Eigenschaften von Titan

Technische Eigenschaften von Titan verschiedener Güteklassen: 

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Auszug aus Wikipedia

Grundlegende physikalische Eigenschaften

Bemerkenswerte physikalische Eigenschaften von Titan:

• Seine Dichte beträgt etwa 60 % der Dichte von Stahl.
• Seine Korrosionsbeständigkeit ist in vielen Umgebungen, wie beispielsweise Meerwasser oder dem menschlichen Körper, außergewöhnlich.
• Seine mechanischen Eigenschaften bleiben bis zu einer Temperatur von etwa 600°C hoch und sind auch bei kryogenen Temperaturen ausgezeichnet.
• Die Weiterverarbeitung zu Halbfertigprodukten und Teilen unterschiedlicher Form mit den üblichen Verfahren (Bohren, Stanzen, Drehen, Gießen, Schweißen, Bearbeiten usw.) ist vergleichsweise einfach.
• Es ist in einer Vielzahl von Formen und Produkttypen erhältlich: Barren, Knüppel, Stangen , Drähte, Rohre , Brammen, Bleche , Bänder .
• Es ist nicht magnetisierbar.
• Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist etwas niedriger als der von Stahl und halb so groß wie der von Aluminium. Als Standardwert wird ein durchschnittlicher Wärmeausdehnungskoeffizient von 10,5 × 10⁻⁶ K⁻¹ angenommen. Sein Elastizitätsmodul ist dem von Knochenstrukturen sehr ähnlich.

Kristallographische Eigenschaften

Reines Titan erfährt in der Nähe von 882 °C eine allotrope Umwandlung vom martensitischen Typ.

Unterhalb dieser Temperatur ist die Struktur hexagonal pseudo-dicht gepackt (a=0,295 nm; c = 0,468 nm; c/a = 1,633) und wird Ti α genannt (Raumgruppe 194 / P63/mmc).

Oberhalb dieser Temperatur ist die Struktur kubisch-raumzentriert (a=0,332 nm) und wird Ti β genannt.

Die α→β-Übergangstemperatur wird als β-Transustemperatur bezeichnet.
Die genaue Umwandlungstemperatur wird maßgeblich von Substitutions- und Zwischengitterelementen beeinflusst und hängt daher stark von der Reinheit des Metalls ab. Kristallographische Struktur der α- und β-Elementarzellen von Titan.

Isotope

Titan kommt in der Natur in Form von fünf Isotopen vor: ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti und ⁵⁰Ti. ⁴⁸Ti ist mit einer natürlichen Konzentration von 73,8 % das häufigste Isotop. Elf Radioisotope wurden nachgewiesen; das stabilste, ⁴⁴Ti, hat eine Halbwertszeit von 63 Jahren.

Die photokatalytische Aktivität von TiO₂ wird stark von seiner Kristallinität und Partikelgröße beeinflusst (Pecchi et al., 2001).
Eine Anatas-Modifizierung ist nur bei einer Bandlückenenergie Ebg von 3,2 eV ausreichend aktiv in der Photokatalyse.

Hombikat UV-100 TiO₂ besteht aus reinem, modifiziertem Anatas und weist eine PARI-Oberfläche von ca. 186 m²/g auf (ermittelt nach der Brunauer-Emmett-Teller-Theorie der Gasadsorption zur Bestimmung der Adsorptionsisotherme).
Die meisten Untersuchungen wurden jedoch mit Degussa P-25 TiO₂ durchgeführt. Dieses Material besteht aus ca. 80 % Anatas und 20 % Rutil und besitzt eine BET-spezifische Oberfläche von ca. 55 m²/g.

Der Durchmesser seiner Partikel liegt üblicherweise zwischen 25 nm und 35 nm.

Oxide

Titanmonoxid (TiO₂) Titantrioxid (Ti₂O₃) Titandioxid (TiO₂) Titantrioxid (TiO₃)

  

Mechanische Eigenschaften

Erosion

Die extrem haftende und harte Oxidschicht erklärt die lange Lebensdauer von Titanbauteilen, die dem Aufprall von in Flüssigkeiten suspendierten Partikeln ausgesetzt sind. Dieser Effekt wird durch die Regenerationsfähigkeit der Schicht verstärkt. Höhere Strömungsgeschwindigkeiten oder kleinere Partikelgrößen erhöhen die Erosion in Meerwasser.

Festigkeit und Duktilität

Titan gilt als Metall mit hoher mechanischer Festigkeit und guter Duktilität unter Standardtemperaturbedingungen. Seine spezifische Festigkeit (Verhältnis von Zugfestigkeit zu Dichte) übertrifft die von Aluminium und Stahl.

Die Festigkeit verhält sich umgekehrt proportional zur Temperatur, wobei zwischen -25 °C und 400 °C ein Plateau erreicht wird.
Unterhalb von -50 °C, im kryogenen Temperaturbereich, ist der Festigkeitsanstieg dramatisch; dies geht jedoch mit einer sehr geringen Duktilität einher.
Oberhalb von 400 °C beginnt die mechanische Festigkeit abzunehmen.

Ohne jegliche theoretische Grundlage beträgt die Dauerfestigkeit etwa 70 % der Zugfestigkeit.

Verschleiß

Bislang konnte noch keine zufriedenstellende Lösung gefunden werden. Oxidation, Nitrieren, Borieren und Aufkohlen waren die wichtigsten erprobten Verfahren. Dabei traten zahlreiche technologische Schwierigkeiten bei der Umsetzung und Haftung auf. Oberflächenbehandlungen von Titan, die die Beschaffenheit oder Struktur der Oberfläche verändern, sollten zudem nur mit größter Vorsicht und nach eingehender Untersuchung ihrer Auswirkungen angewendet werden; sie beeinträchtigen die Festigkeit und Dauerfestigkeit in der Regel mehr oder weniger stark.

Biokompatibilität

Titan zählt neben Gold und Platin zu den biokompatibelsten Metallen und ist somit vollständig resistent gegen Körperflüssigkeiten. Darüber hinaus zeichnet es sich durch hohe mechanische Festigkeit und einen sehr niedrigen Elastizitätsmodul aus, wodurch es gut mit Knochenstrukturen verträglich ist. Die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) hat Titandioxid in die Gruppe 2B, „möglicherweise krebserregend für den Menschen“, eingestuft; die durchgeführten Studien haben jedoch noch kein endgültiges Ergebnis erbracht.

Feuerbeständigkeit 

Seine Feuerbeständigkeit, insbesondere gegenüber Kohlenwasserstoffen, ist ausgezeichnet. Es wurde nachgewiesen, dass ein 2 mm dickes Rohr einem Druck von zehn Atmosphären standhält und gleichzeitig einem Kohlenwasserstoffbrand bei einer Temperatur von 600 °C ausgesetzt ist, ohne Schaden zu nehmen, sich zu verformen oder zu explodieren. Dies ist vor allem auf die Beständigkeit der Oxidschicht zurückzuführen, die das Eindringen von Wasserstoff in das Material verhindert. Darüber hinaus bietet die geringe Wärmeleitfähigkeit von Titan einen länger anhaltenden Schutz der internen Komponenten vor Temperaturerhöhungen.

  

Chemische Eigenschaften

Klassische Titankorrosion

Titan ist ein extrem oxidierbares Metall. In der Reihe der Standardpotentiale liegt es in der Nähe von Aluminium, zwischen Magnesium und Zink. Es zählt daher nicht zu den Edelmetallen; sein thermodynamischer Stabilitätsbereich überschneidet sich nicht mit dem von Wasser und liegt deutlich darunter. Die Korrosionsbeständigkeit von Titan beruht unter anderem auf der Ausbildung einer schützenden, passivierenden Schicht von wenigen Mikrometern Dicke, die hauptsächlich aus TiO₂ besteht, obwohl sie auch andere Titanverbindungen enthalten kann. Diese Schicht ist intakt und sehr haftfest. Wird die Oberfläche beschädigt, bildet sich das Oxid in Gegenwart von Luft oder Wasser spontan neu. Somit ist Titan gegenüber Luft, Wasser und Meerwasser praktisch unempfindlich. 

Darüber hinaus ist diese Schicht über einen weiten pH-, Potential- und Temperaturbereich stabil. Stark reduzierende Bedingungen, stark oxidierende Umgebungen oder die Anwesenheit von Fluoridionen (einem Komplexbildner) verringern die Schutzwirkung dieser Oxidschicht; die zur Aufnahme von Mikroaufnahmen verwendeten Ätzmittel basieren meist auf Fluorwasserstoffsäure. Bei der Reaktion mit dieser Säure entstehen Titan(II)- und Titan(III)-Kationen. Die Reaktivität saurer Lösungen lässt sich jedoch durch Zugabe von Oxidationsmitteln und/oder Schwermetallionen reduzieren. Chrom- oder Salpetersäure sowie Salze von Eisen, Nickel, Kupfer oder Chrom sind ausgezeichnete Inhibitoren.
Dies erklärt, warum Titan in industriellen Prozessen und Umgebungen eingesetzt werden kann, in denen herkömmliche Werkstoffe korrodieren würden. Elektrochemische Gleichgewichte lassen sich selbstverständlich durch die Zugabe von Legierungselementen modifizieren, welche die anodische Aktivität von Titan verringern; dies führt zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit.
Je nach gewünschter Modifizierung werden spezifische Elemente hinzugefügt. Nachfolgend eine beispielhafte Liste gängiger Additive: Verschiebung des Korrosionspotenzials und Verbesserung der Kathodeneigenschaften: Zugabe von Platin, Palladium oder Rhodium; Erhöhung der thermodynamischen Stabilität und Verringerung der Neigung zur anodischen Auflösung: Zugabe von Nickel, Molybdän oder Wolfram; Erhöhung der Passivierungstendenz: Zugabe von Zirkonium, Tantal, Chrom oder Molybdän. Diese drei Methoden lassen sich kombinieren.

Spezifische Korrosion von Titan 

Titan ist sehr beständig gegen bestimmte Korrosionsarten wie Lochfraß und Spaltkorrosion. Diese Phänomene treten jedoch nur in Umgebungen auf, die nahe an den praktischen Grenzen der allgemeinen Korrosionsbeständigkeit liegen. Spannungsrisskorrosion tritt unter folgenden Bedingungen auf: in kaltem Meerwasser (nur bei scharfen Schnitten), in bestimmten Medien wie wasserfreiem Methanol und in heißen Umgebungen in Gegenwart von geschmolzenem NaCl. Die beiden allotropen Strukturen unterscheiden sich in ihrer Beständigkeit gegenüber dieser letztgenannten Korrosionsart: α-Titan ist sehr anfällig, während β-Titan praktisch unempfindlich ist.

  

Das Kroll-Verfahren und die Herstellung von hochreinem Titan

Der Kroll-Prozess

Im ersten Schritt wird Titandioxid carbochloriert. Das Produkt wird durch Umsetzung von gasförmigem Chlor mit dem Oxid bei ca. 800 °C in einem Wirbelschichtreaktor gemäß folgender Reaktionsgleichung erhalten: TiO₂(s) + 2 C(s) + 2 Cl₂(g) → TiCl₄(g) + 2 CO(g). Das Titantetrachlorid mit einem Siedepunkt von 136 °C wird durch Kondensation gewonnen, dekantiert, filtriert und durch fraktionierte Destillation gereinigt. Im anschließenden Reduktionsprozess wird dieses Tetrachlorid in der Gasphase mit flüssigem Magnesium gemäß folgender Reaktionsgleichung umgesetzt: TiCl₄(g) + 2 Mg(l) → 2 MgCl₂(l) + Ti(s). Die Reaktion wird unter Vakuum oder Inertgas (Argon) durchgeführt. Magnesiumchlorid wird durch Dekantieren und anschließend in einem zweiten Schritt durch Vakuumdestillation bei ca. 900–950 °C oder durch Säurewäsche abgetrennt. Das entstehende Titan ist ein poröser Feststoff, der einem Schwamm ähnelt, daher der Name Titanschwamm. Seit seiner ersten industriellen Anwendung im Jahr 1945 hat sich das Kroll-Verfahren hinsichtlich seiner physikalisch-chemischen Grundlagen, abgesehen von der Reaktionsausbeute, nicht wesentlich verändert.

Herstellung von hochreinem Titan

Sobald der Schwamm gewonnen ist, wird er zu Titanspänen vermahlen. Diese werden anschließend in einem Mischer unter Schutzgas oder Hochdrucksaugung homogenisiert, um eine Entzündung der feinen Titanpartikel (ca. 100 µm) zu verhindern. Diese könnte zur Bildung von Titanoxynitrid führen, einer spröden, im flüssigen Bad unlöslichen Verbindung. Die homogenisierte Masse wird dann in die Matrize einer Presse gegeben und dort zu einem dichten Zylinder, dem sogenannten Kompakt, kaltgepresst. Durch die hohe Dichte des Kompakts lassen sich die einzelnen Kompakte schichtweise stapeln und anschließend mittels Plasma- oder Elektronenstrahlschweißen zu einer Elektrode verbinden. So entsteht eine Primärelektrode. Die Titanelektroden werden anschließend durch Vakuumlichtbogenschmelzen (VAR) verschmolzen. Dabei wird ein Lichtbogen mit niedriger Spannung und hohem Strom (30 bis 40 V; 20.000 bis 40.000 A) zwischen der Unterseite der Titanelektrode und einem wassergekühlten Kupfertiegel erzeugt. Die Unterseite der Elektrode erhitzt sich und ihre Temperatur steigt über den Liquidus. Das geschmolzene Metall fließt dann in einen Flüssigkeitsbehälter innerhalb einer Metallhülle, der sogenannten Barrenhaut. Je nach gewünschter Reinheit wird der Barren auf diese Weise mehrmals umgeschmolzen. Mit jedem Umschmelzen vergrößert sich der Durchmesser der Barren; sie wiegen typischerweise zwischen 1 und 10 Tonnen und haben einen Durchmesser von 0,5 bis 1 Meter.

Verbindungen 

Obwohl metallisches Titan aufgrund seines Preises recht selten ist, ist Titandioxid preiswert und wird häufig als Weißpigment in Farben und Kunststoffen eingesetzt. TiO₂-Pulver ist chemisch inert, lichtbeständig und hochgradig undurchsichtig. Reines Titandioxid besitzt einen sehr hohen Brechungsindex und eine höhere optische Dispersion als Diamant.

Vorsichtsmaßnahmen, Toxikologie

In seiner elementaren Form ist Titan leicht entzündlich, Titansalze gelten jedoch im Allgemeinen als unbedenklich. Chlorierte Verbindungen wie TiCl₄ und TiCl₃ sind korrosiv. Titan kann sich in siliziumhaltigem Gewebe anreichern, hat aber keine bekannte biologische Funktion.

Abschluss

Titan zeichnet sich durch ein extrem breites Spektrum an Eigenschaften aus. Es ist nicht nur korrosionsbeständig, oft kombiniert mit Erosions- und Feuerbeständigkeit sowie Biokompatibilität, sondern besitzt auch hervorragende mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Duktilität, Dauerfestigkeit usw.), die die Konstruktion dünnerer und leichterer Bauteile ermöglichen. Diese attraktiven Eigenschaften erklären seine zunehmenden Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Chemie und der Medizin. Dank verbesserter Produktionseffizienz findet Titan zudem immer häufiger Verwendung in Alltagsanwendungen wie der Sportartikel- und Automobilindustrie.