Titan: Schlüsseleigenschaften, Anwendungen und industrielle Nutzung

Hintergrund

Titan ist ein Übergangsmetall im Periodensystem mit dem Symbol Ti. Es ist ein leichtes, silbergraues Material mit Ordnungszahl 22 und Atomgewicht 47,90. Seine Dichte beträgt 4510 kg/m³, zwischen Aluminium und Edelstahl. Schmelzpunkt ca. 1667 °C, Siedepunkt 3287 °C. Es verhält sich chemisch ähnlich wie Zirconium und Silizium. Es besitzt ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis.

Titan ist das vierthäufigste Metall und macht etwa 0,62 % der Erdkruste aus. Rein kommt es selten vor; typischerweise existiert es in Mineralen wie Anatas, Brookit, Ilmenit, Leukoxen, Perowskit, Rutil und Sphen. Trotz relativer Häufigkeit bleibt es teuer, da die Isolierung schwierig ist. Führende Produzenten von Titankonzentraten sind Australien, Kanada, China, Indien, Norwegen, Südafrika und Ukraine. In den USA sind die Hauptproduktionsstaaten Florida, Idaho, New Jersey, New York und Virginia.

Tausende Titanlegierungen wurden entwickelt und in vier Hauptkategorien gruppiert. Ihre Eigenschaften hängen von der chemischen Grundstruktur und der Verarbeitung während der Fertigung ab. Legierungselemente umfassen Aluminium, Molybdän, Kobalt, Zirconium, Zinn und Vanadium. Alpha-Phasen-Legierungen haben geringste Festigkeit, sind aber form- und schweißbar. Alpha-plus-Beta-Legierungen haben hohe Festigkeit. Near-Alpha-Legierungen mittlere Festigkeit mit guter Kriechfestigkeit. Beta-Phasen-Legierungen höchste Festigkeit aller Titanlegierungen, aber mangelnde Duktilität.

Anwendungen von Titan und seinen Legierungen sind zahlreich. Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist der größte Nutzer. Es ist nützlich wegen hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und Hochtemperatureigenschaften. Typisch für Flugzeugteile und Befestigungselemente. Dieselbe Eigenschaften machen Titan nützlich für Gasturbinen: Verdichterschaufeln, Gehäuse, Triebwerksverkleidungen, Hitzeschilde.

Dank guter Korrosionsbeständigkeit ist Titan wichtig für die Metallveredelungsindustrie: Wärmetauscherrohre, Vorrichtungen, Auskleidungen. Titans Beständigkeit gegen Chlor und Säure macht es wichtig in der chemischen Verarbeitung: Pumpen, Ventile, Wärmetauscher. Die Ölraffinerie nutzt Titan für Kondensatorrohre wegen Korrosionsbeständigkeit. Diese Eigenschaft macht es auch nützlich für Entsalzungsanlagen.

Titan wird in Humanimplantaten verwendet wegen guter Biokompatibilität. Eine bemerkenswerte jüngste Anwendung: künstliche Herzen, erstmals 2001 implantiert. Weitere Uses: Hüftprothesen, Herzschrittmacher, Defibrillatoren, Ellenbogen- und Hüftgelenke.

Schließlich wird Titan in Konsumgütern genutzt: Schuhe, Schmuck, Computer, Sportgeräte, Uhren, Skulpturen. Als Titandioxid dient es als weißes Pigment in Kunststoff, Papier, Farbe. Sogar als weißer Lebensmittelfarbstoff und Sonnenschutz in Kosmetik.

Geschichte

Die meisten Historiker schreiben William Gregor die Entdeckung von Titan zu. 1791 arbeitete er mit Menachanit (ein in England gefundenes Mineral) und erkannte das neue Element, veröffentlichte seine Ergebnisse. Das Element wurde einige Jahre später im Erz Rutil von M. H. Klaproth, einem deutschen Chemiker, wiederentdeckt. Klaproth benannte das Element nach den mythologischen Riesen, den Titanen.

Beide, Gregor und Klaproth, arbeiteten mit Titanverbindungen. Die erste signifikante Isolierung von fast reinem Titan gelang 1875 Kirillow in Russland. Die Isolierung des reinen Metalls wurde erst 1910 demonstriert, als Matthew Hunter und Mitarbeiter Titantetrachlorid mit Natrium in einer erhitzten Stahlbombe reagierten. Dieser Prozess erzeugte einzelne Stücke reinen Titans. Mitte der 1920er erzeugten niederländische Wissenschaftler kleine Drähte aus reinem Titan durch Dissoziationsreaktion an Titantetraiodid.

Diese Demonstrationen veranlassten William Kroll, mit verschiedenen Methoden zur effizienten Isolierung von Titan zu experimentieren. Frühe Experimente führten 1937 zur Entwicklung eines Prozesses zur Titanisolierung durch Reduktion mit Magnesium. Dieser Prozess, heute Kroll-Prozess genannt, ist immer noch der primäre Prozess zur Titanherstellung. Die ersten Titanprodukte wurden um die 1940er eingeführt: Drähte, Bleche, Stäbe.

Während Krolls Arbeit ein Laborverfahren demonstrierte, dauerte es fast ein Jahrzehnt mehr, bis es für Großproduktion angepasst werden konnte. Diese Arbeit führte das US Bureau of Mines von 1938 bis 1947 unter Leitung von R. S. Dean durch. 1947 hatten sie verschiedene Modifikationen an Krolls Prozess vorgenommen und fast 2 Tonnen Titanmetall produziert. 1948 eröffnete DuPont den ersten Großfertigungsbetrieb.

Diese Großfertigung ermöglichte Titan als Strukturmaterial. In den 1950ern wurde es hauptsächlich von der Luftfahrtindustrie im Flugzeugbau genutzt. Da Titan für viele Anwendungen Stahl überlegen war, wuchs die Industrie rasant. 1953 erreichte die Jahresproduktion 907.200 kg, Hauptkunde war das US-Militär. 1958 sank die Nachfrage signifikant, da das Militär den Fokus von bemannten Flugzeugen auf Raketen verlagerte, für die Stahl geeigneter war. Seither durchlief die Titanindustrie verschiedene Zyklen hoher und niedriger Nachfrage. Zahlreiche neue Anwendungen und Industrien für Titan und seine Legierungen wurden entdeckt. Heute werden etwa 80 % von Titan von der Luftfahrtindustrie und 20 % von Nicht-Luftfahrtindustrien genutzt.

Rohmaterialien

Titan wird aus verschiedenen natürlich vorkommenden Erzen gewonnen. Primärerze für Titanproduktion sind Ilmenit, Leukoxen und Rutil. Weitere bemerkenswerte Quellen: Anatas, Perowskit, Sphen.

Ilmenit und Leukoxen sind titanhaltige Erze. Ilmenit (FeTiO₃) enthält ca. 53 % Titandioxid. Leukoxen hat ähnliche Zusammensetzung, aber ca. 90 % Titandioxid. Sie finden sich in Hartgesteinslagerstätten oder in Stränden und Alluvialsanden. Rutil ist relativ reines Titandioxid (TiO₂). Anatas ist eine weitere kristalline Form von Titandioxid und kürzlich bedeutende kommerzielle Quelle. Beide finden sich primär in Strand- und Sandlagerstätten.

Perowskit (CaTiO₃) und Sphen (CaTi-SiO₅) sind Calcium-Titan-Erze. Keines wird in der kommerziellen Titanproduktion genutzt wegen der Schwierigkeit, Calcium zu entfernen. In Zukunft wird Perowskit wahrscheinlich kommerziell genutzt, da er fast 60 % Titandioxid enthält und nur Calcium als Verunreinigung hat. Sphen hat Silizium als zweite Verunreinigung, was die Isolierung noch schwieriger macht.

Zusätzlich zu Erzen werden bei der Titanproduktion Chlorgas, Kohlenstoff und Magnesium verwendet.

Titan wird für vielfältige Artikel genutzt: Fahrradrahmen, Hüftimplantate, Brillenfassungen, Ohrringe.

Herstellungsprozess

Titan wird im Kroll-Prozess produziert. Schritte umfassen Extraktion, Reinigung, Schwammproduktion, Legierungserstellung und Formgebung. In den USA spezialisieren sich viele Hersteller auf verschiedene Phasen: Einige machen nur den Schwamm, andere nur Schmelzen und Legierungserstellung, wieder andere Endprodukte. Derzeit führt kein einzelner Hersteller alle Schritte durch.

Extraktion

• 1 Zu Produktionsbeginn erhält der Hersteller Titankonzentrate aus Minen. Während Rutil in natürlicher Form nutzbar ist, wird Ilmenit verarbeitet, um Eisen zu entfernen, sodass es mindestens 85 % Titandioxid enthält. Diese Materialien kommen in einen Wirbelschichtreaktor mit Chlorgas und Kohlenstoff. Das Material wird auf 900 °C erhitzt, und die darauffolgende chemische Reaktion erzeugt unreines Titantetrachlorid (TiCl₄) und Kohlenmonoxid. Verunreinigungen resultieren daraus, dass reines Titandioxid nicht am Start verwendet wird. Daher müssen die verschiedenen unerwünschten Metallchloride entfernt werden.

Reinigung

• 2 Das reagierte Metall wird in große Destillationstanks gegeben und erhitzt. In diesem Schritt werden Verunreinigungen durch fraktionierte Destillation und Fällung getrennt. Dies entfernt Metallchloride einschließlich Eisen, Vanadium, Zirconium, Silizium und Magnesium.

Schwammproduktion

• 3 Das gereinigte Titantetrachlorid wird als Flüssigkeit in einen Edelstahlreaktor überführt. Magnesium wird zugegeben und der Behälter auf ca. 1100 °C erhitzt. Argon wird eingeleitet, um Luft zu entfernen und Kontamination mit Sauerstoff oder Stickstoff zu verhindern. Magnesium reagiert mit Chlor zu flüssigem Magnesiumchlorid. Es bleibt reines Titansolid, da Titans Schmelzpunkt höher ist als der der Reaktion.
• 4 Der Titanschwamm wird durch Ausbohren aus dem Reaktor entnommen und mit Wasser und Salzsäure behandelt, um überschüssiges Magnesium und Magnesiumchlorid zu entfernen. Das resultierende Feststoff ist ein poröses Metall, der Schwamm.

Legierungserstellung

• 5 Der reine Titanschwamm wird über einen Verbraucherelektroden-Lichtbogenofen in eine nutzbare Legierung umgewandelt. An diesem Punkt wird der Schwamm mit verschiedenen Legierungszusätzen und Schrottmetall gemischt. Das exakte Verhältnis von Schwamm zu Legierungsmaterial wird im Labor vor der Produktion formuliert. Diese Masse wird zu Kompakten gepresst und verschweißt, forming einen Schwammelektroden.
• 6 Die Schwammelektrode wird in einen Vakuum-Lichtbogenofen zum Schmelzen gegeben. In diesem wassergekühlten Kupferbehälter wird ein Lichtbogen verwendet, um die Schwammelektrode zu einem Barren zu schmelzen. Die gesamte Luft wird entweder entfernt (Vakuum) oder die Atmosphäre mit Argon gefüllt zur Kontaminationsverhinderung. Typischerweise wird der Barren ein- oder zweimal nachgeschmolzen für kommerziell akzeptablen Barren. In den USA wiegen die meisten so produzierten Barren ca. 4082 kg und haben 76,2 cm Durchmesser.
• 7 Nach Barrenherstellung wird er aus dem Ofen entnommen und auf Fehler inspiziert. Die Oberfläche kann nach Kundenwunsch konditioniert werden. Der Barren kann dann an einen Fertigwarenhersteller versandt werden, wo er gefräst und in verschiedene Produkte verarbeitet werden kann.

Nebenprodukte/Abfall

Bei der Reintitanherstellung entsteht erhebliche Magnesiumchlorid-Menge. Dieses Material wird in einer Recyclingzelle unmittelbar nach Entstehung recycelt. Die Recyclingzelle trennt zuerst das Magnesiummetall, dann wird Chlorgas gesammelt. Beide Komponenten werden in der Titanproduktion wiederverwendet.

Zukunft

Zukünftige Fortschritte in der Titanherstellung liegen wahrscheinlich in verbesserter Barrenproduktion, Entwicklung neuer Legierungen, Kostensenkung und Anwendung in neuen Industrien. Aktuell besteht Bedarf an größeren Barren, als verfügbare Öfen produzieren können. Forschung läuft für größere Öfen. Auch an optimaler Zusammensetzung verschiedener Titanlegierungen wird gearbeitet. Letztlich hoffen Forscher, dass spezialisierte Materialien mit kontrollierten Mikrostrukturen leicht produziert werden können. Schließlich untersuchen Forscher verschiedene Methoden zur Titanreinigung. Kürzlich kündigten Wissenschaftler der Universität Cambridge eine Methode an, reines Titan direkt aus Titandioxid herzustellen. Dies könnte Produktionskosten erheblich senken und Verfügbarkeit erhöhen.

Weiterführende Informationen

Bücher

Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. New York: Marcel Dekker, 1998.

U.S. Department of the Interior U.S Geological Survey. Minerals Yearbook Volume 1. Washington, DC: U.S. Government Printing Office, 1998.

Zeitschriften

Freemantle, M. "Titanium Extracted Directly from TiO2." Chemical and Engineering News (25. September 2000).

Eylon D. "Titanium for Energy and Industrial Applications." Metallurgical Society AIME (1987).

Sonstiges

WebElements Web Page. Dezember 2001. .

Perry Romanowski