Titan (chemisches Symbol – Ti, aus dem Lateinischen Titanium) ist ein chemisches Element der 14. Gruppe (früher als Untergruppe der vierten Gruppe, IVB, klassifiziert) des vierten Zeitraums im Periodensystem der chemischen Elemente von D. I. Mendelejew mit der Atomnummer 22.
Gruppe der Metalle Leicht schmelzendes Leichtmetall
Atomnummer 22
Atommasse 47,867
Schmelztemperatur 1670 °C 1943 K
Dichte 4,54 g/cm³
Dichte bei 20°C 4,505 g/cm³
Siedetemperatur 1668°C 3560 K
Schmelzwärme 18,8 kJ/mol
Latente Schmelzwärme 358 J/g
Verdampfungswärme 422,6 kJ/mol
Latente Verdampfungswärme 8,97 kJ/g
Wärmeleitfähigkeit (300 K) 21,9 W/(m·K)
Molares Volumen 10,6 cm³/mol
Spezifische Wärmekapazität bei 20°C 0,54 kJ/(kg·°C)
Spezifische Wärmeleitfähigkeit bei 20°C 18,85 W/(m·K)
Spezifischer elektrischer Widerstand bei 20°C 8,15 Ω·cm·10-6
Spezifische elektrische Leitfähigkeit bei 20°C 2,38 10-6 S/m
Modul der Elastizität 112 GPa
Poisson-Verhältnis 0,32
Härte 130…150 HV
Funkenfarbe Helles, langes, gesättigtes Funkenbündel in Weiß
Titan ist eines der am weitesten verbreiteten Elemente in der Erdkruste und nimmt den 9. Platz ein. Der Gehalt in der Erdkruste beträgt 0,57 % nach Masse, in Meerwasser beträgt er 0,001 mg/l.
Die natürlichen Ressourcen von Titan übersteigen die Vorräte von Kupfer, Zink, Blei, Silber, Chrom und anderen. Verbindungen, die Titan enthalten, kommen in der Natur sehr häufig vor:
- In Sedimentgesteinen: Kalkstein – etwa 0,04 %, Sandstein – 0,15 %.
- In Ton- und Schiefergesteinen – 0,39 %.
- In ozeanischen Basalten – 1,2 % und Plattentektonik-Basalten – 1,5 %.
- In Graniten 0,23 %.
Für die industrielle Verarbeitung werden Formationen verwendet, die Titan in hoher Konzentration enthalten. Das Haupttitanerz ist Ilmenit, das bis zu 36 % Titan enthält, und das reichste Titanerz ist Rutil, das bis zu 60 % Ti enthält.
In der Industrie wird Titan auf effiziente Weise auf folgende Weisen gewonnen
- Magnesium-Thermisch – Es beinhaltet den Abbau von Erzen, die Ti enthalten, und deren Verarbeitung zu Dioxid unter dem Einfluss hoher Temperaturen und Chlorierung in einer Kohlenstoffumgebung. Der erhaltene Ti-Chlorid wird dann durch Magnesium wiederhergestellt. Der nächste Schritt ist das Erhitzen des Metalls in einem Vakuumanlagen bei hoher Temperatur. Dabei verdampfen Magnesium und Magnesiumchlorid, und es bleibt ein poröses Metall mit zahlreichen Poren übrig, das eingeschmolzen wird.
- Calciumhydrid – Zuerst wird Titanhydrid erhalten und in Ti und H2 aufgeteilt. Der Vorgang erfolgt ohne Luft und bei hoher Temperatur. Es bildet sich Calciumoxid, das mit schwachen Säuren gewaschen wird.
- Elektrolyse – Titanchlorid oder Titandioxid werden starkem Strom ausgesetzt. Das Ergebnis des Prozesses ist die Zerlegung von Verbindungen.
- Iodid – Titandioxid reagiert mit Ioddämpfen. Dann wird zur Herstellung des Metalls titanes Iodid bei hohen Temperaturen ausgesetzt. Dies ist eine äußerst effiziente und teure Methode. Das Metall ist von hoher Qualität und enthält keine Verunreinigungen oder zusätzlichen Elemente.
Die Festigkeit von technisch reinem Titan hängt von der Reinheit des Metalls ab. Verunreinigungen von Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff verringern seine Plastizität, Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit. Wasserstoffverunreinigungen sind besonders schädlich. Es wird zu gewalzten und gepressten Rohren, Blechen, Drähten und Schmiedestücken verarbeitet. Es hat gute Schweißeigenschaften, hohe mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit, ist jedoch schwer zu schneiden und weist niedrige Reibungseigenschaften auf.
Titanlegierungen
Titanlegierungen haben gegenüber reinem Titan den Vorteil einer höheren Festigkeit und Wärmebeständigkeit bei ausreichender Plastizität, hoher Korrosionsbeständigkeit und geringer Dichte.
Sie werden je nach Verwendungszweck in Guss- und umformbare Legierungen unterteilt.
Nach Festigkeit werden Titanlegierungen in drei Gruppen unterteilt:
- Niedrigfest mit σв = 300…700 MPa (BT1);
- Mittelfest – mit σв = 700…1000 MPa (BT3, BT4, BT5);
- Hochfest mit σв > 1000 MPa (BT6, BT14, BT15) nach Abschrecken und Altern.
Verwendung von Titanlegierungen.
- In der Luft- und Raumfahrt – Rahmendetails, Verkleidungen, Treibstofftanks, Teile von Raketenmotoren, Scheiben und Schaufeln von Verdichtern, Details des Luftansaugsystems.
- Im Schiffbau – Verkleidung von Schiffsrümpfen und U-Booten, geschweißte Rohre, Schiffsschrauben, Teile von Pumpen und mehr.
- In der chemischen Industrie: Reaktoren für aggressive Umgebungen, Pumpen, Schlangenrohre, Zentrifugen und mehr.
- In der Galvanotechnik: Bäder für die Verchromung, Anodenkörbe, Wärmetauscher, Rohrleitungen, Aufhängungen und mehr.
- In der Gas- und Erdölindustrie: Filter, Ventilsitze, Tanks, Abscheider und mehr.
- In der Kryotechnik: Teile von Kühlschränken, Pumpen von Kompressoren, Wärmetauscher und mehr.
- In der Lebensmittelindustrie: Separatorien, Kühlschränke, Behälter für Lebensmittel, Tanks und mehr.
- In der Medizintechnik: Werkzeuge, externe und interne Prothesen, intramedulläre Fixateure, Klemmen und mehr.