تیتانیم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
اسکاندیمتیتانیموانادیم
-

Ti

Zr
ظاهر
نقرهy grey-white metallic
ویژگی‌های کلی
نام، نماد، عدد تیتانیم، Ti، 22
تلفظ به انگلیسی ‎/tˈtniəm/‎
tye-TAY-nee-əm
نام گروهی برای عناصر مشابه فلزات واسطه
گروه، دوره، بلوک ۴۴, d
جرم اتمی استاندارد 47.867 g·mol−۱
آرایش الکترونی [Ar] 3d2 4s2
الکترون به لایه 2, 8, 10, 2
ویژگی‌های فیزیکی
حالت جامد
چگالی (نزدیک به دمای اتاق) 4.506 g·cm−۳
چگالی مایع در نقطه ذوب 4.11 g·cm−۳
نقطه ذوب 1941 K, 1668 °C, 3034 °F
نقطه جوش 3560 K, 3287 °C, 5949 °F
گرمای هم‌جوشی 14.15 kJ·mol−1
گرمای تبخیر 425 kJ·mol−1
ظرفیت گرمایی 25.060 J·mol−۱·K−۱
فشار بخار
فشار (پاسکال) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱k ۱۰k ۱۰۰k
دما (کلوین) 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
ویژگی‌های اتمی
وضعیت اکسید شدن 4, 3, 2, 1[۱]
(آمفوتر oxide)
الکترونگاتیوی 1.54 (مقیاس پاولینگ)
انرژی‌های یونش
(more)
نخستین: 658.8 kJ·mol−1
دومین: 1309.8 kJ·mol−1
سومین: 2652.5 kJ·mol−1
شعاع اتمی 147 pm
شعاع کووالانسی 160±8 pm
متفرقه
ساختار کریستالی hexagonal
مغناطیس پارامغناطیس
مقاومت الکتریکی (20 °C) 420 nΩ·m
رسانایی گرمایی (300 K) 21.9 W·m−1·K−1
انبساط گرمایی (25 °C) 8.6 µm·m−1·K−1
سرعت صوت (سیم نازک) (دمای اتاق) 5,090 m·s−1
مدول یانگ 116 GPa
مدول برشی 44 GPa
مدول حجمی 110 GPa
نسبت پواسون 0.32
سختی موس 6.0
سختی ویکر 970 MPa
سختی برینل 716 MPa
عدد کاس 7440-32-6
پایدارترین ایزوتوپ‌ها
مقاله اصلی ایزوتوپ‌های تیتانیم
ایزوتوپ NA نیم‌عمر DM DE (MeV) DP
44Ti syn 63 y ε - 44Sc
γ 0.07D, 0.08D -
46Ti 8.0% 46Ti ایزوتوپ پایدار است که 24 نوترون دارد
47Ti 7.3% 47Ti ایزوتوپ پایدار است که 25 نوترون دارد
48Ti 73.8% 48Ti ایزوتوپ پایدار است که 26 نوترون دارد
49Ti 5.5% 49Ti ایزوتوپ پایدار است که 27 نوترون دارد
50Ti 5.4% 50Ti ایزوتوپ پایدار است که 28 نوترون دارد

تیتانیم یک عنصر شیمیایی با نماد Ti و عدد اتمی ۲۲ است. تیتانیم یک فلز واسطه ی براق نقره‌ای رنگ است، چگالی کم و مقاومت بالایی دارد. این فلز به شدت در برابر خوردگی در آب دریا، تیزآب سلطانی و کلر مقاوم است.

تیتانیم نخستین بار در کورنوال بریتانیا از سوی ویلیام گرگور در سال ۱۷۰۱ شناسایی شد؛ نام این عنصر از سوی مارتین هاینریش کلاپروت از روی تیتان از اساطیر یونان انتخاب شد. این عنصر در بسیاری کانی‌ها بویژه روتیل و ایلمنیت وجود دارد. این کانی‌ها در پوستهٔ زمین و سنگ کره پراکنده‌اند؛ علاوه بر این تیتانیم تقریباً در همهٔ موجودات زنده، سنگ‌ها، آب بدن و خاک‌ها حضور دارد.[۲] با کمک هر دو فرایند کرال[۳] و فرایند هانتر می‌توان تیتانیم را از سنگ معدنش بدست آورد. فراوان‌ترین ترکیب تیتانیم، دی اکسید تیتانیم است که یک فوتوکاتالیست معروف است و از آن در تولید رنگدانه‌های سفید استفاده می‌شود.[۴] از دیگر ترکیبات تیانیم می‌توان به تتراکلرید تیتانیم یا (‎TiCl۴ ‎) اشاره کرد که از آن در تولید مواد دودزا و فروکافت بهره برده می‌شود. همچنین کلرید تیتانیم (III) یا (‎TiCl۳‎) هم به عنوان فروکافت در تولید پلی‌پروپیلن مورد استفاده قرار می‌گیرد.[۲]

می‌توان تیتانیم را با آهن، آلومینیم، وانادیم و مولیبدن، آلیاژ کرد تا ماده‌ای سخت‌تر و سبک‌تر بدست آورد که در ساخت سامانه‌های هوایی مانند موتور جت، موشک و فضاپیما، کاربردهای نظامی و فرایندهای صنعتی (شیمیایی و شیمیایی-نفتی، کارخانه‌های نمک‌زدایی، کاغذ و ...) خودروسازی، کشاورزی و ساخت اندام‌های مصنوعی، درون‌کاشت‌های استخوانی، ابزارهای دندان پزشکی و ریشه درمانی، برسازی درون‌کاشت دندانی، کالاهای ورزشی، گوهرسازی، گوشی همراه و ... بکار برده شود.[۲]

مهم‌ترین ویژگی‌های این فلز عبارتند از: مقاومت در برابر خوردگی و داشتن بالاترین نسبت مقاومت به چگالی در برابر دیگر عناصر فلزی.[۵] تیتانیم در هنگامی که هنوز با فلز دیگری آلیاژ نشده، مقاومتی برابر با فولاد و چگالی کمتر از آن دارد.[۶] دو دگرشکلی[۷] و پنج ایزوتوپ طبیعی از ۴۶Ti تا ۵۰Ti برای این عنصر وجود دارد که ۴۸Ti با فراوانی طبیعی ۷۳٫۸٪ از سایرین فراوان‌تر است.[۸] با اینکه تیتانیم و زیرکونیم تعداد الکترون‌های ظرفیت برابر دارند و در یک گروه جدول تناوبی قرار دارند با این حال در بسیاری ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی متفاوت اند.

تیتانیوم عمده ترين مصرف تيتانيوم در صنايع به دو صورت فلزي و دي اكسيدتيتانيوم مي‌باشد. مصرف فلز آن به دليل مشكلات تهيه و خالص سازي آن مصرف چنداني ندارد، اما در عوض مصرف اكسيد آن بصورت TiO2 در صنعت كاربرد بسيار گسترده اي دارد؛ بطوريكه 90 درصد از صنايع اوليه، مصرف كننده اكسيد تيتانيوم مي‌باشد. امروزه فلز تيتانيوم بعنوان يك فلز استاتژيك در موتور و ساختمان داخلي هواپيما، تجهيزات حمل و نقل صنايع شيميايي، واحد هاي مولد برق، صنايع آلياژي، ساخت زير دريايي ها، كارخانه هاي ساخت مواد شيميايي، دستگاههاي خنك كننده نيروگاه هاي اتمي و حرارتي و دهها مورد ديگر كاربرد دارد. مصرف عمده دي اكسيد تيتانيوم در صنايع رنگ سازي به عنوان رنگدانه مي باشد و همچنين اين ماده در صنايع سراميك، پلاستيك، كاغذ و الكترونيك كاربرد دارد. مصرف اين ماده در كشورهاي پيشرفته تقريبا 10 برابر كشورهاي در حال توسعه مي‌باشد. مصارف فلز تيتانيوم فلز تيتانيوم در محيط هاي فرسايشي بسيار مقاوم مي‌باشد. تيتانيوم خالص و يا آلياژ هاي آن با ناخالصي كم در كارخانه هاي سولفورزدايي مشتقات نفتي، در تجهيزات مربوط به چاه هاي نفت و در اتصالات مورد نياز و همچنين در موارد پزشكي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. از طرف ورق هاي فولادي با پوشش تيتانيوم هم اكنون در جهان توليد شده كه بعلت خاصيت ضد فرسايشي كاربرد وسيعي در صنعت نفت و در مراحل سولفورزدايي مشتقات نفتي در پالايشگاه ها پيدا كرده اند. ديگر مصرف عمده اين فلزدر صنعت هواپيما سازي است. ساير مصارف عمده تيتانيوم را مي‌توان به صورت زير خلاصه نمود: ساخت کاربيد تيتانيم ، سراميک ، فرآيند شيميايي و الكتروشيميايي ، ساخت ورقه هاي فلزي و بازيافت آنها ، صنعت نفت ، سولفورزدايي گاز مايع ، نمك زدايي آب (تصفيه آب) ، ساخت پمپ هاي مخصوص مكش آب از دريا ، ساختمان سازي ، پزشكي (قطعات تعويضي در بدن، دندانها) ، صنايع اتومبيل سازي ، ساخت انباره هاي مخصوص، جهت نگهداري از موادي نظير ضايعات اتمي و غيره ، الياف تقويت كننده جهت استفاده در تركيبات فلزي ، رباط هاي صنعتي ، جواهر سازي ، ساخت انواع آلياژ ها ، ذخيره سازي انرژي ، بالا بردن قابليت هدايت حرارتي آلياژ ها ، پرکننده ، سنگ هاي جواهرات مصنوعي و نرم افزار . ايلمنيت و اكسيدهاي تيتان براي تهيه تيتانيم در آلياژهاي مهم و راهبردي استفاده مي گردد. آلياژهاي تيتانيم در بدنه هواپيماهاي جنگي، سفينه هاي فضايي، موشك ها، موتور هواپيماها، ادوات رزمي ، توربين هاي گازي، دوچرخه و كامپيوترهاي Laptop مورد استفاده قرار مي گيرند. تيتانيوم اغلب با آلومينيوم، آهن ، منگنز، موليبدن و فلزات ديگر تشكيل آلياژ مي دهد. ايلمنيت همچنين در تهيه اکسيد تيتانيم که در صنايع رنگ سازي ، کاغذ سازي و پلاستيک به عنوان ماده رنگي ، براق كردن سطح فلزات ، لعاب ، لاستيك سازي ، شيشه ، فايبرگلاس ، سراميك ، الكتروسراميك و . . . مصرف مي شود ، کاربرد دارد . تنها در حدود 5 % توليد سالانه جهاني تيتانيوم صرف توليد فلز تيتانيوم شده و 95% باقيمانده در توليد ماده رنگ دي اكسيد تيتانيوم مورد استفاده قرار مي گيرد .اين ماده داراي دو شکل آلوتروپي روتيل و آناتاز است که به واسطه رنگ سفيد ، ضريب شکست بالا ( 49/2- 90/2 ) ، درخشندگي عالي ، بي اثر ( خنثي بودن ) و مقاومت سايشي و حرارتي بالاي آن ، درجه ديرگدازي بالا و توان زياد در توزيع و انتشار يکنواخت در ترکيبات ديگر به عنوان عمده ترين ماده اوليه رنگ سفيد در صنايع رنگ سازي ، کاغذسازي ، پلاستيک ، لاستيک و ... شناخته مي شود .

مصارف دارويي : پودر دي اکسيد تيتان ( روتيل ) که از آن پراکسيد تيتان ، سالسيلات تيتان و تانات تيتان تهيه مي کنند ، عملي همانند اکسيد روي بر روي پوست بدن ايجاد مي کند . دي اکسيد تيتان براي التيام سوزش هاي پوستي مورد استفاده قرار مي گيرد و منعکس کننده اشعه ماوراء بنفش خورشيد است و بدين جهت در ساختن کرم ها و لوسيون هاي ضد آفتاب ( ضد سوختگي ) استفاده مي شود . از پودر دي اکسيد تيتان در ساخت قاب کپسول هاي دارويي و پوشش قرص ها نيز استفاده مي شود .

مصارف آرايشي : دي اکسيد تيتان در ساخت وسايل آرايشي به کار مي رود . مصرف ساليانه عنصر تيتانيوم و تركيبات آن، 105 تا 106 تن مي باشد. تقريباً 95% تيتان به فرم اكسيد تيتان TiO4 مصرف مي شود و يك رنگدانه دايمي و به شدت سفيد رنگ با قدرت پوششي خوب در رنگ ها ، كاغذ و پلاستيك است . رنگ ها با وجود اكسيد تيتانيوم يك بازتابنده بسيار عالي اشعه مادون قرمز را مي سازد و بنابراين به طور گسترده اي توسط اختر شناسان مورد استفاده قرار مي گيرد. از آنجايي كه اين فلز مقاومت بالا، وزن سبك، مقاومت غيرعادي در برابر خوردگي و توانايي ايستادگي در برابر دماهاي بسيار بالا مي باشد . بخاطر مقاومت بالا در آب دريا، اين فلز براي ساخت شفت ها (محور)ملخ هواپيما و پروانه كشتي استفاده مي شود.

دي اکسيد تيتان دي اکسيد تيتان در تهيه الياف مصنوعي نيز استفاده مي شود . پودر دي اکسيد تيتان خالص به عنوان رنگدانه در فراورده هاي غذايي کاربرد دارد . دي اكسيد تيتانيوم در كرم هاي (لوسيون ها) ضد آفتاب استفاده مي شود كه ناشي از توانايي آن در حفاظت پوست مي باشد. دي‌اكسيد تيتانيوم يك رنگدانة برتر سفيد رنگ با ضريب شكست 55/2- 8/2 است، مقاومت، درخشندگي، پايداري شيميايي و مقاومت در برابر اشعة ماوراي بنفش، غير‌سمي بودن و پايداري در يك محدودة دمايي وسيع و قيمت مناسب آن سبب شده تا از آن در كاغذ، رنگ، پلاستيك، لاستيك، سراميك، پارچه و مواد آرايشي استفاده شود. دو نوع رنگدانة روتيل وجود دارد روتيل و آناتاز. روتيل از شبكة بلوري متراكم‌تري نسبت به آناتاز تشكيل شده و چگال‌تر است و ضريب شكست بالاتري دارد . رنگدانه مي‌بايست قابل استفاده در مسير سولفاته باشد (روتيل يا روتيل مصنوعي قابل استفاده نيستند) و داراي نسبت FeO/Fe2O3 بالاتري بوده (در اسيد سولفوريك واكنش‌پذير) و آهن، كروم، واناديوم، نيوبيوم، كلسيم، فسفات، اورانيوم، توريم و رنيم كم داشته باشد. خواص فيزيكي تقريبا مهم نيستند. تتراكلرين تيتانيوم تتراكلرين تيتانيوم (TiCl4) يك مايع بي رنگ است كه براي ساخت شيشه استفاده مي شود و از آن جايي كه آن در هواي مرطوب به شدت بخار مي كند، به منظور پوشش در برابر بخار استفاده مي شود. ايلمنيت، روتيل، آناتاز، روتيل مصنوعي و سربارة تيتانيوم به عنوان پيش‌مادة توليد رنگدانة دي‌اكسيد تيتانيوم از دو مسير سولفاته و كلريدي امكان‌پذير بوده كه هريك نياز به پيش‌مادة مخصوص به خود دارند. انواعي كه در مسير كلريدي به عنوان پيش‌ماده استفاده مي‌شوند بايد آلكالي كم، كمتر از 2%CaO و كمتر از 1% MgO، داشته باشد. به علاوه آهن كم، كمتر از 5/0% Cr2O3، V2O3، قلع و آرسنيك، كمتر از 2% سيليس و حداقل اورانيوم، توريم و راديم و ... داشته باشد (هر يك از موارد فوق به دلايلي از قبيل سمي بودن، رنگ‌زايي، خواص مزاحم در حين فرآوري و ... مي‌بايست در رنگدانه وجود نداشته باشند). شرايط مورد نياز ديگر شامل چگالي، مقاومت ذرات و ... است. با توجه به شرايط فوق، روتيل طبيعي با 95% ‏‏TiO¬2، لازم است كه به دليل كمبود چنين ذخايري ايجاد طرح‌‌هاي پرعيار كردن پيش‌ماده صورت مي‌گيرد. كنسانترة ايلمنيت براي فرآوري سرباره مي‌بايست حداقل 35% TiO2، داشته باشد، انواع سنگ سخت‌هاي ايلمنيت به سرباره‌هاي سولفاته محدود مي‌شوند، فرايندهاي شستشوي زيرزميني CaO، MgO و ديگر ناخالصي‌ها را كاهش داده و سرباره‌هايي با قابليت قرارگيري در مسير كلريدي ايجاد كند كه معمولا از پلاسرهاي ايلمنيت به دست مي‌آيند (TiO2 57-63%)... [۹]

تيتانات باريم: مادة فروالكتريك با ثابت دي‌الكتريك نسبتا بالا در نيمه‌هادي‌ها و پيزوالكتريك‌ها به كار برده مي‌شود.

نيتريد تيتانيوم: دماي ذوب 2950 درجة سانتيگراد دارد و از آن به عنوان بوتة ذوب آلياژهاي لانتانيوم، رنگ زرد طلايي در جواهرات و ... به كار مي‌رود.

آلكالي‌هاي تيتانيوم: پليمريزاسيون، كاتاليزور

تيتانات استرانسيم: جواهر مصنوعي، ابزار نوري

فلز تيتانيوم: از كاهش TiCl4 توسط منيزيم مذاب در فرايند كرول حاصل مي‌شود. تيتانيوم، فلزي با نسبت مقاومت به وزن بالا، نقطه ذوب بالا، ظرفيت انتقال حرارتي بالا، مقاومت در برابر خوردگي، ضريب انبساط كم و مقاومت الكتريكي بالاست كه از آن در ساخت قطعات در صنعت هوافضا، قسمت‌هاي حساس ماشين‌آلات، طرح‌هاي صنعتي و شيميايي، تجهيزات دريايي ، ابزار جراحي و دندانپزشكي استفاده مي‌شود. آلياژهاي تيتانيوم ضريب انبساط حرارتي كمتري از آلياژهاي آهن دارند و خاصيت مغناطيسي نيز ندارند. از كاربردهاي آلياژهاي تيتانيوم مي‌توان به ابزار پزشكي، الكترونيكي، ماشين‌هاي توربين بخار، دريچه و شيرآلات فشار قوي، سكوهاي ساحلي، سيستم‌هاي لوله‌گذاري درياي عميق و غيره اشاره كرد. به عنوان مثال از آلياژهاي تيتانيوم، فروتيتانيوم به عنوان كاهنده و پايدار كننده در ساخت فولاد خالص، آلياژهاي ابررسانا (تيتانيوم- نيوبيوم)، سوپركامپيوتر، كرايوالكترونيك و ... استفاده مي‌شود.

جايگزين ها : فلز و آلياژها: آلومينيم، منيزيم، فولاد خالص و سوپر آلياژهاي مختلف مادة سنگين كننده: باريت، سلستيت، هماتيت، منيتيت، كانة آهن

ساينده‌هاي بادي: بوكسيت و آلومينا، كرندوم، الماس، دياتوميت، فلدسپار، گارنت، هماتيت، منيتيت، نفليت سينيت، اليوين، پرليت، پرليت، پوميس، ماسة سيليسي، استاروليت، تريپلي، كربيد كلسيم فيلتر: كربن فعال شده، آنتراسيت، آزبست، سلولز، دياتوميت، گارنت، اكسيد آهن، اليوين، پرليت، پوميس، ماسة سيليسي ‌پركننده: تري هيدرات آلومينيم، باريت، كربنات كلسيم، دياتوميت، فلدسپار، كائولن، اكسيد سرب، ميكا، نفلين سينيت، پرليت، تالك، سيليس ميكروكريستالن، پودر سيليس و سيليس مصنوعي، ولاستونيت . ‌رنگدانه : ليتوفون، اكسيد روي

بازيافت: هرچند كه بازيافت كاغذ و پلاستيك مصرف مواد خام را كاهش داده است، مواد بازيافتي از مي‌بايست با افزايش تيتانيوم از نظر درخشندگي بهبود داد. رنگ به ندرت بازيافت مي‌شود. فلز تيتانيوم و آلياژهاي آن بازيافت مي‌شوند، هرچند دورة زندگي طولاني و آلودگي‌هاي غيرقابل قبول از نظر بازار مسئله ساز است. ذخاير شامل قراضه‌هاي حاصل از ذوب، ريخته‌گري و ساخت قطعات بويژه شمش هستند. قراضه‌هاي قديمي از هواپيماهاي قديمي و مبدلهاي حرارتي بدست‌ مي‌آيد. بيشتر تيتانيوم بازيافتي در صنعت فولاد به ويژه در تهية فروتيتانيوم بكار مي‌رود.

ميزان مصرف ظاهري تيتانيوم در جهان در طي اين دوره ( 1997 – 2001) از 06/10 ميليون تن در سال 1997 به 78/9 ميليون تن در سال 1999 و 58/10ميليون تن در سال 2001 افزايش يافته است(جدول 6). روند مصرف جهاني تيتانيوم طي سالهاي ذكر شده بصورت نوساني بوده و از يك روند ثابت تبعيت نكرده و مصرف جهاني كاني هاي تيتانيوم در سال 1999 به كمترين ميزان در طي سالهاي 2001-1997 رسيده است. بيشترين آمار مصرف كاني هاي تيتانيوم در جهان مربوط به سال 2000 مي‌باشد كه حجم مصرفي بالغ بر 5/10 ميليون تن داشته است.


[۱۰]

اکستروژن تیتانیوم[ویرایش]

فرآیند شکل‌دهی تیتانیوم در اواسط دهه ۵۰ میلادی برای هواپیماها آغاز شد. تولید اشکال مشخص با قالب تخت و در مقیاس کوچک برای تیتانیوم به استفاده از اکستروژن داغ منجر شد.

تیتانیم خالص و آلیاژهای آن از مقاومت به خوردگی و استحکام بالایی برخوردار است و به همین دلیل در اعضای ساختاری هواپیما و کاربردهایی که ضریب اطمینان بالا لازم است به کار می‌رود. این گونه قطعات بعضاً در شکل‌های پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرند که منجر به استفاده از فرآیند شکل‌دهی اکستروژن (داغ) می‌شود. این فرآیند به سادگی می‌تواند اجزای ساختاری را با مقاطع مختلف شکل‌دهی کند. [۱۱]

برای فرآیند شکل‌دهی اکستروژن تیتانیوم می‌توان به انتخاب نوع فرآیند اکستروژن (نوع قالب و دمای فرآیند) و نوع و فاز تیتانیوم توجه داشت.

در بیشتر فرآیندهای اکستروژن (آلیاژهای)تیتانیوم دستگاه پرس از نیروی هیدرولیک آب بهره می گیرد که نسبتا نرخ کرنش بالایی دارد. با توجه به تجارب این کار، برای اکستروژن تیتانیوم در فاز بتا از قالب تخت استفاده می‌شود به دلایلی از قبیل: ارزان‌تر بودن، بهره‌گیری از اشکال پیچیده و کنترل اندازه بهتر. از دیگر ویژگی‌های فرآیند اکستروژن تیتانیوم-بتا قالب تخت می‌توان به اصطکاک بالای آن اشاره کرد و اینکه نرخ کرنش بالا سبب افزایش تنش در جریان ماده می‌شود.

یکی از کاربردی‌ترین آلیاژهای تیتانیوم برای استفاده شدن در فرآیند اکستروژن، Ti-6Al-4V (گرید ۵ آلیاژ تیتانیوم) است. برای فرآیند اکستروژن این آلیاژ آلفا-بتا، اکستروژن داغ قالب مخروطی استفاده شده است.[۱۲]

شرح فرآیند[ویرایش]

ابتدا به لقمه تیتانیومیِ آماده شده (می‌تواند خروجیِ فرآیند فورج باشد) حرارت داده می‌شود. در حین عملیات حرارت‌دهی و جابه‌جایی برای فرآیند اکستروژن لایه‌ای اکسیدی در فاز آلفا بر روی سطح لقمه تشکیل می‌شود که برای فرآیند اصلا مطلوب نیست. لذا  با غوطه‌ور کردن لقمه درست قبل از فرآیند اکستروژن در موادی حاوی شیشه، لایه‌ی نامطلوب زدوده شده و لایه‌ای از جنس شیشه به آن اضافه می‌شود.[۱۳] این کار به دلیل آن است که قابلیت شکل‌پذیری و ماشین‌کاری بر روی تیتانیوم افزایش یابد و نیز برای اینکه شیشه در طول فرآیند نقش روان‌کننده را بازی کند.
دمای فرآیند بین 800 و 1150 درجه سلسیوس است. چنانچه دمای فرآیند بیش از 1000 درجه سلسیوس باشد پوشش شیشه‌ای لازم می‌شود چنانکه برای اکستروژن تیتانیوم Ti-6Al-4V، فرآیند در دمایی حدود 1150 درجه سلسیوس (2100 درجه فارنهایت) با پوشش شیشه انجام می‌گیرد. اگر دما بیش از حد نیاز باشد بروز عیوب و ترک در سطح لقمه پیش می‌آید و چنانچه دما کمتر از حد لازم باشد امکان عدم عبور و یا عبور صحیح از دهانه قالب وجود دارد.
برای هرچه بهتر انجام شدن فرآیند، از اکستروژن تک قالبه و تک لقمه استفاده می‌شود. در این صورت هم کیفیت سطح ارتقا می‌یابد و هم تغییر شکلِ قطعه به قطعه کاهش می‌یابد.[۱۴][۱۵]
غالباً این فرآیند با سرعت بالا بین 1.5 و 5 ثانیه صورت می‌پذیرد. فشار لازم برای فرآیند نیز تا حدود 2000 تن است. برای زدودن لایه شیشه‌ای پس از فرآیند در صورت نیاز از عملیات ساب‌پاشی استفاده می‌شود که البته کیفیت سطح را نیز بهبود می‌بخشد.[۱۶]

مزایا[ویرایش]

با توجه به کاربردهای وسیع در صنایع هوافضا، یکی از مزیت‌های آن کاهش وزن هواپیماها در حدود 1.8 تن (4000 پوند) بوده است.
مزیت عمده این فرآیند برای تیتانیوم با توجه به کاربردها، کاهش زمان تولید قطعه در حدود 1 ساعت است. بدون فرآیند اکستروژن تیتانیوم تمام عملیات شکل‌دهی بر عهده فرآیند ماشین‌کاری است در حالی که با استفاده از فرآیند اکستروژن زمان تولید قطعه بهینه‌تر می‌شود.

کاربرد[ویرایش]

با توجه به مقاومت به خوردگی بالای تیتانیوم و نوع فرآیند اکستروژن، خروجی این فرآیند برای صندلی هواپیما (ریل جابه‌جایی)
و با توجه به استحکام قابل قبول آن، برای نگهدارنده موتور هواپیما (تیر اتصال‌دهنده بین موتور و بال هواپیما) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ماشین‌کاری آلیاژهای تیتانیوم[ویرایش]

ماشین‌کاری آلیاژهای تیتانیوم به دلیل استحکام در دمای بالای آن، هدایت حرارتی بسیار پایین، مدول الاستیسیته نسبتاً کم و واکنش‌پذیری شیمیایی بالا بسیار دشوار است. مشکلات اصلی در ماشین کاری این آلیاژها که ناشی از خواص ذاتی ماده است، عبارتند از:

  • دمای برش بالا: بخش بزرگی (حدود ۸۰ درصد) از حرارت تولید شده هنگام ماشینکاری آلیاژ Ti6Al4V (متداول‌ترین آلیاژ تیتانیوم) به ابزار انتقال می‌یابد. هدایت حرارتی کم آلیاژهای تیتانیوم (۱/۶ فولاد) سبب آن می‌شود که حرارت نتواند توسط جریان سریع براده و قطعه کار دفع نشود.[۱۷] بررسی توزیع درجه حرارت در ماشین کاری آلیاژهای تیتانیوم نشان داده است که منطقه متأثر از حرارت در این آلیاژ به خاطر تشکیل براده‌های نازک‌تر (و در نتیجه سطح تماس کمتر ابزار و براده) بسیار کوچکتر است، طوری که دمای نوک ابزار به ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد.[۱۸]
  • فشارهای برش بالا: اگرچه نیروهای برشی و توان مصرفی در حین ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم با فولادها یکسان یا حتی کمتر است، به دلیل سطح تماس کمتر براده و ابزار (۱/۳ فولاد) و تا حدودی مقاومت آلیاژ تیتانیوم در برابر تغییر شکل (تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد)[۱۹]تنش‌های مکانیکی در مجاورت لبه ابزار بسیار بالاتر است.
Percage sineholing mitis
  • چتر: پدیده چتر به عنوان یکی دیگر از مشکلات اصلی ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم به خصوص در حالت پرداخت مطرح است. مدول الاستیسیته پایین آلیاژهای تیتانیوم علت اصلی چتر در حین ماشینکاری می‌باشد. هنگامی که آلیاژ در معرض فشار برش قرار می‌گیرد تا دو برابر فولاد کربنی تغییر شکل می‌یابد و یک حالت برگشت فنری قوی پشت لبه برشی به وجود می‌آید که به سایش زودرس ابزار، ارتعاش و دمای برش بالاتر می‌انجامد.[۲۰] این ارتعاش ایجاد شده به صورت حرکت منقطع یا پرشی ابزار در ورود به منطقه برش ظاهر می‌شود که به نوعی تعریف پدیده چتر است.[۲۱]
  • جنس ماده ابزار: تیتانیوم و آلیاژهایش تقریباً با مواد تشکیل دهنده تمام ابزارهای متداول در دمای بالای ۵۰۰ درجه سانتیگراد واکنش شیمیایی می‌دهد. علاوه براین، تمایل براده‌ها به جوش خوردگی در اثر فشار به ابزار و ایجاد سایش اصطلاحاً چسبنده (که در اثر نفوذ ماده براده به سطح ابزار حاصل می‌شود)، ضرورت انتخاب ابزار مناسب برای ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم را دوچندان کرده است.

معیارهای انتخاب ابزار
ماده ابزار در ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد:

  1. سختی در دمای بالا
  2. هدایت حرارتی بالا
  3. عدم واکنش ذیری شیمیایی با تیتانیوم
  4. چقرمگی و استحکام خستگی بالا
  5. استحکام کششی، فشاری و برشی بالا

ابزارهای تنگستن کارباید و PCD به عنوان بهترین گزینه‌ها مطرح هستند.[۲۲]

Makino Titanium-Cutting

یکپارچگی سطح
سطح آلیاژهای تیتانیوم به شدت در روش‌های ماشینکاری سنتی آسیب‌پذیر است. آسیب‌ها به شکل میکروترک، لبه انباشته (BUE)، تغییر شکل پلاستیک، مناطق متأثر از حرارت (HAZ) و تنش‌های پسماند کششی ظاهر می‌شوند. حد دوام تیتانیوم برای فرایند سنگ زنی نرم ۳۷۲ مگاپاسکال است، در حالی که در یک فرایند تراشکاری یا فرزکاری به کمتر از یک چهارم یعنی ۸۳ مگاپاسکال می‌رسد. برتری فرایند سنگ زنی در این زمینه احتمالاً به دلیل ایجاد تنش‌های پسماند فشاری (بهبود استحکام خستگی) می‌باشد. در فرآیندهای سنگ‌زنی نرم تغییرات محسوسی در سطح ایجاد نمی‌شود.[۲۳]

روش‌های غیرسنتی ماشین‌کاری آلیاژهای تیتانیوم

  • ECM یا ماشینکاری الکتروشیمیایی: براده برداری مواد رسانای الکتریکی از طریق انحلال آندی در یک الکترولیت با جریان سریع تعریف کوتاهی از این فرایند است. ECM قابلیت ایجاد کانتورهای پیچیده و بدون اعوجاج و همین‌طور سطوح با کیفیت را داراست. سدیم کلرید به عنوان الکترولیت متداول برای آلیاژهای تیتانیوم استفاده می‌شود.
  • LBT یا ماشینکاری به کمک پرتو لیزر : در این فرایند با تمرکز پرتو لیزر و جریان گاز روی قطعه کار، براده برداری صورت می‌گیرد. انرژی لیزر سبب ذوب موضعی شده و جریان گاز اکسیژن با ایجاد یک واکنش گرمازا، ماده ذوب شده را از قطعه کار جدا می‌کند. آلیاژهای تیتانیوم در این روش با نرخ بالایی براده‌برداری می‌شوند. لیزر مورد استفاده از نوع CO2 است.
  • CHM یا فرزکاری شیمیایی: انحلال کنترل شده ماده قطعه کار در اثر تماس با یک ماده شیمیایی قوی را CHM گویند. در این روش جاهایی از قطعه کار که قرار نیست ماشینکاری شوند، با یک ماسک مقاوم شیمیایی حفاظت می شوند.[۲۴]

مایعات برشی

  • مایعات برشی پایه آبی (مثلاً محلول رقیق آب و روغن) بهترین گزینه برای سرعت های برشی بالا می باشند.
  • در سرعت های کم و عملیات پیچیده به منظور به حداقل رسندن اصطکاک و کاهش تمایل به چسبندگی تیتانیوم از روغن های سولفوریزه و کلریناته استفاده می شود.
  • در استفاده از روغن های کلریناته باید به این نکته توجه کنیم که امکان ایجاد ترک در اثر تنش های ناشی از خوردگی وجود دارد.[۲۵]

کاربرد[ویرایش]

هواپیماها، موشکها، جتها، ماشین‌های نساجی، وسایل شیمیایی، وسایل جراحی، وسایل نمک‌زدایی، وسایل ارتوپدی، وسایل غذاسازی، هدف‌های لوله‌های اشعه ایکس، وسایل ساینده، لوله‌های رآکتورها، قاب یا فریم عینک و...

پزشکی[ویرایش]

غیر سمی بودن و شرایط پذیر بودن تیتانیم باعث شده است تا این ماده در پزشکی و در درون بدن انسان مورد استفاده قرار گیرد. ایمپلنت‌ها، ابزارهای نگه دارنده شکستگی که در بدن بیمار کار گذاشته می‌شوند و ... معمولاً از تیتانیم تشکیل شده‌اند. در اینگونه موارد تیتانیم با حدود ۴ تا ۶ درصد آلومینیم تشکیل آلیاژ می‌دهد.

جواهرسازی[ویرایش]

به دلیل دوام و ماندگاری بالا، تیتانیم به یکی از فلزات محبوب جواهرسازان بدل گشته است. همچنین به علت عدم تحریک آلرژیک، جواهرات تیتانیم گزینه بسیار مناسب برای افرادی است که به فلزات زینتی آلرژی دارند. تیتانیم همچنین با طلای ۲۴ عیار تشکیل آلیاژ می‌دهد.

موارد احتیاطی[ویرایش]

تیتانیم ماده‌ای غیر سمی است و حتی در مقادیر زیاد، سمی محسوب نمی‌شود. همچنین این ماده هیچ نقشی در سیستم طبیعی بدن انسان ایفا نمی‌کند.[۲۶] بطور تخمینی روزانه ۸/۰ میلی گرم تیتانیم وارد بدن انسان می‌شود. اگرچه تقریباً بدون جذب شدن، از بدن دفع می‌شود.

نگارخانه[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Andersson, N. et al. (2003). "Emission spectra of TiH and TiD near 938 nm". J. Chem. Phys. 118: 10543. doi:10.1063/1.1539848. 
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ ۲٫۲ خطای یادکرد: خطای یادکرد:برچسب <ref>‎ غیرمجاز؛ متنی برای یادکردهای با نام EBC وارد نشده‌است.
  3. Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5. 
  4. Krebs, Robert E. (2006). The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide (2nd ed.). Westport, CT: Greenwood Press. ISBN 0-313-33438-2. 
  5. Donachie, Matthew J. , Jr. (1988). TITANIUM: A Technical Guide. Metals Park, OH: ASM International. p. 11. ISBN 0-87170-309-2. 
  6. Barksdale 1968, p. 738
  7. "Titanium". Columbia Encyclopedia (6th ed.). New York: Columbia University Press. 2000–2006. ISBN 0-7876-5015-3.  Check date values in: |date= (help)
  8. Barbalace, Kenneth L. (2006). "Periodic Table of Elements: Ti – Titanium". Retrieved 26 December 2006. 
  9. J. Krýsa, M. Keppert, and et al, Mat. Chem. and Phys. 86 , (2004) 333. D. H. Marsh, D. J. Riley, and et al, Particuology 7 (2009) 121.
  10. Asahi, R.Y.O.J.I., Morikawa, T.A.K.E.S.H.I., Ohwaki, T., Aoki, K. and Taga, Y., 2001. Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides. science, 293(5528), pp.269-271.
  11. [۱] George Legate, Alpha Beta Extrusion of Titanium Alloys, Nu-Tech Precision Metals
  12. [۲] Kin'ichi Kimura, et al. Analysis of Deformation, Temperature, and Microstructure of Titanium Alloys During Hot Extrusion, 1994
  13. [۳] RTI International Metals, Inc
  14. [۴] TitaniumExposed.com
  15. [۵] Rickard Specialty Metals and Engineering | 2043 Elm Court, Ontario, California 91761
  16. [۶] VertMarkets, Inc
  17. .W. Konig, Proc. 47th Meeting of AGARD Structural and Materials Panel, Florence, Sept. 1978, AGARD, CP256, London, 1979, pp. 1.1-1.10
  18. .P.A. Dearnley, A.N. Grearson, Mater. Sci. Technol. 2 (1986) 47-58
  19. .D.C. Kirk, Tools and dies for industry, Proc. Conf. 7677. Met. Soc. , London, ~ 976- 7, pp. 77- 98
  20. .B.B. Johnson, Tips on Milling Titanium--and Tools to Do the Job
  21. .B.F. yon Turkovich, D.R. Durham, Advanced Processing Methods for Titanium 18 (1982) 257-274
  22. .P.D. Hartung, B.M. Kramer, Ann. CIRP 31 (11 (1982) 75-80
  23. http://www.supraalloys.com/technical-surface.php
  24. http://www.supraalloys.com/technical-nontrad.php
  25. H.E. Chandler, Metals Handbook, 1978, pp. 845-852.
  26. «تاثیر تیتانیوم در فولاد». 

کتاب فرهنگ عناصر، نوشتهٔ سیدرضا آقاپور مقدم