هل فكرت يوماً في شيئ أقوى من الفولاذ وأخف وزناً من الحديد، بالاضافة لعدم تأثره بالصدأ.
شيئ كهذا ربما لا يبدو موجودا في الحقيقة، لكن لو قمت بالتخمين ولو قليلاً ستجده! تذكرته؟ نعم أحسنت انه هو المعدن الأبيض اللامع، التيتانيوم ومن غيره.
أحد أهم المعادن في عصرنا الحالي، حيث يدخل في العديد من الصناعات والاستخدامات منها الصناعية والتجارية وحتى الطبية، كزراعة الأعضاء نظراً لخصائصه الكيميائية المساعدة.
فيمايلي لنا حديث مطول عن ماهية معدن التيتانيوم، خصائصه وأبرز استخدامته في مختلف المجالات.
 |
| ماهو معدن التيتانيوم |
ماهو معدن التيتانيوم
التيتانيوم هو العنصر التاسع الأكثر وفرة في القشرة الأرضية، ويشكل حوالي 0.63٪ منها.
أطلق عليه في الأصل manaccanite حين تم اكتشافه لأول مرة في قرية تسمى Manaccan الواقعة جنوب كورنوال بالمملكة المتحدة بواسطة "William Gregor" رجل دين وجيولوجي هاوٍ بريطاني، في عام 1791.
ومع ذلك، اكتشفه الكيميائي الألماني "مارتن هاينريش كلابروث" بشكل مستقل في عام 1795. وأطلق عليه اسمه الحالي "التيتانيوم"، نسبة إلى جبابرة الأساطير اليونانية.
أخيراً وفي عام 1910 تم عزل التيتانيوم في شكله النقي بواسطة عالم المعادن "ماثيو هانتر من شينيكتادي"، نيويورك، واستمر في الاسم الذي أعطاه كلابروث.
يُعرف التيتانيوم بأنه معدن انتقالي في الجدول الدوري للعناصر التي يُشار إليها بالرمز Ti. فهو مادة خفيفة الوزن رمادية فضية برقم ذري 22 ووزنها الذري 47.90.
تبلغ كثافته 4510 كجم / م 3، وهي تقع في مكان ما بين كثافات الألمنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ. وتبلغ درجة انصهارها حوالي 3،032 درجة فهرنهايت (1،667 درجة مئوية) ونقطة غليان تصل 5948 درجة فهرنهايت (3287 درجة مئوية).
له نفس تصرفات الزركونيوم والسيليكون كيميائيا، حيث أن لديها مقاومة ممتازة للتآكل وقوة عالية مقارنتاً بوزنه.
مصدر التيتانيوم
في قشرة الأرض، يوجد التيتانيوم داخل الرواسب المعدنية بالاشتراك مع العناصر الأخرى. الخامان المعدنيان الرئيسيان اللذان يحملانه هما الروتيل والإلمنيت.
على الأرض، يوجد معظم التيتانيوم في الصخور البركانية. كما يتواجد بشكل طبيعي على الشمس والنجوم والقمر والنيازك ومياه البحر والنباتات وجسم الإنسان.
نادرًا ما نصادف التيتانيوم في شكله النقي، وعادة ما يوجد في المعادن مثل anatase و brookite و ilmenite و leucoxene و perovskite و rutile و sphene. في حين أن التيتانيوم متوفر بكثرة نسبيًا، إلا أنه يظل مكلفًا نظرًا لصعوبة عزله.
من بين المنتجين الرئيسيين لمركزات التيتانيوم، أستراليا وكندا والصين والهند والنرويج وجنوب إفريقيا وأوكرانيا، والولايات المتحدة.
تم تطوير الآلاف من سبائك التيتانيوم ويمكن تصنيفها في أربع فئات رئيسية:
تعتمد هذه الأربع فئات على التركيب الكيميائي الأساسي والطريقة التي يتم بها التلاعب بها أثناء التصنيع.
- سبائك طور ألفا بأقل قوة ولكنها قابلة للتشكيل واللحام.
- سبائك ألفا بلس بيتا لها قوة عالية.
- سبائك ألفا القريبة بقوة متوسطة ولكنها تتمتع بمقاومة جيدة للزحف.
- سبائك الطور بيتا بأعلى قوة من أي سبائك تيتانيوم ولكنها تفتقر أيضًا إلى الليونة.
خصائص عنصر التيتانيوم
 |
| خصائص عنصر التيتانيوم |
التيتانيوم عنصر معدني انتقالي. يتواجد في شكل صلب عند درجة حرارة وضغط قياسيين.
إنه معدن قوي جدًا وله كثافة منخفضة. مثله مثل المعادن الأخرى، فهو أيضًا مطلي ولامع في شكل معدني أبيض في المظهر. يتميز بدرجة انصهار عالية جدًا نظرًا لاستخدامها كمعدن مقاوم للصهر.
التيتانيوم المعد للأغراض التجارية نقي بنسبة 99.2٪، حيث يتمتع بقوة شد عالية جدًا تبلغ حوالي 434 ميجا باسكال (63000 رطل لكل بوصة مربعة). وهو ما يعادل سبائك الصلب منخفضة الجودة.
ومع ذلك، عندما يتم تسخين التيتانيوم فوق 430 درجة مئوية (أي 806 درجة فهرنهايت)، فإنه يفقد قوته. وهو عبارة عن تآصل ثنائي الشكل لشكل α السداسي ويميل إلى التغيير إلى شكل مكعب محوره الجسم عند درجة حرارة تبلغ حوالي 882 درجة مئوية.
واحدة من الخصائص المهمة أيضاً للتيتانيوم هي نسبة القوة إلى الكثافة العالية للغاية. فهو أكثر كثافة بنسبة 60٪ من الألمنيوم بمعدل قوة مرتين. وبالمثل، فهو أخف بنسبة 45٪ من الفولاذ ولكنه يتمتع بنفس القوة تقريبًا.
التيتانيوم عنصر غير مغناطيسي وعلى عكس المعادن الأخرى، فهو ليس موصلًا جيدًا للحرارة والكهرباء. ومع ذلك، عند تبريده إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة، أي 0.49 كلفن، فإنه يتصرف كموصل فائق.
عند تعرضها للهواء، تتأكسد الطبقة الخارجية للمعدن لتشكل طبقة تخميل غير مسامية. وهي طبقة رقيقة تحمي المعدن الداخلي من المزيد من الأكسدة.
- الرمز الكيميائي: Ti
- الوزن الذري: 47.867 ± 0.001
- العدد الذري: 22
- الكثافة: 4.506 جم / سم 3 عند درجة حرارة الغرفة
- المظهر فضي رمادي معدني
- نقطة الانصهار 1941 ك
- نقطة الغليان 3560 ك
- حرارة الانصهار 14.15 كيلو جول / مول
- حرارة التبخير 425 كيلو جول / مول
- السعة الحرارية المولية 25.060 جول / (مول · كلفن)
- هيكل بلوري سداسي مغلق معبأ
- التمدد الحراري 8.6 ميكرومتر / (م · كلفن) عند 25 درجة مئوية
- الموصلية الحرارية 21.9 W / (m⋅K)
- المقاومة الكهربائية 420 نانومتر عند 20 درجة مئوية
- الكهربية 1.54 على مقياس بولينج
- القابلية المغناطيسية المولية +153.0 × 10−6 سم 3 / مول عند 293 كلفن
- معامل يونغ 116 جيجا باسكال
- معامل السائبة 110 جيجا باسكال
- معامل القص 44 جيجا باسكال
- نسبة بواسون 0.32
الآن، بعد أن مررنا على جميع الخصائص المهمة للتيتانيوم، يمكننا المضي قدمًا لمناقشة الاستخدامات المهمة لهذا المعدن.
تصنيع سبائك التيتانيوم
 |
| تصنيع سبائك التيتانيوم |
يتم إنتاج التيتانيوم باستخدام عملية كرول. تشمل الخطوات المتضمنة الاستخراج والتنقية وإنتاج الإسفنج وإنشاء السبائك وتشكيليها. يتخصص العديد من المصنّعين في مراحل مختلفة من هذا الإنتاج.
على سبيل المثال، هناك مصنعون يصنعون الإسفنج فقط، وآخرون يذوبون فقط ويصنعون السبائك، وآخرون ينتجون المنتجات النهائية. حاليًا، لا يوجد مصنع واحد يكمل كل هذه الخطوات.
الاِستِخلاص
في بداية الإنتاج، تتلقى الشركة المصنعة مركزات التيتانيوم من المناجم. بينما يمكن استخدام الروتيل في شكله الطبيعي، تتم معالجة الإلمنيت لإزالة الحديد بحيث يحتوي على 85٪ على الأقل من ثاني أكسيد التيتانيوم.
يتم وضع هذه المواد في مفاعل الطبقة المميعة مع غاز الكلور والكربون. ثم تسخن المادة إلى 1،652 درجة فهرنهايت (900 درجة مئوية) وينتج عن التفاعل الكيميائي اللاحق تكوين رباعي كلوريد التيتانيوم غير النقي (TiCl4) وأول أكسيد الكربون.
الشوائب الناتجة هي نتيجة لعدم استخدام ثاني أكسيد التيتانيوم النقي في البداية. لذلك يجب إزالة كلوريدات المعادن غير المرغوب فيها التي يتم إنتاجها.
المعالجة
يوضع المعدن المتفاعل في خزانات تقطير كبيرة ويسخن. خلال هذه الخطوة، يتم فصل الشوائب باستخدام التقطير الجزئي والترسيب.
يزيل هذا الإجراء كلوريدات المعادن بما في ذلك الحديد والفاناديوم والزركونيوم والسيليكون والمغنيسيوم.
بعد ذلك، يتم نقل رابع كلوريد التيتانيوم المنقى كسائل إلى وعاء مفاعل من الصلب غير القابل للصدأ. ثم يضاف المغنيسيوم ويسخن الحاوية إلى حوالي 1100 درجة مئوية.
يتم ضخ الأرجون في الحاوية لإزالة الهواء ومنع التلوث بالأكسجين أو النيتروجين. يتفاعل المغنيسيوم مع الكلور وينتج كلوريد المغنيسيوم السائل. هذا يترك التيتانيوم الخالص صلبًا لأن نقطة انصهار التيتانيوم أعلى من نقطة التفاعل.
بعدها تتم إزالة مادة التيتانيوم الصلبة من المفاعل عن طريق الثقب ثم معالجتها بالماء وحمض الهيدروكلوريك لإزالة المغنيسيوم الزائد وكلوريد المغنيسيوم. المادة الصلبة الناتجة هي معدن مسامي يسمى الإسفنج.
خلق سبيكة
يمكن بعد ذلك تحويل إسفنجة التيتانيوم الخالص إلى سبيكة قابلة للاستخدام عبر فرن القوس الكهربائي القابل للاستهلاك. في هذه المرحلة، يتم خلط الإسفنج بمختلف إضافات السبائك والخردة المعدنية.
تتم صياغة النسبة الدقيقة من الإسفنج إلى مادة السبائك في المختبر قبل الإنتاج. يتم بعد ذلك ضغط هذه الكتلة في مكابس ولحامها معًا ، لتشكيل قطب إسفنجي.
ثم يتم وضع قطب الإسفنج في فرن القوس الفراغي للصهر. في هذه الحاوية النحاسية المبردة بالماء، يتم استخدام قوس كهربائي لصهر قطب الإسفنج لتكوين سبيكة.
تتم إزالة كل الهواء الموجود في الحاوية (تشكيل فراغ) أو ملء الغلاف الجوي بالأرجون لمنع التلوث.
عادة، يتم إعادة صهر السبيكة مرة أو مرتين أخريين لإنتاج سبيكة مقبولة تجاريًا. في الولايات المتحدة، تزن معظم السبائك التي يتم إنتاجها بهذه الطريقة حوالي 9000 رطل (4082 كجم) ويبلغ قطرها 30 بوصة (76.2 سم).
بعد صنع سبيكة، يتم إزالتها من الفرن وفحصها بحثًا عن عيوب. يمكن تكييف السطح كما هو مطلوب للعميل. يمكن بعد ذلك شحن السبيكة إلى شركة تصنيع سلع تامة الصنع حيث يمكن طحنها وتصنيعها لإنتاج منتجات مختلفة.
أبرز استخدامات معدن التيتانيوم في شتى المجالات
من حيث الاستخدام يدخل أيضاً ثاني أكسيد التيتانيوم (بودرة التيتانيوم) مثل السبائك في مجموعة واسعة من الأغراض، من تجارية، طبية وصناعية وما إلى ذلك. أدناه أهم الاستخدامات المختلفة له.
 |
| أبرز استخدامات معدن التيتانيوم |
الاستخدامات التجارية
• الأصباغ والمواد المضافة
يستخدم ما يقرب من 95٪ من إجمالي التيتانيوم المنتج في جميع أنحاء العالم في تصنيع ثاني أكسيد التيتانيوم. TiO2 هو صبغة دائمة بيضاء عميقة. يستخدم في تحضير الدهانات ومعجون الأسنان والورق والبلاستيك.
يستخدم TiO2 أيضًا في صناعة الأحجار الكريمة والأسمنت، بالإضافة إلى معتم بصري في الورق. كما وجد استخدامه كعامل تقوية في صنع قضبان الصيد ونوادي الجولف المكونة من الجرافيت.
التيتانيوم معدن شديد المقاومة بسببه حتى الأصباغ المصنوعة باستخدام TiO2 تكون خاملة كيميائيًا ولا تتلاشى في ضوء الشمس.
تصنع غالبية المنتجات البلاستيكية المنزلية باستخدام مواد كيميائية بنية أو رمادية اللون. يضفي TiO2 لونًا أبيض لامعًا على هذه المواد الكيميائية مما يجعلها تبدو أكثر مظهرًا وتدوم لفترة أطول.
تعتبر الدهانات التي تحتوي على ثاني أكسيد التيتانيوم أكثر متانة وقدرة لمقاومة الظروف البيئية القاسية.
• الطلاءات
معامل الانكسار ومعامل الانقراض لثاني أكسيد التيتانيوم 2.8736 و 0 على التوالي عند 632.8 نانومتر. أيضًا، يكون التشتت البصري لـ TiO2 أعلى من الماس. بسبب هذه الخصائص، يتم استخدام الجسيمات النانوية من TiO2 في صنع واقيات الشمس.
تمتص هذه الجزيئات الصغيرة ضوء الأشعة فوق البنفسجية بينما تسمح للضوء المرئي بالمرور. وبالتالي، فإنها تخلق حاجزًا شفافًا يحمي البشرة من الأشعة فوق البنفسجية الضارة من الشمس.
• الطيران والبحرية
يشتهر التيتانيوم بخصائصه المقاومة للتآكل. مع قوة شد عالية جدا نسبة الكثافة. يمكن أن تقاوم درجات حرارة تصل إلى 1000 درجة فهرنهايت دون الزحف. علاوة على ذلك، فهي تتميز بخصائص مقاومة عالية للتعب والتشققات.
كل هذه الخصائص تجعل التيتانيوم معدنًا لا يقدر بثمن في صناعة الطيران والفضاء. يستخدم التيتانيوم في صناعة الطائرات والسفن البحرية والمركبات الفضائية وطلاء الدروع والصواريخ.
في الطائرات، يتم استخدامه بشكل خاص في تصنيع المكونات الهيكلية لهيكل الطائرة، ومكونات محرك الهواء، والأنظمة الهيدروليكية للطائرات.
استخدامات التيتانيوم في أرشيف الهندسة البحرية، معادن وسبائك حرارية.
يتم استخدام سبائك التيتانيوم مع الألمنيوم والحديد والزركونيوم والموليبدينوم والنيكل والمنغنيز والمعادن الأخرى في صناعة الطيران بسبب قوتها المتزايدة بشكل كبير.
تُستخدم مقاومة التيتانيوم للمياه المالحة أيضًا في تصنيع المبادلات الحرارية في محطات تحلية المياه، وأعمدة المراوح، والتزوير، وخط الصيد والقائد، ومبردات السخان لأحواض المياه المالحة، وسكاكين الغواصين.
يستخدم التيتانيوم أيضًا في صنع أجهزة المراقبة المنتشرة في المحيط.
الاستخدامات الصناعية
• صناعة بتروكيماوية
نظرًا لمقاومته العالية للتآكل، يتم استخدام التيتانيوم في صناعة الأنابيب والمبادلات الحرارية والخزانات وأوعية المعالجة والصمامات وما إلى ذلك للصناعات الكيماوية والبتروكيماوية.
• صناعة اللب والورق
تستخدم هذه الصناعة بعض الوسائط المسببة للتآكل مثل هيبوكلوريت الصوديوم أو غاز الكلور الرطب. يتم استخدام التيتانيوم كونه مقاوم للتآكل في تصنيع معدات معالجة لصناعة اللب والورق.
• صناعة الزجاج
يشكل رباعي كلوريد التيتانيوم أبخرة في الهواء الرطب بسبب استخدامه لتقزح الزجاج. تستخدم هذه النظارات في صنع شاشات الدخان.
• صناعة السيارات والرياضة
على الرغم من أن التيتانيوم مكلف للغاية بالنسبة للسوق الاستهلاكية العامة ، إلا أنه يستخدم في صناعة السيارات، خاصة لسباقات الدراجات النارية.
كما أنها تستخدم في صنع معدات رياضية عالية الجودة مثل مضارب الجولف ومضارب التنس وأعمدة عصا اللاكروس وشوايات خوذة كرة القدم وما إلى ذلك. كما أنها تستخدم في صنع دورات لراكبي الدراجات المغامرة وفرق السباق.
• الصناعة المعمارية
التيتانيوم معدن شديد التحمل وخفيف الوزن وخامل. نظرًا لهذه الخصائص ، يتم استخدامه أيضًا في تصنيع إطارات النظارات والمعدات للرحالة مثل أواني الطبخ ، وأوتاد الخيام ، والفوانيس ، وما إلى ذلك.
يجد التيتانيوم أيضًا استخدامه في صنع حدوات حصان تكون أخف وزنا وأكثر متانة مقارنة بحدوات الخيول العادية المصنوعة من الفولاذ.
• المجوهرات
يستخدم التيتانيوم في صنع المجوهرات بسبب طبيعته الخاملة وغير المسببة للحساسية. تحظى خواتم الخطبة المصنوعة من التيتانيوم بشعبية كبيرة هذه الأيام. علاوة على ذلك ، لا تتآكل هذه المجوهرات وهي مناسبة للارتداء في حمامات السباحة أو حتى في مياه البحر.
1٪ من التيتانيوم الممزوج بالذهب صلبة مثل ذهب 14 قيراط ومتينة مثل الذهب عيار 24. في السوق ، تُباع هذه السبيكة على شكل ذهب عيار 24 لأن تركيبة التيتانيوم منخفضة جدًا.
التيتانيوم قوي ومقاوم للانبعاثات ويستخدم أيضًا في صنع إطارات لساعات المعصم. بعض الأشياء الزخرفية والمنحوتات مصنوعة أيضًا باستخدام التيتانيوم.
يستخدم التيتانيوم أيضًا في ثقب الجسم. يتم أيضًا صنع بعض الميداليات والعملات المعدنية المحددة باستخدام التيتانيوم.
الاستخدامات الطبية
• الغرسات الجراحية
التيتانيوم معدن خامل غير سام متوافق حيوياً. هذا يعني أنه عندما يدخل التيتانيوم الجسم ، لا يتم رفضه. بسبب هذه الخصائص ، يتم استخدام التيتانيوم في صنع الغرسات الجراحية مثل زراعة الأسنان وكرات الورك والمآخذ وما إلى ذلك.
عادة ، يتم استخدام سبائك التيتانيوم مع 4٪ أو 6٪ ألومنيوم و 4٪ فاناديوم لهذا الغرض.
نظرًا لأن التيتانيوم غير مغناطيسي مغناطيسي ، يمكن للمرضى الذين لديهم غرسات جراحية مصنوعة من التيتانيوم الخضوع بأمان للتصوير بالرنين المغناطيسي.
• المعدات طبية
يستخدم التيتانيوم في صنع مكونات الكراسي المتحركة والعكازات وغيرها من المعدات الطبية المماثلة. كما أنها تستخدم في صنع الأدوات الجراحية للجراحة الموجهة بالصور.
• التخلص من النفايات النووية
يتم استخدام التيتانيوم كونه مقاوم للتآكل ودائم للغاية لصنع حاويات تخزين لمنتجات النفايات النووية. باستخدام التقنية الصحيحة، من الممكن صنع حاويات تدوم حتى 100000 عام.
ختاماً...
يمكن استخدام التيتانيوم لمجموعة متنوعة من الأغراض مثل صناعة الطلاء والفضاء والصناعات البحرية والبتروكيماويات ولب الورق وصناعة الزجاج.
كما أنها تستخدم في صنع المجوهرات والغرسات الجراحية والمعدات الطبية وكذلك في صنع حاويات التخزين للتخلص من النفايات النووية.
المصدر
↚