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Titan

Metallurgie

Chemisches Element, Symbol Ti, hochschmelzendes Leichtmetall.

Titan ist ein Metall von grauer Farbe, das sich durch niedrige Dichte, hohe Festigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Es wird aus Titanerzen (Rutil TiO2 oder Ilmenit FeTiO3) durch Chlorierung, Reduktion des gebildeten Titanchlorids mit Magnesium und Vakuumdestillation der Magnesiumrückstände gewonnen und im Lichtbogenofen unter Schutzgas oder Vakuum umgeschmolzen, (Krollprozess). Titanlegierungen mit Chrom, Aluminium oder Molybdän haben sehr hohe Festigkeit. Bei vielen anderen Werkstoffen dient Titan als Legierungsbestandteil.

Gießen von Titan und seinen Legierungen

Titan hat im schmelzflüssigen Zustand sehr hohe Affinität zu Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff und muss daher im Vakuum erschmolzen und vergossen werden. Hierfür wurden Spezialanlagen mit Vakuumlichtbogenöfen oder Elektronenstrahlöfen entwickelt.

Bei der Verarbeitung von Titan und Titanlegierungen muss die Reaktivität des flüssigen Gusswerkstoffs bei der Auswahl des Gussformenmaterials berücksichtigt werden, um Oxidationen und die Bildung von Reaktionsprodukten weitestgehend zu verhindern. Für die Formherstellung werden häufig Yttriumoxid- oder Calciumoxidkeramiken eingesetzt. Zirkonoxidkeramiken sind bedingt verwendbar.

Eigenschaften von Gussstücken aus Titan und seinen Legierungen

In der Tabelle ist eine Auswahl von Titanlegierungen aufgeführt, die für Gussstücke verwendet werden.

Feingussstücke aus der Titanlegierung G-TiAl6V4 erreichen eine Zugfestigkeit von mindestens 880 N/mm2. Diese Werkstoffe sind seewasserbeständig, unmagnetisch, oxidationsbeständig bis etwa 700 °C und korrosionsbeständig, vor allem gegen verdünnte Salzsäure und Schwefelsäure in der Kälte und gegen Salpetersäure in jeder Konzentration; auch gegen Königswasser sind Titanwerkstoffe sehr beständig, desgleichen gegen Hypochlorit, Ammoniak, Chlorkalk und viele andere Chemikalien. Hervorstechend ist aber das besonders günstige Verhältnis von Festigkeit zur Dichte: Titan ist nur etwa halb so schwer wie Stahl bei gleicher oder vielfach sogar höherer Festigkeit.

Titanlegierungen sind je nach Legierungstyp bis zu einer Temperatur von 550 °C einsetzbar.

Einfluss von Titan im Gusseisen

Nach dem Abbinden von Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und etwas Kohlenstoff wird das verbleibende Titan im Eisen gelöst und verfestigt den Ferrit.

Titan ist ein starker Carbidbildner. Mit Stickstoff bildet sich ein stabiles Titannitrid. Im Gusseisen kommt der größte Anteil des Titans in Form von Titancarbiden, Titannitriden und Titancarbonitriden vor.

Bei Gusseisen mit Lamellengraphit begünstigt Titan die Graphitausbildung, sein Einfluss ist jedoch stark von den Abkühlungsbedingungen abhängig. Bei dünnen Querschnitten wird der Graphit durch steigende Titangehalte zunehmend feiner, sodass schließlich unterkühlter Graphit vom Typ D ausgeschieden wird, der die Ferritbildung begünstigt. Die Neigung zur Ferritbildung kann die erwarteten Festigkeiten im perlitischen Gussstück reduzieren. Mit der Zugabe von carbid- beziehungsweise perlitstabilisierenden Elementen kann gegengesteuert werden.

Eine geringe Erhöhung der Festigkeit des Gusseisens wird nur bei ferritischen Sorten festgestellt.

Die perlitstabilisierende Wirkung des Titans ist umstritten. Während einmal eine etwa 10-fach stärkere Wirkung als Mangan festgestellt wurde, finden andere Forscher keinen perlitstabilisierenden Einfluss. Sehr unangenehm macht sich die starke Seigerungstendenz von Titan in die Restschmelze bemerkbar.

Bei unzureichend geimpften dickeren Querschnitten aus Gusseisen mit Kugelgraphit werden infolge von carbidhaltigen Titaneinschlüssen die Festigkeit und besonders die Kerbschlagarbeit merklich reduziert.

Titangehalte größer 0,02 % behindern in Abhängigkeit weiterer Störelemente die Kugelausbildung maßgeblich. Diese Graphitentartungen treten in Trauben und als Netzwerk auf.

Titan wirkt bei Gusseisen mit Kugelgraphit carbidstabilisierend.

Titan vermindert außerdem die Kugelzahl. Der schädliche Einfluss des Titans auf die Kugelgraphitausbildung kann in aller Regel durch die Anwesenheit von Cer in der Magnesiumbehandlungslegierung oder als Cer-Mischmetallzugabe durch die Bildung sehr stabiler Cer-Titan-Verbindungen aufgehoben werden. Besonders unangenehm ist jedoch, dass Titan die kritische Grenze anderer Störelemente herabsetzt und somit deren schädliche Wirkung verstärkt.

Bei Temperguss fördert Titan die Graphitisierung in der 1. und 2. Glühstufe. Da aber auch die Primärgraphitisierung stark begünstigt wird, kommt es leicht zu Faulbruch. Dadurch ist die Anwendung des Titans als Mittel zur Verkürzung der Glühzeit und Verfeinerung der Temperkohle sehr begrenzt.

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