ไทเทเนียม คือ องค์ประกอบทางเคมีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ (เลขอะตอม 22) — ไม่ใช่สารประกอบหรือสารผสม — สกัดจากแร่เป็นหลัก เช่น อิลเมไนต์ และรูไทล์ ผ่านกระบวนการกลั่นแบบหลายขั้นตอน ในเชิงพาณิชย์ โลหะไทเทเนียมถูกผลิตผ่านทาง กระบวนการโครลล์ ซึ่งแปลงไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) เป็นไทเทเนียมเตตระคลอไรด์ (TiCl₄) แล้วลดให้เป็นฟองน้ำไทเทเนียมโดยใช้แมกนีเซียม ไทเทเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงพิเศษ (5N / 99.999% ขึ้นไป) ต้องใช้เทคนิคขั้นสูงเพิ่มเติม เช่น การทำให้บริสุทธิ์ด้วยไฟฟ้าด้วยเกลือหลอมเหลว และการหลอมลำแสงอิเล็กตรอนในสุญญากาศ ไทเทเนียมทำ ไม่เป็นสนิม ในแง่ทั่วไป — มันสร้างชั้นออกไซด์ที่เสถียรและซ่อมแซมตัวเองได้ ซึ่งให้ความต้านทานการกัดกร่อนที่โดดเด่น
ไทเทเนียม (Ti) คือ ก องค์ประกอบทางเคมีบริสุทธิ์ ไม่ใช่สารประกอบหรือของผสม อยู่ที่ตำแหน่ง 22 ในตารางธาตุ โดยมีน้ำหนักอะตอมประมาณ 47.87 กรัม/โมล ในรูปแบบโลหะ ประกอบด้วยอะตอมไทเทเนียมทั้งหมดจัดเรียงอยู่ในโครงสร้างผลึกแบบปิด (HCP) หกเหลี่ยมที่อุณหภูมิห้อง เมื่อผสมกับองค์ประกอบอื่นๆ เช่น Ti-6Al-4V (อะลูมิเนียม 6%, วานาเดียม 4%) สารจะกลายเป็นโลหะผสม ซึ่งในทางเทคนิคแล้วเป็นส่วนผสมของโลหะ อย่างไรก็ตาม ไทเทเนียมบริสุทธิ์เองนั้นเป็นสารองค์ประกอบเดี่ยวที่จัดอยู่ในประเภทก โลหะทรานซิชัน .
ไทเทเนียมไม่ได้เกิดขึ้นเป็นโลหะอิสระในธรรมชาติ มันถูกขุดจากแร่แร่หลักสองชนิด:
โดยทั่วไปแล้วการขุดจะใช้ การขุดแบบเปิด (พื้นผิว) หรือการขุดลอกทรายแร่ . จากนั้นแร่จะถูกทำให้เข้มข้นโดยใช้การแยกด้วยแรงโน้มถ่วง การแยกด้วยแม่เหล็ก และเทคนิคไฟฟ้าสถิต สมาธิที่ได้ (เรียกว่า "ตะกรันไทเทเนียม" หรือ "รูไทล์สังเคราะห์") จะถูกป้อนเข้าสู่กระบวนการถลุงแร่และกระบวนการทางเคมีขั้นปลายน้ำ ออสเตรเลียคิดเป็นประมาณ 20% ของการผลิตอิลเมนไนต์ทั่วโลก ในขณะที่จีนครองผลผลิตฟองน้ำไทเทเนียมทั่วโลกมากกว่า 60% ของอุปทานทั่วโลก
วิธีการเชิงพาณิชย์ที่โดดเด่นในการผลิตโลหะไทเทเนียมคือ กระบวนการโครลล์ คิดค้นโดย Wilhelm Kroll ในปี 1940 โดยจะแปลง TiO₂ ให้เป็นไทเทเนียมโลหะผ่านชุดปฏิกิริยาเคมีที่ได้รับการควบคุม ด้านล่างนี้เป็นภาพรวมของขั้นตอนสำคัญ:
| เวที | กระบวนการ | คีย์กลาง / เอาท์พุต | อุณหภูมิ |
|---|---|---|---|
| 1. คลอรีน | TiO₂ 2Cl₂ C → TiCl₄ CO₂ | ไทเทเนียม tetrachloride (TiCl₄) | 800–1,000 องศาเซลเซียส |
| 2. การทำให้บริสุทธิ์ | การกลั่นเพื่อขจัดสิ่งเจือปน (FeCl₃, VOCl₃) | TiCl₄ ที่มีความบริสุทธิ์สูง | ~136 °C (จุดเดือด) |
| 3. การลดแมกนีเซียม | TiCl₄ 2Mg → Ti 2MgCl₂ | ไทเทเนียม sponge (~99.5–99.9% Ti) | 800–850 °C (บรรยากาศเฉื่อย) |
| 4. การกลั่นแบบสุญญากาศ | ลบ MgCl₂ และ Mg ที่เหลือ | ฟองน้ำ Ti บริสุทธิ์ | 900–1,000 °C (สุญญากาศ) |
| 5. การหลอมและการหล่อ | การหลอมอาร์คสุญญากาศ (VAR) หรือการหลอมลำแสงอิเล็กตรอน | Ti แท่ง/บิลเล็ต | >1,668 °C (สุญญากาศ) |
กระบวนการ Kroll คือ กระบวนการแบทช์ที่ใช้พลังงานมาก — การผลิตฟองน้ำไทเทเนียมหนึ่งเมตริกตันต้องใช้ไฟฟ้าประมาณ 20–30 MWh นี่เป็นเหตุผลสำคัญที่ไทเทเนียมมีราคาสูงกว่าเหล็กสำหรับงานอุตสาหกรรมอย่างมาก
ในระหว่างการเติมคลอรีน ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) จะทำปฏิกิริยากับก๊าซคลอรีนเมื่อมีคาร์บอน (โค้ก) ก่อตัวขึ้น ไทเทเนียมเตตระคลอไรด์ (TiCl₄) ซึ่งเป็นตัวกลางในการผลิตโลหะไทเทเนียมเกือบทั้งหมด TiCl₄ เป็นของเหลวไม่มีสีและระเหยได้ที่อุณหภูมิห้อง (จุดเดือด 136.4 °C) ซึ่งทำให้มีคุณสมบัติในการทำให้บริสุทธิ์ด้วยการกลั่นเป็นอย่างมาก
ในการวิจัยและการตั้งค่าการผลิตขั้นสูง สารประกอบที่มี TiO วาเลนซ์ต่ำ เช่น ไทเทเนียมมอนนอกไซด์ (TiO) และ ไทเทเนียมเซสควิออกไซด์ (Ti₂O₃) — ปรากฏเป็นระยะกลางระหว่างการลดคาร์บอเทอร์มิกหรือกระบวนการอิเล็กโทรไลต์ โดยทั่วไปซับออกไซด์เหล่านี้มักพบภายในระบบ TiO₂–Ti ในระหว่างการลดอุณหภูมิสูง และมีบทบาทในวิธีการอิเล็กโทรไลซิสโดยตรงแบบใหม่ (เช่น กระบวนการ FFC Cambridge) ที่พยายามแทนที่หรือเสริมกระบวนการ Kroll:
การควบคุมวิถีทาง TiO-ตัวกลางเป็นสิ่งสำคัญ: การลดลงที่ไม่สมบูรณ์จะทำให้ขั้นตอนที่อุดมด้วยออกซิเจนหายไป ชุบโลหะขั้นสุดท้าย ทำให้การควบคุมกระบวนการที่แม่นยำจำเป็นสำหรับเกรดประสิทธิภาพสูงและมีความบริสุทธิ์สูง
โดยทั่วไปแล้วฟองน้ำไทเทเนียมเกรดเชิงพาณิชย์จะถึง ความบริสุทธิ์ 99.5–99.9% (3N–4N) . สำหรับการใช้งานที่มีความต้องการมากที่สุดในเซมิคอนดักเตอร์ การประมวลผลควอนตัม และการสะสมของฟิล์มบาง ระดับความบริสุทธิ์ของ 5N (99.999%), 6N (99.9999%) และ 7N (99.99999%) จำเป็น การบรรลุเกรดเหล่านี้จำเป็นต้องมีขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมนอกเหนือจากกระบวนการ Kroll
CRNMC ได้พัฒนา a กระบวนการทำให้บริสุทธิ์ด้วยไฟฟ้าเกลือหลอมเหลวรุ่นต่อไปรวมกับการละลายลำอิเล็กตรอนสุญญากาศ ช่วยให้สามารถผลิตไทเทเนียมความบริสุทธิ์สูงพิเศษเกรด 5N (99.999%) ในปริมาณมาก CRNMC คือ หนึ่งในสี่บริษัทในระดับสากล สามารถผลิตไทเทเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษในระดับอุตสาหกรรมได้ในระดับนี้ โลหะผสม 6N และ 7N แบบกำหนดเองก็มีวางจำหน่ายเช่นกัน โดยมีขนาดและน้ำหนักที่ปรับแต่งให้เหมาะกับข้อกำหนดของลูกค้า
| เกรด | ความบริสุทธิ์ (%) | สิ่งสกปรกโลหะทั้งหมด | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|---|
| เชิงพาณิชย์ (3N–4N) | 99.5–99.99% | 100–5,000 แผ่นต่อนาที | โครงสร้างการบินและอวกาศ อุปกรณ์เคมี |
| 5N | 99.999% | < 10 ppm | เป้าหมายสปัตเตอร์เซมิคอนดักเตอร์ การวิจัย |
| 6N | 99.9999% | < 1 ppm | ระบบอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง PVD แบบฟิล์มบาง |
| 7N | 99.99999% | < 0.1 ppm | Quantum devices, cutting-edge R&D |
เมื่อผลิตฟองน้ำหรือแท่งไทเทเนียมแล้ว จะต้องผ่านกระบวนการแปรรูปเพิ่มเติมจนกลายเป็นส่วนประกอบและผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูป ห่วงโซ่การผลิตประกอบด้วย:
ไทเทเนียม does not rust . สนิมคือเหล็กออกไซด์ (Fe₂O₃) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อเหล็กหรือเหล็กกล้าทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและน้ำ เนื่องจากไทเทเนียมไม่มีเหล็ก จึงไม่เกิดสนิมในแง่นี้ ในทางกลับกัน ไทเทเนียมจะทำปฏิกิริยาทันทีกับออกซิเจนในบรรยากาศเพื่อสร้างชั้นที่หนาแน่นและยึดเกาะแน่น ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) มีความหนาเพียง 2–7 นาโนเมตร ชั้นออกไซด์แบบพาสซีฟนี้:
สภาพแวดล้อมเดียวที่สามารถโจมตีไทเทเนียมได้คือ กรดไฮโดรฟลูออริกเข้มข้น (HF) กรดซัลฟิวริกเข้มข้นแบบร้อน และรีดิวซ์ตัวกลางอย่างแรงโดยไม่ต้องใช้ออกซิเจน สำหรับสภาพแวดล้อมเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมเกือบทั้งหมด ประสิทธิภาพการกัดกร่อนของไทเทเนียมนั้นยอดเยี่ยมมาก ทำให้เป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับเครื่องปฏิกรณ์เคมี อุปกรณ์ทางทะเล และการปลูกถ่ายทางการแพทย์
การผสมผสานที่ยอดเยี่ยมของความบริสุทธิ์สูง ความแข็งแรงทางกล ความต้านทานการกัดกร่อน และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ ทำให้ไทเทเนียม — โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ 5N ขึ้นไป — เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในภาคส่วนเทคโนโลยีขั้นสูงต่างๆ:
โลหะผสมไทเทเนียมประกอบขึ้น 25–35% ของน้ำหนักโครงสร้างของเครื่องบินพาณิชย์สมัยใหม่ (เช่น Boeing 787 Dreamliner ใช้ไทเทเนียมประมาณ 14% โดยน้ำหนัก) อัตราส่วนความแข็งแรงต่อความหนาแน่นสูงช่วยลดน้ำหนักเฟรม และปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงโดยตรง ใบพัดคอมเพรสเซอร์ของเครื่องยนต์และจานพัดลมใช้ประโยชน์จากการรักษาความแข็งแกร่งที่อุณหภูมิสูง
ความเข้ากันได้ทางชีวภาพของไทเทเนียมทำให้ไทเทเนียมเป็นวัสดุที่ต้องการ การปลูกถ่ายกระดูก รากฟันเทียม และเครื่องมือผ่าตัด . ตลาดการปลูกถ่ายกระดูกทั่วโลกมีมูลค่าเกิน 52 พันล้านดอลลาร์ในปี 2566 โดยไทเทเนียมครองส่วนแบ่งวัสดุที่ใหญ่ที่สุด ไททาเนียมไม่กระตุ้นการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกัน ซึ่งแตกต่างจากสเตนเลสสตีล และออสซีโอจะผสานเข้ากับเนื้อเยื่อกระดูกตามธรรมชาติ
ในการผลิตชิป เป้าหมายสปัตเตอร์ไทเทเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษ (เกรด 5N และ 6N) ใช้ในการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) เพื่อสะสมชั้นกั้นไทเทเนียมไนไตรด์ (TiN) และชั้นยึดเกาะไทเทเนียมบนวงจรรวม สิ่งเจือปนในเป้าหมายการสปัตเตอร์จะลดประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์โดยตรง ทำให้ความบริสุทธิ์มีความสำคัญ
เครื่องปฏิกรณ์ไทเทเนียม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และระบบท่อถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในโรงงานคลอร์อัลคาไล การผลิตยา และการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล ไทเทเนียมเกรด 2 ทนทานต่อกรดไนตริกเข้มข้น (สูงถึง 100%) และสภาพแวดล้อมที่มีคลอรีนเปียก ซึ่งเหล็กจะเสียหายภายในไม่กี่สัปดาห์
โดยทั่วไปจะใช้เวลาทั้งวงจรตั้งแต่การขุดแร่ไปจนถึงฟองน้ำไทเทเนียม หลายสัปดาห์ . กระบวนการ Kroll ชุดเดียว (ผลิตฟองน้ำ 3-10 ตัน) ใช้เวลาประมาณ 5-7 วันสำหรับขั้นตอนการลดเพียงอย่างเดียว บวกกับเวลาเพิ่มเติมสำหรับการกลั่นสุญญากาศ การหลอม VAR และการทำงานที่ร้อน การผลิตที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษที่เกี่ยวข้องกับการทำให้บริสุทธิ์ด้วยไฟฟ้าและการหลอมละลายของลำอิเล็กตรอนหลายตัวอาจต้องใช้เวลาเพิ่มเติมหลายสัปดาห์
ต้นทุนที่สูงของไทเทเนียมเกิดจาก: (1) กระบวนการ Kroll ที่ใช้พลังงานสูง (~20–30 MWh/ตัน) (2) ความต้องการสภาพแวดล้อมการประมวลผลเฉื่อยหรือสุญญากาศเพื่อป้องกันการปนเปื้อน (3) คุณลักษณะการตัดเฉือนที่ยากลำบากซึ่งทำให้อายุการใช้งานของเครื่องมือสั้นลง และ (4) ปริมาณการผลิตที่ค่อนข้างต่ำ ไทเทเนียม sponge costs approximately $8–15/kg เทียบกับ 0.5–1 เหรียญสหรัฐฯ/กก. สำหรับเหล็ก และ 2–3 เหรียญสหรัฐฯ/กก. สำหรับอะลูมิเนียม
ใช่. เศษไทเทเนียม (กลึง เศษ และวัสดุแท่งโลหะที่ตัดแล้ว) สามารถรีไซเคิลได้โดยการหลอมใหม่ผ่านกระบวนการ VAR หรือลำแสงอิเล็กตรอน ไทเทเนียมรีไซเคิลสามารถเป็นตัวแทนของวัตถุดิบตั้งต้นได้ 15–30% ในโรงงานผลิตบางแห่ง การรักษาความสามารถในการตรวจสอบย้อนกลับและป้องกันการปนเปื้อนข้ามกับโลหะผสมอื่นๆ ถือเป็นสิ่งสำคัญในระหว่างการรีไซเคิล
ฟองน้ำไทเทเนียมเป็นไทเทเนียมโลหะที่มีรูพรุนและผิดปกติซึ่งผลิตโดยตรงจากกระบวนการ Kroll ซึ่งมี เนื้อสัมผัสคล้ายฟองน้ำ เนื่องจากถุงคลอไรด์ติดอยู่ แท่งไทเทเนียมผลิตโดยการรวมและละลายฟองน้ำ (โดยทั่วไป 2-3 เท่าโดย VAR) เพื่อสร้างรูปแบบโลหะที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีความหนาแน่นเต็มที่ เหมาะสำหรับการรีด การตีขึ้นรูป และการตัดเฉือน
ไม่ ไทเทเนียมมีความทนทานสูงต่อทั้งน้ำเค็มและบรรยากาศชื้น ชั้นพาสซีฟ TiO₂ ให้การปกป้องที่เหนือกว่าในสภาพแวดล้อมทางทะเล ไทเทเนียมถูกนำมาใช้เป็นประจำในส่วนประกอบใต้น้ำ แท่นขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่ง และโรงงานเคมีชายฝั่ง ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมที่เหล็กกล้าคาร์บอนกัดกร่อนอย่างรวดเร็ว และแม้แต่เหล็กกล้าไร้สนิมก็อาจประสบกับการกัดกร่อนตามรอยแยกได้
ประกอบด้วยไทเทเนียมเกรดเชิงพาณิชย์มาตรฐาน หลายร้อยถึงหลายพัน ppm ของสิ่งสกปรกที่เป็นโลหะ (เหล็ก, ซิลิคอน, นิกเกิล ฯลฯ ) ที่ความบริสุทธิ์ 5N สิ่งเจือปนที่เป็นโลหะทั้งหมดจะลดลงเหลือ ต่ำกว่า 10 ppm . ความบริสุทธิ์ระดับนี้จำเป็นสำหรับการสปัตเตอร์เป้าหมายในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งสารเจือปนในฟิล์มที่สะสมอยู่อาจทำให้เกิดความล้มเหลวของทรานซิสเตอร์ อุปกรณ์รั่วไหล หรือความน่าเชื่อถือลดลง นอกจากนี้ยังมีคุณค่าในการใช้งานวิจัยที่ต้องการพฤติกรรมของวัสดุที่สามารถทำซ้ำได้
Ningbo Chuangrun New Materials Co., Ltd. (CRNMC) ก่อตั้งขึ้นในเดือนมิถุนายน 2555 และมีฐานการผลิต 5 แห่งทั่วประเทศจีน เราทุ่มเทให้กับการทำให้บริสุทธิ์ การหลอม การหล่อ และการแปรรูปไทเทเนียม นิกเกิล ทองแดง ไนโอเบียม โคบอลต์ ฯลฯ ที่มีความบริสุทธิ์สูง และจัดหาโลหะเกรดอิเล็กทรอนิกส์ครบวงจร เช่น ผลึกอิเล็กโทรไลต์ที่มีความบริสุทธิ์สูง แท่งโลหะ แท่งหลอม ผง และแผ่น
ทีมงานของเราประกอบด้วยผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมและพนักงานผู้ประกอบการจำนวน 40 คนซึ่งมีพื้นฐานด้านโลหะวิทยา ซึ่งทุกคนทุ่มเทให้กับการพัฒนาอุตสาหกรรมวัสดุคุณภาพสูง
ปัจจุบัน บริษัทได้เสร็จสิ้นการวางผังห่วงโซ่อุตสาหกรรมวัสดุบริสุทธิ์พิเศษเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพ การส่งมอบตรงเวลา และปรับปรุงการบริการลูกค้า
พนักงานทุกคนมีความมุ่งมั่นและมีแรงบันดาลใจและมุ่งหวังที่จะตอบสนองความต้องการของลูกค้า