Titan als Werkstoff fürs Drehen und Fräsen

Titan, der Werkstoff, aus dem wir unter anderem Titanschrauben und Titandrehteile fertigen, hat für viele eine geradezu geheimnisvolle Aura.

„Fester als Stahl“ und „fast so leicht wie Alu“, das sind die Erwartungen, die viele an Titan haben. Und damit liegt man oft schon daneben. Werfen wir also mal einen Blick darauf, was Titan wirklich ist.

Titan – leicht, stabil und beständig.

Titan ist schwer herzustellen, schwierig zu bearbeiten und entsprechend teuer. Die aufwändige, energieintensive Produktion sorgt dafür, dass reines Titan rund 25 mal teurer als eine hochwertige Stahllegierung ist.

Ursprünglich wurde das Metall Titan deshalb praktisch ausschließlich in der Hochtechnologie eingesetzt. Typische Anwendungen sind die Raumfahrt, die Rüstungsindustrie, die Luftfahrt, die Galvanotechnik, die Medizintechnik, der Fahrzeugbau, der Rennsport und verschiedene Extremsportarten.

Ausschlaggebend für diese Nutzungen waren immer die einzigartigen Eigenschaften von Titan: eine hohe Zugfestigkeit bei geringem Gewicht und hervorragender Korrosionsbeständigkeit.

Titan hat ein spezifisches Gewicht, das etwa 40 % unter dem von Stahl liegt. Gleichzeitig ist Titan jedoch deutlich schwerer als Aluminium, rund 70 %.

Das gegenüber Aluminium erhöhte Gewicht macht Titan durch seine Zugfestigkeit bzw. Streckgrenze wett. Sie ist viel höher als die von Aluminium und kann je nach Legierung an hochfeste Stähle heranreichen. So hat die verbreitete Titan-Legierung Ti-6Al-4V eine Streckgrenze von rund 900 N/mm², bei Stahllegierungen finden sich Streckgrenzen bis über 1.500 N/mm². Aluminiumlegierungen liegen typischerweise um 250 N/mm², die besten kommen auf 500 N/mm².

Eine weitere wichtige Eigenschaft von Titan: Es ist antimagnetisch und eignet sich dadurch auch für Umfelder, in denen beispielsweise Wirbelströme einwirken.

Als noch wichtiger erwiesen sich die Korrosionsbeständigkeit und die Biokompatibilität in der Medizintechnik. Reintitan und Titanlegierungen werden dort immer häufiger angewendet. Zum Beispiel als Gelenkersatz, als Fixiermaterial, als Zahnimplantat oder auch als künstliche Herzklappe.

Typische Titan-Legierungen: Von weich bis hart.

Ein häufig verwendeter Titan-Werkstoff hat die Bezeichnung Ti-6Al-4V (Legierung mit 6 % Aluminium und 4 % Vanadium), Grade 5 nach dem amerikanischen Standard ASTM. Die Werkstoffnummer ist 3.7165 (oder 3.7164 für Anwendungen in der Luftfahrt). Diese Legierung vereint eine hohe Festigkeit mit hoher Zähigkeit.

Einen ziemlich weichen Titanwerkstoff bezeichnet dagegen der Ti Grade 2 (= 99,7 % Reintitan, Werkstoffnummer 3.7035). Technisches Reintitan wird zum Beispiel in der Medizintechnik und der Implantologie eingesetzt, da es ganz besonders korrosionsbeständig ist. Zudem nutzt man es in der Oberflächentechnologie, da es höchst beständig gegen Laugen, Säuren und Meerwasser ist.

Weitere typische Anwendungen sind beispielsweise Wärmetauscherbauteile beim Einsatz von Meer- oder Brackwasser, Gestelle für die Galvanotechnik, Komponenten in Rauchgasentschwefelungsanlagen sowie die Luft- und Raumfahrttechnik.

Korrosionsschutz durch Korrosion.

Überraschen wird einige, dass Titan als korrosionsbeständig gilt und dennoch an der Luft oxidiert. Eine frische Schnittstelle ist erst silbrig glänzend, verfärbt sich aber unter Einfluss von Sauerstoff zu dem für Titan typischen Grauton. Die so entstehende Oxidschicht hat eine hohe Dichte, haftet sehr stark und sorgt dafür, dass das Metall eine überragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber oxidierenden Medien hat.

Wenn die Oxidschicht beschädigt wird, bildet sie sich an der Luft schnell neu. Drehteile aus Titan und Titanlegierungen sind durch diesen Prozess immer geschützt.

Wann ist Titan der richtige Werkstoff?

Titan ist teurer als viele andere Werkstoffe, man sollte also gute Gründe haben, ihn einzusetzen.

Häufig wird er für Präzisionsdrehteile als Ersatz für nichtrostenden Stahl genommen, wenn höhere Festigkeiten gefragt sind. Dann lassen sich beispielsweise Wandstärken von Bauteilen bei gleicher Stabilität reduzieren oder alternativ können Festigkeit und Steifigkeit von Werkstücken bei gleichen Dimensionen maximiert werden. Damit relativiert sich dann der höhere Preis.

Ebenfalls ist Titan überall dort das Material der Wahl, wo die biomedizinische Verträglichkeit entscheidend ist oder wo aggressive Medien anliegen. In der Medizintechnik, in der chemischen Industrie oder auch bei Anlagen im Meerwasser ist Titan dabei oft Edelstählen überlegen.

Titan drehen, fräsen oder schneiden: Harte Arbeit, die viel Erfahrung braucht.

Verglichen mit Stahl ist bei der Verarbeitung von Titan manches anders. Das beginnt bei der Verformbarkeit. Während sich Reintitan noch relativ gut verformen lässt, ist das bei manchen Titanlegierungen kaum mehr möglich. Beim Verformen von Titanwerkstoffen kommt es zu einer Festigkeitssteigerung, der sogenannten Kaltverfestigung, die man auch bei Edelstahl beobachtet.

Bei der spanabhebenden Bearbeitung, zum Beispiel beim Drehen oder Fräsen von Titan, kann diese Kaltverfestigung hinderlich wirken. Wenn nämlich die Reibung durch zu geringen Vorschub der Schneide zu groß wird, kann die einsetzende Kaltverfestigung dazu führen, dass das Werkzeug schnell stumpf wird. Beim Drehen und Fräsen von Titan sind scharfe Werkzeuge, der richtige Vorschub und die ideale Spanbildung also wichtige Parameter. Auch die Härte der Werkzeuge muss der Härte des Werkstoffs angemessen sein.

Erschwerend wirkt sich auf die Bearbeitung von Titan auch die Kombination seiner Eigenschaften Elastizität und Zugfestigkeit aus. Besonders beim Gewindeschneiden kann das zum „Festfressen“ des Werkzeugs führen. Dass Titan ein langspanender Werkstoff ist und die Späne zum Verkleben neigen, verstärkt die Gefahr noch. Für hochwertige Titanschrauben werden deshalb Gewinde bevorzugt gerollt. Bei diesem „Gewinderollen“ wird das Gewinde unter hohem Druck durch Kaltverformung erzeugt.

Späne von Titan sind übrigens im trockenen Zustand leicht entzündlich. Auch deshalb muss bei der Bearbeitung kontinuierlich mit einem Öl-Wasser-Gemisch gekühlt und geschmiert werden. Daneben beugt die Kühlung Spannungen in Bauteilen vor, die durch zu hohen Wärmeeintrag bei der Bearbeitung entstehen können und die die Qualität des fertigen Teils beeinträchtigen.

Unterm Strich muss man damit rechnen, dass die Schnittgeschwindigkeiten bei der Bearbeitung von Titan lediglich bei etwa 30 % gegenüber denen bei der Stahlbearbeitung liegen. Auch das ist ein Faktor, der die Titanbearbeitung vergleichsweise teuer macht.

Was wir alles aus Titan fertigen.

Zu unserem Fertigungsprogramm in Titan gehören unter anderem Titanschrauben, Titanmuttern, Titannormteile, Titanscheiben, Titanbolzen, Titan-Gewindebolzen, Titan-Gewindestifte, Titan-Gewindestangen, Titan-U-Scheiben, Titan-Flügelmuttern, Titan-Sechskant-Hutmuttern, Titan-Zapfenschrauben, Titan-Splinte, Titan-Kegelstifte, Titan-Spannstifte, Titan-Konstruktionsteile, Titan-Sonderteile, Titan-Normteile und vieles mehr.

Ein großes Lager von DIN Teilen in Ti Gr2 von M4 bis M20 halten wir für Sie vor. Ebenso lagern wir Vormaterial in diversen Abmessungen, so dass wir Ihren Auftrag zeitnah liefern können. Stellen Sie uns auf die Probe!

Alle Titandrehteile, Titanfrästeile, Titanschrauben und Titansonderteile fertigen wir auch nach Ihren Spezifikationen, Mustern, Zeichnungen, Konstruktionsdaten oder nach DIN.

Bitte beachten Sie, dass wir leider keine Kleinmengen an Privat liefern können, wie zum Beispiel Titanschrauben für Rennrad, Mountainbike oder Motorrad.

Unser Know-how, Ihr Vorteil.

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