Was ist Titan?:Der ultimative Leitfaden
Titan ist ein wichtiges metallisches Element mit dem chemischen Symbol Ti und der Ordnungszahl 22 im Periodensystem. Es hat einen silberweißen Metallglanz und besitzt hervorragende Eigenschaften wie einen hohen Schmelzpunkt, eine geringe Dichte, eine hohe Festigkeit und eine starke Verformbarkeit. Titan ist ein wichtiger industrieller Werkstoff. Wenn Sie mehr über Titan erfahren möchten, lesen Sie bitte unten weiter!
Der andere Begriff für Titan
Titan hat viele herausragende Vorteile, wie z. B. eine geringe Dichte, eine hohe Duktilität und eine hohe Korrosionsbeständigkeit, weshalb es auch als "Wundermetall", "Weltraummetall" oder "Marinemetall" bezeichnet wird.
Eine grundlegende Geschichte des Titans
Im Jahr 1791 wurde Titan in England von dem Amateurgeologen William Gregor entdeckt. 1795 nannte der deutsche Chemiker Klaproth dieses neue Element in Anlehnung an den Namen der Titanengötter aus der griechischen Mythologie "Titanium". Erst im Jahr 1910 gelang es dem amerikanischen Chemiker Hunter, durch Reduktion von TiCl mit Natrium 99,9% reines Titanmetall zu gewinnen. Im Jahr 1940 stellte der luxemburgische Wissenschaftler Kroll ebenfalls Reintitan durch die Magnesiumreduktion her. Seitdem sind sowohl die Magnesium-Reduktionsmethode als auch die Natrium-Reduktionsmethode zu industriellen Verfahren für die Titanherstellung geworden.
Die Farbe von Titanium
Titan hat das Aussehen von Stahl mit einem silberweißen oder silbergrauen Glanz und ist ein Übergangsmetall.
Woraus ist Titan hergestellt?
Titan ist mit einem Anteil von etwa 0,44% an der Erdkruste weit verbreitet und findet sich in allen Gesteinen, Sanden, Tonen und anderen Böden. Da Titan jedoch leicht mit Sauerstoff reagiert, ist reines Titan in der Natur nicht zu finden; es kommt hauptsächlich in Form von Titandioxid vor. Zu den Titanerzen gehören hauptsächlich Ilmenit und Rutil, und reines Titan kann durch Reinigung dieser Mineralien gewonnen werden.
Wie wird Titan hergestellt?
Titan wird in der Regel nach dem Kroll-Verfahren hergestellt. Zunächst wird Titanerz erhitzt, um flüssiges Titantetrachlorid (TiCl4) herzustellen. Anschließend erfolgt die Reinigung durch fraktionierte Destillation. Nach der Destillation wird geschmolzenes Magnesium hinzugefügt, um es zu einem "Schwamm" zu reduzieren. Der Schwamm wird dann zu Blöcken geschmolzen, die zu verschiedenen mechanischen Produkten wie Stäben, Platten, Blechen und Rohren weiterverarbeitet werden. Schließlich werden diese mechanischen Produkte weiterverarbeitet und geformt und je nach Bedarf oberflächenbehandelt, um das Produkt zu optimieren.
Was sind die wichtigsten Arten von Titan?
Titan hat zwei Arten von polymorphen Strukturen, nämlich die α-Phase und die β-Phase. Auf der Grundlage der polymorphen Eigenschaften von Titan lassen sich Titanlegierungen in die folgenden drei Hauptkategorien unterteilen: α-Titanlegierungen, β-Titanlegierungen und α+β-Titanlegierungen.
Alpha-Titan-Legierung
Alpha-Titanlegierungen werden weiter unterteilt in Voll-Alpha-Legierungen und Beinahe-Alpha-Legierungen. Es handelt sich um einphasige Legierungen, die aus Alpha-Phasen-Mischkristallen bestehen. Sie weisen gute Kalt- und Warmverarbeitungseigenschaften, eine stabile Struktur und eine hohe Oxidationsbeständigkeit auf.
Beta-Titan-Legierung
Beta-Titanlegierungen werden weiter unterteilt in stabile Beta-Legierungen, metastabile Beta-Legierungen und Beinahe-Beta-Legierungen. Es handelt sich um einphasige Legierungen, die aus Beta-Phasen-Mischkristallen bestehen und ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften aufweisen, wobei sie ein hohes Festigkeitsniveau erreichen. Sie weisen auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit auf.
α+β (Alpha+Beta) Titan-Legierung
Es handelt sich um eine zweiphasige Legierung mit guten umfassenden Eigenschaften, einschließlich stabiler Struktur, guter Zähigkeit, guter Plastizität und Hochtemperaturverformungsbeständigkeit. Die Legierung kann durch Verfahren wie Heißpressen, Abschrecken und Alterungsbehandlung verfestigt werden.
Was sind die gängigen Titanqualitäten?
Klasse 1
Handelsübliches Reintitan Grad 1 ist der weichste und dehnbarste Titantyp. Es bietet maximale Formbarkeit, hervorragende Korrosionsbeständigkeit und hohe Schlagzähigkeit. Es ist das bevorzugte Material für Anwendungen, die eine einfache Umformung erfordern, und wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Energieerzeugung eingesetzt.
Klasse 2
Handelsübliches Reintitan der Güteklasse 2 ist das am häufigsten verwendete handelsübliche Reintitan mit mittlerer Festigkeit und hervorragenden Kaltumformungseigenschaften. Im Vergleich zu anderen handelsüblichen Reintitan-Güten, Titan Grad 2 ist etwas schwächer als Güteklasse 3, aber stärker als Güteklasse 1 und bietet dennoch Korrosionsbeständigkeit. Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit wird er häufig in der Schifffahrt, der Medizin, der Energieerzeugung und der Erdölindustrie eingesetzt.
Klasse 3
Titan Grad 3 ist der am wenigsten verwendete unter den handelsüblichen Reintitan-Graden, was seinen Wert jedoch nicht schmälert. Es hat eine hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit. Seine Festigkeit ist höher als bei Grade 1 und Grade 2, aber seine Duktilität ist geringer als bei den beiden anderen Graden. Er wird häufig in der Schifffahrt, in der Luft- und Raumfahrt und in der chemischen Industrie verwendet.
Klasse 4
Titan Grad 4 gilt als das stärkste unter den handelsüblichen Reintitan-Güten und ist für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, gute Formbarkeit und Schweißbarkeit bekannt. Es wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, in der chemischen Verarbeitung und in der medizinischen Industrie für Anwendungen wie Flugzeugstrukturen, Wärmetauscher, chirurgische Geräte usw. verwendet.
Güteklasse 5 oder Ti 6Al-4V
Titan Grad 5auch bekannt als Ti6Al-4V, wird als das "Arbeitspferd" unter den Titanlegierungen bezeichnet und ist mit einem Anteil von 50% an der gesamten weltweiten Titanverwendung die am häufigsten verwendete aller Titanlegierungen. Diese Legierung zeichnet sich durch ihr geringes Gewicht, ihre extrem hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Formbarkeit aus. Daher ist sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie für die Herstellung von Triebwerken, Strukturkomponenten und Verbindungselementen sehr beliebt.
Klasse 6 oder Ti 5Al-2,5Sn
Titan Grad 6 hat eine extrem hohe Stabilität und behält seine gute Schweißbarkeit und Festigkeit auch bei hohen Temperaturen bei. Außerdem weist es hervorragende Verarbeitungseigenschaften auf. Es wird häufig für Gehäuse von Turbinentriebwerken, Flugzeugkomponenten und Teile für die chemische Verarbeitung verwendet.
Klasse 7
Titan Grade 7 ähnelt Titan Grade 2, mit Ausnahme des Zusatzes des Zwischengitterelements Palladium (im Bereich von 0,12% bis 0,25%), das die Beständigkeit gegen Spaltkorrosion erhöht. Grade 7 lässt sich auch hervorragend schweißen und ist die korrosionsbeständigste aller Titanlegierungen. Er wird häufig in der chemischen Industrie, der Meerwasserentsalzung und der Energieerzeugung eingesetzt.
Klasse 11
Titan Grad 11, auch bekannt als CP Ti-0,15Pd, ist ein handelsübliches Reintitan, das Grad 1 und Grad 2 ähnelt, dem zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit eine geringe Menge Palladium zugesetzt wurde. Es kann zur Verhinderung von Spaltkorrosion und zur Reduzierung von Säuren in chloridhaltigen Umgebungen verwendet werden. Titan Grade 11 zeichnet sich außerdem durch hohe Duktilität, Kaltumformbarkeit, nützliche Festigkeit, Schlagzähigkeit und ausgezeichnete Schweißbarkeit aus. Es wird häufig in der chemischen Verarbeitung und in Wärmetauschern eingesetzt.
Güteklasse 12 oder Ti 0,3-Mo 0,8-Ni
Titan Grad 12, auch bekannt als Ti 0,3 Mo 0,8 Ni, ist eine hoch korrosionsbeständige Legierung mit geringen Mengen an Nickel und Molybdän. Diese Elemente verbessern die Korrosionsbeständigkeit und erhöhen die Festigkeit der Legierung. Sie wird häufig in Anwendungen wie Schiffen oder Offshore-Bohrinseln verwendet.
Güte 23 oder Ti 6AL-4V ELI
Titan Grad 23, 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.
Welcher Titangrad ist der beste?
Titan der Güteklasse 5 (Ti 6Al-4V) wird als "Arbeitspferd" bezeichnet, da die Hälfte der Titannachfrage darauf entfällt. Aufgrund seines breiten Spektrums an wünschenswerten Eigenschaften ist es der am häufigsten verwendete Titangrad geworden. Titan der Güteklasse 5 zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Duktilität, starke Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichnete thermische Stabilität aus und ist leicht zu verarbeiten und zu formen, so dass es in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Schifffahrt weit verbreitet ist.
Was sind die Eigenschaften von Titan?
Nachstehend sind die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Titan aufgeführt:
Physikalische Eigenschaften
Die Dichte: 4,5 Gramm/Kubikzentimeter
Farbe: Silberweißer Metallglanz
Stärke: Die Festigkeit von Titan hängt von der Qualität des Titans und der Konzentration der Legierungselemente ab.
Überfluss: Titan ist das neunthäufigste Element in der Erdkruste und fast in allen Gesteinen und Sedimenten enthalten.
Temperaturbeständigkeit: Titan kann im Vergleich zu Edelstahl und Aluminium höheren und niedrigeren Temperaturen standhalten.
Duktilität: Die Duktilität von Titan reicht von 6% Dehnung (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) bis 25% (handelsüblicher reiner Grad 1).
Chemische Eigenschaften
Oxidation: Aufgrund seines hohen Oxidationspotenzials 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, aber überhaupt nicht mit Laugen.
Korrosionsbeständigkeit: Titan ist extrem korrosionsbeständig 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 verarbeiten, z. B. zu Stäben, Platten, Rohren usw.
Titan-Metall-Fertigungsprozess
Das Kroll-Verfahren wird verwendet, um Rohtitan in Titanmetall umzuwandeln. Die Schritte dieses Prozesses umfassen die Gewinnung, Reinigung, Schwammherstellung, Legierungsherstellung sowie Formgebung und Umformung.
1. Extraktion
Hochwertige Konzentrate werden aus Roherzen wie Ilmenit und Rutil 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 auch Titantetrachlorid. Titantetrachlorid enthält Verunreinigungen, die zur Herstellung von Titandioxid entfernt werden müssen.
2. Reinigung
Titantetrachlorid wird zur Reinigung einer Hochtemperatur-Vakuumdestillation unterzogen. Das bei der Extraktion entstehende Metall wird in großen Destillationstanks erhitzt. Bei der Reinigung werden Verunreinigungen durch fraktionierte Destillation und Ausfällung abgetrennt. Aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte der verschiedenen Elemente werden während des Destillationsprozesses verschiedene Elemente entfernt, wenn sie ihren Siedepunkt erreichen. Zu den entfernten Verunreinigungen gehören Vanadium, Silizium, Magnesium, Zirkonium und Eisen.
3. Schwammbildung
Bei der Schwammbildung wird gereinigtes Titantetrachlorid in flüssiger Form in Reaktionsgefäße aus rostfreiem Stahl gegossen. Magnesium wird zugegeben, und das Gemisch wird auf 1100 °C erhitzt, um mit Chlor zu reagieren und Magnesiumchlorid zu erzeugen. Argongas wird hineingepumpt, um Luft zu entfernen und Reaktionen mit Sauerstoff und Stickstoff zu verhindern. Das erzeugte Titan wird durch Bohren extrahiert und mit einer Mischung aus Wasser und Salzsäure behandelt, um überschüssiges Magnesium und Magnesiumchlorid zu entfernen. Das so gewonnene Titan hat die Form eines Schwamms.
4. Legierungsbildung
Reiner Titanschwamm wird zur Herstellung von Legierungen mit verschiedenen Legierungen und Metallschrott vermischt. Nach dem Schmelzen und Mischen der Metalle in geeigneten Anteilen werden die Brocken verdichtet und zu Schwammelektroden verschweißt. Diese werden in einem Vakuumlichtbogenofen zu Barren geschmolzen, die dann zu verschiedenen industriellen und kommerziellen Produkten weiterverarbeitet werden.
5. Formgebung und Umformung
Die Barren werden aus dem Ofen entnommen, geprüft, verpackt und zur Herstellung von Titanlegierungsprodukten transportiert. Die Eigenschaften jedes Barrens werden geprüft, um sicherzustellen, dass sie den Kundenanforderungen entsprechen. Die Barren durchlaufen während der Produktherstellung verschiedene Prozesse wie Schweißen, Formgebung, 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 auch sehr leicht.
Korrosionsbeständigkeit: Titan reagiert leicht mit Sauerstoff und bildet auf seiner Oberfläche eine dünne Oxidschicht, die für eine natürliche Korrosionsbeständigkeit sorgt.
Biokompatibilität: Titan ist ungiftig und für Mensch und Tier biokompatibel. Daher wird Titan häufig in der Medizin- und Dentalindustrie verwendet.
Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient: Titan hat einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, 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 Turbinentriebwerke.
Hervorragende Fertigungsmöglichkeiten: Obwohl es ein sehr festes Metall ist, ist Titan auch weich und dehnbar. Daher können Titanbauteile in verschiedenen Herstellungsverfahren gefertigt werden.
Was sind die Grenzen von Titan?
Teuer: Titan gilt als seltenes Metall, und seine Reinigung ist sowohl teuer als auch komplex.
Schwierig zu formen: Um es in nützliche Formen zu bringen, sind fortschrittliche Maschinen und Spezialgeräte erforderlich.
Reagiert bei hohen Temperaturen: Dies macht die Herstellung von Reintitan und Titanlegierungen umständlich und streng kontrolliert. Die Titanherstellung muss in streng kontrollierten anaeroben Umgebungen erfolgen.
Schlechte Wärmeleitfähigkeit: Titan ist ein Werkstoff mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, was seine Verarbeitung erschwert.
Was sind die Anwendungen von Titan?
Luft- und Raumfahrt: Titanlegierungen werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie wegen ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Dichte, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Fähigkeit, mäßigen Temperaturen ohne Kriechen zu widerstehen, geschätzt.
Automobilindustrie: Titan wird in der Automobilindustrie wegen seiner geringen Dichte, seiner hohen Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht, seiner Korrosions- und Hitzebeständigkeit bevorzugt.
Industriell: Titan wird aufgrund seiner hohen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, seines geringen Gewichts und seiner Langlebigkeit häufig in der Industrie eingesetzt. Zu seinen Anwendungen gehören Wärmetauscher, Ventile, Rohre und Pleuelstangen.
Medizinisch: Titan ist ungiftig und biokompatibel mit menschlichen Knochen, was es für medizinische Anwendungen sehr geeignet macht. Es hat inhärente Eigenschaften für die Knochenintegration und kann für Zahnimplantate verwendet werden, die mehr als 30 Jahre halten können, was auch für orthopädische Implantatanwendungen nützlich ist.
Auswirkungen von Titanmetall auf Gesundheit und Umwelt
Gesundheitliche Auswirkungen von Titan: Titanmetall ist ein biokompatibles Material mit hervorragender Biokompatibilität und ist ungiftig. Es wird häufig für medizinische Instrumente und Implantate verwendet und hat keine schädlichen Auswirkungen auf den menschlichen Körper.
Auswirkungen von Titan auf die Umwelt: Titan setzt keine giftigen Stoffe frei, wodurch negative Auswirkungen auf die Umwelt vermieden werden. Während des Produktionsprozesses von Titan können jedoch einige Abfall- oder Abgasemissionen entstehen. Mit einem effektiven Management und proaktiven Behandlungsmaßnahmen können die Umweltauswirkungen jedoch so weit wie möglich minimiert werden.
FAQs
Wie hoch sind die Kosten für Titan?
Die Kosten für handelsübliches Reintitan liegen bei etwa $23-25 pro Kilogramm, während die Kosten für Titanlegierungen bei etwa $27-30 pro Kilogramm liegen.
Welches ist die billigste Titansorte?
Derzeit ist Titan Grad 1 relativ billiger, was vor allem von den spezifischen Anwendungsanforderungen und den Marktbedingungen abhängt.
Welche Titanqualität wird für die Anodisierung verwendet?
Für die Eloxalbehandlung kann sowohl Titan Grad 2 als auch Grad 3 verwendet werden.
Ist Titan rostfrei?
Ja, Titanlegierungen haben eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und können der Erosion vieler Chemikalien widerstehen.
Ist Titan magnetisch?
Im Allgemeinen ist reines Titan nicht magnetisch, da die Kristallstruktur von reinem Titan keinen Magnetismus zulässt. Bestimmte Titanlegierungen können jedoch Magnetismus aufweisen, je nach Art und Konzentration der Legierungselemente.
Ist Titan kugelsicher?
Ja, Titan ist kugelsicher für Handfeuerwaffen und Jagdgewehre, 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 Aluminium und ist gleichzeitig leichter als Aluminium, aber teurer. Aluminium ist ein leichtes Metall mit guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit und im Vergleich zu Titan kostengünstiger.
Anwendungen: Titan wird häufig für Anwendungen verwendet, die eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordern, z. B. in der Luft- und Raumfahrt und in medizinischen Geräten. Aluminium hat ein breiteres Anwendungsspektrum, unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie, im Bauwesen und in der Elektronik.
Verarbeitungsschwierigkeiten: Aufgrund seiner höheren Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ist Titan schwieriger zu verarbeiten und erfordert anspruchsvollere Verarbeitungsgeräte und -techniken. Im Gegensatz dazu ist Aluminium relativ leicht zu verarbeiten und kann mit herkömmlichen Methoden bearbeitet und geformt werden.
Welcher Titangrad wird für den 3D-Druck verwendet?
Titan Grad 5, auch bekannt als Ti-6Al-4V, wird aufgrund seines hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und seiner Biokompatibilität häufig im 3D-Druck verwendet.
Schlussfolgerung
In diesem Artikel wird erläutert, was Titan ist, wie es sich entwickelt hat, welche Arten von Titan es gibt, wie die Titangüte klassifiziert wird, welche grundlegenden Eigenschaften es hat usw. Der Entstehungsprozess von Titanlegierungen wird vor allem anhand der Kroll-Methode erklärt, ebenso wie die Vor- und Nachteile von Titan und seine Anwendungsbereiche.
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