Hvorfor bruge stål og ikke titan? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvorfor bruge stål og ...

05. februar 2014

Hvorfor bruge stål og ikke titan?

Hej Spørg om Fysik
Jeg er lidt fascineret af metallet titan, som jeg kan forstå både er meget lettere og stærkere end stål. Det har vist også sin egen plads i det periodiske system.

Alligevel skulle det ikke være særligt dyrt eller svært at finde. Så selv monumenter eller fly kan laves i titan.

Hvordan kan man egentlig teste, om en genstand er lavet af titan, og findes titan i forskellige legeringer/kvaliteter ? Er der måder, at finde ud af det på ?

Mange venlige hilsener
H L

Som sædvanligt afgøres det af prisen på stoffet dvs. fremstillings problemerne og besværet ved at fremstille de ønskede genstande af det i større stil.

Titan blev opdaget i 1791 af englænderen William Gregor (GB 1761 – 1817) og samtidigt af Martin Heinrich Klaproth (D, 1743 – 1817), det var denne sidstes som foreslog det nuværende navn. Navnet stammer fra Titanerne i den græske mytologi.

Historie og kemi:Titan er et grundstof, som står i det man kalder IV B gruppe i det periodiske system, den nærmeste familie er de ikke særligt kendte stoffer Zirkon og Hafnium (Hafnium som er sjældent og svært at adskille fra Zirkon, opdaget her på Niels Bohr Institutet i 1923 af Dirk Coster og Georg von Hevesy og opkaldt efter København). Det er det 9 mest almindelige element i jordskorpen, ca 0,6 % af jordmassen.

Titan er i ren tilstand et skinnende hvidt metal. Det er forholdsvis let at bearbejde, og kan trækkes til tråd.

Forekomst: Titan forekommer over hele jorden. De to vigtigste mineraler er rutil (titan(IV)-oxid, TiO2) og ilmenitt, (Fe(II)Ti(IV)-oxid, FeTiO3). 90 % af

Rutil

Ilmenitt

verdensproduktionen sker i Australien (fra rutil), men der er store mængder af ilmenitt i bl.a. Australia, Norge, Canada, USA og Rusland. Problemer er ikke at finde metallet, men at det reagerer let med ilt, brint, nitrogen og kulstof ved høje temperaturer, så det er svært at fremstille det rent.

Den nu anvendte proces (siden 1948) kaldes krollprocessen, som består i at rense mineralerne og danne metantetraklorid, TiCl4, derefter at reducere denne forbindelse med metallisk magnesium ved 800–950 °C i en beskyttelsesatmosfære af helium eller argon: TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2. Zirkonium lader sig fremstille på tilsvarende måde. Dette forløb gør, at titan ikke er noget helt billigt metal.

Ved passagermaskiner er skovlbladene, der ses foran i jetmotoren, ofte af titan (måske altid, jeg ved det ikke) og kostprisen er sådan, at for den roset som man ser, er i prislaget som en mindre villa, og der er jo yderligere flere rækker mindre blade bag de første.

Titan

Fremstilling: Stoffet er svært at fremstille i ren tilstand, da det under processen reagerer let. Ved stuetemperatur reagerer det med ilt og dækkes af et tyndt lag oxid, som beskytter imod yderligere angreb (altså lidt som aluminium). Det har atomnummer 22, atommasse 47,867, kogepunkt 3287 °C, smeltepunkt 1668 °C, densitet 4540 kg/m3, elasticitet (youngs modul) 211*109 Pa. Til sammenligning jern atomnummer 26, atommasse 55,845, kogepunkt 2661 °C, smeltepunkt 1538 °C, densitet 7870  kg/m3, elasticitet (youngs modul) 116*109 Pa. Jerns densitet er altså næsten dobbelt så stor som titans, Youngs modul knap dobbelt så stor.

Anvendelse: Jern bruges i en myriade af legeringer, den almindeligste titanlegering skulle være α-β-titan, som er titans to krystalformer legeret med forskellige metaller, den vigtigste er 1 Titan atom med 6 Aluminium og 4 Vanadium atomer (der er mange andre), som har stor styrke, ret korrosionsbestandigt, højt smeltepunkt og anvendes til

Kunstig titanhofte

Skruer til tandimplantat

f.eks. turbineblade (dem man ser foran i flymotorer), flyvemaskiner, brillestel, kirurgiske implantering f.eks. hofter samt skruer til tandproteser og desuden til golfkøller.

Kunstig kæbe af titan

Der anvendes mange andre legeringer af titan.På trods af den lave densitet er titanlegeringer usædvanligt stærke og næsten immune overfor de sædvanlige former for metaltræthed og samtidigt meget kemisk stabil. Titan har den højeste styrke pr. vægtenhed af alle almindelige metaller. Kort sagt titan er 45 % lettere end stål 60 % tungere end aluminium og mere end 2-3 gange stærkere end nogen af dem.

Jetmotor for rutefly

I en Boeing 747 går der ca.4,5 ton titan og dets legeringer pr. motor. Titanoxid er et hvidt farvestof. Der anvendes ca. 1 Megatons titaniumoxid i USA pr. år. Titanprisen er, ca. 417 kr. pr/kg, rustfri stål (der er mange typer) ca. 67 kr./kg, Aluminium 62 kr./kg og Wolfram ca. 1100 kr./kg (elektrolytisk). Titan bruges i ben kirurgi til skruer til stifttænder mm., fordi vævet ikke reagerer imod det.

Svejsning. Før man kan svejse skal iltlaget fjernes, eller blander det sig i processen på uheldig måde. Desuden skal det varme metal (ned til ca. 500 °C) beskyttes imod atmosfærisk luft, det gøres ved at svejse i en Argon eller Helium atmosfære. Det er i princip ikke nogen usædvanlig værkstedsproces, men kravene til at holde det varme område luftfrit er langt større end normalt, og risikoen for omdannelse af titanen er et problem ved visse legeringstyper.

Blackbird

Den måske bekendte efterfølger til U2 spionflyet nemlig Blackbird (SR 71), som har højderekord på knap 26 km og hastighedsrekord på 3530 km/h, var for 80 % lavet af titan og gav meget store problemer med svejsninger, titans renhed osv. Der flyver så vidt jeg ved endnu 4 for NASA, hvor de bruges til at samle støv fra rummet højt i atmosfæren og tilsvarende. I dag er det stadig en specialopgave at svejse titan.

Påvisning: Der er flere måder at teste om en plade er titan, det kræver en kemiker med laboratorium for at påvise, at det er netop det, især fordi det ligner zirkon så meget. Hvis man vil have en fysiker til det, kan det gøres med f.eks. røntgenundersøgelse med et specielt røntgenapparat. Begge dele kan gøres med få filspåner, altså uden at ødelægge titandelen. Det kan ikke gøres som hjemmearbejde.

Titan dioxid til hvid farve

Lidt priseksempler: Hvis man skal have indtryk af, hvorfor man ikke bruger titan overalt, så prøv at slå prisen på et cykelstel op. Jeg har fundet en racercykel der udbydes i Danmark, som er helt nede på 33 000 kr. i titan, aluminium 24 000 kr. Kulfiberstel kan dog i bedste tilfælde være meget dyrere. Fordelen er den meget lave vægt at stelrammen, kulfiber under 1000 g, titan, aluminium og stål bliver tungere i nævnte rækkefølge. Der opgives ofte ikke vægt af disse stel, fordi de kan laves efter brugerens specifikationer (og så kan man være på den grimme side af 100 000 kr.).

Med venlig hilsen
Malte Olsen