Warum ist die Bearbeitung von Titanlegierungen so schwierig, und welche Werkzeuge eignen sich dafür?

Titan ist allotrop. Unterhalb von 882 °C weist es eine dicht gepackte hexagonale Alpha-Struktur auf; oberhalb von 882 °C hat es eine raumzentrierte kubische Beta-Struktur. Durch Legieren werden die Umwandlungstemperatur und das Phasengleichgewicht verändert, wodurch Alpha-, Beta- und Alpha-Beta-Titanlegierungen entstehen.

Eigenschaften, die die Bearbeitung beeinflussen

Warum sich Titan nur schwer schneiden lässt

• Der Schnittverformungskoeffizient liegt nahe bei oder unter 1, was das Gleiten des Spans entlang der Spanfläche verstärkt und den Verschleiß beschleunigt.
• Die Schnitttemperatur ist hoch, da sich die Wärme in der Nähe einer kurzen Kontaktzone zwischen Werkzeug und Span konzentriert. Unter vergleichbaren Bedingungen kann Ti-6Al-4V bei einer mehr als doppelt so hohen Schnitttemperatur bearbeitet werden wie Kohlenstoffstahl der Güteklasse 45.
• Obwohl die Hauptschneidkraft etwa 20% geringer sein mag als bei Baustahl, kann der Anpressdruck 130–150% des Wertes für Stahl der Güteklasse 45 erreichen, wodurch sich die Spannung an der Kante konzentriert.
• Durch die Gasaufnahme und die Reaktionsprodukte entsteht eine harte, spröde und ungleichmäßige Oberflächenschicht, die die Ermüdungsfestigkeit beeinträchtigt und Kerbenbildung, Abplatzungen und Abblättern begünstigt.
• Hohe Affinität, Temperatur und Druck führen zu starker Anhaftung und Materialablagerungen am Werkzeug.
• Eine geringe Steifigkeit führt zu einer Durchbiegung des Werkstücks und zu einem Rückfederungseffekt, wodurch sich der effektive Freiwinkel verringert und die Genauigkeit beeinträchtigt wird.

Auswahl der Werkstoffsorten für Werkzeuge

Häufig werden kobalt-, aluminium- oder vanadiumhaltige Schnellarbeitsstähle, Wolfram-Kobalt-Hartmetall – manchmal mit geringen Zusätzen anderer Karbide – sowie ausgewählte PVD-/CVD-beschichtete Hartmetalle verwendet. Wolfram-Titan-Hartmetallsorten und viele beschichtete Schneideinsätze sind für diese Anwendung in der Regel ungeeignet.

Werkzeuge aus Diamant und polykristallinem kubischem Bornitrid eignen sich gut für die Endbearbeitung und ultrapräzise Arbeiten. Diamant bietet eine Härte von bis zu etwa 10.000 HV und eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, sollte jedoch bei ausreichender Kühlung und Schmierung unter etwa 700–800 °C gehalten werden. PCBN weist eine geringere Härte auf, verfügt jedoch über eine thermische Stabilität von über 1.200 °C und eine hohe chemische Inertheit gegenüber Titan, wodurch es sich für das Trockenschneiden bei hohen Temperaturen eignet.