Titan

Iso	JAHR	Zeitraum	MD	Ed	PD
Iso	JAHR	Zeitraum	MD	MeV	PD
44 Ti	{syn.}	63 Jahre alt	ε	0,268	44 Sc
46 Ti	8,0 %	stabil mit 24 Neutronen
47 Ti	7,3 %	stabil mit 25 Neutronen
48 Ti	73,8 %	stabil mit 26 Neutronen
49 Ti	5,5 %	stabil mit 27 Neutronen
50 Ti	5,4 %	stabil mit 28 Neutronen

Einfache physikalische Eigenschaften des Körpers

Normalzustand

Fest

Allotrop im Standardzustand

Α Titan ( kompakt sechseckig )

Andere Allotrope

Titan β ( kubisch zentriert )

Volumenmasse

4,51 g · cm -3

Kristallsystem

Sechskant kompakt

Härte

Farbe

Silbrig Weiß

1668 °C

3287 ° C

15,45 kJ · mol -1

421 kJ · mol -1

10,64 × 10 -6 m 3 · mol -1

Dampfdruck

0,49 Pa bei 1.659,85 ° C

Schallgeschwindigkeit

5990 m · s -1 bis 20 °C

Massenhitze

520 J · kg -1 · K -1

Gleichung: $C_{P} = (22.61942) + (18.98795) \ mal 10 ^ {- 3} T + (-18.18735) \ mal 10 ^ {- 6} T ^ 2 + (7.080792) \ mal 10 ^ {- 9} T ^ 3 + \ frac {(- 0,143457) \ mal 10 ^ 6} {T ^ 2}$
Wärmekapazität des Festkörpers (Phase α) in J · mol -1 · K -1 und Temperatur in Kelvin, von 298 bis 700 K.
Berechnete Werte:
25,24 J · mol -1 · K -1 bei 25 °C.

T (K)	T (°C)	C p $(\ tfrac {J} {mol \ mal K})$	C p $(\ tfrac {J} {g \ mal K})$
298	24.85	25,23	0,5272
324,8	51,65	25,75	0,538
338.2	65,05	25,98	0.5428
351.6	78.45	26.19	0,5472
365	91,85	26.39	0,5514
378.4	105,25	26.58	0,5553
391.8	118,65	26.76	0,559
405.2	132.05	26.92	0,5625
418.6	145.45	27.08	0,5658
432	158,85	27,23	0,5689
445,4	172,25	27,37	0,5718
458,8	185.65	27,51	0,5746
472,2	199.05	27.63	0,5773
485,6	212.45	27,75	0,5798
499	225.85	27,87	0,5822

T (K)	T (°C)	C p $(\ tfrac {J} {mol \ mal K})$	C p $(\ tfrac {J} {g \ mal K})$
299,68	26.53	25,27	0,5279
299.58	26.43	25,27	0,5279
299,49	26.34	25,27	0,5278
552.6	279.45	28.28	0,5909
566	292.85	28.38	0,5928
579.4	306,25	28.47	0,5947
592.8	319.65	28.55	0,5965
606.2	333.05	28.63	0,5982
619.6	346.45	28.71	0,5998
633	359.85	28.79	0.6014
646.4	373,25	28.86	0,603
659.8	386.65	28.93	0.6045
673,2	400.05	29	0.6059
686.6	413.45	29.07	0,6073
700	426.85	29.14	0.6087

Gleichung: $C_ {P} = (44.37174) + (-44.09225) \ mal 10 ^ {- 3} T + (31.70602) \ mal 10 ^ {- 6} T ^ 2 + (0.052209) \ mal 10 ^ {- 9} T ^ 3 + \ frac {(0.036168) \ mal 10 ^ 6} {T ^ 2}$
Wärmekapazität des Festkörpers (α-Phase) in J mol -1 K -1 und Temperatur in Kelvin, von 700 bis 1700 K.
Berechnete Werte:

T (K)	T (°C)	C p $(\ tfrac {J} {mol \ mal K})$	C p $(\ tfrac {J} {g \ mal K})$
700	426.85	29.13	0.6087
766.67	493,52	29.29	0.6119
800	526,85	29.47	0,6157
833.33	560,18	29.73	0,6211
866.67	593,52	30.06	0,6279
900	626.85	30.45	0,6362
933.33	660.18	30.92	0,646
966.67	693,52	31.46	0,6573
1000	726.85	32.07	0,6701
1.033,33	760.18	32,76	0.6843
1.066,67	793.52	33,51	0,7001
1.100	826.85	34,33	0,7173
1.133,33	860.18	35,23	0,736
1.166,67	893.52	36,2	0,7562
1.200	926.85	37,23	0.7778

T (K)	T (°C)	C p $(\ tfrac {J} {mol \ mal K})$	C p $(\ tfrac {J} {g \ mal K})$
704.17	431.02	29.14	0.6087
703,92	430.77	29.14	0.6087
703,7	430.55	29.14	0.6087
1333.33	1.060,18	42.09	0.8794
1.366,67	1.093,52	43,48	0,9084
1.400	1.126,85	44,95	0,939
1.433,33	1160.18	46,48	0,9711
1466,67	1 193,52	48.09	1.0046
1.500	1 226,85	49,76	1.0396
1.533,33	1260.18	51,51	1.0761
1.566,67	1 293,52	53,33	1.1141
1.600	1.326,85	55,22	1.1536
1.633,33	1360.18	57,18	1.1946
1 666,67	1393.52	59,21	1.237
1.700	1426,85	61,31	1.2809

Gleichung: $C_{P} = (23.05660) + (5.541331) \ mal 10 ^ {- 3} T + (-2.055881) \ mal 10 ^ {- 6} T ^ 2 + (1.611745) \ mal 10 ^ {- 9} T ^ 3 + \ frac {(- 0,056075) \ mal 10 ^ 6} {T ^ 2}$
Wärmekapazität des Festkörpers (β-Phase) in J · mol -1 · K -1 und Temperatur in Kelvin, von 298 bis 1 939 K.
Berechnete Werte:
23,94 J · mol -1 · K -1 bei 25 °C.

T (K)	T (°C)	C p $(\ tfrac {J} {mol \ mal K})$	C p $(\ tfrac {J} {g \ mal K})$
298	24.85	23.94	0,5001
407.4	134.25	24,74	0,5169
462.1	188.95	25.07	0,5238
516.8	243,65	25,38	0,5303
571,5	298.35	25,68	0,5365
626.2	353.05	25,97	0.5426
680.9	407,75	26.26	0,5487
735,6	462.45	26.56	0,5548
790.3	517,15	26.86	0,5611
845	571.85	27,16	0,5675
899.7	626,55	27.48	0,5741
954,4	681.25	27,81	0,581
1.009.1	735,95	28.16	0,5882
1063.8	790,65	28.52	0,5957
1118.5	845.35	28.89	0.6036

T (K)	T (°C)	C p $(\ tfrac {J} {mol \ mal K})$	C p $(\ tfrac {J} {g \ mal K})$
304.84	31.69	24	0,5013
304.44	31.29	23.99	0,5013
304.08	30.93	23.99	0,5012
1337,3	1064,15	30,61	0.6396
1.392	1118,85	31.1	0.6498
1446.7	1.173,55	31.62	0.6607
1501.4	1228,25	32,17	0,6721
1.556,1	1.282,95	32,75	0,6842
1610.8	1337,65	33,36	0,697
1.665,5	1392,35	34.01	0,7105
1720.2	1.447,05	34,69	0,7247
1774.9	1501.75	35,41	0,7397
1.829,6	1.556,45	36,17	0.7556
1.884,3	1.611,15	36,97	0.7723
1.939	1.665,85	37,81	0.7898

47,23694 J · mol -1 · K -1 (flüssig 1939 bis 3 630.956 ° C )

Gleichung: $C_ {P} = (9.274255) + (6.092113) \ mal 10 ^ {- 3} T + (0.577095) \ mal 10 ^ {- 6} T ^ 2 + (-0.110364) \ mal 10 ^ {- 9} T ^ 3 + \ frac {(6.504405) \ mal 10 ^ 6} {T ^ 2}$
Wärmekapazität des Gases in J mol -1 K -1 und Temperatur in Kelvin, von 3.630.956 bis 6.000 K.
Berechnete Werte:

T (K)	T (°C)	C p $(\ tfrac {J} {mol \ mal K})$	C p $(\ tfrac {J} {g \ mal K})$
3.630.956	3 357,81	34,21	0,7148
3 788,89	3.515,74	35.09	0,7331
3.867,86	3594,71	35,52	0,7421
3 946,83	3.673,68	35,94	0,7508
4.025,8	3 752,65	36,35	0.7595
4.104,76	3.831,61	36,76	0.7679
4.183,73	3 910.58	37,15	0,7762
4 262,7	3.989,55	37,54	0,7842
4 341.67	4068.52	37,92	0,7921
4.420,64	4.147,49	38,28	0,7997
4.499,61	4 226,46	38,64	0,8072
4.578,57	4.305,42	38,98	0,8144
4.657,54	4 384.39	39.32	0,8214
4.736,51	4.463,36	39,64	0.8281
4 815,48	4.542,33	39,95	0.8346

T (K)	T (°C)	C p $(\ tfrac {J} {mol \ mal K})$	C p $(\ tfrac {J} {g \ mal K})$
3.640,83	3 367,68	34,27	0,7159
3640.25	3367.1	34,27	0,7158
3 639.73	3 366,58	34,26	0,7158
5 131,35	4 858.2	41.07	0.8579
5.210,32	4.937,17	41,31	0.8631
5 289.29	5.016,14	41,54	0.8679
5 368,25	5.095.1	41,76	0.8724
5 447.22	5 174.07	41,96	0.8767
5.526,19	5 253.04	42,15	0.8806
5.605,16	5 332.01	42,32	0.8842
5.684,13	5.410,98	42,48	0,8875
5 763.1	5.489,95	42,62	0.8904
5.842,06	5568.91	42,75	0,893
5.921,03	5 647.88	42,85	0,8953
6000	5.726,85	42,94	0,8972

Elektrische Leitfähigkeit

2,34 x 10 6 S · m -1

Wärmeleitfähigkeit

21,9 W · m -1 · K -1

Löslichkeit

Boden. in HCl (langsam, katalysiert durch Pt (IV) -Ionen ),

H 2 SO 4 verdünnt (+ 1 bis 2 Tropfen HNO 3 ) Ausdehnungskoeffizient = 8,5 × 10−6 K−

Verschieden

7440-32-6

231-142-3

Vorsichtsmaßnahmen

SGH

Achtung H250 , P222 , P231 und P42242 H250 : Entzündet sich bei Kontakt mit Luft spontan
P222 : Kontakt mit Luft nicht zulassen.
P231 : Unter Inertgas handhaben.
P422 : Inhalte speichern unter ...

Einheiten von SI & STP, sofern nicht anders angegeben.

Das Titan ist das chemische Element der Ordnungszahl 22, Ti-Symbol. Die Titanvariante , obwohl seit 1872 in französischer Sprache bezeugt, gilt als falscher Anglizismus .

Titan gehört zur Gruppe 4 des Periodensystems ( Titangruppe ) mit Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf) und Rutherfordium (Rf), es ist ein Übergangsmetall . Dieses Element kommt in vielen Mineralien vor, aber seine Hauptquellen sind Rutil und Anatas .

Der Körper aus reinem Titan ist ein leichtes, starkes Metall mit einem metallisch weißen Aussehen, das korrosionsbeständig ist. Es wird hauptsächlich in leichten und starken Legierungen verwendet , und sein Oxid wird als Weißpigment verwendet . Die industriell interessanten Eigenschaften von Titan sind seine Korrosionsbeständigkeit, oft verbunden mit Erosions- und Feuerbeständigkeit, Biokompatibilität, aber auch seine mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Duktilität , Ermüdung usw.), die es ermöglichen, insbesondere dünne und leichte Teile zu formen wie Sportartikel, aber auch orthopädische Prothesen .

Geschichte

Titan wurde 1791 von Reverend William Gregor , einem britischen Mineralogen und Geistlichen, entdeckt. Durch die Analyse von Sand aus dem Helford-Fluss im Menachan-Tal in Cornwall isolierte er den sogenannten schwarzen Sand , der heute als Ilmenit bekannt ist . Nach mehreren physikalisch-chemischen Manipulationen (Eisenextraktion durch magnetische Verfahren und Behandlung des Rückstands mit Salzsäure) entstand ein unreines Oxid eines unbekannten Metalls. Er nannte dieses Oxid Menachanit . Ungeachtet dieser Entdeckung identifizierte 1795 Martin Heinrich Klaproth , Professor für analytische Chemie an der Universität Berlin, dasselbe Metall. Als er die Eigenschaften von rotem Schörlit , heute als Rutil bekannt , analysierte , kam er zu dem Schluss, dass das Erz ein unbekanntes Metall enthielt, das mit dem von Gregor identisch war. Er gab ihm seinen heutigen Namen "Titanium", der der griechischen Mythologie nach den Titanen entnommen ist , und ignorierte seine physikalisch-chemischen Eigenschaften völlig. Berzelius war es, der es 1825 isolierte.

Erst mehr als ein Jahrhundert nach Gregors Entdeckung gelang es dem Amerikaner Matthew Albert Hunter , einem Forscher am Rensselaer Polytechnic Institute in Troy (New York), 1910 99% reines Titan herzustellen. Den ersten Titanbeschaffungen durch Hunter folgte nicht die geringste industrielle Entwicklung.

1939 wurde das industrielle Herstellungsverfahren schließlich von Wilhelm Justin Kroll , einem luxemburgischen Metallurgen und Chemiker, Berater am Union Carbide Research Laboratory in Niagara Falls (New York) durch Reduktion von TiCl 4 mit Magnesium entwickelt .

Physikalische Eigenschaften

Grundlegende physikalische Eigenschaften

Bemerkenswerte physikalische Eigenschaften von Titan:

seine Dichte beträgt etwa 60 % der von Stahl;
seine Korrosionsbeständigkeit ist in vielen Umgebungen wie Meerwasser oder dem menschlichen Organismus außergewöhnlich;
seine mechanischen Eigenschaften bleiben bis zu einer Temperatur von ungefähr 600 ° C hoch und bleiben bis zu kryogenen Temperaturen ausgezeichnet;
es ist in einer Vielzahl von Formen und Produktarten erhältlich: Barren, Knüppel, Stangen, Drähte, Rohre, Brammen, Bleche, Bänder;
sein magnetischer Suszeptibilitätswert (1,8 bis 2,3 × 10 –4 ) ist viel niedriger als der von Eisen (3 × 10 5 ). Es ist daher ein vorteilhaftes Material bei Diagnose durch MRT: Reduktion von Artefakten;
sein Ausdehnungskoeffizient, etwas niedriger als der von Stahl, ist halb so groß wie der von Aluminium . Als Mittelwert wird ein Ausdehnungskoeffizient von 8,5 × 10 −6 K −1 angenommen ;
sein Young'schen Modulus oder Längselastizitätsmodul zwischen 100.000 und 110.000 MPa . Dieser relativ niedrige Wert im Vergleich zu rostfreiem Stahl ( 220.000 MPa ) macht es ein besonders interessantes Material für seine Biokompatibilität .

Kristallographische Eigenschaften

Reintitan ist der Sitz einer allotropen Umwandlung von Martensit in der Nähe von 882 ° C . Unterhalb dieser Temperatur ist die Struktur hexagonal pseudo-Compact ( a = 0,295 nm , c = 0,468 nm , c / a = 1,587) , und α wird Ti (bezeichnet als Raumgruppe n o 194 P6 3 / mmc). Oberhalb dieser Temperatur ist die Struktur kubisch zentriert ( a = 0,332 nm ) und wird als Ti β bezeichnet. Die Übergangstemperatur α → β heißt Transus β. Die genaue Umwandlungstemperatur wird maßgeblich von Ersatz- und Zwischengitterelementen beeinflusst. Sie hängt daher stark von der Reinheit des Metalls ab.

Titan kommt in der Natur in Form von 5 Isotopen vor: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. Das 48 Ti stellt die Isotopenmehrheit mit einer natürlichen Häufigkeit von 73,8% dar. 21 Radioisotope wurden beobachtet, das stabilste 44 Ti hat eine Halbwertszeit von 63 Jahren.

Oxide

Titan kommt wie viele Übergangsmetalle in mehreren Oxidationsstufen vor. Es hat daher mehrere Oxide, die diesen Oxidationsgraden entsprechen:

Titanmonoxid TiO - Ti (II)
Dititantrioxid Ti 2 O 3 - Ti (III)
Titandioxid TiO 2 - Ti (IV)
Titantrioxid TiO 3 - Ti (VI)

Mechanische Eigenschaften

Erosion

Die sehr haftende und harte Oxidschicht erklärt die Langlebigkeit von Titanteilen, die dem Aufprall von Partikeln in der Flüssigkeit ausgesetzt sind. Dieser Effekt wird durch die Regenerationsfähigkeit dieser Schicht verstärkt. Die Erosion im Meerwasser wird durch höhere Strömung oder kleinere Korngröße erhöht.

Festigkeit und Duktilität

Titan gilt als Metall mit hoher mechanischer Festigkeit und guter Duktilität unter normalen Temperaturbedingungen. Sein spezifischer Widerstand (Verhältnis Zugfestigkeit / Dichte) ist beispielsweise höher als der von Aluminium oder Stahl. Sein Widerstand nimmt mit der Temperatur bei einem Vorsprung zwischen -25 ° C und 400 ° C ab . Unter -50 ° C , in kryogenen Temperaturbereichen, nimmt seine Festigkeit zu und seine Duktilität stark ab.

Verschleiß und Anfall

Bis heute wurde noch keine zufriedenstellende Lösung entwickelt. Wir versuchten hauptsächlich Oxidieren, Nitrieren , Borieren und Aufkohlen. Wir stoßen auf viele technologische Schwierigkeiten bei der Herstellung und Haftung. Fügen wir hinzu, dass die Oberflächenbehandlungen von Titan, die die Beschaffenheit oder Struktur der Oberfläche verändern, nur mit größter Vorsicht und nach gründlicher Untersuchung ihres Einflusses angewendet werden sollten; sie wirken sich in der Regel mehr oder weniger stark nachteilig auf Widerstandsfähigkeit und Ermüdung aus.

Biokompatibilität

Titan ist neben Gold und Platin eines der biokompatiblesten Metalle, dh es ist absolut resistent gegen Körperflüssigkeiten.

Darüber hinaus weist es eine hohe mechanische Festigkeit und einen sehr niedrigen Elastizitätsmodul ( 100.000 MPa bis 110.000 MPa ) auf, der näher an Knochenstrukturen ( 20.000 MPa ) als Edelstahl ( 220.000 MPa ) liegt. Diese Elastizität, die den Knochenumbau fördert, indem der Knochen zur Arbeit gezwungen wird (Verhinderung von Stress Shielding oder periimplantärer Osteoporose) macht Titan zu einem besonders interessanten Biomaterial. Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine übermäßige Elastizität auch die Funktion des Biomaterials beeinträchtigen kann, das eine inakzeptable Verformung erfahren hätte.

Feuer Beständigkeit

Seine Feuerbeständigkeit, insbesondere gegenüber Kohlenwasserstoffen, ist sehr gut. Es wurde nachgewiesen , dass ein Rohr von 2 mm Dicke ohne Beschädigung oder Gefahr einer Verformung oder Explosion einem Druck von 10 Atmosphären standhalten kann , wenn es einem Kohlenwasserstofffeuer bei einer Temperatur von 600 ° C ausgesetzt wird . Dies liegt vor allem an der Beständigkeit der Oxidschicht, die das Eindringen von Wasserstoff in das Material verhindert. Zudem schützt die geringe Wärmeleitfähigkeit von Titan die Innenteile länger vor einem Temperaturanstieg.

Chemische Eigenschaften

Klassische Titankorrosion

Titan ist ein extrem oxidierbares Metall. In der Reihe der elektrochemischen Standardpotentiale befindet es sich in der Nähe von Aluminium, zwischen Magnesium und Zink. Es ist also kein Edelmetall , sein thermodynamischer Stabilitätsbereich weist tatsächlich keine Gemeinsamkeit mit dem thermodynamischen Stabilitätsbereich von Wasser auf und liegt deutlich darunter. Eine der Ursachen für die Korrosionsbeständigkeit von Titan ist die Ausbildung einer passivierenden Schutzschicht von wenigen Bruchteilen eines Mikrometers, die hauptsächlich aus TiO 2 -Oxid besteht., aber es wird anerkannt, dass es andere Sorten enthalten kann. Diese Schicht ist integral und sehr haftend. Wenn die Oberfläche zerkratzt wird, bildet sich das Oxid in Gegenwart von Luft oder Wasser spontan zurück. Daher ist Titan in Luft , Wasser und Meerwasser unveränderlich und diese Schicht ist über einen weiten pH- , Potential- und Temperaturbereich stabil.

Sehr reduzierende Bedingungen oder stark oxidierende Umgebungen oder die Anwesenheit von Fluorionen (Komplexbildner) verringern den Schutzcharakter dieser Oxidschicht; die Angriffsreagenzien zum Aufnehmen der Schliffbilder basieren meistens auf Flusssäure. Bei einer Reaktion mit dieser Säure entstehen die Titankationen (II) und (III). Die Reaktivität saurer Lösungen kann dennoch durch Zugabe von Oxidationsmitteln und/oder Schwermetallionen reduziert werden. Chrom- oder Salpetersäure und Eisen-, Nickel-, Kupfer- oder Chromsalze sind dann ausgezeichnete Hemmstoffe. Dies erklärt, warum Titan in industriellen Prozessen und Umgebungen verwendet werden kann, in denen herkömmliche Materialien korrodieren würden.

Es ist natürlich möglich, die elektrochemischen Gleichgewichte durch Zugabe von Zusatzelementen zu modifizieren, die die anodische Aktivität des Titans reduzieren; dies führt zu einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit. Je nach Änderungswunsch werden spezifische Elemente hinzugefügt. Nachfolgend finden Sie eine nicht erschöpfende Liste einiger klassischer Adjuvantien:

Verschiebung des Korrosionspotentials und Verstärkung des Kathodencharakters : Zugabe von Platin , Palladium oder Rhodium ;
erhöhte thermodynamische Stabilität und verringerte Neigung zur anodischen Auflösung: Zugabe von Nickel , Molybdän oder Wolfram ;
erhöhte Passivierungsneigung: Zugabe von Zirkonium , Tantal , Chrom oder Molybdän .

Diese drei Methoden können kombiniert werden.

Spezifische Korrosion von Titan

Titan ist gegenüber bestimmten Korrosionsarten wie Spaltkorrosion oder Lochfraß nicht sehr empfindlich. Diese Phänomene werden nur beobachtet, wenn sie in einem Bereich verwendet werden, der nahe an einer praktischen Grenze der allgemeinen Korrosionsbeständigkeit liegt. Die Risiken der Spannungskorrosion treten unter folgenden Bedingungen auf:

kalt im Meerwasser (nur bei scharfen Schnitten);
in bestimmten speziellen Medien wie wasserfreiem Methanol;
heiß, in Gegenwart von geschmolzenem NaCl.

Die beiden allotropen Strukturen unterscheiden sich hinsichtlich der Beständigkeit gegen diese letztere Art von Korrosion; Titan α reagiert sehr empfindlich darauf, während β kaum.

Reinigung von Titan

Der Van-Arkel-de-Boer-Prozess

Dieses Verfahren dient der Isolierung von Titan oder Zirkonium durch reversible Bildung von flüchtigem Jodid und Abscheidung des Metalls durch Pyrolyse auf einem Wolframfaden .

Der Kroll-Prozess

Dieses Verfahren ermöglicht es , mit Magnesium Titanoxid zu Titan zu reduzieren . Der erste Schritt besteht darin, eine Carbochlorierung von Titandioxid durchzuführen . Das Produkt wird durch Einwirkung von Chlorgas auf das Oxid bei etwa 800 ° C erhalten , alles in einer Wirbelschicht nach der Reaktion:

TiO 2 (s) + 2 C (s) + 2 Cl 2 (g) → TiCl 4 (g) + 2 CO (g)

Das Titantetrachlorid , dessen Siedetemperatur 136 °C beträgt, wird durch Kondensation gewonnen, dekantiert, filtriert und durch fraktionierte Destillation gereinigt. Der resultierende Reduktionsprozess besteht dann darin, dieses Tetrachlorid in der Gasphase mit flüssigem Magnesium gemäß der Reaktion umzusetzen:

TiCl 4 (g) + 2 Mg (l) → 2 MgCl 2 (l) + Ti (s)

Die Reaktion wird im Vakuum oder unter Inertgas (Argon) durchgeführt. Das Magnesiumchlorid wird durch Dekantieren , dann in einer zweiten Stufe durch Vakuumdestillation bei ca. 900 bis 950 °C oder durch Waschen mit Säure abgetrennt . Das erhaltene Titan ist ein poröser Feststoff , der einem Schwamm ähnelt , daher der Name Titanschwamm.

Das Kroll-Verfahren hat seit seiner industriellen Inbetriebnahme 1945 keine nennenswerten Veränderungen in seinem physikalisch-chemischen Prinzip erfahren, aber seine Leistung verbessert.

Herstellung von hochreinem Titan

Sobald der Schwamm erhalten ist, wird er gemahlen, um Titanspäne zu erhalten. Dieser Ansatz wird dann in einem Mischer entweder unter neutralem Gas oder unter starkem Absaugen homogenisiert , um eine Entzündung der feinen Titanpartikel (Partikel von etwa 100 Mikrometern) zu verhindern, die zur Bildung von schwächendem und unlöslichem Titanoxynitrid führen können das Flüssigkeitsbad . Die homogene Charge wird dann in die Form einer Presse eingeführt, wo sie kalt verdichtet wird, in Form eines dichten Zylinders, der als Pressling bezeichnet wird. Die relative Dichte des Preßlings erlaubt dann jede Handhabung im Hinblick auf die Bildung einer Elektrode durch Stapeln dieser Preßlinge, Stufe für Stufe und Zusammenschweißen durch Plasma oder Elektronenstrahl . Auf diese Weise wird eine Primärelektrode hergestellt.

Der 99,9 % reine Titanbarren kann schließlich durch verschiedene Schmelztechniken gewonnen werden:

Vakuumschmelzen durch verbrauchbare Elektrode oder VAR ( Vacuum Arc Reduction (en) ): Die Titanelektroden werden durch Umschmelzen im Vakuumbogen verschmolzen. Dadurch entsteht ein Lichtbogen niedriger Spannung und hoher Intensität (30 bis 40 V ; 20.000 bis 40.000 A ) zwischen dem Boden der Elektrode und einem Titantiegel aus wassergekühltem Kupfer . Die Unterseite der Elektrode erwärmt sich und ihre Temperatur steigt über den Liquidus; die Metalltröpfchen fallen dann in eine Flüssigkeitsmulde, die in einer Metallhülle enthalten ist, die als Barrenhaut bezeichnet wird. So wird der Barren je nach gewünschter Reinheit mehrmals umgeschmolzen. Bei jedem Aufschmelzen wird der Durchmesser der Barren vergrößert; Letztere wiegen üblicherweise zwischen 1 und 10 Tonnen und haben einen Durchmesser von 0,5 bis 1 Meter.
Kaltfokusschmelzen durch Elektronenstrahl oder EB ( Elektronenstrahl )
Kaltfokusfusion durch Plasmastrahl oder PAM (Plasma Arc Melting)
Induktionsschmelzen oder ISM (Induction Skull Melting).

Zur Herstellung eines Reintitan-Ingots kann das geschmolzene Material entweder ausschließlich Schwamm oder eine Mischung aus Schwamm und Titanabfällen (Schrott) oder ausschließlich Titanabfälle sein. Barren aus Titanlegierungen werden durch Mischen der Zusatzelemente wie Vanadium und Aluminium mit dem Titanmaterial erhalten, um nach dem Schmelzen die gewünschte Legierung zu erhalten. Die am häufigsten verwendete Legierung ist TiAl 6 V 4. Es allein macht mehr als die Hälfte des weltweiten Einsatzes von Titanlegierungen aus.

Abhängig von den verwendeten Schmelztechniken und den Anforderungen an die Homogenität der erhaltenen Produkte kann der Produktionszyklus zwei oder sogar drei aufeinander folgende Schmelzen desselben Barrens umfassen.

Die Barren werden in der Regel durch Warmschmieden und spanende Bearbeitung zu Halbzeugen in Form von Brammen , Blöcken oder Knüppeln verarbeitet . Dann werden Fertigprodukte (Bleche, Spulen, Stangen, Platten, Kabel usw.) durch verschiedene Verarbeitungsstufen des Walzens , Schmiedens , Strangpressens , Bearbeitens usw. Die Gießereiteile werden in der Regel direkt aus dem Schmelzbarren hergestellt, dem ein variabler Schrottanteil beigemischt wird.

Verbindungen

Obwohl metallischer Titan wegen seines Preises recht selten ist, Titandioxid ist kostengünstig und in großem Umfang als verwendetes Weißpigment für Lacke und Kunststoffe . TiO 2 Pulver ist chemisch inert, widersteht Sonnenlicht und ist sehr undurchsichtig. Reines Titandioxid hat einen sehr hohen Brechungsindex (2,70 bei λ = 590 nm ) und eine höhere optische Dispersion als Diamant .

Vorsichtsmaßnahmen, Toxikologie

Titan ist in geteilter metallischer Form sehr entzündlich, Titansalze gelten jedoch im Allgemeinen als sicher. Chlorierte Verbindungen wie TiCl 4 und TiCl 3 sind korrosiv. Titan kann sich in lebendem Gewebe anreichern, das Silizium enthält , aber es hat keine bekannte biologische Rolle.

Vorkommen und Produktion

Titan kommt in Meteoriten , in der Sonne und in Sternen vor, seine Linien sind für Sterne des Typs M gut markiert . Das von der Apollo 17- Mission vom Mond mitgebrachte Gestein besteht zu 12,1% aus TiO 2 . Es kommt auch in Holzkohle , Pflanzen und sogar im menschlichen Körper vor.

Auf der Erde ist Titan keine seltene Substanz. Es ist das neunthäufigste Element in der Erdkruste und das fünfthäufigste Metall mit einem durchschnittlichen Gehalt von 0,63%. Nur die folgenden Elemente haben mehr Atome in absteigender Reihenfolge: Sauerstoff , Silizium , Aluminium , Eisen , Wasserstoff , Kalzium , Natrium , Magnesium und Kalium .

Die meisten Mineralien, Gesteine und Böden enthalten geringe Mengen an Titan. Es gibt 87 Mineralien oder Gesteine, die mindestens 1% Titan enthalten. Auf der anderen Seite gibt es nur sehr wenige titanreiche Erze , nämlich Anatas (TiO 2 ), Brookit (TiO 2 ), Ilmenit (FeTiO 3 ) und seine Veränderungen durch Eisenmangel: Leucoxen , Perowskit (CaTiO 3 ), Rutil (TiO 2 ), Sphen oder Titanit (CaTiO (SiO 4 )) und Titanomagnetit (Fe (Ti) Fe 2 O 4 ).

Der größte Teil des Titans auf der Erde liegt in Form von Anatas oder Titanomagnetit vor, diese können jedoch mit aktuellen Technologien nicht kostengünstig abgebaut werden. Wirtschaftlich interessant sind nur Ilmenit, Leucoxen und Rutil, da sie sich leicht verarbeiten lassen.

Titanvorkommen findet man in Madagaskar und Australien , Skandinavien , Nordamerika , Malaysia , Russland , China , Südafrika und Indien .

Die gesamte Weltreserve, also die noch nicht technisch und wirtschaftlich nutzbare Reserve, wird auf 2 Milliarden Tonnen geschätzt. Die nachgewiesenen Reserven an Rutil und Ilmenit, berechnet als Prozentsatz des nutzbaren und technisch extrahierbaren TiO 2 im Jahr 2005, werden auf 600 Millionen Tonnen geschätzt.

Quelle: US Geological Survey ,Januar 2005

Hauptproduzenten von Titanoxid im Jahr 2003, Zahlen für 2003 , in Tausend Tonnen Titandioxid:

Land	Tausende Tonnen	% der Gesamtmenge
Australien	1291.0	30,6
Südafrika	850.0	20,1
Kanada	767	18.2
Norwegen	382,9	9.1
Ukraine	357	8,5
Insgesamt 5 Länder	3647.9	86,4
Gesamte Welt	4 221,0	100,0

Wirtschaftsfragen

Die Zahl der Hersteller von hochreinem Titan ist sehr begrenzt und konzentriert sich auf Regionen mit hoher Inlandsnachfrage. Da Titan ein strategisches Material für den Luftfahrt- , Energie- und Militärsektor ist , haben die Regierungen der Industrieländer ihre eigene Produktionsindustrie organisiert. Das jüngste Aufkommen der Produktion in China und Indien im Rahmen mehrjähriger Entwicklungspläne für die Verteidigungsindustrie bestätigt diese Analyse. Die Tatsache, dass diese Industrie in erster Linie strategische Inlandsbedürfnisse befriedigen soll, erklärt zum Teil die Unklarheit der Informationen über die realen Produktionskapazitäten.

Die Entwicklung der Industrie in der liberalen Welt ermöglichte es den westlichen Produzenten, ihr Angebot bis zur Ankunft von Produzenten aus den Ländern der ehemaligen UdSSR zu erhöhen. Wir können prüfen , dass das Niveau der Marktpreise, vor 1990, vor allem auf den Produktionskosten der westlichen Länder beruhte ( USA , Westeuropa, Japan ) und auf der Positionierung von Produktspezialisierung dieser resultierenden Lieferanten. Bis zu einem gewissen Lobbyismus . Der Eintritt russischer, ukrainischer und längerfristig chinesischer Hersteller auf den Markt markiert eine neue Etappe in der Entwicklung des Titanmarktes .

Somit besteht ein Druck auf die Preise, in dem derzeit von den USA und Japan dominierten Markt Marktanteile zu gewinnen. Dieser Druck ist gekennzeichnet durch sinkende Preise, die die Produktionskosten ermöglichen. Und die Diversifizierung des Angebots kann im Spiel des Wettbewerbs helfen, die Positionierung durch Produktspezialisierung aufzubrechen.

Verwendet

Allgemeine Aspekte

Ungefähr 95 % des Titans wird in Form von Titandioxid TiO 2 ( Anatas ) verwendet, das ein wichtiges Pigment ist, das sowohl in Haushaltsfarben als auch in Künstlerpigmenten, Kunststoffen, Papier, Medikamenten verwendet wird. Es hat eine gute Deckkraft und ist ziemlich beständig gegenüber Zeit. Lacke auf Titanbasis sind sehr gute Infrarotreflektoren und werden daher häufig von Astronomen verwendet .

Metallisches Titan, das einst wegen seines Anschaffungswerts als teuer galt, wird zunehmend als sparsam in den Betriebskosten angesehen. Der Schlüssel zum Erfolg für seine Rentabilität liegt in der maximalen Nutzung seiner einzigartigen Eigenschaften und Eigenschaften bereits in der Designphase, anstatt sie ex arupto durch ein anderes Metall zu ersetzen. Die Kosten für die Installation und den Betrieb von Titan-Bohrrohren in Offshore-Ölfeldern sind bis zu zweimal niedriger als beim Stahl-Benchmark. Einerseits vermeidet die Korrosionsbeständigkeit die Beschichtung der Rohre und ermöglicht eine drei- bis fünfmal längere Lebensdauer als Stahl, andererseits ermöglicht der hohe spezifische Widerstandswert die Herstellung von dünnen und ultra Leuchtröhren. Dieses fotografische Beispiel zeigt wie gewünscht, dass Titan, das zunächst in der Luftfahrt verwendet wurde, immer mehr Anwendungsbereiche berührt.

Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Bereiche Luft- und Raumfahrt bilden die erste der historischen Anwendungen von Titan. In diesem Bereich nutzen wir seine spezifischen Eigenschaften voll aus.

Titan macht heute 6 bis 9 % der Masse von Flugzeugen aus . Sie werden zuerst in Form von Schmiedestücken gefunden. Was die Gussteile betrifft, so werden ihre für Detailteile (Luftfahrt) geeigneten Keramikformen im Wachsausschmelzverfahren aus Stahlformen oder aus 3D-gedruckten Teilen gewonnen. Presssandformen eignen sich für große Teile (Pumpen, Pistolen, Nuklearindustrie ...) Der Guss erfolgt unter Vakuum durch Schwerkraft oder besser Zentrifugation. Es gibt direkte 3D-Druckverfahren ausgehend von Titanpulver. Sie werden auch zu Muttern und Schrauben verarbeitet. Vergessen Sie nicht die Motorkomponenten, nämlich die Nieder- und Hochdruckstufen bei mittleren Temperaturen: Verdichterscheiben, Verdichterschaufeln, Strukturgehäuse, Lüftergehäuse, Lüfterschaufeln, „Drehmomentrohre“ der Radbremselemente usw.; die maximale Arbeitstemperatur ist auf 600 ° C begrenzt .

Titan kann heiß umgeformt werden (Temperatur < 800 °C ). Seine Superplastizitätseigenschaften (Umformtemperatur 920 °C ) ermöglichen die Herstellung sehr komplexer Formen. Es wird auch als Strukturelement in Gegenwart von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen verwendet.

Im räumlichen Bereich wird dieses Material für den Elementmotor Vulcan der Ariane 5 in Kontakt mit dem Gemisch H 2 / O 2 und dessen Verbrennung verwendet; die Zentrifugallaufräder sind somit einerseits kryogenen Temperaturen (Temperatur flüssiges H 2 ) und andererseits Verbrennungstemperaturen ausgesetzt . Aufgrund seiner guten kryogenen Eigenschaften und seiner Beständigkeit gegen Treibgaskorrosion dient es auch als Treibgasspeicher für Satelliten . Da es sich um ein schwach magnetisiertes Metall handelt, wird es schließlich in Form eines Werkzeugs auf Raumstationen geladen. Auch wer sich in der Schwerelosigkeit in der Nähe elektrischer und elektronischer Geräte bewegt, ohne Gefahr von Lichtbögen und elektromagnetischen Störungen.

Darüber hinaus wird es jetzt verwendet, um die Flossen der wiederverwendbaren Falcon 9- Trägerraketen von SpaceX herzustellen. Seine hohe Wärmebeständigkeit ermöglicht es den Flossen, ohne Wartung mehrmals zu dienen.

Chemieindustrie

Der Chemiesektor im weitesten Sinne ist der zweite Tätigkeitsbereich, in dem Titan vorkommt.

So finden wir in vielen Kondensatoren Titanrohre, deren Korrosions- und Abriebfestigkeit eine lange Lebensdauer ermöglicht.

Es wird auch in Form von Reaktoren in Raffinerien (Beständigkeit gegen H 2 S und CO 2 ) und zum Bleichen von Papierstoff (Beständigkeit gegen Cl ) verwendet.

In Japan wird es wegen seiner guten Korrosionsbeständigkeit sowie gegenüber biologischen Agenzien auch in der Wasseraufbereitung eingesetzt.

Militärindustrie

Es wird als Panzerung (Schiffe, Fahrzeuge, Cockpits von Kampfflugzeugen) verwendet, wo seine mechanischen Eigenschaften und seine Korrosions- und Feuerbeständigkeit hervorgehoben werden. In den USA sind wir sogar so weit gegangen, leichte Fahrzeuge zu konstruieren, deren Titankarosserie einen beispiellosen spezifischen Widerstand aufweist und den Transport per Helikopter erleichtert .

Aber die spektakulärste Verwendung ist natürlich die Realisierung mehrerer Atom- U-Boote durch die Russen wie der Alfa-Klasse, deren gesamter Rumpf aus Titan besteht. Der Vorteil von Titan ist in diesem Fall zweifach:

sein großer Widerstand ermöglicht es dem U-Boot, größere Tiefen zu erreichen;
Da Titan nicht magnetisch ist , entgeht das U-Boot Satellitenerkennungen, die die punktuellen Änderungen des Erdmagnetfelds nutzen, die von den Stahlrümpfen erzeugt werden. (Diese Methode ist obsolet geworden, da spezielle elektronische Schaltkreise hinzugefügt wurden, die die magnetische Signatur eines U-Bootes nicht wahrnehmbar machen).

Somit gilt Titan in Kriegs- wie in Friedenszeiten als einer der acht essentiellen strategischen Rohstoffe.

Der größte Nachteil dieser Schalen ist ihr Preis aufgrund des Titans sowie die Schwierigkeit, es zu schweißen.

Biomedizinischer Sektor

Es hat derzeit eine Rückmeldung von einer kleinen fünfzigjährigen Verwendung im medizinischen Bereich (erste Titan-Zahnimplantate wurden 1964 von P. Dr. Per-Ingvar Brånemark eingesetzt ). Seine Verwendung hat sich aufgrund seines biokompatiblen Charakters entwickelt. Tatsächlich haftet der Knochen spontan am Titan, was es zu einem bevorzugten Material für die Herstellung von Prothesen macht. Zusätzlich zu diesem biokompatiblen Aspekt ist Titan mechanokompatibel. Ihr wirkliches Interesse an Chirurgie und Osteosynthese muss jedoch noch nachgewiesen werden.

Titan hat auch einen wichtigen Durchbruch auf das Gebiet der aus der Zahnmedizin , wo es dient als ein Implantat in den Knochen für Prothesenträger sowie für die Herstellung von prothetischen Infrastrukturen genannt „Käppchen“ oder „Rahmen“ im Jargon. Den Zahntechniker und Zahnarzt . NiTi wird auch in der Endodontie in Form von kleinen superelastischen Feilen zur Instrumentierung von Zahnkanälen für die Devitalisierung und in der Kieferorthopädie verwendet, wo es aufgrund seines Formgedächtnisses und seiner Elastizitätseigenschaften zu einem Material der Wahl für die Herstellung von Bögen wird, die eine Korrektur der Position des Zähne.

Hervorzuheben ist das Aussehen von Titanwerkzeugen für die Chirurgie, wie zum Beispiel wassergekühlte Hohlbohrer. Im Gegensatz zu Stahl verursachen alle im Körper verbleibenden Werkzeugrückstände aus Titan aufgrund ihrer Biokompatibilität keine postoperative Infektion .

Schließlich tritt Titan in Verbindung mit einem anderen Übergangsmetall in die Zusammensetzung der supraleitenden Spulen von MRT- Geräten ein : Niob .

Energiewirtschaft

Titan wird insbesondere in den Vereinigten Staaten auch in Sekundärkreisläufen von Kernreaktoren verwendet, um die Zahl der Ausfälle von extrem teuren Einheiten zu minimieren. Hervorzuheben ist auch die Verwendung in der Geothermie in Form von Rohren und Gehäusen und in Wärmetauschern (gerade oder U-förmige Rohre), wiederum wegen seiner Korrosions- und Erosionsbeständigkeit. Schließlich wird es dank seiner hohen spezifischen mechanischen Festigkeit in Turbinen zur Dampferzeugung in Form von Schaufeln verwendet; in diesem Fall werden die Kraftwerksstillstände durch Blattbruch stark reduziert.

Automobilindustrie

Ein neues Anwendungsgebiet scheint der Automobilbau zu sein. Vor allem deutsche, japanische und amerikanische Marken führen Titanteile in Pkw ein. Gesucht wird eine leichtere Konstruktion mit dem Ziel, sowohl Triebwerksdämpfe als auch Geräusche zu reduzieren; So finden wir Ventile, Federn und Pleuel aus Titan.

Der Fall von Federn ist typisch für eine gute Ausnutzung der Eigenschaften von Titan: Da sein Elastizitätsmodul zweimal niedriger ist als der von Stahl , ist die halbe Windungszahl erforderlich; Da sie die halbe Dichte von Stahl hat, ist die Feder viermal leichter und braucht nur halb so viel Platz, um sie in die Aufhängung einzubauen. Wenn wir dazu noch eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer auch auf Straßen mit hohem Salzgehalt haben, verstehen wir das Interesse der Automobilindustrie.

Optisch

Titan wird als Dotierstoff zur Herstellung des Verstärkungsmediums für abstimmbare Laser ( Titan-Saphir-Lasertyp ) verwendet. Das Interesse von Titan für einen durchstimmbaren Laser besteht darin, dass es ein Übergangsmetall mit einer elektrostatisch wenig abgeschirmten 3D-Schicht ist, was zu titandotierten optischen Saphir-Verstärkern mit einer sehr breiten Verstärkungskurve und damit einer großen Durchstimmbarkeit in der Frequenz führt.

In einem ganz anderen Bereich der Optik wird Titan seit 1981 zur Herstellung von Brillenfassungen verwendet, für die es eine gute Kombination aus Widerstandsfähigkeit, Flexibilität und Leichtigkeit bietet und dabei sehr biokompatibel ist.

Verwendung von Titan im Sport

Es wird im Radsport verwendet , um High-End-Rahmen zu bauen, die so leicht wie Carbon und so stark wie Stahl sind .

Es wird im Bereich von Freestyle- Scootern verwendet , um leichtere und besonders stoßfeste Teile (insbesondere Lenker) zu bauen.

Es wird beim Bergsteigen verwendet , um Karabiner zu bauen , die aufgrund ihrer Eigenschaften bei kryogenen Temperaturen nützlich sind.

Andere Verwendungen

Das Titantetrachlorid wird zur Herstellung von irisierendem Glas und als Nebelwand verwendet, da er viel aus der Luft raucht.
Es wird in der Keramik zur Herstellung bestimmter Emails verwendet.
Seine inerte Seite und seine angenehme Farbe machen es zu einem gebräuchlichen Metall für Piercingschmuck ; das Färben von Titan durch Anodisieren wird derzeit häufig in handwerklichem Schmuck verwendet;
Es wird manchmal als Katalysator verwendet .
Es wird in der Architektur als Abdeckmaterial verwendet. Seine Korrosionsbeständigkeit, aber vor allem seine Fähigkeit, durch thermische Anodisierung mit einer extrem widerstandsfähigen Oxidschicht überzogen zu werden, die alle Farben des Regenbogens annehmen kann , machen es zu einem Material der Wahl (Beispiel des Guggenheim-Museums in Bilbao oder der Skulptur The Shoal in London ).
Es wird in der Pyrotechnik verwendet , entweder in Form von Spänen mit dem Schwarzpulver vermischt, um weiße Funken zu erzeugen, oder zusammen mit Perchloraten, um starke Explosionen zu verursachen: zum Beispiel ist ein "Titan Air Brown" nichts anderes als eine Feuerwerksbombe, die ein weißer Blitz mit lautem Knall.
Wärmetauscher zur Energieerzeugung (konventionelle und Kernkraftwerke)
Verwendung bei der Herstellung mittelalterlicher Rüstungen für die Ausübung eines echten Kampfes namens Behourd , wobei die Eigenschaften von Titan im Vergleich zu herkömmlichen Stahlrüstungen ( Vollpanzerung aus Titan: ca. 15 kg gegenüber 30 für Stahl) einen erheblichen Gewinn an Festigkeit und Leichtigkeit bieten .

Symbolisch

Titan ist die 11 - ten Ebene im Verlauf des Blasrohr Sports.

Die Titan - Hochzeit entspricht der 72 nd Hochzeitstag .

Handeln

Im Jahr 2014 war Frankreich laut französischem Zoll Nettoimporteur von Titan. Der durchschnittliche Importpreis pro Tonne betrug 4.700 €.

Hinweise und Referenzen

Anmerkungen

Nach den Experimenten, die auf Montageplattformen, insbesondere russischen, französischen und amerikanischen, und durch Extrapolation und Aneignung russischer Technologien, die im interplanetaren Raum eingesetzt wurden, von bestimmten japanischen Industrien durchgeführt wurden.
Mit Germanium (fortgeschrittene Elektronik); Magnesium (Sprengstoff); Platin (Kontakte so leitfähig wie Gold für die Luftfahrt, Schaltungen mit Schnellkontakten); Quecksilber (Kernchemie, Messgeräte); Molybdän (Stahl); Kobalt (Kernchemie); Kolombium (extrem seltene Sonderlegierungen). ( Christine Ockrent , Comte de Marenches , Dans le secret des Princes , ed. Stock, 1986, S. 193. )

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Siehe auch

Literaturverzeichnis

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Externe Links

Titanlegierungen
UKAD
MKAD
KADER
ÖKOTITAN
METAFENSCH
Titan-Vereinigung
Titan auf dem Webelement der Sheffield University
(de) „ Technische Daten für Titan “ (abgerufen am 12. August 2016 ) , mit den bekannten Daten für jedes Isotop in Unterseiten sub

fünfzehn

Hey

Sei

NICHT

Geboren

N / A

Jawohl

Dass

Oder

Sie

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