Was ist Titan?
Eigenschaften
- Atomsymbol: Ti
- Atomzahl: 22
- Element Kategorie: Übergangsmetall
- Dichte: 4.506 / cm3
- Schmelzpunkt: 3034 ° F (1668 ° C)
- Siedepunkt: 5949 ° F (3287 ° C)
- Mohs Härte: 6
Eigenschaften
Legierungen, die Titan enthalten, sind für ihre hohe Festigkeit, ihr geringes Gewicht und ihre außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit bekannt .
Trotz seiner Festigkeit wie Stahl ist Titan um etwa 40% leichter, was es zusammen mit seiner Beständigkeit gegen Kavitation und Erosion zu einem unverzichtbaren Strukturmetall für Luft- und Raumfahrtingenieure macht.
Titan ist auch in seiner Beständigkeit gegenüber Korrosion sowohl durch Wasser als auch durch chemische Medien hervorragend. Dies geschieht, indem eine dünne Schicht Titandioxid (TiO2) auf seiner Oberfläche gebildet wird, die für diese Materialien extrem schwierig zu durchdringen ist.
Ein niedriger Elastizitätsmodul bedeutet, dass Titan nicht sehr flexibel ist, aber nach dem Biegen in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, was zu seiner Bedeutung für Formgedächtnislegierungen führt.
Titan ist nicht magnetisch und biokompatibel (nicht toxisch, nicht allergen), was zu seiner zunehmenden Verwendung im medizinischen Bereich geführt hat.
Geschichte
Die Verwendung von Titanmetall, in jeder Form, entwickelte sich erst nach dem Zweiten Weltkrieg.
In der Tat wurde Titan nicht als Metall isoliert, bis der amerikanische Chemiker Matthew Hunter es durch Reduktion von Titantetrachlorid (TiCl4) mit Natrium im Jahre 1910 produzierte; Eine Methode, die jetzt als Hunter-Prozess bekannt ist.
Die kommerzielle Produktion kam jedoch erst, nachdem William Justin Kroll gezeigt hatte, dass Titan in den 1930er Jahren auch mit Magnesium aus Chlorid reduziert werden konnte.
Der Kroll-Prozess ist bis heute die wichtigste kommerzielle Produktionsmethode.
Nachdem eine kostengünstige Produktionsmethode entwickelt worden war, wurde Titan zum ersten Mal in Militärflugzeugen eingesetzt. Sowohl sowjetische als auch amerikanische Militärflugzeuge und U-Boote (zB sowjetische Alfa- und Mike-Klasse-U-Boote sowie die USAF F100 Super Saber und Lockheed A-12), die in den 1950er und 1960er Jahren entwickelt wurden, begannen mit Titanlegierungen. Anfang der 1960er Jahre wurden Titanlegierungen auch von Herstellern kommerzieller Flugzeuge verwendet.
Der medizinische Bereich, insbesondere Zahnimplantate und Prothetik, erweckte den Nutzen von Titan, nachdem die Untersuchungen des schwedischen Arztes Per-Ingvar Brånemark aus den 1950er Jahren gezeigt haben, dass Titan beim Menschen keine negative Immunantwort auslöst und das Metall in unserem Körper integriert Osseointegration genannt .
Produktion
Obwohl Titan das vierthäufigste Metallelement in der Erdkruste ist (hinter Aluminium , Eisen und Magnesium), ist die Produktion von Titanmetall äußerst empfindlich gegenüber Verunreinigungen, insbesondere durch Sauerstoff, was für seine relativ neue Entwicklung und die hohen Kosten verantwortlich ist.
Die Haupterze, die bei der Primärproduktion von Titan verwendet werden, sind Ilmenit, das etwa 90% der Produktion ausmacht, und Rutil, das für die restlichen 10% verantwortlich ist.
Im Jahr 2010 wurden etwa 6,3 Millionen Tonnen Titanmineralkonzentrat produziert, obwohl nur ein kleiner Teil (etwa 5%) des jährlich produzierten Titankonzentrats letztlich in Titanmetall endet. Stattdessen werden die meisten bei der Herstellung von Titandioxid (TiO2) verwendet, einem Weißpigment, das in Farben, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetika verwendet wird.
Im ersten Schritt des Kroll-Prozesses wird Titanerz gebrochen und mit Kokskohle in einer Chloratmosphäre erhitzt, um Titantetrachlorid (TiCl 4) zu erzeugen. Das Chlorid wird dann eingefangen und durch einen Kondensator geschickt, der eine Titanchloridflüssigkeit erzeugt, die zu mehr als 99% rein ist.
Das Titantetrachlorid wird dann direkt in Gefäße geleitet, die geschmolzenes Magnesium enthalten. Um eine Sauerstoffkontamination zu vermeiden, wird diese durch die Zugabe von Argongas inertisiert.
Während des nachfolgenden Destillationsprozesses, der eine Anzahl von Tagen dauern kann, wird das Gefäß auf 1832 ° F (1000 ° C) erhitzt. Das Magnesium reagiert mit dem Titanchlorid, strippt das Chlorid und erzeugt elementares Titan und Magnesiumchlorid.
Das dadurch entstehende faserige Titan wird als Titanschwamm bezeichnet. Zur Herstellung von Titanlegierungen und hochreinen Titanbarren kann Titanschwamm mit verschiedenen Legierungselementen unter Verwendung eines Elektronenstrahl-, Plasmalichtbogen- oder Vakuumlichtbogenschmelzens geschmolzen werden.
In der Hoffnung, die Extraktionskosten von Titan zu reduzieren, werden weiterhin elektrolytische und andere Verfahren zur Herstellung von Titanmetall aktiv erforscht.
Aufgrund seines strategischen Charakters kann es schwierig sein, Statistiken über die Titanmetallproduktion zu erstellen. Es wird jedoch geschätzt, dass die weltweite Titanschwammproduktion im Jahr 2010 bei etwa 150.000 Tonnen lag. Die größten produzierenden Länder sind China, Japan, Russland, Kasachstan und die Vereinigten Staaten. Zu den großen Titanschwammproduzenten gehören VSMPO (Russland), Titanium Metals Corp. (USA), RTI Intl. (USA), Fushun Jinming Titanium Industry (China), Luoyang Sunrui Wayi Titanium Co. (China) und Osaka Titanium Technology Co. (Japan).
Anwendungen
Titan-Metall-Legierungen werden hauptsächlich in den folgenden Branchen eingesetzt:
- Luft-und Raumfahrt
- Militär
- Medizinisch
- Chemisch
- Sportwaren
In den letzten Jahrzehnten haben sich Flugzeughersteller zunehmend auf Titan als wichtige Strukturkomponente konzentriert. Seit seiner ersten Verwendung in den frühen 1960er Jahren ist der durchschnittliche Titangehalt in kommerziellen Fluggesellschaften von Boeing von etwa 2% des Körpergewichts auf etwa 15% gestiegen. Mehr...
Quellen
> TIMET Video: Der Kroll-Prozess. Verfügbar auf der Website der International Titanium Association: http://www.titanium.org
Der US Geological Survey: Titanium. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/titanium/
Vulkan, Tom. 2010. Titan: Das Metall der Götter . Hardassetinvestor.com.
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