Liebig's Liebling: Titan
Eine kleine Materialkunde

Eigenschaften von Titan

Titan ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ti und der Ordnungszahl 22. Es gehört zu den Übergangsmetallen und steht im Periodensystem in der 4. Nebengruppe (Gruppe 4).
Titan hat ein stahlähnliches Aussehen, und ist ein gut schmiedbares Leichtmetall. Titan hat Festigkeitseigenschaften im Bereich von vergüteten Stählen und behält diese Eigenschaften bis in Temperaturbereiche von ca. 635 °C bei. Je nach Legierung beträgt die Zugfestigkeit zwischen ca. 750 und 1150 N/mm2. Mit einem spezifischen Gewicht von 4,51g/cm3 ist Titan jedoch fast um die Hälfte leichter als Stahl. Seine Schmelztemperatur (1.660 °C) liegt über der von Stahl. Benannt nach dem ältesten Göttergeschlecht der griechischen Mythologie, gilt es wie dieses als nahezu unverwüstlich. Es überzieht sich an der Luft mit einer äußerst beständigen Oxidschicht, dadurch ist die Korrosionsbeständigkeit von Titan außerordentlich hoch. Titan ist u.a. widerstandsfähig gegen alkalische Lösungen, verdünnte Salzsäure und verdünnte Schwefelsäure, Chloridlösungen, Seewasser und organischen Säuren.

Titan ist antimagnetisch. Dadurch ist es unter anderem auch nahezu völlig unempfindlich selbst im Umfeld starker Wirbelstromfelder, bei denen andere gängige Materialien sich bis in unakzeptable Bereiche aufheizen. Die hohe Wirksamkeit im Bereich EMV-Abschirmungen prädestiniert Titan für viele Anwendungen, in denen andere Werkstoffe versagen oder nur unzureichende Dämpfungswerte liefern können, immer natürlich bezogen auf das Gewicht und die Materialstärken der Teile. Nur am Rande erwähnt, weil in der Regel weniger wichtig: Titan ist das einzige Element, welches in einer reinen Stickstoffatmosphäre brennt.

Titan wird auch als Mikrolegierungsbestandteil für Stahl verwendet. Es verleiht Stahl bereits in Konzentrationen von 0,01–0,1 Prozent Massenanteil eine hohe Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität. In rostfreien Stählen verhindert Titan die interkristalline Korrosion. In Legierungen mit Eisen, Aluminium, Molybdän oder Mangan ist Titan Bestandteil hochfester, leichter und hitzebeständiger Werkstoffe für den Flugzeug-, Schiffs- und Reaktorbau. In der Chirurgie werden Knochennägel aus Titan verwendet. Ein Drittel des Triebwerks moderner Passagierflugzeuge besteht mittlerweile aus Titan. Bauteile chemischer Anlagen, die korrosiven Einflüssen ausgesetzt sind, werden vielfach aus Reintitan hergestellt.

 

Vorkommen von Titan

In der Erdkruste gehört Titan zu den zehn häufigsten Elementen, kommt jedoch nur chemisch gebunden als Bestandteil von Mineralien vor, vor allem bei: Ilmenit FeTiO3, Rutil TiO2, Perowskit CaTiO3. Und obwohl es sehr verbreitet ist, kommt es doch nur selten in größeren Lagerstätten vor. Fast jeder Ackerboden enthält übrigens ca. 0,5% Titan. Die Hauptvorkommen liegen in Australien, Skandinavien, Nordamerika, dem Ural und Malaysia. Im Jahr 2010 wurden in Paraguay Vorkommen entdeckt, deren Ausbeutung bis dato jedoch lediglich geplant ist.
Der verwendete Herstellungsprozess zur Gewinnung von reinem Titan ist sehr aufwendig, was sich im hohen Preis für Titan niederschlägt. Der Herstellungsprozess für eine vergleichbare Mengeneinheit ist 35-mal teurer als verbreitete Stahllegierungen bzw. 200-mal teurer als Rohstahl.

 

Gewinnung

Wegen der Reaktion des Titans mit den üblichen Reduktionsmitteln ist die Herstellung nicht durch Reduktion des Oxids möglich. Erst seit Entwicklung des sogenannten Kroll-Prozesses zur Titanschwammgewinnung ist die Herstellung in großer Menge möglich und fast unverändert: meist vom Ilmenit oder Rutil ausgehend, wird angereichertes Titandioxid in der Hitze mit Chlor und Kohle zu Titantetrachlorid und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt. Schon das ist nicht gerade billig, unter anderem weil Titantetrachlorid ätzend ist und deshalb die Sicherheitsmaßnahmen hoch sein müssen. Richtig teuer wird es, wenn im nächsten Schritt, dem eigentlichen Kroll-Verfahren, das Titantetrachlorid unter Luftabschluss und bei Temperaturen um 800 Grad mit flüssigem Magnesium reduziert wird, so dass Magnesiumchlorid und reines Titan entstehen. Das dauert in einem Reaktor von einem Meter Durchmesser und vier Meter Höhe ungefähr eine Woche. Dabei setzt sich das nun feste Titan an den Wänden ab und wächst dann nadelförmig in den Reaktor hinein. So entsteht der Titanschwamm, reines Titan zwar, aber zum Schmieden viel zu spröde.  Zur Herstellung von bearbeitbaren Legierungen muss der gewonnene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogenofen umgeschmolzen werden. Jetzt hat man erst den Rohstoff gewonnen für die Fertigung von Titanhalbzeugen wie Rohre, Bleche, Platten oder Stangen.
Kurzfassung:
ERZ (RUTIL/ILMENIT) –> TITANTETRACHLORID –> TI-SCHWAMM –> TI-LEGIERUNGEN –> TI-HALBZEUGE

 

Klassifizierung von Titan-Legierungen in Alpha-, Alpha-Beta, und Beta-Legierungen

Unterhalb von 882°C liegt Titan hinsichtlich seiner Struktur als hexagonales Alpha-Titan vor, darüber geht es in kubisch raumzentriertes Beta-Titan über. Dieser Übergangspunkt von Alpha nach Beta wird Transus Beta bzw. T,B genannt. Und genau dieser Übergangspunkt bestimmt, zu welcher Klasse eine Titanlegierung gehört. Zu den generellen Legierungseinteilungen von Titan kann noch gesagt werden, dass, je nach Zutun von Legierungselementen, diese Legierungselemente entweder die Alpha- oder die Betaphase der Legierung stabilisieren. Das heißt aber auch, dass Alpha-Elemente den Wert von T,B erhöhen und Beta-Elemente den T,B-Wert senken. Die Legierungselemente einer Titanlegierung haben somit auch direkten Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes. Denn aufgrund der oben erwähnten hexagonalen Kristallstruktur ist Titan nur relativ schlecht umformbar. Bei der Herstellung von Titanblech aus Titanblöcken macht beispielsweise das Walzen ca. 50 % der gesamten Kosten des Produktes aus.

– Alpha-Legierungen
Titan-Alphalegierungen haben hohe Anteile an Aluminium, erreichen hohe Festigkeitswerte und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen zwischen 300 und 500 °C. Alphalegierungen können nicht vergütet werden, sie sind jedoch gut schweißbar. Unsere verwendeten Rohrsätze beispielsweise gehören zu den Alpha-Legierungen.

– Alpha-Beta-Legierungen
Legierungsbestandteile wie Chrom, Kupfer, Eisen, Mangan, Molybdän, Tantal, Columbium erhalten das Beta-Gefüge bis in den normalen Temperaturbereich. Ein Vergüten ist möglich, wodurch hohe Festigkeitswerte erzielt werden können. Nachteilig ist die entsprechend höhere Sprödigkeit, welche die Verformbarkeit beeinträchtigt. Diese Legierung besitzt eine noch ausreichende Duktilität (Bruchdehnung ca. 20%), daher verwenden wir sie für aus dem Vollen gefräste CNC Teile.

– Beta-Legierungen
Reine Betalegierungen haben einen höheren Anteil an beta-stabilisierenden Legierungsbestandteilen. Durch Wärmebehandlung (Vergüten) lassen sich sehr hohe Festigkeitswerte erzielen. Betalegierungen weisen eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Beide Eigenschaften ermöglichen hochfeste Verbindungselemente für chirurgische Implantate.

– Einteilung in Grades
Titan-Legierungen werden häufig nach dem US-amerikanischen Standard ASTM (American society for testing and materials) mit Grade 1 bis 35 charakterisiert. Grade 1 bis 4 bezeichnet Rein-Titan verschiedener Reinheitsgrade. Sie stellen die weichste Titanlegierung dar und sind ausgezeichnet kaltverformbar. Sie gehören zur Klasse der Alpha-Legierungen.

 

Wir verwenden für unseren Rahmenbau nur 2 verschiedene Grades, nämlich Grade 5 (Ti6Al4V, EN 3.7165/3.7164) und Grade 9 (TiAl3V2.5, EN 3.7195)

Grade 5: Die Ti6Al4V Legierung ist die am weitesten verbreitete Titanlegierung der Alpha-Beta-Klasse, gleichzeitig ist es auch die häufigste aller Titanlegierungen weltweit. Diese Legierung besitzt eine noch ausreichende Duktilität (Bruchdehnung ca. 20%), daher verwenden wir sie für aus dem Vollen gefräste CNC Teile.
Grade 9: TiAl3V2.5 ist hingegen eine Alpha -Legierung. Das Material weist eine gute Duktilität und sehr hohe Festigkeit auf . Es wird in einer großen Bandbreite von Rohrprodukten eingesetzt, von Flugzeugleitungen bis hin zu den Rohrsätzen unserer Fahrradrahmen. Hohe Al-Gehalte führen allerdings zu Spannungsrisskorrosion, daher muss der Al-Gehalt auf etwa 3% limitiert sein.

 

Wie lassen sich nun die spezifischen Eigenschaften der Titanlegierungen auf unsere Titanrahmen übertragen?
Und wie gehen wir dabei während der Fertigung mit dem Material um?

  • Ab 550 – 600°C starke Beschleunigung der Oxidation; daher sehr aufwändiger und kostenintensiver Schweißvorgang unter Ausschluss von Sauerstoff erforderlich. Wir schweißen unsere Rahmen mit Hilfe der sog. Argonspültechnik.
  • Häufig nur bei hohen Temperaturen umformbar: daher werden unsere Rahmen unter penibler Einhaltung einer fest vorgegebenen Schweißreihenfolge gefertigt. Ein nachträgliches Ausrichten unserer Rahmen ist sehr schwierig, da der Rahmen wieder in die Ausgangsposition zurückwandert.
  • Niedriger E-Modul (kann auch von Vorteil sein): sehr geringe Dellengefahr an unseren Rahmen, auch nach Unfällen oder Stürzen.
  • Spanende Bearbeitung sehr schwierig: dennoch werden alle neuralgischen Punkte wie das Ausfallende, die Anschläge oder die Postmount-Bremssattelaufnahme aus dem sehr harten Grad 5 Titan CNC gefräst.
  • Ausgeprägte Isotropie des Werkstoffs Titan : multidimensionale Krafteinleitungen in den Rahmen können vom Material hervorragend absorbiert werden. Im absoluten Gegensatz dazu: Carbonrahmen – diese sind anisotrop.
  • Sehr hoher Preis: sowohl bei der Gewinnung der Rohstoffe als auch bei der weiteren Verarbeitung wie der CNC Bearbeitung und dem verzugfreiem Heften und Schweissen des Rahmens.
  • Hohe spezifische Festigkeit: dies erlaubt sehr leichte und gleichzeitig sehr steife Rahmen mit einer langen Lebenserwartung.
  • Geringer Festigkeitsabfall bei erhöhten Temperaturen: dies führt zu keinen negativen Implikationen auf die Dauerhaltbarkeit unserer Rahmen auch im Bereich der Schweißnaht.
  • Hohe Duktilität, auch bei tiefen Temperaturen: enorme Sicherheitsreserven unserer Rahmen und Titankomponenten, denn ein unerwartetes Versagen oder Reissen bei sicherheitsrelevanten Bauteilen wie beim Lenker oder der Gabel ist nahezu auszuschließen. Titan kann sich um mehr als 30% plastisch verformen, bevor es reisst. Im Übrigen ganz im Gegensatz zu Carbon, das sich lediglich 0 bis maximal 5 % verformen kann, bevor es reisst.
  • Hohe Ermüdungsfestigkeit: dadurch können wir uns die positiven Dämpfungseigenschaften zu Nutze machen, ohne dass das Material eine Einbuße bei der Dauerhaltbarkeit erfährt.
  • Hohe Korrosionsbeständigkeit vor allem gegen Salzwasser und Körperflüssigkeiten (TiO2 – dichte Schutzschicht, schnelle Bildung): dadurch eignen sich unsere Rahmen vor allem für den Ganzjahreseinsatz, Streusalz im Winter kann der Oberfläche nichts anhaben, da sie durch eine sehr beständige oxidische Schutzschicht (Passivierungsschicht) umgeben ist.

 

Darum verwenden wir Titan im Rahmenbau

• Puristisch – zeitlos – schön

        Unsere Titanrahmen zeichnen sich durch extreme Langlebigkeit aus. Aufgrund seines puristischen Auftritts ist ein Titanrahmen absolut zeitlos und keinem Trend unterworfen. Der Werterhalt ist wesentlich höher als bei jedem anderen Rahmenmaterial. Wir vermeiden jeglichen Einsatz von Lacken oder Aufklebern. Die nackten Rahmen sollen durch ihre handwerkliche Perfektion des Erbauers erfreuen, erfordern aber im Herstellungs- und Finishingprozess eine entsprechende Portion Handarbeit. Die Oberfläche von Titan ist sehr unempfindlich gegenüber Kratzern und anderen Umwelteinflüssen.

• Komfort durch Eigendämpfung

Ein Titan-Fahrradrahmen ist komfortabel und bei der Verwendung hochwertiger Rohrsätze zugleich äußerst fahrstabil. Denn Titanrahmen weisen einen überaus hohen Dämpfungswert auf. Für die Absorption von Stoßenergie spielt die Eigendämpfung eine wesentliche Rolle. Durch die innere Reibung wird eingeleitete Energie abgebaut. Es lassen sich aus Titan daher Rahmen fertigen, die Schwingungen schnell abklingen lassen.

• Langlebigkeit durch Widerstandsfähigkeit / kaum Materialermüdung

Titanrahmen zeichnen sich durch ihre außergewöhnliche Robustheit und höchste Lebensdauer im Vergleich zu Rahmen anderer Materialien aus. Das Risiko, seine Rahmen bei einem Sturz zu beschädigen, ist für den Besitzer von Titanrahmen mit Abstand am geringsten. Die Titanoberfläche ist unempfindlich gegenüber plastischen Verformungen oder Rissen.Titanlegieru ngen vereinigen die hohe Festigkeit von Stahl, aber eben mit der doppelten Elastizität von Stahl (= geringes E-Modul). Gleichermaßen hervorragend ist die chemische Resistenz des Materials: Streusalz oder Schweiß können der bereits oxidierten Oberfläche nichts anhaben – im Gegensatz zu Karbon.