Titan: Zwei neue Verfahren machen den Werkstoff gefügig

Titan gilt als einer der Werkstoffe der Zukunft. Zwei neue Verfahren erleichtern die Bearbeitung von Titanlegierungen und senken dadurch die Fertigungskosten erheblich. Sie wurden am Institut für Werkstoffe der Technischen Universität Braunschweig entwickelt und jetzt von der Universität zum Patent angemeldet.

Es ist härter als Stahl und gleichzeitig erheblich leichter. Es ist hitzebeständiger als Aluminium. Kein Wunder, dass Titan im Schiffs- und Automobilbau sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik als einer der Werkstoffe der Zukunft gilt. Nur einen wesentlichen Nachteil haben Titanlegierungen im Vergleich zu den konventionellen Materialien: Sie sind schwer zu bearbeiten. Zwei neue Verfahren erleichtern die Bearbeitung erheblich, senken die Fertigungskosten und können dem Werkstoff eine glänzende Karriere in der Industrie eröffnen. Sie wurden am Institut für Werkstoffe der Technischen Universität Braunschweig entwickelt und jetzt von der Universität zum Patent angemeldet.

„Wir suchen jetzt nach Industriepartnern, die unsere Entwicklungen anwenden“, meint der Erfinder Prof. Joachim Rösler. „Für die Hersteller etwa von Turboladern, in der Flugtriebwerkstechnik und in der Automobilindustrie wird die Verwertung unseres Patentes von hohem Nutzen sein. Nicht zuletzt auch wegen der sinkenden Rohstoffkosten ist Titan einer der Werkstoffe der Zukunft im Maschinenbau. Immerhin besteht die neue Boeing 777 zu neun Prozent aus Titan, und der VW-Lupo ist mit Titanfedern ausgerüstet.“

Weicher durch Wasserstoff

Wo immer leichte, hochfeste und gleichzeitig hitzebeständige Materialien erforderlich sind, bietet sich die Titanlegierung „TiAl6V4“ an. Allerdings dauert beispielsweise die Fertigung eines Turboladerverdichterrades für den Schiffsbau etwa 50 Stunden bei hohem Werkzeugverschleiß, während sich ein solches Bauteil aus Aluminium in nur 5 Stunden fräsen lässt.

Prof. Joachim Rösler vom Institut für Werkstoffe der TU Braunschweig und seine Mitarbeiter Carsten Siemers und Dr. Martin Bäker haben einen „Trick“ entwickelt, die Metallverbindung zunächst weicher zu machen und anschließend fast vollständig wieder in ihren Ursprungszustand zu versetzen.

Die Erfinder haben das Bauteil durch eine spezielle Wärmebehandlung dazu gebracht, Wasserstoff einzulagern. Bei der anschließenden Zerspanung konnten sie nachweisen, dass die mechanische und thermische Belastung des Werkzeugs erheblich geringer ausfallen. Die Schnittkräfte werden um bis zu 50 Prozent gesenkt. Das verringert die Fertigungskosten drastisch.

Um die ursprünglichen Materialeigenschaften zu erhalten, entzogen die Wissenschaftler dem Bauteil anschließend den Wasserstoff durch eine erneute Wärmebehandlung. Alle positiven Materialeigenschaften wurden dadurch wieder hergestellt. Das Verfahren ist für die Produktion von Großserien besonders geeignet, da mehrere Teile gleichzeitig behandelt werden können.

Leichter spanbar durch Lanthan

Eine neue, leicht spanbare Titanlegierung, die ebenfalls am Institut für Werkstoffe entwickelt wurde, senkt den Werkzeugverschleiß bei der spanenden Bearbeitung und damit die Fertigungskosten nochmals erheblich. Durch den Zusatz von Lanthan (griechisch „sich verstecken“), ein Element, das in Erzen zur Gewinnung seltener Erden „versteckt“ ist, entstehen bei der Fertigung kurz brechende Späne. So lässt sich der Wärmeeintrag in die Werkzeuge verringern, die Schneidplatten halten deutlich länger oder können entsprechend schneller arbeiten. Dieser Effekt ist bei der Herstellung von Bauteilen aus Stählen seit langem bekannt und wird bei einer speziellen Stahlsorte, den „Automatenstählen“ ausgenutzt. Eine Übertragung auf die Bearbeitung von Titanlegierungen war jedoch bis zur Erfindung der braunschweiger Werkstoffwissenschaftler nicht gelungen. Durch das Legierungselement Lanthan wurde jetzt also „Automatentitan“ entwickelt.

Kontakt:

Prof. Dr. Joachim Rösler,
Technische Universität Braunschweig,
Institut für Werkstoffe,
Tel.: 0531-391-3061,
E-Mail: j.roesler@tu-braunschweig.de