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Werkstoffe

Titanbauteile kostengünstig fertigen

Februar 2012 — Titan ist leicht, fest, widerstandsfähig – und viel zu teuer in der Herstellung. Damit das Metall in größerem Maß eingesetzt werden könnte, arbeiten die Wissenschaftler vom IFUM Hannover an einem kostengünstigen Fertigungsverfahren für Titan-Bauteile.

Vom Hüftgelenk bis zum Flugzeug-Triebwerk – Titan erfüllt anspruchsvollste Aufgaben. Das Metall ist viel leichter und deshalb Energie sparender als Stahl, aber genauso stabil, außerdem rostbeständig, extrem belastbar und körperverträglich. Doch trotz dieser hervorragenden Eigenschaften ist der Einsatz von Titan bislang noch eng begrenzt. Der Grund sind die hohen Kosten. Wissenschaftler des Instituts für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) im Produktionstechnischen Zentrum (PZH) der Leibniz Universität Hannover entwickeln jetzt kostengünstige Fertigungsverfahren, die dem Titan in der Autoindustrie und anderen Branchen neue Anwendungsbereiche erschließen werden.
Titanlegierungen haben die gleiche Festigkeit wie Stahl, sind aber um 42% leichter. Titan ist hitzebeständig, widersteht auch aggressiven chemischen Substanzen und ist gut körperverträglich. Deshalb bestehen so unterschiedliche Produkte wie Zahnimplantate, Satellitentanks, Brillengestelle oder Abgasanlagen aus diesem Material. Doch von einem Massenwerkstoff ist Titan noch weit entfernt. Seine Verwendung beschränkt sich auf hochwertige Güter und Bauteile. Der Grund sind die hohen Materialkosten und die schwierige Verarbeitung. Ein Kilo Titanlegierung kostet je nach Zusammensetzung 80 bis 120 EUR, die gleiche Menge Edelstahl bekommt man für nur 4 bis 8 EUR. Von den 470000 Tonnen Titan, die zurzeit weltweit verbraucht werden, werden 40% in der Luftfahrtindustrie verwendet. Dort senkt die Gewichtsersparnis durch das Leichtmetall die Energiekosten so stark, dass sich die größeren Investitionen lohnen. Im serienmäßigen Automobilbau hingegen beschränkt sich der Einsatz von Titan bislang vor allem auf Abgasanlagen oder Bremssysteme, obwohl es sich auch für viele andere Komponenten eignen und den Kraftstoffverbrauch beträchtlich reduzieren würde.

Titan kostengünstiger machen

„Unser Ziel ist es, den Einsatz von Titan kostengünstiger zu machen, damit weitere Bereiche der Industrie und dadurch auch die Verbraucher von seinen hervorragenden Eigenschaften profitieren können“, erklärt der Direktor des IFUM, Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens. Da spanende Bearbeitungsverfahren wie das Fräsen, Bohren oder Schleifen viel von dem teuren Material verbrauchen, setzen die Ingenieure am IFUM auf die Schmiedetechnik. Besonders vielversprechend ist das Pulverschmieden, mit dem sich die Materialverluste um etwa die Hälfte reduzieren lassen: Hierbei wird Titanpulver mit Matrizen und Stempeln in die gewünschte Form gepresst. Die Pulverpresse, mit der die Ingenieure in Hannover arbeiten, kann dank mehrerer unterschiedlich angeordneter Stempel auch komplizierte Formen herstellen, ohne dass Risse entstehen – bei den Versuchen des IFUM war es eine Zahnriemenscheibe. Wenn der Rohling die Presse verlässt, hat er schon die gewünschte Form, ist aber noch nicht fest genug. Deshalb wird er anschließend vier Stunden lang gesintert“, also bis knapp unter seine Schmelztemperatur erhitzt. Allerdings verbindet sich Titan bei solch hohen Temperaturen leicht mit Gasen seiner Umgebung, vor allem mit Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Da diese chemischen Reaktionen das Material ungünstig beeinflussen, muss das Sintern im Hochvakuum oder unter einem schützenden Edelgas wie Argon stattfinden.

Pulverschmieden ist wirtschaftlich interessant

Das gesinterte Bauteil ist zwar im Prinzip fertig, doch seine Festigkeit lässt sich durch anschließendes Schmieden noch stark erhöhen. Das ist allerdings eine technische Herausforderung, denn Titan ist spröde und deshalb bedeutend schwerer zu formen als Stahl. Es muss bei hohen Temperaturen und mit einer niedrigen Geschwindigkeit verarbeitet werden. Da Titan nur wenig Wärme speichert und das Rohteil beim Schmieden schnell auskühlt, müssen die Matrizen und Stempel der Schmiedepressen auf 900 bis 1000 Grad – die Schmiedetemperatur von Titan – erhitzt werden. Werkzeuge aus Stahl werden bei so hohen Temperaturen jedoch weich. Ein Ansatzpunkt der IFUM-Ingenieure ist daher der Einsatz von Matrizen und Stempeln aus Hochleistungskeramiken. Sie sind hitzebeständig, außerordentlich verschleißfest und lösen keine unerwünschten chemischen Reaktionen mit dem Titan aus. Unsere Versuche zeigen, dass die Kombination aus Pulverpressen, Sintern und Schmieden Titanbauteile mit großer Stabilität erzeugt. Außerdem ist unser Verfahren gegenüber bereits bestehenden pulvermetallurgischen Fertigungssystemen, die mit Wärmekammern und hohem Druck arbeiten, technisch weniger aufwändig. Dadurch wird das Pulverschmieden von Titan wirtschaftlich noch interessanter“, so das Fazit von Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens.

Leibniz Universität Hannover
IFUM
An der Universität 2
D-30823 Garbsen
Tel.: +49 511 762-2264
Internet: www.ifum.uni-hannover.de

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