了解鈦金屬的價值,鈦合金優缺點

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鈦及鈦合金儼然成為一種耐蝕構造材料,在航空航天、艦船軍工、冶金化工、建築建材(大巨蛋的屋頂及帷幕牆)、生活3C用品(手錶、高爾夫球頭)、環境保護、醫療器械(義肢)等眾多產業中大量廣泛使用,鈦離我們很遠也很近,並提供了廣大的經濟和社會效益

鈦金屬(Titanium)的發現始於1791年,並以希臘神話中的泰坦(Titans)將其命名,泰坦是希臘神話中曾统治世界的古老神族,在許多歐洲語言裡,「titan」一詞常表示為「巨大的」,「了不起的」,同時也是強大的象徵,而歷史上最早製作出純鈦(99.9%)一直要到1910年,在這段時間內研究如何能更有效並降低成本提煉鈦金屬的方式不斷在創新。

在1950年代至60年代年間,蘇聯率先將鈦用於軍事及潛艇用途,從此,鈦開始被用於各種軍事航空用途,尤其是製造高性能噴射機,目前鈦工業以平均每年約8%的成長速度發展中,現今國際鈦合金加工材料年產量達4萬多噸,鈦合金種類近30種。其中運用最廣泛的鈦合金為Ti-6Al-4V(TC4)、64鈦、Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業純鈦(TA1,TA2和TA3),鈦元素在地球上儲量相當豐富,全球鈦鐵礦儲量約14億噸,金紅石儲量約1億噸,儲量僅次於鋁、鐵、鎂,排名第四。

1、鈦金屬提煉困難,鈦與氧結合力較強,不易從礦石中分離出,步驟相對複雜繁瑣,而鈦金屬的價格相對高,是因在提煉的過程中,需要氧化另一種昂貴的金屬「鎂」,透過鎂還原鈦(克羅爾法),然後在真空環境中把鈦蒸餾,整個鈦的冶煉是個電解還原的過程,需要用到大量電能,鈦蒸餾後外觀疏鬆多孔,稱為海綿鈦,海綿鈦必須用電爐重新熔鑄才能變成可以用的鈦錠。
2、除了提煉難之外,純鈦的加工難度也非常高,由於鈦金屬的低導熱性,使得鈦加工製程複雜,切削鈦金屬的主要問題是過程會產生過高的熱量。鈦本身傳熱不良導致相當大的熱能直接傳遞到切削刃,使刀具的刃口迅速磨損,進一步縮短切削刀具的壽命,也經常造成模具的損壞,因此鈦合金的價格十分昂貴。

目前,全球鈦及鈦合金主要生產國家及企業較少,對於社會上大多數人來說,可能只是聽過知道但並不熟悉。而鈦的應用領域是如此之廣,遠至登月的太空載具、翱翔藍天的飛機、徜徉大海的艦艇潛水艇;近至我們的生活周遭的物品如手錶眼鏡、高爾夫球頭、鍋具餐具、戶外用品、醫療人工關節,血管支架,骨科植入物,假牙等,都是鈦金屬鈦合金的應用領域。

1、比強度(抗拉強度/密度)高,抗拉強度可達100~140kgf / mm2,而密度僅為鋼的60%。中溫強度好,運用溫度比鋁合金高幾百度,在中等溫度下仍能支撐所要求的工作強度,可在450~500℃的溫度下連續工作。
2、耐腐蝕性好,在大氣中鈦外表當即構成一層均勻細密的氧化膜,有反抗多種介質腐蝕的能力。通常鈦在氧化性和中性介質中具有良好的耐蝕性,鈦合金在潮濕的大氣和海水中工作,其抗蝕性遠勝於不鏽鋼,但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。
3、低溫功能好,空隙元素極低的鈦合金,如TA7,在-253℃下還能堅持一定的塑性。
4、熱導率小,無鐵磁性,對人體無毒無害,鈦醫用製品植入人體內或與皮膚接觸,不引起發炎、過敏,更不會造成人體組織不相容,廣為醫療界採用。

1、加工困難,鈦及鈦合金主要限制是在高溫與其它材料的化學反應性差。此性質迫使鈦合金與一般傳統的精鍊、熔融和鑄造技術不同,甚至經常造成模具的損壞。
2、難以提煉,因為鈦的氧化物相當穩定,且金屬鈦在高溫時才能與氧、氮、氫、碳等元素起激烈反應,因此純鈦很難製備,直至1910年才由美國化學家亨特(Matthew A. Hunter)第一次製得高純度的金屬鈦。鈦的製備由於鈦在高溫下化合能力極強,可與氧、碳、氮以及其他多種元素化合,因此鈦合金的成本十分昂貴。大多用在飛機結構、航空器,以及用在石油和化學工業等高科技工業。多屬於高價位的產品。

1、健康-無化學電鍍塗層,鈦金屬亦對人體無毒害,即使經年使用後產生刮痕,也可以放心使用。
2、無味-最佳食物儲藏器皿,使用無臭無味的鈦餐具鈦杯,能使食物菜餚、飲品保持原本的風味,沒有不鏽鋼的鐵味。
3、輕盈-鈦的重量約為不鏽鋼的60%,銅的1/2。鈦製品可以打造得更輕量同時強度不減,因此很受登山、露營愛好者的歡迎,許多戶外登山玩家都有鈦製的裝備,包括煮食鍋具、餐具器皿、甚至是帳蓬營釘等。
4、防酸鹼腐蝕-(包括海水、王水及氯氣),抗蝕性幾乎跟鉑一樣好,鈦與氧反應能於表面瞬間形成穩定且能阻止生鏽的氧化膜,而這層薄膜可以抑制細菌生長,使鈦製品具有良好的抑菌性。因不易與酸鹼食材起反應,因此盛裝鹽、醋、調味料、果汁時,不會使飲品和菜餚的味道發生變化,一樣可以安心使用。
5、強度高-不銹鋼的4.7倍,鈦擁有高比強度,是低碳鋼的2倍,鋁的3倍。在打造更輕、更薄的規格同時,材質強度不會受影響。
6、好清潔-鈦不易沾黏油垢、異味,能輕易的清潔乾淨,在戶外水資源稀少的情況下能進一步節省水,可以直接使用紙巾擦拭。

這是沒有定論的,不同的材料適用於不同的產品,通常來講,排除外型等因素,鈦合金的材料成本是高於純鈦的。當然,這裡的鈦合金是要以鈦為基底加入其它金屬和非金屬,而不是在其他金屬中加入一點鈦,含一點鈦就冒充鈦合金的產品。

 

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