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Titanzerspanung

Optimierte Titanbearbeitung durch Sauerstoffabschluss

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Leibniz Universität Inst. für Fertigungstechnik u. Werkzeugmaschinen (IFW)

Untersuchungen der Titanzerspanung ohne Sauerstoff

Entlang moderner Fertigungsketten erfolgt die finale Formgebung der hergestellten Bauteile aus Metall in der Regel durch spanende Verfahren wie dem Drehen. In Hochleistungsanwendungen wie der Luft- und Raumfahrt oder die Medizintechnik werden dabei Werkstoffe wie Titanlegierungen verwendet, die zwar ein hervorragendes Eigenschaftsprofil besitzen, jedoch eben auch schwer zerspanbar sind. Die sauerstofffreie Bearbeitung bietet nun die Chance, die Leistungsfähigkeit des Bearbeitungsprozesses schwer zerspanbarer Werkstoffe zu erhöhen. Drehversuche mit der Titanlegierung Ti-6Al-4V zeigten, dass eine sauerstofffreie Umgebung es zulässt, die Prozesskräfte um bis zu 31 % zu reduzieren. Die Kontaktzonentemperatur sinkt dabei um rund 310 °C. Eine gleichmäßigere Spanbildung ist ebenso zu beobachten. Die Werkzeugstandzeit erhöht sich um 170 %, was sich positiv auf die Werkzeugkosten auswirkt. Außerdem wurde das Potenzial verbesserter Bearbeitungsergebnisse ermittelt, weil die sauerstofffreie Drehbearbeitung die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften der gefertigten Bauteile positiv beeinflusst.

Und was das Schleifen anbelangt, so ist dies ein etabliertes Verfahren, um hohe Oberflächenqualitäten und präzise Formtoleranzen zu garantieren. Auch bei diesem Zerspanungsprozess beeinflussen aber die vorhandenen und während der Titanbearbeitung immer wieder neu entstehenden Oxidschichten die Ergebnisse des Schleifprozesses negativ. Erste Untersuchungen zeigten aber, dass die Bearbeitung in sauerstofffreier Atmosphäre auch dabei zu reduzierten Prozesskräften und geringerem Werkzeugverschleiß führt [6]. Der Mechanismus der Spanbildung soll in Zukunft durch Einzelkornritz-Untersuchungen mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen weiter analysiert werden.

So macht man den Zerspanungsprozess frei von Sauerstoff

Ein klassisches Vakuum ist technisch aufwendig und schwer in Bearbeitungsprozesse zu integrieren. Alternativ kann eine sauerstofffreie Atmosphäre durch ein Gasgemisch aus Argon und Silan realisiert werden. Holländer et al. beschreibt dabei die chemische Reaktion des Silans mit dem Sauerstoff. Diese Methodik ermöglicht Sauerstoffpartialdrücke von unter 1×10-15[7]. Diese Atmosphäre entspricht einem extrem hohen Vakuum und verhindert effektiv Oxidationsreaktionen während der Bearbeitung.

Bild 1: So erzeugt man eine sauerstofffreie Atmosphäre aus Argon und Monosilan (SiH4).(Bild: IFW)
Bild 1: So erzeugt man eine sauerstofffreie Atmosphäre aus Argon und Monosilan (SiH4).
(Bild: IFW)

Die Implementierung des Gasgemisches aus Argon und Silan erfolgt in einem zweistufigen Prozess. In Abbildung 1 ist der zeitliche Verlauf des Sauerstoffpartialdrucks auf Basis der Spülstrategie veranschaulicht. Zunächst wird der Sauerstoffgehalt durch das Spülen mit reinem Argon reduziert. Unter den Laborbedingungen im Versuchsstand ist der Sauerstoffpartialdruck nach 14 min Spülzeit auf 1 mbar gefallen. In diesem Punkt wird das Gasgemisch aus 98,5 Volumenprozent Argon und 1,5 Volumenprozent Monosilan hinzugefügt. Dadurch sinkt der Sauerstoffpartialdruck innerhalb von 2 min auf das Niveau eines XHV. Nach weiteren zwei Minuten ist der Sauerstoffpartialdruck von 1,0×10-17 mbar erreicht. Bei diesem Sauerstoffgehalt können sauerstoffbedingte Vorgänge ausgeschlossen werden [8].

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