Thema 17 - Titan PDF

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Thema 17 - Titan...

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Titan: Generelles: - Gehört zu den Leichtmetallen (wie Aluminium und Magnesium) - Besitzt größte Dichte, höchsten Schmelzpunkt, höchste E-Modul aller Leichtmetalle - Im Vergleich zu anderen Leichtmetallen hohe Korrosionsbeständigkeit und geringe Leitfähigkeit - Reines Titan besitzt silbergraue Farbe - Titanlegierungen: -> Im Vergleich zum Stahl geringe Dichte und hohe Korrosionsbeständigkeit - Jedes Metall, dessen Dichte größer als die von Titan ist = Schwermetall - Durch hohen Rohstoffpreis kaum Anwendung in der Automobilindustrie Eigenschaften: - Titan ist ein allotropes Metall -> liegt bis 882°C als a-Titan mit hexagonaler Elementarzelle und darüber als kubisch raumzentriertes ß-Titan vor

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Ga s a ffini t ä tv onTi t a n:>Ti t a nl ö s tGa s eb e ihö h e r e nTe mp e r a t u r e ni ng r o ß e mMa ß e i n t e r s t i t i e l l Wa s s e r s t o ffH2i nTi t a n:>En t s t e h tb e iÜbe r s ä t t i g u n g>b e h i n d e r tGl e i t v e r s e t z u n g un dbi l d e tTi HTe i l c h e n>d i e s eb e wi r k e nRi s s i n i t i a t i o r e n>wi ei n n e r eKe r b e n , be wi r k e ng e r i n g e r eFe s t i g ke i t>De s h a l bb e iTi t a n l e gi e r u n g e nn u r0 , 01 m% H2 Wa s s e r s t o ffs pe i c he r ung:>Ti t a n l e gi e r u n g e nk ö n n e nc a . 2Ge wi c h t s % Wa s s e r s t off r e v e r s i be la u f n e h me n>n i mmtu n t e rAb g a b ev o nWä r meWa s s e r s t o ffNo t i z e na u f >Be iDe h y d r i e r u n gmu s sd i eEn e r g i ei nFo r mv o nWä r mewi e d e rz u g e f ü h r twe r d e n , umWa s s e r s t offe n t ne h me nz uk ön n e n Sa ue r s t o ffO2undSt i c ks t o ffN2:>Re i n t i t a n s o r t e nb e s i t z e na l l ea Ge f ü g eu n d un t e r s c h e i d e ns i c hn u ri mGa s g e h a l tv o nGr a d1( 9 9 , 8% Ti )bi sGr a d3( 9 9 , 5% Ti )> Ga s ev o ra l l e m Sa u e r s t o ffu n dSt i c k s t o ffb e wi r k e nSt e i g e r u n gv onDe hn g r e nz e, Zu gf e s t i g k e i tun dHä r t e>we i li n t e r s t i t i e l lg e l ö s t eGa s ee i n eVe r s p a n n u n gde s Kr i s t a l l g i t t e r sb e wi r k e n>Da d u r c hBe h i n d e r u n gd e ra bl a u f e nd e n Ve r f o r mu n g s v o r g ä n g e St e i ge n de rGa s g e h a l t=n e g a t i v e r eDu k t i l i t ä t>z uh o h e rGa s g e h a l t be wi r k t Ve r s p r ö d u n gu n dVe r s a ge ndu r c hSpa l t b r uc h

Gewinnungsverfahren -> Kroll Prozess: - Prozess: - Herstellung von Titantetrachlorid aus oxidischen Erzen -> Titanchlorid wird durch Chlorieren Titandioxid in Gegenwart von Kohle hergestellt. - -> in Stahlbehältern bei 700-800°C unter Schutzgasatmosphäre folgende Reaktion: 𝑇𝑇𝑇 2 +2𝑇𝑇2 +𝑇→𝑇𝑇𝑇𝑇4+���↑ 𝑇𝑇𝑇 .

𝑇𝑇𝑇2+2𝑇𝑇2+2𝑇 → 𝑇𝑇𝑇𝑇4+2�� ↑ -

Dur c hho h eAn z i e hu n gz u mCh l o r>Sa u e r s t o ffwi r dv onTi t a n d i o xi da b g e s p a l t e nu n d v omKo hl e n s t o ffa b g e b u n d e n>Ko h l e n mo n o x i db z wKo h l e n d i ox i dk a n ne n t we i c h e n 1.Pr oz e s s s c hr i t t :

2.Pr oz e s s s c hr i t t :He r s t e l l ungv o nTi Sc hwa mm a usTi CL4

 I ne i n e m Re a kt o rmi tg e s c hmol z e n e nMgwi r db e i10 9 3° CTi CL4h i n z u g e g e b e n .>Ti t a n s c h wa mme n t s t e h t>Wä h r e n dRe a k t i o nni mmtMg Ma s s ea b>Bi sz umEn d e mu s sMgz u g e f üh r twe r d e n>Di ez u n e h me n d eTi Sc h wa mmma s s eu n dd a sMg Cl 2 he b e nMa g ne s i u mb l o c ka n>Abf a l l p r o d uk t eMg Cl 2we r d e ns t e t i gi n Sa mme l b e hä l t e ra b g e f ü h r t  Au sKr o l lPr o z e s sr e s u l t i e r tTi t a n s c h wa mm >Ti t a n s c h wa mm wi r du n t e rh o h e m Dr u c kz uBr i k e t t sv e r a r be i t e t>Br i k e t t swe r d e nz uEl e kt r o de nv e r a r b e i t e t (v e r s c h we i ß e nu nt e rSc h ut z g a s a t mos p h ä r e )

 Ty p i s c heEl e k t r od e ns i n dc a . 4 , 5ml a n gun d1mb r e i t  I m Va k u uml i c h t b o g e n o f e nwe r de nEl e k t r o d e nmi n de s t e ns2 xumg e s c hmol z e n ( Ma t e r i a lwi r dk o mp a kt i e r tu n dh o mo g e n i s i e r t )>v e r bl i e b e n eVe r u nr e i n i g u n g e n we r d e ne n t f e r n t>wä h r e ndu ms c h me l z e nr o t i e r tEl e kt r o d el a n g s a mu ndSc h me l z e e r s t a r r t ei nWa s s e r g e kü hl t e nKo ki l l e>Ums c h me l z v or ga n gfin d e tu n t e rHo c h v a k u u m s t a t t>Ob e r flä c h ed e sg e wo n ne nI n g o t swi r ds p a n e n dbe a r b e i t e t( Re i n i g u n g ) >da na c hWe i t e r v e r a r b e i t u n gz uHa l bz e u g e nd u r c hz . B. Gi e ße n, Sc hmi e d e n ,Wa l z e n ( e b e n s oOb e r flä c h e n b e a r be i t u n g s v e r f a h r e n ) (fin d e tu n t e rSc h ut z g a s a t mo s p h ä r eo d e ri m Va k u u ms t a t t ) Va kuuml i c ht bo g e no f e n:

Verarbeitung von Titan- Werkstoffen:

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Spanende Bearbeitung: -> hohe Belastung der Werkzeuge und neigt dazu mit dem Titan zu verschweißen 1) Drehen und Fräsen: -> Drehstäbe aus hochkobalthaltigen Schnellarbeitsstählen Beim Fräsen -> Titan verschweißt oft mit Werkzeug -> um entgegen zu wirken Gleichlauffräsen anstatt Gegenlauffräsen 2) Bohren: ->Bohren mit großem Vorschub, geringer Schnittgeschwindigkeit mit starrer, vibrationsfreier Bohrmaschine unter starker Kühlung Bei tiefen Bohrungen mit chlorierten Schneideölen Bohren von Hand sollte vermieden werden 3) Gewindeschneiden: -> Starrer Maschinenaufbau und gute Werkzeugbefestigung erforderlich Gute Schnittbedingungen erfordern Umfangsgeschwindigkeiten von 5 bis 15 m/min (bei unlegiertem Titan), 3 bis 10 m/min (bei Titanlegierungen, geglüht), 1 bis 5 m/min ( bei Titanlegierungen, ausgehärtet) Negativ : Schmieren und Fressen des Titans -> Schmiermittel erforderlich -> Gewindebohrer sollte starken Kern und verkürzte Schneidlänge besitzen , starke Gewindeverjüngung und starker Flankenhinterschliff -> Spanwinkel sollte 5° betragen Ein abgebrochener Gewindebohrer kann mit Salpetersäure gelöst werden (Salpetersäure löst Stahl, aber kein Titan)

Trennen: -> Brennschneiden = Trennen metallischer Werkstoffe durch örtliches Verbrennen im Sauerstoffstrom - Voraussetzungen: - Material muss im Sauerstoffstrahl verbrennbar sein - Entzündungstemperatur des Werkstoffs muss unter Schmelztemperatur liegen - Schmelzpunkt der Oxide muss unter Schmelztemperatur des Grundwerkstoffs liegen - Verbrennungswärme des Metalls soll größer sein als die Wärmeabfuhr - Wärmeleitfähigkeit soll möglichst klein sein - Thermische Trennverfahren für Titan und Titanlegierungen: AutogenBrennschneiden, Plasma- Brennschneiden, Laserschneiden, AbrasivWasserstrahlschneiden Schweißen: -> Durch Neigung von Titan zu Gasen, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff scheiden sämtliche Schweißverfahren aus, bei denen das schmelzflüssige Metall mit diesen Elementen in Kontakt kommen kann und eine Versprödung zur Folge haben kann - Verfahren: - WIG- und MIG- Verfahren - Elektronenstrahl und Laserschweißen - Plasma-, Widerstands-, Ultraschall-, Diffusions-, Reib-, Sprengschweißen Umformen: - a und a+b Titanlegierungen bei Raumtemperatur nur bedingt umformbar, da hohe Streckgrenzenverhältnisse und geringe Gleichmaßdehnung -> Verformungsfähigkeit technisch kaum nutzbar - Niedrige E-Modul -> starke Rückfederung (muss bei Gesenkauslegung berücksichtigt werden) - Warmumformen bei t> 500°C

Ho c hg r a di g epl as t i s c heVe r f o r mung :>Fä h i g k e i t , u n t e rs e h rg e r i n g e nFl i e ß s p a n n u n g e n ( 1 01 0 0 MPa )b e is p e z i e l l e rWä r me b e h a n d l u n ge i n e ne xt r e mh o h e nUmf o r mg r a dz ue r r e i c h e n -

Vo r a us s e t z ung e n: Ge r i n g eKo r n gr ö ße n Ze i t l i c hg e s t e u e r t eDi ffu s i on s p r o z e s s e Er h öh t eVe r f o r mu n g s t e mpe r a t ur( 0 , 5b i s0 , 6 5d e rSc h me l z t e mp e r a t u r ) Ge r i n g eVe r f o r mun gs g e s c h wi n d i g k e i t Ge e i g ne t eLe g i e r u n g e n( Ti Ai ,Cu Al , Zn Al )

Ha upt l e g i e r ung s gr uppe n:>Al l o t r o p ePh a s e n u mwa n dl u n gd e sr e i n e nTi t a n sb e i8 8 2 ° Cv o n aTi t a nz ubTi t a n . Be z e i c h n u n gn a c hGi t t e r s t r u kt u rb e iRa u mt e mp e r a t u r . Al pha Le g i e r ung e n: - Be iRThd p - Z. B. Ti Al 5 Sn 2 , 5 - Ei g e ns c ha f t e n:z u f r i e d e ns t e l l e n d eFe s t i g ke i t ,Zä h i g k e i t , Hä r t e , Kr i e c h f e s t i gk e i t , Sc h we i ß b a r k e i t Be t a Le g i e r ung e n: - Be iRTkr z - z . B. Ti Mo1 5 Zr 5

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Ei g e ns c ha f t e n:s e h rg u t u mf o r mb a r , u n g e e i g n e tf ü rTi e f t e mp e r a t u r a n we n d u ng e n

Al pha Be t aLe g i e r ung e n: - Be iRTkr zu n dh d p - Z. B. Ti Al 6 V4 - Ei g e ns c ha f t e n:s e h rg utb e a r be i t b a r , ü b e r2 0% b Ph a s en i c h ts c h we i ßb a r

Zus amme nf a s s ung : Vo r t e i l e : - Ge wi c h t s e r s pa r ni sd ur c hni e d r i g eDi c h t eu n dh o h es pe z i fis c heFe s t i g k e i t - Ex z e l l e n t eKo r r o s i o n s b e s t ä n di g k e i t( Ei n s a t zi nSe e nä h emö g l i c h ) - He r v o r r a g e n d eBi o k omp a t i b i l i t ä t - Gut eDe k o r f ä h i g k e i t /g u t e sI ma g e Na c ht e i l e : - Hoh e rPr e i s - Au f we n d i g eSc h we i ß t e c h n i k e n - Ni e d r i g e sEl a s t i z i t ä t s mo du l...