كل شيء عن معدن التيتانيوم

يعتبر التيتانيوم معدنًا لا يقدر بثمن في الهندسة والتكنولوجيا المعاصرة. في ظل مميزاتها المميزة, مثل قدرته على تقديم قوة عالية, كثافة منخفضة, ومقاومة ممتازة للتآكل, فهي مادة حيوية لمختلف الصناعات. كل شيء من أجنحة الطائرة إلى بدائل الورك, يستخدم التيتانيوم في أجزاء مختلفة من العديد من الأشياء التي تشكل حياتنا اليومية. تتراوح استخدامات التيتانيوم بين جعل الطائرات تدوم لفترة أطول, لتحسين أداء المعدات الرياضية أو تقوية المعدات الطبية الداعمة للحياة. في هذه المقالة, سوف نفهم لماذا أصبح التيتانيوم بالغ الأهمية. النظر في خصائصه, الاستخدامات, طرق الإنتاج, والدرجات الأكثر استخدامًا في السوق حاليًا.

ما هو التيتانيوم?

صفائح معدنية من التيتانيوم

التيتانيوم(سبيكة غير مغناطيسية) جامدة للغاية, عديم الوزن, ولا تتآكل بسهولة. لكن, إنها أغلى نسبيًا من الألومنيوم, و فُولاَذ. في الجدول الدوري, ينتمي التيتانيوم إلى المجموعة 4 والفترة 5 من العناصر التي لها عدد ذري 22 والرمز "Ti". يتمتع معدن التيتانيوم بسطح لامع يمكن أن يكون باللون الرمادي أو الأبيض. يمكن تلوين التيتانيوم بظلال مختلفة من خلال عملية تعرف باسم الأنودة. المبدأ الأساسي يتم عن طريق تغيير الجهد.

علاوة على ذلك, من المهم أن تعرف أن التيتانيوم هو تاسع أكثر المعادن وفرة على وجه الأرض. وهو قابل للذوبان في الصخور, المعادن, فخار, والرمل. لكن, فهو غير موجود في حالته الأصلية في الطبيعة. بدلاً, يتحد التيتانيوم مع الأكسجين لحماية المكونات من خلال توفير طبقة واقية من ثاني أكسيد التيتانيوم (تيو₂).

في المقام الأول, غالبًا ما يتم العثور على التيتانيوم في أشكاله الخام. لذا, يمكن استخراج التيتانيوم النقي من معدنين: الروتيل, وهو مظلم وشبيه بالكريستال, والإلمينيت, وهو أسود اللون رمادي. فضلاً عن ذلك, هناك المزيد من المعادن لإنتاج التيتانيوم بما في ذلك الأناتاس, البيروفسكايت, بروكيت, والتيتانيت.

كما ذكر من قبل, التيتانيوم أغلى / أغلى من الفولاذ أو الألومنيوم, وعلى الرغم من هذا, وعادة ما يجد استخدامه على نطاق واسع في العديد من التطبيقات. التيتانيوم النقي تجاريًا متاح تقريبًا $18 و $20 لكل كيلوغرام. عادة, سبائك التيتانيوم تكلف أكثر. يمكن أن تتراوح هذه التكاليف من 70 ل 80 دولار أمريكي/كتلة كيلوغرام.

الخصائص الرئيسية للتيتانيوم

وتنقسم خصائص التيتانيوم إلى كيميائية, بدني, والفئات الميكانيكية, تسليط الضوء على خصائصه الفريدة لمختلف التطبيقات.

طاولة: بدني, كيميائي & الخواص الميكانيكية للتيتانيوم.

الخصائص الفيزيائية	الخواص الكيميائية	الخواص الميكانيكية
كثافة: 4.54 جم/سم3	محتوى الكربون: ≥ 0.08%	قوة الشد: 200-1,400 MPa
نقطة الانصهار: 1,668درجة مئوية	محتوى الحديد: ≥ 0.5%	قوة العائد: 200-1,200 MPa
التوصيل الكهربائي: 2.38 × 10^6 ثانية/م	محتوى الأكسجين: ≥ 0.25%	صلابة (برينل): 150-400 غ.ب
توصيل حراري: 21.9 ث / م · ك	محتوى النيتروجين: ≥ 0.03%	استطالة (ليونة): 10-30%
الخصائص المغناطيسية: غير مغناطيسية	محتوى الهيدروجين: ≥ 0.015%	معامل المرونة: 105-120 المعدل التراكمي

كيف يتم صناعة التيتانيوم?

يتضمن إنتاج التيتانيوم عدة خطوات رئيسية: دعونا نصف عملية إنتاج التيتانيوم بالطريقة التالية أدناه:

• استخراج خام التيتانيوم: من بين جميع خامات التيتانيوم، النوعان الأكثر استخدامًا هما الإلمنيت (FeTiO₃) والروتيل (تيو₂). يتم استخراج الخامات التالية ومعالجتها بهدف الحصول على ثاني أكسيد التيتانيوم.
• التحويل إلى رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl₄): تتضمن الخطوات الرئيسية في تصنيع مركبات التيتانيوم كلورة ثاني أكسيد التيتانيوم. إضافي, لقد تحول إلى رابع كلوريد التيتانيوم. تتضمن العملية المعنية استخدام ثاني أكسيد التيتانيوم وغاز الكلور ويتم معالجتهما بالحرارة.
• تخفيض إلى معدن التيتانيوم: يتم بعد ذلك اختزال رابع كلوريد التيتانيوم إلى معدن التيتانيوم باستخدام كرول, وعمليات هنتر. في هذه العمليات, يتم تصنيع رابع كلوريد التيتانيوم للتفاعل مع المغنيسيوم عند درجات حرارة عالية لإنتاج كلوريد التيتانيوم والمغنيسيوم (ملغكل).
• تنقية وسبائك: يتذكر, أن مادة معدن التيتانيوم نقية ويجب خلطها مع مكونات أخرى للحصول على الخصائص المطلوبة. بعض مكونات صناعة السبائك المستخدمة على نطاق واسع هي الألومنيوم, الفاناديوم, والموليبدينوم.
• المعالجة والتصنيع: تتضمن هذه النماذج نماذج الأوراق, أشكال قضيب, وأشكال الأنبوب من بين أشكال أخرى حسب متطلبات المستخدمين. إضافي, يتم أخذها من خلال عمليات مختلفة لإنتاج المنتجات النهائية باستخدام الخراطة, لحام, والصب من بين أمور أخرى.

درجات التيتانيوم المستخدمة عادة في تصنيع قطع الغيار

يتوفر التيتانيوم بدرجات مختلفة اعتمادًا على التطبيق المقصود ومواصفات المادة. يتم تصنيف هذه الدرجات عادةً اعتمادًا على التركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية. الدرجات المشتركة من التيتانيوم هي كما يلي:

1. درجة 1

وصف: المعروف باسم التيتانيوم التجاري, فهو يتمتع بأعلى ليونة وأقل قوة بين جميع درجات التيتانيوم.

التركيب الكيميائي: 99.5% التيتانيوم.

الخواص الميكانيكية:

• قوة الشد:240ميجا باسكال أو 35 ksi
• قوة العائد: 170 MPa (25 ksi)
• استطالة:24%

2. درجة 2

وصف: يتميز هذا الصف بالقوة الجيدة والليونة الجيدة.

التركيب الكيميائي: تقريبًا 98.9 مركب التيتانيوم في المئة, والباقي حديد وأكسجين.

الخواص الميكانيكية:

• قوة الشد:350 MPa (50 ksi).
• قوة العائد: قوة الشد تصل إلى 275 MPa (40 ksi).
• استطالة: 20%

3. درجة 3

وصف: الدرجة المقصودة أقوى من الدرجات 1 و 2 ولكن لديها ليونة أقل مقارنة بالدرجتين.

التركيب الكيميائي: حول 97.5% التيتانيوم مع الحديد والأكسجين كعناصر صناعة السبائك الرئيسية.

الخواص الميكانيكية:

• قوة الشد: قوة الخضوع للمادة هي 450 MPa (65 ksi).
• قوة العائد: عادة, كثافة المادة هي 380 MPa (55 ksi).
• استطالة: 15%

4. درجة 4

وصف: درجة 4, لديه قوة عالية ليونة معتدلة نسبيا, عادة, يتم تطبيقه حيثما تكون القوة العالية مطلوبة.

التركيب الكيميائي: لديها حوالي 90% التيتانيوم وآثار عناصر مثل الحديد, الأكسجين, وغيرها.

الخواص الميكانيكية:

• قوة الشد: 550 MPa (80 ksi).
• قوة العائد:480 MPa (70 ksi)
• استطالة: 10%

5. درجة 5 (تي-6Al-4V)

وصف: الأكثر شعبية بين جميع سبائك التيتانيوم بسبب قوتها العالية وقابلية اللحام الجيدة. درجة 5 يحتوي على الألومنيوم والفاناديوم كمكونات لصناعة السبائك. نسبياً, المستخدمة في تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع النماذج الأولية.

التركيب الكيميائي: أنه يحتوي على 90% من التيتانيوم, 6% من الألومنيوم, و 4% من الفاناديوم.

الخواص الميكانيكية:

• قوة الشد: 900 MPa (130 ksi).
• قوة العائد: 830 MPa (120 ksi)
• استطالة: 14%

6. درجة 7

وصف: درجة 7 وقد عززت خصائص التآكل التي أصبحت ممكنة من خلال دمج البلاديوم. وعادة ما تقع بين بيتا الدرجات.

التركيب الكيميائي: عن 90 في المئة من التيتانيوم مع كمية صغيرة من البلاديوم.

الخواص الميكانيكية:

• قوة الشد: قوة الخضوع للمادة هي 370 ميجا باسكال أو 54 ksi.
• قوة العائد: عادة, 275 MPa (40 ksi).
• استطالة: 20%

7. درجة 9 (Ti-3Al-2. 5الخامس)

وصف: درجة خفيفة الوزن ذات قوة أعلى وخصائص تعب أفضل, المستخدمة في الفضاء والمعدات الرياضية.

التركيب الكيميائي: 90% التيتانيوم, 3% الألومنيوم, 2.5% الفاناديوم.

الخواص الميكانيكية:

• قوة الشد:620 ميجا باسكال أو 90 ksi
• قوة العائد: الخصائص المادية للفولاذ المستخدم في بناء المنصة البحرية هي 480 MPa (70 ksi) قوة الشد.
• استطالة:15%

8. درجة 23 (Ti-6Al-4V ELI)

وصف: هذا هو البديل الخلالي المنخفض من الدرجة 5, والذي عادة ما يحسن صلابة الكسر. تستخدم عادة في الغرسات الطبية.

التركيب الكيميائي: 90% التيتانيوم, 6% الألومنيوم, 4% الفاناديوم مع كمية أقل من محتوى الأكسجين.

الخواص الميكانيكية:

• قوة الشد:860 MPa (125 ksi)
• قوة العائد:795 MPa (115 ksi).
• استطالة:14%

تتميز درجات التيتانيوم المختلفة بميزات فريدة تجعلها مناسبة للعديد من الاستخدامات في مجالات مثل الفضاء الجوي, طبي, والاستخدامات الصناعية.

عمليات التصنيع للتيتانيوم

تصنيع التيتانيوم

من الصعب بعض الشيء العمل مع التيتانيوم. لأنها جامدة وقوية للغاية. لذا, تتطلب خصائص المواد عمليات محددة ليتم تنفيذها. بعض العمليات الشائعة المستخدمة في التصنيع هي تحول باستخدام الحاسب الآلي, طحن, حفر, و التنصت. يتم عادةً تصنيع سبائك التيتانيوم بسرعات منخفضة لتقليل الحرارة وتآكل القاطع. يتم استخدام أدوات القطع الكربيدية لأنها أكثر حماية للتيتانيوم من التآكل. في العمل بدقة عالية, يمكن أن تكون التفاوتات ضيقة مثل ±0.005″. علاوة على ذلك, ويمكن أيضًا تنفيذ بعض التقنيات الأخرى بما في ذلك معالجة التفريغ الكهربائي (موسيقى الرقص الإلكترونية), والقطع بالليزر للأشكال الهندسية والمناطق التي يصعب تشكيلها بالوسائل التقليدية.

تطبيقات صناعة التيتانيوم

دعونا نتعرف على التطبيقات الشائعة للتيتانيوم عبر عدة قطاعات:

صناعة الطيران

قطاعات الطيران هي المستهلكين الأثقل للتيتانيوم. عادة ما يتم استخدام التيتانيوم وسبائكه في أجزاء من الطائرات بما في ذلك أجزاء المحرك النفاث, معدات الهبوط, هياكل هيكل الطائرة, وأنظمة العادم. تعتبر هذه المواد مناسبة بشكل خاص لهذه المناطق ذات الضغط العالي نظرًا لنسبة قوتها إلى وزنها العالية وقدراتها على مقاومة التآكل.

الصناعة الطبية

في الصناعة الطبية, يتم استخدام التيتانيوم في تصنيع الأجهزة الجراحية, والأسنان, والمعدات الاصطناعية. وهذا يجعلها متوافقة مع الأنسجة البشرية بحيث لا تسبب أي ردود فعل سلبية عند زرعها.

صناعة السيارات

صناعة السيارات هي واحدة من أكبر المستهلكين للتيتانيوم. يساعد التيتانيوم في تصنيع منتجات مثل سيارات السباق والسيارات الفاخرة الراقية. يتم استخدامها في تصنيع أنظمة العادم, أجزاء الصمام, وأنظمة التعليق التي تسهل خفة الوزن والقوة العالية للمركبات.

صناعة المعالجة الكيميائية

كما نوقش في وقت سابق, لا تتآكل مادة التيتانيوم بسهولة بسبب البيئة. لذا, يمكن استخدامه في صناعة صمامات المضخة, المبادلات الحرارية, وأنظمة الأنابيب للمصانع الكيماوية. إضافي, لقد أضافت فائدة القدرة على التعامل مع المواد الكيميائية شديدة العدوانية وبالتالي, يزيد من العمر الافتراضي للمعدات.

الصناعة البحرية

يتمتع التيتانيوم بخصائص مقاومة عالية للتآكل. لذا, يتم استخدامه على نطاق واسع في تصنيع مكونات السفينة وملحقاتها مثل أعمدة المروحة, تجهيزات بدن, وأنظمة مياه البحر, ويوفر متانة عالية وصيانة منخفضة في البيئات البحرية.

خاتمة

في الختام, بسبب الخصائص المميزة لمادة التيتانيوم, من الممكن تصنيعه بالتسامح المطلوب. ويمكن تطبيق درجاتها المتنوعة في الفضاء الجوي, طبي, والمجالات الصناعية. لكن, التيتانيوم لديه قابلية تصنيع ضعيفة, يمكن تشكيله بدقة كبيرة إذا تم استخدام الأدوات والتقنيات المناسبة أثناء العملية. وهذا يجعل التيتانيوم ذا قيمة في أي تطبيق حيث تكون القوة والدقة أمرًا بالغ الأهمية.

الأسئلة الشائعة

س1. ما هي الفئات الرئيسية لسبائك التيتانيوم?

يتم تصنيف سبائك التيتانيوم إلى ثلاثة أنواع رئيسية: والتي تشمل سبائك ألفا, سبائك بيتا, وسبائك ألفا بيتا. سبائك ألفا هي تلك التي تمتلك قوة عالية ودرجة مقبولة من الليونة. توفر سبائك بيتا خصائص ميكانيكية محسنة, قوة متقدمة, وتعزيز إمكانية التشغيل الآلي. تحتوي سبائك ألفا بيتا على مرحلتي ألفا وبيتا وبالتالي يتم عرض الخصائص المرتبطة بكلا المرحلتين.

Q2. كيف يقف التيتانيوم مع المعادن الأخرى من حيث التآكل?

يحتوي التيتانيوم على طبقة أكسيد طبيعية تجعله مقاومًا للصدأ والتآكل; لذلك, يمكن استخدامه في مياه البحر, حامض, وغيرها من البيئات المسببة للتآكل.

س3. لماذا يستخدم التيتانيوم في تطبيقات الفضاء؟?

مادة التيتانيوم خفيفة الوزن للغاية, لكنها قوية جدًا, مما يجعلها مثالية للاستخدامات الفضائية. إنه يوفر قوة عالية, ولكن الأمر يتعلق 50% أخف من الفولاذ. لذلك, فهو يحسن بشكل كبير كفاءة استهلاك الوقود والأداء في مكونات الطائرات والمركبات الفضائية.

س 4. ما الذي يجعل التيتانيوم متوافقًا حيويًا؟?

لا يثير التيتانيوم أي استجابة سلبية عند استخدامه في جسم الإنسان. بعد كل شيء, يمكن أن ترتبط بسهولة بالأنسجة البشرية. بسبب سطحه غير الملتصق وغير النشط كيميائيا, ولا يسبب التهابات عند استخدامه في الغرسات الجراحية والأطراف الصناعية.

س5. كيف يتم تشكيل وتصنيع التيتانيوم?

التيتانيوم مثل العديد من المعادن الأخرى. ويمكن تشكيله بالطرق التقليدية. لكنه معدن صعب وقوي للغاية, وبالتالي تحتاج إلى أدوات وأساليب تصنيع متخصصة. وتشمل هذه الآلات عالية السرعة, الطحن الدقيق وكذلك تصنيع التفريغ الكهربائي (موسيقى الرقص الإلكترونية). العمليات الأخرى المشاركة في التصنيع قد تكون اللحام, صب, تزوير, ونحو ذلك حسب الحاجة.