فلز تیتانیوم مقدمه این مقاله بینش‌های جامعی در مورد فلز تیتانیوم و آلیاژهای آن ارائه می‌دهد.
برای آشنایی بیشتر دوره های آموزشی طلاسازی و جواهرسازی طلافنون لطفا به این لینک مراجعه فرمایید
شما با موضوعاتی مانند:
- فلز تیتانیوم چیست؟
- خواص فلز تیتانیوم
- ترکیبات و گریدهای فلز تیتانیوم
- استفاده تیتانیوم در جواهر سازی و …
- و بسیاری موارد دیگر آشنا خواهید شد…
تیتانیوم چیست و چه کاربردهای در طلاسازی دارد؟
فلز تیتانیوم چیست؟
تیتانیوم، با نماد “Ti” و عدد اتمی ۲۲، یک عنصر شیمیایی با وزن اتمی ۴۷.۹ است. این عنصر به عنوان نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین رتبه‌بندی می‌شود. تیتانیوم عمدتاً از کانی‌هایی مانند روتیل (دی‌اکسید تیتانیوم)، ایلمنیت (اکسید آهن تیتانیوم) و سفن (سیلیکات کلسیم تیتانیوم) استخراج می‌شود.
تیتانیوم به دلیل نسبت بالای استحکام به وزن، انعطاف‌پذیری، مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری زیستی، برای کاربردهای مختلف ایده‌آل است که آن را برای ایمپلنت‌های پزشکی مناسب می‌سازد. استحکام استثنایی آن، همراه با مقاومت در برابر حرارت، آب و نمک، به سبک بودن آن کمک می‌کند. این ویژگی‌ها تیتانیوم را به یک انتخاب محبوب برای اقلام روزمره مانند جواهرات و استفاده‌های حیاتی مانند ایمپلنت‌های پزشکی، هواپیما و ساخت کشتی تبدیل کرده است.
آلیاژهای تیتانیوم خواص اصلی تیتانیوم خالص را حفظ می‌کنند در حالی که ویژگی‌های اضافی مانند انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری را به آن اضافه می‌کنند و آن‌ها را چندمنظوره‌تر می‌سازند. تیتانیوم خالص در شش گرید—۱، ۲، ۳، ۴، ۷ و ۱۱—موجود است که به عنوان پایه‌ای برای چهار آلیاژ اصلی تیتانیوم عمل می‌کنند. این آلیاژها با عناصری مانند آلومینیوم، مولیبدن، وانادیوم، نیوبیوم، تانتالوم، زیرکونیوم، منگنز، آهن، کروم، کبالت، نیکل و مس تقویت می‌شوند. آلیاژهای اصلی تیتانیوم به عنوان Ti 6Al-4V، Ti 6Al ELI، Ti 3Al 2.5V و Ti 5Al-2.5Sn شناخته می‌شوند.
موقعیت در جدول تناوبی تیتانیوم اولین عنصر در بلوک D جدول تناوبی است. این عنصر دارای ۲۲ الکترون و ۲۲ پروتون است که آن را در دوره ۴ و گروه ۴ قرار می‌دهد به دلیل پیکربندی الکترونی آن. ترتیب الکترونی برای تیتانیوم 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s² است. این پیکربندی الکترون‌های آن، به ویژه آن‌هایی که در مدار چهارم قرار دارند، پیوند شیمیایی تیتانیوم و خواص مختلف آن را توضیح می‌دهد.
وجود در طبیعت تیتانیوم حدود ۰.۶۳٪ از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد، با حدود ۹۰٪ از این تیتانیوم در کانی‌های ایلمنیت یافت می‌شود که اکسیدهای آهن تیتانیوم (FeTiO₃) هستند. بقیه تیتانیوم در میان سایر کانی‌ها، از جمله آناتاز، پرووسکیت، روتیل، لوکوکسن و سفن توزیع شده است.
تیتانیوم از شن، سنگ، خاک و رس از طریق استخراج روباز یا زیرزمینی استخراج می‌شود، بسته به محل ذخایر. برای افزایش محتوای تیتانیوم و حذف ناخالصی‌ها، تکنیک‌های بهره‌برداری مانند خرد کردن، آسیاب کردن، غربالگری، جداسازی مغناطیسی و شناورسازی به کار گرفته می‌شوند.
حالت‌های اکسیداسیون و ایزوتوپ‌ها فلز تیتانیوم دارای پنج ایزوتوپ پایدار است: تیتانیوم-۴۶، تیتانیوم-۴۷، تیتانیوم-۴۸، تیتانیوم-۴۹ و تیتانیوم-۵۰. فراوان‌ترین آن‌ها تیتانیوم-۴۸ است که ۷۳.۸٪ از تیتانیوم طبیعی را تشکیل می‌دهد. علاوه بر این، ۲۱ رادیوایزوتوپ شناخته شده از تیتانیوم وجود دارد. در میان این‌ها، پایدارترین‌ها تیتانیوم-۴۴، تیتانیوم-۴۵، تیتانیوم-۵۱ و تیتانیوم-۵۲ هستند که هر کدام دارای نیمه‌عمرهای متفاوتی هستند. تیتانیوم-۴۴ دارای نیمه‌عمر ۶۳ سال، تیتانیوم-۴۵ دارای نیمه‌عمر ۱۸۴.۸ دقیقه، تیتانیوم-۵۱ دارای نیمه‌عمر ۵.۷۶ دقیقه و تیتانیوم-۵۲ دارای نیمه‌عمر ۱.۷ دقیقه است.
تیتانیوم دارای پنج ایزوتوپ پایدار است که تیتانیوم-۴۸ با ۷۳.۸٪ فراوان‌ترین آن‌ها است.
تیتانیوم یک فلز نسوز مهم است. آلیاژ تیتانیوم دارای ویژگی‌هایی مانند چگالی کم، استحکام ویژه بالا، مقاومت خوب در برابر خوردگی، هدایت حرارتی کم، غیر سمی و غیر مغناطیسی بودن، قابلیت جوشکاری، زیست‌سازگاری خوب و تزئین سطح قوی است. بسیاری از کشورها در جهان به اهمیت مواد آلیاژ تیتانیوم پی برده‌اند. در این مقاله، به ۶ کاربرد اصلی تیتانیوم خواهیم پرداخت. در کشورهای غربی، مانند ایالات متحده، ۶۰٪ از مواد تیتانیوم در زمینه هوافضا استفاده می‌شود. با این حال، با توسعه سریع هوافضای آسیایی در سال‌های اخیر، مصرف تیتانیوم در زمینه هوافضا نیز افزایش خواهد یافت. از دیدگاه جهانی، صنعت هوانوردی نقش تعیین‌کننده‌ای در بازار تیتانیوم دارد.
در سال ۲۰۱۱، تولید جهانی تیتانیوم به ۱۴۸ هزار تن رسید که از این مقدار حدود ۶۴ هزار تن تیتانیوم برای هوانوردی تجاری بود. رشد اقتصادی جهانی در آینده همچنان تقاضای زیادی برای حمل و نقل هوایی خواهد داشت. تخمین زده می‌شود که تقاضا برای هواپیماهای جدید در ۲۰ سال آینده حدود ۳۰,۰۰۰ هواپیما باشد.
استفاده تیتانیوم در جواهر سازی
تیتانیوم یک فلز جایگزین است که در انواع جواهرات، از حلقه‌های ازدواج تا آویزهای بیانیه‌ای استفاده می‌شود. پس از اینکه در دهه ۱۹۹۰ به طور گسترده در دسترس قرار گرفت، جواهرات تیتانیومی تنها محبوبیت بیشتری پیدا کردند. جواهرسازان از آن زمان تکنیک‌هایی برای رنگ‌آمیزی تیتانیوم در سایه‌هایی مانند آبی، بنفش، سیاه و بیشتر پیدا کرده‌اند.
برای مرجع، “فلز جایگزین” هر فلزی است که یکی از چهار فلز گرانبها نیست: طلا، نقره، پلاتین و پالادیوم. تیتانیوم و تنگستن رایج‌ترین فلزات جایگزین هستند.
آیا تیتانیوم فلز خوبی برای جواهرات است؟
عوامل زیادی برای در نظر گرفتن وجود دارد، بنابراین ما این راهنما را ایجاد کرده‌ایم تا به شما کمک کنیم انواع جواهرات تیتانیومی، مزایا و معایب تیتانیوم، نحوه مقایسه آن با فلزات مشابه و هزینه آن را درک کنید.
ابتدا باید برخی از اصول اولیه درباره تیتانیوم را بدانید.
مزایا و معایب جواهرات تیتانیومی
همه فلزات، از جمله تیتانیوم، دارای مزایا و معایبی هستند که قبل از تصمیم‌گیری باید بدانید.
مزایای جواهرات تیتانیومی
مزایای زیادی برای جواهرات تیتانیومی وجود دارد، از جمله:
- مقاومت بیشتر در برابر خراش نسبت به فلزات گرانبها
- ارزان‌تر از فلزات گرانبها
- از ضربه سخت ترک نمی‌خورد یا نمی‌شکند
- سبک وزن
- بسیار مقاوم در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی
- رنگ آن با گذشت زمان محو نمی‌شود
- ضد حساسیت
- رنگ‌ها و پرداخت‌های متنوعی در دسترس است
معایب جواهرات تیتانیومی
برخی از مشکلات احتمالی حلقه‌ها و سایر جواهرات تیتانیومی شامل موارد زیر است:
- سختی در تغییر اندازه
- سختی در افزودن تنظیمات سنتی (مگر اینکه تنظیمات از فلز دیگری باشد)
- ارزش کمتر برای فروش مجدد
- براقیت کمتر نسبت به سایر فلزات
تیتانیوم در مقابل فلزات مشابه
تیتانیوم در مقابل فولاد ضد زنگ
آیا جواهرات تیتانیومی بهتر از فولاد ضد زنگ هستند؟
در بسیاری از موارد، بله.تقریباً ۷۵ درصد از گریدهای فولاد ضد زنگ حاوی نیکل هستند (از جمله فولاد جراحی) در حالی که بیشتر تیتانیوم‌ها اینگونه نیستند؛ بنابراین، تیتانیوم نسبت به فولاد ضد زنگ بیشتر ضد حساسیت است.
علاوه بر این، تیتانیوم ۳ تا ۴ برابر قوی‌تر از فولاد ضد زنگ است. این دو از نظر سختی (مقاومت در برابر خراش) نزدیک به هم هستند، با فولاد ضد زنگ در رتبه ۵.۵ تا ۶.۸.
فولاد ضد زنگ دارای استحکام کششی بیشتری است، یعنی چقدر قبل از شکستن کشیده می‌شود - اما تیتانیوم نسبت استحکام به وزن بالاتری دارد.
تیتانیوم بسیار سبک‌تر است، ۴۰ تا ۴۵ درصد سبک‌تر، اگرچه این می‌تواند به ترجیح شخصی بستگی داشته باشد.
از نظر قیمت، با این حال، فولاد ضد زنگ ارزان‌تر است، اگرچه قیمت‌ها بسته به آلیاژ خاص، فروشنده و جواهرات متفاوت است. بر اساس ارزش فلزات به تنهایی، فولاد ضد زنگ در حال حاضر به ارزش ۱.۰۰ تا ۱.۵۰ دلار در هر کیلوگرم و تیتانیوم به ارزش ۳۵ تا ۵۰ دلار در هر کیلوگرم است.
تیتانیوم در مقابل نقره استرلینگ
مانند فولاد ضد زنگ، نقره استرلینگ (یا نقره ۹۲۵) در بسیاری از موارد نسبت به تیتانیوم ضعیف‌تر است.
اول، تیتانیوم بیشتر ضد حساسیت است. بیشتر جواهرات نقره استرلینگ با مس یا روی آلیاژ می‌شوند، اما نیکل (آلرژن شماره ۱ جواهرات) ممکن است برای حفظ درخشش و استحکام نقره اضافه شود.
دوم، آلیاژهای تیتانیوم بسیار آسان‌تر از آلیاژهای نقره ساخته و کار می‌شوند. در حالی که فلزات اضافی نقره را قوی‌تر می‌کنند، برخی (به ویژه مس) باعث سریع‌تر شدن تیره شدن می‌شوند.
در مورد تیره شدن، تیتانیوم بسیار مقاوم‌تر در برابر تیره شدن و خوردگی نسبت به نقره استرلینگ است. تیتانیوم همچنین بسیار قوی‌تر و بادوام‌تر است در حالی که سبک‌تر است.
استفاده‌های تیتانیوم در صنعت خودرو
کاهش مصرف سوخت و انتشار گازهای مضر به یکی از نیروهای محرکه و جهت‌های اصلی پیشرفت فناوری در صنعت خودرو تبدیل شده است. تحقیقات نشان می‌دهد که با کاهش ۱۰ درصدی وزن خودرو، مصرف سوخت می‌تواند ۸٪ تا ۱۰٪ صرفه‌جویی شود و انتشار گازهای خروجی ۱۰٪ کاهش یابد.
از نظر رانندگی، عملکرد شتاب پس از سبک شدن خودرو بهبود می‌یابد و پایداری کنترل خودرو، نویز و لرزش نیز بهبود می‌یابد.راه ترجیحی برای کاهش وزن خودروها جایگزینی مواد سنتی خودروسازی مانند فولاد با مواد سبک و با استحکام بالا مانند آلومینیوم، منیزیم و تیتانیوم است.
استفاده تیتانیوم در صنعت پزشکی
استفاده‌های تیتانیوم در صنعت پزشکی تیتانیوم کاربردهای گسترده‌ای در زمینه پزشکی دارد. تیتانیوم به استخوان‌های انسان نزدیک است، سازگاری زیستی خوبی با بافت‌های انسانی دارد و هیچ عوارض جانبی سمی ندارد. ایمپلنت‌های انسانی مواد عملکردی خاصی هستند که به زندگی و سلامت انسان‌ها ارتباط نزدیکی دارند.
میزان استفاده از آلیاژ تیتانیوم در ایمپلنت‌های جراحی با نرخ ۵٪ تا ۷٪ در سال در حال افزایش است. صدها قطعه فلزی ساخته شده از تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم، مانند سر فمور، مفصل ران، استخوان بازو، جمجمه، مفصل زانو، مفصل آرنج، مفصل شانه، مفصل متاکارپوفالانژیال، پیچ‌های محکم‌کننده و غیره، به بدن انسان پیوند زده شده و نتایج خوبی به دست آورده‌اند.
استفاده‌های تیتانیوم در صنعت شیمیایی
تیتانیوم دارای مقاومت عالی در برابر خوردگی است و در بسیاری از بخش‌های اقتصاد ملی به طور گسترده‌ای استفاده می‌شود. به ویژه در تولید شیمیایی، تیتانیوم به جای فولاد ضد زنگ، آلیاژهای مبتنی بر نیکل و سایر فلزات نادر به عنوان مواد مقاوم در برابر خوردگی استفاده می‌شود.
این امر برای افزایش تولید، بهبود کیفیت محصول، افزایش عمر تجهیزات، کاهش مصرف، کاهش مصرف انرژی، کاهش هزینه‌ها، جلوگیری از آلودگی، بهبود شرایط کاری و افزایش بهره‌وری کار اهمیت زیادی دارد.
تیتانیوم به یکی از مواد اصلی ضد خوردگی در تجهیزات شیمیایی تبدیل شده و جایگاه مقاومت در برابر خوردگی خود را در تجهیزات شیمیایی تثبیت کرده است. به عنوان یک ماده ایده‌آل در تجهیزات شیمیایی، تیتانیوم همچنین توجه بیشتری از مهندسان و تکنسین‌ها به خود جلب کرده است.
پس از سال‌ها ترویج، تیتانیوم و آلیاژهای آن به عنوان یک ماده ساختاری مقاوم در برابر خوردگی به طور گسترده‌ای در تولید شیمیایی استفاده شده‌اند. در حال حاضر، کاربرد تجهیزات تیتانیومی از صنایع اولیه سودا اش و سود سوزآور به صنایع کلرات، کلرید آمونیوم، اوره، سنتز آلی، رنگ‌ها، نمک‌های معدنی، آفت‌کش‌ها، الیاف مصنوعی، کودها و صنایع شیمیایی دقیق گسترش یافته است.
استفاده‌های تیتانیوم در مهندسی دریایی
با توسعه علم و فناوری و کاهش منابع زمینی، توسعه و بهره‌برداری از اقیانوس‌ها در دستور کار قرار گرفته است.تیتانیوم دارای مقاومت عالی در برابر خوردگی آب دریا است و به طور گسترده‌ای در شیرین‌سازی آب دریا، کشتی‌ها، توسعه انرژی حرارتی دریایی و استخراج منابع زیر دریا استفاده می‌شود.
به دلیل ویژگی‌های تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم، این مواد در کاربردهای کشتی‌ها و تجهیزات دریایی مزایای منحصر به فردی دارند، بنابراین به طور گسترده‌ای در زیردریایی‌های هسته‌ای، زیرآبی‌های عمیق، یخ‌شکن‌های انرژی اتمی، کشتی‌های هیدروفویل، هاورکرافت‌ها، مین‌روب‌ها و پروانه‌ها، لوله‌های آب دریا، کندانسورها، مبدل‌های حرارتی و غیره استفاده می‌شوند.