Ist Titan härter als Stahl?

Titan ist ungefähr 30 % stärker als Stahl, aber gleichzeitig ca. 43 % leichter, was ihm das höchste Festigkeit-Dichte-Verhältnis unter den Metallen verleiht. Es ist dennoch nicht so hart, wie viele wärmebehandelte Stähle, da die Härte eines Materials durch seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Kratzern, Verformungen und Dellen definiert wird und nicht durch seine Stärke. Diese sagt in diesem Zusammenhang lediglich etwas über die Zugfestigkeit, also die maximale mechanische Spannung aus, die ein Material aushalten kann, bevor es reißt oder bricht. Diese hohe mechanische Festigkeit bei geringem Gewicht macht Titan besonders vorteilhaft für zahlreiche Anwendungen.

Chemie-Wissen / Titan

Titan – Element im PSE

Q: Warum ist Titan so wertvoll?

Titan ist so wertvoll, da seine Herstellung sehr aufwändig und kostenintensiv ist. Obwohl es in der Natur sehr häufig vorkommt, kann es in dieser Form nicht zur industriellen Aufbereitung genutzt werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass Titan ausschließlich in chemischen Verbindungen vorliegt. Daher muss es erst aus Ilmenit oder Rutil gewonnen werden. Die am meisten verwendete Methode hierfür ist der Kroll-Prozess, welcher sehr arbeitsintensiv ist und extreme Hitze und Energie benötigt: Das macht die Produktion von Titan sehr teuer, und zwar etwa sechsmal so teuer wie die Stahlproduktion.

Titan ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente (PSE) mit der Ordnungszahl 22 und dem Elementsymbol Ti.

Es gehört zur 4. Nebengruppe (nach IUPAC: Gruppe 4), die auch als Titangruppe bezeichnet wird. Im Periodensystem steht Titan in der 4. Periode im Block d (Übergangsmetalle-Block).

Titan – Eigenschaften & Co.

Titan ist ein silberglänzendes, relativ leichtes Übergangsmetall. Mit einer Atommasse von 47,867 u liegt es bei Normalbedingungen im festen Aggregatzustand vor. Titan hat einen Schmelzpunkt von 1668 °C und einen Siedepunkt von 3287 °C, was es sehr hitzebeständig macht.

Aufgrund der geringen Dichte von Titan von 4,506 g/cm³ zählt es zu den Leichtmetallen und bildet an der Luft eine schützende Oxidschicht, die es äußerst korrosionsbeständig macht und für das matte, silbergraue Erscheinungsbild von Titan sorgt.

Im fein verteilten Zustand ist Titanpulver entzündlich und kann sich bei Oxidation mit Luft selbst entzünden. Massives Titan ist dagegen reaktionsträge, was mit der Oxidschicht zusammenhängt.

Titan – Vorkommen

Titan ist ein weit verbreitetes Element und kommt in der Lithosphäre ausschließlich in Verbindung mit Sauerstoff als Oxid vor. Mit einem Anteil von 0,565 % gehört es zu den häufigeren Elementen der Erdkruste und steht dort an 9. Stelle der Häufigkeitsskala.

Obwohl Titan weit verbreitet ist, kommt es meist nur in geringer Konzentration vor. Es befindet sich vor allem in Mineralien als Oxid oder Silicat.

Die wichtigsten Titanverbindungen sind:

Ilmenit (Titaneisenerz)
Leukoxen (eisenarmer Ilmenit)
Rutil (TiO₂)
Titanit (Sphen) (CaTi[SO₄]O)
Titanate, z. B. Bariumtitanat (BaTiO₃)
Begleiter in Eisenerzen

Geografisch gesehen befindet sich das Hauptvorkommen von Titan in Australien, Skandinavien, Nordamerika und Malaysia. Abgesehen davon lässt sich das Element auch im kosmischen Kontext finden:

in Meteoriten
in der Sonne sowie in Sternen der Spektralklasse M
Mondgestein (kann bis zu 12,1 % Rutil TiO₂ enthalten)

Titan
– Fragen & Antworten

Ist Titan stärker als Stahl?

Titan ist ungefähr 30 % stärker als Stahl, aber gleichzeitig ca. 43 % leichter, was ihm das höchste Festigkeit-Dichte-Verhältnis unter den Metallen verleiht. Eine hohe mechanische Festigkeit bei geringem Gewicht macht Titan besonders vorteilhaft für zahlreiche Anwendungen.

Ist Titan wertvoll?

Titan ist wertvoll, da die Herstellung sehr aufwändig und kostenintensiv ist. Obwohl es in der Natur sehr häufig vorkommt, kann es in dieser Form nicht zur industriellen Aufbereitung genutzt werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass Titan ausschließlich in chemischen Verbindungen vorliegt. Daher muss es erst aus Ilmenit oder Rutil gewonnen werden. Die am meisten verwendete Methode hierfür ist der Kroll-Prozess, welcher sehr arbeitsintensiv ist und extreme Hitze und Energie benötigt: Das macht die Produktion von Titan sehr teuer, und zwar etwa sechsmal so teuer wie die Stahlproduktion.

Ist Titan unzerstörbar?

Titan weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit auf, was es für viele Anwendungsgebiete praktisch und langlebig macht. Dennoch ist Titan nicht unzerstörbar. Bei hohen Temperaturen (über 400 °C) kann es Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff aus der Luft aufnehmen, was zu Versprödung und erhöhter Bruchgefahr führt. Zudem kann das Metall in bestimmten chemischen Umgebungen, wie in Flusssäure, korrodieren.

Titan – Entdeckung

Titan wurde erstmals 1791 entdeckt und benannt, doch die erste Gewinnung des Metalls gelang erst knapp 30 Jahre später. Seine industrielle Nutzung wurde erst über ein Jahrhundert später durch die Entwicklung eines großtechnischen Herstellungsverfahrens von William Justin Kroll möglich, dem sogenannten „Kroll-Prozess".

Titan – Herstellung

Titan kommt zwar in der Natur häufig vor, jedoch nur sehr selten in reiner Form, weshalb dieses durch den 1938 entdeckten Kroll-Prozess hergestellt wird. Der wichtigste Ausgangsstoff ist Ilmenit, aus dem im Lichtbogen durch Kohlenstoffreduktion flüssiges Eisen gewonnen wird.

Dieses Eisen enthält Titandioxid, das bei 750 °C – 1000 °C mit Chlor und Koks zu Titantetrachlorid umgewandelt wird. Nach der Destillation (Reinigung) wird es bei 800 °C - 900 °C unter einer Schutzgasatmosphäre (Helium, Argon) mit Magnesium reduziert, wodurch metallisches reines Titan entsteht.

Titan – Verwendung

Aufgrund der hohen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und geringen Dichte von Titan wird es hauptsächlich zur Legierung mit Stahl verwendet, da es diesem eine erhöhte Festigkeit und Duktilität, also Formbarkeit, verleiht. Trotz der hohen Kosten findet Titan dank seiner vielseitigen Eigenschaften auch in zahlreichen weiteren Bereichen Anwendung:

Titan in Marine- und Industrieanwendungen: Titan wird hier genutzt, um seewasserbeständige Bauteile wie Schiffspropeller und Einbauteile in Meerwasserentsalzungsanlagen herzustellen, da es keine Korrosion bei Meerwasser aufweist. Auch beim Bau von Kaliumchlorid-Eindampfanlagen sowie zum Bau von Anoden für Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ-Seekabel) wird es in diesem Kontext verwendet.
Titan für die Konstruktion und Alltagsgegenstände: Hierbei wird die Hitzebeständigkeit von Titan genutzt, um Verschleißteile in Lötanlagen (bis 500 °C beständig) Fahrwerksfedern für Autos herzustellen. Aber auch die hohe Festigkeit bei geringem Gewicht sowie die Korrosionsbeständigkeit spielen bei der Herstellung von Taucher- und Outdoor-Messern, Zeltheringen und Essbesteck aus Titan oder Titanlegierungen eine wichtige Rolle
Titan in der Luft- und Raumfahrt sowie für hochwertige Sportausrüstung: Die hohe mechanische Festigkeit von Titan bei geringem Gewicht wird hierbei für Flugzeuge und Raumschiffe (Außenhaut, Turbinenschaufeln, Triebwerksteile), Hochwertige Fahrräder (Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen für Rahmen), Golfschläger-, Tennisschläger- und Eisstockteile sowie für Dampfturbinen genutzt.
Titan in der Medizin & für Implantate: Hier wird Titan aufgrund seiner Biokompatibilität (verursacht keine Allergien oder Abwehrreaktionen), Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Festigkeit für Implantate, zum Beispiel Zahnimplantate, künstliche Hüften und Kniegelenke, genutzt. Dabei fördert die Titan-Oxidschicht des Metalls das Anwachsen von Knochen (Osseointegration). Zudem wird es in der Mittelohrchirurgie für Gehörknöchelchenersatz und Paukenröhrchen verwendet.