Die Dichte von Titanmetall: Die Zahlen, die Nuancen und ihre korrekte Verwendung

Bei einem kürzlich durchgeführten Projekt gab ein Team ein Angebot für eine Titanplatte unter Verwendung von 4,50 g/cm³ für die Dichte des Titans. Die Überprüfung der Zeichnung verwendet 4,51 g/cm³. Es ist nichts “Mystisches” passiert - nur eine kleine Abweichung in den Annahmen. Aber nach der Multiplikation dieses winzigen Unterschieds über eine große Charge (und der Hinzufügung von Bearbeitungszugaben) wich die Gewichtsschätzung so weit ab, dass eine erneute Preisüberprüfung und eine Lieferdiskussion ausgelöst wurde, die niemand wollte.

Dieser Artikel soll diese Art von vermeidbaren Reibungen verhindern. Sie erhalten die allgemein akzeptierte Dichte von Titanmetall, die korrekten Einheitenumrechnungen und - was noch wichtiger ist - klare Regeln für welcher Dichtewert zu verwenden ist bei Konstruktionsberechnungen, Einkauf, Inspektion und additiver Fertigung.

Der wichtigste Wert: die Dichte von Titan bei Raumtemperatur

Für handelsübliches Reintitan bei Raumtemperatur wird eine Dichte von etwa 4,51 g/cm³ angegeben. (was gleichbedeutend ist mit 4510 kg/m³).

Wenn Sie gesehen haben 4,50 g/cm³ Stattdessen handelt es sich oft nur um Rundungen (oder eine andere Referenzkonvention). In der technischen Kommunikation kommt es nicht darauf an, die Debatte um die letzte Dezimalstelle zu gewinnen, sondern die Bedingungen anzugeben, damit Ihre Kollegen, Lieferanten und Kunden Ihre Berechnung nachvollziehen können.

Reintitan vs. gängige Titanlegierungen (Grad 2, Grad 5)

“Titanmetall” in den Suchergebnissen bedeutet in der Regel elementares/gewerblich reines Ti. In der realen Beschaffung können Sie eine Sorte verwenden (z. B., ASTM-Klasse 2) oder eine Legierung (z. B. Grade 5 / Ti-6Al-4V). Legierungen können die Dichte geringfügig verändern, da die Legierungselemente ihre eigene Dichte haben und die Gitterparameter verändern.

Als praktische Regel:

• Kommerzielles Reintitan: ~4,51 g/cm³ (typischer Referenzwert bei Raumtemperatur).
• Ti-6Al-4V (Güteklasse 5): wird in vielen technischen Datenblättern üblicherweise mit ~4,43 g/cm³ angegeben (variiert je nach Quelle und Spezifikationskontext; fragen Sie immer im Datenblatt/MTC Ihres Lieferanten nach).

Wenn ich Spezifikationen schreibe, vermeide ich es, ein Projekt auf eine einzige “universelle” Dichtezahl für alle Titan-Erzeugnisse. Stattdessen gebe ich die Sorte/Legierung + Norm + Prüfung/Vermutung.

Umrechnung von Einheiten, die Sie tatsächlich verwenden werden (g/cm³, kg/m³, lb/in³)

Einheit	Umrechnung von 4,51 g/cm³	Anmerkungen
g/cm³	4.51	Häufig in Datenblättern und Klassenzimmern
kg/m³	4510	g/cm³ mit 1000 multiplizieren
lb/in³	~0.163	Nützlich bei US-Bearbeitungsangeboten; hängt von der Rundung ab

Empfohlenes “sicheres” Zitierformat (verhindert 4.50 vs. 4.51 Argumente):
“Dichte (handelsübliches reines Ti, ~ Raumtemperatur): ≈4,51 g/cm³ (≈4510 kg/m³), Wert bezogen auf die Eintrag im Periodensystem der Royal Society of Chemistry für Titanium. Verwenden Sie gegebenenfalls stufenspezifische Werte”.”

Anmerkung der Behörde: Die RSC bietet einen zugänglichen, zitierfähigen Basiswert für elementares Titan. Für tiefer gehende Eigenschaftsdatensätze und Überprüfungspfade bietet die NIST Chemie WebBook ist ein angesehener Referenzpunkt. (Sie werden immer noch Datenblätter für die einzelnen Legierungen benötigen).

Warum unterschiedliche Quellen unterschiedliche Titandichtewerte angeben

Unterschiedliche Dichtewerte sind normalerweise keine “Widersprüche”. Es sind unterschiedliche Annahmen. In der Praxis lassen sich die meisten Diskrepanzen durch vier Faktoren erklären.

1) Rundung (und die Psychologie der “schönen” Zahlen)

Einige Quellen veröffentlichen Dichten mit zwei Dezimalstellen, andere runden auf eine. Wenn auf einer Website 4,50 und auf einer anderen 4,51 angegeben ist, beschreiben sie möglicherweise dieselbe physikalische Realität mit unterschiedlichen Rundungskonventionen.

2) Referenztemperatur (die Dichte ist nicht temperaturinvariant)

Metalle dehnen sich bei Erwärmung aus. Wenn das Volumen zunimmt, während die Masse gleich bleibt, nimmt die Dichte ab. Auf vielen beiläufigen Seiten wird die Referenztemperatur ganz weggelassen, obwohl bei technischen Arbeiten oft von “Raumtemperatur” ausgegangen wird (in der Regel 20 °C, aber nicht immer ausdrücklich angegeben).

Wenn sich Ihre Anwendung über große Temperaturbereiche erstreckt, sollten Sie die Dichte nicht als Konstante betrachten. Eine einfache Möglichkeit, den Trend abzuschätzen, ist die Berücksichtigung der volumetrischen Ausdehnung unter Verwendung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK). Bei kleinen Temperaturänderungen folgt die Dichte in etwa dieser Entwicklung:

ρ(T) ≈ ρ(T₀) / (1 + 3αΔT)

Wo α ist der lineare CTE und ΔT ist die Temperaturänderung. Dies ist ein Näherungswert, der aber oft aussagekräftiger ist, als über 0,01 g/cm³ bei “Raumtemperatur” zu streiten.”

3) Zusammensetzung und Qualität (reines Ti vs. Legierungen vs. “Verunreinigungen”)

Kommerziell reines Titan ist kein labortechnisch perfekter Ein-Isotopen-Kristall. Echte Produkte haben kontrollierte chemische Bereiche (einschließlich Zwischengitteratomen wie Sauerstoff), die die mechanischen Eigenschaften beeinflussen und sich leicht auf die Dichte auswirken können. Legierungen (Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2.5V, etc.) haben legitimerweise unterschiedliche Dichten.

4) Porosität und Verarbeitungsmethode (gegossen, geschmiedet, PM, AM)

Dies ist der wichtigste Punkt, der in vielen Dichteartikeln nicht berücksichtigt wird: die Dichte, die Sie an einem realen Teil messen, kann niedriger sein als die theoretische Dichte wenn das Material Poren enthält (aus Guss, Pulvermetallurgie oder additiver Fertigung) oder wenn die Messmethode mit oberflächengebundenen Hohlräumen zu kämpfen hat.

Ein 3-stufiger Arbeitsablauf “Dichteabgleich” (verwenden Sie dies bei Designprüfungen und beim Einkauf):

1. Geben Sie die materielle Identität an: CP Ti oder Legierung? Welche Sorte/Spezifikation (z. B. ASTM-Sorte)?
2. Geben Sie die Art der Dichte an: Theoretische Dichte (auf chemischer Grundlage) gegenüber gemessener Dichte (Archimedes/Pyknometrie/CT).
3. Nennen Sie die Bedingungen: Referenztemperatur, Messmethode (falls gemessen) und ob Porosität erwartet/erlaubt ist.

Wie man das Gewicht von Titan aus den Abmessungen berechnet (mit Beispielen)

Kernformel: Gewicht (Masse) = Volumen × Dichte

Wählen Sie einen Dichtewert, der mit Ihrer Sorte und Ihren Annahmen übereinstimmt. Für eine schnelle Schätzung von handelsüblichem Reintitan bei Raumtemperatur verwenden viele Ingenieure ρ = 4,51 g/cm³ (oder 4510 kg/m³).

Beispiel 1: Gewicht eines Titan-Rundstabs (aus Durchmesser und Länge)

Angenommen, Sie haben eine Titanstab:

• Durchmesser D = 20 mm
• Länge L = 1,0 m
• Dichte (angenommen CP Ti): ρ = 4510 kg/m³

Umrechnung in Meter: D = 0,02 m, Radius r = 0,01 m.

Volumen des Zylinders: V = πr²L = π × (0,01)² × 1,0 ≈ 3,1416×10-⁴ m³

Masse: m = Vρ ≈ 3,1416×10-⁴ × 4510 ≈ 1,42 kg

Ergebnis: A 20 mm × 1 m Titanstab ist über 1,42 kg (für CP Ti bei Raumtemperatur). Wenn es sich um Ti-6Al-4V handelt, wird das Ergebnis bei Verwendung einer der Legierung angemessenen Dichte etwas niedriger sein.

Beispiel 2: Gewicht einer Titanplatte (aus Länge × Breite × Dicke)

• Länge: 1000 mm (1,0 m)
• Breite: 500 mm (0,5 m)
• Dicke: 10 mm (0,01 m)

Volumen: V = 1.0 × 0.5 × 0.01 = 0.005 m³

Masse: m = 0,005 × 4510 = 22,55 kg

Eine schnelle “beschaffungsfreundliche” Methode, die Sie in ein Arbeitsblatt umwandeln können

Wenn Ihr Team oft Barren und Platten zitiert, erstellen Sie ein Blatt mit:

• Eingabe: Abmessungen (mm), Anzahl
• Automatische Umrechnung in Zähler
• Wählbares Dichte-Dropdown nach Sorte/Legierung
• Leistung: Masse pro Stück, Gesamtmasse
• Spalte “Anmerkungen”: "Dichtebasis" (theoretisch vs. gemessen, Temperatur)

Häufige Fehlerart: Mischen von mm und m ohne Umrechnung. Meiner Erfahrung nach führt dies zu weit mehr Fehlern als die Wahl zwischen 4,50 und 4,51.

Titan vs. Aluminium vs. Stahl: Was die Dichte aussagt (und was nicht)

Die Dichte ist ein leistungsfähiger erster Filter, aber sie ist keine vollständige Auswahlmethode.

Dichteverhältnisse (der Vergleich auf der Rückseite der Serviette“)

• Titan (CP): ~4,51 g/cm³
• Aluminium (rein; viele Legierungen kommen diesem Wert nahe): ~2,70 g/cm³
• Stahl (typische Kohlenstoffstähle): ~7,85 g/cm³

Also, bei gleicher Lautstärke:

• Titan ist etwa ~40-45% leichter als Stahl (4,51 gegenüber 7,85).
• Titan ist etwa ~65-70% schwerer als Aluminium (4,51 gegenüber 2,70).

Was die Dichte vermissen lässt: Steifheit und “Design Reality”

Viele Menschen hören “Titan ist leicht” und gehen davon aus, dass die Teile dadurch immer leichter werden. Nicht unbedingt.

• Festigkeitsorientierte Entwürfe: Die hohe Festigkeit von Titan ermöglicht dünnere Abschnitte, so dass die Fertigteil kann leichter sein, auch wenn Titan dichter ist als Aluminium.
• Steifigkeitsbasierte Entwürfe: Wenn Durchbiegungsgrenzen dominieren, spielt der Elastizitätsmodul eine große Rolle. Der Elastizitätsmodul von Titan ist niedriger als der von Stahl, so dass Sie möglicherweise eine dickere Geometrie benötigen, um die Steifigkeitsziele zu erreichen, was den “Dichtevorteil” verringert.”
• Kosten und Herstellbarkeit: Die Dichte sagt Ihnen nichts Bearbeitung Kosten, Ausschussrate oder Vorlaufzeit.

Dichte in Pulvern und additiver Fertigung: wahre Dichte, scheinbare Dichte, relative Dichte

Wenn Sie mit Titanpulver oder additiver Fertigung (AM) arbeiten, wird “Dichte” zu einer Familie von Metriken und nicht zu einer einzelnen Zahl.

Drei Dichtebegriffe, die Sie nicht vermischen sollten

• Wahre (theoretische) Dichte: Dichte des porenfreien Feststoffs (Basis: Chemie und Kristallstruktur).
• Scheinbare Dichte/Schüttdichte (Pulver): Beinhaltet die Hohlräume zwischen den Pulverpartikeln; nützlich für die Handhabung des Pulvers und das Wiederbeschichtungsverhalten, nicht für die Vorhersage der Teilemasse an sich.
• Relative Dichte (Metrik der Teilequalität): gemessene Dichte / theoretische Dichte.

Die praktische Mathematik: relative Dichte und Porosität (schnelle Schätzung)

Relative Dichte: RD = ρ_gemessen / ρ_theoretisch

Eine häufig verwendete Näherung erster Ordnung verbindet den Porositätsanteil (P) mit der relativen Dichte:

P ≈ 1 - RD

Beispiel: Wenn ein Titan-AM-Kupon RD = 0,99 misst, dann ist P ≈ 1%. Das kann je nach Anwendung, Ermüdungsanforderungen, Prüfverfahren und Kundenspezifikation akzeptabel sein oder auch nicht - aber zumindest können alle in der gleichen Sprache darüber diskutieren.

Randbedingungen (wichtig):

• Bei dieser Annäherung werden Poren als “fehlendes Volumen” behandelt und komplexe Porenformen und Messartefakte ignoriert.
• Wenn Ihre Methode das Volumen unterschätzt, weil die mit der Oberfläche verbundenen Poren Blasen einschließen (Archimedes), kann RD verzerrt sein.
• Bei kritischen Anwendungen wird die Dichte oft mit Mikroskopie/CT und mechanischen Prüfungen kombiniert.

Wie man die Titandichte misst (und häufige Fehler vermeidet)

Zwei Labors können die “gleiche” Titanprobe messen und unterschiedliche Ergebnisse erhalten, wenn sie die Details nicht kontrollieren. Das Ziel ist nicht Perfektion - es ist Wiederholbarkeit und Transparenz der Methode.

Archimedes-Methode: eine praktische Checkliste

Bei der Archimedes-Methode wird die Dichte über den Auftrieb gemessen, wobei die Masse in der Luft und die scheinbare Masse in einer Flüssigkeit (häufig Wasser) verwendet wird. Sie ist weit verbreitet, weil sie leicht zugänglich und schnell ist.

• Reinigen Sie die Probe: Öle und Rückstände verändern die Benetzung und schließen Blasen ein.
• Kontrolle der Wassertemperatur: Die Wasserdichte ändert sich mit der Temperatur; notieren Sie dies oder verwenden Sie eine Standardbedingung.
• Verringern Sie Blasen: Rühren Sie vorsichtig um, verwenden Sie Netzmittel, wenn Ihr Verfahren dies zulässt, und achten Sie auf Blasen, die an rauen Oberflächen haften.
• Die Oberflächenrauhigkeit ist wichtig: raue AM-Oberflächen können Luft einschließen; erwägen Sie je nach Ihrem Qualitätsplan eine Versiegelung, eine Politur oder eine andere Methode.
• Wiederholen Sie die Messungen: mehrere Messungen vornehmen und den Durchschnitt und die Streuung melden.

Wann sollten Helium-Pyknometrie oder CT in Betracht gezogen werden (allgemeine Hinweise)

• Helium-Pyknometrie: wird häufig zur zuverlässigeren Messung des tatsächlichen Volumens poröser Materialien (insbesondere von Pulvern) verwendet, da Helium in feine, mit der Oberfläche verbundene Poren besser eindringt als Wasser.
• CT-Scan: liefert die Porenmorphologie und -verteilung, nicht nur eine einzelne Dichtezahl - nützlich, wenn Ermüdung oder Dichtheit von entscheidender Bedeutung sind.

Beschaffung & QS: wie man die Dichte in einer Bestellung oder einem Prüfplan angibt

Streitigkeiten über die Dichte entstehen, wenn eine PO oder eine Zeichnung die Dichte als “offensichtlich” behandelt. Das ist sie aber nicht. Machen Sie es explizit.

Was auf Zeichnungen / POs zu schreiben ist (Formulierungsvorlagen)

• Material: “Titan, Güteklasse __, nach ASTM __ (oder ISO __)”.”
• Berechnungsgrundlage für die Dichte (falls erforderlich): “Masseschätzungen basierend auf der Dichte ___ bei ~20°C (Referenz)”.”
• Wenn die Dichte eine Zulassungsvoraussetzung ist: “Gemessene Dichte nach Methode ___; Angabe der relativen Dichte im Vergleich zur theoretischen Dichte für die Legierung ___.”
• Dokumentation: “Liefern Sie MTC/CoC einschließlich chemischer und mechanischer Eigenschaften gemäß der angegebenen Norm.”

Wenn Sie kaufen Produkte der Titanmühle, werden Sie oft auf Standards wie ASTM B348 (Stangen und Knüppel aus Titan und Titanlegierungen) und ASTM B265 (Streifen, Bleche und Platten aus Titan und Titanlegierungen). Auch wenn der Standardtext kostenpflichtig ist, ist das Zitieren der Standardnummer gleicht die Erwartungen von Einkäufer und Lieferant an.

Akzeptanzkriterien: Vorsicht mit “Dichtetoleranz”

Sofern es sich nicht um ein Qualitätssicherungssystem für Pulver/AM handelt, wird die Dichte in der Regel nicht als strenger Akzeptanzmaßstab für Titanknetprodukte verwendet. Wenn Sie versuchen, eine übermäßig strenge “Dichtetoleranz” durchzusetzen, ohne die Methode und die Probenvorbereitung zu spezifizieren, kann es zu falschem Ausschuss kommen.

Ein besserer QA-Ansatz ist:

• Dichte als Maßstab verwenden Berechnungsparameter für Gewichtsschätzungen und Logistik.
• Verwenden Sie chemische und mechanische Prüfungen, Abmessungen und zerstörungsfreie Prüfung als primäre Abnahmekriterien gemäß der Norm.
• Für AM/PM-Teile, bei denen die Porosität im Mittelpunkt steht, definieren Sie relative Dichte + Methode + Probenahmeplan.

HonTitan-Unterstützung für Projekte mit hoher Titandichte und kritischem Gewicht

Wenn das Gewicht die Kosten, die Vorlaufzeit und die Einhaltung von Vorschriften bestimmt, kommt es auf kleine Annahmen an. HonTitan kann Ihnen helfen, Sorte, Standard und Dichte abzugleichen, bevor Sie ein Angebot oder eine Zeichnung erstellen. Wenn Sie uns die Abmessungen, die Ziellegierung (oder Anwendung) und die Spezifikation, nach der Sie arbeiten, mitteilen, unterstützen wir Sie bei der Gewichtsschätzung, der Dokumentation (MTC/CoC) und der klaren Kommunikation, damit Einkauf und Technik auf derselben Seite stehen.

FAQ