Was ist Titan?
Titan, mit dem chemischen Symbol Ti und der Ordnungszahl 22 bezeichnet, ist ein glänzendes Übergangsmetall, das für sein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, seine Korrosionsbeständigkeit und seine Biokompatibilität bekannt ist. Seit seiner Entdeckung im späten 18. Jahrhundert ist Titan in verschiedenen Branchen unverzichtbar geworden, unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin, der Automobilindustrie und der Schifffahrt.
Was sind die verschiedenen Titangüten für die CNC-Bearbeitung?
Titan ist ein vielseitiges Metall, das aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften häufig in der CNC-Bearbeitung eingesetzt wird. Es gibt verschiedene Titanqualitäten mit jeweils einzigartigen Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet machen. Die in der CNC-Bearbeitung üblicherweise verwendeten Titansorten werden im Folgenden ausführlich beschrieben.
Güte 1: Handelsübliches Reintitan (niedriger Sauerstoffgehalt)
Titan Grad 1 ist das weichste und dehnbarste Material, das sich gut bearbeiten lässt. Anwendungen in rauen Umgebungen erfordern eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Schlagfestigkeit. Dieser biokompatible Grad wird aufgrund seiner Sicherheit bevorzugt in medizinischen Implantaten und Geräten eingesetzt. Hochpräzise und stabile Komponenten profitieren von seinem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der die thermischen Spannungen verringert. Die geringe Festigkeit schränkt im Vergleich zu anderen Werkstoffen den Einsatz in hochbelasteten Anwendungen ein.
Güteklasse 2: Kommerzielles Reintitan (Standard-Sauerstoffgehalt)
Titan Grad 2, manchmal auch als „Arbeitspferd“ bezeichnet, ist fest, dehnbar und korrosionsbeständig. Es lässt sich gut bearbeiten und schweißen und ist stärker als Grade 1. Es eignet sich für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt, in der chemischen Industrie und im maritimen Bereich. Aufgrund seiner Anpassungsfähigkeit eignet er sich für Branchen, die eine moderate Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit benötigen. Grade 2 ist trotz seiner Vorteile schwächer als Titanlegierungen.
Güte 3: Handelsübliches Reintitan (mittlerer Sauerstoffgehalt)
Titan Grad 3 hat eine höhere Festigkeit als Grad 1 und 2, aber eine geringere Duktilität und Verformbarkeit. Dieser Grad wird für Flugzeuganwendungen verwendet, die aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit eine höhere Festigkeit ohne zusätzliches Gewicht erfordern. Aufgrund seiner Festigkeit ist die Bearbeitung schwieriger als bei den weicheren Sorten und erfordert eine sorgfältige Kontrolle, um Werkzeugverschleiß zu vermeiden.
Güteklasse 4: Kommerzielles Reintitan (hoher Sauerstoffgehalt)
Grad 4 ist der stärkste kommerziell erhältliche Reintitangrad mit außergewöhnlichen Korrosions- und mechanischen Eigenschaften. Es wird für Komponenten in der Luftfahrt und für chirurgische Geräte verwendet, die Festigkeit und Langlebigkeit erfordern. Aufgrund seiner Härte erfordert die Bearbeitung von Titan Grad 4 spezielle Geräte und Verfahren, um die vorgegebenen Toleranzen ohne Werkzeugverschleiß oder Werkstückverformung zu erreichen.
Güte 5: Titanlegierung (Ti-6Al-4V)
Titan Grad 5, Ti-6Al-4V, ist eine beliebte Titanlegierung, die sich durch ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Diese Legierung enthält Aluminium und Vanadium, was ihre mechanischen Eigenschaften gegenüber reinem Titan verbessert. Sie wird in der Luft- und Raumfahrt, im militärischen Bereich und für hochleistungsfähige Automobilteile verwendet. Die Bearbeitung von Grade 5 ist härter und neigt zur Kaltverfestigung, weshalb Schnittgeschwindigkeiten und Werkzeugauswahl sorgfältig bedacht werden müssen.
Güte 6: Titanlegierung (Ti-5Al-2,5Sn)
Titan der Güteklasse 6 besteht aus Aluminium und Zinn, was eine gute Schweißbarkeit und Hochtemperaturbeständigkeit gewährleistet. Dieser Grad wird häufig in Flugzeugkonstruktionen und Düsentriebwerken verwendet, wo die Hitzebeständigkeit entscheidend ist. Obwohl er bessere mechanische Eigenschaften als Reintitan aufweist, gibt es aufgrund seiner höheren Härte im Vergleich zu den Graden 1 und 2 immer noch Probleme bei der Bearbeitung.
Güteklasse 7: Titanlegierung (Ti-0,15Pd)
Titan Grad 7 ist mit Palladium versetzt, was es noch korrosionsbeständiger macht als die handelsüblichen reinen Grade. Aus diesem Grund eignet es sich besonders gut für chemische Verarbeitungsprozesse, bei denen es rauen Bedingungen ausgesetzt ist. Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften kann es in der Schifffahrt und bei der Herstellung von Chlorat eingesetzt werden. Da es jedoch hart ist, lässt es sich wie andere Titansorten nur schwer bearbeiten.
Güte 11: Titanlegierung (Ti-0,15Pd)
Die Titanlegierung Grade 11 ist ähnlich wie Grade 7, weist jedoch eine höhere Duktilität auf, so dass sie sich für den Einsatz in stark korrosiven Umgebungen wie Meerwasser eignet. Sie weist eine hohe Biokompatibilität auf und bietet gleichzeitig verbesserte mechanische Eigenschaften für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Bei der maschinellen Bearbeitung dieser Sorte treten ähnliche Probleme auf wie bei anderen Legierungen, die jedoch durch geeignete Verfahren gemildert werden können.
Güte 12: Titanlegierung (Ti-0,3Mo-0,8Ni)
Die Struktur der Sorte 12 enthält Molybdän und Nickel, was zu einer außergewöhnlichen Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit führt. Diese Sorte wird häufig in Wärmetauschern und maritimen Anwendungen eingesetzt, da sie rauen Umgebungen standhält und gleichzeitig die strukturelle Integrität bewahrt. Trotz der großen Vorteile gegenüber Reintitan bleibt die Komplexität der Bearbeitung ein Problem.
Güte 23: Titanlegierung (Ti-6Al-4V ELI)
Die Sorte 23 ist eine Variante der Sorte 5 mit besonders geringen Zwischenräumen, die in erster Linie für medizinische Anwendungen entwickelt wurde, bei denen die Biokompatibilität entscheidend ist. Die verfeinerte Zusammensetzung sorgt für eine erhöhte Bruchzähigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung der für chirurgische Implantate und Geräte erforderlichen hohen Festigkeit. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften erfordert die Bearbeitung dieser Sorte besondere Aufmerksamkeit, doch das Endergebnis sind Teile, die hohe medizinische Standards erfüllen.
Warum Titan für die CNC-Bearbeitung von Teilen wählen?
Die Wahl von Titan für die CNC-Bearbeitung von Teilen bietet zahlreiche Vorteile und macht es zu einem bevorzugten Werkstoff in verschiedenen Branchen.
Außergewöhnliches Verhältnis von Stärke zu Gewicht
Titan ist zwar 5 % schwächer als Stahl, hat aber ein um 40 % geringeres Gewicht. In der Luftfahrt und im Automobilbau, wo die Gewichtsreduzierung entscheidend für Leistung und Effizienz ist, ermöglicht diese Eigenschaft den Herstellern die Entwicklung leichter und dennoch starker Komponenten. Die Fähigkeit, eine hohe Festigkeit bei gleichzeitiger Minimierung der Masse beizubehalten, ist ein entscheidender Vorteil in leistungsorientierten Sektoren.
Hohe Korrosionsbeständigkeit
Titan ist korrosionsbeständig, vor allem in extremen Situationen wie der Schifffahrt und der chemischen Verarbeitung. Bei Komponenten, die rauen Bedingungen standhalten müssen, kann Titan Meerwasser, Säuren und anderen korrosiven Stoffen widerstehen, ohne sich zu verschlechtern. Dies verlängert die Lebensdauer der Teile und senkt die Wartungskosten.
Biokompatibilität
Für medizinische Implantate und Geräte wird Titan wegen seiner Biokompatibilität verwendet. Chirurgische Anwendungen wie Gelenkersatz und Zahnimplantate sind sicher, da die Substanz nicht mit menschlichem Gewebe reagiert. Im Gesundheitswesen ist es aufgrund seiner Ungiftigkeit besser geeignet.
Dauerhaftigkeit und Ermüdungsbeständigkeit
Dank der Ermüdungsfestigkeit und Haltbarkeit von Titan können Bauteile wiederholte Belastungen ohne Ausfall überstehen. Teile für die Luft- und Raumfahrt werden zyklisch belastet, weshalb diese Qualität entscheidend ist. Bauteile aus Titan sind in wichtigen Anwendungen zuverlässig, weil sie unter Belastung gut funktionieren.
Nicht-magnetische Eigenschaften
Titan ist auch deshalb nützlich, weil es nicht magnetisch ist und daher an Orten verwendet werden kann, wo magnetische Störungen ein Problem darstellen könnten. Diese Eigenschaft ist in der Medizin (z. B. bei MRT-Geräten) und bei elektronischen Geräten, die Magnetfelder kontrollieren müssen, sehr nützlich.
Bearbeitbarkeit und Verformbarkeit
Die Herstellung von Titan ist aufgrund seiner begrenzten Wärmeleitfähigkeit und seiner Neigung zur Kaltverfestigung schwierig, doch die CNC-Bearbeitung hat sie erleichtert. Hersteller können die besonderen Eigenschaften von Titan nutzen, indem sie CNC-Maschinen zum Schneiden und Tolerieren komplizierter Geometrien einsetzen. Geeignete Schneidewerkzeuge, Geschwindigkeiten und Kühlsysteme können den Wärmestau bei der Bearbeitung verringern.
Umweltverträglichkeit
Titan ist außerdem sehr gut recycelbar, was seine Attraktivität als umweltfreundliches Material noch erhöht. Die Fähigkeit, Titan zu recyceln, minimiert den Abfall und erhöht die Nachhaltigkeit in der Produktion.
Herausforderungen, die bei der Bearbeitung von Titan zu beachten sind
Bei der Bearbeitung von Titan gibt es verschiedene Hindernisse, die den Fertigungsprozess beeinträchtigen können. Das Verständnis dieser Hindernisse ist entscheidend für die Produktion hochwertiger CNC-Ergebnisse. Hier sind die wichtigsten Herausforderungen bei der Bearbeitung von Titan.
Hitzestau
Die begrenzte Wärmeleitfähigkeit von Titan führt dazu, dass sich die Bearbeitungswärme an der Schnittstelle zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück staut. Ein Wärmestau kann den Werkzeugverschleiß beschleunigen, die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzen und die Oberflächenqualität der bearbeiteten Teile verschlechtern. Hitze kann Titan härten, wodurch es schwieriger zu bearbeiten ist, wenn es nicht richtig behandelt wird. Verwenden Sie Hochdruck-Kühlmittelsysteme und optimieren Sie die Vorschubraten und Spindeldrehzahlen, um dieses Problem zu vermeiden.
Hohe Schnittkräfte
Aufgrund ihrer Festigkeit und Härte erfordern Titanlegierungen hohe Schnittkräfte. Hohe Kräfte können während der Bearbeitung Vibrationen und Verformungen verursachen, die zu Produktfehlern und Werkzeugverschleiß führen. Um dieses Problem zu lösen, müssen die Maschinenbediener robuste Werkstückaufnahmen und scharfe titanspezifische Werkzeuge verwenden.
Chemische Reaktivität
Titan reagiert bei hohen Temperaturen chemisch. Diese Reaktivität kann zu Oberflächenoxidation und Abrieb führen, wodurch das Material am Schneidwerkzeug haften bleibt und dieses beschädigt wird. Sauerstoff versprödet die Titanlegierung und vermindert die Korrosionsbeständigkeit. Die Verwendung geeigneter Schneidflüssigkeiten und die Bearbeitung bei niedrigeren Temperaturen können diese Auswirkungen verringern.
Elastische Verformung
Titan verformt sich unter den Zerspanungskräften aufgrund seines geringeren Elastizitätsmoduls als Stahl. Dies kann dazu führen, dass sich schlanke Teile während der Bearbeitung biegen oder verformen, was zu nicht tolerierbaren Abmessungen führt. Verwenden Sie eine steife Werkstückaufnahme und Schnittparameter, die die Durchbiegung minimieren, um dieses Problem zu lösen.
Built-Up Edge (BUE)
Bei der Bearbeitung von Titan kommt es häufig zu Ablagerungen an den Schneidwerkzeugen. Späne an der Werkzeugschneide machen diese stumpf und erzeugen Wärme. Um BUE zu verhindern und die Schnittbedingungen zu optimieren, sind Lösungen zur Spanabfuhr erforderlich, z. B. die Anwendung von Hochdruck-Kühlmitteln direkt an der Schneide.
Chip-Kontrolle
Lange, dünne Titanspäne können sich um Maschinen wickeln oder bearbeitete Oberflächen beschädigen, wenn sie nicht richtig kontrolliert werden. Diese Späne behindern die Wärmeabfuhr aus dem Arbeitsbereich und verschlimmern den Hitzestau. Um die Spankontrolle zu verbessern und Schäden zu vermeiden, müssen Zerspaner Werkzeuge und Bearbeitungsverfahren entwickeln, die eine kürzere Spanbildung fördern.
Restspannungen
Die Kristallstruktur des Titans und die Kaltverfestigung können während der Bearbeitung Restspannungen verursachen. Werden diese Spannungen nicht ausgeglichen, kann es zu Verformungen oder Brüchen im fertigen Produkt kommen. Die Anwendung von Bearbeitungstechniken, die diese Spannungen ausgleichen, wie z. B. tiefere Schnitte, kann helfen.
Tipps zur Bearbeitung von Titan CNC-Bearbeitung
Obwohl Titan sehr schwierig zu bearbeiten ist, gibt es immer noch viele Industrien und Konstrukteure wegen seiner vielen Vorteile.
Geeignete Schneidwerkzeuge auswählen
Verwenden Sie titanspezifische Werkzeuge, z. B. mit TiCN- oder TiAlN-Beschichtung, um die Hitzebeständigkeit zu verbessern und den Werkzeugverschleiß zu verringern.
Optimierung der Schnittparameter
Verwenden Sie niedrigere Spindeldrehzahlen in Verbindung mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren und eine Kaltverfestigung zu verhindern. Diese Strategie fördert die Werkzeugintegrität und verlängert die Lebensdauer des Werkzeugs.
Steifigkeit des Aufbaus sicherstellen
Sichern Sie das Werkstück fest und verwenden Sie robuste Werkzeugaufbauten, um Vibrationen und Durchbiegungen zu reduzieren, die die Oberflächenpolitur und die Maßgenauigkeit beeinträchtigen können.
Hochdruck-Kühlsysteme verwenden.
Verwenden Sie Hochdruck-Kühlmittel direkt in der Schneidzone, um die Wärme effektiv abzuleiten, thermische Schäden zu verringern und die Spanabfuhr zu verbessern.
Oberflächenveredelung für bearbeitete Titanteile
Bearbeitete Titanbauteile können von einer Vielzahl von Oberflächenbehandlungsverfahren profitieren, die sowohl praktische als auch ästhetische Eigenschaften verbessern. Im Folgenden werden einige der häufigsten Oberflächenbehandlungen von Titan vorgestellt.
Polieren
Durch das Polieren entsteht eine glatte, reflektierende Oberfläche, die die Ästhetik von Titanbauteilen erhöht. Diese Methode ist sehr vorteilhaft bei Anwendungen, bei denen das Aussehen wichtig ist, wie bei Schmuck und hochwertigen Flugzeugteilen. Titan Polieren Detail
Eloxieren
Eloxieren ist ein elektrochemisches Verfahren, bei dem eine schützende Oxidschicht auf die Titanoberfläche aufgebracht wird. Dies verbessert die Korrosionsbeständigkeit und ermöglicht gleichzeitig eine individuelle Farbgestaltung, was es für medizinische Geräte und Verbraucherprodukte nützlich macht.
Perlensprengen
Perlstrahlen oder Sandstrahlen erzeugt eine raue, matte Oberfläche auf Titanoberflächen. Dieses Verfahren wird häufig wegen seiner ästhetischen Vorteile angewandt, die zur Erhöhung der Kratzfestigkeit beitragen können.
PVD-Beschichtung (physikalische Gasphasenabscheidung)
PVD-Beschichtungen, einschließlich Titannitrid (TiN), verbessern die Härte und Verschleißfestigkeit. Bei diesem Verfahren wird eine dünne Materialschicht auf die Titanoberfläche aufgebracht, die die Leistung unter schwierigen Bedingungen verbessern kann.
Elektropolieren
Durch Elektropolieren wird die Oberflächengüte verbessert, indem eine kleine Materialschicht entfernt wird, so dass sie sauber und glänzend bleibt. Dieses Verfahren verringert auch die Mikrorauheit und erhöht die Korrosionsbeständigkeit.
Pulverbeschichtung
Die Pulverbeschichtung erzeugt eine lang anhaltende Oberfläche, die in einer Vielzahl von Farbtönen aufgetragen werden kann. Sie ist sehr nützlich für die Verbesserung des Aussehens und der Korrosionsbeständigkeit von Titanteilen, die im Außenbereich eingesetzt werden.
Promenade
Beim Verchromen werden Titanbauteile mit einer Chromschicht überzogen, um sie rostbeständiger zu machen und ihnen eine glänzende Oberfläche zu verleihen. Dieses Verfahren wird häufig zur Veredelung von Autos und zur Herstellung von Dekorationen verwendet.
Bürsten
Das Bürsten von Titanteilen verleiht ihnen ein einzigartiges Aussehen und hilft, Kratzer und Abnutzung im Laufe der Zeit zu verbergen, indem die Oberfläche ein lineares Muster erhält.
Malerei
Die Lackierung von Titanoberflächen ist eine einfache Möglichkeit, ihnen Farbe zu verleihen und sie vor Beschädigungen zu schützen. Sie wird in der Regel für die Optik verwendet und kann je nach gewünschter Oberfläche mit verschiedenen Techniken aufgetragen werden.
Anwendungen für bearbeitete Teile aus Titan
Aufgrund ihrer hohen Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Biokompatibilität sind bearbeitete Teile aus Titan für viele Unternehmen unverzichtbar. Sie können in einer Reihe von Bereichen eingesetzt werden.
Luft- und Raumfahrtindustrie
Titan wird in Flugzeugen für wichtige Teile wie Kompressorschaufeln, Scheiben, Flugzeugstrukturen und Fahrwerke verwendet, weil es stark, aber nicht zu schwer ist. Damit Flugzeuge gut funktionieren und lange halten, muss es hohen Temperaturen und Korrosion standhalten können.
Medizinische und zahnmedizinische Bereiche
Titan ist ein beliebtes Material für medizinische Implantate wie Zahnimplantate, Gelenkersatz und chirurgische Instrumente, da es biokompatibel ist und nicht mit Körperflüssigkeiten reagiert. Seine Verwendung senkt das Risiko einer Ablehnung und stellt sicher, dass es im Körper lange hält.
Automobilsektor
Bearbeitete Teile aus Titan werden für Motorteile wie Ventile und Pleuelstangen sowie für Auspuffanlagen in leistungsstarken und teuren Autos verwendet. Die Festigkeit und Leichtigkeit des Materials tragen dazu bei, dass das Auto besser läuft und weniger Benzin verbraucht. (Wikipedia-Quelle)
Marine Anwendungen
Titan ist ein gutes Metall für Schiffsgetriebe, Propellerwellen und andere Teile, die den rauen Meeresbedingungen ausgesetzt sind, da es nicht rostet. Das macht es zuverlässig und langlebig.(Wikipedia Quelle)
Industrielle Verwendungen
Bearbeitete Teile aus Titan werden in Wärmetauschern, Ventilen und Reaktoren in der chemischen Verarbeitung und der Energieerzeugung verwendet, da sie korrosiven Umgebungen und hohen Temperaturen standhalten können, was den Betrieb sicher und effizient macht.(Wikipedia Quelle)
FAQS
Vergleich mit anderen Materialien
Ti ist schwieriger zu bearbeiten als andere Werkstoffe, da es Wärme nicht gut leitet, sehr stark ist und zur Aushärtung neigt, was bedeutet, dass man spezielle Werkzeuge und Methoden benötigt.
Warum ist Titan schwer zu bearbeiten?
Die mangelnde Wärmeleitfähigkeit macht es schwierig, mit Titan zu arbeiten, da es sich leicht erwärmt.
Welche Schneidwerkzeuge sind für Titan am besten geeignet?
Wenn es um das Schneiden von Titan geht, eignen sich Hartmetallwerkzeuge mit Hightech-Beschichtungen wie TiAlN oder TiCN am besten. Diese Werkzeuge haben eine lange Lebensdauer und tragen dazu bei, die Hitze während des Schneidens gering zu halten.
Welche Bearbeitungsprozesse werden üblicherweise für Titan verwendet?
Fräsen, Schneiden, Bohren und Schleifen sind gängige Verfahren zur Bearbeitung von Titan. Um eine gute Bearbeitung zu erreichen und gleichzeitig die Hitzeentwicklung und den Werkzeugverschleiß auf ein Minimum zu beschränken, muss jedes Verfahren sorgfältig auf seine Schneideinstellungen abgestimmt werden.
Schlussfolgerung
Wenn man diese Dinge gut beherrscht, wird die CNC-Bearbeitung von Titan zu einer praktischen und effektiven Methode für die Herstellung langlebiger und präziser Teile für die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik und die Automobilindustrie.
