تیتانیوم چیست؟

انسان همواره در تلاش برای دستیابی به بهبود ساخته های خود بوده است. در این راستا نیز از مواد افزودنی مختلفی استفاده کرده و در جهت آن موفق به تولید آلیاژهای مهمی گردیده است. یکی از این عناصر که کاربردهای بسیاری را در صنایع مختلف به خود اختصاص داده، تیتانیوم (Titanium) نامیده می شود. این فلز با نماد Ti نمایش داده می شود و ظاهری براق دارد که با عدد اتمی 22 در جدول تناوبی عناصر با عدد اتمی 22 نشان داده می شود.

 تیتانیوم نیز مانند آهن از سنگ معدنی خود تولید می شود و سپس برای ساخت تجهیزات آن را فراوری می کنند تا ناخالصی های آن جدا گردد. البته یک لایه اکسید نازک بر سطح این فلز وجود دارد که علاوه بر درخشان نشان دادن سطح ظاهری آن، سبب مقاومت تیتانیوم در برابر خوردگی و زنگ زدگی نیز شده است. سایر مزیت های این فلز شامل استحکام کششی، انعطاف پذیری مناسب، چکش خواری و ... می باشند.

تاریخچه تیتانیوم

تیتانیوم در اواخر قرن هجدهم میلادی توسط فردی به نام ویلیام گرگور اهل بریتانیا کشف شد، اما با این وجود تا قرن 20 میلادی کاربردی نداشت؛ زیرا شناختی از ویژگی های آن وجود نداشت. پس از گذشت زمان و کشف ویژگی های تیتانیوم، کاربردهای آن در صنایع مختلفی مانند ساخت توربین، موشک، موتور، بدنه هواپیما، مصارف تجاری و ... افزایش یافت.

همان طور که می دانید محصولات فولادی از استخراج سنگ آهن از معادن و انجام عملیات های فراوری بر روی آن ها تولید می شوند؛ در نتیجه می توان گفت خواص، کیفیت، ویژگی ها و قیمت آهن است که کیفیت و ارزش این مقاطع را مشخص می کند. لازم به ذکر است در بخش آنالیز آهن، خواص و ویژگی های محصول نهایی تعیین شده که با استفاده از افزودن عناصری مانند کربن و تیتانیوم انجام می گیرد.

مشخصات تیتانیوم

از ویژگی های عنصر تیتانیوم می توان به وزن کم و در عین حال استحکام مناسب اشاره کرد. بهتر است بدانید این فلز مقاومت بسیار خوبی نیز در برابر خوردگی داشته که به علت وجود یک لایه اکسید نازکی است که بر سطح آن وجود دارد. از سوی دیگر عنصر تیتانیوم در مقایسه با سایر فلزات رسانایی گرمایی و الکتریکی پایین تری داشته و دمای ذوب بالایی دارد. در واقع تا دمای 1600 درجه سانتی گراد مقاومت دارد. یکی از دلایل کاربرد تیتانیوم در محصولات مختلف و البته حساس، وجود این ویژگی هاست.

سایر ویژگی های تیتانیوم، شامل خاصیت چکش خواری و در نتیجه شکل پذیری بهتر، مقاومت کششی این فلز که با فولاد قابلیت مقایسه و رقابت دارد و البته ارزش بالا می باشند. در واقع می توان گفت این دو ماده از نظر مقاومت کششی شرایط مشابهی داشته، اما از نظر وزنی، تیتانیوم وزن کمتری نسبت به 40 درصد از محصولات فولادی دارد.

ترکیبات شیمیایی

به طور کلی از جمله مهم ترین ترکیبات تیتانیوم با سایر عناصر، می توان به تیتانیوم کلریدها، سولفوریدها، دی اکساید، هالیدها و سولفات ها اشاره داشت که هر کدام دارای خواص و مشخصات مکانیکی خاصی هستند. در واقع تیتانیوم در دسته سبک ترین فلزات قرار گرفته و پس از لیتیوم، آلومینیوم و منیزیم کمترین وزن را به خود اختصاص می دهد. سایر ویژگی هایی که سبب تمایز این آلیاژ از سایر آلیاژها شده است، شامل وزن کم و استحکام بسیار بالا می باشد.

از سوی دیگر می توان به خواص خزشی مناسب و مقاومت به خوردگی بسیار بالا تیتانیوم اشاره داشت. در واقع به همین علت بیشترین کاربرد این فلز در صنایع هوا فضا و پزشکی است. یکی از مهم ترین آلیاژهای تیتانیوم با ترکیبات منحصر به فرد شامل Ti-64 می باشد که بیشتر از 50 درصد از تولیدات جهان توسط آن صورت می گیرد. همچنین ساختار شیمیایی این ماده سبب شده تا تاکنون 36 دسته آلیاژی برای آن در نظر گرفته شود. در ادامه جدول مشخصات شیمیایی این فلز برای شما قرار داده شده است:

درجه سختی

در واقع درجه سختی تیتانیوم بسته به یک سری عوامل مانند خلوص، دما و سرعت بارگذاری می باشد. به طور مثال تیتانیوم خالص و ترکیب نشده با سایر عناصر سختی بیشتری دارد. این عنصر در دماهای بالاتر نرم تر خواهد شد و سختی چندانی نخواهد داشت. همچنین افزایش سرعت بارگذاری سبب کاهش سختی تیتانیوم خواهد. از سوی دیگر درجه سختی این عنصر را از طریق مقیاس راکول اندازه گیری کرده و معمولاً نوع خالص تیتانیوم دارای سختی راکول بین 40 تا 50 می باشد و با افزودن عناصر دیگری مانند آلومینیوم، تانتال و وانادیم، سختی افزایش خواهد یافت.

کاربرد تیتانیوم

به طور کلی تیتانیوم به همراه آلیاژ هایی که دارد، ویژگی های خاصی داشته و کاربردهای بسیاری را در صنایع مختلف به خود اختصاص می دهد. از مهم ترین کاربردهای این فلز می توان به صنایع تجاری، صنعتی، پزشکی، کارخانه ها و تولیدی های مختلف اشاره کرد که در ادامه به بررسی هر کدام پرداخته ایم:

کاربردهای پزشکی

بهتر است بدانید سبک بودن وزن، استحکام و مقاومت در برابر رطوبت سبب کاربرد تیتانیوم در مصارف پزشکی زیر شده است:

• دندانپزشکی

همان طور که ذکر شد، ساختار فلز تیتانیوم دارای یک سری ویژگی است که از مهم ترین آن ها می توان به مقاومت در برابر رطوبت اشاره کرد؛ در نتیجه می تواند به خوبی در مدت زمان زیاد در بدن انسان دوام بیاورد. از این فلز در ایمپلنت های موجود در دندان پزشکی که برای افراد مختلف به کار برده می شود، استفاده می کنند. از دیگر دلایلی که سبب استفاده از تیتانیوم در مصارف دندان پزشکی شده است، می توان به وجود خاصیت دیامغناطیس درون آن اشاره کرد؛ در نتیجه در زمان عکس برداری رادیولوژی و MRI اختلالی درون عملکرد دستگاه ایجاد نشده و کیفیت تصاویر نیز حفظ می گردند.

• جایگزین استخوان

بهتر است بدانید کلا 4 نوع تیتانیوم خالص و خام و 25 نوع آلیاژ ساخته شده به وسیله این فلز وجود دارد. حال با توجه به ویژگی هایی که در بالا به آن ها اشاره شد و در نتیجه سازگاری تیتانیوم با بدن انسان، از آن برای مصارف پزشکی استفاده می کنند؛ زیرا با داشتن مقاومت و استحکام بالا سبب شده تا گلبول های سفید بدن آن را به عنوان مهاجم نشناسند.

با این وجود از این فلز در زمان شکستگی استخوان استفاده شده تا آن را به سایر استخوان های بدن پیوند دهند و در نتیجه امکان رشد و توسعه استخوان را در بدن افزایش دهند. البته در اغلب موارد برای کمتر شدن وزن تیتانیوم آن را به صورت متخلخل پیوند می دهند.

کاربرد های تجاری

از دیگر خواصی که سبب کاربرد بیشتر تیتانیوم شده است، قیمت و ارزش آن می باشد که برای تولید کنندگان و مصرف کنندگان نیز اهمیت دارد. در واقع استفاده از این فلز ارزشمند در کاربرد هایی که در ادامه به آن ها اشاره می کنیم، در قیمت محصولات نهایی اثرگذار است. از این رو بالا بودن نرخ این فلز سبب شده تا برای کاربرد های زیر در برخی مواقع از شیت های روغنی استفاده کنند؛ زیرا قیمت ورق روغنی به سبب ساخت از طریق آهن خام، مقرون به صرفه تر می باشد.

• موتور سیکلت ها و دوچرخه ها

جالب است بدانید بیشترین قسمت های موتور سیکلت و دوچرخه از آلیاژهای تیتانیوم تولید می شود که این موضوع به سبب مقاومت بالای فلز تیتانیوم در برابر ضربه های خارجی و همچنین وزن سبک آن است.

•  ساخت عینک و ساعت

یکی از ویژگی های منحصر به فرد تیتانیوم، حساسیت ایجاد نکردن و داشتن سازگاری مناسب با بدن انسان است. وزن بسیار سبک این فلز سبب شده تا از آن برای ساخت ساعت و فریم های عینک استفاده کنند؛ زیرا علاوه بر این که حساسیتی برای بدن ایجاد نمی کند، به راحتی تحت تأثیر عوامل و نیروهای خارجی قرار نگرفته و آسیبی نمی بیند.

•  ساخت جواهرات زینتی

از دیگر کاربردهای تجاری تیتانیوم می توان به استفاده از آن در مصارف زینتی اشاره کرد. این موضوع نیز به سبب وزن کم و ظرافت بالای این فلز بوده و علاوه بر آن سبب ایجاد حساسیت در بدن نخواهد شد. از جمله این مصارف می توان به ساخت گوشواره، گردنبند، پین کراوات و دکمه سر دست اشاره کرد.

• ساخت چاقوهای آشپزخانه

به طور کلی از آنجایی که ویژگی های تیتانیوم از نظر زیست سازگاری بسیار مناسب می باشد، از آن برای ساخت چاقوهای آشپزخانه استفاده می کنند. همچنین چاقوهایی که از این فلز ساخته می شوند، تا 6 برابر چاقوهای معمولی طول عمر دارند.

کاربرد های صنعتی

استفاده از این ماده در صنعت همواره رو به افزایش است؛ زیرا هر روزه با کشف ویژگی های آن، کاربردهای آن گسترش پیدا می کند. همچنین طول عمر کوتاه سایر فلزات سبب شده تا استفاده از آن ها توجیح اقتصادی نداشته باشد؛ در نتیجه برای کاهش هزینه ها فلز تیتانیوم بسیار بیشتر در صنایع به کار برده می شود.

البته در این بین ورق های شیروانی طول عمری در حدود 30 سال دارند؛ زیرا از ورق گالوانیزه رنگی با مشخصات منحصر به فرد ساخته می شوند. قیمت ورق شیروانی رنگی نیز مقرون به صرفه بوده و از این رو کاربرد به سزایی در پوشش دهی سقف نیروگاه، سوله، خانه و ... دارد. از کاربردهای صنعتی تیتانیوم نیز می توان به موارد زیر اشاره داشت:

• مبدل های حرارتی

فلز تیتانیوم به علت داشتن مقاومت بسیار زیاد به خصوص در برابر حرارت و رطوبت، در ساخت مبدل های حرارتی به کار می رود.

• تیتانیوم در نیروگاه های تولید برق

بهتر است بدانید اغلب نیروگاه های تولید برق در آب شور، با مشکلاتی مانند خوردگی و نفوذ رطوبت به قطعات فلزی و لوله های کندانسور رو به رو هستند؛ از این رو استفاده از فلز تیتانیوم به عنوان یک نوع پوشش، سبب افزایش طول عمر قطعات تا 40 سال خواهد شد.

• تولید و اکتشاف نفت

از دیگر کاربردهای این فلز می توان به کشف و تولید نفت اشاره کرد. این موضوع به علت ویژگی های ساختاری تیتانیوم می باشد که سبب استفاده از آن در تجهیزات دکل های نفتی شده است.

فرآیند استخراج و تولید تیتانیوم

فلز تیتانیوم نیز مانند آهن به طور خام و طبیعی در طبیعت وجود نداشته و به طور معمول با سایر عناصر ترکیب می شود. این ماده نیز از سنگ معدنی تیتانیوم تولید شده که با عنوان دی اکسید تیتانیوم (TiO2) شهرت یافته است. نام دیگر این ماده نیز روتیل (Rutile) بوده و از نظر فراوانی جزو موارد کمیاب به شمار می آید؛ در نتیجه قیمت بالاتری در مقایسه با سایر سنگ های معدنی دارد.

یکی دیگر از سنگ های معدنی که عنصر تیتانیوم در آن وجود دارد، ایلمنایت است که با فرمول شیمیایی  (FeTiO3)معرفی شده و از نظر درصد خلوص، نسبت به سنگ معدنی روتیل، ارزش پایین تری دارد. از فرمول شیمیایی این سنگ معدنی می توان دریافت مقادیری از فلز آهن نیز در آن وجود دارد؛ در نتیجه نحوه فراوری و استخراج آن کمی پیچیده تر از نوع روتیل می باشد. البته بهتر است بدانید از نظر فراوانی، سنگ معدنی ایلمنایت بیشتر از روتیل در معادن یافت می شود؛ در نتیجه ارزش کمتری دارد.

با این وجود روش های مختلفی برای فراوری سنگ های معدنی تیتانیوم وجود دارد که از جمله آن ها می توان به هانتر، کرال، آرمسترانگ و کمبریج اشاره کرد که در ادامه به شرح دو مورد از اصلی ترین آن ها پرداخته ایم:

روش هانتر

ابداع روش هانتر از اوایل قرن 20 میلادی آغاز شد و در آن یک محیط خنثی با دمای 1000 درجه سانتی گراد نیاز است. در این فضا تیتانیوم (TiCl4) برای کاهش میزان تتراکلراید به کار برده می شود. روش هانتر سبب افزایش عیار و خلوص تیتانیوم خواهد شد، اما پس از مدتی روش دیگری به نام کرال جایگزین گردید.

روش کرال

روش کرال یکی از رایج ترین مراحل فراوری تیتانیوم را داشته و شامل 4 مرحله اصلی است. در مرحله ابتدایی تیتانیوم(IV)  کلراید تولید می شود و کلریناسیون سنگ معدن نامیده می شود. برای انجام این مرحله، سنگ معدن تحت شرایط دمایی بالا حدود 1000 درجه سانتی گراد و در دستگاه کلرزن قرار می گیرد.

در مرحله دوم تیتانیوم کلرید وارد فرآیند تقطیر شده تا غلظت آن به بالای 99 درصد افزایش یابد. گام سوم شامل تبدیل تیتانیوم کلرید به اسفنج این ماده است. در نهایت به وسیله واکنش های بعدی و فرآیند قوس الکتریکی، ماده موجود را به شمش تیتانیوم تبدیل می نمایند.

حتما بخوانید:ورق آلومینیوم چیست؟

جمع بندی

در نهایت باید گفت تیتانیوم یکی از اصلی ترین عناصر آلیاژی است که با داشتن ظاهری شبیه به نقره و البته خواص شیمیایی منحصر به فرد، کاربردهای بسیاری را به خود اختصاص می دهد. استحکام مناسب در عین سبک بودن وزن یکی از اصلی ترین ویژگی های تیتانیوم می باشد؛ به همین دلیل در مواردی که نیاز به مقاومت بالا فلزات باشد از تیتانیوم برای ساخت تجهیزات استفاده می کنند. جالب است بدانید عنصر تیتانیوم نسبت به سایر فلزات فولادی حدود 40 درصد وزن کمتری را به خود اختصاص می دهد.

از نکات جالبی که در این مطلب به آن اشاره شد، می توان به سازگاری تیتانیوم با بدن انسان اشاره کرد. این موضوع سبب شده تا از تیتانیوم در بدن انسان به عنوان جایگزین استخوان استفاده کنند. از سایر مصارف این فلز می توان به ساخت ایمپلنت های بدن انسان اشاره کرد. البته تیتانیوم کاربردهای تجاری نیز دارد که از جمله آن ها می توان ساخت عینک و ساعت، جواهرات زینتی، چاقوهای آشپزخانه و ... را نام برد.