Onze collega Arno van Wijnen krijgt regelmatig vragen over titanium, één van zijn specialiteiten. Hieronder worden vijf veel gestelde vragen beantwoord:- Is titanium magnetisch?
- Kan titanium roesten?
- Kan titanium gelast worden?
- Kan titanium smelten?
- Hoe wordt titanium toegepast in horloges?
- Geven titanium implantaten problemen bij een MRI-scan?
- Wat is het verschil tussen titanium en roestvaststaal?
- Waar komt titanium vandaan?
Is titanium magnetisch?
Alle ferrieten zijn in principe magnetisch, maar nikkellegeringen bijvoorbeeld ook. Soms kan magnetisme ontstaan als effect van bewerkingen. Magnetisme is onder andere bij austenitische RVS-soorten een probleem. Ze zijn in principe niet magnetisch, maar door bewerkingen krijg je licht magnetisme.
Mensen die bewust magnetisch materiaal zoeken, zullen daarom ook niet bij titanium uitkomen, mede gezien de hoge prijs. Een standaard magneet is van weekijzer, dat is bijzonder goedkoop.
Titanium is niet magnetisch. Met name op booreilanden is de niet-magnetische eigenschap van titanium belangrijk, omdat het materiaal daardoor niet vonkt en er dus geen explosie kan ontstaan. Vonken zijn namelijk typisch voor magnetische metalen: je kunt aan de vonken zien dat een metaal magnetisch is, dan zitten er ijzerdeeltjes in.
Ik was laatst bij een klant die last had van magnetisme in zijn spuitgietmachine, waardoor het product bleef plakken in de mal. Voor een mal is titanium niet hard genoeg, daarom adviseerde ik een cobalt-legering. Maar anders zou titanium een goed alternatief zijn, zonder magnetisme.
Kan titanium roesten?
Van titanium wordt vaak gedacht dat het niet kan roesten, maar ook titanium oxideert. Bij beschadigingen ontstaat een hele dunne en homogene -maar zeer goed gesloten- oxidelaag. Daardoor beschermt het het wel goed tegen corrosie.
Beschadigingen van titanium worden automatisch en snel gerepareerd, zodra het met lucht in aanraking komt. Het is een erg reactief materiaal, het oxideert sneller dan welk materiaal ook.
In tegenstelling tot andere oxidelagen is het ook ontzettend hard. Het voorkomt geen beschadigingen, maar het beschermt erg goed tegen corrosie. De oxidelaag van aluminium is bijvoorbeeld heel zacht en beschadigt daardoor heel snel.
Andere erg reactieve metalen zijn zirconium en tantaal. Dat zijn materialen die ook snel reageren met zuurstof, en kunnen daardoor een alternatief vormen voor titanium. Je ziet dat zirconium en tantaal vaak in de nucleaire industrie wordt toegepast.
We hebben tantaal zelf ook wel eens geleverd. Juweliers zijn er gek op, omdat er een mooie en stevige glans ontstaat als je het warm maakt. Voor ringen is dat natuurlijk erg geschikt.
Kan titanium gelast worden?
Titanium kan gelast worden, waarbij ik altijd het ‘3 keer S’ advies geef: schoon, schoon, schoon. Het materiaal moet vrij zijn van oxides, coatings en andere verontreinigingen. Je kunt zorgen voor schoon materiaal door:
• voorbewerking van de lasnaad, zodat het vrij is van olie- en vetresten, oxiden en coatings;
• goede bescherming door een edelgasomgeving;
• afspoelen met gedeïoniseerd water. Dat is water dat een speciale behandeling heeft gehad, je kunt het gewoon bij de drogist kopen.
Bij het lassen van titanium draait alles dus om de voorbereiding.
Bij titanium zegt de kleur van de las ook iets over de kwaliteit van de las: een goede las heeft een heldere zilveren kleur. Elke verkleuring wil zeggen dat er een reactie met zuurstof heeft plaatsgevonden. Een proeflas is daarom belangrijk, je kunt ook besluiten om in een edelgasomgeving te gaan lassen.
Let er bij het lassen van titanium ook op dat tijdens het afkoelen nog zuurstof in het titanium kan trekken, waardoor poreusheid ontstaat. Tijdens het afkoelen kun je dus het beste nog steeds in een edelgasomgeving werken.
Gespecialiseerde lasapparatuur zorgt dat het edelgas bij de las komt. Er is zelfs een bedrijf dat last in een couveuse vol edelgas, de lasser werkt dan met handschoenen. Maar dat is een dure en extreme oplossing.
Kan titanium smelten?
Titanium kan inderdaad smelten, bij 1668 graden. Maar eigenlijk kan alles smelten, zelfs keramische materialen. Aluminium smelt al bij 660 graden, platinum bij 1768 graden en wolfraam bij 3422 graden.
Maar eigenlijk draait het niet om dat smeltpunt, als engineer kom je toch nooit bij die temperaturen. Een belangrijker probleem is dat materiaal al bij een veel lagere temperatuur minder toepasbaar is, aluminium verliest bijvoorbeeld al vanaf 100 graden belangrijke eigenschappen. En dat is voor een constructeur natuurlijk belangrijk, zeker de sterkte: het product moet niet uit elkaar gaan vallen.
Vooral hittebestendige kwaliteiten in nikkellegeringen, zoals alloy 600 of 625, zijn speciaal ontwikkeld voor hoge temperaturen zoals ovens. Die houden hun eigenschappen wel bij hogere temperaturen.
Ik heb onlangs contact gehad met een glaskunstenares die in een oven haar glas wilde rechtzetten met een frame. Dat frame moet natuurlijk niet in elkaar zakken door de warmte, dus het moet van een hittebestendige RVS zijn zoals 310S. Het zou ook van wolfraam gemaakt kunnen worden, maar dat is wel lastiger en duurder. Het is ook zwaar, even zwaar als lood. Dus voor deze toepassing misschien overgekwalificeerd.
Titanium in horloges
Meestal zijn de wat duurdere horloges van titanium gemaakt, Rolex gebruikt bijvoorbeeld veel titanium in zijn horloges.
Voor horloges is titanium perfect: het is licht en geeft geen allergische reacties. Zeker als mensen een nikkelallergie hebben, kunnen metalen met nikkel problemen opleveren. Het huis van je horloge is lichter als het van titanium is gemaakt, het zal ook niet oxideren door transpiratievocht of huidvocht.
Aluminium zou een alternatief kunnen zijn vanwege het gewicht (hetzelfde), maar het is niet zo bestendig tegen transpiratievocht. Titanium is ook harder en daardoor sterker en minder krasgevoelig.
RVS wordt ook vaak toegepast, maar kan zoals gezegd een allergische reactie opleveren. Kunststoffen worden natuurlijk ook toegepast, door Swatch bijvoorbeeld. Er zijn daarnaast horlogebehuizingen van messing-achtige legeringen, maar ook die kunnen irriteren.
Geven titanium implantaten problemen bij een MRI-scan?
Voorafgaand aan een MRI-scan wordt altijd gevraagd om metalen sieraden en voorwerpen af te doen. Een veel gestelde vraag is dan ook of titanium implantaten problemen geven. Een MRI-scan werkt namelijk met zeer sterke magnetische velden, die ijzer en ijzerhoudende metalen aantrekken.
Soms worden implantaten van cobaltchroom gebruikt voor o.a. stents, of koperdraad in pacemakers. Deze materialen zijn ‘MRI safe’ en leveren dus geen problemen op. De meeste implantaten worden echter gemaakt van titaan. Ze komen in veel verschillende vormen voor: schroeven, botplaten, heupgewrichten en noem maar op. Ook titanium is ‘MRI safe’. Volgens het periodiek systeem der elementen is het een zogenaamd ‘post-transitiemetaal’. Dit wil zeggen dat het een metaal is dat geen ijzer bevat (non-ferro) en dus niet magnetisch is.
Hoewel titanium implantaten dus ‘MRI safe’ zijn, is het toch verstandig om aan te geven dat er implantaten of andere metalen in uw lichaam aanwezig zijn. Ze kunnen namelijk het MRI-beeld verstoren, waardoor het voor een radioloog moeilijk kan zijn om het te beoordelen.
Wat is het verschil tussen titanium en roestvaststaal?
Voor constructie en industriële toepassingen zijn metalen en metaallegeringen zeer belangrijke materialen. Titanium is vooral bekend van toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, vanwege de gunstige verhouding sterkte/gewicht.
Bij titanium zijn er zuivere titaansoorten en titaanlegeringen. De zuivere titaansoorten worden ook wel ‘Commercially Pure’ (CP) titaan genoemd als het 99,9% zuiver Ti bevat. Eén van de meest voorkomende Ti legeringen is ‘Ti grade 5’, ook wel Ti6Al4V genoemd.
Staal is een metaallegering, samengesteld uit ijzer en andere elementen. Het wordt wereldwijd toegepast om diverse redenen: het is sterk, goedkoop, goed bewerk- en verwerkbaar en verkrijgbaar in diverse uitvoeringen en vele kwaliteiten. Roestvaststaal is zo’n kwaliteit, die naast koolstof ook chroom, nikkel, stikstof en eventueel molybdeen bevat.
Een voorbeeld van een toepassing waarbij titanium veel geschikter is dan RVS, zijn ontziltingsinstallaties. Titanium buizen zijn onovertrefbaar als standaard voor puurwaterproductie. De fysische en mechanische eigenschappen van titaan maken het een uitermate geschikt materiaal voor “tubing” in ontziltingsinstallaties en warmtewissellaars. De meeste onderdelen van een ontziltingsinstallatie werken probleemloos met ‘Commercially Pure’ titaan buizen, maar wanneer de temperatuur boven de 80°C komt en/of een zuur geïnjecteerd wordt, is het beter om een titaanlegering te gebruiken. Deze heeft een verhoogde corrosieweerstand , zoals bijvoorbeeld grade 12 of 16.
Het belangrijkste verschil is dus dat roestvaststaal (RVS) een metaallegering is en titaan een metaal. Titaan heeft ten opzichte van RVS een superieure corrosieweerstand in zoutwater en chloorhoudende milieus tegen diverse chemische stoffen.
Waar komt titanium vandaan?
Titaan of titanium is rijkelijk aanwezig in de aardkorst. Zo’n 0.6% van de aardkorst bevat titaan en daarmee is het -na aluminium, ijzer en magnesium- het vierde meest voorkomende metaal op aarde.
Titaan is altijd gebonden aan andere elementen in de natuur. Zo bevatten 784 van de 801 stollingsgesteenten titaan. Het aandeel in de bodem is ongeveer 0.5 – 1.5% en het is wijd verdeeld. Daarnaast komt het voornamelijk voor in de mineralen ilumeniet (FeTiOȝ) en rutiel (TiO₂), maar ook in anataas, brookiet, perovskiet en titaniet.
Veel titaanhoudend ilumeniet vindt men in o.a. West-Australië, Canada, China, India, Mozambique, Nieuw-Zeeland, Noorwegen, Oekraïne en Zuid-Afrika. Rutiel wordt voornamelijk gevonden in Zuid- Afrika, India en Sierra Leone. De wereldproductie ilumeniet in 2013 was 6790.10³ ton en rutiel 770.10³ ton in hetzelfde jaar.
Vanuit het rutiel en ilumeniet wordt door een chemisch proces, het zogenaamde Kroll-proces, het zuiver titaan oftewel ‘sponge’ gewonnen. Dit is het basismateriaal van waaruit men titaan en titaanlegeringen produceert.