Titan ist ein wichtiges metallisches Element mit dem chemischen Symbol Ti und der Ordnungszahl 22 im Periodensystem. Es hat einen silberweißen metallischen Glanz und verfügt über hervorragende Eigenschaften wie hohen Schmelzpunkt, niedrige Dichte, hohe Festigkeit und starke Duktilität. Titan ist ein wichtiges Industriematerial. Wenn Sie mehr über Titan erfahren möchten, lesen Sie bitte weiter unten!
Der andere Begriff für Titan
Titan hat viele herausragende Vorteile, wie zum Beispiel geringe Dichte, starke Duktilität und starke Korrosionsbeständigkeit, weshalb es auch als „Wundermetall“, „Weltraummetall“ oder „Meeresmetall“ bekannt ist.
Die Geschichte von Titan
Im Jahr 1791 wurde Titan in England von einem Amateurgeologen entdeckt Wilhelm Gregor. Im Jahr 1795 nannte der deutsche Chemiker Klaproth in Anlehnung an den Namen der Titanengottheiten aus der griechischen Mythologie dieses neue Element „Titan“. Erst 1910 erhielt der amerikanische Chemiker Hunter erstmals 99.9 % reines Titanmetall durch Reduktion von TiCl mit Natrium. Im Jahr 1940 stellte der luxemburgische Wissenschaftler Kroll ebenfalls reines Titan mithilfe der Magnesiumreduktionsmethode her. Seitdem sind sowohl das Magnesiumreduktionsverfahren als auch das Natriumreduktionsverfahren zu industriellen Verfahren zur Titanproduktion geworden.
Die Farbe von Titan
Titanmetall hat das Aussehen von Stahl mit einem silberweißen oder silbergrauen Glanz und ist ein Übergangsmetall.
Woraus besteht Titan?
Titan ist weit verbreitet, macht etwa 0.44 % der Erdkruste aus und kommt in allen Gesteinen, Sanden, Tonen und anderen Böden vor. Da Titan jedoch leicht mit Sauerstoff reagiert, kommt reines Titan in der Natur nicht vor; es liegt hauptsächlich in Form von Titandioxid vor. Zu den Titanerzen gehören hauptsächlich Ilmenit und Rutil. Durch Reinigung dieser Mineralien kann reines Titan gewonnen werden.
Wie wird Titan hergestellt?
Titan wird üblicherweise unter Verwendung von hergestellt Kroll-Prozess. Zunächst wird Titanerz erhitzt, um flüssiges Titantetrachlorid (TiCl4) herzustellen. Anschließend erfolgt die Reinigung mittels fraktionierter Destillation. Nach der Destillation wird geschmolzenes Magnesium hinzugefügt, um es in eine „Schwammform“ zu reduzieren. Anschließend wird der Schwamm zu Barren geschmolzen, die zu verschiedenen mechanischen Produkten wie Stäben, Platten, Blechen und Rohren weiterverarbeitet werden. Abschließend werden diese mechanischen Produkte weiter bearbeitet und geformt, und bei Bedarf wird eine Oberflächenbehandlung angewendet, um das Produkt zu optimieren.
Was sind die Hauptarten von Titan?
Titan weist zwei Arten polymorpher Strukturen auf, nämlich die α-Phase und die β-Phase. Basierend auf den polymorphen Eigenschaften von Titan können Titanlegierungen in die folgenden drei Hauptkategorien eingeteilt werden: α-Titanlegierungen, β-Titanlegierungen und α+β-Titanlegierungen.
Alpha-Titanlegierung
Alpha-Titanlegierungen werden weiter in Voll-Alpha-Legierungen und Nah-Alpha-Legierungen unterteilt. Es handelt sich um einphasige Legierungen, die aus einer Alphaphasen-Mischkristalllösung bestehen. Sie weisen gute Kalt- und Warmumformeigenschaften, eine stabile Struktur und eine starke Oxidationsbeständigkeit auf.
Beta-Titanlegierung
Beta-Titanlegierungen werden weiter in stabile Beta-Legierungen, metastabile Beta-Legierungen und Near-Beta-Legierungen unterteilt. Es handelt sich um einphasige Legierungen aus Beta-Phasen-Mischkristallen, die hervorragende Festigkeitseigenschaften aufweisen und ein hohes Festigkeitsniveau erreichen. Sie verfügen außerdem über eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit.
α+β (Alpha+Beta) Titanlegierung
Es handelt sich um eine Zweiphasenlegierung mit guten umfassenden Eigenschaften, einschließlich stabiler Struktur, guter Zähigkeit, guter Plastizität und Verformungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Die Legierung kann durch Prozesse wie Heißpressen, Abschrecken und Alterungsbehandlung verstärkt werden.
Was sind die gängigen Titanqualitäten?
Grade 1
Kommerzielles Reintitan der Güteklasse 1 ist die weichste und duktilste Titanart. Es bietet maximale Formbarkeit, hervorragende Korrosionsbeständigkeit und hohe Schlagzähigkeit. Es ist das bevorzugte Material für Anwendungen, bei denen eine einfache Umformung erforderlich ist, und wird häufig in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Energieerzeugungsindustrie verwendet.
Grade 2
Kommerzielles Reintitan der Güteklasse 2 ist das am häufigsten verwendete kommerzielle Reintitan mit mäßiger Festigkeit und hervorragenden Kaltumformeigenschaften. Im Vergleich zu anderen handelsüblichen reinen Titansorten ist Titan der Güteklasse 2 etwas schwächer als Titan der Güteklasse 3, aber fester als Güteklasse 1 und bietet dennoch Korrosionsbeständigkeit. Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit wird es häufig in der Schifffahrts-, Medizin-, Energieerzeugungs- und Erdölindustrie eingesetzt.
Grade 3
Titan der Güteklasse 3 wird unter den kommerziell erhältlichen Reintitansorten am wenigsten verwendet, mindert jedoch nicht seinen Wert. Es verfügt über eine hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit. Seine Festigkeit ist höher als bei Klasse 1 und Klasse 2, aber seine Duktilität ist geringer als bei den anderen beiden Sorten. Es wird häufig in der Schifffahrtsindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der chemischen Verarbeitungsindustrie eingesetzt.
Grade 4
Titan der Güteklasse 4 gilt als die stärkste unter den handelsüblichen Reintitansorten und ist für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, gute Formbarkeit und Schweißbarkeit bekannt. Es wird häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der chemischen Verarbeitungs- und Medizinindustrie für Anwendungen wie Flugzeugstrukturen, Wärmetauscher, chirurgische Hardware usw. verwendet.
Güteklasse 5 oder Ti 6Al-4V
Titan der Güteklasse 5, auch bekannt als Ti6Al-4V, wird als „Arbeitspferd“ unter den Titanlegierungen bezeichnet und ist unter allen Titanlegierungen die am häufigsten verwendete. Sie macht 50 % des gesamten weltweiten Titanverbrauchs aus. Diese Legierung zeichnet sich durch ihr geringes Gewicht, ihre extrem hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit aus. Daher ist es in der Luft- und Raumfahrtindustrie bei der Herstellung von Motoren, Strukturbauteilen und Befestigungselementen sehr beliebt.
Güteklasse 6 oder Ti 5Al-2.5Sn
Titan der Güteklasse 6 weist eine äußerst hohe Stabilität auf und behält auch bei hohen Temperaturen eine gute Schweißbarkeit und Festigkeit bei. Zudem weist es hervorragende Verarbeitungseigenschaften auf. Es wird häufig für Turbinentriebwerksgehäuse, Flugzeugkomponenten und Teile für die chemische Verarbeitung verwendet.
Grade 7
Titan der Güteklasse 7 ähnelt Titan der Güteklasse 2, mit Ausnahme des Zusatzes des interstitiellen Elements Palladium (im Bereich von 0.12 % bis 0.25 %), das seine Widerstandsfähigkeit gegen Spaltkorrosion verbessert. Grad 7 weist außerdem eine hervorragende Schweißbarkeit auf und ist die korrosionsbeständigste aller Titanlegierungen. Es wird häufig in der chemischen Produktion, der Meerwasserentsalzung und der Energieerzeugung eingesetzt.
Grade 11
Titan der Güteklasse 11, auch bekannt als CP Ti-0.15Pd, ist ein handelsübliches Reintitan ähnlich der Güteklasse 1 und 2, dem zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit eine kleine Menge Palladium zugesetzt ist. Es kann verwendet werden, um Spaltkorrosion zu verhindern und Säuren in Chloridumgebungen zu reduzieren. Titan der Güteklasse 11 weist außerdem eine hohe Duktilität, Kaltformbarkeit, Nutzfestigkeit, Schlagzähigkeit und ausgezeichnete Schweißbarkeit auf. Es wird häufig in der chemischen Verarbeitung und in Wärmetauschern verwendet.
Güteklasse 12 oder Ti 0.3-Mo 0.8-Ni
Titan der Güteklasse 12, auch bekannt als Ti 0.3 Mo 0.8 Ni, ist eine äußerst korrosionsbeständige Legierung, die geringe Mengen Nickel und Molybdän enthält. Diese Elemente verbessern die Korrosionsbeständigkeit und erhöhen die Festigkeit der Legierung. Es wird häufig in Anwendungen wie Schiffen oder Offshore-Bohrplattformen eingesetzt.
Güteklasse 23 oder Ti 6AL-4V ELI
Titan der Güteklasse 123, auch bekannt als Ti 6Al-4V ELI, zeichnet sich durch hohe Duktilität, hohe Festigkeit, geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und hohe Zähigkeit aus. Es ist die bevorzugte Wahl für zahnmedizinische und medizinische Anwendungen.
Welche Titansorte ist die beste?
Titan der Güteklasse 5 (Ti 6Al-4V) gilt als „Arbeitspferd“, da es die Hälfte des Titanbedarfs ausmacht. Aufgrund seines breiten Spektrums an wünschenswerten Eigenschaften hat es sich zur am häufigsten verwendeten Titansorte entwickelt. Titan der Güteklasse 5 verfügt über eine hohe Festigkeit, hohe Duktilität, starke Korrosionsbeständigkeit, ausgezeichnete thermische Stabilität und ist leicht zu verarbeiten und zu formen, wodurch es in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Schifffahrt weit verbreitet ist.
Was kostet Titan?
Die Kosten für handelsübliches reines Titan betragen etwa 23–25 US-Dollar pro Kilogramm, während die Kosten für Titanlegierungen etwa 27–30 US-Dollar pro Kilogramm betragen.
Welches ist die günstigste Titansorte?
Derzeit ist Titan der Güteklasse 1 relativ günstiger im Preis, was hauptsächlich von den spezifischen Anwendungsanforderungen und den Angebotsbedingungen des Marktes abhängt.
Welche Titansorte wird zum Anodisieren verwendet?
Für die Anodisierungsbehandlung kann sowohl Titan der Güteklasse 2 als auch der Güteklasse 3 verwendet werden.
Welche Eigenschaften hat Titan?
Nachfolgend sind die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Titan aufgeführt:
Physikalische Eigenschaften
Dichte: 4.5 Gramm/Kubikzentimeter
Farbe: Silberweißer metallischer Glanz
Stärke: Die Festigkeit von Titan hängt von der Titansorte und der Konzentration seiner Legierungselemente ab.
Fülle: Titan ist das neunthäufigste Element in der Erdkruste und kommt fast in allen Gesteinen und Sedimenten vor.
Temperaturbeständigkeit: Titan hält im Vergleich zu Edelstahl und Aluminium höheren und niedrigeren Temperaturen stand.
Duktilität: Die Duktilität von Titan reicht von 6 % Dehnung (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) bis 25 % (kommerziell reiner Grad 1).
Chemische Eigenschaften
Oxidation: Aufgrund seines hohen Oxidationspotentials kommt Titan in der Natur nicht in reiner Form vor, sondern in Form von Oxiden in Gesteinen und Mineralien.
Reaktivität: Es reagiert bei hohen Temperaturen mit Säuren und Halogenen, reagiert jedoch überhaupt nicht mit Alkalien.
Korrosionsbeständigkeit: Titan verfügt über eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit und widersteht der Korrosion durch Säuren, Laugen und Meerwasser, da sich Sauerstoffmoleküle mit Titan zu Titanoxid verbinden.
Bearbeitbarkeit: Es lässt sich leicht zu verschiedenen Produktformen wie Stangen, Platten, Rohren usw. verarbeiten.
Herstellungsprozess von Titanmetall
Mit dem Kroll-Verfahren wird Rohtitan in Titanmetall umgewandelt. Die Schritte dieses Prozesses umfassen Extraktion, Reinigung, Schwammherstellung, Legierungsherstellung sowie Formen und Umformen.
Extrahierung
Aus Roherzen wie Ilmenit und Rutil werden hochwertige Konzentrate gewonnen und zur Verarbeitung an Fabriken geschickt. Nach einer Vorbehandlung zur Entfernung des Eisengehalts wird Ilmenit in einen Wirbelschichtreaktor mit Chlor und Kohlenstoff gegeben und auf 900 °C erhitzt. Bei der chemischen Reaktion entsteht neben Kohlenmonoxid Titantetrachlorid. Titantetrachlorid enthält Verunreinigungen, die zur Herstellung von Titandioxid entfernt werden müssen.
Reinigung
Titantetrachlorid wird zur Reinigung einer Hochtemperatur-Vakuumdestillation unterzogen. Das beim Extraktionsprozess entstehende Metall wird in großen Destillationstanks erhitzt. Der Reinigungsprozess nutzt fraktionierte Destillation und Fällung zur Abtrennung von Verunreinigungen. Aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte verschiedener Elemente werden während des Destillationsprozesses verschiedene Elemente entfernt, wenn sie ihren Siedepunkt erreichen. Zu den entfernten Verunreinigungen gehören Vanadium, Silizium, Magnesium, Zirkonium und Eisen.
Schwammbildung
Unter Bildung eines Schwamms wird gereinigtes Titantetrachlorid in flüssiger Form in Reaktionsgefäße aus Edelstahl gegossen. Magnesium wird hinzugefügt und die Mischung wird auf 1100 °C erhitzt, um mit Chlor zu Magnesiumchlorid zu reagieren. Um Luft zu entfernen, wird Argongas eingepumpt, wodurch Reaktionen mit Sauerstoff und Stickstoff verhindert werden. Das produzierte Titan wird durch Bohren gewonnen und mit einer Mischung aus Wasser und Salzsäure behandelt, um überschüssiges Magnesium und Magnesiumchlorid zu entfernen. Das resultierende Titan liegt in Schwammform vor.
Legierungsherstellung
Zur Herstellung von Legierungen wird reiner Titanschwamm mit verschiedenen Legierungen und Altmetallen vermischt. Nach dem Schmelzen und Mischen der Metalle in geeigneten Anteilen werden die Stücke verdichtet und zu Schwammelektroden verschweißt. Diese werden in einem Vakuumlichtbogenofen zu Barren geschmolzen, die dann zu verschiedenen Industrie- und Handelsprodukten weiterverarbeitet werden.
Gestalten und Gestalten
Zur Herstellung von Titanlegierungsprodukten werden Barren aus dem Ofen entnommen, geprüft, verpackt und transportiert. Die Eigenschaften jedes Barrens werden überprüft, um sicherzustellen, dass sie den Kundenanforderungen entsprechen. Während des Produktherstellungsprozesses durchlaufen die Barren verschiedene Prozesse wie Schweißen, Formen, Gießen, Schmieden und Pulvermetallurgie.
Was sind die Vorteile von Titan?
Hohe Festigkeit
Titan besitzt eine ausgezeichnete Festigkeit und ist damit eines der stärksten Metalle im Periodensystem. Aufgrund seiner geringen Dichte ist Titan zudem sehr leicht.
Korrosionsbeständigkeit
Titan reagiert leicht mit Sauerstoff und bildet auf seiner Oberfläche eine dünne Oxidschicht, die für natürliche Korrosionsbeständigkeit sorgt.
Biokompatibilität
Titan ist ungiftig und sowohl für Menschen als auch für Tiere biokompatibel. Daher wird Titan häufig in der Medizin- und Dentalindustrie verwendet.
Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient
Titan hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was zu einer minimalen Ausdehnung und Kontraktion bei extremen Temperaturen und damit zu einer höheren strukturellen Stabilität führt.
Hoher Schmelzpunkt
Titan hat einen extrem hohen Schmelzpunkt (ca. 1668 °C) und eignet sich daher hervorragend für Hochtemperaturanwendungen wie Gießereien und Turbinenstrahltriebwerke.
Hervorragende Fertigungsmöglichkeiten
Obwohl Titan ein sehr festes Metall ist, ist es auch weich und duktil. Dadurch können Titanbauteile mit verschiedenen Fertigungsverfahren hergestellt werden.
Was sind die Einschränkungen von Titan?
Teuer
Titan gilt als seltenes Metall und seine Reinigung ist sowohl teuer als auch aufwendig.
Schwer zu formen
Um es in nützliche Formen zu bringen, sind fortschrittliche Maschinen und Spezialgeräte erforderlich.
Reagiert bei hohen Temperaturen
Dies macht die Herstellung von reinem Titan und Titanlegierungen umständlich und streng kontrollierbar. Die Titanproduktion muss in streng kontrollierten anaeroben Umgebungen erfolgen.
Schlechte Wärmeleitfähigkeit
Titan ist ein Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit und daher schwierig zu verarbeiten.
Welche Anwendungen gibt es für Titan?
Luft- und Raumfahrt
Titanlegierungen werden in der geschätzt Luft-und Raumfahrt Industrie für ihr hohes Festigkeit-zu-Dichte-Verhältnis, ihre Korrosionsbeständigkeit und ihre Fähigkeit, moderaten Temperaturen ohne Kriechen standzuhalten.
Automotive
Titan wird in der Automobilindustrie aufgrund seiner geringen Dichte, seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, seiner Korrosionsbeständigkeit und seiner Hitzebeständigkeit bevorzugt.
Industrie
Titan wird aufgrund seiner hohen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, seines geringen Gewichts und seiner Haltbarkeit häufig in industriellen Umgebungen eingesetzt. Zu seinen Anwendungen gehören Wärmetauscher, Ventile, Rohre und Pleuel.
Medizintechnik
Titan ist ungiftig und biokompatibel mit menschlichen Knochen, wodurch es sich hervorragend für medizinische Anwendungen eignet. Es verfügt über inhärente Eigenschaften zur Knochenintegration und kann für Zahnimplantate verwendet werden, die eine Lebensdauer von mehr als 30 Jahren haben, was auch für orthopädische Implantatanwendungen nützlich ist.
Gesundheits- und Umweltauswirkungen von Titanmetall
Gesundheitliche Auswirkungen von Titan
Titanmetall ist ein biokompatibles Material mit ausgezeichneter Biokompatibilität und ungiftig. Es wird häufig in medizinischen Instrumenten und Implantaten verwendet und hat keine schädlichen Auswirkungen auf den menschlichen Körper.
Umweltauswirkungen von Titan
Titan setzt keine giftigen Stoffe frei und vermeidet dadurch negative Auswirkungen auf die Umwelt. Allerdings können beim Produktionsprozess von Titan einige Abfälle oder Abgase entstehen. Dennoch können durch effektives Management und proaktive Behandlungsmaßnahmen die Auswirkungen auf die Umwelt so weit wie möglich minimiert werden.
FAQs
Ist Titan rostfrei?
Ja, Titanlegierungen weisen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf und können der Erosion vieler Chemikalien standhalten.
Ist Titan magnetisch?
Im Allgemeinen ist reines Titan typischerweise nicht magnetisch, da die Kristallstruktur von reinem Titan keinen Magnetismus unterstützt. Bestimmte Titanlegierungen können jedoch abhängig von der Art und Konzentration der Legierungselemente Magnetismus aufweisen.
Ist Titan kugelsicher?
Ja, Titan ist für Handfeuerwaffen und Jagdgewehre kugelsicher, aber für militärische Ausrüstung ist Titan nicht kugelsicher.
Was ist der Unterschied zwischen Titan und Aluminium?
Materialeigenschaften
Titan hat eine höhere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit als AluminiumEs ist zwar leichter als Aluminium, aber auch teurer. Aluminium ist ein leichtes Metall mit guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit und geringeren Kosten im Vergleich zu Titan.
Anwendungen
Titan wird häufig in Anwendungen verwendet, die eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordern, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie in medizinischen Geräten. Aluminium hat ein breiteres Anwendungsspektrum, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobil, Bauwesen und Elektronik.
Verarbeitungsschwierigkeiten
Aufgrund seiner höheren Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ist Titan schwieriger zu verarbeiten und erfordert hochwertigere Verarbeitungsgeräte und -techniken. Im Gegensatz dazu ist Aluminium relativ einfach zu verarbeiten und kann mit herkömmlichen Methoden bearbeitet und geformt werden.
Welche Titansorte wird für den 3D-Druck verwendet?
Titan der Güteklasse 5, auch bekannt als Ti-6Al-4V, wird aufgrund seines hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und seiner Biokompatibilität häufig im 3D-Druck verwendet.
Zusammenfassung
Dieser Artikel stellt vor, was Titan ist, seine Entwicklungsgeschichte, Titanarten, die Klassifizierung von Titanqualitäten, grundlegende Informationen zu seinen Eigenschaften usw. Der Entstehungsprozess von Titanlegierungen wird hauptsächlich anhand der Kroll-Methode erklärt, zusammen mit den Vor- und Nachteilen von Titan und seine Anwendungsgebiete.
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