הפחמן בסגסוגות פלדה אופייניות עשוי להרכיב עד 2.14% ממשקלה. שונות כמויות הפחמן ושאר היסודות, מכתיבה את הקשרים הכימיים ואת המאפיינים הפיזיקליים המאפיינים את הפלדה (או כאלמנטים מומסים או כזרזים בפאזות השונות). מרכיבים אלו מאטים את הנקעים שהופכים את הברזל הטהור לרך, מאפשרים שליטה ובקרה על מאפייני הפלדה וכך משפרים את איכות הפלדה. שיפורים אלו יעילים עבור מגוון רחב של תכונות הפלדה: הקשייה, חישול, חיסום, כניעה (הנדסה), חוזק למתיחה. עליית חוזק הפלדה בהשוואה לברזל הטהור מקטינה את משיכות הברזל.
אטימולוגיה.
בתיאור התנ"כי של מפלת אשור בידי בבל, נמצא התיאור הספרותי הבא:
. המשמעות המקראית הייתה כנראה לפיד (אותיות מתחלפות) שמבריקים באמצעותו את רכב הברזל. המילה חודשה במשמעות המודרנית מהמילה הערבית פולד, שמשמעותה עירוב ברזל עם פחמן.
היסטוריה.
פלדה הופקה באמצעות תנורים אלפי שנים, אך בתפוצה רחבה ובאופן תעשייתי נעשה בה שימוש רק לאחר שתהליכי הייצור נעשו יעילים ומתוחכמים יותר בסביבות המאה ה-17, עם המצאת כבשני בטון ולאחר מכן כורי פלדה. עם המצאת תהליך בסמר במחצית המאה ה-19, החל עידן חדש של הפקת פלדה בייצור המוני. תהליך בסמר וייצור הפלדה באמצעות תנורי כבשן פתוח שקדם לו העלו ושיפרו את איכות הפלדה. בעקבות פיתוחים אלו, הפלדה החליפה את יצקת הברזל.
שיפורים נוספים בתהליך הפקת הפלדה, החליפו פרוצדורות קודמות, הוזילו את מחיר ההפקה והעלו את איכות התוצר הסופי. היום, הפלדה היא אחת מהחומרים הנפוצים ביותר מעשה ידי אדם בעולם. 1.6 מיליארד טונות פלדה מיוצרים מדי שנה. פלדה מודרנית מזוהה בדרך כלל על ידי ציונים שונים שהוגדרו על ידי ארגונים ותקנים שונים.
הפקה.
הפלדה מופקת בתהליך טכנולוגי מסובך. ראשית, מוכנסים עפרת הברזל וצרף לתנור רם. התנור מתחמם עד 1,200–1,300 מעלות צלזיוס על ידי צרף ואוויר שנשאב לתוך התנור. בסוף התהליך נוצרים יצקת וסיגים (שלאקות). יצקת מורכבת מברזל ומעל 3% פחמן, אך הפלדה אמורה להכיל פחות מכך ולכן יש להקטין את כמות הפחמן בסגסוגת. למטרה זו משתמשים בתהליך בסמר, כבשן פתוח או כבשן חשמלי.
יסודות לסגסוג.
הפלדות המסחריות מכילות מספר יסודות, בעלי השפעות שונות על תכונותיה של הפלדה:
העלאת אחוז הפחמן בפלדה מגדילה את החוזק, הקשיות, האלסטיות, ההתנגדות לחיתוך וכושר החיסום.
תקנים מסחריים.
התקן הוא רשימה מוסכמת בין היצרנים לצרכנים. נהוג להבחין בין התקן האמריקאי, האירופאי והישראלי. התקן הנפוץ הוא התקן האמריקאי.
תקן אמריקאי SAE.
התקן האמריקאי מורכב מ-4 ספרות ואות לפניהם:
לדוגמה:
תקן אירופאי.
התקן האירופאי לקוח בעיקר מהתעשייה הגרמנית, הידוע בתור DIN. גם כאן, נפוצות שתי תצורות:
תקן ישראלי.
קיים אך ורק ליציקת ברזל, נחושת וסגסוגות נחושת. האות מציינת ראשי תיבות של שם היסוד והמספרים את חוזק המשיכה בק"ג לממ"ר או לחלופין, את ההרכב באחוזים.
לדוגמה:
טיפול תרמי.
נהוג לבצע טיפול תרמי בפלדות לצרכים שונים. הטיפול התרמי מיועד לשיפור תכונותיה על ידי שינוי במבנה הגבישי, מבלי לבצע שינויים בצורתה או בהרכבה הכימי.
נהוג להבחין בין כמה סוגים של טיפולים תרמיים:
טיטניום
טיטניום (Titanium) הוא יסוד כימי שסמלו הכימי Ti ומספרו האטומי 22. מתכת מעבר קלה, חזקה, מבריקה ועמידה בפני קורוזיה. היסוד נקרא על שם הטיטנים מהמיתולוגיה היוונית.
תכונות.
על פני השטח של טיטניום נוצרת שכבה דקיקה של תחמוצת טבעית, אשר בדומה לאלומיניום מעניקה למתכת הגנה מצוינת מפני חמצון. בשל זאת לטיטניום עמידות גבוהה בפני חמצון, הקרובה לזו של פלטינה. בזכות שכבת התחמוצת הטבעית, טיטניום גם עמידה נגד תמיסות דלילות של חומצה כלורית וחומצה גופרתית, כמו גם תמיסות של כלור ורוב החומצות האורגניות. עם זאת, חומצות חזקות תוקפות טיטניום במהירות. לטיטניום נקודת היתוך גבוהה וחוזק דומה לפלדה (וקלה יותר ב-45% ממנה), היא כבדה ב-60% מאלומיניום אבל חזקה פי שניים ממנו. תכונות כמו אלו הופכות את הטיטניום למתכת שימושית מאוד.
טיטניום הוא אחד היסודות היחידים הבוערים בסביבת חנקן, ב-800°C, ובאטמוספירת חנקן, הוא מתרכב איתו לטיטניום חנקני.
טיטניום דו-חמצני מתרכב עם מים ליצירת חומצה טיטנית:H4TiO4.
ניסויים הראו שטיטניום טבעי הופך להיות מאוד רדיואקטיבי לאחר הפצצה באלומת דאוטרונים, ופולט פוזיטרונים וקרינת גמא.
הפקה.
הפקת טיטניום מתבססת כיום על תהליך קרול. בתהליך זה, עפרת טיטניום (בעיקר אילמניט או רוטיל) עוברת חיזור ראשוני באמצעות אבקת פחם, במיכל הגבה בטמפרטורה של כ-1000 מעלות צלזיוס. אז מוזרם לתערובת התגובה גז כלור (Cl2) ליצירת טיטניום ארבע-כלורי (TiCl4) - שהוא נוזל נדיף מאוד, המבודד מהמערכת באמצעות זיקוק מפריט. בשלב הבא, הטיטניום הארבע-כלורי (TiCl4) מועבר למיכל תגובה אחר, העשוי פלדת אל-חלד, בו הוא מחוזר על ידי מגנזיום או נתרן נוזלי, המוכנסים בעודף סטוכיומטרי של כ-20%, בטמפרטורה של כ-850 מעלות צלזיוס.
התגובות בתהליך:
formula_1
formula_2
שימושים.
לקראת סוף המאה ה-19 הוחל בהפקה מסחרית של מינרלים מבוססי טיטניום בדרום מזרח פנסילבניה. באותה תקופה הופקו גם כמויות קטנות של רוטיל בצפון קרולינה ובג'ורג'יה. בשנת 1901 בהפקה נרחבת של רוטיל בווירג'יניה לצורך יצירת כימיקלים מטיטניום ולצביעת קרמיקות. בשנת 1916 הוחל בהפקה של טיטניום בפלורידה לצורך ייצור טיטניום טטרכלוריד עבור קליעים נותבים, זיקוקים ומסך עשן.
עד 1946 לא השתמשו בטיטניום כמתכת מחוץ למעבדות. רק לאחר שויליאם ג'סטין קרול הוכיח שאפשר להפיק טיטניום בצורה מסחרית, המצב השתנה ובסוף שנות ה-40 של המאה ה-20 הוחל בהפקה של הטיטניום בכמויות מסחריות ובתכנון השימוש בו בתעופה, בניית אוניות ובמתקני התעשייה הכימית.
בשנות ה-50 של המאה ה-20 החל שימוש נרחב בטיטניום בייצור מטוסים, ובתחילת שנות ה-60 כל מטוסי הסילון החדישים כללו פסי חיזוק מטיטניום. באותן שנים רוב הטיטניום ששימש את התעשייה הופק בקנדה.
בתעשיית מכוניות על: מארז גוף דגם ה"GTA ספאנו" בנוי מיציקת סיבי פחם בתוך גוף הרכב, שזורים עם טיטניום וקוולאר.
טיטניום דו-חמצני (TiO2) משמש בתור פיגמנט לצבעים, נייר וחומרים פלסטיים. צבעים שמכילים טיטניום דו-חמצני הם רפלקטורים מצוינים לקרינת אור תת-אדום ומשמשים כחומרי צביעה במתקנים אסטרונומיים. בין הצבענים מבוססי הטיטניום נכללים לבן טיטניום וצהוב ניקל טיטניום.
בזכות התכונות המצוינות של הטיטניום, סגסוגות טיטניום משמשות לבניית צוללות, מטוסים, רוטורים של מסוקים, תחמושת, ספינות, חלליות, קוצבי לב, אפודי מגן, תכשיטים, שתלים דנטליים ומפרקים תחליפיים, שלדות אופניים ומחבטי גולף. טיטניום משולב לעיתים קרובות עם אלומיניום, עם ונדיום עם נחושת, עם ברזל, עם מנגן, עם מוליבדנום וכן עם מתכות אחרות. סגסוגת של טיטניום וונדיום משמשת לציפוי מטוסים. אחת הסגסוגות הנפוצות ביותר היא Ti-6Al-4V, המכונה בקיצור Titanium-6-4, והיא כוללת 6% משקלי של אלומיניום ו-4% משקלי של ונדיום (והיתר טיטניום).
יתרונות בניית צוללות מטיטניום משמעותיים ביותר. צוללות טיטניום עומדות בלחצים גבוהים פי 2 ויותר מצוללות פלדה.
לטיטניום שימוש נרחב ברפואה. חומר זה הוא החומר המוביל ממנו מייצרים שתלים אורתופדיים. היתרון בשימוש בטיטניום לצורך זה הוא שחומר זה אדיש מבחינה כימית ומתקבל באופן טוב על ידי גוף האדם. כמו כן, חוסר המגנטיות שלו מאפשרת למושתלים להיבדק במכונות MRI ללא בעיות.
שימושים נוספים:
היסטוריה.
מחקר.
טיטניום התגלה לראשונה ב-1791 באנגליה על ידי הכומר של קהילת קרייד (Creed), ויליאם גרגור, שהיה גאולוג חובב. הוא זיהה את נוכחותו של היסוד החדש במינרל אילמניט כשמצא חול שחור ליד נחל בסמוך לכפר מאנאקן (Manaccan) שבמחוז קורנוול באנגליה ושם לב כי חול זה נמשך למגנט. אנליזה של החול העלתה נוכחות של שתי תחמוצות מתכתיות, תחמוצת ברזל (שהסבירה את המשיכה למגנט), ו-45.25% של תחמוצת מתכתית לבנה שהוא לא הצליח לזהות. בהבחינו כי התחמוצת הבלתי מזוהה מכילה מתכת שתכונותיה לא תאמו לאף אחד מהיסודות הידועים, דיווח גרגור על ממצאיו ל"חברה הגאלוגית המלכותית של קורנוול" ובמגזין המדע הגרמני "Crell's Annalen".
בערך באותו הזמן, הפיק פרנץ יוזץ מילר חומר דומה, אך לא יכול היה לזהותו. התחמוצת התגלתה במקביל ובאופן עצמאי על ידי הכימאי הגרמני, מרטין היינריך קלפרות, ב-1795 במינרל רוטיל מהונגריה. קלפרות גילה כי המינרל מכיל יסוד חדש שאותו כינה טיטניום על שם הטיטאנים במיתולוגיה היוונית. לאחר ששמע על התגלית המוקדמת יותר של גרגור הוא השיג דגימה מה"מאנאקניט" ואימת שהיא הכילה טיטניום.
מיום גילויו היה קשה להפיק טיטניום טהור ממכרות. טיטניום טהור (99.9%) הופק לראשונה ב-1910 על ידי מאתיו א. האנטר כשהוא חימם טיטניום 4 כלורי (TiCl4) עם נתרן בטמפרטורה של 700–800 מעלות צלזיוס.
צורה בטבע.
טיטניום הוא היסוד התשיעי הכי נפוץ בקרום כדור הארץ (0.6% מהמסה) ומהווה חלק מסלעים, ממכרות ברזל וממינרלים רבים.
טיטניום התגלה במטאוריטים וכמו כן על השמש. סלעים שהוחזרו מהירח על ידי אפולו 17 הכילו 12.1% טיטניום דו-חמצני (TiO2). טיטניום נמצא גם בצמחים ובבני אדם.
פרדוקס הסבא
פרדוקס הסבא הוא פרדוקס של מסע בזמן האומר "אתה נוסע לאחור בזמן והורג את סבך לפני שזה פגש את סבתך. בכך מנעת את לידתו של אחד מהוריך, ובהכרח גם את לידתך, אם כן - כיצד יכולת להרוג את סבך?".
היסטוריה.