Titanium egenskaper og egenskaper

Dette metallet har romfart, militære og medisinske applikasjoner

Monty Rakusen/Culture/Getty Images

Titan er et sterkt og lett ildfast metall. Titanlegeringer er kritiske for romfartsindustrien, mens de også brukes i medisinsk, kjemisk og militær maskinvare og sportsutstyr.

Luftfartsapplikasjoner regnskap for 80 % av titanforbruket, mens 20 % av metallet brukes i rustning, medisinsk maskinvare og forbruksvarer.

Egenskaper til titan

• Atomsymbol: Du
• Atomnummer: 22
• Elementkategori: Overgangsmetall
• Tetthet: 4,506/cm³
• Smeltepunkt: 3038 °F (1670 °C)
• Kokepunkt: 5949 °F (3287 °C)
• Mohs hardhet: 6

Kjennetegn

Legeringer som inneholder titan er kjent for sin høye styrke, lave vekt og eksepsjonelle korrosjonsbestandighet. Til tross for at den er så sterk som stål , titan er omtrent 40 % lettere i vekt.

Dette, sammen med motstanden mot kavitasjon (raske trykkendringer, som forårsaker sjokkbølger, som kan svekke eller skade metall over tid) og erosjon, gjør det til et essensielt strukturelt metall for romfartsingeniører.

Titan er også formidabel i sin motstand motkorrosjonav både vann og kjemiske medier. Denne motstanden er resultatet av et tynt lag titandioksid (TiO_to) som dannes på overflaten som er ekstremt vanskelig for disse materialene å penetrere.

Titan har lav elastisitetsmodul. Dette gjør at titan er svært fleksibelt, og kan gå tilbake til sin opprinnelige form etter bøyning. Minne legeringer (legeringer som kan deformeres når de er kalde, men vil gå tilbake til sin opprinnelige form når de varmes opp) er viktige for mange moderne bruksområder.

Titan er ikke-magnetisk og biokompatibelt (ikke-giftig, ikke-allergifremkallende), noe som har ført til økende bruk i det medisinske feltet.

Historie

Bruken av titanmetall, i enhver form, utviklet seg først etter andre verdenskrig. Faktisk ble titan ikke isolert som et metall før den amerikanske kjemikeren Matthew Hunter produserte det ved å redusere titantetraklorid (TiCl)₄) med natrium i 1910; en metode nå kjent som Hunter-prosessen.

Kommersiell produksjon kom imidlertid ikke før etter at William Justin Kroll viste at titan også kunne reduseres fra klorid ved hjelp av magnesium på 1930-tallet. Kroll-prosessen er fortsatt den mest brukte kommersielle produksjonsmetoden den dag i dag.

Etter at en kostnadseffektiv produksjonsmetode ble utviklet, var titans første store bruk i militære fly. Både sovjetiske og amerikanske militærfly og ubåter designet på 1950- og 1960-tallet begynte å bruke titanlegeringer. På begynnelsen av 1960-tallet begynte titanlegeringer å bli brukt av kommersielle flyprodusenter også.

Det medisinske feltet, spesielt tannimplantater og proteser, våknet til bruken av titan etter at den svenske legen Per-Ingvar Branemarks studier helt tilbake til 1950-tallet viste at titan ikke utløser noen negativ immunrespons hos mennesker, slik at metallet kan integreres i kroppen vår i en prosess han kalt osseointegrasjon.

Produksjon

Selv om titan er det fjerde vanligste metallelementet i jordskorpen (bak aluminium, jern og magnesium), er produksjonen av titanmetall ekstremt følsom for forurensning, spesielt med oksygen, som står for dens relativt nylige utvikling og høye kostnader.

De viktigste malmene som brukes i primærproduksjonen av titan er ilmenitt og rutil, som står for henholdsvis ca. 90 % og 10 % av produksjonen.

Nærmere 10 millioner tonn titanmineralkonsentrat ble produsert i 2015, selv om bare en liten del (omtrent 5%) av titankonsentrat produsert hvert år til slutt ender opp i titanmetall. I stedet brukes de fleste i produksjonen av titandioksid (TiO_to), en bleking pigment brukes i maling, mat, medisiner og kosmetikk.

I det første trinnet av Kroll-prosessen knuses titanmalm og varmes opp med kokskull i en kloratmosfære for å produsere titantetraklorid (TiCl).₄). Kloridet blir deretter fanget og sendt gjennom en kondensator, som produserer en titankloridvæske som er mer 99% ren.

Titantetrakloridet sendes deretter direkte inn i kar som inneholder smeltet magnesium. For å unngå oksygenforurensning gjøres dette inert ved tilsetning av argongass.

Under den påfølgende destillasjonsprosessen, som kan ta flere dager, varmes karet opp til 1832°F (1000°C). Magnesiumet reagerer med titankloridet, stripper kloridet og produserer elementært titan og magnesiumklorid.

Det fibrøse titanet som produseres som et resultat blir referert til som titansvamp. For å produsere titanlegeringer og titanblokker med høy renhet, kan titansvamp smeltes med forskjellige legeringselementer ved hjelp av en elektronstråle, plasmabue eller vakuumbuesmelting.