Hinweise zur spanabhebenden Bearbeitung von Titan

 

 

Titan und Titanlegierungen lassen sich ähnlich wie die austenitischen Stähle zerspanen. Die Bearbeitung mittels der verschiedenen Zerspanungsverfahren bereitet dabei keine grundsätzlichen Schwierigkeiten, wenn beachtet wird, daß

  1. die Werkzeugschneide aufgrund der relativ geringen spezifischen Wärme, Wärmeleitfähigkeit und Dichte des Titans thermisch hoch belastet wird,
  2. Titan aufgrund seines geringen Elastizitätsmoduls dem Druck des Schneidwerkzeuges nachgibt und
  3. Titan dazu neigt, mit dem Werkzeug zu verschweißen.

Titan muß daher mit geringer Schnittgeschwindigkeit, relativ großem und gleichmäßigem Vorschub unter reichlicher Zuführung von Kühlmittel mit einem möglichst schwingungsfrei eingespannten, scharfen Werkzeug bearbeitet werden. Darüber hinaus ist zu beachten, daß eventuell harte Oberflächenschichten zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß führen und vor der mechanischen Bearbeitung durch z. B. Strahlen und/oder Beizen entfernt werden sollten.
Richtwerte für die spanabhebende Bearbeitung von Titan und Titanlegierungen entnehmen Sie bitte der beigefügten Tabelle.

1. Drehen und Fräsen

Als Drehstähle kommen hochkobalthaltige Schnellarbeitsstähle, Hartmetalle oder Stellite in Frage. Bei den Hartmetallen haben sich die Wolframkarbid-Sorten mit Kobaltbindung am besten bewährt, wobei die Gruppe K20 die höchste Standzeit aufweist.

Stellite ermöglichen höhere Zerspanungsleistungen als die Schnellarbeitsstähle und führen im Gegensatz zu den Hartmetallen zu einer besseren Spanbildung und zu geringeren Nachbearbeitungszeiten. Der Spanwinkel bei Hartmetallwerkzeugen soll beim Schruppen und Vordrehen zwischen -6° und +6° und beim Fertigdrehen zwischen 0° und 15° liegen. Bei Schnellarbeitsstählen sind Spanwinkel je nach Beanspruchung zwischen 5° und 15° zu wählen. Ein Freiwinkel von ca. 7° ist dabei immer ratsam. Der Neigungswinkel sollte bei Hartmetall -4° und bei Schnellarbeitsstählen 0 - 5° betragen.

Beim Fräsen ist aufgrund der Neigung des Titans, mit dem Werkzeug zu verschweissen, das Gleichlauffräsen dem Gegenlauffräsen vorzuziehen. Dadurch wird der kommaförmige Span an der dünnsten Stelle abgetrennt und Beschädigungen des Fräsers, infolge der sich bildenden Aufbauschneiden und das Kleben der Späne, auf ein Mindestmaß reduziert.

Der Spanwinkel der Fräser sollte bei Schnellarbeitsstählen 0 - 10° und bei Hartmetallen und Stellite 0° betragen, bei einem Freiwinkel von 12°.

2. Bohren

Titan sollte bei großem Vorschub mit geringer Schnittgeschwindigkeit auf einer starren, vibrationsfreien Bohrmaschine mit starker Kühlung gebohrt werden. Bei tiefen Bohrungen sind chlorierte Schneidöle zur Reibungsverminderung zu empfehlen. Das Bohren von Hand sollte möglichst vermieden werden.

Schnellarbeitsstähle und Hartmetalle werden als Werkstoffe für Bohrer verwendet. Die Bohrer müssen unbedingt ausgespitzt werden und die Querschneide soll nicht mehr als 1,5 - 2 mm betragen. Bei Durchgangsbohrungen muß der Spitzenanschliff ca. 140° betragen, um den Durchbruchweg zu verkürzen. Der Freiwinkel sollte zwischen 10 und 15° betragen.

Wenn Stauchspäne auftreten, muß der Spanwinkel durch Einschleifen einer Hohlkehle vergrössert werden, da diese Späne häufig zum Verschweißen des Bohrers mit dem Werkstück führen.

3. Gewindeschneiden

Für die Herstellung von Gewinden ist ein starrer Maschinenaufbau und eine gute Werkzeugbefestigung erforderlich. Gute Schnittbedingungen werden bei Umfangsgeschwindigkeiten von 5 - 15 m/min (unlegiertes Titan), 3 - 10 m/min (Titanlegierungen, geglüht) und 1 - 5 m/min (Titanlegierungen, ausgehärtet) erreicht.

Nach Möglichkeit sollten Gewinde nicht von Hand geschnitten werden, da ein ungleichmässiger Druck die Standzeit des Werkzeugs vermindert. Außengewinde sind auf der Drehbank zu schneiden, da sich Schneideisen festfressen können und somit zu unsauberen Gewinden führen. Die Gewindetiefe ist allmählich zu vergrößern (0,25 - 0,5 mm pro Vorschub).

Beim Gewindebohren macht sich die Neigung zum Schmieren und Fressen des Titans besonders unangenehm bemerkbar. Aus diesem Grund ist der Einsatz eines chemisch aktiven Schmiermittels, wie z.B. schwefelhaltiges Schneidöl oder Mischungen, die Molybdänsulfid oder Graphit enthalten, sehr wichtig. Der Gewindebohrer sollte einen starken Kern und eine verkürzte Schneidlänge besitzen. Zum Schaft hin ist eine starke Gewindeverjüngung sowie ein starker Flankenhinterschliff vorzusehen. Der Spanwinkel sollte 5° betragen.

Falls ein Gewindebohrer während des Schneidvorganges abbricht, kann er durch Anwendung von Salpetersäure herausgelöst werden, da Salpetersäure zwar Stahl, nicht aber Titan löst.

Eine Alternative zur Herstellung von Innengewinden kleiner Durchmesser mittels Gewindebohrer ist das Zikularfräsen. Die bei der Anwendung von Gewindebohrern und dort besonders bei Sackbohrungen auftretenden Probleme, wie die Behinderung des Schneidvorganges durch anfallende Späne, treten bei diesem Verfahren durch die Entfernung der Späne während des Herstellungsvorganges nicht auf. Die weiteren Vorteile des Gewindefräsens sind die kurze Bearbeitungszeiten und die hohe qualitative Fertigungssicherheit.

Gute Ergebnisse mit dem Zirkularfräsen von Innengewinden M8 mit einer Tiefe von 2 x Ø in Bauteile der Titanlegierung TiAl6V4 wurden mit einem TiCN-beschichteten Gewindefräser (Steigung der Wendelnut = 7°) erreicht. Eine Schnittgeschwindigkeit von 100 m/min und ein Vorschub von 670 mm/min haben sich dabei bewährt. Die benötigte Zeit zur Herstellung eines Gewindes mit den o. a. Abmessungen betrug ca. 10 s.

4. Sägen

Titan kann ohne Schwierigkeiten mit den üblichen Bügelsägen gesägt werden. Ein starker Anpreßdruck bei reichlicher Kühlmittelzufuhr ist zu empfehlen. Es werden zweckmäßigerweise grobe Schnellstahl- (vier Zähne / Zoll) oder hartmetallbestückte Sägeblätter verwendet. Bei dünnwandigen Teilen empfiehlt sich ein feiner gezahntes Blatt. Es kann mit Geschwindigkeiten gesägt werden, die etwa 25% niedriger sind als bei Stählen. Höhere Trenngeschwindigkeiten werden mit Kreissägen erreicht. Selbstverständlich können auch geeignete Bandsägen verwendet werden.

Besonders beim Sägen ist es wichtig, daß eine eventuell aufgehärtete Oberfläche vor dem Sägen durch Strahlen, Abschleifen oder Abdrehen entfernt wird, da sonst das Sägeblatt gleich am Anfang des Trennprozesses stumpf wird, wodurch neben einer Verlängerung der Sägezeit auch die Gefahr zum Verlaufen des Sägeblattes besteht.

5. Schleifen

Beim Schleifen machen sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Titan am deutlichsten bemerkbar. Durch den relativ hohen Reibungskoeffizienten entstehen beim Schleifen hohe Temperaturen, die chemische Reaktionen zwischen dem Metall und dem Schleifkorn zur Folge haben und zum Verbrennen und Verschmieren der Werkstückoberfläche führen. Die Schleifkörner werden durch örtliche Überhitzung verhältnismäßig schnell stumpf und rutschen dann nur noch über die Oberfläche. Selbst wenn die geschliffene Oberfläche nicht sichtbar verbrannt ist, können Oberflächenspannungen vorliegen, die zu Schleifrissen führen und die Dauerfestigkeit beeinträchtigen.

Als Schleifscheiben haben sich aufgrund der guten Wärmeabfuhr und Splitterfähigkeit Aluminiumoxidscheiben und Siliziumkarbidscheiben mit keramischer Bindung der Härte J, K oder L bewährt. Während mit Siliziumkarbidscheiben im allgemeinen eine höhere Oberflächenqualität erreicht wird, führen Aluminiumoxidscheiben aufgrund der geringeren Schleifge-schwindigkeit zu geringeren Eigenspannungen im Werkstück.

Nachteilig wirkt sich beim Einsatz von Siliziumkarbidscheiben die erhöhte Funkenbildung aus, wodurch auf eine verstärkte Kühlmittelzufuhr geachtet werden muß. Eine geringere Funkenbildung tritt bei Aluminiumoxidscheiben auf. Allerdings werden die Schleifkörner der Aluminiumoxidscheiben schneller stumpf und die Schleifscheiben müssen öfter abgezogen werden.

Ebenfalls gut geeignet sind Diamantscheiben mit Harz-Bindung, wobei Schleifscheiben mit zähen Schleifkörnern denen mit spröden Körnern vorzuziehen sind.

Bei Schleifgeschwindigkeiten von 5 - 10 m/s werden mit Aluminiumoxidscheiben die besten Ergebnisse erzielt. Siliziumkarbidscheiben können hingegegen bei Schleifgeschwindigkeiten von 20 - 30 m/s eingesetzt werden.

Das Schleifen sollte mit reichlicher Kühlmittelzufuhr erfolgen. Für feine Oberflächen mit geringen Rauhtiefen sind Ölemulsionen empfehlenswert. Bei Körnungen feiner als 320 besteht die Gefahr des Verklebens der Scheibe.

Es sei darauf hingewiesen, daß Titan von einer bestimmten Partikelgröße an abwärts sehr leicht mit Sauerstoff reagiert und zu Titanoxid verbrennt. Aus diesem Grund ist bei der Behandlung und Handhabung von Titanschleifspänen eine gewisse Sorgfalt erforderlich.

6. Kühlmittel

Die gebräuchlichsten Kühlmittel zur spanabhebenden Formgebung sind Lösungen auf Wasserbasis (Rostschutzmittel oder Emulsionsöle). Folgende Kühlmittel haben sich bei der Zerspanung von Titanwerkstoffen bewährt:

  1. 5 %-ige wäßrige Lösung von Natriumnitrid
  2. 5 - 10 %-ige wäßrige Lösung von wasserlöslichem Öl
  3. Geschwefeltes oder chloriertes Öl - Einsatz bei geringen Schnittgeschwindigkeiten. Chlorhaltige Kühlmittel führen zu einer erhöhten Anfälligkeit zur Spannungsrißkorrosion und zur Bildung von Oberflächenrissen bei einer Erwärmung oberhalb 200 °C. Daher ist nach der Zerspanung eine Reinigung des Werkstückes durchzuführen.
  4. Spiritus - Einsatz bei geringer Spanabnahme und geringen Schnittgeschwindigkeiten.