تم اكتشاف التيتانيوم من قبل عالم المعادن الإنجليزي ويليام جريغور في عام 1791. قام جريغور بتحليل رمال خامات مغناطيسية في كورنوال، إنجلترا، واستخرج معدن الإلمينيت.
بعد أربع سنوات، في عام 1795، استخلص الكيميائي الألماني مارتن هاينري كلابروث أكسيد التيتانيوم من الروتيل المنتج في هنغاريا، وسمّى هذا العنصر الجديد تيتانيوم.
تم إعداد التيتانيوم المعدني لأول مرة في عام 1910 من قبل ماثيو أ. هانتر في معهد رينسيلير للتقنية، وذلك بتسخين TiCl4 مع الصوديوم.
في عام 1932، استخدم الكيميائي اللوكسمبورغي فيلهلم جوستن كرول كلوريد التيتانيوم (TiCl4) والصوديوم لإنتاج كمية كبيرة من التيتانيوم. وفي بداية الحرب العالمية الثانية، أثبت في مكتب المناجم الأمريكي أنه يمكن استخلاص التيتانيوم تجاريًا باستخدام الكالسيوم بدلًا من المغنيسيوم كعامل اختزال لاختزال TiCl4، وتُعرف هذه الطريقة باسم "عملية كرول"، ولا تزال تُستخدم على نطاق واسع حتى اليوم. وقد تم إنتاج المعدن التيتانيوم تجاريًا لأول مرة بواسطة شركة دوبونت في الولايات المتحدة عام 1948.
حتى الآن، تعد الصين والولايات المتحدة وروسيا واليابان المنتجين الرئيسيين لمنتجات التيتانيوم، حيث يشكل إنتاجها المشترك أكثر من 90٪ من إنتاج التيتانيوم العالمي.
1. الخصائص الأساسية للتيتانيوم وسبائكه
بصراحة، التيتانيوم ليس معدنًا نادرًا، بل هو العنصر التاسع من حيث الوفرة في قشرة الأرض، ورابع أكثر المعادن البنائية وفرة بعد الألومنيوم والحديد والمغنيسيوم. ولكن من المؤسف أن الخامات ذات المحتوى العالي من التيتانيوم نادرًا ما تُوجد في قشرة الأرض، ولم يُعثر قط على تيتانيوم نقي. وبما أنه من الصعب جدًا إنتاج معدن التيتانيوم النقي، يظل التيتانيوم دائمًا "مكلفًا". حتى الآن، لا يمكن إنتاج التيتانيوم إلا بشكل دفعات وبشكل غير مستمر، ولا توجد عملية إنتاج مستمرة مثلما هو الحال مع المعادن البنائية الأخرى.
من بين العناصر الكيميائية الـ112 المعروفة في الجدول الدوري (الشكل 1)، تكون حوالي 85٪ منها معادن أو شبه معادن. وهناك طرق مختلفة لتصنيف المعادن، مثل المعادن الحديدية وغير الحديدية، والمعادن الخفيفة والثقيلة. ويُصنف التيتانيوم كمعدن غير حديدي وخفيف.
رقم التيتانيوم الذري هو 22. ووزنه الذري القياسي 47.90، وكثافته 4.5 غ/سم³، ودرجة انصهاره تصل إلى 1725°م. والتيتانيوم يمتلك شكلين متآصلين (أليوتروبيا)؛ عند درجات حرارة أقل من 882.5°م، يكون له بنية سداسية مدمجة مغلقة α-تيتانيوم، وعند درجات حرارة أعلى من 882.5°م، يتحول إلى بنية مكعبية مركزها جسمياً β-تيتانيوم.
تعتمد خواص المعادن بشكل رئيسي على الروابط المعدنية بين الذرات في الشبكة البلورية، مما يعني أن الإلكترونات التكافؤية الحرة الحركة داخل الشبكة تُكسبها الخصائص المعدنية النموذجية مثل التوصيل الكهربائي، ويمكن سبكها عن طريق التشوهات البلاستيكية الناتجة عن انزلاق الذرات داخل الشبكة، وكذلك عن طريق إضافة ذرات شوائب للشبكة. ويُعرف المسبوك الذي يتم فيه إضافة عناصر معدنية أخرى إلى التيتانيوم النقي لتحسين خواصه الميكانيكية ومقاومته للتآكل في درجات الحرارة العادية (أو المرتفعة)، باسم سبيكة التيتانيوم.
يتميز التيتانيوم وسبائكه بخواص بارزة اثنتين: قوة نوعية عالية ومقاومة تآكل ممتازة.
الصلابة النوعية هو مؤشر يقيس العلاقة بين قوة المادة وكثافتها. ويُعرَّف بأنه نسبة قوة المادة (التي تُعبَّر عنها عادةً بمقاومة الشد) إلى كثافتها. ويُستخدم المعامل المخصص للقوة لتقييم قدرة المواد على تحمل الأحمال بالنسبة لوحدة الكتلة، وهو معلمة مهمة في تصميم الهياكل الخفيفة الوزن وعالية القوة. وتُعرف سبائك التيتانيوم بأنها خفيفة الوزن وذات معامل قوة مخصص مرتفع، مما يجعلها شائعة بشكل خاص في صناعة الطيران والفضاء.
مقاومة للتآكل يشير إلى قدرة المادة على مقاومة التفاعلات الكيميائية أو التآكلية الكهروكيميائية، والتي قد تؤدي إلى تدهور أو تلف أو تآكل المادة. مقاومة التآكل هي خاصية مهمة جدًا في علوم المواد، خاصةً في التطبيقات التي تتطلب التعرض لبيئات قاسية أو وسائط مسببة للتآكل. تعود مقاومة التآكل في سبائك التيتانيوم بشكل رئيسي إلى قدرتها على تشكيل طبقة رقيقة من الأكسيد كثيفة وتُصلح نفسها تلقائيًا على سطحها. توفر هذه الطبقة الباسية لسبائك التيتانيوم مقاومة للتآكل تفوق مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ بـ 100 مرة. في هندسة المحيطات، يُعرف سبيكة التيتانيوم بـ"معادن المحيط"، وقد بدأت تحل تدريجيًا محل الفولاذ المقاوم للصدأ نظرًا لخصائصها المتمثلة في خفة الوزن والمتانة العالية ومقاومة التآكل.
EN
أخبار ساخنة
