Titan (Element)

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 (Gruppe 4) oder Titangruppe. Das Metall ist weiß-metallisch glänzend, leicht, fest, dehnbar, korrosions- und temperaturbeständig. Es ist daher besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht ankommt. Aufgrund des komplizierten Herstellungsprozesses ist Titan zehnmal so teuer wie verbreitete Stahllegierungen.

Geschichte

Titan wurde 1791 in England von dem Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen entdeckt. 1795 entdeckte es der deutsche Chemiker Heinrich Klaproth im Rutilerz ebenfalls und gab dem Element – angelehnt an das griechische Göttergeschlecht der Titanen – seinen heutigen Namen.

Es gelang jedoch erst im Jahre 1831 Justus von Liebig, aus dem Erz das metallische Titan zu gewinnen.^[11] Reines Titanmetall (99,9 %) stellte 1910 erstmals Matthew A. Hunter (1878–1961) her, indem er in einer Stahlbombe Titantetrachlorid mit Natrium auf 700 bis 800 °C erhitzte.

Erst Ende der 1930er Jahre konnte William Justin Kroll ein für die Technik geeignetes Verfahren, den sogenannten Kroll-Prozess, entwickeln, das 1940 patentiert wurde.^[12] In der Folge konnte durch Einführung der großtechnischen Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium das Titan für kommerzielle Anwendungen erschlossen werden.

Vorkommen

Titan kommt in der Erdkruste nur in Verbindungen mit Sauerstoff als Oxid vor. Es ist keineswegs selten, steht es doch mit einem Gehalt von 0,565 % an 9. Stelle der Elementhäufigkeit in der kontinentalen Erdkruste.^[13] Meist ist es aber nur in geringer Konzentration vorhanden.

Wichtige Mineralien sind:

• Ilmenit (Titaneisenerz), FeTiO₃
• Leukoxen, ein eisenarmer Ilmenit
• Perowskit, CaTiO₃
• Rutil, TiO₂
• Titanit (Sphen), CaTi[SiO₄]O
• Titanate wie Bariumtitanat, (BaTiO₃)
• Begleiter in Eisenerzen.

Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika, dem Ural und Malaysia. Im Jahr 2010 wurden in Paraguay Vorkommen entdeckt, deren Ausbeutung bis dato jedoch lediglich geplant ist.^[14]

Meteoriten können Titan enthalten. In der Sonne und in Sternen der Spektralklasse M wurde ebenfalls Titan nachgewiesen. Auf dem Erdmond sind ebenso Vorkommen vorhanden.^[15][16] Gesteinsproben der Mondmission Apollo 17 enthielten bis zu 12,1 % TiO₂. Es gibt Überlegungen für Asteroid mining.

Auch in Kohleaschen, Pflanzen und im menschlichen Körper ist es enthalten.

Titan-Produktion in Tausend Tonnen^[17]

Rang	Land	2003	2004	2005
1	Australien Australien	1 300	2 110	2 230
2	Sudafrika Südafrika	1 070	1 130	1 130
3	Kanada Kanada	810	870	870
4	China Volksrepublik China	400	840	820
5	Norwegen Norwegen	380	370	420

Gewinnung

Reines Titan kommt in der Erde kaum vor. Titan wird aus Ilmenit oder Rutil gewonnen. Der dabei verwendete Herstellungsprozess ist sehr aufwendig, was sich im hohen Preis für Titan niederschlägt. So kostete im Jahre 2008 eine Tonne Titanschwamm durchschnittlich 12.000 Euro.^[11]

Der Herstellungsprozess ist seit Entdeckung des Kroll-Prozesses fast unverändert. Meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend, wird angereichertes Titandioxid in der Hitze mit Chlor und Kohle zu Titan(IV)-chlorid und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt. Anschließend geschieht die Reduktion zum Titan durch flüssiges Magnesium. 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.

Eigenschaften

Titan bildet an der Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht (Passivierungsschicht) aus, die es in vielen Medien korrosionsbeständig macht. Bemerkenswert ist die hohe Festigkeit bei einer relativ geringen Dichte. Oberhalb einer Temperatur von 400 °C gehen die Festigkeitseigenschaften aber schnell zurück. Hochreines Titan ist duktil. Bei höheren Temperaturen versprödet es durch Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sehr schnell. Zu beachten ist auch die hohe Reaktivität von Titan mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen oder erhöhtem Druck, wenn die Passivschicht dem chemischen Angriff nicht gewachsen ist. Hier kann die Reaktionsgeschwindigkeit bis zur Explosion anwachsen. In reinem Sauerstoff bei 25 °C und 25 bar verbrennt Titan von einer frischen Schnittkante ausgehend vollständig zum Titandioxid. Trotz Passivierungsschicht reagiert es bei Temperaturen oberhalb von 880 °C mit Sauerstoff, bei Temperaturen ab 550 °C mit Chlor. Titan reagiert („brennt“) auch mit reinem Stickstoff, was zum Beispiel bei spanender Bearbeitung wegen der Hitzeentwicklung unbedingt beachtet werden muss.

Gegen verdünnte Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltige Lösungen, kalte Salpetersäure und die meisten organischen Säuren und Laugen wie Natriumhydroxid ist Titan beständig. In konzentrierter Schwefelsäure dagegen löst es sich langsam auf, unter Bildung des violetten Titansulfat. Wegen der Explosionsgefahr sind bei Anwendungen in Chlorgas die Betriebsbedingungen strikt einzuhalten.

Die mechanischen Eigenschaften und das korrosive Verhalten lassen sich durch meist geringfügige Legierungszusätze von Aluminium, Vanadium, Mangan, Molybdän, Palladium, Kupfer, Zirkonium und Zinn erheblich verbessern.

Unterhalb einer Temperatur von 0,4 K^[18] wird Titan supraleitend.

Unterhalb von 880 °C liegt Titan in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung vor. Oberhalb von 880 °C bildet sich eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aus.

Farbgebung

Titan kann durch gezieltes Erzeugen einer Oxidschicht mittels Anodisieren farblich gestaltet werden. Dabei wird die Farbe durch Lichtbrechung an unterschiedlich dicke Schichten, nicht durch Farbpigmente, erzielt, vgl. Dünnschichtinterferenz. Bei 10–25 nm Schichtdicke ergibt sich eine Goldfarbe, bei 25–40 nm lila, bei 40-50 nm dunkelblau, bei 50–80 nm hellblau, bei 80–120 nm gelb, bei 120–150 nm orange, bei 150–180 nm lila, bei 180–210 nm grün. ^[19]

Titanlegierungen

Titan-Legierungen werden häufig nach dem US-amerikanischen Standard ASTM mit Grade 1 bis 35 charakterisiert. Grade 1 bis 4 bezeichnet Rein-Titan verschiedener Reinheitsgrade^[20].

Rein-Titan hat die Werkstoffnummer 3.7034; der wirtschaftlich bedeutendste (auch für Turbolader-Schaufeln) eingesetzte^[21] Werkstoff Ti-6Al-4V (6 % Aluminium, 4 % Vanadium, ASTM: Grade 5) hat die Nummer 3.7165 (industrielle Anwendung) und 3.7164 (Luftfahrtanwendungen)^[22].

Weitere wichtige Titanlegierungen, die hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden:

Bezeichnung	chem. Zusammensetzung	Elastizitätsmodul in GPa	Dichte in g·cm−3
Ti6246	Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo	125,4	4,51
Ti6242	Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo		4,50

Nitinol (Nickel-Titan) ist eine sogenannte Formgedächtnis-Legierung.

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:

Anwendungen in Seewasser und chloridhaltigen Medien:

• Schiffspropellerteile wie Wellen, sowie Verspannungen für maritime Anwendungen
• Einbauteile in Meerwasserentsalzungsanlagen
• Bauteile für die Eindampfung von Kaliumchlorid-Lösungen
• Anoden von HGÜ-Seekabelübertragungen
• 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
• 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 relativ 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
• Über 90 % der Titanerzförderung wird hauptsächlich nach dem Chlorid- und im geringeren Maße nach dem Sulfatverfahren zu Titandioxid verarbeitet.
• 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, Verbundwerkstoffen aus Keramik und Metall, 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 (Außenhaut bei Überschallgeschwindigkeit, Verdichterschaufeln und andere Triebwerksteile)
• In Dampfturbinen für die am stärksten belasteten Schaufeln des Niederdruckteiles
• In der Rüstung: Einige U-Boot-Typen der ehemaligen 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 des weltweit geförderten Titans sowohl in Russland produziert als auch wieder verbaut wurde.
• Wegen seiner geringen Dichte bei der Herstellung von Niveauanzeigen und Schwimmern

Medizin:

• Als Biomaterial für Implantate in der Medizintechnik und Zahnheilkunde (Zahnimplantate, jährlich ca. 200.000 Stück allein in Deutschland) wegen seiner sehr guten Korrosionsbeständigkeit im Gegensatz zu anderen Metallen. Eine immunologische Abstoßungsreaktion (Implantatallergie) gibt es nicht. Auch bei Zahnkronen und Zahnbrücken wird es wegen der erheblich niedrigeren Kosten im Vergleich zu Goldlegierungen verwendet. In der chirurgischen Orthopädie bei metallischen Beinprothesen (Hüftgelenksprothesen) und Hüftkopfersatz, Kniegelenkersatz nach Arthrose wird es reihenweise eingesetzt. Die Titan-Oxidschicht ermöglicht das feste Anwachsen von Knochen an das Implantat (Osseointegration) und ermöglicht damit den festen Einbau des künstlichen Implantates in den menschlichen Körper.
• In der Mittelohrchirurgie findet Titan als Material für Gehörknöchelchenersatz-Prothesen und für Paukenröhrchen bevorzugte Verwendung.
• In der Neurochirurgie haben Titan-Clips (für Aneurysma-Operationen) wegen ihrer günstigeren NMR-Eigenschaften solche aus Edelstahl weitgehend verdrängt.

Elektronik:

• Im Jahre 2002 brachte die Firma Nokia das Handy 8910 und ein Jahr später das Handy 8910i auf den Markt, die ein Gehäuse aus Titan haben.
• Im April 2002 brachte die Firma Apple Inc. das Notebook „PowerBook G4 Titanium“ auf den Markt. Große Anteile des Gehäuses waren aus Titan gefertigt, und das Notebook besaß in der 15,2-Bildschirm-Ausführung bei einer Dicke von 1″ ein Gewicht von nur 2,4 kg.
• Einige Notebooks der ThinkPad-Serie von Lenovo (früher IBM) besitzen ein titanverstärktes Kunststoffgehäuse oder einen Gehäuserahmen aus einem Titan-Magnesium-Verbundstoff.

Sonstige Anwendungsgebiete:

• Schmuck, Uhren und Brillengestelle aus Titan
• Münzen mit Titankern (z. B. österreichische 200-Schilling-Münzen)
• Titan-Sublimationspumpe zur Erzeugung von Ultrahochvakuum
• Galvanotechnik als Träger-Gestell bei der Anodischen oxidation von Aluminium (ELOXAL)
• Als Bestandteil der nach CRISAT standardisierten beschusshemmenden Westen

Nachweis

TiO²⁺ bildet mit Wasserstoffperoxid einen charakteristischen gelb-orangen Komplex (Triaquohydroxooxotitan(IV)-Komplex), der auch zum photospektrometrischen Nachweis geeignet ist.

Normen

Titan und Titanlegierungen sind unter anderem genormt in:

• DIN 17850, Ausgabe:1990-11 Titan; chemische Zusammensetzung
• ASTM B 348: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Bars and Billets
• ASTM B 265: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy, Sheets and Plates
• ASTM F 67: Standard Specification for Unalloyed Titanium, for Surgical Implant Applications
• ASTM F 136: Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) Alloy for Surgical Implant Applications
• ASTM B 338: Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers and Heat Exchangers
• ASTM B 337: Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Pipe
• ASTM F2885-11: Standard Specification for Metal Injection Molded Titanium-6Aluminum-4Vanadium Components for Surgical Implant Applications

Sicherheitshinweise

Titan ist als Pulver feuergefährlich, kompakt ungefährlich. Die meisten Titansalze gelten als harmlos. Unbeständige Verbindungen wie Titantrichlorid sind stark korrosiv, da sie mit Spuren von Wasser Salzsäure bilden.

Titantetrachlorid wird in Nebelkerzen und Nebelgranaten eingesetzt; es reagiert mit der Luftfeuchte und bildet einen weißen Rauch aus Titandioxid, außerdem Salzsäurenebel.

Biologische Nachteile des Titans im menschlichen Körper sind zur Zeit unbekannt. So lösten die bisher aus Titan hergestellten Hüftgelenke oder Kieferimplantate, im Gegensatz zu Nickel, keinerlei Allergien aus.^[11]

Verbindungen

Während metallisches Titan wegen der hohen Herstellungskosten nur anspruchsvollen technischen Anwendungen vorbehalten bleibt, ist das relativ preiswerte und ungiftige Farbpigment Titandioxid ein Begleiter des alltäglichen Lebens geworden. Praktisch alle heutigen weißen Kunststoffe und Farben und auch Lebensmittelfarben enthalten Titandioxid (es ist in Lebensmitteln als E 171 zu finden). Aber auch in der Elektro- und Werkstofftechnik und neuerdings auch in der Herstellung von Hochleistungsakkumulatoren für den Fahrzeugantrieb (Lithium-Titanat-Akku) werden Titanverbindungen eingesetzt.

• Bariumtitanat, BaTiO₃
• Lithiumtitanat
• Titan(III)-chlorid, TiCl₃
• Titanborid, TiB
• Titancarbid, TiC
• Titannitrid, TiN
• Titan(IV)-chlorid, TiCl₄
• Titan(II)-oxid TiO
• Titan(III)-oxid Ti₂O₃
• Titan(IV)-oxid (Titanweiß), TiO₂
• Titansuboxide mit einer Zusammensetzung von TiO bis Ti₂O
• Titan(IV)-oxidsulfat (Titanylsulfat), TiOSO₄
• Ferrotitan
• Nitinol, ein Memory-Metall
• Titanhydrid, TiH₂

Literatur

• Gerd Lütjering, James C. Williams: Titanium. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-71397-5

Weblinks

• Mineralienatlas:Titan (Wiki)
• Titan – Herstellung und Anwendung (mit Abbildungen) Uni-Bayreuth (abgerufen am 19. Februar 2010)
• Periodensystem für den Schulgebrauch (zahlreiche Illustrationen)
• Kristallines Titan als Abbildung in der Elementesammlung von Heinrich Pniok

Einzelnachweise