Semesterarbeit im Wahlpflichtfach Leichtmetalle. Sensor- und Feinwerktechnik. Wintersemester 2000/2001

Transkript

1 Semesterarbeit im Wahlpflichtfach Leichtmetalle Sensor- und Feinwerktechnik Wintersemester 2000/

2 Inhalt: Herstellung Vorkommen Eigenschaften Korrosionsbeständigkeit Fazit Normen Quellenverzeichnis -2-

3 Herstellung Titan ist seit 200 Jahren als Element bekannt, aber erst in den letzten 50 Jahren hat das Metall an Bedeutung gewonnen. In dieser Zeit ist die kommerzielle Erzeugung von Titan z.b. in den Vereinigten Staaten von Null auf 23 Mio. kg/jahr gestiegen. Anlass hierfür war eine Entwicklung von Dr. Wilhelm J. Kroll in den späten 30ern. Der Kroll-Prozess: Hierbei wird Titantetrachlorid aus Titandioxid, Kohle und Chlor hergestellt. TiO2 + 2 C + 2 Cl2 TiCl4 + 2 CO Titantetrachlorid ist flüssig und kann durch Destillation gereinigt werden. Reines TiCl4 wird in flüssiges Natrium oder Magnesium bei 700 C unter einer Inertgas-Atmosphäre (meist Argon) eingeleitet. TiCl4 + 2 Mg Ti + 2 MgCl2 bzw. TiCl4 + 4 Na Ti + 4 NaCl Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung -3- von Titan ist der Van-Arkel-Prozess. Hierbei wird Titanschwamm in einem

4 Die Schritte im Einzelnen: Reduktion von Titanerz zu einer Schwamm genannten porösen Form von Titanmetall Schmelzen des Schwamms, bei Legierungen zuzüglich der Legierungselemente, zur Herstellung eines Blocks Umformung der Blöcke über Brammen zu allgemeinen Walzprodukten oder über Zwischenabmessungen zu Stäben oder Freiformschmiedestücken. Vorkommen -4-

5 In der Natur ist Titan sehr verbreitet, insbesondere in eisenhaltigen Erzen. Das technisch wichtigste ist hierbei Titaneisen, FeTiO3 (Ilmenit). Weitere titanhaltige Mineralien sind Titanit (CaTi[O/SiO4]), Perowskit (CaTiO3), sowie die drei aus Titandioxid bestehenden Minerale Rutil (tetragonal), Anatas (tetragonal) und Brookit (rhombisch). Eigenschaften: Reines Titan ist silberweiß, gut schmied- und walzbar und leitet den elektrischen Strom sehr gut. Dichte: 4,51 g/cm3 Schmelzpunkt: 1660 C Siedepunkt: 3287 C Gitter: unterhalb 885 C hexagonal (Alpha) α oberhalb 885 C kubisch raumzentriert (Beta) β E-Modul: N/mm2 Bei 99,8 % Reinheit: Zugfestigkeit: N/mm2 Bruchdehnung: 30 % Bei 99,5 % Reinheit: Zugfestigkeit: N/mm2 Bruchdehnung: 15 % Die mechanischen Eigenschaften des Titans sind stark abhängig von den Gehalten an Verunreinigungen, insbesondere Sauerstoff und Stickstoff. -5-

6 Titan hoher Reinheit besitzt z. B. eine Zugfestigkeit von 250 N/mm². Steigender O 2 -Gehalt: 0,1% 350 N/mm² 0,5% 850 N/mm² Aber die Bruchdehnung sinkt von 42% auf 18%. Eine Sonderstellung unter den Verunreinigungen im Titan nimmt der Wasserstoff ein. Bedingt durch die geringe Löslichkeit im Titan treten Ansammlungen von Wasserstoff und Hydridausscheidungen an den Gleit- und Zwillingsebenen auf. Somit steigen zwar Härte und Zugfestigkeit an, aber auch die Sprödigkeit. Deshalb sind maximal zulässige Wasserstoffgehalte festgelegt. Für reines Titan liegen sie bei 150 ppm, für Titanlegierungen bei ppm. α-legierungen zeichnen sich durch eine gute Warmfestigkeit aus. Sie sind schweißbar und auch in bestimmten Legierungsbereichen bei langen Glühzeiten thermisch stabil. β-legierungen lassen sich wegen ihres kubischen Gitters leichter kaltverformen als α-legierungen. Ihre Warmfestigkeit ist gut, aber ihre Kriechbeständigkeit und thermische Stabilität ist geringer als von α-legierungen. Korrosionsbeständigkeit Eine natürliche Schutzschicht aus Titandiaoxid (TiO 2 ) verleiht ihm hohe Resistenz gegen Korrosion und Kontamination unterhalb von 535 C. Bei höheren Temperaturen zerfällt -6-

7 die Oxidschicht, so dass kleine Atome wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff eindringen und das Titan verspröden können. Korrosion von Titan Korrosionsverhalten von Reintitan beständig gegen: begrenzt beständig gegen: unbeständig gegen: Chromsäure Schwefelsäure Fluor schwefelige Säure Salzsäure trockenes Chlorgas Alkalilaugen Phosphorsäure rote rchnde. Salpetersäure Ammoniak Oxalsäure wässrige Chloride Ameisensäure Salzsole Meerwasser feuchtes Chlorgas Essigsäure Malrinsäure Acetalaldehyd Karbamat Dimethylhydrazin flüssiger Wasserstoff Die Korrosionsbeständigkeit nimmt zu bei oxidierenden Bedingungen zu. Eine weitere Verbesserung kann durch Zusatz von Paladium im Titan erzeugt werden. -7-

8 Bei reduzierenden Bedingungen, steigender Konzentration, höherer Temperatur und bei Anwesenheit von Fluor und Fluorverbindungen nimmt die Korrosionsbeständigkeit ab. Beispiele für Anwendungsgebiete Anwendungsgebiete Werkstoffkurzname Chemische Industrie Ti 99,8 plattiert Petrochemie Ti 99,7 plattiert Kunststoffzwischenproduktherstellung Ti 99,6 Essigsäureherstellung Ti 99,5 Salpetersäureherstellung Ti 99,8 - Pd Chlorgasherstellung Ti 99,6 - Pd Harnstoffsynthese TiAl6V4 Anwendung ebenfalls bei der Düngemittelherstellung, Kunstfaserherstellung, Sodaherstellung, Zellstoff- und Papierherstellung, Textilbleichung, Meerwasserentsalzung, Meerestechnik, Galvanotechnik und in der Malrinsäureherstellung. -8-

9 Korrosives Medium Konzentration [%] Temperatur [ C] Korrosionsrate [µm/a] Essigsäure 5, 25, keine 50, Aluminiumchlorid <2 5, < <2.5 Ammoniumchlorid 1, 10, gesättigt <13 Ammoniumsulfat 5 25 keine gesättigt + 5%Wasser Königswasser (3:1) keine Calciumchlorid 28 kochend keine 5, 10, <25 Calciumhyperchlorid gesättigt 25 keine 2, Chlor gesättigt + Wasser mehr als 0.013% Wasser 79 keine trocken 32 schnell Kupfernitrat gesättigt 25 keine Kupferchlorid 20, 40 kochend keine Eisenchlorid 10, keine 5 60 keine kochend keine keine < % NaCl 100 <13 Ferric sulfate keine Ferrous sulfate gesättigt 25 keine Salzsäure 5 35 < Salzsäure mit Kupfersulfat < < keine <25 Schwefelwasserstoff gesättigt (Wasser) 25 <125 Milchsäure < kochend <125 Bleiacetat gesättigt 25 keine Magnesiumchlorid 5-40 kochend keine <125 Salpetersäure < < , < < < <

10 Korrosives Medium Konzentration [%] Temperatur [ C] Korrosionsrate [µm/a] Phosphorsäure < < < <1250 Salzwasser 25 keine Silbernitrat keine Schwefelsäure keine 1 60 keine Zinkchlorid gesättigt 25 keine 10 kochend keine <125 Kontaktkorrosion bei Titanwerkstoffen Titan ist im aktiven Zustand ein relativ unedles Metall, dessen Normpotential mit -1,75 V zwischen denen von Aluminium und Magnesium liegt. Titan bildet, wie bereits bekannt schon bei Raumtemperatur an der Oberfläche eine festhaftende und dichte Passivschicht, die das Korrosionsverhalten entscheidend bestimmt. In oxidierenden und neutralen Medien und auch in reduzierenden Medien, die jedoch Anteile oxidierender Bestandteile (Inhibitoren) aufweisen und somit eine Bildung der Passivschicht zulassen und einen Abbau vermeiden, weist Titan eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Aufgrund dieser Passivschicht liegen zwischen Titan und den korrosionsbeständigen 18/8-CrNi-Stählen, Monel und Hastelloy keine nennenswerten Unterschiede in den elektrochemischen Potentialen vor. Die Gefahr einer Kontaktkorrosion ist daher bei annähernd gleich großen Oberflächen in z.b. Meerwasser und chloridhaltigen Lösungen weitgehend auszuschließen. Bei einem galvanischen Kontakt von Titan mit Magnesium, Aluminium, Kupfer und deren Legierungen kann hingegen ein verstärkter korrosiver Angriff dieser Partnermetalle eintreten. -10-

11 Bioverträglichkeit von Titan Unlegiertes Titan und Titanlegierungen werden auf Grund der hohen Biokompatibilität seit Jahren in der Medizintechnik eingesetzt. Gelenkersatzteile für Hüfte, Knie, Schulter, Wirbelsäule, Ellbogen und Hand, Fixiermaterialien für Knochen, wie Nägel, Schrauben, Muttern und Platten, Zahnimplantate und Teile für die kieferorthopädische Chirurgie und zahnärztliche Prothetik, Herzschrittmachergehäuse und künstliche Herzklappen, chirurgische Instrumente für die Herz- und Augenchirurgie, Bauteile in schnell laufenden Blutzentrifugen. Durch Laserschneiden hergestellte Mikrozangen aus einer Titan-Nickel- Formgedächtnislegierung für die Medizintechnik Verwendete Legierungen sind z. B. TiAl6V4, Ti15Mo5Zr3Al und TiAl5Fe

12 Beispiel für den Einsatz von Titan in der petrochemischen Industrie Wärmetauscher aus Titanrohren Bedingung: Durch die Einsatzbedingungen sind für das auszuwählende Material mehrere Kriterien vorgegeben. Das Material muss den bei der Erdölraffination auftretenden aggressiven Medien standhalten, relativ temperaturbeständig sein und sich leicht zu Blechen oder Rohren verformen lassen, wie sie für die Funktion des Austauschers erforderlich sind. Außerdem müssen die Bleche und Rohre mit dem Bodenkörper des Austauschers verschweißbar sein. Lösung: Unter der Voraussetzung, dass die Betriebstemperatur der Anlage kleiner als 535 C ist, stellt Titan eine sinnvolle Lösung dar, da dessen Oxidschicht bis zu dieser Temperatur einen hinreichenden Korrosionsschutz bietet. Reines Titan ist am besten geeignet Reines Titan lässt sich auch sehr gut verformen und verschweißen, somit ist auch dieses Kriterium erfüllt. Sollte die Festigkeit von reinem Titan nicht ausreichen, kommt auch eine Alpha- Titan-Legierung in Frage, die ebenfalls gute Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitungseigenschaften aufweist, gleichzeitig aber eine höhere Festigkeit bietet. -12-

13 Fazit Wegen seines hohen Korrosionswiderstandes eignet sich Titan sehr gut für Chemie- und Schiffsausrüstungen und für medizinische Implantate. Es ist auch ein wichtiger Werkstoff in der Luft- und Raumfahrttechnik und findet Anwendung in Flugzeugrümpfen und Strahltriebwerken. Mit Niob bildet es eine supraleitende Substanz, mit Nickel eine Legierung mit Formgedächtniseffekt und mit Aluminium eine intermetallische Verbindung. Norm DIN 1750 DIN DIN DIN DIN Bleche und Bänder Stangen Drähte Schmiedestücke (Freiform- und Gesenkschmiedestücke) -13-

14 Quellen Materialwissenschaften, Donald R. Askeland, Spektrum Verlag Wrought Titanium and Titanium Alloys, S. Lampman, ASM International Introduction to Titanium and Titanium Alloys, James D. Destefani, Bailey Controls Company Chemie, Charles E. Mortimer, Thieme Verlag Vorlesungsunterlagen Leichtmetalle, Prof. Dr. Calles Werkstoffkunde III, Prof. Dr. Knotek