Titanium, kim loại của các vị thần Titan trong thần thoại Hy Lạp, nổi tiếng với độ cứng vượt trội và khả năng ứng dụng đa dạng. Vậy thép titanium là gì, đặc tính ra sao và ứng dụng thực tế như thế nào? Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết và cập nhật nhất về loại vật liệu đặc biệt này.
Mục Lục
Titanium Là Gì? Nguồn Gốc Tên Gọi và Đặc Tính Cơ Bản
Titanium được đặt theo tên của các vị thần Titan trong thần thoại Hy Lạp, những vị thần tượng trưng cho sức mạnh và sự bền bỉ. Ở dạng tinh khiết, titanium nhẹ hơn thép nhưng lại cứng cáp hơn. Nhờ đặc tính này, titanium được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp cao cấp như hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô và chế tạo các bộ phận quan trọng của máy móc.
Trong ngành công nghiệp ô tô, titanium được ưa chuộng để tạo ra những chiếc xe nhẹ hơn, cứng cáp hơn và có tính thẩm mỹ cao. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng titanium có thể làm tăng mức độ nghiêm trọng của tai nạn. Trong một vụ va chạm, các bộ phận bằng thép thông thường sẽ hấp thụ lực bằng cách biến dạng, trong khi các bộ phận bằng titanium có xu hướng giữ nguyên hình dạng, truyền lực trực tiếp vào người ngồi trong xe. Ngoài ra, các ống titanium khi bị lõm thường rất khó phục hồi và cần phải thay thế hoàn toàn.
titanium là gì
Hợp Kim Titanium: Sự Kết Hợp Hoàn Hảo Tạo Nên Vật Liệu Vượt Trội
Titanium nguyên chất có độ bền tương đương với thép cấp thấp và chỉ gấp đôi nhôm. Tuy nhiên, khi kết hợp với các nguyên tố khác, titanium tạo thành các hợp kim mạnh mẽ với nhiều ứng dụng khác nhau.
- Titanium Beta C: Hợp kim siêu bền với thành phần gồm 70% titanium, 3% aluminum, 8% vanadium, 6% chromium, 4% molybdenum, 4% zirconium. Với độ bền kéo lên đến 200.000 psi (pound per square inch), Titanium Beta C được ứng dụng trong sản xuất van trục máy, chốt trên ô tô và thiết bị hạ cánh máy bay. Công thức hóa học của nó là Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr.
- Ti6Al4V: Hợp kim phổ biến nhất với thành phần gồm 6% nhôm, 4% vanadium, tối đa 0,25% sắt, tối đa 0,2% oxy và phần còn lại là titanium. Ti6Al4V là sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền, khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và tính bền, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
- Ti-6Al-4V-ELI: Với thành phần tương tự Ti6Al4V nhưng có hàm lượng oxy tối đa 0,13%, Ti-6Al-4V-ELI có độ dẻo cao hơn và khả năng chống đứt gãy tốt hơn. Hợp kim này được cấp phép sử dụng trong các ứng dụng y tế.
Hiện nay, có khoảng 38 loại hợp kim titanium khác nhau, mỗi loại có những ưu điểm riêng và được ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Điều này cho thấy tiềm năng to lớn của titanium khi kết hợp với các nguyên tố khác.
Đặc Tính Nổi Bật Của Titanium
Titanium là kim loại nổi tiếng, đứng thứ 22 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Nó là nguyên tố phổ biến thứ 9 trên thế giới và chiếm tỷ lệ đáng kể trong lớp vỏ trái đất.
Titanium có độ cứng cao hơn thép, mật độ carbon thấp và nhẹ hơn khoảng 45%. So với hợp kim nhôm, titanium mạnh gấp đôi nhưng chỉ nặng hơn khoảng 60%. Nhờ những đặc tính này, titanium có tính ứng dụng cao và nhu cầu khai thác lớn.
Tuy nhiên, titanium chủ yếu tồn tại ở dạng khó khai thác. Quá trình tổng hợp titanium chủ yếu dựa trên phương pháp Kroll, bao gồm các bước sau:
- Phản ứng: TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2
- Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ 800 độ C trong nồi thép, sử dụng magie làm chất xúc tác, tạo ra TiCl3 và TiCl2 với nồng độ titanium cao hơn.
- Sau đó, hỗn hợp được đưa qua quá trình chưng cất chân không trong lò hồ quang chân không để loại bỏ tạp chất và đảm bảo tính đồng nhất.
Quá trình nóng chảy và chưng cất phức tạp khiến giá thành của titanium cao gấp 6 lần so với thép không gỉ loại tốt nhất.
Hiện nay, có khoảng 3 quy trình có thể tạo ra titanium tinh khiết, nhưng quy trình Kroll vẫn là phương pháp sản xuất chính.
Việt Nam có trữ lượng titanium khoảng 5% trữ lượng toàn thế giới. Tuy nhiên, do công nghệ lọc titanium nguyên chất còn hạn chế, phần lớn titanium được xuất khẩu. Hoạt động khai thác titanium cũng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là tại các mỏ Cây Châm (Thái Nguyên) và Bình Thuận.
ứng dụng của titanium
Ứng Dụng Rộng Rãi Của Thép Titanium Trong Đời Sống và Sản Xuất
Thép titanium và các hợp kim của nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
- Ngành công cụ, dụng cụ: Chế tạo các bộ phận quan trọng của dụng cụ như lưỡi kìm, ngàm thước hoặc lớp phủ bên ngoài công cụ.
- Gọng kính: Nhờ đặc tính nhẹ, bền và đẹp, titanium được sử dụng phổ biến để làm gọng kính.
- Y tế và thực phẩm: Titanium trơ về mặt sinh học, không hấp thụ vào cơ thể và không độc hại, do đó được sử dụng để làm khớp giả, ống đựng thuốc và các thiết bị y tế khác.
- Ô tô: Các dòng xe cao cấp sử dụng titanium được ưa chuộng vì vẻ đẹp, khả năng chống xước và chống móp méo khi va chạm.
- Hàng không và vũ trụ: Titanium kết hợp với vanadium được sử dụng để làm vỏ máy bay. Hầu hết các mẫu máy bay Boeing đều chứa một tỷ lệ titanium nhất định, và tỷ lệ này càng cao hơn ở các mẫu máy bay mới. Titanium cũng được sử dụng để làm vỏ tàu vũ trụ và vệ tinh nhờ độ cứng, độ bền và trọng lượng nhẹ.
- Hợp kim: Titanium thường được kết hợp với vanadium (tăng độ dẻo), nhôm (giảm trọng lượng), đồng (tăng khả năng dẫn điện) hoặc sắt và mangan để tạo thành các hợp kim có đặc tính ưu việt.
Tóm lại, titanium là một hợp kim quý với nhiều ứng dụng tiềm năng. Mặc dù giá thành khá cao, nhưng titanium vẫn được sử dụng rộng rãi nhờ những đặc tính vượt trội và khả năng kết hợp mạnh mẽ với các kim loại khác.
Giá Bán Của Titanium Trên Thị Trường Hiện Nay
Titanium có giá cao gấp 6-7 lần so với thép hợp kim không gỉ, dao động khoảng 30 đô la Mỹ cho 1 kg. Tuy nhiên, titanium ở dạng tinh thể thường chỉ cứng hơn thép cấp thấp. Để tạo ra các hợp kim titanium siêu cứng, siêu bền và siêu đẹp, cần phải phối trộn với các nguyên tố khác, sử dụng phụ gia, chất xúc tác và nhiệt độ phù hợp. Do đó, mức giá 30 đô la Mỹ/kg chỉ là giá nguyên liệu đầu vào cho các nhà máy có công nghệ sản xuất tiên tiến.
Giá titanium niêm yết trên sàn giao dịch kim loại London (LME) tháng 11/2021 là 18.522 đô la Mỹ/tấn.