Edelstahl- & Titanschmieden – Geschmiedete Komponenten aus Nickel- und Titanlegierungen

Titan – Ein besonderes Metall: Leicht und korrosionsbeständig

Titan ist das neunthäufigste Element der Erdkruste, kommt jedoch praktisch nur in gebundener Form vor und ist in vielen kritischen Bereichen unverzichtbar. Es wird durch das aufwendige Kroll-Verfahren gewonnen – ein Prozess, der teurer ist als die Stahlproduktion. Titan und Titanlegierungen vereinen Eigenschaften, die für zahlreiche High-Tech-Anwendungen entscheidend sind: hohe spezifische Festigkeit, exzellente Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität bei gleichzeitig geringem Gewicht.

Im Kroll-Verfahren wird Titan aus Erzen wie Ilmenit oder Rutil durch Reduktion mit Magnesium oder Natrium extrahiert. Dieser Prozess bildet zunächst den sogenannten Titan-Schwamm, ein poröses, grobes Material, das anschließend weiterverarbeitet wird. Der Prozess umfasst mehrere Schritte bei hohen Temperaturen und erfordert spezielle Anlagen, was zu den hohen Produktionskosten beiträgt.

👨‍🎓 Titanlegierungen zählen, wie auch die Nickelbasislegierungen, per Definition nicht zu den Stahllegierungen, sondern zu den Superlegierungen, da sie kaum Eisen beinhalten. Stahl hingegen ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die häufig weitere Legierungsbestandteile (s.u.) wie Chrom, Vanadium oder Molybdän enthält.

Die unteren Zahlen an den chemischen Elementen in der untenstehenden Abbildung geben die jeweiligen Dichten an. Ein Titanwürfel (Ti, links) mit 10 cm Kantenlänge wiegt nur 4,5 kg, während ein Würfel aus Edelstahl je nach Zusammensetzung ca. 8 kg wiegt und aus Wolfram (W, rechts) sogar 19 kg!

Titan mit Aluminium: Ti-6Al-4V – Die häufigste Titanlegierung

Die Legierung Ti-6Al-4V macht über die Hälfte des industriell genutzten Titans aus, insbesondere in der Luftfahrt, Medizintechnik und der chemischen Industrie. Sie besteht aus 90% Titan, 6% Aluminium, 4% Vanadium und ist unter den Bezeichnungen (Codes) 3.7164/5 sowie ASTM Grade 5 (Ti64) bekannt. Weitere wichtige Titanlegierungen, die hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden, sind Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) und Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti6246).

Die Kombination aus hoher Festigkeit, geringem Gewicht und exzellenter Korrosionsbeständigkeit macht Titan zu einem unverzichtbaren Werkstoff für hochbeanspruchte und kritischen Anwendungen – von medizinischen Implantaten und Strukturkomponenten über Titanventile und Rohrleitungen für aggressive Medien in der maritimen und chemischen Industrie bis hin zu Turbinenschaufeln und Verdichterrädern für Turbolader. Aufgrund seiner speziellen Eigenschaften sind Titanteile jedoch anspruchsvoll in der Massivumformung (Gesenkschmieden) und zerspanenden Bearbeitung (CNC), was die Herstellungskosten von Titankomponenten zusätzlich erhöht.

⚓ Aufgrund seiner nicht-magnetischen Eigenschaften ist Titan ideal für Anwendungen, bei denen Komponenten nicht durch magnetische Sensorik detektiert werden sollen, wie beispielsweise in Minensuchbooten und U-Booten. In diesen Fahrzeugen werden häufig Titanteile verbaut, darunter Titanventile, da sie die magnetische Erkennbarkeit erheblich reduzieren. Zudem sind Titankomponenten sogar seewasserbeständiger als die Nickel-Kupferlegierung Monel®, die ansonsten oft in kritischen Marineanwendungen eingesetzt wird und nur schwach magnetisierbar ist.

Titan, Kupfer, Nickel – Speziallegierungen für kritische Anwendungen

Titan bietet eine herausragende Korrosionsbeständigkeit und ist in Meerwasser sowie in chloridhaltigen Medien häufig widerstandsfähiger als die kupferhaltige Nickelbasislegierung Monel®, die vor allem im maritimen Bereich vielfach Anwendung findet. Zudem wird Titan als Legierungsbestandteil in Stählen wie F316Ti (1.4571) verwendet, um die interkristalline Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen und die Hochtemperaturstabilität des Stahls durch Stabilisierung des Korngefüges zu verbessern.

Der F316-Stahl ist eine austenitische Chrom-Nickel-Legierung und gilt als einer der wichtigsten und vielseitigsten Edelstähle für eine breite Palette an Anwendungen – von Küchenausstattungen über die Nukleartechnik bis hin zur Tieftemperatur-Kältetechnik (Kryotechnik) und Wasserstoffverarbeitung, über die bereits in früheren Artikeln berichtet wurde (bitte den Links folgen).

💡 Nitinol ist eine Nickel-Titan-Legierung und der bekannteste Vertreter der Formgedächtnislegierungen. Der Name leitet sich vom ehemaligen Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory ab, in dem es bereits 1958 in den USA entwickelt wurde. Diese Legierung kann ihre Form bei Temperaturänderungen zurückerlangen und ist daher in High-Tech-Anwendungen, wie komplexen Federmechanismen in der Sensorik und in der Medizintechnik für die Herstellung von Stents, besonders wertvoll. Diese Eigenschaften ermöglichen präzise, wiederholbare Bewegungen und eine optimale Anpassung an den Körper.

Resümee

Für die wichtigsten Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit und auch die Preise könnte man folgende Ungleichung formulieren: F316<Monel®<Titan. Dabei zeichnet sich F316 besonders in der Kryotechnik, Monel® im Hochtemperaturbereich und Titan durch seine herausragende Korrosionsbeständigkeit und "Leichtigkeit" aus: Monel® ist etwas schwerer als F316 und Titan ist fast nur halb so schwer, dafür aber nahezu doppelt so zugfest.

Der Autor, Thomas Henneke, hat Mathematik und Physik studiert und ist nach beruflichen Stationen in der Forschung und Bildung heute geschäftsführender Gesellschafter der Gesenkschmiede KB Schmiedetechnik GmbH in Hagen, einer hochzertifizierten Präzisionsschmiede im westdeutschen Sauerland, zwischen Solingen und Dortmund gelegen.

KB Schmiedetechnik GmbH verarbeitet sämtliche Stahlsorten, darunter hochkorrosionsbeständige Edelstähle, Duplexstähle sowie Nickelbasis- und Titanlegierungen. Die Rohteilgewichte reichen von ca. 200 g bis 130 kg, bei einer Maximallänge von 600 mm – mit optimierter Kornflussstruktur (EN: Grain-Flow Forging), präzisionsgeschmiedet und kalibriert.

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Weitere Details zu unseren Fertigungsmöglichkeiten, Zertifizierungen sowie zur maschinellen Ausstattung finden Sie im Blog des Autors unter der Rubrik Equipment, ebenso wie Informationen zur Firmenhistorie inklusive unseres Engagements im Bereich Umweltschutz und sozialer Verantwortung.