Rohstoffe 10.09.2004, 18:33 Uhr

Auf Titan warten noch weitere attraktive Einsatzfelder

VDI nachrichten, Essen, 10. 9. 04 -Der Werkstoff Titan gilt vielfach als „teurer Exot“ – interessant für Flugzeugbau und Militär. Bei genauerem Hinsehen ist die Preisdifferenz oft kleiner als zunächst vermutet. Die Erschließung geeigneter Anwendungsfelder z. B. im Automobilbau könnte Kosten weiter senken und Titan auch bei Maschinen-bauern hoffähig machen; hier eine Palette des Potenzials.

Titan ist für Heinz Sibum ein „hervorragender Konstruktionswerkstoff und nicht so unbezahlbar, wie manche Produktentwickler glauben“, sagt der Leiter Forschung und Entwicklung der Deutsche Titan GmbH in Essen, ein Unternehmen von ThyssenKrupp Steel. Das Metall, das sich vor allem durch geringe Dichte bei sehr hoher Festigkeit und zugleich exzellenter Korrosions- und Säurebeständigkeit auszeichnet, wird bevorzugt in der Luft- und Raumfahrt sowie beim Bau von Anlagen und Apparaten für die chemische Industrie eingesetzt. Anwendungsbereiche sind darüber hinaus Optik, Feinmechanik, Mess- und Regeltechnik sowie die Medizintechnik, wo besonders die hervorragende Bioverträglichkeit geschätzt wird.
„Werkstoffentscheidungen fallen oft ganz am Anfang einer Konstruktionsüberlegung“, weiß Heinz Sibum. Manche Werkstofflösungen würden dabei von vornherein ausgeschlossen, noch bevor ein detailliertes Kosten- und Mengengerüst erstellt wurde, weil sie von vornherein als zu teuer eingestuft würden. Zu den regelmäßigen Verlierern zähle hierbei auch das Titan, eben weil ihm das Image eines teuren Edelwerkstoffs für Sonderlösungen anhafte. Hinzu komme eine Preisvergleichsfalle, in die nach seiner Erfahrung Entscheider gerade in dieser frühen Phase der „Daumenwertabschätzung“ besonders häufig hineintappten: Bei ersten überschlägigen Kalkulationen werde häufig vom Gewicht und nicht vom Volumen der zu substituierenden Stahlkomponente ausgegangen. So multipliziere man mit dem Werkstoffpreis pro Kilogramm – und lande damit prompt weit oberhalb des Marktpreises, weil übersehen werde, dass für ein gleichwertiges Titanbauteil ein wesentlich geringeres Gewicht angesetzt werden müsse. Immer wieder erlebe er Aha-Momente, wenn solche Kalkulationen nachvollzogen würden. Auf die Funktion bezogen liege der Kostenunterschied beispielsweise zum Edelstahl oft nur bei einem Faktor von 2,5 bis 3.
„Titanwerkstoffe erreichen sehr hohe Festigkeiten bei zugleich hohem Streckgrenzenverhältnis“, betont der Forschungsleiter. Bereits beim Reintitan sind Zugfestigkeiten bis 740 N/mm2 erzielbar, und durch Zulegieren von Aluminium, Zink und Vanadin lassen sich bei der Legierung LT 33 sogar garantierte 1200 N/mm2 erreichen. Noch interessanter ist für Konstrukteure und Entwickler jedoch das hohe Streckgrenzenverhältnis: Die Dehngrenze der bereits erwähnten Legierung liegt mit 1100 N/mm2 bei über 90 % der Zugfestigkeit. Dennoch weist der Hochleistungs-Werkstoff mit einer Mindestdehnung von 8 % eine recht beachtliche Zähigkeit auf.
Für solche Legierungen interessiert sich zunehmend auch der Maschinenbau, vor allem dort, wo hohe dynamische Belastungen auftreten. Im Dampfturbinenbau ermöglichen diese Werkstoffe beispielsweise eine Verlängerung der Laufschaufeln, was der Anlagenleistung zugute kommt. Zunehmend werden Titanwerkstoffe auch in solchen Bereichen eingesetzt, wo es um besondere Verschleißbeständigkeit oder um eine kombinierte Beanspruchung auf Verschleiß und Korrosion geht. Interessant ist hierbei auch die Möglichkeit der direkten Verschleißschutz-Beschichtung durch Glühen in Stickstoffatmosphäre.
Viel versprechende neue Anwendungsgebiete erschließen sich dem Titan zunehmend auch im Auto. Beispiel Fahrgestell: Hier kann man Titanfedern bei gleicher Leistung um 60 % leichter auslegen als solche aus Stahl. Weitere Einsatzbereiche sind neben Fahrwerks- und Motorteilen wie z. B. Pleuel oder Kurbelwellen auch – aufgrund der guten Korrosionsbeständigkeit – Abgassysteme.
Weiteres Einsatzpotenzial ergibt sich für Titan auf Grund der Tatsache, dass man damit andere Werkstoffe durch Walzplattieren beschichten kann, um so maßgeschneiderte Werkstoffkombinationen anwendungsbezogen herzustellen. Einsatzbereiche solcher Werkstoffe sind z. B. Plattenwärmetauscher für die Chemie oder Anlagen für die Meerwasserentsalzung.
„Die Korrosionsbeständigkeit und chemische Passivität von Titan ist gerade deshalb so gut, weil es eigentlich ein besonders unedles Metall ist“, ergänzt Heinz Sibum. Die beim Kontakt mit Luft sofort ablaufende Oxidation führt nämlich zur Bildung eines äußerst stabilen Schutzpanzers, der den weiteren Kontakt wirksam verhindert und dadurch die Reaktion stoppt. Bei Verletzungen der passivierenden Schicht erfolgt unter oxidierenden Bedingungen augenblickliche Neubildung, selbst aus Wasser. Dieser Mechanismus läuft ähnlich ab wie beim Aluminium, die Deckschicht ist jedoch deutlich dicker und auch stabiler. Dieser Eigenschaft verdankt das Titan nicht nur seine Korrosionsbeständigkeit, sondern auch seine exzellente Bioverträglichkeit. Doch manche Reagenzien wie zum Beispiel Fluor greifen diese Schutzschicht allerdings an.
„Bezüglich der Bearbeitbarkeit rangiert Titan in der gleichen Kategorie wie austenitische Edelstähle oder Nickelbasis-Werkstoffe“, erläutert der Titan-Experte. Die Schnittkräfte beim Spanen sind aufgrund der guten Scherfestigkeit und Zähigkeit höher als bei ferritischen Eisenwerkstoffen. Mit dem richtigen Werkzeug und der Wahl der geeigneten Parameter sei Titan im Prinzip problemlos bearbeitbar, allerdings solle man auf gute Kühlung achten.
Beim Umformen sind Legierungseinflüsse zu beachten. Die Umformbarkeit ist zumindest bei den b-Legierungen sowie beim Reintitan gut. Streck- und Tiefziehen sind ebenso möglich wie Drückwalzen und Walzprofilieren. Auch Schweißverfahren wie MIG, Laser- oder Punktschweißen sind problemlos einsetzbar. „Titan wird derzeit mit Blick auf die hohen Anforderungen der Luft- und Raumfahrt erzeugt“, so Sibum.
Das habe natürlich Auswirkungen auf den Preis, weil das extrem hohe Qualitätsniveau entsprechenden Aufwand und damit Kosten verursache. Er ist jedoch überzeugt, dass bei Erschließung neuer Anwendungsgebiete mit entsprechend hohem Abnahmevolumen – zum Beispiel Architektur oder Automobilsektor – auch über alternative Herstellpfade nachgedacht werden kann, wodurch sich das Kostenniveau auf ein für diese Einsatzbereiche angemessenes Niveau reduzieren lässt. Entscheidend hierfür sei jedoch das Bewusstsein der Konstrukteure: Solange Titan als „unbezahlbarer Exotenwerkstoff“ eingestuft werde, gebe es in dieser Kategorie keine Volumenanwendungen und damit keinen Anreiz für die Erzeuger, über vereinfachte und somit kostengünstigere Prozesse nachzudenken.KLAUS VOLLRATH/KIP

Von Vollrath/Dietmar Kippels

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