Leitfaden für prozesssicheres Hochleistungsbohren in Titan und seine Legierungen Vermeidung von Werkzeugbruch und Prozessinstabilitäten

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Mikron Switzerland AG, Division Tool

Kaltverfestigung, Aufbauschneidenbildung und thermisch bedingter Werkzeugverschleiss zählen zu den häufigsten Ursachen für Prozessinstabilitäten bei der Bearbeitung von Titanlegierungen. Insbesondere beim Bohren entstehen aufgrund der werkstoffspezifischen Eigenschaften hohe thermische und mechanische Belastungen in der Schneidzone, die sowohl die Werkzeugstandzeit als auch die Prozesssicherheit erheblich beeinflussen können.

Titanwerkstoffe gewinnen aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, Streckgrenze, Korrosions- und Temperaturbeständigkeit in zahlreichen Industriebereichen zunehmend an Bedeutung. Gleichzeitig gelten sie jedoch als schwer zerspanbar.

Verantwortlich dafür sind insbesondere die geringe Wärmeleitfähigkeit, die hohe chemische Reaktivität bei erhöhten Temperaturen sowie die ausgeprägte Neigung zur Kaltverfestigung.

Thermische Belastung in der Schneidzone

Titanlegierungen weisen im Vergleich zu Stahl oder Aluminium eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Typische Werte liegen – abhängig von Legierung und Gefügestruktur – zwischen etwa 6 und 22 W/mK. Dadurch wird die während des Zerspanprozesses entstehende Wärme nur eingeschränkt über den Span oder über das Bauteil abgeführt und konzentriert sich überwiegend im unmittelbaren Bereich der Schneidkante. Zum Vergleich: Aluminium verfügt über eine Wärmeleitfähigkeit von 160 W/mK und Kohlenstoffstahl zirka (50 W/mK). Aus wärmeleittechnischer Sicht verhält sich hochlegierter Edelstahl mit 15 W/mK ähnlich wie Titan.

Die resultierende lokale Temperaturerhöhung führt zu einer erhöhten thermischen Belastung der Werkzeugschneiden aber auch des Werkstücks mit starker Konzentration auf den Schneidbereich. Gleichzeitig entstehen hohe mechanische Belastungen auf die Hochleistungsbohrer infolge der hohen Schnittkräfte durch die plastische Verformung des duktilen Werkstoffs. Kaltverfestigungen während des Schneidprozesses erhöhen die Belastungen auf die Schneidkanten zusätzlich. Eine Kombination von thermischen und mechanischen Beanspruchungen beeinflusst die Prozessstabilität massgeblich.

Prozessrelevante Auswirkungen erhöhter Temperaturbelastung

Eine unzureichende Kontrolle der Temperaturentwicklung kann beim Bohren von Titan zu verschiedenen prozesskritischen Effekten führen.

Kaltverfestigung

In der Randzone des Werkstücks führt der Schneideneingriff des Bohrers zu plastischer Verformung mit nachfolgender lokaler Verfestigung des Materials. Die dadurch erhöhte Oberflächenhärte verschlechtert die Zerspanbarkeit in nachfolgenden Bearbeitungsschritten und erhöht gleichzeitig die mechanische Belastung der Schneidkanten der Werkzeuge.

Titan neigt zur Aufbauschneidenbildung

Titan besitzt bei erhöhten Temperaturen eine hohe chemische Reaktivität und kann eine ausgeprägte adhäsive Wechselwirkung mit dem Schneidwerkzeugen zeigen. Dadurch kann Werkstoffmaterial an der Schneidkante anhaften und sogenannte Aufbauschneiden bilden. Diese verändern im ungünstigen Fall die effektive Schneidgeometrie, erhöhen die Prozessinstabilität und können sich negativ auf Masshaltigkeit sowie Oberflächenqualität auswirken. Infolge der höheren Reibparameter und daraus resultierenden Drehmomenterhöhung beim Bohrprozess kann es im schlimmsten Fall zu einem Schneidenausbruch oder gar Werkzeugversagen kommen.

Thermisch bedingter Werkzeugverschleiss

Die hohe thermische und mechanische Wechselbeanspruchung der Schneidkante kann zu Mikroausbrüchen, Schneidkanteninstabilität oder – im Extremfall - abruptem Werkzeugversagen führen. Insbesondere bei tiefen Bohrungen oder instabilen Bearbeitungsbedingungen besteht das Risiko eines vollständigen Werkzeugbruchs mit im Werkstück verbleibenden Bohrer-Fragmenten.

Reduzierte Prozesssicherheit und Anlagenverfügbarkeit

Vorzeitiger Werkzeugverschleiss, ungeplante Werkzeugwechsel sowie Ausschussteile infolge instabiler Bearbeitungsbedingungen reduzieren die Produktivität des Fertigungsprozesses und beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung erheblich.

Temperaturbeständigkeit von Titanlegierungen

Die mechanischen Eigenschaften von Titanlegierungen bei höheren Temperaturen (ab 300°C) hängen wesentlich von ihrer chemischen Zusammensetzung sowie ihrer Mikrostruktur ab.

Reintitan der Güteklassen 1 bis 4 weist bis etwa 300 °C eine gute Kombination aus Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit auf. Legierungen wie Ti-6Al-4V (Grad 5) behalten ihre mechanischen Eigenschaften bis etwa 400 °C weitgehend bei und zählen deshalb zu den am häufigsten eingesetzten Titanwerkstoffen in der Luftfahrt- und Medizintechnik.

Sogenannte Hochtemperaturlegierungen (bis 500°C) wie Ti-6242S oder Ti-10V-2Fe-3Al ermöglichen Anwendungen bei noch höheren thermischen Belastungen. Die maximal zulässige Einsatztemperatur wird dabei insbesondere durch Kriechverhalten Oxidationsbeständigkeit und die geforderte Bauteillebensdauer bestimmt.

Bildung von White Layer und Alpha-Case-Strukturen

Eine übermässige thermische Belastung während der spanenden Bearbeitung kann zur Bildung sogenannter White Layer beziehungsweise Alpha-Case-Schichten führen. Dabei handelt es sich um randzonennahe Gefügeveränderungen, die durch das Zusammenwirken thermischer, mechanischer und chemischer Prozesse entstehen.

Eine zu hohe Temperatur in der Schneidzone erhöht die Reaktivität der Titanoberfläche gegenüber Sauerstoff und Stickstoff aus der Umgebung. Diese diffundieren in die Randzone des Werkstoffs und führen zur Bildung harter und spröder Oxid- beziehungsweise Nitridphasen. Die resultierende Gefügeveränderung erhöht die Sprödigkeit der Randzone und kann die mechanische Belastbarkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils negativ beeinflussen.

Schlussbetrachtung

Die Bearbeitung von Titanlegierungen stellt aufgrund der hohen thermischen Belastung der im Einsatz befindlichen Schneiden und der komplexen Werkstoffreaktionen hohe Anforderungen an Werkzeug, Prozessführung und Kühlstrategie.

Eine gezielte Kontrolle der Temperaturentwicklung in der Schneidzone ist deshalb massgeblich entscheidend, um Werkzeugverschleiss zu reduzieren, stabile Bearbeitungsbedingungen sicherzustellen und die Prozesswirtschaftlichkeit nachhaltig zu verbessern.

Durch angepasste Werkzeuggeometrien, geeignete Schneidstoffe sowie optimierte Schnittparameter lassen sich thermisch bedingte Prozessprobleme deutlich reduzieren und die Prozesssicherheit bei der Titanbearbeitung nachhaltig erhöhen.

(böh)

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