Dr. Heisenbergs

Elemente-Serie

Gehen Sie zu den schönsten Orten in Wien und Umgebung und lernen dabei ein bisschen Chemie, oder genauer ein paar interessante Elemente kennen, die diese Erde zu bieten hat.

Nummer 8: Titan

Eigenschaften

Titan ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen und steht im Periodensystem in der 4. Nebengruppe (4. IUPAC-Gruppe) oder Titangruppe. Das Metall ist weiß-metallisch glänzend, hat eine geringe Dichte, ist dehnbar, korrosions- und temperaturbeständig.

Titan wird heute üblicherweise zu den Leichtmetallen gezählt. Mit einer Dichte von 4,50 g/cm3 bei Raumtemperatur ist es deren schwerstes, liegt nahe an der heute meist verwendeten Grenze zwischen Leicht- und Schwermetallen von 5 g/cm3, sowie genau an der früher üblichen von 4,5 g/cm3.

Vorkommen

In der Erdkruste gehört Titan zu den zehn häufigsten Elementen, kommt jedoch fast ausschließlich chemisch gebunden als Bestandteil von Mineralien vor. Aus mehreren Lagerstätten ist jedoch das Auftreten von elementarem Titan nachgewiesen. Die wichtigsten Erze für Titan sind:

    Ilmenit (Titaneisenerz), FeTiO3
    Leukoxen, Gemenge aus eisenarmem Ilmenit und anderen titanhaltigen Mineralien
    Perowskit, CaTiO3
    Titanit (Sphen), CaTi[SiO4]O
    Rutil, TiO2
    Anatas, TiO2
    Brookit, TiO2

Es ist keineswegs selten, steht es doch mit einem Gehalt von 0,565 % an 9. Stelle der Elementhäufigkeit in der kontinentalen Erdkruste.

Gewinnung

Seit Entdeckung des Kroll-Prozesses ist die Herstellung fast unverändert. Meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend, wird angereichertes Titandioxid in der Hitze mit Chlor und Kohle zu Titantetrachlorid und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt. Anschließend erfolgt mit flüssigem Magnesium die Reduktion des Titantetrachlorids zu Titan.

Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der dabei erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden.

Größter Produzent von Titan und Titanlegierungen ist die VSMPO-AVISMA mit Firmensitz in Werchnjaja Salda bzw. Jekaterinburg im Ural, die sich seit 12. September 2006 indirekt über die Holding Rosoboronexport in russischem Staatsbesitz befindet.

Reinstes Titan gewinnt man nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren.

Verwendung

Titan wird vor allem als Mikrolegierungsbestandteil für Stahl verwendet. Es verleiht Stahl bereits in Konzentrationen von 0,01–0,1 Prozent Massenanteil eine hohe Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität. In rostfreien Stählen verhindert Titan die interkristalline Korrosion.

Titanbasislegierungen sind mit ca. 25 €/kg sehr teuer. Sie werden daher nur für höchste Anforderungen eingesetzt:

Schutzausrüstung Militär und Polizei:

    Titanhelm und Titanschutzweste

Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien:

    Schiffspropellerteile wie Wellen sowie Verspannungen für maritime Anwendungen (z. B. stehendes Gut bei Rennsegelyachten)
    Einbauteile in Meerwasserentsalzungsanlagen
    Bauteile für die Eindampfung von Kaliumchlorid-Lösungen
    Anoden von HGÜ-Seekabeln
    Apparate in Anlagen der Chlorchemie

Outdoor- und Sportartikel:

    Bei hochwertigen Fahrrädern in Verbindung mit Aluminium und Vanadium als Rahmenmaterial und für Schrauben
    (Taucher-)Messer mit Titan- oder Titanlegierungsklingen, ebenso Essbestecke
    Als Zeltheringe (hohe Festigkeit trotz geringen Gewichts)
    Bei Golfschlägern als Schlägerkopf. Etwa 25 % des Titans wird hierfür verwendet.[36]
    Bei Tennisschlägern im Rahmen
    Beim Stockschießen als äußerst stabiler Stab beim Eisstockstiel
    Als besonders leichte Eisschraube beim Bergsteigen
    Als Lacrosse-Schaft für höhere Festigkeit bei geringerem Gewicht
    Als bissfestes Vorfach beim Angeln auf Raubfische mit scharfen Zähnen

Verwendung in Form von Verbindungen:

Herstellung weicher künstlicher Edelsteine

Titandotierte Saphir-Einkristalle dienen als aktives Medium im Titan-Saphir-Laser für ultrakurze Pulse im Femtosekunden-Bereich
Als Titantetrachlorid zur Herstellung von Glasspiegeln und künstlichem Nebel
Bildung von intermetallischen Phasen (Ni3Ti) in hochwarmfesten Nickellegierungen
Supraleitende Niob-Titan-Legierungen (z. B. als supraleitende Kabel in Elektromagneten von HERA bei DESY)
In der Pyrotechnik
Als Titannitride für Beschichtungen von Wendeschneidplatten und Fräsern in der Fertigungstechnik

Verbindungen des Titans mit Bor, Kohlenstoff oder Stickstoff finden Verwendung als Hartstoffe. Auch zur Herstellung von Cermets, speziellen Hartmetallsorten, werden Titanverbindungen eingesetzt.

 Konstruktionsteile:

    Verschleißteile in Lötanlagen, direkter Kontakt mit Elektrolot bis 500 °C
    Federn in Fahrgestellen von Kraftfahrzeugen
    In Flugzeugen und Raumschiffen für besonders beanspruchte Teile, die trotzdem leicht sein müssen (beispielsweise Außenhaut bei Überschallgeschwindigkeit, Verdichterschaufeln und andere Triebwerksteile, Fahrwerk[37])
    In Dampfturbinen für die am stärksten belasteten Schaufeln des Niederdruckteiles
    In der Rüstung: Einige U-Boot-Typen der Sowjetunion hatten Druckkörper aus einer Titanlegierung (z. B. Mike-Klasse, Alfa-Klasse, Papa-Klasse oder Sierra-Klasse). Daneben kommt Titan, stärker als bei der zivilen Luftfahrt, in der militärischen Luftfahrt zum Einsatz. Dies führte dazu, dass zu Hochzeiten der sowjetischen Rüstungsproduktion ein Großteil der weltweiten Titanherstellung und -verwendung in der Sowjetunion erfolgte.
    Wegen seiner geringen Dichte bei der Herstellung von Niveauanzeigen und Schwimmern
    Liner für carbonfaserumwickelte Druckbehälter (Typ III). Um beim Wiedereintritt von Weltraumsatelliten ein vollständiges Verglühen/Zerstäuben zu gewährleisten ist jedoch das niedrigerschmelzende Aluminium vorteilhaft.[38]
    Titanzink als Baustoff in Form von Blech z. B. für Dächer, Dachrinnen oder Wetterverkleidungen.