Technische kenmerken van titanium tussen verschillende kwaliteiten: 
Om dit document te kunnen bekijken, hebt u de nieuwste versie van Acrobat Reader nodig.
Basis fysische eigenschappen
Opvallende fysieke eigenschappen van titanium:
- De dichtheid bedraagt ongeveer 60% van die van staal.
- De corrosiebestendigheid is uitzonderlijk in veel omgevingen, zoals in zeewater of in het menselijk lichaam.
- De mechanische eigenschappen blijven hoog tot een temperatuur van circa 600°C en blijven uitstekend tot cryogene temperaturen.
- De transformatie tot halffabricaten en onderdelen van verschillende vormen door middel van de gebruikelijke technieken (boren, stansen, spinnen, gieten, lassen, bewerken, etc.) is redelijk eenvoudig.
- Het is verkrijgbaar in een grote verscheidenheid aan vormen en producttypen: blokken, knuppels, staven , draden, buizen , platen, vellen en strips .
- Het is niet-magnetiseerbaar.
- De thermische uitzettingscoëfficiënt, iets lager dan die van staal, is de helft van die van aluminium. Een gemiddelde thermische uitzettingscoëfficiënt van 10,5 × 10⁻⁶ K⁻¹ wordt als norm genomen. De elasticiteitsmodulus ligt zeer dicht bij die van botstructuren.
Kristallografische eigenschappen
Zuiver titanium ondergaat een martensitische allotrope transformatie bij temperaturen rond 882 °C.
Beneden deze temperatuur is de structuur hexagonaal en pseudodichtgepakt (a=0,295nm; c = 0,468nm : c/a = 1,633) en wordt Ti α genoemd (ruimtegroep 194 / P63/mmc).
Boven deze temperatuur is de structuur lichaamsgecentreerd kubisch (a=0,332 nm) en wordt Ti β genoemd.
De α→β-overgangstemperatuur wordt de β-transus genoemd.
De exacte transformatietemperatuur wordt grotendeels beïnvloed door substitutie- en interstitiële elementen. Deze hangt daarom sterk af van de zuiverheid van het metaal. Kristallografische structuur van de α- en β-eenheidscellen van titanium.
Isotopen
Titanium komt in de natuur voor in de vorm van vijf isotopen: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti en 50Ti. 48Ti is de meest voorkomende isotoop, met een natuurlijke concentratie van 73,8%. Er zijn elf radio-isotopen waargenomen; de meest stabiele, 44Ti, heeft een halfwaardetijd van 63 jaar.
De fotokatalytische activiteit van TiO₂ wordt sterk beïnvloed door de kristalliniteit en deeltjesgrootte (Pecchi et al., 2001).
Anatase-modificatie is alleen voldoende actief in fotokatalyse met een bandruimte-energie Ebg van 3,2 eV.
Hombikat UV-100 TiO2 bestaat uit zuivere gemodificeerde anataas en de deeltjes hebben een PARI-oppervlak van ongeveer 186 m²/g (met toepassing van de Brunauer-Emmett-Teller-theorie van gasadsorptie voor het bepalen van de adsorptie-isotherm).
De meeste onderzoeken werden echter uitgevoerd met Degussa P-25 TiO2. Dit materiaal bestaat uit ongeveer 80% anataas en 20% rutiel en heeft een BET-specifiek oppervlak van ongeveer 55 m²/g.
De diameter van de deeltjes ligt doorgaans tussen de 25 nm en 35 nm.
Oxiden
Titaanmonoxide (TiO₂) Titaantrioxide (Ti₂O₃) Titaandioxide (TiO₂) Titaantrioxide (TiO₃)
Mechanische eigenschappen
Erosie
De sterk hechtende en harde oxidelaag verklaart de lange levensduur van titanium onderdelen die worden blootgesteld aan in vloeistoffen zwevende deeltjes. Dit effect wordt versterkt door het regenererend vermogen van de laag. Erosie in zeewater wordt versterkt door hogere stroomsnelheden of kleinere deeltjesgroottes.
Sterkte en ductiliteit
Titanium wordt beschouwd als een metaal met een hoge mechanische sterkte en goede ductiliteit onder standaardtemperatuuromstandigheden. De specifieke sterkte (treksterkte/dichtheidsverhouding) overtreft die van aluminium en staal.
De sterkte is omgekeerd evenredig met de temperatuur, met een plateau tussen -25 °C en 400 °C.
Onder -50 °C, in cryogene temperatuurbereiken, is de sterktetoename dramatisch; dit gaat echter gepaard met een zeer lage ductiliteit.
Boven 400 °C begint de mechanische sterkte af te nemen.
Zonder enige theoretische basis bedraagt de vermoeiingsweerstand ongeveer 70% van de treksterkte.
Slijtage
Tot op heden is er nog geen bevredigende oplossing ontwikkeld. Oxidatie, nitreren, boridiseren en carboneren zijn de belangrijkste methoden die zijn beproefd. Er zijn talrijke technologische problemen met de uitvoering en hechting opgetreden. Bovendien dienen oppervlaktebehandelingen van titanium, die de aard of structuur van het oppervlak veranderen, alleen met de grootste voorzichtigheid en na grondige bestudering van hun effecten te worden toegepast; ze hebben over het algemeen een min of meer uitgesproken negatief effect op de sterkte en vermoeiingsweerstand.
Biocompatibiliteit
Titanium is een van de meest biocompatibele metalen, samen met goud en platina, wat betekent dat het volledig bestand is tegen lichaamsvloeistoffen. Bovendien bezit het een hoge mechanische sterkte en een zeer lage elasticiteitsmodulus, waardoor het compatibel is met botstructuren. Het Internationaal Agentschap voor Kankeronderzoek (IARC) heeft titaniumdioxide geclassificeerd in Groep 2B, "mogelijk kankerverwekkend voor de mens". De uitgevoerde studies hebben nog geen definitieve conclusie opgeleverd.
Brandwerendheid
De brandwerendheid, met name tegen koolwaterstoffen, is uitstekend. Het is aangetoond dat een buis van 2 mm dik een druk van tien atmosfeer kan weerstaan bij een koolwaterstofbrand bij een temperatuur van 600 °C zonder schade, vervorming of explosie. Dit is voornamelijk te danken aan de weerstand van de oxidelaag, die voorkomt dat waterstof het materiaal binnendringt. Bovendien zorgt de lage thermische geleidbaarheid van titanium voor een langdurige bescherming van de interne componenten tegen temperatuurstijgingen.
Chemische eigenschappen
Klassieke titaniumcorrosie
Titanium is een extreem oxideerbaar metaal. In de reeks standaard elektrochemische potentialen bevindt het zich in de buurt van aluminium, tussen magnesium en zink. Het is daarom geen edelmetaal; zijn thermodynamische stabiliteitsbereik deelt in feite geen enkel deel met het thermodynamische stabiliteitsbereik van water en ligt er ver onder. Een van de redenen voor de corrosiebestendigheid van titanium is de ontwikkeling van een beschermende, passiverende laag van enkele fracties van een micrometer dik, die voornamelijk bestaat uit TiO2-oxide, hoewel erkend wordt dat het andere vormen van titanium kan bevatten. Deze laag is intact en zeer hecht. Als het oppervlak bekrast raakt, vormt het oxide zich spontaan opnieuw in aanwezigheid van lucht of water. Titanium wordt dus vrijwel niet aangetast door lucht, water en zeewater.
Bovendien is deze laag stabiel over een breed pH-, potentiaal- en temperatuurbereik. Sterk reducerende omstandigheden, sterk oxiderende omgevingen of de aanwezigheid van fluorionen (een complexvormer) verminderen de beschermende werking van deze oxidelaag; de etsreagentia die gebruikt worden om microfoto's te maken zijn meestal gebaseerd op waterstoffluoride. Tijdens een reactie met dit zuur worden titanium(II)- en (III)-kationen gevormd. De reactiviteit van zure oplossingen kan echter worden verminderd door de toevoeging van oxidatiemiddelen en/of zware metaalionen. Chroom- of salpeterzuur en zouten van ijzer, nikkel, koper of chroom zijn uitstekende inhibitoren.
Dit verklaart waarom titanium gebruikt kan worden in industriële processen en omgevingen waar conventionele materialen zouden corroderen. Elektrochemische evenwichten kunnen uiteraard worden gewijzigd door legeringselementen toe te voegen die de anodische activiteit van titanium verminderen; dit leidt tot een verbeterde corrosiebestendigheid.
Afhankelijk van de gewenste wijzigingen worden specifieke elementen toegevoegd. Hieronder vindt u een niet-uitputtende lijst met enkele veelgebruikte additieven: het verschuiven van het corrosiepotentieel en het verbeteren van de kathode-eigenschappen: toevoeging van platina, palladium of rhodium; het verhogen van de thermodynamische stabiliteit en het verminderen van de neiging tot anodische oplossing: toevoeging van nikkel, molybdeen of wolfraam; het verhogen van de passiveringsneiging: toevoeging van zirkonium, tantaal, chroom of molybdeen. Deze drie methoden kunnen worden gecombineerd.
Specifieke corrosie van titanium
Titanium is zeer goed bestand tegen specifieke vormen van corrosie, zoals putcorrosie of spleetcorrosie. Deze verschijnselen worden alleen waargenomen bij gebruik in omgevingen die de praktische grenzen van algemene corrosiebestendigheid benaderen. Spanningscorrosie treedt op onder de volgende omstandigheden: in koud zeewater (alleen bij scherpe snijwonden); in bepaalde specifieke media zoals watervrije methanol; en in warme omgevingen, in aanwezigheid van gesmolten NaCl. De twee allotrope structuren verschillen in hun weerstand tegen dit laatste type corrosie; α-titanium is zeer gevoelig, terwijl β-titanium vrijwel onaangetast blijft.
Het Kroll-proces en de productie van titanium met een hoge zuiverheid
Het Kroll-proces
De eerste stap omvat het carbochloreren van titaandioxide. Het product wordt verkregen door gasvormig chloor te laten reageren met het oxide bij ongeveer 800 °C in een wervelbed volgens de reactie: TiO2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) → TiCl4(g) + 2 CO(g). Het titaantetrachloride, dat een kookpunt heeft van 136 °C, wordt gewonnen door condensatie, gedecanteerd, gefiltreerd en gezuiverd door gefractioneerde destillatie. Het daaropvolgende reductieproces omvat het laten reageren van dit tetrachloride in de gasfase met vloeibaar magnesium volgens de reactie: TiCl4(g) + 2 Mg(l) → 2 MgCl2(l) + Ti(s). De reactie wordt uitgevoerd onder vacuüm of inert gas (argon). Magnesiumchloride wordt gescheiden door decantatie en vervolgens, in een tweede stap, door vacuümdestillatie bij ongeveer 900-950 °C of door zuurwassen. Het resulterende titanium is een poreuze vaste stof die lijkt op een spons, vandaar de naam titaniumspons. Sinds de eerste industriële toepassing in 1945 heeft het Kroll-proces geen significante veranderingen ondergaan in zijn fysisch-chemische principe, afgezien van de reactieopbrengst.
Productie van titanium met een hoge zuiverheidsgraad
Zodra de spons is verkregen, wordt deze vermalen tot titaniumschaafsel. Deze massa wordt vervolgens gehomogeniseerd in een menger, onder inert gas of onder hogedruk, om te voorkomen dat de titaniumdeeltjes (deeltjes van ongeveer honderd micrometer) ontbranden. Dit zou kunnen leiden tot de vorming van titaniumoxynitride, een brosse verbinding die onoplosbaar is in het vloeistofbad. De gehomogeniseerde massa wordt vervolgens in de matrijs van een pers gebracht, waar deze koud wordt samengeperst tot een dichte cilinder, een zogenaamde compact. De relatieve dichtheid van de compact maakt het mogelijk om een elektrode te creëren door deze compacts laag voor laag te stapelen en ze aan elkaar te lassen met behulp van een plasma- of elektronenbundel. Dit resulteert in een primaire elektrode. Vervolgens worden de titaniumelektroden samengesmolten door middel van vacuümboogsmelten (VAR). Dit proces omvat het creëren van een elektrische boog met lage spanning en hoge stroomsterkte (30 tot 40 V; 20.000 tot 40.000 A) tussen de onderkant van de titaniumelektrode en een watergekoelde koperen smeltkroes. De onderkant van de elektrode warmt op en de temperatuur stijgt tot boven de liquidus; het gesmolten metaal valt vervolgens in een vloeistofput in een metalen omhulsel, de zogenaamde huid van de ingot. De ingot wordt op deze manier meerdere keren omgesmolten, afhankelijk van de gewenste zuiverheid. Bij elke omsmelting wordt de diameter van de ingots vergroot; deze wegen doorgaans tussen de 1 en 10 ton en hebben een diameter van 0,5 tot 1 meter.
Verbindingen
Hoewel metallisch titanium vanwege de prijs vrij zeldzaam is, is titaniumdioxide goedkoop en wordt het veel gebruikt als wit pigment in verf en kunststoffen. TiO₂-poeder is chemisch inert, bestand tegen zonlicht en zeer ondoorzichtig. Zuiver titaniumdioxide heeft een zeer hoge brekingsindex en een grotere optische dispersie dan diamant.
Voorzorgsmaatregelen, toxicologie
In zijn verdeelde metallische vorm is titanium zeer brandbaar, maar titaniumzouten worden over het algemeen als veilig beschouwd. Gechloreerde verbindingen zoals TiCl4 en TiCl3 zijn corrosief. Titanium kan zich ophopen in levende weefsels die silicium bevatten, maar het heeft geen bekende biologische rol.
Conclusie
Titanium beschikt over een zeer breed scala aan eigenschappen. Het is niet alleen corrosiebestendig, vaak gecombineerd met erosie- en brandwerendheid, en biocompatibiliteit, maar bezit ook uitstekende mechanische eigenschappen (sterkte, ductiliteit, vermoeiingsweerstand, enz.) die het ontwerp van dunnere en lichtere componenten mogelijk maken. Deze aantrekkelijke reeks eigenschappen verklaart de toenemende toepassing ervan in de lucht- en ruimtevaart, de chemische en medische sector. Bovendien wordt titanium, dankzij de verbeterde productie-efficiëntie, steeds vaker gebruikt in alledaagse toepassingen zoals de sportartikelen- en auto-industrie.