TITAN MIT STAHL, WIR HABEN ES GEWAGT! Jetzt suchen wir Praxisanwendungen
Projekt des Monats April 2022
Für die Serienproduktion war die Verbindung Stahl mit Titan in der Vergangenheit metallurgisch ungeeignet und nicht möglich. Mit einer innovativen und zum Schutzrecht angemeldeten Erfindung werden Mischverbindungen wie Titan mit Stahl vollkommen neu definiert.
Aufgrund der geringen Löslichkeit des Eisens in Titan bei Raumtemperatur, bilden sich intermetallische Phasen die zwar sehr hart, jedoch auch schnell spröde werden und damit technisch unbrauchbar sind. Titan und viele seiner Legierungen haben eine ausgeprägte Affinität gegenüber atmosphärischen Gasen wie beispielsweise Sauerstoff oberhalb einer Temperaturobergrenze von 350 °C. Daraus können Oxidation, Karbidbildung oder Wasserstoffversprödungen resultieren, wodurch eine Reduzierung der Zähigkeit des Werkstoffs entsteht. Dadurch ergeben sich besondere Anforderungen, die die schweisstechnische Verarbeitung unter lokaler Schutzbegasung nicht bzw. nur sehr eingeschränkt zulassen. Das EB-Schweissverfahren im Hochvakuum (10-4 mbar) kann Titan problemlos Fügen, wenn der gesamte Temperaturzyklus vom Aufschmelzen bis zum vollständigen Erkalten im Vakuum ausgeführt wird.
Eine direkte Schweissverbindung von Stahl mit Titan hat metallurgisch bedingt eine Versprödung des Werkstoffes durch Bildung von intermetallischen Phasen zur Folge. Intermetallischen Phasen sind spröde und lassen keine brauchbare Schweissverbindung zu. Es gab in der Vergangenheit unzählige Versuche, Stahl mit Titan durch unterschiedlichste Schweissmethoden zu verbinden aber keines führte zu akzeptablen Ergebnissen.
Titan vs. Edelstahl
- Festigkeit: Titan ist ungefähr so fest wie vergüteter Stahl. Bis in einen Temperaturbereich von 200 bis knapp 600°C behält Titan seine Festigkeit bei.
- Zugfestigkeit: Wie beim Edelstahl hängt die Zugfestigkeit von der Legierung ab. Beide Metalle habe eine ähnlich hohe Zugfestigkeit.
- Dichte: Titan hat eine Dichte von knapp 4,5 kg/dm³. Sie ist deutlich niedriger als die Dichte von Edelstahl, die bei rund 7,9 kg/dm³ liegt. Titan ist dadurch leichter als Edelstahl.
- Schmelztemperatur: Titan schmilzt ab 1.660°C und ist somit hitzeresistenter als Edelstahl, dessen Schmelztemperatur bei rund 1.500°C liegt.
- Korrosionsbeständigkeit: Titan widersteht Chloridlösungen, organischen Säuren und Seewasser. Seine Korrosionsbeständigkeit entspricht demnach V4A-Edelstahl.
- Magnetisch: Titan ist nicht magnetisch. Je nach Gefüge kann auch Edelstahl magnetisch sein.
- Biokompatibilität: Titan hat gegenüber Stahl eine hohe Biokompatibilität und wird daher bei medizinischen Produkten eingesetzt.
- Längenausdehnungskoeffizient alpha 20°C [10-6 K-1 ]: Titan hat mit 8,6 im Vergleich zu Stahl mit 11 bis 13 einen geringeren Längenausdehnungskoeffizient
SwissBeam hat nun eine Möglichkeit erarbeitet, ohne Dritt- Materialien und intermetallischer Phasen eine Verbindung zwischen Stahl und Titan erfolgreich herzustellen. Bei einem ersten Festigkeitstest der Verbindung Titan Gr.12 mit einem Feinkornbaustahl 1.0566 (450 - 590 N/mm²) wurden Zugfestigkeitswerte von 579 N/mm2 erzielt, was den Grundwerten des Feinkornbaustahls entspricht. Erwähnenswert ist hierbei, dass die Bruchzone ausserhalb der Schweisszone liegt. Eine Reproduzierbarkeit und damit auch die Prozesssicherheit der Verbindung sind gegeben.
Das Ziel von SwissBeam ist, die positiven Eigenschaften beider Werkstoffe zu paaren, um Anwendern einen gezielten Einsatz beider Metalle mit Unterstützung der Elektronenstrahl- Schweisstechnik zu ermöglichen. Dass es sich hierbei um eine prozesssichere reproduzierbare Verbindung handelt, ist selbstverständlich.
