ไทเทเนียม - คำอธิบายขององค์ประกอบพร้อมรูปถ่าย คำอธิบายผลกระทบต่อร่างกายมนุษย์ ตลอดจนความต้องการองค์ประกอบทางเคมีนี้ ลักษณะของโลหะไททาเนียม - คุณสมบัติ, คุณสมบัติของการใช้โลหะ, คุณสมบัติเชิงบวกและเชิงลบ

หมวดที่ 1 ประวัติและการเกิดขึ้นของไททาเนียมในธรรมชาติ

ไทเทเนียม — นี่คือองค์ประกอบของกลุ่มย่อยด้านข้างของกลุ่มที่สี่ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่สี่ของระบบธาตุเคมีของ D. I. Dmitry Ivanovich Mendeleev โดยมีเลขอะตอม 22 สารง่ายๆ ไทเทเนียม(หมายเลข CAS: 7440-32-6) - สีขาวเงินอ่อน มันมีอยู่ในการปรับเปลี่ยนผลึกสองแบบ: α-Ti ที่มีโครงตาข่ายแบบปิดอัดรูปหกเหลี่ยม, β-Ti ที่มีโครงร่างแบบลูกบาศก์ตรงกลาง อุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงแบบโพลีมอร์ฟิค α↔β คือ 883 °C จุดหลอมเหลว 1660±20 °C

ประวัติความเป็นมาและการมีอยู่ตามธรรมชาติของไททาเนียม

ไททาเนียมได้รับการตั้งชื่อตามตัวอักษรกรีกโบราณไททันส์ Martin Klaproth นักเคมีชาวเยอรมันตั้งชื่อด้วยวิธีนี้ด้วยเหตุผลส่วนตัว ซึ่งแตกต่างจากชาวฝรั่งเศสที่พยายามตั้งชื่อตามลักษณะทางเคมีของธาตุ แต่ตั้งแต่นั้นมาก็ไม่ทราบคุณสมบัติของธาตุ จึงเลือกชื่อดังกล่าว

ไททาเนียมเป็นองค์ประกอบลำดับที่ 10 ในแง่ของจำนวนบนโลกของเรา ปริมาณไททาเนียมใน เปลือกโลกเท่ากับ 0.57% โดยน้ำหนัก และ 0.001 มิลลิกรัม ต่อน้ำทะเล 1 ลิตร แหล่งแร่ไทเทเนียมตั้งอยู่ในอาณาเขตของ: Yuzhno สาธารณรัฐแอฟริกา, ยูเครน, สหพันธรัฐรัสเซีย, คาซัคสถาน, ญี่ปุ่น, ออสเตรเลีย, อินเดีย, ซีลอน, บราซิล และเกาหลีใต้.

โดย คุณสมบัติทางกายภาพไททาเนียมไลท์ซิลเวอร์ โลหะนอกจากนี้ มีความหนืดสูงในระหว่างการตัดเฉือนและมีแนวโน้มที่จะเกาะติดกับเครื่องมือตัด ดังนั้นจึงใช้สารหล่อลื่นพิเศษหรือการฉีดพ่นเพื่อกำจัดผลกระทบนี้ ที่อุณหภูมิห้อง มันถูกปกคลุมด้วยฟิล์มโปร่งแสงของ TiO2 ออกไซด์ เนื่องจากมันทนทานต่อการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุด ยกเว้นด่าง ฝุ่นไททาเนียมมีความสามารถในการระเบิด โดยมีจุดวาบไฟ 400 °C เศษไทเทเนียมติดไฟได้

ในการผลิตไททาเนียมบริสุทธิ์หรือโลหะผสม ในกรณีส่วนใหญ่ ไททาเนียมไดออกไซด์จะถูกใช้กับสารประกอบจำนวนเล็กน้อยที่รวมอยู่ในนั้น ตัวอย่างเช่น แร่รูไทล์เข้มข้นที่ได้จากแร่ไททาเนียม แต่ปริมาณสำรองของรูไทล์มีขนาดเล็กมากและเกี่ยวข้องกับสิ่งนี้จึงใช้สิ่งที่เรียกว่ารูไทล์สังเคราะห์หรือตะกรันไททาเนียมที่ได้รับระหว่างการประมวลผลของอิลเมไนต์เข้มข้น

ผู้ค้นพบไทเทเนียมคือวิลเลียม เกรเกอร์ พระชาวอังกฤษวัย 28 ปี ในปี พ.ศ. 2333 ขณะทำการสำรวจแร่ในตำบลของเขา เขาดึงความสนใจไปที่ความแพร่หลายและ คุณสมบัติที่ผิดปกติทรายสีดำในหุบเขา Menakan ทางตะวันตกเฉียงใต้ของสหราชอาณาจักรและเริ่มสำรวจ ที่ ทรายนักบวชค้นพบเม็ดแร่สีดำแวววาวซึ่งดึงดูดด้วยแม่เหล็กธรรมดา ได้รับในปี 1925 โดย Van Arkel และ de Boer โดยวิธีไอโอไดด์ ไททาเนียมที่บริสุทธิ์ที่สุดกลายเป็นความเหนียวและเทคโนโลยี โลหะด้วยคุณสมบัติอันทรงคุณค่ามากมายที่ได้รับความสนใจจากนักออกแบบและวิศวกรหลากหลายสาขา ในปีพ.ศ. 2483 Croll ได้เสนอวิธีการสกัดด้วยความร้อนด้วยแมกนีเซียมเพื่อสกัดไทเทเนียมออกจากแร่ ซึ่งยังคงเป็นวิธีหลักในปัจจุบัน ในปี 1947 มีการผลิตไททาเนียมบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์หนัก 45 กก. เป็นครั้งแรก

ที่ ระบบธาตุองค์ประกอบ เมนเดเลเยฟ ดมิทรี อิวาโนวิชไททาเนียมมีหมายเลขซีเรียล 22 มวลอะตอมของไททาเนียมธรรมชาติซึ่งคำนวณจากผลการศึกษาไอโซโทปของมันคือ 47.926 ดังนั้น นิวเคลียสของอะตอมไททาเนียมที่เป็นกลางจึงมีโปรตอน 22 ตัว จำนวนนิวตรอนซึ่งก็คืออนุภาคที่ไม่มีประจุที่เป็นกลางนั้นแตกต่างกัน: บ่อยกว่า 26 แต่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 24 ถึง 28 ดังนั้นจำนวนไอโซโทปไทเทเนียมจึงแตกต่างกัน ขณะนี้ทราบไอโซโทปของธาตุหมายเลข 22 ทั้งหมด 13 ไอโซโทป ไททาเนียมธรรมชาติประกอบด้วยส่วนผสมของไอโซโทปที่เสถียร 5 ไอโซโทป ไททาเนียม-48 เป็นตัวแทนอย่างกว้างขวางที่สุด ส่วนแบ่งในแร่ธรรมชาติคือ 73.99% ไทเทเนียมและองค์ประกอบอื่น ๆ ของกลุ่มย่อย IVB มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกันมากกับองค์ประกอบของกลุ่มย่อย IIIB (กลุ่มสแกนเดียม) แม้ว่าพวกเขาจะแตกต่างจากกลุ่มหลังในความสามารถในการแสดงวาเลนซ์ขนาดใหญ่ ความคล้ายคลึงกันของไททาเนียมกับสแกนเดียม อิตเทรียม เช่นเดียวกับองค์ประกอบของกลุ่มย่อย VB - วาเนเดียมและไนโอเบียม ก็แสดงให้เห็นเช่นกันว่าไททาเนียมมักพบในแร่ธาตุธรรมชาติร่วมกับองค์ประกอบเหล่านี้ ด้วยโมโนวาเลนต์ฮาโลเจน (ฟลูออรีน โบรมีน คลอรีน และไอโอดีน) จึงสามารถสร้างสารประกอบได-ไตร- และเตตระ โดยมีกำมะถันและองค์ประกอบในกลุ่ม (ซีลีเนียม เทลลูเรียม) - โมโนและไดซัลไฟด์ กับออกซิเจน - ออกไซด์ ไดออกไซด์ และไตรออกไซด์ .

ไททาเนียมยังสร้างสารประกอบด้วยไฮโดรเจน (ไฮไดรด์) ไนโตรเจน (ไนไตรด์) คาร์บอน (คาร์ไบด์) ฟอสฟอรัส (ฟอสไฟด์) สารหนู (arsides) รวมถึงสารประกอบที่มีโลหะหลายชนิด - สารประกอบระหว่างโลหะ ไททาเนียมไม่เพียงแค่ก่อตัวง่ายเท่านั้น แต่ยังมีสารประกอบที่ซับซ้อนมากมาย ซึ่งสารประกอบหลายชนิดของมันก็มี อินทรียฺวัตถุ. ดังที่เห็นได้จากรายชื่อสารประกอบที่ไททาเนียมสามารถเข้าร่วมได้ ไททาเนียมมีฤทธิ์ทางเคมีสูงมาก และในขณะเดียวกัน ไททาเนียมเป็นหนึ่งในโลหะไม่กี่ชนิดที่มีความต้านทานการกัดกร่อนสูงเป็นพิเศษ ทนทานต่อการกัดกร่อนในบรรยากาศในอากาศ ในน้ำเย็นและน้ำเดือด และทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีมาก น้ำทะเลในสารละลายของเกลือหลายชนิด กรดอนินทรีย์และกรดอินทรีย์ ในแง่ของความทนทานต่อการกัดกร่อนในน้ำทะเลนั้นเหนือกว่าโลหะทุกชนิด ยกเว้นโลหะชั้นสูง เช่น ทองคำ แพลทินัม ฯลฯ เหล็กกล้าไร้สนิม นิกเกิล ทองแดง และโลหะผสมอื่นๆ ส่วนใหญ่ ในน้ำ ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ไททาเนียมบริสุทธิ์จะไม่ถูกกัดกร่อน ต้านทานไททาเนียมและการกัดกร่อนจากการสึกกร่อนซึ่งเป็นผลมาจากการผสมผสานระหว่างผลกระทบทางเคมีและทางกล ในเรื่องนี้เขาไม่ได้ด้อยกว่า แบรนด์ที่ดีที่สุดเหล็กกล้าไร้สนิม โลหะผสมที่มีคิวรัมเป็นส่วนประกอบหลัก และวัสดุโครงสร้างอื่นๆ ไททาเนียมยังต้านทานการกัดกร่อนจากความเมื่อยล้าได้ดี ซึ่งมักจะแสดงออกในรูปแบบของการละเมิดความสมบูรณ์และความแข็งแรงของโลหะ (การแตกร้าว ศูนย์กลางการกัดกร่อนเฉพาะที่ ฯลฯ) พฤติกรรมของไททาเนียมในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น ไนโตรเจน ไฮโดรคลอริก กำมะถัน "กรดกัดทอง" และกรดและด่างอื่นๆ เป็นสิ่งที่น่าแปลกใจและน่าชื่นชมสำหรับโลหะชนิดนี้

ไททาเนียมเป็นโลหะที่ทนไฟมาก เวลานานเชื่อกันว่าละลายที่อุณหภูมิ 1800 ° C แต่ในช่วงกลางทศวรรษที่ 50 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Diardorf และ Hayes ได้กำหนดจุดหลอมเหลวของธาตุไทเทเนียมบริสุทธิ์ ไทเทเนียมมีค่าอยู่ที่ 1668 ± 3 °C ในแง่ของการหักเหของแสง ไททาเนียมเป็นโลหะอันดับสองรองจากโลหะเช่นทังสเตน แทนทาลัม ไนโอเบียม รีเนียม โมลิบดีนัม พลาตินอยด์ เซอร์โคเนียม และในบรรดาโลหะที่มีโครงสร้างหลัก คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของไททาเนียมในฐานะโลหะคือเอกลักษณ์ของมัน ลักษณะทางเคมีกายภาพ: ความหนาแน่นต่ำ, ความแข็งแรงสูง, ความแข็ง ฯลฯ สิ่งสำคัญคือคุณสมบัติเหล่านี้ไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญที่อุณหภูมิสูง

ไททาเนียมเป็นโลหะเบา มีความหนาแน่นที่ 0°C เพียง 4.517 g/cm8 และที่ 100°C อยู่ที่ 4.506 g/cm3 ไทเทเนียมอยู่ในกลุ่มของโลหะที่มีความถ่วงจำเพาะน้อยกว่า 5 g/cm3 ซึ่งรวมถึงทั้งหมด โลหะอัลคาไล(โซเดียม, แคเดียม, ลิเธียม, รูบิเดียม, ซีเซียม) ที่มีความถ่วงจำเพาะ 0.9-1.5 g / cm3, แมกนีเซียม (1.7 g / cm3), (2.7 g / cm3) และอื่นๆ ไททาเนียมหนักกว่า 1.5 เท่า อลูมิเนียมและแน่นอนว่าเขาแพ้ในเรื่องนี้ แต่ในทางกลับกันมันเบากว่าเหล็ก 1.5 เท่า (7.8 g / cm3) อย่างไรก็ตาม ครองตำแหน่งระดับกลางในแง่ของความหนาแน่นเฉพาะระหว่าง อลูมิเนียมและเหล็ก ไททาเนียมมีคุณสมบัติเชิงกลเหนือกว่าพวกมันหลายเท่า) ไทเทเนียมมีความแข็งมาก: แข็งกว่าอลูมิเนียม 12 เท่า 4 เท่า ต่อมและ คัพรัม. คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งของโลหะคือความแข็งแรงของคราก ยิ่งสูงเท่าไร ชิ้นส่วนที่ทำจากโลหะนี้ก็จะต้านทานภาระการทำงานได้ดีขึ้นเท่านั้น ความแข็งแรงของผลผลิตของไททาเนียมสูงกว่าอลูมิเนียมเกือบ 18 เท่า ความแข็งแรงเฉพาะของโลหะผสมไททาเนียมสามารถเพิ่มขึ้นได้ 1.5-2 เท่า สูงของเขา คุณสมบัติทางกลเก็บรักษาไว้อย่างดีที่อุณหภูมิสูงถึงหลายร้อยองศา ไททาเนียมบริสุทธิ์เหมาะสำหรับงานทุกประเภทในสภาวะร้อนและเย็น: สามารถตีขึ้นรูปได้ เหล็กดึงและแม้แต่ทำเป็นลวดม้วนเป็นแผ่นเทปเป็นฟอยล์หนาสูงสุด 0.01 มม.

ไททาเนียมมีความต้านทานไฟฟ้าที่สำคัญ ซึ่งแตกต่างจากโลหะส่วนใหญ่: หากค่าการนำไฟฟ้าของเงินเท่ากับ 100 ค่าการนำไฟฟ้า คัพรัมเท่ากับ 94, อลูมิเนียม - 60, เหล็กและ แพลทินัม-15 ในขณะที่ไทเทเนียมอยู่ที่ 3.8 เท่านั้น ไททาเนียมเป็นโลหะพาราแมกเนติก มันไม่ได้ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กเหมือนในสนามแม่เหล็ก แต่มันไม่ถูกผลักออกจากมัน เช่น ความไวต่อแม่เหล็กของมันอ่อนมาก คุณสมบัตินี้สามารถใช้ในการก่อสร้างได้ ไททาเนียมมีค่าการนำความร้อนค่อนข้างต่ำ เพียง 22.07 W / (mK) ซึ่งต่ำกว่าค่าการนำความร้อนของเหล็กประมาณ 3 เท่า แมกนีเซียม 7 เท่า อลูมิเนียมและคิวรัม 17-20 เท่า ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นของไทเทเนียมจึงต่ำกว่าวัสดุโครงสร้างอื่น ๆ ที่ 20 C ต่ำกว่าเหล็ก 1.5 เท่า 2 - สำหรับคิวรัมและเกือบ 3 - สำหรับอลูมิเนียม ดังนั้นไททาเนียมจึงเป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนที่ไม่ดี

วันนี้โลหะผสมไททาเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีการบิน โลหะผสมไททาเนียมในระดับอุตสาหกรรมถูกนำมาใช้ครั้งแรกในโครงสร้างเครื่องบิน เครื่องยนต์เจ็ท. การใช้ไททาเนียมในการออกแบบเครื่องยนต์ไอพ่นทำให้สามารถลดน้ำหนักลงได้ 10...25% โดยเฉพาะจาก โลหะผสมไททาเนียมผลิตแผ่นและใบมีดคอมเพรสเซอร์ ชิ้นส่วนท่อดูดอากาศ ใบพัดนำทาง และตัวยึด โลหะผสมไททาเนียมเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับเครื่องบินความเร็วเหนือเสียง การเพิ่มความเร็วในการบินของเครื่องบินทำให้อุณหภูมิของผิวหนังเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นผลมาจากการที่อลูมิเนียมอัลลอยด์ไม่เป็นไปตามข้อกำหนดที่กำหนดโดยเทคโนโลยีการบินที่ความเร็วเหนือเสียงอีกต่อไป อุณหภูมิของผิวหนังในกรณีนี้สูงถึง 246...316 °C ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ไททาเนียมอัลลอยด์กลายเป็นวัสดุที่ยอมรับได้มากที่สุด ในช่วงทศวรรษที่ 70 การใช้โลหะผสมไททาเนียมสำหรับโครงเครื่องบินของเครื่องบินพลเรือนเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในเครื่องบินระยะกลาง TU-204 มวลรวมของชิ้นส่วนที่ทำจากโลหะผสมไททาเนียมคือ 2570 กก. การใช้ไททาเนียมในเฮลิคอปเตอร์ค่อยๆ ขยายตัว ส่วนใหญ่ใช้สำหรับชิ้นส่วนของระบบโรเตอร์หลัก ระบบขับเคลื่อน และระบบควบคุม สถานที่สำคัญถูกครอบครองโดยโลหะผสมไททาเนียมในวิทยาศาสตร์จรวด

เนื่องจากความทนทานต่อการกัดกร่อนสูงในน้ำทะเล ไททาเนียมและโลหะผสมจึงถูกนำมาใช้ในการต่อเรือเพื่อผลิตใบพัด การชุบผิวเรือ เรือดำน้ำตอร์ปิโด เป็นต้น เปลือกไม่ติดกับไททาเนียมและโลหะผสม ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานของภาชนะอย่างมากเมื่อมันเคลื่อนที่ พื้นที่ของการประยุกต์ใช้ไททาเนียมค่อยๆขยายตัว ไททาเนียมและโลหะผสมของมันถูกใช้ในอุตสาหกรรมเคมี ปิโตรเคมี เยื่อกระดาษและกระดาษและอาหาร โลหะวิทยาที่ไม่ใช่เหล็ก วิศวกรรมไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีนิวเคลียร์ การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า ในการผลิตอาวุธ การผลิตแผ่นเกราะ เครื่องมือผ่าตัด การผ่าตัดปลูกถ่าย โรงกลั่นน้ำทะเล ชิ้นส่วนรถแข่ง อุปกรณ์กีฬา (ไม้กอล์ฟ อุปกรณ์ปีนเขา) ชิ้นส่วนนาฬิกา และแม้แต่เครื่องประดับ การไนไตรด์ของไททาเนียมทำให้เกิดฟิล์มสีทองบนพื้นผิว ซึ่งความงามไม่ด้อยกว่าทองคำแท้

การค้นพบ TiO2 เกิดขึ้นเกือบพร้อมกันและเป็นอิสระโดย W. Gregor ชาวอังกฤษ และ M. G. Klaproth นักเคมีชาวเยอรมัน W. Gregor การตรวจสอบองค์ประกอบของต่อมแม่เหล็ก ทราย(Creed, Cornwall, England, 1791) แยก "ดิน" ใหม่ (ออกไซด์) ของโลหะที่ไม่รู้จักซึ่งเขาเรียกว่าเมนาเคน ในปี พ.ศ. 2338 Klaproth นักเคมีชาวเยอรมันได้ค้นพบ แร่รูไทล์เป็นธาตุใหม่และเรียกมันว่าไททาเนียม สองปีต่อมา Klaproth ได้พิสูจน์แล้วว่ารูไทล์และเมนาเคนิกออกไซด์เป็นออกไซด์ของธาตุชนิดเดียวกัน ซึ่งชื่อ "ไททาเนียม" ที่ Klaproth เสนอนั้นยังคงอยู่ หลังจากผ่านไป 10 ปี การค้นพบไททาเนียมเกิดขึ้นเป็นครั้งที่สาม นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส L. Vauquelin ค้นพบไททาเนียมในอนาเทสและพิสูจน์ว่ารูไทล์และอนาเทสเป็นไททาเนียมออกไซด์ที่เหมือนกัน

การค้นพบ TiO2 เกิดขึ้นเกือบพร้อมกันและเป็นอิสระโดย W. Gregor ชาวอังกฤษ และ M. G. Klaproth นักเคมีชาวเยอรมัน W. Gregor ศึกษาองค์ประกอบของทรายเฟอร์รูจินัสแม่เหล็ก (Creed, Cornwall, England, 1791) แยก "ดิน" ใหม่ (ออกไซด์) ของโลหะที่ไม่รู้จักซึ่งเขาเรียกว่าเมนาเคน ในปี พ.ศ. 2338 Klaproth นักเคมีชาวเยอรมันได้ค้นพบ แร่รูไทล์เป็นธาตุใหม่และเรียกมันว่าไททาเนียม สองปีต่อมา Klaproth ได้พิสูจน์แล้วว่าแร่รูไทล์และแร่เมนาเคนเอิร์ธเป็นออกไซด์ของธาตุชนิดเดียวกัน ซึ่งชื่อ "ไททาเนียม" ที่ Klaproth เสนอนั้นยังคงอยู่ หลังจากผ่านไป 10 ปี การค้นพบไททาเนียมเกิดขึ้นเป็นครั้งที่สาม นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส L. Vauquelin ค้นพบไททาเนียมในอนาเทสและพิสูจน์ว่ารูไทล์และอนาเทสเป็นไททาเนียมออกไซด์ที่เหมือนกัน

ตัวอย่างแรกของโลหะไทเทเนียมได้รับในปี พ.ศ. 2368 โดย J. Ya. Berzelius เนื่องจากไทเทเนียมมีกิจกรรมทางเคมีสูงและความซับซ้อนของการทำให้บริสุทธิ์ Dutch A. van Arkel และ I. de Boer ได้รับตัวอย่าง Ti ที่บริสุทธิ์ในปี 1925 โดยการสลายตัวด้วยความร้อนของไอไทเทเนียมไอโอไดด์ TiI4

ไททาเนียมมีมากเป็นอันดับที่ 10 ในธรรมชาติ ปริมาณในเปลือกโลก 0.57% โดยมวล ในน้ำทะเล 0.001 มก./ล. ในหินอัลตราเบสิก 300 ก./ตัน ในหินพื้นฐาน 9 กก./ตัน ในหินที่เป็นกรด 2.3 กก./ตัน ในดินเหนียวและหินดินดาน 4.5 กก./ตัน ในเปลือกโลก ไททาเนียมมักเป็นสารเตตระวาเลนต์และมีอยู่ในสารประกอบออกซิเจนเท่านั้น มันไม่ได้เกิดขึ้นในรูปแบบอิสระ ไททาเนียมภายใต้สภาพดินฟ้าอากาศและการตกตะกอนมีความสัมพันธ์ทางธรณีเคมีกับ Al2O3 มีความเข้มข้นในบอกไซต์ของเปลือกโลกที่ผุกร่อนและในตะกอนดินเหนียวในทะเล การถ่ายโอนไททาเนียมนั้นดำเนินการในรูปแบบของชิ้นส่วนเชิงกลของแร่ธาตุและในรูปของคอลลอยด์ TiO2 สูงถึง 30% โดยน้ำหนักสะสมอยู่ในดินเหนียวบางชนิด แร่ธาตุไททาเนียมทนทานต่อสภาพดินฟ้าอากาศและสร้างความเข้มข้นสูงในเพลเซอร์ รู้จักแร่ธาตุมากกว่า 100 ชนิดที่มีไททาเนียม สิ่งที่สำคัญที่สุดคือ: rutile TiO2, ilmenite FeTiO3, titanomagnetite FeTiO3 + Fe3O4, perovskite CaTiO3, titanite CaTiSiO5 มีแร่ไททาเนียมหลัก - ilmenite-titanomagnetite และ placer - rutile-ilmenite-zircon

แร่หลัก: อิลเมไนต์ (FeTiO3), รูไทล์ (TiO2), ไททาไนต์ (CaTiSiO5)

ในปี 2545 90% ของไททาเนียมที่ขุดได้ถูกนำไปใช้เพื่อผลิตไททาเนียมไดออกไซด์ TiO2 การผลิตไททาเนียมไดออกไซด์ของโลกอยู่ที่ 4.5 ล้านตันต่อปี ปริมาณสำรองที่พิสูจน์แล้วของไททาเนียมไดออกไซด์ (ไม่มี สหพันธรัฐรัสเซีย) มีประมาณ 800 ล้านตัน สำหรับปี 2549 ตามการสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐอเมริกาในแง่ของไททาเนียมไดออกไซด์และไม่รวม สหพันธรัฐรัสเซียปริมาณสำรองของแร่ ilmenite อยู่ที่ 603-673 ล้านตันและ rutile - 49.7-52.7 ล้านตัน ดังนั้นในอัตราการผลิตปัจจุบันของปริมาณสำรองไทเทเนียมที่พิสูจน์แล้วของโลก ปีที่.

รัสเซียมีไทเทเนียมสำรองมากเป็นอันดับสองของโลกรองจากจีน ฐานทรัพยากรแร่ของไทเทเนียมในสหพันธรัฐรัสเซียประกอบด้วยแหล่งแร่ 20 แห่ง (ซึ่ง 11 แห่งเป็นฐานหลักและ 9 แห่ง) ซึ่งกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วประเทศ เงินฝากที่ใหญ่ที่สุดที่สำรวจ (Yaregskoye) อยู่ห่างจากเมือง Ukhta (สาธารณรัฐ Komi) 25 กม. ปริมาณสำรองของเงินฝากอยู่ที่ประมาณ 2 พันล้านตันของแร่โดยมีปริมาณไททาเนียมไดออกไซด์เฉลี่ยประมาณ 10%

ผู้ผลิตไททาเนียมรายใหญ่ที่สุดของโลกคือองค์กร VSMPO-AVISMA ของรัสเซีย

ตามกฎแล้ว วัสดุเริ่มต้นสำหรับการผลิตไททาเนียมและสารประกอบของมันคือไททาเนียมไดออกไซด์ที่มีสิ่งเจือปนค่อนข้างน้อย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันสามารถเป็นความเข้มข้นของรูไทล์ที่ได้รับระหว่างการเสริมแร่ไททาเนียม อย่างไรก็ตามปริมาณสำรองของแร่ไหมทองในโลกมี จำกัด มากและมักใช้แร่รูไทล์สังเคราะห์หรือตะกรันไททาเนียมซึ่งได้รับระหว่างการประมวลผลของอิลเมไนต์เข้มข้น เพื่อให้ได้ตะกรันไททาเนียม ความเข้มข้นของอิลเมไนต์จะลดลงในเตาอาร์คไฟฟ้า ในขณะที่เหล็กจะถูกแยกออกเป็นเฟสโลหะ () และไททาเนียมออกไซด์และสิ่งสกปรกที่ลดลงจะไม่ก่อให้เกิดเฟสของตะกรัน ตะกรันที่อุดมไปด้วยจะถูกประมวลผลโดยวิธีคลอไรด์หรือกรดซัลฟิวริก

ในรูปบริสุทธิ์และในรูปของโลหะผสม

อนุสาวรีย์ไทเทเนียมของ Gagarin บน Leninsky Prospekt ในมอสโกว

โลหะใช้ใน: เคมี อุตสาหกรรม(เครื่องปฏิกรณ์, ท่อส่ง, ปั๊ม, อุปกรณ์ท่อ), การทหาร อุตสาหกรรม(ชุดเกราะ ชุดเกราะและแผงกันไฟในการบิน ตัวถังเรือดำน้ำ) กระบวนการทางอุตสาหกรรม (โรงงานกลั่นน้ำทะเล กระบวนการเยื่อกระดาษและกระดาษ), อุตสาหกรรมยานยนต์, อุตสาหกรรมการเกษตร, อุตสาหกรรมอาหาร, เครื่องประดับเจาะ, อุตสาหกรรมการแพทย์ (ขาเทียม, กระดูกเทียม), เครื่องมือทันตกรรมและเอ็นโดดอนต์, รากฟันเทียม, สินค้ากีฬา, เครื่องประดับ (Alexander Khomov), โทรศัพท์มือถือ, โลหะผสมเบา ฯลฯ เป็นวัสดุโครงสร้างที่สำคัญที่สุดในการต่อเครื่องบิน จรวด และการต่อเรือ

การหล่อไทเทเนียมดำเนินการในเตาสุญญากาศในแม่พิมพ์กราไฟต์ นอกจากนี้ยังใช้การหล่อการลงทุนแบบสุญญากาศ เนื่องจากความยุ่งยากทางเทคโนโลยีจึงถูกนำมาใช้ในการคัดเลือกนักแสดงในระดับที่จำกัด ประติมากรรมไททาเนียมหล่อชิ้นแรกของโลกคืออนุสาวรีย์ของยูริ กาการินบนจัตุรัสที่ตั้งชื่อตามเขาในมอสโกว

ไททาเนียมเป็นส่วนเสริมของโลหะผสมในอัลลอยด์หลายชนิด เหล็กและโลหะผสมพิเศษสุด

นิทินอล (นิกเกิล-ไททาเนียม) เป็นโลหะผสมจำรูปร่างที่ใช้ในทางการแพทย์และเทคโนโลยี

ไททาเนียมอะลูมิไนด์มีความทนทานต่อการเกิดออกซิเดชันและทนความร้อนสูง ซึ่งส่งผลให้ใช้ในอุตสาหกรรมการบินและยานยนต์ในฐานะวัสดุโครงสร้าง

ไททาเนียมเป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในปั๊มสุญญากาศสูง

ไททาเนียมไดออกไซด์สีขาว (TiO2) ใช้ในสี (เช่น สีขาวไทเทเนียม) เช่นเดียวกับในการผลิตกระดาษและพลาสติก อาหารเสริม E171.

สารประกอบออร์กาโนไททาเนียม (เช่น tetrabutoxytitanium) ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและสารทำให้แข็งในอุตสาหกรรมเคมีและสี

สารประกอบไททาเนียมอนินทรีย์ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเคมี อิเล็กทรอนิกส์ ใยแก้ว เป็นสารเติมแต่งหรือสารเคลือบผิว

ไททาเนียมคาร์ไบด์, ไททาเนียมไดโบไรด์, ไททาเนียมคาร์โบไนไตรด์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของวัสดุที่แข็งยิ่งยวดสำหรับการแปรรูปโลหะ

ไททาเนียมไนไตรด์ใช้เคลือบเครื่องมือ โดมโบสถ์ และในการผลิตเครื่องประดับเครื่องแต่งกายเพราะ มีสีคล้าย.

แบเรียมไททาเนต BaTiO3, ตะกั่วไททาเนต PbTiO3 และไททาเนตอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่งเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก

มีโลหะผสมไททาเนียมหลายชนิดที่มีโลหะต่างกัน องค์ประกอบการผสมแบ่งออกเป็นสามกลุ่มขึ้นอยู่กับผลกระทบต่ออุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงแบบโพลีมอร์ฟิค: สารทำให้เสถียรแบบเบต้า สารทำให้เสถียรแบบอัลฟา และสารชุบแข็งที่เป็นกลาง อดีตลดอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง, เพิ่มหลัง, และหลังไม่ส่งผลกระทบต่อมัน, แต่นำไปสู่การแข็งตัวของสารละลายของเมทริกซ์ ตัวอย่างของสารทำให้เสถียรแบบแอลฟา: , ออกซิเจน, คาร์บอน, ไนโตรเจน สารทำให้เสถียรเบต้า: โมลิบดีนัม, วาเนเดียม, เหล็ก, โครเมียม, Ni สารชุบแข็งที่เป็นกลาง: เซอร์โคเนียม, ซิลิกอน ในทางกลับกัน สารเพิ่มความคงตัวของเบต้าจะแบ่งออกเป็นเบต้าไอโซมอร์ฟิคและเบต้ายูเทคตอยด์ โลหะผสมไททาเนียมที่พบมากที่สุดคือโลหะผสม Ti-6Al-4V (VT6 ในการจำแนกประเภทรัสเซีย)

ในปี 2548 บริษัทบริษัทไททาเนียมได้ตีพิมพ์ประมาณการปริมาณการใช้ไททาเนียมในโลกต่อไปนี้:

13% - กระดาษ

7% - วิศวกรรมเครื่องกล

กิโลละ 15-25 เหรียญ แล้วแต่ความปราณีต

ความบริสุทธิ์และเกรดของไททาเนียมหยาบ (ฟองน้ำไททาเนียม) มักจะถูกกำหนดโดยความแข็ง ซึ่งขึ้นอยู่กับเนื้อหาของสิ่งเจือปน ยี่ห้อที่พบมากที่สุดคือ TG100 และ TG110

ปัจจุบันกลุ่มตลาดสินค้าอุปโภคบริโภคเป็นกลุ่มตลาดไททาเนียมที่เติบโตเร็วที่สุด ในขณะที่เมื่อ 10 ปีที่แล้ว กลุ่มผลิตภัณฑ์นี้เป็นเพียง 1-2 ของตลาดไททาเนียม ปัจจุบันได้เติบโตขึ้นเป็น 8-10 ของตลาด โดยรวมแล้ว การบริโภคไททาเนียมในอุตสาหกรรมสินค้าอุปโภคบริโภคเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าของอัตราตลาดไททาเนียมทั้งหมด การใช้ไททาเนียมในกีฬาเป็นสิ่งที่ดำเนินมายาวนานที่สุดและครองส่วนแบ่งที่ใหญ่ที่สุดของการใช้ไททาเนียมในสินค้าอุปโภคบริโภค เหตุผลสำหรับความนิยมของไทเทเนียมในอุปกรณ์กีฬานั้นง่ายมาก - ช่วยให้คุณได้รับอัตราส่วนน้ำหนักและความแข็งแรงที่เหนือกว่าโลหะชนิดอื่น การใช้ไทเทเนียมในจักรยานเริ่มขึ้นเมื่อประมาณ 25-30 ปีก่อน และเป็นการใช้ไทเทเนียมในอุปกรณ์กีฬาเป็นครั้งแรก ส่วนใหญ่จะใช้ท่อโลหะผสม Ti3Al-2.5V ASTM เกรด 9 ส่วนอื่น ๆ ที่ทำจากโลหะผสมไททาเนียม ได้แก่ เบรค สเตอร์ และสปริงเบาะนั่ง การใช้ไทเทเนียมในการผลิตไม้กอล์ฟเริ่มขึ้นในช่วงปลายยุค 80 และต้นยุค 90 โดยผู้ผลิตไม้กอล์ฟในประเทศญี่ปุ่น ก่อนปี พ.ศ. 2537-2538 การประยุกต์ใช้ไททาเนียมนี้แทบไม่มีใครรู้จักในสหรัฐอเมริกาและยุโรป สิ่งนี้เปลี่ยนไปเมื่อ Callaway เปิดตัวแท่งไททาเนียม Ruger ที่เรียกว่า Great Big Bertha สู่ตลาด เนื่องจากประโยชน์ที่ชัดเจนและการตลาดที่คิดมาเป็นอย่างดีจาก Callaway ทำให้แท่งไททาเนียมกลายเป็นที่นิยมในทันที ภายในระยะเวลาสั้นๆ ไม้กอล์ฟไทเทเนียมได้เปลี่ยนจากสินค้าคงคลังราคาแพงของนักเก็งกำไรกลุ่มเล็กๆ ไปสู่การใช้อย่างแพร่หลายโดยนักกอล์ฟส่วนใหญ่ ในขณะที่ยังคงมีราคาแพงกว่าไม้กอล์ฟเหล็ก ผมขออ้างอิงหลักตามความเห็นของผมคือแนวโน้มในการพัฒนาตลาดกอล์ฟซึ่งเปลี่ยนจากเทคโนโลยีขั้นสูงไปสู่การผลิตจำนวนมากในระยะเวลาอันสั้น 4-5 ปี ตามแนวทางของอุตสาหกรรมอื่นที่มีต้นทุนแรงงานสูงเช่น ในขณะที่การผลิตเสื้อผ้า ของเล่น และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การผลิตไม้กอล์ฟได้เข้ามา ประเทศด้วยแรงงานที่ถูกที่สุดก่อนไปที่ไต้หวัน จากนั้นจึงไปที่จีน และตอนนี้โรงงานกำลังถูกสร้างขึ้นในประเทศที่มีแรงงานถูกกว่า เช่น เวียดนามและไทย ไททาเนียมถูกนำมาใช้สำหรับไดรเวอร์อย่างแน่นอน ซึ่งคุณภาพที่เหนือกว่านั้นให้ข้อได้เปรียบที่ชัดเจนและให้เหตุผลที่สูงกว่า ราคา. อย่างไรก็ตาม ไททาเนียมยังไม่พบว่ามีการใช้อย่างแพร่หลายในไม้กอล์ฟรุ่นต่อๆ ไป เนื่องจากต้นทุนที่เพิ่มขึ้นอย่างมากไม่สอดคล้องกับการปรับปรุงที่สอดคล้องกันในเกม ปัจจุบัน ไดรเวอร์ส่วนใหญ่ผลิตขึ้นด้วยพื้นผิวตีขึ้นรูป หล่อด้านล่าง ขีด จำกัด ของปัจจัยการคืนตัวซึ่งเกี่ยวข้องกับการที่ผู้ผลิตไม้กอล์ฟทุกรายจะพยายามเพิ่มคุณสมบัติสปริงของพื้นผิวที่โดดเด่น ในการทำเช่นนี้ จำเป็นต้องลดความหนาของพื้นผิวกระแทกและใช้โลหะผสมที่แข็งแรงกว่า เช่น SP700, 15-3-3-3 และ VT-23 ตอนนี้เรามาเน้นที่การใช้ไททาเนียมและโลหะผสมของไทเทเนียมกัน อุปกรณ์กีฬา. ท่อจักรยานแข่งและชิ้นส่วนอื่นๆ ทำจากโลหะผสม ASTM เกรด 9 Ti3Al-2.5V มีการใช้แผ่นไททาเนียมจำนวนมากอย่างน่าประหลาดใจในการผลิตมีดดำน้ำลึก ผู้ผลิตส่วนใหญ่ใช้โลหะผสม Ti6Al-4V แต่โลหะผสมนี้ไม่มีความทนทานที่ขอบใบมีดเหมือนโลหะผสมที่แข็งแรงกว่าอื่นๆ ผู้ผลิตบางรายกำลังเปลี่ยนไปใช้โลหะผสม BT23

ไทเทเนียม. องค์ประกอบทางเคมีสัญลักษณ์ Ti (lat. Titanium ค้นพบในปี 1795 ปีและได้รับการตั้งชื่อตามฮีโร่ของมหากาพย์ไททันของกรีก) . มีซีเรียลนัมเบอร์ 22, น้ำหนักอะตอม 47.90, ความหนาแน่น 4.5 g/cm3, จุดหลอมเหลว 1668° ค. จุดเดือด 3300°ซ.

ไททาเนียมเป็นส่วนหนึ่งของแร่ธาตุมากกว่า 70 ชนิด และเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่พบมากที่สุด - เนื้อหาในเปลือกโลกอยู่ที่ประมาณ 0.6% ไททาเนียมมีลักษณะคล้ายคลึงกับเหล็ก โลหะบริสุทธิ์มีความเหนียวและสามารถกลึงได้ง่ายด้วยแรงกด

ไททาเนียมมีการปรับเปลี่ยนสองแบบ: สูงถึง 882°С เป็นการดัดแปลงα อัดแน่นด้วยหกเหลี่ยม ตาข่ายคริสตัลและความต้านทานที่สูงกว่า 882°C คือการปรับเปลี่ยนβ ด้วยโครงตาข่ายทรงลูกบาศก์ตรงกลางลำตัว

ไททาเนียมผสมผสานความแข็งแรงสูงเข้ากับความหนาแน่นต่ำและความทนทานต่อการกัดกร่อนสูง ด้วยเหตุนี้ ในหลายกรณีจึงมีข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือวัสดุโครงสร้างพื้นฐานเช่นเหล็กและอลูมิเนียม . โลหะผสมไททาเนียมจำนวนหนึ่งมีความแข็งแกร่งเป็นสองเท่าของเหล็กกล้า มีความหนาแน่นต่ำกว่ามากและทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่า อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีค่าการนำความร้อนต่ำ จึงเป็นเรื่องยากที่จะใช้กับโครงสร้างและชิ้นส่วนที่ทำงานภายใต้สภาวะที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิมาก และเมื่อทำงานเมื่อต้องทำงานเมื่อต้องการความล้าจากความร้อน ข้อเสียของไทเทเนียมในฐานะวัสดุโครงสร้าง ได้แก่ โมดูลัสความยืดหยุ่นปกติที่ค่อนข้างต่ำ

เครื่องกล คุณสมบัติขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ของโลหะและการบำบัดเชิงกลและความร้อนก่อนหน้านี้ ไททาเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงมีคุณสมบัติเป็นพลาสติกที่ดี

คุณสมบัติเฉพาะของไทเทเนียมคือความสามารถในการดูดซับก๊าซ - ออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน ก๊าซเหล่านี้ละลายในไททาเนียมถึงขีดจำกัดที่ทราบ ออกซิเจนและไนโตรเจนเจือปนเพียงเล็กน้อยจะลดคุณสมบัติพลาสติกของไททาเนียม ส่วนผสมของไฮโดรเจนเล็กน้อย (0.01-0.005%) เพิ่มความเปราะบางของไทเทเนียมอย่างเห็นได้ชัด

ไททาเนียมมีความเสถียรในอากาศที่อุณหภูมิปกติ เมื่อความร้อนถึง 400-550° ด้วยโลหะนั้นถูกปกคลุมด้วยฟิล์มออกไซด์-ไนไตรด์ซึ่งยึดแน่นกับโลหะและป้องกันการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติม ที่อุณหภูมิสูงขึ้น อัตราการเกิดออกซิเดชันและการละลายของออกซิเจนในไททาเนียมจะเพิ่มขึ้น

ไททาเนียมทำปฏิกิริยากับไนโตรเจนที่อุณหภูมิสูงกว่า 600° C ด้วยการก่อตัวของฟิล์มไนไตรด์ (ดีบุก) และสารละลายไนโตรเจนที่เป็นของแข็งในไททาเนียม ไทเทเนียมไนไตรด์มีความแข็งสูงและหลอมละลายที่ 2950องศาเซลเซียส

ไททาเนียมดูดซับไฮโดรเจนเพื่อสร้างสารละลายที่เป็นของแข็งและลูกผสม(TiH และ TiH 2 ) . ไม่เหมือนออกซิเจนและไนโตรเจน ไฮโดรเจนที่ถูกดูดซับเกือบทั้งหมดสามารถถูกกำจัดออกจากไททาเนียมได้โดยการให้ความร้อนในสุญญากาศที่ 1,000-1200องศาเซลเซียส

คาร์บอนและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (ผู้บังคับกองร้อย, ช 4 ) ทำปฏิกิริยากับไททาเนียมที่อุณหภูมิสูง (มากกว่า 1,000° C) ด้วยการก่อตัวของไททาเนียมคาร์ไบด์ที่แข็งและทนไฟทีซี (จุดหลอมเหลว 3140องศาเซลเซียส ). ความไม่บริสุทธิ์ของคาร์บอนส่งผลต่อคุณสมบัติเชิงกลของไททาเนียมอย่างมาก

ฟลูออรีน คลอรีน โบรมีน และไอโอดีนทำปฏิกิริยากับไททาเนียมที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ (100-200° จาก). ในกรณีนี้จะเกิดไททาเนียมเฮไลด์ที่ระเหยได้

คุณสมบัติเชิงกลของไททาเนียมมีความสำคัญ มากกว่ามากกว่าโลหะชนิดอื่น ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับอัตราการใช้ของน้ำหนักบรรทุก ดังนั้น การทดสอบเชิงกลของไททาเนียมควรดำเนินการภายใต้เงื่อนไขที่มีการควบคุมและตายตัวอย่างเคร่งครัดมากกว่าการทดสอบวัสดุโครงสร้างอื่นๆ

ความต้านทานแรงกระแทกของไททาเนียมเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อหลอมในช่วง 200-300° C ไม่พบการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติอื่นที่เห็นได้ชัดเจน เพิ่มที่ใหญ่ที่สุดความเป็นพลาสติกของไททาเนียมเกิดขึ้นได้หลังจากการชุบแข็งจากอุณหภูมิที่สูงกว่าอุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงแบบโพลีมอร์ฟิค และการอบคืนตัวในภายหลัง

ไททาเนียมบริสุทธิ์ไม่ได้อยู่ในวัสดุที่ทนความร้อน เนื่องจากความแข็งแรงจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

คุณสมบัติที่สำคัญไททาเนียมคือความสามารถในการสร้างสารละลายที่เป็นของแข็งด้วยก๊าซในชั้นบรรยากาศและไฮโดรเจน เมื่อไททาเนียมถูกทำให้ร้อนในอากาศ บนพื้นผิวของมัน นอกเหนือจากสเกลปกติแล้ว จะเกิดชั้นซึ่งประกอบด้วยสารละลายที่เป็นของแข็งตามα-Ti (ชั้นอัลไฟต์) เสถียรด้วยออกซิเจน ความหนาขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและระยะเวลาการให้ความร้อน ชั้นนี้มีอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงที่สูงกว่าชั้นโลหะหลัก และการก่อตัวของชั้นบนพื้นผิวของชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปอาจทำให้เกิดการแตกหักแบบเปราะได้

ไททาเนียมและโลหะผสมที่มีไททาเนียมเป็นส่วนประกอบหลักมีความต้านทานการกัดกร่อนสูงในอากาศ น้ำเย็นตามธรรมชาติและน้ำจืดร้อน ในน้ำทะเล (ไม่ปรากฏร่องรอยของสนิมบนแผ่นไทเทเนียมเป็นเวลา 10 ปีเมื่อสัมผัสกับน้ำทะเล) เช่นกัน เช่นเดียวกับสารละลายอัลคาไล เกลืออนินทรีย์กรดอินทรีย์และสารประกอบแม้ต้ม ไททาเนียมมีความทนทานต่อการกัดกร่อนคล้ายกับเหล็กกล้าไร้สนิมโครเมียม-นิกเกิล ไม่กัดกร่อนในน้ำทะเลเมื่อสัมผัสกับเหล็กกล้าไร้สนิมและโลหะผสมทองแดง-นิกเกิล ความต้านทานการกัดกร่อนสูงของไททาเนียมอธิบายได้จากการก่อตัวของฟิล์มที่เป็นเนื้อเดียวกันหนาแน่นบนพื้นผิว ซึ่งช่วยปกป้องโลหะจากการมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมเพิ่มเติม ดังนั้นในการเจือจางกรดซัลฟูริก ไททาเนียม (มากถึง 5%) มีความเสถียรที่อุณหภูมิห้อง อัตราการกัดกร่อนเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของกรดที่เพิ่มขึ้น สูงสุดที่ 40% จากนั้นลดลงต่ำสุดที่ 60% สูงสุดที่สองที่ 80% แล้วลดลงอีกครั้ง

ในกรดไฮโดรคลอริกเจือจาง (5-10%) ที่อุณหภูมิห้อง ไททาเนียมค่อนข้างเสถียร เมื่อความเข้มข้นของกรดและอุณหภูมิเพิ่มขึ้น อัตราการกัดกร่อนของไททาเนียมจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การกัดกร่อนของไทเทเนียม กรดไฮโดรคลอริกสามารถลดลงได้มากโดยการเติมสารออกซิไดซ์จำนวนเล็กน้อย(HNO 3, KMnO 4, K 2 CrO 4, เกลือทองแดงเหล็ก) ไททาเนียมละลายได้ดีในกรดไฮโดรฟลูออริก ในสารละลายอัลคาไล (ความเข้มข้นสูงถึง 20%) ในความเย็นและเมื่อได้รับความร้อน ไททาเนียมจะมีความเสถียร

ในฐานะที่เป็นวัสดุโครงสร้าง ไททาเนียมถูกใช้อย่างแพร่หลายมากที่สุดในการบิน เทคโนโลยีจรวด ในการสร้างเรือ ในการผลิตเครื่องมือ และวิศวกรรมเครื่องกล ไททาเนียมและโลหะผสมยังคงคุณสมบัติความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงสามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนที่ได้รับความร้อนที่อุณหภูมิสูงได้สำเร็จ ดังนั้น ชิ้นส่วนภายนอกของเครื่องบิน (ส่วนหน้าของเครื่องยนต์ ปีกนก หางเสือ) และส่วนประกอบและชิ้นส่วนอื่นๆ อีกมากมายทำจากโลหะผสมของมัน ตั้งแต่เครื่องยนต์ไปจนถึงสลักเกลียวและน็อต ตัวอย่างเช่น หากมีการเปลี่ยนโบลต์เหล็กเป็นไททาเนียมในหนึ่งในเครื่องยนต์ มวลของเครื่องยนต์จะลดลงเกือบ 100 กก.

ไททาเนียมออกไซด์ใช้เพื่อทำให้ไททาเนียมเป็นสีขาว การล้างบาปดังกล่าวสามารถทาสีพื้นผิวที่มีขนาดใหญ่กว่าการล้างด้วยตะกั่วหรือสังกะสีในปริมาณที่เท่ากันหลายเท่า นอกจากนี้ไททาเนียมไวท์ยังไม่เป็นพิษ ไททาเนียมถูกใช้อย่างแพร่หลายในด้านโลหะวิทยา รวมถึงเป็นองค์ประกอบโลหะผสมในเหล็กกล้าไร้สนิมและเหล็กทนความร้อน การเติมไททาเนียมลงในโลหะผสมอลูมิเนียม นิกเกิล และทองแดงช่วยเพิ่มความแข็งแรง เป็นส่วนสำคัญของโลหะผสมแข็งสำหรับเครื่องมือตัด และเครื่องมือผ่าตัดที่ทำจากโลหะผสมไททาเนียมก็ประสบความสำเร็จเช่นกัน ไททาเนียมไดออกไซด์ใช้เคลือบลวดเชื่อม ไทเทเนียมเตตระคลอไรด์ (เตตระคลอไรด์) ใช้ในกิจการทางทหารเพื่อสร้างม่านควัน และรมควันพืชในยามสงบในช่วงฤดูใบไม้ผลิที่มีน้ำค้างแข็ง

ในวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยุ ไททาเนียมแบบผงถูกใช้เป็นตัวดูดซับก๊าซ เมื่อได้รับความร้อนถึง 500°C ไททาเนียมจะดูดซับก๊าซอย่างแรง และทำให้เกิดสุญญากาศสูงในปริมาตรปิด

ในบางกรณี ไททาเนียมเป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมเคมีและการต่อเรือ ชิ้นส่วนที่มีไว้สำหรับสูบของเหลวที่รุนแรง, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อน, อุปกรณ์กันสะเทือนที่ใช้ในการชุบอโนไดซ์ชิ้นส่วนต่าง ๆ ทำจากมัน ไทเทเนียมมีความเฉื่อยในอิเล็กโทรไลต์และของเหลวสำหรับการชุบโลหะอื่นๆ ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ ของอ่างชุบโลหะด้วยไฟฟ้า มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตอุปกรณ์อุทกวิทยาสำหรับโรงงานนิกเกิลโคบอลต์ เนื่องจากมีความต้านทานสูงต่อการกัดกร่อนและการสึกกร่อนเมื่อสัมผัสกับสารละลายนิกเกิลและโคบอลต์ที่อุณหภูมิและความดันสูง

ไททาเนียมมีความเสถียรมากที่สุดในสภาพแวดล้อมออกซิไดซ์ ในสารรีดิวซ์ ไททาเนียมจะสึกกร่อนค่อนข้างเร็วเนื่องจากฟิล์มออกไซด์ที่ป้องกันถูกทำลาย

ไททาเนียมทางเทคนิคและโลหะผสมของมันยืมตัวมาจากวิธีการรักษาแรงดันที่รู้จักกันทั้งหมด สามารถรีดได้ทั้งแบบเย็นและร้อน ประทับตรา จีบ ดึงลึก บานออก จากไททาเนียมและโลหะผสมจะได้แท่ง, แท่ง, แถบ, โปรไฟล์รีดต่างๆ, ท่อไร้รอยต่อ, ลวดและฟอยล์

ความต้านทานการเปลี่ยนรูปของไททาเนียมนั้นสูงกว่าเหล็กโครงสร้างหรือโลหะผสมทองแดงและอลูมิเนียม ไททาเนียมและโลหะผสมของไททาเนียมได้รับการประมวลผลด้วยแรงดันในลักษณะเดียวกับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก ไททาเนียมส่วนใหญ่มักถูกหลอมที่อุณหภูมิ 800-1,000°C เพื่อป้องกันไทเทเนียมจากการปนเปื้อนของก๊าซ การบำบัดด้วยความร้อนและความดันจะดำเนินการโดยเร็วที่สุด เวลาอันสั้น. เนื่องจากที่อุณหภูมิ >500°C ไฮโดรเจนจะแพร่เข้าสู่ไททาเนียมและโลหะผสมในอัตราที่สูง การให้ความร้อนจะดำเนินการในบรรยากาศออกซิไดซ์

ไททาเนียมและอัลลอยด์มีความสามารถในการแปรรูปลดลงเช่นเดียวกับเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดออสเทนนิติก ในทุกประเภทของการตัด ผลลัพธ์ที่ประสบความสำเร็จสูงสุดนั้นทำได้ที่ความเร็วต่ำและความลึกของการตัดที่มาก เช่นเดียวกับเมื่อใช้เครื่องมือตัดที่ทำจาก เหล็กความเร็วสูงหรือโลหะผสมแข็ง เนื่องจากไททาเนียมมีกิจกรรมทางเคมีสูงที่อุณหภูมิสูง จึงถูกเชื่อมในบรรยากาศของก๊าซเฉื่อย (ฮีเลียม อาร์กอน) ในเวลาเดียวกัน จำเป็นต้องปกป้องไม่เพียงแต่โลหะเชื่อมที่หลอมละลายจากการมีปฏิสัมพันธ์กับบรรยากาศและก๊าซเท่านั้น แต่ยังต้องเชื่อมชิ้นส่วนที่มีความร้อนสูงของผลิตภัณฑ์ทั้งหมดด้วย

ปัญหาทางเทคโนโลยีบางอย่างเกิดขึ้นในการผลิตการหล่อจากไททาเนียมและโลหะผสม

คำนิยาม

ไทเทเนียม- องค์ประกอบที่ยี่สิบสองของตารางธาตุ การกำหนด - Ti จากภาษาละติน "ไทเทเนียม" อยู่ในช่วงเวลาที่สี่กลุ่ม IVB หมายถึงโลหะ. ประจุนิวเคลียร์คือ 22

ไทเทเนียมมีอยู่ทั่วไปในธรรมชาติ ปริมาณไททาเนียมในเปลือกโลกคือ 0.6% (wt.) นั่นคือ สูงกว่าเนื้อหาของโลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยี เช่น ทองแดง ตะกั่ว และสังกะสี

เนื่องจาก สารที่เรียบง่ายไททาเนียมเป็นโลหะสีขาวเงิน (รูปที่ 1) หมายถึงโลหะเบา วัสดุทนไฟ ความหนาแน่น - 4.50 ก./ซม. 3 . จุดหลอมเหลวและจุดเดือดอยู่ที่ 1668 o C และ 3330 o C ตามลำดับ ทนทานต่อการกัดกร่อนเมื่อสัมผัสกับอากาศที่อุณหภูมิปกติ ซึ่งอธิบายได้จากการมีฟิล์มป้องกันองค์ประกอบ TiO 2 บนพื้นผิว

ข้าว. 1. ไทเทเนียม รูปร่าง.

น้ำหนักอะตอมและโมเลกุลของไททาเนียม

น้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ของสาร(M r) เป็นตัวเลขที่แสดงจำนวนครั้งที่มวลของโมเลกุลที่กำหนดมากกว่า 1/12 ของมวลของอะตอมของคาร์บอน และ ญาติ มวลอะตอมองค์ประกอบ(A r) - มวลเฉลี่ยของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีมากกว่า 1/12 ของมวลของอะตอมคาร์บอนกี่ครั้ง

เนื่องจากไททาเนียมมีอยู่ในสถานะอิสระในรูปแบบของโมเลกุล Ti ของ monatomic ค่าของมวลอะตอมและโมเลกุลจึงตรงกัน พวกเขาเท่ากับ 47.867

ไอโซโทปของไทเทเนียม

เป็นที่ทราบกันว่าไททาเนียมสามารถเกิดขึ้นได้ในธรรมชาติในรูปของไอโซโทปเสถียรห้าชนิดคือ 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti และ 50Ti เลขมวลคือ 46, 47, 48, 49 และ 50 ตามลำดับ นิวเคลียสอะตอมของไอโซโทปไททาเนียม 46 Ti ประกอบด้วยโปรตอน 22 ตัวและนิวตรอน 24 ตัว และไอโซโทปที่เหลือแตกต่างจากจำนวนนิวตรอนเท่านั้น

มีไอโซโทปไทเทเนียมเทียมที่มีเลขมวลตั้งแต่ 38 ถึง 64 ซึ่งไอโซโทปที่เสถียรที่สุดคือ 44 Ti ที่มีครึ่งชีวิต 60 ปี เช่นเดียวกับไอโซโทปนิวเคลียร์อีกสองไอโซโทป

ไอออนไทเทเนียม

ในระดับพลังงานชั้นนอกของอะตอมไททาเนียม มีอิเล็กตรอนสี่ตัวที่มีวาเลนซ์:

1 วินาที 2 2 วินาที 2 2 จุด 6 3 วินาที 2 3 จุด 6 3d 2 4 วินาที 2 .

ผลที่ตามมา ปฏิสัมพันธ์ทางเคมีไททาเนียมบริจาคเวเลนซ์อิเล็กตรอน เช่น เป็นผู้บริจาคของพวกเขาและกลายเป็นไอออนที่มีประจุบวก:

ติ 0 -2e → ติ 2+;

ติ 0 -3e → ติ 3+;

ตี 0 -4e → ตี 4+ .

โมเลกุลไทเทเนียมและอะตอม

ในสถานะอิสระ ไททาเนียมจะอยู่ในรูปของโมเลกุล Ti เชิงเดี่ยว ต่อไปนี้คือคุณสมบัติบางอย่างที่แสดงลักษณะของอะตอมและโมเลกุลของไททาเนียม:

โลหะผสมไทเทเนียม

คุณสมบัติหลักของไททาเนียมมีส่วนทำให้ การใช้งานอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีสมัยใหม่ - ความต้านทานความร้อนสูงของทั้งไททาเนียมเองและโลหะผสมกับอลูมิเนียมและโลหะอื่น ๆ นอกจากนี้โลหะผสมเหล่านี้ยังมีความต้านทานความร้อนสูง - ความต้านทานต่อการรักษาคุณสมบัติเชิงกลสูงที่ อุณหภูมิที่สูงขึ้น. ทั้งหมดนี้ทำให้โลหะผสมไททาเนียมเป็นวัสดุที่มีค่ามากสำหรับการผลิตเครื่องบินและจรวด

ที่อุณหภูมิสูง ไททาเนียมจะรวมตัวกับฮาโลเจน ออกซิเจน ซัลเฟอร์ ไนโตรเจน และธาตุอื่นๆ นี่เป็นพื้นฐานสำหรับการใช้โลหะผสมไททาเนียมกับเหล็ก (เฟอร์โรไททาเนียม) เป็นสารเติมแต่งในเหล็ก

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่างที่ 1

ตัวอย่างที่ 2

ไททาเนียมพบมากเป็นอันดับ 4 ในการผลิต แต่ เทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพการสกัดได้รับการพัฒนาเฉพาะในยุค 40 ของศตวรรษที่ผ่านมา เป็นโลหะสีเงิน โดดเด่นด้วยความถ่วงจำเพาะต่ำและมีลักษณะเฉพาะ ในการวิเคราะห์ระดับการกระจายในอุตสาหกรรมและพื้นที่อื่น ๆ จำเป็นต้องพูดถึงคุณสมบัติของไททาเนียมและขอบเขตของโลหะผสม

ลักษณะสำคัญ

โลหะมีความถ่วงจำเพาะต่ำ เพียง 4.5 ก./ลบ.ซม. คุณสมบัติป้องกันการกัดกร่อนเกิดจากฟิล์มออกไซด์ที่เสถียรก่อตัวขึ้นบนพื้นผิว ด้วยคุณสมบัตินี้ ไททาเนียมจึงไม่เปลี่ยนคุณสมบัติเมื่อสัมผัสกับน้ำหรือกรดไฮโดรคลอริกเป็นเวลานาน บริเวณที่เสียหายจะไม่เกิดขึ้นเนื่องจากความเค้นซึ่งเป็นปัญหาหลักของเหล็ก

ในรูปบริสุทธิ์ ไททาเนียมมีคุณสมบัติและคุณลักษณะดังต่อไปนี้:

• จุดหลอมเหลวเล็กน้อย — 1660°С;
• ภายใต้อิทธิพลของความร้อน +3 227 ° C เดือด;
• ความต้านทานแรงดึง - สูงถึง 450 MPa;
• โดดเด่นด้วยดัชนีความยืดหยุ่นต่ำ - สูงถึง 110.25 GPa;
• ในระดับ HB ความแข็งคือ 103
• ความแข็งแรงของผลผลิตเป็นหนึ่งในโลหะที่เหมาะสมที่สุด - สูงถึง 380 MPa
• ค่าการนำความร้อนของไททาเนียมบริสุทธิ์ที่ไม่มีสารเติมแต่ง - 16.791 W / m * C;
• ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนขั้นต่ำ
• องค์ประกอบนี้เป็นพาราแมกเนติก

สำหรับการเปรียบเทียบ ความแข็งแรงของวัสดุนี้คือ 2 เท่าของเหล็กบริสุทธิ์และ 4 เท่าของอลูมิเนียม ไททาเนียมยังมีเฟสโพลิมอร์ฟิกอีกสองเฟส ได้แก่ อุณหภูมิต่ำและอุณหภูมิสูง

สำหรับความต้องการทางอุตสาหกรรม จะไม่ใช้ไททาเนียมบริสุทธิ์เนื่องจากต้นทุนสูงและประสิทธิภาพที่ต้องการ เพื่อเพิ่มความแข็งแกร่ง ออกไซด์ ลูกผสม และไนไตรด์จะถูกเพิ่มเข้าไปในองค์ประกอบ ไม่ค่อยเปลี่ยนคุณลักษณะของวัสดุเพื่อปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อน สารเติมแต่งประเภทหลักสำหรับการรับโลหะผสม: เหล็ก, นิกเกิล, อลูมิเนียม ในบางกรณี จะทำหน้าที่ของส่วนประกอบเพิ่มเติม

พื้นที่ใช้งาน

เนื่องจากมีค่าความถ่วงจำเพาะและความแข็งแรงที่ต่ำ ไททาเนียมจึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ใช้เป็นวัสดุโครงสร้างหลักในรูปแบบบริสุทธิ์ ในกรณีพิเศษ โดยการลดความต้านทานความร้อน ทำให้ได้โลหะผสมที่มีราคาถูกลง ในขณะเดียวกัน ความต้านทานการกัดกร่อนและความแข็งแรงเชิงกลยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

นอกจากนี้ วัสดุที่มีสารเติมแต่งไททาเนียมยังพบการใช้งานในพื้นที่ต่อไปนี้:

• อุตสาหกรรมเคมี. ความต้านทานต่อตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเกือบทั้งหมด ยกเว้นกรดอินทรีย์ ทำให้สามารถผลิตอุปกรณ์ที่ซับซ้อนได้ด้วย ประสิทธิภาพที่ดีอายุการใช้งานที่ไม่ต้องซ่อม
• การผลิตรถยนต์ เหตุผลคือความถ่วงจำเพาะต่ำและความแข็งแรงเชิงกล เฟรมหรือองค์ประกอบโครงสร้างรับน้ำหนักทำจากมัน
• ยา. สำหรับวัตถุประสงค์พิเศษ จะใช้โลหะผสมพิเศษของไนตินอล (ไททาเนียมและนิเกิล) ลักษณะเด่นของมันคือหน่วยความจำรูปร่าง เพื่อลดภาระของผู้ป่วยและลดโอกาสที่จะเกิดผลเสียต่อร่างกาย เฝือกทางการแพทย์และอุปกรณ์ที่คล้ายกันจำนวนมากทำจากไททาเนียม
• ในอุตสาหกรรม โลหะถูกใช้สำหรับการผลิตเคสและส่วนประกอบแต่ละชิ้นของอุปกรณ์
• เครื่องประดับทำจากไททาเนียมมีรูปลักษณ์และคุณภาพที่ไม่เหมือนใคร

ในกรณีส่วนใหญ่ วัสดุจะถูกดำเนินการในโรงงาน แต่มีข้อยกเว้นหลายประการ - การรู้คุณสมบัติของวัสดุนี้ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการเปลี่ยนแปลง รูปร่างผลิตภัณฑ์และลักษณะเฉพาะสามารถทำในเวิร์คช็อปที่บ้านได้

คุณสมบัติการประมวลผล

เพื่อให้ผลิตภัณฑ์มีรูปร่างที่ต้องการจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ - เครื่องกลึงและเครื่องกัด ไม่สามารถตัดหรือกัดไทเทเนียมด้วยมือได้เนื่องจากความแข็ง นอกเหนือจากการเลือกกำลังและคุณสมบัติอื่น ๆ ของอุปกรณ์แล้ว จำเป็นต้องเลือกเครื่องมือตัดที่เหมาะสม: หัวกัด คัตเตอร์ รีมเมอร์ ดอกสว่าน ฯลฯ

สิ่งนี้คำนึงถึงความแตกต่างดังต่อไปนี้:

• เศษไทเทเนียมติดไฟได้สูง จำเป็นต้องบังคับให้พื้นผิวของชิ้นส่วนเย็นลงและทำงานด้วยความเร็วต่ำสุด
• การดัดของผลิตภัณฑ์จะดำเนินการหลังจากการให้ความร้อนเบื้องต้นของพื้นผิวเท่านั้น มิฉะนั้นอาจมีรอยแตกปรากฏขึ้น
• การเชื่อม. ต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขพิเศษ

ไททัน - วัสดุที่เป็นเอกลักษณ์ด้วยคุณภาพการปฏิบัติงานและเทคนิคที่ดี แต่สำหรับการประมวลผล คุณควรทราบข้อมูลเฉพาะของเทคโนโลยี และที่สำคัญที่สุดคือ ข้อควรระวังเพื่อความปลอดภัย