Titan

Die Zugfestigkeit von Titanlegierungen liegt mit 290 bis 1200 N/mm² im Bereich von Baustahl mit 310 bis 690 N/mm² und legierten Stählen mit 1100 bis 1300 N/mm². Titan bildet an der Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht (Passivierungsschicht) aus, die es gegen viele Medien schützt. Reines Titan ist mit einem Wert von 6 (nach Mohs) nur mittelmäßig hart, allerdings wird bereits durch geringe Legierungszusätze eine hohe Festigkeit bei einer relativ geringen Dichte erreicht. Dadurch sind Titanlegierungen besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und geringes Gewicht ankommt. Oberhalb einer Temperatur von 400 °C gehen die Festigkeitseigenschaften aber schnell zurück. Hochreines Titan ist duktil, das heißt, es lässt sich plastisch verformen. Bei höheren Temperaturen versprödet es durch Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sehr schnell und verliert damit seine leichte Formbarkeit. Zu beachten ist auch die hohe Reaktivität von Titan mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen oder erhöhtem Druck, wenn die Passivierungsschicht diesen Bedingungen nicht standhält. 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. Bei spanender Bearbeitung tritt Hitzeentwicklung auf und kann reines Argon als Schutzgas eingesetzt werden. Beim Verformen von Titan tritt ähnlich wie bei rostfreiem Stahl Kaltverfestigung auf. Um die Werkzeugschneiden zu schonen, kann der Einsatz eines flüssigen Kühlmittels zweckmäßig sein. Gegen verdünnte Schwefelsäure, Salzsäure, chloridhaltige Lösungen, kalte Salpetersäure, Laugen wie Natriumhydroxid und die meisten organischen Säuren ist Titan beständig, löst sich dagegen in konzentrierter Schwefelsäure unter Bildung des violetten Titansulfats langsam auf. 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, Zirconium und Zinn erheblich verbessern. Unterhalb einer Temperatur von 0,4 K 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. Titan in Pulverform ist pyrophor, also selbstentzündlich. Schon bei Raumtemperatur reagiert es mit der umgebenden Luft, die Reaktionswärme erhitzt das Material bis sich unter Beschleunigung der Reaktion eine rauchende Flamme ausbildet. Die Zündbereitschaft hängt unter anderem sehr stark von der Korngröße und dem Verteilungsgrad ab. Das Metall in kompakter Form ist nicht brennbar. Es nimmt jedoch bei höheren Temperaturen leicht Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff auf, dies bewirkt Versprödung und Härtesteigerung. Titan kann die Oxidationszustände 2, 3 und 4 einnehmen. Nur die Verbindungen mit dem Oxidationszustand 4 sind stabil.

Titan kommt in der Erdkruste bis auf wenige Ausnahmen (zu diesen zählen elementares Titan sowie Mineralien in Form von Legierungen, intermetallischen Verbindungen und Sulfiden) 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. Meist ist es nur in geringer Konzentration vorhanden. Wichtige Mineralien 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 Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika, dem Ural und Malaysia. Im Jahr 2010 wurden in Paraguay Vorkommen entdeckt. Meteoriten können Titan enthalten. In der Sonne und in Sternen der Spektralklasse M wurde ebenfalls Titan nachgewiesen. Auf dem Erdmond sind ebenso Vorkommen vorhanden. Gesteinsproben der Mondmission Apollo 17 enthielten bis zu 12,1 % Titan(IV)-oxid. Auch in Kohleaschen und Pflanzen ist es enthalten.

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. 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) 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 Druckkessel (Typ III). Um beim Wiedereintritt von Weltraumsatelliten ein vollständiges Verglühen/Zerstäuben zu gewährleisten ist jedoch das niedrigerschmelzende Aluminium vorteilhaft. Titanzink als Baustoff in Form von Blech z. B. für Dächer, Dachrinnen oder Wetterverkleidungen. 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 Unfallchirurgie und chirurgischen Orthopädie ist es heute das Standardmaterial für Endoprothesen (Hüftgelenksersatz, Kniegelenksersatz, Schultergelenksersatz) und Osteosynthesen (Platten, Nägel, Schrauben). 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. Titandioxid kann Bestandteil der Färbung von Arznei- und Nahrungsergänzungsmitteln in Tablettenform sein. 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. Im September 2019 brachte die Firma Apple Inc. die Apple Watch in 5. Generation „Apple Watch“ in einer Titan-Edition auf den Markt. Die 40-Millimeter-Version wiegt 35,1 Gramm (Titan) und 40,6 Gramm (Stahl). Die 44-Millimeter-Version wiegt 41,7 Gramm (Titan) und 47,8 Gramm (Stahl). Einige Notebooks der ThinkPad-Serie von Lenovo (früher IBM) besitzen ein titanverstärktes Kunststoffgehäuse oder einen Gehäuserahmen aus einem Titan-Magnesium-Verbundstoff. Elektrische Zigaretten: Titandraht wird hier als Heizspirale verwendet, da sich der elektrische Widerstand von Titan abhängig von der Temperatur messbar verändert. Auf dieser Grundlage bilden die neuesten elektrischen Akkuträger eine Temperaturregelung der Wicklung (Heizspirale) nach, um Temperaturschäden am Dochtmaterial (organische Watte) zu verhindern. Neben Nickel-200 Drähten und V2A-Stahldrähten gewinnt Titan in der Szene für diesen Zweck an Beliebtheit. Sonstige Anwendungsgebiete: Schmuck, Armbanduhren und Brillengestelle aus Titan Münzen mit Titankern (z. B. österreichische 200-Schilling-Münzen) Titan-Sublimationspumpe zur Erzeugung von Ultrahochvakuum Galvanotechnik als Trägergestell bei der anodischen Oxidation von Aluminium (ELOXAL) als Bestandteil der nach CRISAT standardisierten beschusshemmenden Westen als Musikinstrument: Gongs aus Titan, wegen ihrer besonderen Klangeigenschaften