Das Material Titan

Ringe Titan


Inhalt

1. Die Geschichte von Titan
2. Was ist Titan?
3. Titanlegierungen
4. Wie wird Titan hergestellt?
5. Welche Eigenschaften hat Titan?
6. Wofür wird Titan verwendet?
6.1 Schmuck aus Titan
6.2 Weitere Produkte aus Titan


Titan

Die Kombination der Eigenschaften Festigkeit und Leichtigkeit macht Titan zu einem beliebten Werkstoff vieler Produktionsstücke. Auch die Schmuckindustrie hat das Material vor vielen Jahren entdeckt und nutzt Titan für Ringe, Ketten oder Armbänder. Die Kombination des kühlen silbergrauen Metalls mit warmen Farben, wie Gelb- und Rotgold, macht es zu einem beliebten Material für jedermann. Doch wo steckt der Ursprung von Titan und wer nutzt es neben der Schmuckindustrie? Diese Fragen werden im folgenden Abschnitt beantwortet.

1. Die Geschichte von Titan

Die Geschichte von Titan beginnt im Jahre 1791. In diesem Jahr wurde das chemische Element erstmals von dem geistlichen Amateurchemiker William Gregor im Titaneisen entdeckt. Titaneisen ist ein häufig vorkommendes Mineral der Oxide und Hydroxide und besteht aus 48% Eisen(II)-oxid und 52% Titandioxid. Namensgeber von Titan war allerdings nicht Gregor, sondern der deutsche Chemiker Heinrich Klaproth, der es 1795 entdeckte und aufgrund seiner Eigenschaften, angelehnt an das griechische Göttergeschlecht der Titanen, auf seinen heutigen Namen taufte. Reines Titan wurde erstmals im Jahre 1910 von Matthew A. Hunter gewonnen. Hunter erhitzte bei diesem Vorgang Titantetrachlorid und Natrium in einer Stahlbombe auf ungefähr 700°C bis 800°C. In den 1930er Jahren wurde das Verfahren von William Justin Kroll weiterentwickelt und letztendlich 1940 patentiert. Daraufhin konnte Titan auch in den entsprechenden Mengen für die heutigen kommerziellen Zwecke gewonnen werden. Um 1940 wurde das Metall zum Beispiel bereits für die Luftfahrt genutzt und ermöglichte somit den Eintritt in das Düsentriebwerkzeitalter.

2. Was ist Titan?

Titan ist ein chemisches Element des Periodensystems mit dem Elementsymbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu der Gruppe der Übergangs- und Nichtmetalle. Trotz seiner hohen Festigkeit ist es ein sehr leichtes Metall, dehnbar, antimagnetisch und durch eine an der Luft gebildeten Oxidschicht korrosionsbeständig. Titan ist kein seltener Werkstoff, kommt aber in der Erdkruste nur in Verbindung mit Sauerstoff vor und ist damit nur in geringer Konzentration vorhanden. Es tritt somit niemals elementar auf, sondern lediglich in Verbindung mit verschiedenen Oxiden. Hauptsächlich findet man Titanoxide beziehungsweise Titandioxide in Australien, Skandinavien, Nordamerika, dem Ural und Malaysia. Weiterhin kann man Titan auch aus Meteoriten gewinnen. Ebenso enthalten ist es in Kohleaschen, Pflanzen und sogar im menschlichen Körper. Das Recycling von Titan ist möglich.

3. Titanlegierungen

Reintitan

Reintitan besteht aus mindestens 99,7% Titan und zeichnet sich durch seine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Seine Festigkeit ist in etwa mit der von Aluminiumlegierungen zu vergleichen. Diese Legierung wird am häufigsten für die Schmuckproduktion verwendet. Man unterscheidet jedoch Reintitan Grade 1 und Reintitan Grade 2. Bei Grade 1 ist der Sauerstoffgehalt sehr gering und das Material daher relativ weich. Grade 2 hingegen enthält mehr Sauerstoff und kann durch seine gute Festig- aber auch Formbarkeit perfekt verarbeitet werden.

Alpha-Legierungen

Die Alphalegierungen von Titan enthalten einen hohen Anteil von Aluminium. Diese Legierung erreicht eine hohe Festigkeit, sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Sie sind gut schweißbar, können aber nicht vergütet (Wärmebehandlung) werden.

Alpha-Beta-Legierungen: Bei einer Alpha-Beta-Legierung kann es sehr unterschiedliche Legierungsbestandteile, wie Chrom, Kupfer, Eisen, Mangan, Molybdän, Tantal oder Columbium geben. Diese Legierungen können eine hohe Festigkeit erreichen, was aber auch zu einer erhöhten Sprödigkeit führen kann. Dadurch ist die Verformbarkeit beeinträchtigt.

Beta-Legierungen

Betalegierungen beinhalten ein höheres Volumen an betastabilisierenden Legierungsbestandteilen, weshalb sie besonders gut vergütet werden können und sich damit besonders hohe Festigkeitswerte erzielen lassen. Außerdem sind Betalegierungen extrem korrosionsbeständig. Daraus ergeben sich hochfeste Verbindungselemente.

4. Wie wird Titan hergestellt?

Die Herstellung von Titan wird in drei großen Arbeitsschritten durchgeführt. Titanerz wird im ersten Schritt zu einer porösen Form von Titanmetall reduziert. Diese Reduktion nennt man auch Schwamm. Danach wird der Schwamm geschmolzen. Wenn das Titan in einer legierten Form hergestellt werden soll, wird auch das Legierungsmaterial geschmolzen und zusammen mit dem Titan zu einem Block hergestellt. Anschließend wird der Block über Brammen zu allgemeinen Walzprodukten oder über Zwischenabmessungen zu Stäben oder Freiformschmiedestücken umgeformt.

5. Welche Eigenschaften hat Titan?

Farbe: Titan ist ein hellgräulicher, metallisch glänzender, Werkstoff. Titan kann jedoch mit dem gezielten Erzeugen einer Oxidschicht farblich gestaltet werden. Dieses Verfahren nennt man Anodisieren. Die gewünschte Farbe wird dabei an unterschiedlich dicken Schichten nicht durch Farbpigmente, sondern durch die Dicke der Schicht, erzielt.

Temperatur: Bis 400°C ist kompaktes Titan absolut hitzebeständig. Wächst die Temperatur über diesen Punkt deutlich hinaus, versprödet Titan durch die Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff recht schnell und verliert die Formbarkeit. Bei 400°C lässt sich das Metall formen. ACHTUNG: Wird Titan in Pulverform verwendet, so ist es feuergefährlich.

Umwelt: Titan wirkt sich nicht negativ auf die Umwelt aus.

Gesundheit: Da Titan nickelfrei ist, ist es absolut biokompatibel und antiallergen. Daraus schließt sich, dass das Metall in jeder Hinsicht hautfreundlich ist. Eine übermäßige Belastung von Titanstaub kann sich jedoch geringfügig auf die menschliche Lunge auswirken.

Preis: Wegen seines komplizierten Herstellungsprozesses, gehört Titan zu den teureren Metallen.

6. Wofür wird Titan verwendet?

Titan wird wegen seiner hohen Festig- und Zähigkeit besonders gern für die Herstellung von Stahl verwendet. Aber auch im alltäglichen Leben finden sich zahlreiche Titananwendungen.

6.1 Schmuck aus Titan

In der Schmuckindustrie verwendet man Titan wegen seiner hellgräulich, metallisch glänzenden Optik vor allem für massive Uhren, Brillengestelle oder Schmuck für den Herren. Titan ist sehr preisgünstig und besonders lange haltbar. Dies macht es zu einem wirtschaftlich ertrag- und erfolgreichem Material. Auch für Allergiker ist Schmuck aus Titan tragbar, da das Material nickelfrei ist. Durch die Möglichkeit Titan mit einer Oxidschicht einzufärben, ist das Material vielseitig wandelbar und auch für Kinderschmuck bestens geeignet.

6.2 Weitere Produkte aus Titan

In Verbindung mit Aluminium und Vanadium wird Titan zum Beispiel bei hochwertigen Fahrrädern verwendet. Es gibt zudem Essbestecke oder spezielle Tauchermesser, die aus dem Metall bestehen. Der Schlägerkopf eines Goldschlägers ist ebenso häufig aus Titan. Als Verbindung wird Titan zur Herstellung weicher, künstlicher Edelsteine verwendet. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Pyrotechnik. Weil Titan sehr belastbar ist, wird es in der Flugzeugtechnik und in Raumschiffen für Teile genutzt, die häufig stark beansprucht werden, aber trotzdem von geringem Gewicht sein müssen. Seine Korrosionsbeständigkeit macht das Metall außerdem zu einem beliebten Biomaterial für Implantate in der Medizin und Zahnheilkunde. Zahnkronen und Zahnbrücken bestehen zum Beispiel sehr häufig aus Titan. Auch Handyanbieter haben Titan bereits für das Gehäuse ihres Produktes genutzt.