Leichtmetalle:

Korrosionsbeständigkeit von Titan

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

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Korrosionsbeständigkeit von Titan

Inhalt:

• Herstellung • Vorkommen • Eigenschaften • Korrosionsbeständigkeit • Fazit • Normen • Quellenverzeichnis

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Korrosionsbeständigkeit von Titan

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 Æ 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 Æ Ti + 2 MgCl2 bzw. TiCl4 + 4 Na Æ Ti + 4 NaCl

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von -3Titan ist der Van-Arkel-Prozess. Hierbei wird Titanschwamm in einem

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Korrosionsbeständigkeit von Titan

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-

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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. ¾Dichte: 4,51 g/cm3 ¾Schmelzpunkt:

1660 °C

¾Siedepunkt: ¾Gitter:

3287 °C

unterhalb 885 °C hexagonal (Alpha)

α

oberhalb 885 °C

kubisch raumzentriert (Beta)

β

¾E-Modul: 110.000 N/mm2 ¾Bei 99,8 % Reinheit: Zugfestigkeit: 300 – 420 N/mm2 Bruchdehnung: 30 % ¾Bei 99,5 % Reinheit: Zugfestigkeit: 550 – 750 N/mm2 Bruchdehnung: 15 % Die mechanischen Eigenschaften des Titans sind stark abhängig von den Gehalten an Verunreinigungen, insbesondere Sauerstoff und Stickstoff. -5-

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Korrosionsbeständigkeit von Titan

Titan hoher Reinheit besitzt z. B. eine Zugfestigkeit von 250 N/mm². Steigender O2-Gehalt:

0,1% Æ 350 N/mm² 0,5% Æ 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 125 – 200 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 (TiO2) verleiht ihm hohe Resistenz gegen Korrosion und Kontamination unterhalb von 535 °C. Bei höheren Temperaturen zerfällt -6-

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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: Chromsäure schwefelige Säure Alkalilaugen Ammoniak wässrige Chloride Salzsole Meerwasser feuchtes Chlorgas Essigsäure Malrinsäure Acetalaldehyd Karbamat Dimethylhydrazin flüssiger Wasserstoff

begrenzt beständig gegen: Schwefelsäure Salzsäure Phosphorsäure Oxalsäure Ameisensäure

unbeständig gegen: Fluor trockenes Chlorgas rote rchnde. Salpetersäure

Die Korrosionsbeständigkeit nimmt zu bei oxidierenden Bedingungen zu. Eine weitere Verbesserung kann durch Zusatz von Paladium im Titan erzeugt werden.

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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 Petrochemie Kunststoffzwischenproduktherstellung Essigsäureherstellung Salpetersäureherstellung Chlorgasherstellung Harnstoffsynthese

Ti 99,8 plattiert Ti 99,7 plattiert Ti 99,6 Ti 99,5 Ti 99,8 - Pd Ti 99,6 - Pd TiAl6V4

Anwendung ebenfalls bei der Düngemittelherstellung, Kunstfaserherstellung, Sodaherstellung, Zellstoff- und Papierherstellung, Textilbleichung, Meerwasserentsalzung, Meerestechnik, Galvanotechnik und in der Malrinsäureherstellung.

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Leichtmetalle: Korrosives Medium Essigsäure Aluminiumchlorid

Ammoniumchlorid Ammoniumsulfat Königswasser (3:1) Calciumchlorid Calciumhyperchlorid Chlor

Kupfernitrat Kupferchlorid Eisenchlorid

Ferric sulfate Ferrous sulfate Salzsäure

Salzsäure mit Kupfersulfat

Schwefelwasserstoff Milchsäure Bleiacetat Magnesiumchlorid Salpetersäure

Korrosionsbeständigkeit von Titan Konzentration [%] 5, 25, 75 50, 99.5 25 5, 10 10 1, 10, gesättigt 5 gesättigt + 5%Wasser 100 100 28 5, 10, 20 gesättigt 2, 6 gesättigt + Wasser mehr als 0.013% Wasser trocken gesättigt 20, 40 10, 20 5 10 - 40 30 10 - 30 5 + 10% NaCl 10 gesättigt 5 10 20 10 + 0.05 10 + 0.1 10 + 0.5 10 + 1 gesättigt (Wasser) 10 - 85 10 - 100 gesättigt 5 - 40 5 - 40 5 10 40 - 50, 69.5 65 40 70 20

Temperatur [°C] 100 100 25 60 100 20 - 100 25 25 25 77 kochend 100 25 100 25 79 32 25 kochend 25 60 kochend 93 100 100 25 25 35 35 35 65 65 65 65 25 100 kochend 25 kochend 100 100 100 100 175 200 270 290

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Korrosionsrate [µm/a] keine 0.25