Titan

Allgemein

Titan, das erst im 18. Jahrhundert entdeckt wurde, nimmt unter den in der Erdkruste vorkommenden Metallen mengenmäßig nach Al, Fe und Mg die vierte Stelle ein. Ertragreichste Erze, aus denen heute Titan gewonnen wird, sind in erster Linie „Rutil“ mit 95% und „Ilminit“ mit 40-60% Titanoxid.

Die heute am verbreitesten angewendete Methode der Titangewinnung geht auf den Luxemburger Dr. Kroll zurück:

Die Herstellung von Titan

Die Titanerze werden vorerst von ihren Verunreinigungen befreit. Durch einen chemischen Produktionsprozess wird der so genannte „Titanschwamm“ gewonnen, der in einem Mahlwerk zerkleinert wird. Anschließend wird der Titanschwamm durch Säuren noch gereinigt. Unter Zusatz von Legierungselementen wird der gemahlene Titanschwamm bei einem Druck von 300 N/mm2 zu Stangen verpresst. Diesen Presslingen kann bis zu 30% Titanschrott zugesetzt werden. Unter Argonschutzgas werden dann mehrere dieser Stangen zusammengeschweißt. Sie bilden die Abschmelzelektrode.

Diese Elektrode wird dann im Vakuum-Lichtbogenofen verschmolzen. Zwecks besserer Entgasung und Erzielung einer homogenen Legierungsverteilung wird der Titanblock noch einmal umgeschmolzen.

Eigenschaften

Titan zählt mit seiner Dichte von 4,5 kg/dm3 zu der Gruppe der Leichtmetalle. Der Schmelzpunkt reinen Titans liegt bei 1725°C, Legierungen aus Titan liegen darunter. Bauteile, die keiner hohen mechanischen Beanspruchung unterliegen, können kurzfristig 1650°C aushalten.

Titan hat einen außergewöhnlichen hohen Wärmewiderstand und leitet etwa 12-mal so wenig Wärme durch sich hindurch wie Aluminium.

Der elektrische Widerstand von Titan ist ebenfalls sehr hoch und liegt bei 1,8 m/Ωmm2, im Vergleich dazu Aluminium = 33,3 m/Ωmm2.

Die Zugfestigkeit von Titan erstreckt sich je nach Legierung und Gefügezustand von 250 N/mm2 bis 1315 N/mm2.

Die Elastizitätsgrenze (0,2° Streckgrenze) fällt oberhalb von 400°C stark ab.

Titan hat eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, bei Temperaturen über 300°C tritt jedoch eine hohe Sauerstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff- oder Kohlenstoffaufnahme ein, die bei einer längeren Einwirkzeit das Titan durchgehend hart, brüchig oder spröde macht. Die hohe Affinität zu den vorgenannten Gasen gestattet eine gezielte Oberflächenhärtung durch Aufkohlen oder Aufsticken bei niedriger Temperatur bis 0,005mm Tiefe.

Oberhalb von 880°C kommt es zu einer Gefügeumwandlung. Das unterhalb dieser Temperatur vorhandene hexagonale Raumgitter (auch a-Struktur genannt), wandelt sich in ein raumzentriertes Gitter (b-Struktur) um.

Titan ist umso weicher, je reiner es ist. Die Festigkeit kann durch Umformung sehr stark heraufgeführt werden. Mit Titan und seinen Legierungen können Wärmebehandlungen durchgeführt werden, um die Festigkeit oder Umformbarkeit zu steigern.

Erkennen von Titan

Zur werkstattüblichen Erkennung von Titan können folgende Kriterien herangezogen werden:

• Titan hat das Aussehen von rostfreiem Stahl.
• Titan ist um 60% leichter als rostfreier Stahl.
• Titan ist um 50% schwerer als Aluminium.
• Titan gibt beim schleifen sehr weiße Funken.
• Titan auf nassem Glas gerieben, hinterlässt schwarze Spuren.

Beachte: Genaue Auskunft über den Werkstoff gibt die aufgedruckte Nummer auf dem Halbzeug.

Reintitan

Es gibt 3 handelsübliche Sorten von Reintitan (Gruppe I-III), die einen Gesamtgehalt an Verunreinigungen < 0,8% aufweisen. Mit steigendem Verunreinigungsgrad erhöht sich die Festigkeit bei abnehmender Dehnung. Reintitan lässt sich durch Kaltverfestigung verfestigen, wobei dieser Vorgang durch eine Warmbehandlung rückgängig gemacht werden kann.

Grundsätzlich ist Reintitan auf Grund der guten Dehnungswerte gut schweißbar. Es sollte aber beim schweißen ein Schweißdraht mit niedrigem Fe-Gehalt benutzt werden, da die teilweise vorhandene β-Phase im Titan durch Eisen stabilisiert werden und zur Schwächung der Naht und der WEZ führen. Die Schweißung hat geringen Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften bei geglühten Werkstoffen (Festigkeit fällt in der WEZ nach dem Schweißen).

Alle Prozesse, bei denen eine Verunreinigung durch Fe auftritt, sollten vermeiden werden.

STAHLBÜRSTEN UND STAHLFEILEN DÜRFEN NICHT VERWENDET WERDEN!!!

Titanlegierungen

Reichen die mit Reintitan erreichbaren Festigkeiten nicht aus, setzt man legierte Titansorten ein. Dank der sehr hohen Festigkeiten bei gleichzeitig niedrigem spezifischem Gewicht ermöglichen diese Legierungen erhebliche Gewichtsverminderungen gegenüber der Verwendung von Stählen. Durch das Legieren ergeben sich teilweise Änderungen der Gitterstrukturen.

Teilweise besitzen diese Legierungen eine a-Struktur (z.B. Ti-5Al-2,5Sn). Andere Legierungen besitzen eine α + β-Struktur (z.B. Ti-6Al-4V und Ti-8Al-1Mo-1V), während andere Legierungen eine reine β-Struktur besitzen.

α + β-Legierungen sind gut schweißbar, so lange der β-Anteil 3% nicht übersteigt. Durch die a + β-Umwandlungen kommt es zu einem Dehnungsabfall im Bereich der WEZ. Diese Legierungen können mit AMS 4951 bzw. 4954 geschweißt werden, um den β-Anteil gering zu halten.

Ti-6Al-4V ist die α + β-Legierung mit den besten Schweißeigenschaften. Es kann im lösungsgeglühten Zustand geschweißt werden.

Die Typen Ti-7Al-4M und Ti-6Al-6V-Sn sind Legierungen mit erhöhtem β-Gehalt und sind rissanfällig, daher sollte beim Schweißen auf 300-350°C vorgewärmt und unmittelbar nach dem Schweißen spannungsarm geglüht werden.

Allgemeine Verhaltensregeln zum Schweißen von Titan

• Eine Kontamination durch Eisen als auch mit Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff ist sowohl beim Vorbereiten, als auch beim Schweißen von Titan zu vermeiden. Wasserstoff führt z.B. zur Bildung von Titanhydrit und damit zur Versprödung der Schweißnaht.
• Verunreinigungen durch Schweiß- bzw. Salzrückstände sind unbedingt zu vermeiden.
• Titan-Bauteile können durch Berührung mit Cadmium, Blei, Zinn, Gold, Zink, und Silber schwer geschädigt werden. Daher ist jegliche Berührung mit diesen Metallen zu vermeiden (z.B. durch Vorrichtungen oder persönliche Gegenstände wie Ringe, Uhren und Gürtelschallen).
• Halogene (Fluor, Chlor, Brom und Jod) und deren Verbindungen reagieren mit Titan und können Spannungsrisskorrosion bei erhöhten Temperaturen auslösen. Daher dürften Stoffe, die diese Halogene enthalten, nicht für Titan verwendet werden.
• Verschmutzungen wie Kleberrückstände, Fingerabdrücke usw. sind vor dem Schweißen mit Aceton oder Spiritus zu entfernen.

--Anthony