التيتانيوم والسبائك التي تعتمد عليها مع كربيد معادن أخرى كمواد مقاومة للحرارة. البوتقات المصنوعة من كربيد التيتانيوم وسبائكه مع كربيد الكروم غير مبللة وعمليًا لا تتفاعل لفترة طويلة مع القصدير المنصهر والبزموت والرصاص والكادميوم والزنك. لا يتم ترطيب كربيد التيتانيوم بالنحاس المصهور عند درجة حرارة 1100-1300 درجة مئوية والفضة عند 980 درجة مئوية في فراغ ، والألمنيوم عند 700 درجة مئوية في جو أرجون. السبائك القائمة على كربيد التيتانيوم مع كربيد التنجستن أو التنتالوم مع إضافة ما يصل إلى 15٪ Co عند 900-1000 درجة مئوية لفترة طويلة تكاد تكون غير قابلة لتأثير الصوديوم والبزموت المنصهر.

أقيم النصب التذكاري لتكريم غزاة الفضاء في موسكو عام 1964. وقد استغرق تصميم وبناء هذه المسلة ما يقرب من سبع سنوات (1958-1964). كان على المؤلفين حل ليس فقط المشاكل المعمارية والفنية ، ولكن أيضًا المشكلات الفنية. كان أولها اختيار المواد ، بما في ذلك البطانة. بعد تجارب طويلة ، استقروا على صفائح التيتانيوم المصقولة للتألق.

في الواقع ، في العديد من الخصائص ، وقبل كل شيء في مقاومة التآكل ، يتفوق التيتانيوم على الغالبية العظمى من المعادن والسبائك. في بعض الأحيان (خاصة في الأدب الشعبي) يسمى التيتانيوم المعدن الأبدي. لكن أولاً ، دعنا نتحدث عن تاريخ هذا العنصر.

مؤكسد أم لا يتأكسد؟

حتى عام 1795 ، كان العنصر رقم 22 يسمى "ميناكين". أطلق عليه الكيميائي وعالم المعادن الإنجليزي ويليام جريجور هذا الاسم في عام 1791 ، والذي اكتشف عنصرًا جديدًا في معدن الميناكانيت (لا تبحث عن هذا الاسم في الكتب المرجعية المعدنية الحديثة - تمت إعادة تسمية الميناكانيت أيضًا ، والآن يطلق عليه اسم ilmenite).

بعد أربع سنوات من اكتشاف جريجور ، اكتشف الكيميائي الألماني مارتن كلابروث عنصرًا كيميائيًا جديدًا في معدن آخر - الروتيل - وأطلق عليه اسم التيتانيوم تكريماً لملكة العفريت تيتانيا (الأساطير الجرمانية).

وفقًا لإصدار آخر ، يأتي اسم العنصر من جبابرة ، الأبناء الأقوياء لإلهة الأرض - غايا (الأساطير اليونانية).

في عام 1797 ، اتضح أن جريجور وكلابروث اكتشفوا نفس العنصر ، وعلى الرغم من أن غريغور قد فعل ذلك في وقت سابق ، إلا أن الاسم الذي أطلقه عليه كلابروث تم تحديده للعنصر الجديد.

لكن لم ينجح جريجور ولا كلابروث في الحصول على العنصر التيتانيوم. المسحوق البلوري الأبيض الذي تم عزله كان عبارة عن ثاني أكسيد التيتانيوم TiO2. لفترة طويلة لم ينجح أي من الكيميائيين في تقليل هذا الأكسيد ، وعزل المعدن النقي عنه.

في عام 1823 ، ذكر العالم الإنجليزي دبليو ولاستون أن البلورات التي اكتشفها في الخبث المعدني لنبات Merthyr Tydville لم تكن سوى تيتانيوم نقي. وبعد 33 عامًا ، أثبت الكيميائي الألماني الشهير F. Wöhler أن هذه البلورات كانت مرة أخرى عبارة عن مركب تيتانيوم ، وهذه المرة كربوني شبيه بالمعادن.

لسنوات عديدة كان يعتقد أن المعدن تم الحصول على التيتانيوم لأول مرة بواسطة Berzelius في عام 1825.في الحد من فلوروتيتات البوتاسيوم بمعدن الصوديوم. ومع ذلك ، اليوم ، بمقارنة خصائص التيتانيوم والمنتج الذي حصل عليه Berzelius ، يمكن القول أن رئيس الأكاديمية السويدية للعلوم كان مخطئًا ، لأن التيتانوم النقي يذوب بسرعة في حمض الهيدروفلوريك (على عكس العديد من الأحماض الأخرى) ، و Berzelius ' قاوم التيتانيوم المعدني بنجاح عمله.

في الواقع ، تم الحصول على Ti لأول مرة فقط في عام 1875 من قبل العالم الروسي دي كي كيريلوف. تم نشر نتائج هذا العمل في كتيب البحث عن التيتانيوم. لكن عمل عالم روسي غير معروف ذهب دون أن يلاحظه أحد. بعد 12 عامًا أخرى ، تم الحصول على منتج نقي إلى حد ما - حوالي 95 ٪ من التيتانيوم - من قبل مواطني Berzelius ، الكيميائيين المشهورين L.

في عام 1895 ، قام الكيميائي الفرنسي أ.مويسان بتقليل ثاني أكسيد التيتانيوم بالكربون في فرن القوس وتعريض المادة الناتجة لمضاعفة التكرير ، وحصل على التيتانيوم الذي يحتوي على 2 ٪ فقط من الشوائب ، وخاصة الكربون. أخيرًا ، في عام 1910 ، تمكن الكيميائي الأمريكي M. Hunter ، بعد أن قام بتحسين طريقة Nilsson و Peterson ، بالحصول على عدة جرامات من التيتانيوم بدرجة نقاء تبلغ حوالي 99٪. هذا هو السبب في أن أولوية الحصول على التيتانيوم المعدني في معظم الكتب تُعزى إلى هانتر ، وليس إلى كيريلوف أو نيلسون أو مويسان.

ومع ذلك ، لم يتوقع هانتر ولا معاصروه مستقبلًا عظيمًا للعملاق. تم احتواء بضعة أعشار في المائة فقط من الشوائب في المعدن ، لكن هذه الشوائب جعلت التيتانيوم هشًا وهشًا وغير مناسب للمعالجة الآلية. لذلك ، وجدت بعض مركبات التيتانيوم تطبيقًا في وقت أبكر من المعدن نفسه. على سبيل المثال ، تم استخدام رباعي كلوريد Ti على نطاق واسع في الحرب العالمية الأولى لإنشاء شاشات دخان.

رقم 22 في الطب

في عام 1908 ، في الولايات المتحدة والنرويج ، لم يبدأ إنتاج الأبيض من مركبات الرصاص والزنك ، كما كان الحال من قبل ، ولكن من ثاني أكسيد التيتانيوم. يمكن أن يؤدي هذا التبييض إلى طلاء سطح أكبر عدة مرات من نفس كمية تبييض الرصاص أو الزنك. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي التيتانيوم الأبيض على مزيد من الانعكاسية ، فهو ليس سامًا ولا يغمق تحت تأثير كبريتيد الهيدروجين. في الأدبيات الطبية ، يتم وصف حالة عندما "تناول" شخص ما 460 جم ​​من ثاني أكسيد التيتانيوم في المرة الواحدة! (أتساءل ما الذي أربكها؟) لم يشعر "عاشق" ثاني أكسيد التيتانيوم بأي إحساس مؤلم. TiO2 هو جزء من بعض الأدوية ، وخاصة المراهم ضد الأمراض الجلدية.

ومع ذلك ، ليس الدواء ، ولكن صناعة الطلاء والورنيش تستهلك أكبر كميات من TiO2. لقد تجاوز الإنتاج العالمي لهذا المركب بكثير نصف مليون طن سنويًا. تستخدم المينا القائمة على ثاني أكسيد التيتانيوم على نطاق واسع كطلاءات واقية وزخرفية للمعادن والخشب في بناء السفن والبناء والهندسة الميكانيكية. في نفس الوقت ، يتم زيادة عمر خدمة الهياكل والأجزاء بشكل كبير. يستخدم التيتانيوم الأبيض لصبغ الأقمشة والجلود وغيرها من المواد.

Ti في الصناعة

ثاني أكسيد التيتانيوم هو أحد مكونات كتل الخزف ، والزجاج المقاوم للحرارة ، والمواد الخزفية ذات ثابت العزل الكهربائي العالي. كمواد مالئة تزيد من القوة ومقاومة الحرارة ، يتم إدخالها في مركبات المطاط. ومع ذلك ، فإن جميع مزايا مركبات التيتانيوم تبدو غير مهمة على خلفية الخصائص الفريدة للتيتانيوم المعدني النقي.

عنصر التيتانيوم

في عام 1925 ، حصل العالمان الهولنديان فان آركيل ودي بوير على تيتانيوم عالي النقاء - 99.9٪ باستخدام طريقة اليوديد (المزيد حول ذلك أدناه). على عكس التيتانيوم الذي حصلت عليه Hunter ، فقد كان يتمتع بمرونة: يمكن تشكيله في البرد ، ولفه في صفائح ، وشريط ، وأسلاك ، وحتى أنحف رقائق. لكن حتى هذا ليس هو الشيء الرئيسي. أدت الدراسات التي أجريت على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتيتانيوم المعدني إلى نتائج رائعة تقريبًا. اتضح ، على سبيل المثال ، أن التيتانيوم ، الذي يبلغ ضعف خفة الحديد تقريبًا (كثافة التيتانيوم 4.5 جم / سم 3) ، يفوق العديد من الفولاذ في القوة. تحولت المقارنة مع الألمنيوم أيضًا لصالح التيتانيوم: التيتانيوم أثقل مرة ونصف فقط من الألمنيوم ، لكنه أقوى بست مرات ، والأهم من ذلك أنه يحتفظ بقوته عند درجات حرارة تصل إلى 500 درجة مئوية (ومع الإضافة) من عناصر السبائك - حتى 650 درجة مئوية) ، في حين أن قوة سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم تنخفض بشكل حاد بالفعل عند 300 درجة مئوية.

يتمتع التيتانيوم أيضًا بصلابة كبيرة: فهو أقوى 12 مرة من الألمنيوم ، وأصلب 4 مرات من الحديد والنحاس. من الخصائص المهمة الأخرى للمعدن مقاومة الخضوع. كلما كانت أعلى ، كلما كانت تفاصيل هذا المعدن تقاوم الأحمال التشغيلية بشكل أفضل ، كلما احتفظت بشكلها وحجمها لفترة أطول. إن مقاومة الخضوع للتيتانيوم تزيد بنحو 18 مرة عن مقاومة الألمنيوم.

على عكس معظم المعادن ، يتمتع التيتانيوم بمقاومة كهربائية كبيرة: إذا تم أخذ الموصلية الكهربائية للفضة على أنها 100 ، فإن الموصلية الكهربائية للنحاس هي 94 ، والألمنيوم 60 ، والحديد والبلاتين 15 ، والتيتانيوم 3.8 فقط. لا يكاد يكون من الضروري شرح أن هذه الخاصية ، مثل الطبيعة غير المغناطيسية للتيتانيوم ، تهم الإلكترونيات الراديوية والهندسة الكهربائية.

مقاومة ملحوظة للتيتانيوم ضد التآكل. على صفيحة مصنوعة من هذا المعدن لمدة 10 سنوات من وجودها في مياه البحر ، لم تكن هناك علامات تآكل. الدوارات الرئيسية لطائرات الهليكوبتر الثقيلة الحديثة مصنوعة من سبائك التيتانيوم. الدفة والجنيحات وبعض الأجزاء المهمة الأخرى للطائرات الأسرع من الصوت مصنوعة أيضًا من هذه السبائك. في العديد من الصناعات الكيميائية اليوم ، يمكنك العثور على أجهزة وأعمدة كاملة مصنوعة من التيتانيوم.

كيف يتم الحصول على التيتانيوم؟

السعر - هذا ما يؤدي أيضًا إلى إبطاء إنتاج واستهلاك التيتانيوم. في الواقع ، التكلفة العالية ليست عيبًا خلقيًا في التيتانيوم. يوجد الكثير منه في القشرة الأرضية - 0.63٪. يرجع استمرار ارتفاع أسعار التيتانيوم إلى صعوبة استخراجه من الخامات. يفسره التقارب العالي للتيتانيوم للعديد من العناصر وقوة الروابط الكيميائية في مركباته الطبيعية. ومن هنا تعقيد التكنولوجيا. هكذا تبدو طريقة المغنيسيوم الحرارية لإنتاج التيتانيوم ، التي طورها العالم الأمريكي في. كرول عام 1940.

يتحول ثاني أكسيد التيتانيوم مع الكلور (بوجود الكربون) إلى رباعي كلوريد التيتانيوم:

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2.

تتم العملية في أفران كهربائية عمودية عند 800-1250 درجة مئوية. خيار آخر هو الكلورة في ذوبان أملاح الفلزات القلوية NaCl و KCl. يتم تنفيذ العملية التالية (بنفس الأهمية وتستغرق وقتًا طويلاً) - تنظيف TiCl4 من الشوائب - بطرق ومواد مختلفة. رباعي كلوريد التيتانيوم في الظروف العادية عبارة عن سائل تبلغ درجة غليانه 136 درجة مئوية.

من الأسهل كسر رابطة التيتانيوم بالكلور مقارنة بالأكسجين. يمكن القيام بذلك مع المغنيسيوم عن طريق التفاعل

TiCl 4 + 2Mg → T + 2MgCl 2.

يحدث هذا التفاعل في مفاعلات الصلب عند 900 درجة مئوية. والنتيجة هي ما يسمى بإسفنجة تيتانيوم مشربة بكلوريد المغنيسيوم والمغنيسيوم. يتم تبخيرها في جهاز تفريغ مغلق عند درجة حرارة 950 درجة مئوية ، ثم يتم تلبيد إسفنجة التيتانيوم أو صهرها في معدن مضغوط.

الطريقة الحرارية للصوديوم للحصول على التيتانيوم المعدني ، من حيث المبدأ ، لا تختلف كثيرًا عن طريقة المغنيسيوم الحرارية. هاتان الطريقتان هما الأكثر استخدامًا في الصناعة. للحصول على تيتانيوم أنقى ، لا تزال طريقة اليوديد التي اقترحها فان آركيل ودي بوير مستخدمة. يتم تحويل إسفنجة التيتانيوم المعدنية الحرارية إلى يوديد TiI 4 ، والتي يتم تساميها بعد ذلك في وسط مفرغ. في طريقهم ، يصادف بخار يوديد titap سلك تيتانيوم مسخن إلى 1400 درجة مئوية. في هذه الحالة ، يتحلل اليوديد وتنمو طبقة من التيتانيوم النقي على السلك. هذه الطريقة في إنتاج التيتانيوم غير فعالة ومكلفة ؛ لذلك ، يتم استخدامها في الصناعة إلى حد محدود للغاية.

على الرغم من كثافة اليد العاملة والطاقة لإنتاج التيتانيوم ، فقد أصبح بالفعل أحد أهم القطاعات الفرعية للتعدين غير الحديدية. يتطور إنتاج التيتانيوم العالمي بوتيرة سريعة جدًا. يمكن الحكم على هذا حتى من خلال المعلومات المجزأة التي يتم نشرها.

من المعروف أنه في عام 1948 تم صهر 2 طن فقط من التيتانيوم في العالم ، وبعد 9 سنوات - بالفعل 20 ألف طن.هذا يعني أنه في عام 1957 ، استهلك 20 ألف طن من التيتانيوم في جميع البلدان ، وفي عام 1980 فقط استهلكت الولايات المتحدة الأمريكية. 24.4 ألف طن من التيتانيوم ... في الآونة الأخيرة ، على ما يبدو ، كان التيتانيوم يسمى معدنًا نادرًا - وهو الآن أهم مادة هيكلية. وهذا ما يفسره شيء واحد فقط: مزيج نادر من الخصائص المفيدة للعنصر رقم 22. وبالطبع احتياجات التكنولوجيا.

يتزايد بسرعة دور التيتانيوم كمادة هيكلية ، وأساس السبائك عالية القوة للطيران ، وبناء السفن ، والصواريخ. في السبائك يذهب معظم التيتانيوم المصهور في العالم. سبيكة معروفة على نطاق واسع في صناعة الطيران ، تتكون من 90٪ تيتانيوم و 6٪ ألومنيوم و 4٪ فاناديوم. في عام 1976 ، ذكرت الصحافة الأمريكية عن سبيكة جديدة لنفس الغرض: 85٪ تيتانيوم ، 10٪ فاناديوم ، 3٪ ألمنيوم و 2٪ حديد. يُزعم أن هذه السبيكة ليست أفضل فحسب ، ولكنها أيضًا أكثر اقتصادا.

بشكل عام ، تشتمل سبائك التيتانيوم على الكثير من العناصر ، حتى البلاتين والبلاديوم. هذا الأخير (بنسبة 0.1-0.2 ٪) يزيد من المقاومة الكيميائية العالية بالفعل لسبائك التيتانيوم.

تزداد قوة التيتانيوم أيضًا عن طريق "إضافات صناعة السبائك" مثل النيتروجين والأكسجين. لكن مع القوة ، تزيد من صلابة التيتانيوم ، والأهم من ذلك ، هشاشة التيتانيوم ، لذلك يتم تنظيم محتواها بشكل صارم: لا يُسمح بأكثر من 0.15٪ أكسجين و 0.05٪ نيتروجين في السبيكة.

على الرغم من حقيقة أن التيتانيوم باهظ الثمن ، إلا أن استبداله بمواد أرخص في كثير من الحالات يكون مجديًا اقتصاديًا. هنا هو مثال نموذجي. حالة الجهاز الكيميائي المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ تكلف 150 روبل ، وسبائك التيتانيوم - 600 روبل. لكن في الوقت نفسه ، يخدم مفاعل الصلب 6 أشهر فقط ، ومفاعل التيتانيوم - 10 سنوات. أضف تكلفة استبدال المفاعلات الفولاذية ، ووقت التعطل القسري للمعدات - ويصبح من الواضح أن استخدام التيتانيوم باهظ الثمن يمكن أن يكون أكثر ربحية من الفولاذ.

تستخدم كميات كبيرة من التيتانيوم في علم المعادن. هناك المئات من درجات الفولاذ والسبائك الأخرى التي تحتوي على التيتانيوم كإضافة في صناعة السبائك. يتم تقديمه لتحسين هيكل المعادن ، وزيادة القوة ومقاومة التآكل.

يجب أن تحدث بعض التفاعلات النووية في فراغ شبه مطلق. مع مضخات الزئبق ، يمكن أن تصل الخلخلة إلى عدة أجزاء من المليار من الغلاف الجوي. لكن هذا لا يكفي ، ومضخات الزئبق غير قادرة على المزيد. يتم ضخ المزيد من الهواء بواسطة مضخات تيتانيوم خاصة. بالإضافة إلى ذلك ، لتحقيق مزيد من الندرة ، يتم رش التيتانيوم الناعم على السطح الداخلي للغرفة حيث تحدث التفاعلات.

غالبًا ما يطلق على التيتانيوم معدن المستقبل. الحقائق التي يمتلكها العلم والتكنولوجيا بالفعل تحت تصرفهم تقنعنا بأن هذا ليس صحيحًا تمامًا - فقد أصبح التيتانيوم بالفعل معدن الحاضر.

البيروفسكايت والسفين. الإلمنيت - ميتاتيتات الحديد FeTiO 3 - يحتوي على 52.65٪ TiO2. يرجع اسم هذا المعدن إلى حقيقة أنه تم العثور عليه في جبال الأورال في جبال إلمنسكي. تم العثور على أكبر الغرينيات من رمال الإلمنيت في الهند. معدن آخر مهم ، الروتيل ، هو ثاني أكسيد التيتانيوم. تيتانومنتيت هي أيضًا ذات أهمية صناعية - مزيج طبيعي من الإلمنيت مع معادن الحديد. توجد رواسب غنية من خامات التيتانيوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية والهند والنرويج وكندا وأستراليا ودول أخرى. منذ وقت ليس ببعيد ، اكتشف الجيولوجيون معدنًا جديدًا يحتوي على التيتانيوم في منطقة بايكال الشمالية ، والذي أطلق عليه اسم لانداويت تكريماً للفيزيائي السوفيتي الأكاديمي إل دي لانداو. في المجموع ، أكثر من 150 رواسب خام وغرينية كبيرة معروفة في العالم.