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 ویژه 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 عمده‌ترین مصرف تیتانیوم در صنایع به دو صورت فلزی و دی اکسید تیتانیوم می‌باشد. مصرف فلز آن به دلیل مشکلات تهیه و خالص سازی آن مصرف چندانی ندارد، اما در عوض مصرف اکسید آن بصورت TiO2 در صنعت کاربرد بسیار گسترده‌ای دارد؛ بطوریکه ۹۰ درصد از صنایع اولیه، مصرف‌کننده اکسید تیتانیوم می‌باشد. امروزه فلز تیتانیوم بعنوان یک فلز استراتژیک در موتور و ساختمان داخلی هواپیما، تجهیزات حمل و نقل صنایع شیمیایی، واحدهای مولد برق، صنایع آلیاژی، ساخت زیر دریایی‌ها، کارخانه‌های ساخت مواد شیمیایی، دستگاه‌های خنک‌کننده نیروگاه‌های اتمی و حرارتی و ده‌ها مورد دیگر کاربرد دارد. مصرف عمده دی اکسید تیتانیوم در صنایع رنگ سازی به عنوان رنگدانه می‌باشد و همچنین این ماده در صنایع سرامیک، پلاستیک، کاغذ و الکترونیک کاربرد دارد. مصرف این ماده در کشورهای پیشرفته تقریباً ۱۰ برابر کشورهای در حال توسعه می‌باشد. مصارف فلز تیتانیوم فلز تیتانیوم در محیط‌های فرسایشی بسیار مقاوم می‌باشد. تیتانیوم خالص یا آلیاژهای آن با ناخالصی کم در کارخانه‌های سولفور زدایی مشتقات نفتی، در تجهیزات مربوط به چاه‌های نفت و در اتصالات مورد نیاز و همچنین در موارد پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از طرف ورق‌های فولادی با پوشش تیتانیوم هم اکنون در جهان تولید شده که بعلت خاصیت ضد فرسایشی کاربرد وسیعی در صنعت نفت و در مراحل سولفور زدایی مشتقات نفتی در پالایشگاه‌ها پیدا کرده‌اند. دیگر مصرف عمده این فلز در صنعت هواپیما سازی است. سایر مصارف عمده تیتانیوم را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود: ساخت کاربید تیتانیم، سرامیک، فرایند شیمیایی و الکتروشیمیایی، ساخت ورقه‌های فلزی و بازیافت آنها، صنعت نفت، سولفور زدایی گاز مایع، نمک زدایی آب (تصفیه آب)، ساخت پمپ‌های مخصوص مکش آب از دریا، ساختمان سازی، پزشکی (قطعات تعویضی در بدن، دندانها)، صنایع اتومبیل سازی، ساخت انباره‌های مخصوص، جهت نگهداری از موادی نظیر ضایعات اتمی و غیره، الیاف تقویت کننده جهت استفاده در ترکیبات فلزی، رباط‌های صنعتی، جواهر سازی، ساخت انواع آلیاژها، ذخیره‌سازی انرژی، بالا بردن قابلیت هدایت حرارتی آلیاژها، پرکننده، سنگ‌های جواهرات مصنوعی و نرم‌افزار. ایلمنیت و اکسیدهای تیتان برای تهیه تیتانیم در آلیاژهای مهم و راهبردی استفاده می‌گردد. آلیاژهای تیتانیم در بدنه هواپیماهای جنگی، سفینه‌های فضایی، موشک‌ها، موتور هواپیماها، ادوات رزمی، توربین‌های گازی، دوچرخه و کامپیوترهای Laptop مورد استفاده قرار می‌گیرند. تیتانیوم اغلب با آلومینیوم، آهن، منگنز، مولیبدن و فلزات دیگر تشکیل آلیاژ می‌دهد. ایلمنیت همچنین در تهیه اکسید تیتانیم که در صنایع رنگ سازی، کاغذ سازی و پلاستیک به عنوان ماده رنگی، براق کردن سطح فلزات، لعاب، لاستیک سازی، شیشه، فایبرگلاس، سرامیک، الکتروسرامیک و . . . مصرف می‌شود، کاربرد دارد. تنها در حدود ۵٪ تولید سالانه جهانی تیتانیوم صرف تولید فلز تیتانیوم شده و ۹۵٪ باقیمانده در تولید ماده رنگ دی اکسید تیتانیوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده دارای دو شکل آلوتروپی روتیل و آناتاز است که به واسطه رنگ سفید، ضریب شکست بالا (۴۹/۲–۹۰/۲)، درخشندگی عالی، بی اثر (خنثی بودن) و مقاومت سایشی و حرارتی بالای آن، درجه دیرگدازی بالا و توان زیاد در توزیع و انتشار یکنواخت در ترکیبات دیگر به عنوان عمده‌ترین ماده اولیه رنگ سفید در صنایع رنگ سازی، کاغذسازی، پلاستیک، لاستیک و … شناخته می‌شود.

مصارف دارویی: پودر دی اکسید تیتان (روتیل) که از آن پراکسید تیتان، سالسیلات تیتان و تانات تیتان تهیه می‌کنند، عملی همانند اکسید روی بر روی پوست بدن ایجاد می‌کند. دی اکسید تیتان برای التیام سوزش‌های پوستی مورد استفاده قرار می‌گیرد و منعکس کننده اشعه ماوراء بنفش خورشید است و بدین جهت در ساختن کرم‌ها و لوسیون‌های ضد آفتاب (ضد سوختگی) استفاده می‌شود. از پودر دی اکسید تیتان در ساخت قاب کپسول‌های دارویی و پوشش قرص‌ها نیز استفاده می‌شود.

مصارف آرایشی: دی اکسید تیتان در ساخت وسایل آرایشی به کار می‌رود. مصرف سالیانه عنصر تیتانیوم و ترکیبات آن، ۱۰۵ تا ۱۰۶ تن می‌باشد. تقریباً ۹۵٪ تیتان به فرم اکسید تیتان TiO4 مصرف می‌شود و یک رنگدانه دایمی و به شدت سفید رنگ با قدرت پوششی خوب در رنگ‌ها، کاغذ و پلاستیک است. رنگ‌ها با وجود اکسید تیتانیوم یک بازتابنده بسیار عالی اشعه مادون قرمز را می‌سازد و بنابراین به طور گسترده‌ای توسط اختر شناسان مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آنجایی که این فلز مقاومت بالا، وزن سبک، مقاومت غیرعادی در برابر خوردگی و توانایی ایستادگی در برابر دماهای بسیار بالا می‌باشد. بخاطر مقاومت بالا در آب دریا، این فلز برای ساخت شفت‌ها (محور) ملخ هواپیما و پروانه کشتی استفاده می‌شود.

دی اکسید تیتان دی اکسید تیتان در تهیه الیاف مصنوعی نیز استفاده می‌شود. پودر دی اکسید تیتان خالص به عنوان رنگدانه در فراورده‌های غذایی کاربرد دارد. دی اکسید تیتانیوم در کرم‌های (لوسیون‌ها) ضد آفتاب استفاده می‌شود که ناشی از توانایی آن در حفاظت پوست می‌باشد. دی‌اکسید تیتانیوم یک رنگدانه برتر سفید رنگ با ضریب شکست ۵۵/۲–۸/۲ است، مقاومت، درخشندگی، پایداری شیمیایی و مقاومت در برابر اشعهٔ ماورای بنفش، غیرسمی بودن و پایداری در یک محدوده‌ای دمایی وسیع و قیمت مناسب آن سبب شده تا از آن در کاغذ، رنگ، پلاستیک، لاستیک، سرامیک، پارچه و مواد آرایشی استفاده شود. دو نوع رنگدانه روتیل وجود دارد روتیل و آناتاز. روتیل از شبکهٔ بلوری متراکم‌تری نسبت به آناتاز تشکیل شده و چگال‌تر است و ضریب شکست بالاتری دارد. رنگدانه می‌بایست قابل استفاده در مسیر سولفاته باشد (روتیل یا روتیل مصنوعی قابل استفاده نیستند) و دارای نسبت FeO/Fe2O3 بالاتری بوده (در اسید سولفوریک واکنش‌پذیر) و آهن، کروم، وانادیوم، نیوبیوم، کلسیم، فسفات، اورانیوم، توریم و رنیم کم داشته باشد. خواص فیزیکی تقریباً مهم نیستند. تتراکلرین تیتانیوم تتراکلرین تیتانیوم (TiCl4) یک مایع بی‌رنگ است که برای ساخت شیشه استفاده می‌شود و از آن جایی که آن در هوای مرطوب به شدت بخار می‌کند، به منظور پوشش در برابر بخار استفاده می‌شود. ایلمنیت، روتیل، آناتاز، روتیل مصنوعی و سربارهٔ تیتانیوم به عنوان پیش‌ماده تولید رنگدانه دی‌اکسید تیتانیوم از دو مسیر سولفاته و کلریدی امکان‌پذیر بوده که هریک نیاز به پیش‌ماده مخصوص به خود دارند. انواعی که در مسیر کلریدی به عنوان پیش‌ماده استفاده می‌شوند باید آلکالی کم، کمتر از 2%CaO و کمتر از 1% MgO، داشته باشد. به علاوه آهن کم، کمتر از 5/0% Cr2O3، V2O3، قلع و آرسنیک، کمتر از ۲٪ سیلیس و حداقل اورانیوم، توریم و رادیم و … داشته باشد (هر یک از موارد فوق به دلایلی از قبیل سمی بودن، رنگ‌زایی، خواص مزاحم در حین فرآوری و … می‌بایست در رنگدانه وجود نداشته باشند). شرایط مورد نیاز دیگر شامل چگالی، مقاومت ذرات و … است. با توجه به شرایط فوق، روتیل طبیعی با ۹۵٪ ‏‏TiO¬۲، لازم است که به دلیل کمبود چنین ذخایری ایجاد طرح‌های پرعیار کردن پیش‌ماده صورت می‌گیرد. کنسانتره ایلمنیت برای فرآوری سرباره می‌بایست حداقل 35% TiO2، داشته باشد، انواع سنگ سخت‌های ایلمنیت به سرباره‌های سولفاته محدود می‌شوند، فرایندهای شستشوی زیرزمینی CaO, MgO و دیگر ناخالصی‌ها را کاهش داده و سرباره‌هایی با قابلیت قرارگیری در مسیر کلریدی ایجاد کند که معمولاً از پلاسرهای ایلمنیت به دست می‌آیند (TiO2 57-63%)...[۹]

تیتانات باریم: مادهٔ فروالکتریک با ثابت دی‌الکتریک نسبتاً بالا در نیمه‌هادی‌ها و پیزوالکتریک‌ها به کار برده می‌شود.

نیترید تیتانیوم: دمای ذوب ۲۹۵۰ درجه سانتیگراد دارد و از آن به عنوان بوته ذوب آلیاژهای لانتانیوم، رنگ زرد طلایی در جواهرات و … به کار می‌رود.

آلکالی‌های تیتانیوم: پلیمریزاسیون، کاتالیزور

تیتانات استرانسیم: جواهر مصنوعی، ابزار نوری

فلز تیتانیوم: از کاهش TiCl4 توسط منیزیم مذاب در فرایند کرول حاصل می‌شود. تیتانیوم، فلزی با نسبت مقاومت به وزن بالا، نقطه ذوب بالا، ظرفیت انتقال حرارتی بالا، مقاومت در برابر خوردگی، ضریب انبساط کم و مقاومت الکتریکی بالاست که از آن در ساخت قطعات در صنعت هوافضا، قسمت‌های حساس ماشین‌آلات، طرح‌های صنعتی و شیمیایی، تجهیزات دریایی، ابزار جراحی و دندانپزشکی استفاده می‌شود. آلیاژهای تیتانیوم ضریب انبساط حرارتی کمتری از آلیاژهای آهن دارند و خاصیت مغناطیسی نیز ندارند. از کاربردهای آلیاژهای تیتانیوم می‌توان به ابزار پزشکی، الکترونیکی، ماشین‌های توربین بخار، دریچه و شیرآلات فشار قوی، سکوهای ساحلی، سیستم‌های لوله‌گذاری دریای عمیق و غیره اشاره کرد. به عنوان مثال از آلیاژهای تیتانیوم، فروتیتانیوم به عنوان کاهنده و پایدار کننده در ساخت فولاد خالص، آلیاژهای ابررسانا (تیتانیوم- نیوبیوم)، سوپرکامپیوتر، کرایوالکترونیک و … استفاده می‌شود.

جایگزین‌ها: فلز و آلیاژها: آلومینیم، منیزیم، فولاد خالص و سوپر آلیاژهای مختلف مادهٔ سنگین کننده: باریت، سلستیت، هماتیت، منیتیت، کانی آهن

ساینده‌های بادی: بوکسیت و آلومینا، کرندوم، الماس، دیاتومیت، فلدسپار، گارنت، هماتیت، منیتیت، نفلیت سینیت، الیوین، پرلیت، پرلیت، پومیس، ماسه سیلیسی، استارولیت، تریپلی، کربید کلسیم فیلتر: کربن فعال شده، آنتراسیت، آزبست، سلولز، دیاتومیت، گارنت، اکسید آهن، الیوین، پرلیت، پومیس، ماسه سیلیسی پرکننده: تری هیدرات آلومینیم، باریت، کربنات کلسیم، دیاتومیت، فلدسپار، کائولن، اکسید سرب، میکا، نفلین سینیت، پرلیت، تالک، سیلیس میکروکریستالن، پودر سیلیس و سیلیس مصنوعی، ولاستونیت. رنگدانه: لیتوفون، اکسید روی

بازیافت: هرچند که بازیافت کاغذ و پلاستیک مصرف مواد خام را کاهش داده‌است، مواد بازیافتی از می‌بایست با افزایش تیتانیوم از نظر درخشندگی بهبود داد. رنگ به ندرت بازیافت می‌شود. فلز تیتانیوم و آلیاژهای آن بازیافت می‌شوند، هرچند دورة زندگی طولانی و آلودگی‌های غیرقابل قبول از نظر بازار مسئله ساز است. ذخایر شامل قراضه‌های حاصل از ذوب، ریخته‌گری و ساخت قطعات بویژه شمش هستند. قراضه‌های قدیمی از هواپیماهای قدیمی و مبدلهای حرارتی بدست می‌آید. بیشتر تیتانیوم بازیافتی در صنعت فولاد به ویژه در تهیهٔ فروتیتانیوم بکار می‌رود.

میزان مصرف ظاهری تیتانیوم در جهان در طی این دوره (۱۹۹۷ – ۲۰۰۱) از ۰۶/۱۰ میلیون تن در سال ۱۹۹۷ به ۷۸/۹ میلیون تن در سال ۱۹۹۹ و ۵۸/۱۰میلیون تن در سال ۲۰۰۱ افزایش یافته‌است (جدول ۶). روند مصرف جهانی تیتانیوم طی سالهای ذکر شده بصورت نوسانی بوده و از یک روند ثابت تبعیت نکرده و مصرف جهانی کانی‌های تیتانیوم در سال ۱۹۹۹ به کمترین میزان در طی سالهای ۲۰۰۱–۱۹۹۷ رسیده‌است. بیشترین آمار مصرف کانی‌های تیتانیوم در جهان مربوط به سال ۲۰۰۰ می‌باشد که حجم مصرفی بالغ بر ۵/۱۰ میلیون تن داشته‌است.[۱۰]

اکستروژن تیتانیوم[ویرایش]

فرایند 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 فرایند شکل‌دهی اکستروژن (داغ) می‌شود. این فرایند به سادگی می‌تواند اجزای ساختاری را با مقاطع مختلف شکل‌دهی کند.[۱۱]

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

در بیشتر فرآیندهای اکستروژن (آلیاژهای) تیتانیوم دستگاه پرس از نیروی هیدرولیک آب بهره می‌گیرد که نسبتاً 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 فرایند 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 فرایند اکستروژن، Ti-6Al-4V (گرید ۵ آلیاژ تیتانیوم) است. برای فرایند اکستروژن این آلیاژ آلفا-بتا، اکستروژن داغ قالب مخروطی استفاده شده‌است.[۱۲]

شرح فرایند[ویرایش]

ابتدا به لقمه تیتانیومیِ آماده شده (می‌تواند خروجیِ فرایند فورج باشد) حرارت داده می‌شود. در حین عملیات حرارت‌دهی و جابه‌جایی برای فرایند اکستروژن لایه‌ای اکسیدی در فاز آلفا بر روی سطح لقمه تشکیل می‌شود که برای فرایند اصلاً مطلوب نیست؛ لذا با غوطه‌ور کردن لقمه درست قبل از فرایند اکستروژن در موادی حاوی شیشه، لایهٔ 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 فرایند نقش روان‌کننده را بازی کند.
دمای فرایند بین ۸۰۰ و ۱۱۵۰ درجه سلسیوس است. چنانچه دمای فرایند بیش از ۱۰۰۰ درجه سلسیوس باشد پوشش شیشه‌ای لازم می‌شود چنان‌که برای اکستروژن تیتانیوم Ti-6Al-4V، فرایند در دمایی حدود ۱۱۵۰ درجه سلسیوس (۲۱۰۰ 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 یا عبور صحیح از دهانه قالب وجود دارد.
برای هرچه بهتر انجام شدن فرایند، 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 فرایند با سرعت بالا بین ۱٫۵ و ۵ ثانیه صورت می‌پذیرد. فشار لازم برای فرایند نیز تا حدود ۲۰۰۰ تن است. برای زدودن لایه شیشه‌ای پس از فرایند 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 ۱٫۸ تن (۴۰۰۰ پوند) بوده‌است.
مزیت عمده این فرایند برای تیتانیوم با توجه به کاربردها، کاهش زمان تولید قطعه در حدود ۱ ساعت است. بدون فرایند اکستروژن تیتانیوم تمام عملیات شکل‌دهی بر عهده فرایند ماشین‌کاری است در حالی که با استفاده از فرایند اکستروژن زمان تولید قطعه بهینه‌تر می‌شود.

کاربرد[ویرایش]

با توجه به مقاومت به خوردگی بالای تیتانیوم و نوع فرایند اکستروژن، خروجی این فرایند 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 داده‌است 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 کرده‌است.

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 پذیری 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 می‌شوند.[۲۴]

مایعات برشی

  • مایعات برشی پایه آبی (مثلاً محلول رقیق آب و روغن) بهترین گزینه برای سرعت‌های برشی بالا می‌باشند.
  • در سرعت‌های کم و عملیات پیچیده به منظور به حداقل رساندن اصطکاک و کاهش تمایل به چسبندگی تیتانیوم از روغن‌های سولفوریزه و کلریناته استفاده می‌شود.
  • در استفاده از روغن‌های کلریناته باید به این نکته توجه کنیم که امکان ایجاد ترک در اثر تنش‌های 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 شده‌است 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 گشته‌است. 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 میلی‌گرم 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. (صفحهٔ راهنما را مطالعه کنید.).
  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