钛(精矿)
处理钛金属主要分四个步骤:一、把钛矿石还原成"海绵体"(一种透气的形态);二、制造铸锭,熔化海绵体(或用海绵体加一种母合金)来形成铸锭;三、初步制造,把铸锭制成一般机械制品,如坯、棒、板、片、条及管;四、加工制造,把机械制品进一步加工成型。
由于钛在高温时会与氧气反应的关系,所以不能用还原反应来从氧化物中提炼钛。因此商业上提炼钛金属要用到克罗尔法,一种既繁复又昂贵的分批处理法。(钛的市价相对地高,是因为在提炼的过程中,需要氧化另一种昂贵的金属--镁。)在克罗尔法中,氧化物首先经过碳氯化,转化成氯化物,过程中氯气会在有碳的情况下,通过红热的金红石或钛铁矿,生成四氯化钛(TiCl4)。氯化物经分馏法浓缩及提纯后,在800摄氏度的氩气中被熔镁还原成钛。
一种最近开发的提炼法,FFC剑桥法,日后有可能完全取代克罗尔法。此法的原料是粉末状的二氧化钛(一种精炼过的金红石),而最后成品则会是钛粉末或海绵体。假如在原料的粉末中混入粉末状的氧化物,那么成品就会是廉价钛合金,这样做比使用一般的多步熔化法要便宜得多。FFC剑桥法使钛不像从前那样的如此稀少和昂贵,可为航天工业及奢侈品市场提供更多的选择,同时可取代一些制品中的铝或特殊等级的钢。
一般钛合金是由还原反应所造出来的。例如,铜钛合金(把加了铜的金红石还原而成)、碳钛铁合金(把钛铁矿和焦炭用电炉还原而成)和锰钛合金(金红石加锰或氧化锰)都是经还原而成的。
2FeTiO3+ 7Cl2+ 6C-→ 2TiCl4+ 2FeCl3+ 6CO
TiCl4+ 2Mg-→ 2MgCl2+ Ti
现时钛与钛合金共有大约50种指定品位,尽管市面上能容易买到的就只有六种。美国材料试验协会(ASTM)承认31种钛金属及合金品位,其中1至4号品位在商业上属纯钛(非合金)。这四种品位以它们不同的抗拉强度区分,也就是含氧百分比,其中1号品位韧性最佳(抗拉强度低,含氧量0.18%),4号最差(抗拉强度高,含氧量0.40%)。其余品位皆为合金,每一种配方都有其特定的用途,例如韧性、强度、硬度、电阻、抗蠕变及抗腐蚀(特定某种介质或同时多种)。
美国材料试验协会所指定的品位及其他合金,亦会按照各种规格生产,例如宇宙航行及军事规格(SAE-AMS, MIL-T)、ISO标准、各国的特定标准以及用家所需的规格(宇宙航行、军事、医学及工业用)。
至于加工方面,钛的所有焊接必需在氩或氦其中一种惰性气体中进行,否则钛会被空气中的氧、氮或氢等气体污染。污染会引起各种情况,包括脆化,而脆化会减低焊接后的整体性,并导致连接失败。商业纯钛的扁平产品(片、板)制造起来很容易,但处理时必须注意钛金属有"记忆"特性,有弹回原形的倾向。有几种高强度合金更尤其如此。钛金属一般可以用跟不锈钢一样的机器及方法处理。