فرو تیتانیوم چیست؟ 👷♂️ مزایا ، کاربردها و اهداف استفاده از آن چیست؟
یکی از مهم ترین جهت‌گیری‌ها در متالورژی مدرن، بهبود کیفیت محصولات با نرخ نسبتا پایین افزایش تولید است. یعنی اولویت تولید مصالح سازه‌ای با مصرف فلز کمتر، اما با ارزش خواص مکانیکی بالا. لازم به ذکر است که این امر تنها از طریق ترکیب فروآلیاژهای مختلف همچون فرومنگنز ، فروسیلیس ، فرو سیلیکو منگنز و .. با آلیاژ مورد نظر حاصل می‌شود. یکی از موثرترین و رایج ترین انواع این فروآلیاژها، فرو آلیاژ فروتیتانیوم است.
فرو تیتانیوم، فروآلیاژی متشکل از تیتانیوم و آهن است که حداقل محتوای تیتانیوم آن بر حسب وزن،20 درصد و حداکثر مقدار آن، 75 درصد می‌باشد. لازم به ذکر است که فروتیتانیوم از ذوب مجدد یا احیا به دست می‌آید و همچنین ممکن است حاوی آلومینیوم، مس، سیلیکون و مقداری ناخالصی در مقادیر کم باشد. بر حسب ناخالصی‌های موجود در فروتیتانیوم ، این محصول در چندین گرید مختلف به بازارهای جهانی عرضه می‌شود که از آن جمله می‌توان به گریدهای Fti25، Fti70S05، Fti30، Fti70S08، Fti70S1، Fti70S05Sn03، Fti57S7 و Fti35S8 اشاره داشت.
لازم به توضیح است که طبق مجموعه‌ای که توسط استاندارد دولتی ارائه شده است، شش گرید اصلی فرو تیتانیوم وجود دارد که محتوای تیتانیوم آن می‌تواند از 28 تا 75٪ متغیر باشد. همچنین بسته به اندازه ذرات فروتیتانیوم ، این گریدها دارای حداقل اندازه تا 3.2 میلی متر و حداکثر اندازه 50-200 میلی متر می‌باشند. تحویل فروتیتانیوم به مصرف کنندگان می‌تواند به صورت قطعاتی که وزن آنها بیش از 15 کیلوگرم نیست، انجام شود.
ماهیت و کاربرد فروتیتانیوم
فرو تیتانیوم ، یک فروآلیاژی از آهن و تیتانیوم با 10-20٪ آهن و 45-75٪ تیتانیوم و گاهی اوقات مقدار کمی کربن است. لازم به ذکر است که تیتانیوم با گوگرد، کربن، اکسیژن و نیتروژن بسیار واکنش پذیر است و ترکیبات نامحلول را تشکیل داده و آنها را به سرباره خشک تبدیل می‌کند و از این نظر برای اکسید زدایی و گاهی گوگرد زدایی و نیتروژن زدایی در فرایند تولید فولاد و چدن بسیار مثمر ثمر است. در ساخت فولاد، افزودن تیتانیوم، فلزی با ساختار دانه ریزتر تولید می‌کند.
لازم به توضیح است که مهمترین کاربرد فرو تیتانیوم مربوط به استفاده در فرایند آلیاژسازی فولادها به ویژه ساخت قطعات حیاتی و همچنین تولید الکترودهای جوشکاری می‌باشد. در واقع، به دلیل خواصی که فرو تیتانیوم دارد، استفاده از آن درفرایند تولید فولاد، موجب می‌شود که فولاد نهایی در برابر خوردگی بسیار مقاوم شود. و دقیقا به دلیل همین خاصیت است که از فروتیتانیوم اغلب برای تولید فولاد ضد زنگ استفاده می‌شود. علاوه بر این، این آلیاژ در فرایند ذوب حساس‌ترین فولادهای ساختاری به منظور اکسید زدایی و گاززدایی نهایی استفاده می شود. فروتیتانیوم برای ساخت الکترودهای جوشکاری نیز استفاده می‌شود.
به بیانی دیگر، از فرو تیتانیوم به طور گسترده برای آلیاژسازی فولاد، گاززدایی و اکسید زدایی آن استفاده می شود. مهمترین مشخصه فولادهای حاوی فروتیتانیوم، خواص مکانیکی بسیار بالا می‌باشد. شایان ذکر است که فروتیتانیوم ، کربن را به کاربید تیتانیوم متصل می‌کند و به همین دلیل، جوش پذیری فولاد و مقاومت آن در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، پودر فروتیتانیوم می تواند به عنوان سوخت در برخی از ترکیبات پیروتکنیک استفاده شود. ( آلومینا چیست؟ )
ترکیب فروتیتانیوم
فرو تیتانیوم فروآلیاژی است که جزء اصلی آن تیتانیوم است. سایر عناصر شیمیایی آن، آلومینیوم، سیلیکون، کربن، فسفر، گوگرد، مس، تنگستن، مولیبدن، قلع می‌باشد. در واقع ، فروتیتانیوم از گروه فروآلیاژهایی است که برای آلیاژسازی و اکسید زدایی فولاد استفاده می شود و ترکیب این فروآلیاژ متشکل از 35 یا بیشتر از 60 درصد تیتانیوم، 1-7 درصد آلومینیوم، 1-4.5 درصد سیلیکون، تا 3 درصد مس، و باقی ترکیب نیز از آهن و سایر ناخالصی‌ها(همچون کربن، فسفر، گوگرد و ..) می‌باشد.
لازم به توضیح است که آلومینیوم، سیلیکون و مس در ترکیب، اجزای نامطلوب اما اجتناب ناپذیر هستند. در نظر داشته باشید که آلیاژهای حاوی 65 تا 78 درصد تیتانیوم از آلیاژ کردن ضایعات تیتانیوم یا اسفنج تیتانیوم با ضایعات فولاد در کوره‌های القایی به دست می‌آیند.
مزایای فروتیتانیوم
فرو تیتانیوم تولید شده بر اساس استانداردهای تکنولوژیکی تعیین شده، برای ساخت فولادهای ابزار با سرعت بالا استفاده می شود. مهمترین مزایای فروتیتانیوم را می‌توان به این شرح ارائه داد:
- هزینه نسبتا کم
- نقطه ذوب کاهش می یابد.
- جذب تیتانیوم را تسهیل می کند.
- بهبود خواص مکانیکی آلیاژ
- بهبود خاصیت جوش پذیری تا حد زیاد
- افزایش خواص ضد خوردگی
تولید فرو تیتانیوم
تولید فرو تیتانیوم به دو طریق صورت می‌گیرد. روش اول روش آلومینوترمیک خارج از کوره است که شامل ذوب کنسانتره ایلمنیت و ضایعات تیتانیوم است. خروجی این فرایند تولید، فروتیتانیومی با درصد تیتانیوم پایین است. روش دوم، همجوشی ضایعات آهن و تیتانیوم در یک کوره الکتریکی است که در نتیجه فروتیتانیومی با درصد بالای تیتانیوم تولید می‌شود.
به بیانی دیگر، آلیاژی حاوی 20 تا 40 درصد تیتانیوم از کنسانتره ایلمنیت به روش آلومینوترمیک به دست می‌آید. در اینجا آلومینیوم به عنوان یک عامل احیا کننده آهن و تیتانیوم عمل می‌کند. در حالیکه فروتیتانیومی با محتوای 65 تا 78 درصد تیتانیوم ، از آلیاژ کردن اسفنج تیتانیوم یا ضایعات تیتانیوم با ضایعات فولاد در کوره‌های القایی تولید می‌شود. در واقع، این فرو تیتانیوم با مخلوط کردن اسفنج و ضایعات تیتانیوم با آهن و ذوب آنها با هم در یک کوره القایی تهیه می‌شود.
در نظر داشته باشید که قطعات فرو تیتانیوم نباید حاوی سرباره بوده و روی سطح و محل شکستگی قطعه، با ماسه و سایر مواد آلوده شده باشند! بلکه تنها وجود یک فیلم اکسیدی و آثاری از مواد نچسب مجاز است.
هدف‌های استفاده از فروتیتانیوم
به لطف توسعه سریع متالورژی، امروزه صنعت مدرن فولاد انواع محصولات پیشرفته‌تری را تولید می‌کند. برای جذب بهتر مواد افزودنی مفید توسط فولاد مذاب ، استفاده از فروآلیاژهای مختلف همچون فرو تیتانیوم در متالورژی مدرن انجام می‌شود. لازم به توضیح است که فروتیتانیوم یک آلیاژ میانی است. در ساخت فولاد ضد زنگ استفاده می شود. هنگامی که فروتیتانیوم به فولاد اضافه می شود، فولاد مورد نظر خواصی ویژه کسب کرده و در برابر خوردگی مقاوم می‌شود. هنگام آلیاژ کردن یک تن فولاد، مصرف تیتانیوم بسیار کمی در حدود 0.5-2٪ مورد نیاز است. مهمترین اهداف استفاده از فروتیتانیوم در متالورژی را می‌توان به صورت زیر ارائه داد:
- فروتیتانیوم در متالورژی برای اکسید زدایی و آلیاژسازی فولادها و همچنین در تولید الکترودهای جوشکاری و قطعاتی با الزامات کیفی ویژه استفاده می‌شود.
- استفاده از تیتانیوم در تولید فولادهای ضد زنگ و مقاوم در برابر حرارت، دستیابی به کاربید تیتانیوم را ممکن می‌سازد، که در آن خواص بهبود بخش کربن به طور کامل آشکار می‌شود. در نتیجه، شاخص جوش پذیری و مقاومت به خوردگی آلیاژها به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد
- تیتانیوم یک فلز بسیار نسوز است، بنابراین افزودن آن به کوره تولید فولاد به شکل خالص آن، مستلزم هزینه های انرژی بالا و مصرف زیاد مواد شارژ است.
- کاهش زمان ذوب، کاهش شدت انرژی فرآیند، صرفه جویی در مواد درگیر در تولید، بهبود کیفیت محصول نهایی را می‌توان از مهمترین مزایای اضافه کردن فرو تیتانیوم به فرایند تولید فولاد دانست.