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Werkstoff Titan

Obwohl das Titan schon seit 1831 bekannt ist, lief die grosstechnische Produktion des Metalls erst nach dem Zweiten Weltkrieg an. Titan ist 200 Mal teurer als Rohstahl, denn die Darstellung des Metalls ist aufwändig und energieintensiv. Titandioxid ist ein stabiles, weit verbreitetes weisses Pigment.

Titan gilt als exotisches Metall, ist aber keineswegs selten. In der Erdkruste ist es das neunthäufigste Element. Es wurde Ende des 18. Jahrhunderts vom anglikanischen Geistlichen und Amateurchemiker William Gregor entdeckt. Im Umkreis seiner Pfarrei in Devon (Cornwall/GB) sammelte Gregor Mineralien, um sie in seinem Privatlabor zu analysieren. Aus Eisentitanat (das heute als Ilmenit FeTiO3 bezeichnet wird) gewann er 1791 ein weisses Oxid, in dem er ein noch unbekanntes Element vermutete. Vier Jahre später experimentierte der Berliner Apotheker Martin Heinrich Klaproth mit sogenanntem „rotem Schörl“ aus Ungarn (heute Rutil, mit Eisenoxid verunreinigtes Titandioxid, TiO2) und kam zum selben Schluss, wie Gregor. Klaproth konnte auch belegen, dass sein Oxid mit demjenigen Gregors identisch war und zu einem noch unbekannten chemischen Element gehören musste. Er nannte es Titan nach den göttlichen Riesen aus der griechischen Mythologie. Dieser Name setzte sich durch, lange bevor dem deutschen Chemiker Justus von Liebig 1831 die Reduktion des Titandioxids zu metallischem Titan gelang.

Ein weiteres Jahrhundert verging, bis das seither im Prinzip unverändert gebliebene Produktionsverfahren für Titan vom luxemburgisch-amerikanischen Metallurgen William Justin Kroll patentiert werden konnte. Durch Chlorierung von Titanmineralien erhält man Titantetrachlorid, eine farblose, bei 136 Grad Celsius siedende Flüssigkeit. Anschliessend reduziert man das hochreine Chlorid mit flüssigem Magnesium zu sogenanntem Titanschwamm. Letzterer wird im Vakuum-Lichtbogenofen zum kompakten Metall umgeschmolzen. Davon werden weltweit pro Jahr etwa sechs Millionen Tonnen produziert.

Titanreiche Mineralsande

Mit rund drei Millionen Tonnen pro Jahr ist Australien zurzeit der grösste Produzent von Titanmineralien und Titanmetall. An seiner Ost- und Westküste werden Ilmenit und Rutil aus den sogenannten Mineralsanden gewonnen, die durch Erosion längst verschwundener Granitgebirge entstanden. In Küstennähe wurden die schweren Mineralien durch die kombinierte Wirkung von Meeresströmungen und Wellen aufkonzentriert, während leichte Mineralien wie Quarz und Feldspäte aufgelöst oder weggeschwemmt wurden. Südafrika, Kanada und Norwegen sind ebenfalls wichtige Produzenten von Titanmineralien und Titanmetall

Reines Titan ist durch eine Dichte von 4,5 Gramm pro Kubikzentimeter gekennzeichnet und gilt darum als Leichtmetall. Seine legendäre Korrosionsfestigkeit (insbesondere gegenüber Meerwasser) verdankt Titan einem von selbst entstehenden, schützenden Oxidfilm. Titan schmilzt erst bei 1668 Grad Celsius, beginnt aber schon wenig oberhalb von 400 Grad Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft zu absorbieren und zu verspröden. In dieser Hinsicht sind Titanlegierungen dem Reintitan weit überlegen, einige davon können noch bei 1000 Grad Celsius eingesetzt werden.

Breiter Einsatzbereich

Die gängigen Legierungselemente der kommerziellen Titanlegierungen sind Aluminium, Kupfer, Molybdän, Palladium, Vanadium, Zinn und Zirkonium. Am weitesten verbreitet sind die Titan-Aluminium-Vanadiumlegierung Ti6Al4V und die Titan-Aluminium-Zinnlegierung Ti5Al2,5Sn. Besonders korrosionsfest ist Reintitan mit 0,12 bis 0,25 Prozent Palladium. Die wichtigsten Einsatzgebiete des kostspieligen Titans sind Luft- und Raumfahrt, Schiff- und U-Bootbau, Dampfturbinen, Meerwasser-Entsalzungsanlagen, Sportgeräte, Brillengestelle, Formel-1 Rennwagen, Uhrengehäuse und -armbänder, durch Interferenzeffekte der Oxidschicht färbbarer Schmuck, die supraleitende Legierung Niob-Titan, Hartstoffe, Beschichtungen, Zahnimplantate sowie Hüft- und Schultergelenkprothesen. Bei den medizinischen Anwendungen ist das feste Anwachsen von Knochengewebe an die Oxidhaut des Titans ausschlaggebend.

Deutlich sichtbarer als metallisches Titan ist Titandioxid, ein äusserst stabiles und völlig untoxisches weisses Pigment, von dem pro Jahr rund fünf Millionen Tonnen hergestellt werden. Man verwendet es zum Weissfärben von Synthesefasern, Kunststoffen, Kautschuk, Papier, Anstrichfarben und Keramik. Dazu kommen Körperpflegemittel wie Sonnenschutzmittel, Lippenstift, Körperpuder und Zahnpasta. Titandioxid ist sogar in Nahrungsmitteln zugelassen. Insbesondere besteht das weisse Pulver auf der Salamihaut nicht etwa aus Weizenmehl, das sich mit aufgesaugtem Fett zu einer unappetitlichen Schmiere entwickeln würde. Vielmehr werden Salami und andere Dauerwürste mit Titandioxid bepudert. Zigarrenraucher wissen meist nicht, dass ihrem Tabak häufig Titandioxid beigemischt wird, damit beim Abbrennen eine schöne, weisse Asche entsteht.

Bild: Titan wird auch in der Uhren- und Schmuckbranche häufig verwendet.

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