Unterschiede bei der Bearbeitung von TC4 (Ti-6Al-4V) und anderen Titanlegierungen

Aus technischer und fertigungstechnischer Sicht stellt die Bearbeitung von TC4 (Ti-6Al-4V, Grade 5) im Vergleich zu anderen Titanlegierungen eine Reihe spezifischer Herausforderungen und Überlegungen dar, die vor allem auf seine besondere Metallurgie zurückzuführen sind, die zwischen den Alpha- und Beta-Familien liegt. Die Hauptunterschiede ergeben sich aus Zusammensetzung, Festigkeit, thermischen Eigenschaften und der daraus resultierenden Zerspanbarkeit.

Metallurgische Zusammensetzung und Mikrostruktur

TC4 ist eine Alpha-Beta-Legierung, wobei Aluminium die Alpha-Phase stabilisiert und Vanadium die Beta-Phase stabilisiert. Diese ausgewogene Struktur verleiht ihr hervorragende mechanische Allroundeigenschaften. Im Gegensatz dazu sind kommerziell reine (CP) Titan-Qualitäten (z. B. Grade 2) überwiegend alpha-basiert, wodurch sie weicher, duktiler und im Allgemeinen leichter zu bearbeiten sind, aber eine geringere Festigkeit aufweisen. Beta-Legierungen wie Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3) enthalten mehr Beta-stabilisierende Elemente. Diese Legierungen werden häufig im lösungsgeglühten Zustand bearbeitet, in dem sie duktiler sind, können jedoch nach dem Altern eine sehr hohe Festigkeit erreichen, was Sekundärbearbeitungen aufgrund extremer Härte erheblich erschwert.

Zerspanbarkeit und Werkzeugverschleiß

TC4 gilt häufig als Referenz für die Titanbearbeitung, bleibt jedoch ein anspruchsvolles Material. Seine relativ hohe Zugfestigkeit (Zugfestigkeit ca. 900 MPa) und die Fähigkeit, diese Festigkeit auch bei hohen Temperaturen beizubehalten, führen zu hohen Schnittkräften und erheblichem Werkzeugdruck. Das Hauptproblem ist die geringe Wärmeleitfähigkeit, die dazu führt, dass Wärme an der Werkzeug-Werkstück-Schnittstelle konzentriert bleibt, anstatt mit dem Span abgeführt zu werden. Dies führt zu schnellem Werkzeugverschleiß, plastischer Verformung der Schneidkante und Kaltverfestigung, wenn die Parameter nicht korrekt gewählt sind. Im Vergleich zu weicherem CP-Titan erfordert TC4 robustere Werkzeuge, niedrigere Schnittgeschwindigkeiten und eine intensive Kühlung. Im Vergleich zu gealterten Beta-Legierungen wie Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553) ist TC4 weniger anspruchsvoll, da gealterte Beta-Legierungen Festigkeiten von über 1100 MPa erreichen und somit äußerst abrasiv und hart zu bearbeiten sind.

Wärmemanagement und Spanbildung

Die geringe Wärmeleitfähigkeit, die für alle Titanlegierungen typisch ist, ist ein entscheidender Faktor bei der Bearbeitung von TC4. Dennoch unterscheidet sich sein spezifisches Spanbildungs­verhalten. TC4 erzeugt einen segmentierten „Sägezahnspan“, der durch adiabatische Scherung entsteht. Dies kann theoretisch die Gesamtzerspanungsenergie reduzieren, führt jedoch zu dünnen, scharfen Spänen, die ein Verhakungsrisiko darstellen und den Kühlmittelfluss behindern können. Eine effektive Spanabfuhr ist daher unerlässlich und erfordert oft Hochdruck- und Hochvolumen-Kühlsysteme durch den Werkzeughalter. Verfahren wie unser CNC-Frässervice und CNC-Drehservice sind mit diesen Parametern optimiert. Im Gegensatz dazu erzeugt das duktilere CP-Titan lange, faserige Späne, während einige hochfeste Beta-Legierungen noch stärker fragmentierte, aber äußerst abrasive Späne erzeugen können.

Werkzeug- und Prozessstrategien

Eine erfolgreiche Bearbeitung von TC4 erfordert eine dedizierte Strategie. Hartmetallwerkzeuge mit scharfen, polierten Schneiden und speziellen Beschichtungen (z. B. PVD AlTiN) sind Standard. Steifigkeit bei Maschine, Werkstück und Vorrichtung ist unabdingbar, um der Tendenz des Materials zu Vibrationen und Rattern entgegenzuwirken. Trochoidales Fräsen und Stufenbohren werden häufig eingesetzt, um den Werkzeugkontakt und die Wärme zu kontrollieren. Bei noch anspruchsvolleren Legierungen, wie sie in unserem Superlegierungs-CNC-Bearbeitungsservice vorkommen, werden diese Strategien an ihre Grenzen gebracht, und manchmal werden unkonventionelle Verfahren wie die Draht- und Senkerodierung (EDM) notwendig. Darüber hinaus können nachfolgende Wärmebehandlungen wie die Wärmebehandlung für CNC-Bauteile auch bei TC4 angewendet werden, um Spannungen abzubauen – ein gängiger Schritt bei vielen Hochleistungs-Titanlegierungen.

Anwendungsorientierte Werkstoffauswahl

Die Wahl der Legierung hängt im Wesentlichen von der Anwendung ab. Das hervorragende Gleichgewicht von Festigkeit, Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität macht TC4 zur Standardwahl für Luft- und Raumfahrtstrukturen und Medizinprodukte wie Implantate. Wenn höhere statische Festigkeit oder verbesserte Ermüdungsfestigkeit erforderlich sind, wird häufig eine Beta-Legierung wie Ti5553 gewählt – unter Inkaufnahme der schwierigeren Bearbeitbarkeit. Für Anwendungen, bei denen Korrosionsbeständigkeit wichtiger ist als Festigkeit, ist das leichter zu bearbeitende CP-Titan die wirtschaftlichere Option. Unser Präzisionsbearbeitungsservice deckt dieses gesamte Spektrum ab, indem er die optimalen Parameter und Werkzeugbahnen für jede spezifische Titanqualität auswählt, um Bauteilintegration und Kosteneffizienz sicherzustellen.