Kaltumformungseigenschaften von Titanlegierungsstäben und -drähten

Kalt-, Warm- und Warmbearbeitung von Titan

Stäbe und Drähte aus Titanlegierungen werden üblicherweise durch Walzen und Ziehen hergestellt. Da Titanlegierungen bei Raumtemperatur eine hohe Festigkeit und eine begrenzte Plastizität aufweisen, erfolgt ein Großteil der Reduktion durch Erhitzen. In der Praxis werden drei Verformungsmodi unterschieden: Warmumformung bei hoher Temperatur, Warmumformung bei etwa 0,4–0,6 der Schmelztemperatur und Kaltumformung unterhalb der Erholungstemperatur. Warmumformen verringert den Verformungswiderstand, führt jedoch zu Oxidation und Oberflächenverunreinigungen. Die Warmumformung verringert den Verformungswiderstand und behält gleichzeitig die nützliche Plastizität bei. Die Kaltbearbeitung wird hauptsächlich durchgeführt, um eine gleichmäßige feine Kornstruktur, eine strenge Maßkontrolle und eine glänzende Oberflächenqualität zu erreichen. Sie wird häufig bei Temperaturen 40–50 °C unter dem Phasenumwandlungspunkt angewendet.

Auswirkungen der Kaltumformung auf mechanische Eigenschaften

Beim Kaltziehen werden die Körner verformt, es kommt zu Gitterverzerrungen und Kornfragmentierung und es kommt zur Kaltverfestigung. Die Festigkeit steigt deutlich an, was besonders bei Legierungen von Vorteil ist, die nicht durch Wärmebehandlung verstärkt werden können. Der Kompromiss-ist eine verringerte Plastizität: Mit zunehmendem Reduktionsverhältnis sinkt die Duktilität. Durch Zwischenglühen zwischen den Durchgängen wird die Duktilität wiederhergestellt, so dass die weitere Reduzierung fortgesetzt werden kann. Der endgültige Härtezustand von Titanstäben und -drähten, ob geglüht (M), kaltverformt (Y) oder spannungsarm geglüht, wird normalerweise vom Kunden angegeben und durch Zugversuche überprüft.

Maßgenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit

Höhere Maßgenauigkeit: Kalt{0}}gezogenes Material wird mit kleineren Maßtoleranzen hergestellt als warm{1}}bearbeitetes Material, wodurch sich die Bearbeitungszugabe für den Kunden verringert.

Bessere Oberflächengüte: Durch die Kaltbearbeitung entsteht eine glattere Oberfläche als durch die Warmbearbeitung, was durch die Warmbearbeitung allein nur schwer zu erreichen ist.

Geradheit und Gleichmäßigkeit: Kaltziehen und Richten verbessern die Rundheit und Geradheit von Stangen und Drähten.

Mikrostrukturelle Veränderungen und Anisotropie

Beim Kaltziehen dehnen sich die Körner in Arbeitsrichtung aus und es entsteht eine Faserstruktur. Bei großen Reduktionen richtet sich die Kornorientierung zunehmend aus und es entsteht eine Verformungstextur mit Vorzugsorientierung. Infolgedessen weisen kalt-gezogene Titanstäbe und -drähte anisotrope mechanische Eigenschaften auf: Festigkeit und Elastizitätsmodul sind in Längsrichtung höher als in Querrichtung. Konstrukteure müssen diese Richtungsabhängigkeit berücksichtigen, wenn kaltgezogene Produkte in Struktur- oder Federanwendungen verwendet werden.

Prozessüberlegungen zum Kaltziehen

Die Reduzierung pro Durchgang ist bei Titanlegierungen typischerweise auf 10–20 % begrenzt, um Risse und eine übermäßige Formbelastung zu vermeiden.

Die Oberflächenvorbereitung umfasst Beizen oder mechanisches Entzundern, um Oxidzunder vor dem Ziehen zu entfernen.

Schmiersysteme, die häufig auf Konversionsbeschichtungen oder Polymerfilmen basieren, verhindern Abrieb und Werkzeugverschleiß.

Zwischenvakuum- oder atmosphärenkontrolliertes Glühen stellt die Duktilität wieder her und kontrolliert die endgültige Korngröße.

Die Rückfederung ist höher als bei Stahl, daher müssen die Formgrößen- und Richtparameter entsprechend angepasst werden.

Anwendungen von kaltverformten Titanstäben und -drähten

Kalt{0}umgeformte Titanstäbe und -drähte werden dort eingesetzt, wo Festigkeit, Präzision und Oberflächenqualität ohne Wärmebehandlung erforderlich sind: Befestigungselemente und Bolzen, Federn, Schweißdraht, medizinische Drähte und Implantate, Verbindungselemente für die Luft- und Raumfahrt, Brillengestelle und Schmuck. Bei der Herstellung von Feindrähten ist das Kaltziehen eine unverzichtbare Technologie, da durch Warmumformen nicht die erforderlichen kleinen Durchmesser und Oberflächenqualitäten erzielt werden können.

Standards

Stange und Knüppel aus Titan und Titanlegierungen: ASTM B348.

Titan- und Titanlegierungsdraht: ASTM B863; Schweißdraht gemäß AWS A5.16.

Stäbe und Drähte in medizinischer-Qualität: ASTM F67 (CP-Sorten), ASTM F136 (Ti-6Al-4V ELI).

Luft- und Raumfahrtbar: AMS 4928.

FAQ

Warum werden Titanlegierungsstäbe kalt und nicht nur warm bearbeitet?

Kaltumformung führt zu engeren Maßtoleranzen, besserer Oberflächengüte, höherer Festigkeit durch Kaltverfestigung und einer gleichmäßig feinen Kornstruktur, die durch Warmumformung allein nicht erreicht werden kann.

Erhöht oder verringert die Kaltbearbeitung die Titanfestigkeit?

Es erhöht die Festigkeit durch Kaltverfestigung und verringert die Duktilität; Zwischenglühen wird verwendet, um die Duktilität zwischen den Durchgängen wiederherzustellen.

Was ist der Unterschied zwischen Kalt-, Warm- und Warmbearbeitung von Titan?

Die Warmumformung erfolgt bei hoher Temperatur mit geringem Verformungswiderstand, aber starker Oxidation; Warmverformung bei etwa 0,4-0,6 Grad der Schmelztemperatur gleicht Widerstand und Plastizität aus; Kaltbearbeitung unterhalb der Erholungstemperatur sorgt für die beste Genauigkeit und Oberflächengüte.

Warum weist kaltgezogener Titandraht gerichtete Eigenschaften auf?

Beim Kaltziehen werden die Körner ausgerichtet und eine Fasertextur gebildet, sodass Festigkeit und Modul entlang der Ziehrichtung höher sind als quer dazu; Diese Anisotropie muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

Welche Standards gelten für Titanstäbe und -drähte?

ASTM B348 für Stangen und Knüppel, ASTM B863 für Draht, AWS A5.16 für Schweißdraht und ASTM F67/F136 für medizinische Anwendungen.

Wie viel Reduktion kann pro Kaltziehdurchgang erzielt werden?

Bei Titanlegierungen ist eine Reduzierung von etwa 10–20 % pro Durchgang typisch; Höhere Reduktionen erfordern ein Zwischenglühen und eine sorgfältige Schmierung, um Oberflächenfehler und Risse zu vermeiden.