עיבוד טיטניום

עיבוד טיטניום, מיצוי טיטניום מעפרותיו והכנת סגסוגות או תרכובות טיטניום לשימוש במוצרים שונים.

טיטניום (Ti) הוא מתכת אפורה רכה, רקיעה, כסופה, עם נקודת התכה של 1,675 מעלות צלזיוס. בשל היווצרותו על פני השטח של סרט תחמוצת שהוא כימי יחסית אינרטי, יש לו עמידות בפני קורוזיה מצוינת ברוב הסביבות הטבעיות. בנוסף, הוא קל במשקל, עם צפיפות (4.51 גרם לסנטימטר מעוקב) באמצע הדרך בין אלומיניום לברזל. השילוב שלו בין צפיפות נמוכה לחוזק גבוה מעניק לו את יחס הכוח-למשקל היעיל ביותר של מתכות נפוצות לטמפרטורות של עד 600 מעלות צלזיוס.

מכיוון שקוטרו האטומי דומה למתכות נפוצות רבות כמו אלומיניום, ברזל, פח ונדיום, ניתן בקלות לסגסוגת טיטניום כדי לשפר את תכונותיו. בדומה לברזל, המתכת יכולה להתקיים בשתי צורות גבישיות: ארוז משושה קרוב (hcp) מתחת ל 883 מעלות צלזיוס (1,621 מעלות צלזיוס) ו מעוקב מרכזי גוף (bcc) בטמפרטורות גבוהות יותר עד לנקודת ההתכה שלו. התנהגות אלוטרופית זו ויכולת הסגסוגת עם אלמנטים רבים גורמים לסגסוגות טיטניום שיש לה מגוון רחב של תכונות מכניות ועמידות בפני קורוזיה.

אף שעפרות טיטניום נמצאים בשפע, הרי תגובתיות גבוהה של המתכת עם חמצן, חנקן ומימן באוויר בטמפרטורות גבוהות מחייבת תהליכי ייצור וייצור ייצור מסובכים ועל כן.

היסטוריה

עפרות טיטניום התגלו לראשונה בשנת 1791 בחולות קרניץ 'על ידי איש דת אנגלי, ויליאם גרגור. הזיהוי בפועל של התחמוצת נעשה כמה שנים אחר כך על ידי כימאי גרמני, MH Klaproth. קלפרוט העניק למרכיב המתכת של תחמוצת זו את השם טיטניום, על שם הטיטאנים, ענקי המיתולוגיה היוונית.

טיטניום מתכתי טהור הופק לראשונה בשנת 1906 או 1910 על ידי מ.א. האנטר במכון הפוליטכני רנססלר (טרוי, ניו יורק, ארה"ב) בשיתוף חברת החשמל הכללית. חוקרים אלה האמינו כי לטיטניום הייתה נקודת התכה של 6,000 מעלות צלזיוס (10,800 מעלות צלזיוס) ולכן הייתה מועמדת לחוטים עם מנורת ליבון, אך כאשר האנטר ייצר מתכת עם נקודת התכה קרוב יותר ל- 1,800 מעלות צלזיוס, המאמץ ננטש. אף על פי כן, האנטר אכן הצביע על כך שהמתכת הייתה בעלת משיכות מסוימת, והשיטה שלו לייצר אותה על ידי תגובת טטראן-כלוריד טיטניום (TiCl ₄) עם נתרן תחת ואקום הוסוו מאוחר יותר וכיום מכונה תהליך האנטר. מתכת בעלת משיכות משמעותית הופקה בשנת 1925 על ידי המדענים ההולנדים AE ואן ארקל וג'ה דה בור, אשר ניתקו טטריאודיד טיטניום על נימה לוהטת בנורת זכוכית מפונה.

בשנת 1932 ייליאם ג'יי קרול מלוקסמבורג ייצר כמויות משמעותיות של טיטניום רקיע על ידי שילוב TiCl ₄ עם סידן. עד שנת 1938 ייצר קרול 20 קילוגרם (50 פאונד) טיטניום והיה משוכנע שיש לו תכונות קורוזיה וחוזק מצוינות. עם תחילת מלחמת העולם השנייה הוא נמלט מאירופה והמשיך בעבודתו בארצות הברית בחברת Union Carbide ובהמשך בלשכת המכרות של ארה"ב. בשלב זה הוא שינה את חומר ההפחתה מסידן למתכת מגנזיום. קרול מוכר כיום כאב לתעשיית הטיטניום המודרנית, ותהליך קרול הוא הבסיס לייצור הטיטניום הנוכחי ביותר.

מחקר של חיל האוויר האמריקני שנערך בשנת 1946 הגיע למסקנה כי סגסוגות מבוססות טיטניום היו חומרים הנדסיים בעלי פוטנציאל חשיבות רבה, מכיוון שהצורך המתעורר ביחס חוזק-משקל גבוה יותר במבני מטוסי סילון ומנועים לא ניתן היה לספק ביעילות על ידי פלדה או אלומיניום.. כתוצאה מכך, משרד ההגנה סיפק תמריצי ייצור כדי להתחיל את ענף הטיטניום בשנת 1950. יכולת תעשייתית דומה הוקמה ביפן, ברית המועצות ובריטניה. לאחר שתנופה זו סופקה על ידי תעשיית התעופה והחלל, הזמינות המוכנה של המתכת הולידה הזדמנויות ליישומים חדשים בשווקים אחרים, כגון עיבוד כימי, רפואה, ייצור חשמל וטיפול בפסולת.

עפרות

טיטניום הוא המתכת המבנית הרביעית בשפע בכדור הארץ, ועליה רק ​​אלומיניום, ברזל ומגנזיום. מרבצי מינרלים מעשיים מפוזרים ברחבי העולם וכוללים אתרים באוסטרליה, ארצות הברית, קנדה, דרום אפריקה, סיירה לאון, אוקראינה, רוסיה, נורווגיה, מלזיה, ומספר מדינות אחרות.

המינרלים השולטים הם רוטיל, המהווה כ 95 אחוז דו תחמוצת טיטניום (TiO ₂), ואילמניט (FeTiO ₃), המכיל 50 עד 65 אחוז TiO ₂. מינרל שלישי, לוקוקסן, הוא שינוי של אילמניט שממנו הודלק חלק מהברזל באופן טבעי. אין לו תוכן טיטניום ספציפי. מינרלים טיטניום מופיעים בתצורות סחף וולקניות. הפקדות מכילות בדרך כלל בין 3 עד 12 אחוז מינרלים כבדים, המורכבים מאילמניט, רוטיל, לוקוקסן, זירקון ומונזיט.