In dem Moment, in dem Sie sich entscheiden, ein Bauteil von Edelstahl auf Titan umzurüsten, stehen Sie sofort vor einem zweiten, potenziell teureren Dilemma: Welche Note brauchen Sie tatsächlich?
Obwohl die Branche fast 40 verschiedene Sorten anbietet, läuft die Wahl fast immer auf die beiden Titanen des Marktes hinaus: Klasse 2 (handelsüblich rein) und Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V).
Auf den ersten Blick scheint die Wahl binär zu sein. Wenn Sie Festigkeit wünschen, wählen Sie Güteklasse 5; wenn Sie Korrosionsbeständigkeit wünschen, wählen Sie Güteklasse 2. Aber jeder erfahrene Ingenieur weiß, dass binäre Entscheidungen in der Werkstoffkunde selten so einfach sind. Eine falsche Entscheidung bedeutet nicht nur ein defektes Teil, sondern kann zu einem Alptraum bei der Beschaffung führen, wenn Sie ein Material spezifizieren, das es in der benötigten Form gar nicht gibt, oder zu einem Desaster bei der Herstellung, wenn sich eine einfache kaltgeformte Biegung in einen Haufen gerissenen Schrotts verwandelt.
Dieser Leitfaden geht über die statischen Zahlen eines Datenblatts hinaus. Wir werden die technischen Kompromisse, die “versteckten” Herstellungskosten und die Realitäten in der Lieferkette analysieren, die den wahren Unterschied zwischen diesen beiden Materialien ausmachen.
Die metallurgische DNA: Alpha vs. Alpha-Beta
Um wirklich zu verstehen, warum sich die eine Sorte bei der Bearbeitung wie ein duktiles Metall und die andere wie eine hartnäckige Keramik verhält, müssen wir uns ihre kristalline “DNA” ansehen.”
Klasse 2 ist das, was wir das “Arbeitspferd” nennen. Es ist handelsübliches Reintitan und besitzt eine Alpha (α) Mikrostruktur. Da es keine Legierungselemente enthält (es ist >99% reines Ti), können sich die Gleitebenen in seiner inneren Struktur relativ leicht bewegen. Dies verleiht ihm Duktilität. Betrachten Sie es als den “316er Edelstahl” der Titanwelt - nachgiebig, formbar und chemisch beständig.
Klasse 5, andererseits ist ein Alpha-Beta-Legierung. Durch die Einführung 6% Aluminium (ein Alpha-Stabilisator) und 4% Vanadium (einem Betastabilisator) zwingen wir das Metall in eine zweiphasige Struktur. Dabei handelt es sich nicht nur um eine chemische Optimierung, sondern um eine grundlegende Änderung der physikalischen Eigenschaften des Metalls. Durch diese Dualität kann Grade 5 für eine unglaubliche Festigkeit wärmebehandelt werden, aber es geht die Duktilität verloren, die Grade 2 so einfach zu bearbeiten macht.
Mechanische Eigenschaften: Die “Festigkeits”-Falle
Es ist leicht, sich von den Zahlen zur Zugfestigkeit verführen zu lassen. Und ja, die Lücke ist gewaltig.
Nach Norm ASTM B265 Spezifikationen, Stufe 5 ist etwa 2- bis 3-mal stärker als Note 2.
| Eigentum | Klasse 2 (CP Ti) | Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V) | Die technische Implikation |
|---|---|---|---|
| Streckgrenze (0,2% Offset) | ~275 - 450 MPa | ~880 - 920 MPa | Die Güteklasse 5 widersteht einer dauerhaften Verformung bei wesentlich höheren Belastungen. |
| Zugfestigkeit (UTS) | ~345 - 500 MPa | ~950 - 1050 MPa | Die Güteklasse 5 ermöglicht deutlich dünnere Querschnitte. |
| Dehnung (bei Bruch) | > 20% | < 10-14% | Kritisch: Grad 2 dehnt sich; Grad 5 schnappt. |
| Härte | ~160 - 200 HV | ~300 - 350 HV | Die Sorte 5 bietet eine bessere Verschleißfestigkeit. |
| Dichte | 4,51 g/cm³ | 4,43 g/cm³ | Vernachlässigbarer Unterschied im Rohgewicht. |
Der Faktor “Spezifische Stärke”
Da ihre Dichten nahezu identisch sind (Sorte 5 ist technisch gesehen um ein Haar heller), ist die Verhältnis Stärke/Gewicht der Güteklasse 5 ist phänomenal. Deshalb ist er der Liebling der Luft- und Raumfahrtindustrie: Man kann die gleiche Last mit der Hälfte des Materialvolumens im Vergleich zu Güteklasse 2 tragen.
Aber hier ist der Haken: Wenn Ihr Entwurf begrenzt ist durch Steifigkeit (Durchbiegung) und nicht die reine Festigkeit, bietet Sorte 5 fast keinen Vorteil. Der Elastizitätsmodul (Steifigkeit) liegt bei beiden Güteklassen bei etwa 105-114 GPa. Wenn sich ein Balken der Güteklasse 2 unter Last zu stark durchbiegt, wird ein Wechsel zu Güteklasse 5 nicht verhindern, dass er sich durchbiegt, sondern nur, dass er sich dauerhaft verformt. Um die Steifigkeit zu verbessern, brauchen Sie die Geometrie (Trägheitsmoment), nicht nur eine “bessere” Güteklasse.
Fertigungsrealität: Wo Projekte zu Grunde gehen
Wir müssen über die Arbeitswelt sprechen. Hier kollidieren die theoretischen Vorteile von Klasse 5 oft mit der brutalen Realität der Physik.
Die “Lücke in der Formbarkeit”
Dies ist die häufigste Falle für junge Ingenieure.
Klasse 2 hat eine Bruchdehnung von etwa 20%. Es verhält sich logisch. Man kann es kalt biegen, tiefziehen und hydroformen, ähnlich wie man es mit Stahl machen würde.
Klasse 5 ist ein ganz anderes Tier. Seine Dehnung sinkt auf 10% oder weniger. Wenn Sie versuchen, ein Blech der Güteklasse 5 in einem engen Radius kalt zu biegen, wird es brechen. Um Grade 5 zu formen, benötigen Sie normalerweise Warmumformung Verfahren (Erhitzung des Materials auf ~600°C+), die zu Oxidablagerungen führen, teure beheizte Werkzeuge erfordern und die Zykluszeiten drastisch erhöhen.
Profi-Tipp: Wenn Ihr Teil eine komplexe Biegung erfordert (z. B. ein gestanztes Gehäuse) und Sie die Güteklasse 5 angeben, zwingen Sie Ihren Hersteller wahrscheinlich dazu, sein Angebot aufgrund der Warmumformungsanforderungen zu verdreifachen.
Der Bearbeitbarkeitsindex
Fragen Sie einen Maschinenbauer, und er wird Ihnen sagen, dass das Schneiden von Titan eine Kunstform ist.
- Note 2 ist “Gummy”: Es hasst es, abzusplittern. Es will schmieren und an Ihrem Schneidwerkzeug haften bleiben (Built-Up Edge). Sie brauchen scharfe Werkzeuge, einen hohen Kühlmitteldurchfluss und aggressive Vorschubgeschwindigkeiten, um die Wärme im Span zu halten.
- Note 5 ist “heiß und hart”: Es entsteht eine enorme Hitze, die nicht mit dem Span verschwindet, sondern in Ihr Werkzeug eindringt. Sie müssen mit einer deutlich geringeren Oberflächengeschwindigkeit (SFM) arbeiten. Erwarten Sie, dass Teile der Güteklasse 5 30-50% länger zu bearbeiten als gleichwertige Teile der Klasse 2.
Korrosionsbeständigkeit: Die “Vanadium-Anfälligkeit”
Es ist ein weit verbreiteter Mythos, dass “höhere Qualität gleich bessere Korrosionsbeständigkeit” bedeutet.” Dies ist in gefährlicher Weise falsch.
In neutralen Umgebungen - wie Meerwasser, Chloridlösungen oder oxidierenden Atmosphären - sind beide Sorten die Superstars. Sie bilden sofort eine passive Schicht aus Titandioxid (TiO2), die sie praktisch immun gegen Rost macht. Unter diesen Bedingungen ist der Unterschied vernachlässigbar.
Die Beweise: Verringerung der Säureleistung
Doch in leicht reduzierende Säuren (z. B. verdünnte Schwefel- oder Salzsäure), zeigt sich die Schwäche der Klasse 5.
- Der Mechanismus: Laut den technischen Berichten von Nippon Steel und AZoM, der Zusatz von 6% Aluminium in Güteklasse 5 kann sich in reduzierenden Medien als nachteiliger Faktor erweisen. Die mehrphasige Struktur führt zu mikrogalvanischen Kopplungen, die die Korrosion im Vergleich zu der gleichmäßigen einphasigen Struktur der Sorte 2 beschleunigen können.
- Die Daten: In 10%-Schwefelsäure (H2SO4) bei Siedetemperaturen ist unlegiertes Titan (Grad 2) wesentlich korrosionsbeständiger als Grad 5, der höhere Massenverlustraten aufweist.
Technik zum Mitnehmen: Wenn Ihre Anwendung mit heißen, reduzierenden Säuren arbeitet, bietet der hohe Reinheitsgrad der Sorte 2 eine überragende Langlebigkeit. Wenn Sorte 2 immer noch nicht ausreicht, steigen Sie nicht auf Sorte 5 auf, sondern gehen Sie seitwärts zu Klasse 7 (Grad 2 + 0,15% Palladium), was die Säurebeständigkeit drastisch verbessert.
Die Einschränkung der Lieferkette
Und schließlich müssen wir den Elefanten im Raum ansprechen: Verfügbarkeit.
Sie können die perfekte Halterung der Güteklasse 5 entwerfen, aber können Sie das Rohmaterial kaufen?
- Klasse 2 ist der König der Bleche, Platten und Rohre. Es wird überall gelagert, weil es in massiven industriellen Behältern und Wärmetauschern verwendet wird.
- Klasse 5 ist der König der Rundstab und Block.
Wenn Sie ein dünnwandiges Gehäuse entwerfen (z. B. mit einer Dicke von 1 mm) und die Güteklasse 5 angeben, werden Sie möglicherweise feststellen, dass niemand Bleche der Güteklasse 5 in dieser Dicke auf Lager hat. Sie sind dann gezwungen, ein dickes Blech zu kaufen und 90% davon zu Spänen zu verarbeiten. Dies zerstört Ihre “Buy-to-Fly”-Verhältnis und lässt Ihre Kosten explodieren.
Kostenanalyse: Rohmaterial vs. Gesamtkosten
Die Marktpreise schwanken zwar, aber im Allgemeinen Rohstoff der Sorte 5 kostet 30% bis 50% mehr pro Kilogramm als Note 2.
Allerdings ist die Gesamtbetriebskosten (TCO) die Divergenz ist größer:
- Materialkosten: Stufe 5 ist höher.
- Bearbeitungskosten: Güteklasse 5 ist höher (langsamere Geschwindigkeiten, schnellerer Werkzeugverschleiß).
- Schrottverwertung: Späne der Güteklasse 5 müssen streng getrennt aufbewahrt werden. Gemischter Titanschrott hat einen sehr geringen Wert.
Die Ausnahme: Wenn die hohe Festigkeit der Güteklasse 5 eine Verringerung der Wanddicke um 50% ermöglicht, ist die Verringerung des Materialvolumens könnte den höheren Preis pro kg ausgleichen. Dies erfordert eine sorgfältige Berechnung.
Zusammenfassung: Die Entscheidung treffen
Welches gehört also in Ihre Stückliste? Nutzen Sie diese Matrix, um Ihre Entscheidung zu treffen.
| Merkmal/Anforderung | Wählen Sie Klasse 2 (CP) | Wählen Sie Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V) |
|---|---|---|
| Primärer Stressmodus | Gering bis mäßig | Hohe Zug- und Scherbelastungen |
| Formungsprozess | Kaltbiegen, Tiefziehen | Zerspanung, Schmieden, Warmumformung |
| Korrosion Umwelt | Chemische Verarbeitung, säurehaltige Medien | Allgemein Marine, Atmosphärisch |
| Temperatur-Grenzwert | Bis zu ~250°C | Bis zu ~400°C |
| Design Treiber | Korrosionsbeständigkeit & Kosten | Verhältnis Stärke/Gewicht |
| Typische Anwendungen | Auspuffrohre, Behälter, Verkleidungen | Befestigungselemente, Turbinenschaufeln, Implantate* |
*Hinweis: Für medizinische Implantate ist oft eine spezielle Unterklasse mit der Bezeichnung Grad 5 ELI (Extra Low Interstitial) erforderlich.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
F: Kann man Titan Grade 2 bis Grade 5 schweißen?
A: Ja, das ist beim WIG-Schweißen (GTAW) möglich. In der Regel verwenden Sie einen Zusatzdraht, der dem Werkstoff mit der geringeren Festigkeit entspricht (ERTi-2), um die Duktilität der Schweißnaht zu gewährleisten, obwohl ERTi-5 verwendet werden kann, wenn die Festigkeit im Vordergrund steht. Beachten Sie, dass die Eigenschaften der Schweißzone irgendwo zwischen diesen beiden Werten liegen.
F: Ist Titan Grad 5 magnetisch?
A: Nein. Sowohl Grade 2 als auch Grade 5 sind nicht magnetisch. Das macht sie ideal für medizinische Geräte (MRT-kompatibel) und Elektronik, bei denen magnetische Störungen ein Problem darstellen.
F: Kann Titan Grade 2 rosten?
A: Nein. Titan “rostet” nicht wie Eisen. Es bildet eine schützende Oxidschicht. Selbst in Salzwasser sieht Grade 2 auch nach Jahrzehnten noch wie neu aus.
F: Warum wird die Klasse 5 “Luft- und Raumfahrtklasse” genannt?
A: Weil etwa 50% des weltweit verwendeten Titans speziell in Flugzeugzellen und Triebwerkskomponenten verwendet werden, wo seine hohe spezifische Festigkeit Flugzeuge leichter und treibstoffeffizienter macht.