Titan-Bearbeitung

Spangebendes Bearbeiten

Titan zählt zu den unedlen Metallen, dessen Normpotential mit –1,75 V zwischen Aluminium und Magnesium liegt. Aufgrund der festhaftenden Passivschicht ist Titan mit den korrosionsbeständigen 18/8-CrNi-Stählen vergleichbar. Die Einsatzgebiete von Titan sind vielfältig. Unlegiertes Titan sowie Titanlegierungen finden in der Medizin und im Speziellen in der Zahnmedizin Anwendung. Aufgrund der Eigenschaften – gewebeverträglich, korrosionsbeständig und biokompatibel und vor allem geschmacksneutral – wird Titan (zum Beispiel β-Legierungen wie TiAl6V4) für Zahnimplantate und die Kieferorthopädie bevorzugt gewählt.

Auch aus der Erdölindustrie ist Titan nicht mehr wegzudenken. Titan ist gegen Meerwasser und chloridhaltige Lösungen resistent, was an der Bildung der Passivschicht liegt, die sich bei Raumtemperatur an der Oberfläche bildet. Titan stellt unter anderem bereits 70 % des Materialeinsatzes für die Luft- und Raumfahrt dar. Im Bereich der Telemetrie Elektronik kommt Titan für die Konstruktion und Fertigung mechanischer Senderträger, Elektronikgehäuse und Sensor-Wire-Boards zur applikationsgerechten Integration von Telemetriesystemen in rotierenden Maschinenkomponenten zum Einsatz.

Einsatzgebiete

Titan findet immer dann Verwendung, wenn spezielle Randbedingungen diesen vergleichsweise teuren Werkstoff vorgeben. Er ist unmagnetisch, gut schweißbar und korrosionsbeständig. Seine hohe Festigkeit (970 bis 1500 N/mm²) und niedrige Dichte von 4,5 g/mm³ garantiert eine hohe Lebensdauer. Aus den Hauptanwendungen mit extrem hohen Qualitätsanforderungen ist Titan mit seinen überragenden Eigenschaften nicht mehr wegzudenken.

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Titan nimmt hinsichtlich der Zerspanbarkeit eine Sonderstellung ein, da es aufgrund seiner mechanischen und physikalischen Eigenschaften zu den als schwer zerspanbar geltenden Werkstoffen zählt. Da der Werkstoff eine hohe Festigkeit mit geringer Dichte sowie eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist, wird er trotz des hohen Preises gern in Spezialgebieten wie der Luft- und Raumfahrt, in Strahltriebwerken und Hochleistungsmotoren, der Medizintechnik sowie der Erdölindustrie eingesetzt.

Rein-Titan und α-Legierungen lassen sich am besten bearbeiten. α-Legierungen stehen für Legierungszusätze von Aluminium, Zinn, Zirkon oder Sauerstoff, die eine hexagonale Gefügestruktur begünstigen. β-Legierungen mit Zusätzen von Vanadium, Chrom, Molybdän und Eisen (z.B. TiAl5Fe2,5; TiAL6Nb7) weisen hingegen eine kubisch-raumzentrierte Struktur auf. Diese sowie auch die Verbindung beider Strukturen (TiAl6V4) müssen bei der spangebenden Bearbeitung aber nicht immer Probleme verursachen. Beschädigungen des Fräsers können zum Beispiel auf ein Mindestmaß reduziert werden, wenn das Gleichlauffräsen dem Gegenlauffräsen vorgezogen wird.

Titan weist generell eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf und führt die Wärme nur in einem geringen Umfang über die Späne ab. Die Späne neigen dazu, an der Schneide festzukleben und daher unterliegen die Werkzeuge einer periodischen Wechselbelastung durch die sich bildenden Lamellenspäne und die diskontinuierliche Spanbildung. Bei längeren Schnittzeiten ist mit Ermüdungsvorgängen an der Werkzeugschneide zu rechnen.

Komplikationen

Die im Lehrbuch beschriebenen Rahmenbedingungen können nur allgemein gelten. Erst bei der eigentlichen Bearbeitung zeigt sich, wie das Material bei Wärme arbeitet und klemmt. Scharfe Schneiden mit ausreichend großem Freiwinkel und genügend Kühlschmierstoff machen noch keine präzise Titanbearbeitung aus. Das Material ist manchmal unberechenbar, und es könnte bei Schleifbearbeitung sogar zur Entzündung des Titanstaubs kommen.

Titan weist eine Reaktionsfreudigkeit mit Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff auf. Eine chemische Reaktion dieser Art hat zur Folge, dass sich die Zähigkeitseigenschaften und die thermische Stabilität des Titanwerkstoffs verringern. Titan sollte daher mit geringer Schnittgeschwindigkeit, relativ großem und gleichmäßigem Vorschub unter reichlicher Zuführung von Kühlmittel mit einem schwingungsfrei eingespannten Werkzeug bearbeitet werden. Dies gilt fürs Bohren genauso wie für das Gewindeschneiden.

Beim Schleifen lassen sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Titan am deutlichsten erkennen. Hier entstehen so hohe Temperaturen, dass das Schleifkorn mit dem Metall reagiert. Selbst wenn die geschliffene Oberfläche nicht sichtbar geschädigt ist, können Oberflächenspannungen vorliegen, die zu Schleifrissen führen und die Eigenschaften des Materials beeinflussen. Deshalb kommt es bei der Qualitätssicherung nicht nur auf die Überprüfung des Werkstoffzeugnisses an, die das Rohmaterial mit der entsprechenden Werkstoffanalyse bescheinigt, sondern auch auf die Endprüfung nach Bearbeitung des Materials.

Ein Lieferant, der die Kunst des Zerspanens von Titan für sich entdeckt hat, ist das Unternehmen Weigt Präzisionstechnik aus Celle. Schwer zerspanbare Werkstoffe sind aufgrund der Nachfrage im Laufe der über 40-jährigen Geschäftstätigkeit zu den Hauptwerkstoffen des Unternehmens geworden, so dass Titan heute in allen Varianten bearbeitet wird.

Zum Thema

Titan ist ein hochwertiger aber teurer Werkstoff. Allerdings ist er heute aus vielen High-Tech-Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Damit beim Umgang mit Titan die Kosten nicht explodieren, kommt es darauf an, bei der spangebenden Bearbeitung einige wichtige Punkte zu beachten. Verschiedene zentrale Aspekte dazu hat unser Experte in diesem Beitrag zusammen gestellt.ms

Der Autor

Thomas Weigt

Geschäftsführer

Weigt Präzisionstechnik GmbH

29229 Celle

Tel. 05141/55536

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