Vad är Titan? Komplett Guide

Titan är en exotisk metall som har en unik kombination av mekaniska, kemiska och fysikaliska egenskaper. Titan kommer med en relativt hög prislapp och kräver specialverktyg för att tillverka metallen. Den här artikeln kommer att gå igenom titan, vad det är för material, hur det används, och allt du bör veta om detta material!

Vad är titan?

Titan är grundämne nummer 22 i det periodiska systemet. Det är en metall som är silverfärgad, som finns naturligt på jorden. Faktum är att titan är det nionde vanligaste grundämnet på jorden. Det bryts vanligtvis från olika mineraler i jordskorpan som ilmenit, sfen och rutil. Det upptäcktes dock inte av vetenskapssamfundet förrän i slutet av 1700-talet. Dessutom var det inte förrän på 1900-talet som det började användas för industriella ändamål.

Vad är kompositionen av titan?

Eftersom titan är ett grundämne i det periodiska systemet och inte en legering i sig, är det möjligt att hitta praktiskt taget 100 % rent titan.

Ofta är det dock legerat med andra element för att ytterligare förbättra dess fysikaliska och kemiska egenskaper. Dessa olika legeringar kallas ”kvaliteter”. Det finns cirka 50 kvaliteter av titan att köpa, med flera kvaliteter som är mycket mer populära än andra. Klasserna 1, 2, 3 och 4 är alla praktiskt taget rent titan. Grad 5, en av de mest använda titankvaliteterna, har betydande mängder aluminium och vanadin i sin makeup (>3% vardera).

Två exempel på de mest korrosionsbeständiga kvaliteterna av titan är grad 7 och grad 11. De är ”nästan ren” titan, med tillsatser av palladium (<0,5%) som ger dem deras enastående korrosionsbeständighet.

Det finns många kvaliteter av titan; dessa är bara några av de mest populära.

Vilka egenskaper har titan?

Titan är främst känt för två egenskaper:

• Korrosionsbeständighet
• Förhållande mellan styrka och densitet

Titan är utmärkt på att motstå korrosion eftersom syremolekyler kombineras med titan för att bilda titanoxider. Detta titanoxidskikt är passivt och ganska segt, vilket innebär att det inte flagnar som rost på stål och kan motstå kemiska angrepp från ämnen som klorföreningar.

Titan har också en hög styrka-till-vikt och styrka-till-densitet-förhållande, vilket betyder att det är ganska starkt för hur lätt det är. Vissa titankvaliteter, såsom Grade 5, har betydligt högre draghållfasthet än mjukt stål med drygt hälften av densiteten.

Vad används titan till?

En av de vanligaste användningsområdena för titan är inom flygindustrin. Dess höga styrka och relativt låga densitet gör den till en önskvärd metall för användning i flygplan och raketer på grund av bränsleeffektivitetsproblem.

Den marina industrin är ett annat område som ofta förlitar sig på titan för sina applikationer. Detta beror på dess korrosionsbeständighet, särskilt i saltvattenmiljöer där korrosion på grund av klor är ett problem.

Dess enastående kemikaliebeständighet är också anledningen till att den används i kemiska bearbetningsanläggningar.

Många medicintekniska produkter använder också titan på grund av dess styrka och korrosionsbeständighet.

Även om det inte är lika populärt som guld eller silver, används titan ibland i olika typer av smycken.

Titan historia

Efter andra världskriget tog titanmetall fart. Titan separerades inte som en metall förrän 1910 när den amerikanske kemisten Matthew Hunter skapade den genom att reducera titantetraklorid (TiCl4) med natrium (Hunter-tekniken).

Kommersiell tillverkning började inte förrän på 1930-talet när William Justin Kroll visade att titan kunde reduceras från klorid med hjälp av magnesium. Än idag är Kroll-processen den mest använda kommersiella produktionsmetoden.

Titans första stora applikation var i militära flygplan när en kostnadseffektiv tillverkningsprocess hittades. På 1950- och 1960-talen användes titanlegeringar i sovjetiska och amerikanska militärflygplan och ubåtar. Titanlegeringar började användas av kommersiella flygplansbyggare i början av 1960-talet.

Den svenska läkaren Per-Ingvar Branemarks studier som går tillbaka till 1950-talet visade att titan inte utlöser något negativt immunsvar hos människor, vilket gör att metallen kan integreras i våra kroppar i en process som kallas osseointegration.

Tillverkningsprocess av titan

En procedur som kallas Kroll-processen används för att tillverka titanmetall. Det finns fem steg i denna process. Det första steget är extraktion, det andra är rening, det tredje är svamptillverkning, det fjärde är legeringsskapande och det femte är formning och formning.

1. Extraktion/utvinning

Utvinningen av titanmalmer är det första steget i Kroll-processen. Gruvor levererar titanmalmer till producenten. Ilmenit, rutil och andra titanmineraler kan hittas i dessa malmer. Rutil används oftast i sitt naturliga tillstånd.

Å andra sidan kräver ilmenit bearbetning, vilket är det första steget i att ta bort järnet så att den resterande delen innehåller 85 procent titandioxid. Dessa malmer kokas till 900 °C i en reaktor med fluidiserad bädd med klor och kol.

Den kemiska reaktionen inträffar, vilket resulterar i bildandet av oren titantetraklorid och kolmonoxid som en biprodukt. Eftersom titandioxid ännu inte är ren efter att ha avlägsnat järn, finns föroreningar i TiCl4.

2. Rening

Denna process innebär att TiCl4 värms upp i en enorm destillationstank. Fraktionerade destillations- och utfällningsprocedurer separerar de föroreningar som finns i detta steg. Alla föroreningar, inklusive vanadin, kisel, magnesium, zirkonium och järn, avlägsnas med dessa två processer.

3. Svampbildning

Svampbildning är det tredje steget i Kroll-processen. Den raffinerade titantetrakloriden hälls i ett reaktorkärl av rostfritt stål i flytande form i detta skede. Magnesiumet tillsätts till kärlet och upphettas till 1100 °C, där magnesiumet reagerar med klor för att generera magnesiumklorid.

Eftersom det finns en risk för att syre och kväve finns i luften, injiceras argongas i kärlet för att eliminera det, vilket förhindrar eventuella syre- och kvävereaktioner.

Eftersom titan har en mycket högre smältpunkt än stål är det titan som finns kvar i kärlet inte rent och fast. Denna fasta titan borras sedan ut ur kärlet och behandlas med en lösning av vatten och saltsyra. Det görs för att bli av med eventuellt extra magnesium eller magnesiumklorid. Titanet som erhålls i slutet av denna cykel är svampform, därav namnet svampbildning.

4. Skapande av legeringar

I en ljusbågsugn med förbrukningsmaterial kombineras den rena titansvampen med andra legeringar och skrotmetaller för att göra användbara legeringar i det fjärde steget. Bulken krossas och svetsas för att bilda en svampelektrod efter smältning och blandning av alla nödvändiga metaller i de erforderliga proportionerna.

Denna svampelektrod smälts i en vakuumbågsugn för att förbereda göt. För ekonomiskt acceptabla göt smälts dessa göt rutinmässigt flera gånger.

5. Formning

Tackorna hämtas från ugnen, testas för brister och skickas sedan ut för att användas för att producera titanlegeringsartiklar i slutskedet av Kroll-processen.

Svetsning, gjutning, smide, pulvermetallurgi och andra procedurer formar göten till den färdiga produkten. Produktens specifikationer avgör allt.

Föreningar av titan

1. Titanoxid

Titanoxid (TiO2), den viktigaste oxiden, finns i tre fasta kristallina former: rutil, anatas och brookit. Rutil är den vanligaste naturligt förekommande typen och används som pigment i den kemiska industrin. Ti är kopplat till sex syreatomer oktaedriskt och förstör den oktaedriska miljön i andra.

Ti2O3, en violettfärgad Ti(III)-oxid med en struktur jämförbar med –Al2O3. TiO produceras genom att värma TiO2 med metalliskt titan i en kubisk kristallin form som liknar natriumklorid. Emellertid är den ofta icke-stökiometrisk, med en sjättedel tomma platser för båda jonerna. Den fungerar som en metallledare.

2. Titandisulfid

Titandisulfid (TiS2) är den viktigaste sulfidkemikalien, bildad av svavelatomer i en lagerstruktur och används som en elektrod vid litiumbatteriutveckling.

3. Halider

TiCl4, en färglös och flyktig vätska, är den vanligaste halogeniden av titan. Gulaktig titantetraklorid används inom industrin och tenderar att hydrolysera i luften, vilket resulterar i vackra vita moln.

Utvinningen av titanmetall från dess malmer använder också titantetraklorid. Dess syfte är att producera titandioxid, som används i vita färger. Lewis-syror gjorda av titanhalogenider används vanligtvis.

Van Arkel-proceduren producerar titantetrajodid, TiI4, en annan titanhalogenid, som titanmetall med hög renhet. Stabila halogenider av titan (III) och titan (II) kan också bildas. Titantriklorid och titandiklorid är två exempel. Dessa kemikalier används vid tillverkning av polyolefiner som katalysator.

4. Organometalliska komplex

Titanocen-diklorid (C5H5)2TiCl2 är den mest kända organometalliska föreningen av titan. För polymerisationskatalysatorer undersöks omfattande titanmetalliska komplex. Petasis-reagens och Tebbes reagens är två andra organometalliska titankomplex.

Kvaliteter av titan

Grad 1

Det är den mest formbara och mjuka av dessa kvaliteter. Det är det mest formbara, korrosionsbeständiga och slagtåliga materialet som finns.

Årskurs 2

På grund av dess mångsidighet och överallt närvarande är titan av grad 2 ”arbetshästen” för den kommersiellt rena titanindustrin. Det har många av samma egenskaper som Grade 1 titanium men är något mer hållbart. Båda är resistenta mot korrosion.

Klass 3

Det är den minst vanliga kommersiellt rena titankvaliteten, men det minskar inte dess värde. Klass 3 är starkare än klass 1 och 2, har liknande flexibilitet och är något mindre formbar än sina föregångare men har högre mekaniska egenskaper.

Grad 4

Den mest kraftfulla av de fyra kommersiellt rena titankvaliteterna är grad 4. Den är också känd för sin höga formbarhet och svetsbarhet och anmärkningsvärda korrosionsbeständighet.

Grad 5

Grad 5 titan, även känd som Ti 6Al-4V, är den mest använda av alla titanlegeringar och är känd som ”arbetshästen” av titanlegeringar. Den står för 50 % av all titanförbrukning på planeten. Styrkan hos Ti 6Al-4V kan ökas genom värmebehandling.

Denna legering är önskvärd på grund av dess stora hållfasthet vid låg vikt, praktiska formbarhet och höga korrosionsbeständighet. På grund av sin anpassningsförmåga är Ti 6AI-4V den idealiska legeringen för användning i olika industrier, inklusive flyg-, medicin-, marin- och kemisk bearbetning.

Grad 7

Mekaniskt och fysiskt är grad 7 ekvivalent med grad 2. Det är dock en legering eftersom det innehåller det interstitiella elementet palladium. Grad 7 titanlegering är den mest korrosionsbeständiga, med utmärkt svetsbarhet och tillverkningsbarhet. Kvaliteten används i kemiska processer och industriella utrustningskomponenter.

Grad 11

Grad 11 är nästan identisk med grad 1, förutom att en liten mängd palladium har tillsatts för att förbättra korrosionsbeständigheten och omvandla den till en legering. Andra fördelar inkluderar optimal duktilitet, kallformbarhet, funktionell hållfasthet, slagseghet och exceptionell svetsbarhet.

Grad 11

Den högkvalitativa svetsbarheten hos Grad 12 titan ger den ett ”utmärkt” betyg. Det är en tuff legering som tål extrema temperaturer. Grad 12 titan har samma egenskaper som rostfritt stål från 300-serien. Denna legering kan vara varm- eller kallformad med hjälp av kantpress, hydropress, stretch eller fallhammarmetoden.

Grad 23

Grad 23, allmänt känd som Ti 6AL-4V ELI, är en ren Ti 6Al-4V. Det är möjligt att göra spolar, trådar, trådar och platta trådar. Det är det bästa valet för alla applikationer som kräver hög hållfasthet, lätt vikt, utmärkt korrosionsbeständighet och hög seghet. Det är mer skadebeständigt än andra legeringar.

Ti5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2.5Sn är en icke värmebehandlingsbar legering med utmärkta svets- och stabilitetsegenskaper. Temperaturstabilitet, styrka, korrosionsbeständighet och krypbeständighet är utmärkta. Krypning är ett ord som syftar på processen med plastisk silning över tid vid höga temperaturer.

Titans egenskaper

• Vid standardtemperatur och -tryck återfinns det som fast.
• Titan har en standardatomvikt på 47,867.
• Titan har en kokpunkt på 3287 °C.
• Den har en glänsande silvergråvit look. Den har en smältpunkt på 1668 °C.
• Kristallstrukturen är hexagonal och tätpackad (hcp).
• Den har en elektronegativitet på 1,54 på Pauling-skalan.
• Den är lätt i vikt. Den väger 4,506 gram per kubikmeter.
• Det är en vacker övergångsmetall med mycket styrka.
• Den är korrosionsbeständig. Utspädd svavelsyra och saltsyra skadar den inte.
• Bland alla metalliska element har den det högsta förhållandet mellan styrka och densitet.
• Den har en lägre elektrisk och termisk ledningsförmåga än andra metaller och är paramagnetisk.
• Den är omagnetisk och duktil.
• Det finns många isotoper i den. Isotoperna 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti och 50Ti är stabila och existerar naturligt. Även om den vanligaste isotopen av titan, 48Ti, är dess huvudisotop
• Titan interagerar med syre i luften vid en temperatur på 1200 °C.
• Vattenreaktion – Titan reagerar relativt långsamt med vatten.