Titanium of titaan (Ti) is een grijs metallisch overgangsmetaal* dat sterk, licht en corrosiebestendig is. Titanium is net zo sterk als staal, maar de dichtheid is 60% lager. Het is het 9e meest voorkomende element op aarde. Titanium wordt vaak in een legering met de volgende elementen gebruikt: ijzer, aluminium, vanadium en molybdeen. Titaan kan echter moeilijk gegoten worden, juist omdat het zo sterk is. In vergelijking met de meeste andere metalen is titanium duur, omdat het zeldzamer is.
*Een overgangsmetaal is een chemisch element dat valentie-elektronen (elektronen die een chemische verbinding vormen) bevat in twee valentieschillen, in plaats van in één. Overgangsmetalen bevinden zich in het midden van het periodiek systeem. De gedetailleerde uitleg kunt u in de Encyclopaedia Britannica vinden. (https://www.britannica.com/science/transition-metal)
De voordelen van titanium
Titanium is erg sterk in verhouding tot zijn massa. De dichtheid is 60% hoger dan aluminium, terwijk het twee keer zo sterk is. Het smeltpunt ligt boven de 1650 °C. Boven de 430 °C verliest titanium aan sterkte. Titaan, en haar legeringen, oxideren direct bij contact met zuurstof. Maar op kamertemperatuur vormt er zich een laagje titaniumoxide als een coating waardoor het binnenste van het metaal beschermd blijft. De gunstige eigenschappen van titanium lenen zich voor het gebruik in vliegtuigen, ruimteschepen, marineschepen, raketten en voor bepantsering. In deze toepassingen wordt het gebruikt in een legering met aluminium, zirconium en nikkel. Ongeveer tweederde van alle geproduceerde titanium is bestemd voor de fabricage van vliegtuigmotoren en -rompen. De (petro)chemische industrie maakt handig gebruik van de corrosiebestendigheid van titanium. In die branche zijn pijpen, kleppen en opslagtanks van titanium gemaakt.
Het menselijke lichaam stoot titaan niet af en daarom wordt het biocompatibel genoemd. In de medische wereld gebruikt men titanium implantaten zoals in het heupgewricht, de pols en de kaak.
De fysieke kenmerken van titanium zijn als volgt:
- Dichtheid: 4,506 g/cm³ bij 20 °C
- Brinellhardheid: 716 – 2770 Mpa
- Treksterkte: 434 MPa
- Smeltpunt: 1668 °C
- Soortelijke warmte: 25,060 J/mol x K)
De verspaanbaarheid van titanium
Juist de eigenschappen van titanium die het zo’n sterk en hoogwaardig materiaal maken zorgen er voor dat het lastig te verspanen is. Tot wel 90% van het oorspronkelijke materiaal moet soms weggefreesd worden om tot een eindonderdeel te komen. Titanium kent een lage elasticiteitsmodulus, ook wel Youngs modulus (een maat voor stijfheid of starheid), dat wil zeggen dat de frees makkelijk kan gaan vibreren en het oppervlak van het eindproduct beschadigd raakt. Tijdens de bewerking van titanium treedt versteviging op dat het gevoeliger voor breuk maakt. Al verspanende komen er splinters vrij die de frees verstrikken. Seriematig en automatisch CNC verspanen van titanium is bijna onmogelijk.
Het gebruik van zeer hoogwaardig instrumenten is essentieel. De beitel, boor, tap of frees moet gecoat zijn in hardmetaal (bestaande uit carbiden van wolfraam, titanium, tantalium, molybdeen met kobalt als bindmiddel). Dan kan de frees tegen de plakkerigheid en versplintering van de titaniumlegering. De coating beschermd het gereedschap ook tegen de hitte die vrijkomt. Tevens is het raadzaam om de oriëntatie van de het snijgereedschap zo te stellen dat de beitel ‘meeloopt’ in de draairichting. Dus de snijrand toucheert het titanium op het dikste punt, en de spanen blijven achter de beitel. Met deze techniek loopt de temperatuur niet op en blijft de spaan niet plakken.
De titaniumindustrie
Titaan is in 1791 ontdekt door de Brit William Gregor. Titanium verkrijgen uit de ertsen waarin het van nature voorkomt is een arbeidsintensief en kostbaar proces. De grondstof wordt tot een soort ‘spons’ van deeltjes gereduceerd, en deze spons wordt vervolgens omgesmolten, al dan niet in een legering, tot een staaf. Ongeveer 95% van alle titaniumerts wordt geraffineerd tot titanium dioxide voor gebruik in de fabricage van verf, papier, tandpasta, cement, sieraden, tennisrackets, vishengels, golfclubs (etc.) en verschillende plastics. Titaniumlegeringen worden gebruikt in belangrijke bouwkundige toepassingen, zoals bepantsering, het landingsgestel van een vliegtuig, uitlaten van helicopters en hydraulische systemen. Tweederde van al het titaniummetaal is bestemd voor vliegtuigmotoren en -rompen. De drie grootste producenten van titanium zijn China, Japan en Rusland.