Anwendung von Strukturlegierungsprodukten aus Titanpulvermetallurgie im Ausland

Die Technologie der Titanpulvermetallurgie entstand Anfang der 1950er-Jahre, doch erst in den 1970er-Jahren gelang ein bedeutender Durchbruch. Seitdem haben Industrieländer auf der ganzen Welt erhebliche Anstrengungen in die Erforschung dieser Technologie und die Entwicklung ihrer metallurgischen Produkte investiert, wodurch sie in vielen Industriebereichen breite Anwendung findet.

In den letzten Jahren haben sich Titanprodukte im Luftfahrtbereich neben Strukturteilen für hohe Temperaturen hin zu Hochtemperatur-Titanlegierungen entwickelt; auch im Nicht-Luftfahrtbereich steigt die Nachfrage nach Titanprodukten. Experten der japanischen Kobo Steel Company prognostizieren, dass bis zum Ende des Jahrhunderts der Einsatz von Titan in der Nicht-Luftfahrtindustrie auf dem westlichen Industriemarkt vom derzeitigen Anteil von einem Drittel der Produktion von Titanverarbeitungsprodukten auf mindestens die Hälfte steigen wird. Ähnlich wie bei der Gießmetallurgie von Titan setzt jedes Land bei der Entwicklung von Anwendungen der Titanpulvermetallurgie entsprechend seinen Bedürfnissen eigene Schwerpunkte. In den Vereinigten Staaten wird Titan hauptsächlich im militärischen Bereich und im Luftfahrtingenieurwesen eingesetzt. Die westeuropäischen Industrieländer (vor allem Deutschland, Großbritannien und Frankreich) konzentrieren sich auf die Entwicklung von Anwendungen in der Luftfahrt sowie einiger ziviler Titanpulvermetallurgieprodukte, insbesondere im Bereich von Luftfahrtstrukturteilen. Es gibt zahlreiche Technologien und Produkte. Japan entwickelt intensiv zivile Titanprodukte, insbesondere Titanpulvermetallurgieprodukte für die Bereiche Meerestechnik, chemische Industrie, Energie und andere. Auch Russland hat bei der Anwendung von Titanpulvermetallurgieprodukten in den Bereichen Erdöl, chemische Industrie und Metallurgie ein hohes Niveau erreicht.

Zu den in der Industrie häufig verwendeten Struktur-Titanlegierungen gehören: industriell reines Titan, Ti-6 Al-4 V, Ti-5 Al-25 Sn, Ti-6 Al-6 V-2 Sn-(CuFe) und Ti-8 Al-l Mo-l V. Für Struktur-Titanlegierungen aus der Pulvermetallurgie werden entsprechend dem tatsächlichen Bedarf häufig ähnliche Legierungen verwendet, wobei Ti-6 Al-4 V am weitesten verbreitet ist.

1. Strukturlegierungsprodukte aus der Titanpulvermetallurgie für die Luftfahrt

1.1 Luftfahrtprodukte

Bereits 1956 verwendete die American Kitchen Appliance Company das Heißpressen von Titanschwamm-Pulver, um eine große Anzahl von Lagersitzen für das Turbojet-Triebwerk GET73 herzustellen. Anschließend wurden sie nur noch durch Endbearbeitung zum Endprodukt geformt. Dadurch sanken die Kosten im Vergleich zu demselben Produkt aus bearbeiteten Schmiedestangen um 25 % bis 30 %. Damals nutzte die US-amerikanische Flugzeugbauindustrie heißgepresstes Ti-6 Al-4 V-Legierungspulver zur Herstellung von Nieten und Sicherungsringen für C-5-A-Transportflugzeuge sowie von Verdichterschaufeln für TF39-Triebwerke; aus unlegiertem Pulver wurden Scheiben und Ventilsitze gefertigt.

Dynamet in den Vereinigten Staaten verwendete Ti-6 Al-4 V-Legierungspulver, um Vorformlinge herzustellen und diese zu Gasturbinenschaufeln zu schmieden. Die US Nuclear Materials and Equipment Company fertigte mithilfe eines Verfahrens aus Vorformen, Schmieden und Endbearbeitung Leitschaufeln und Trägerringe für Gasturbinentriebwerke. Bei einem Marineprojekt im Wert von 2 Millionen US-Dollar stellte Grumman Aerospace in den Vereinigten Staaten mithilfe des heißisostatischen Pressens in einer Keramikform die innere Stützstange (0,77 kg) und den Triebwerksgondelrahmen (23,85 kg) des F-14-Kampfflugzeugs her. Die Materialausnutzung stieg von 15 % bis 30 % auf 50 % bis 60 %, in einigen Fällen sogar auf 90 %, während die Kosten um 25 % bis 37 % sanken. Berichten zufolge wurden die Kosten für Rumpfstreben aus heißisostatisch gepresstem (HIP) Ti-6 Al-4 V-Pulver für das F-14-Flugzeug von 400 US-Dollar pro Schmiedestück auf 245 US-Dollar gesenkt.

MBB in Deutschland verwendet vorlegiertes Pulver (PA) aus Ti-6 Al-4 V, das heißisostatisch gepresst und geschmiedet wird, um Verbindungsstangen-Gelenke für Hubschrauberblätter und Verbindungselemente für Airbus-Flugzeuge herzustellen. Dadurch werden 40 % Material eingespart. Allein durch das HIP-Verfahren lassen sich die Kosten um 25 % senken; durch die Auswahl des optimalen Verfahrens können die Kosten weiter auf 34 % reduziert werden.

1.2 Bewertung des wirtschaftlichen Nutzens von Luftfahrtprodukten

Im Allgemeinen ist die Pulvermetallurgie bei großen und komplexen Bauteilen attraktiver als das Gießen. Analysen zufolge kann die Pulvermetallurgie die Kosten je nach Größe und Komplexität des Bauteils um 20 % bis 50 % senken.

Grene H. vom Kruup Research Institute in Deutschland verwendete vorlegierte Pulver aus Ti-6Al-4V und Ti-10V-2Fe-3Al sowie das heißisostatische Pressen in einer Keramikform, um Laufräder mit komplexer Form herzustellen. Diese wiesen mechanische Eigenschaften auf, die mit denen gegossener Legierungen vergleichbar waren, während die Kosten um 40 % sanken. Die Kostenstruktur entfällt hauptsächlich auf Schmiede- und Bearbeitungsprozesse. Wenn daher bei komplex geformten Bauteilen eine Technologie mit engerer Annäherung an die Endform eingesetzt wird, fallen die wirtschaftlichen Vorteile deutlicher aus.

Die Crucible Materials Company in den Vereinigten Staaten stellt einen festen Halterahmen für das Triebwerk des F-18-Kampfflugzeugs her. Die Form ist relativ einfach, und die Kosten hängen hauptsächlich von den Pulverkosten und dem Produktionsumfang ab [7]. Bei Massenproduktion betragen die Kosten für dieses Bauteil ein Drittel der Kosten herkömmlicher Verfahren. Offensichtlich kann die Herstellung großer und komplexer Bauteile mittels Pulvermetallurgie mit konventionellen Verfahren konkurrieren. Die wichtigsten Faktoren, die die Produktionskosten bestimmen, sind die Pulverkosten, der Produktionsumfang und die tatsächliche Near-Net-Shape-Fertigung.

1.3  Probleme bei der Entwicklung von Luftfahrtprodukten

Bei der Herstellung komplexer Strukturteile für Luftfahrzeuge aus pulvermetallurgischen Titanlegierungen kann das BE-Verfahren die Leistungsanforderungen für Teile ohne Ermüdungsbeanspruchung erfüllen und die Kosten erheblich senken. Bei Teilen, die nach dem PA-Verfahren hergestellt werden, sind ihre Eigenschaften (insbesondere die Ermüdungseigenschaften) mit denen gegossener Produkte vergleichbar; auch die Herstellungskosten komplexer großer Bauteile sind niedrig. Ihre Anwendung im Luftfahrtbereich ist jedoch relativ begrenzt, und die langsamen Fortschritte sind schwer verständlich. Froes F.H. ist der Ansicht, dass der Grund im inhärenten Konservatismus der Luftfahrtindustrie liegt. Um die Anwendung von PA-Produkten zu entwickeln, müssen daher einerseits niedrige Produktkosten beibehalten werden, andererseits muss die Produktkonstruktion das von den Anwendern geforderte Niveau erreichen. Gleichzeitig sollte der Produktionsumfang erhöht werden. Komplexe Bauteile sollten mit Technologien hergestellt werden, die der Endform näherkommen, und zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften sollten chemische Oberflächenbehandlungen oder zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit der Bauteile Kugelstrahlverfahren eingesetzt werden.

2 Strukturlegierungsprodukte aus der Titanpulvermetallurgie für Automobile

2.1 Titanteile für Automobile

Das geringe Gewicht und die hohe Festigkeit von Titan sind Automobilherstellern seit Langem bekannt. Titan wird seit mehr als 20 Jahren in Rennwagen eingesetzt. Derzeit verwenden nahezu alle Rennwagen Titan, und auch einige Sportwagen sind mit verschiedenen Titanteilen ausgestattet. Der Einsatz von Titan in Rennwagenmotoren kann das Gewicht bewegter Teile reduzieren und ihre Beschleunigungsleistung verbessern. In den Vereinigten Staaten werden Titan-Auspuffventile, Ventilfederteller, Pleuel und andere Teile für Rennwagen hergestellt und auf dem Markt verkauft. Das erste japanische Fahrzeug mit Titan war der Nissan R382. Zu den derzeit wichtigsten Titanteilen in Automobilen gehören:
(1) Ventile. In den Vereinigten Staaten gibt es relativ viele spezialisierte Hersteller, die Einlass- und Auslassventile aus Titanlegierungen fertigen. Für das Einlassventil wird die Legierung Ti-6Al-4V verwendet, für das Auslassventil die Legierung Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo. Das aus einer Titanlegierung gefertigte Einlassventil wiegt 55 g und ist damit 35 g leichter als ein Stahlventil; die Hochgeschwindigkeitsleistung verbessert sich um 10 % bis 15 %. Ein Titan-Auslassventil kann 50 g leichter sein als ein Stahlventil und weist eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine zwei- bis dreimal längere Lebensdauer auf. Außerdem soll der Einsatz von Titanlegierungen für Einlass- und Auslassventile 2 % Kraftstoff einsparen. Diese Ventile werden inzwischen in verschiedenen Automobilmotoren eingesetzt.

(2) Ventilteller. Ventilteller aus der Legierung Ti-6A1-4V werden in Renn- und Sportwagen weit verbreitet eingesetzt; die Jahresproduktion beträgt mehr als 250.000 Stück. Sie sind kostengünstig und benötigen keine Oberflächenbehandlung (Titanmaterialien für Automobile erfordern im Allgemeinen eine spezielle Oberflächenhärtung, um das Problem der starken Haftneigung von Titan zu lösen). Außerdem sind sie 10 bis 12 Gramm leichter als Stahlteller. Japan verwendet die Legierung Ti-5A1-2Cr-Fe zur Herstellung von Ventiltellern.

(3) Pleuel. Die Herstellung von Pleueln aus einer Titanlegierung ist die wirksamste Methode, das Motorgewicht zu reduzieren. Groth K. [10] berechnete, dass sich die Leistung durch den Ersatz von Stahlpleueln durch Titanlegierungen aufgrund der Gewichtsreduzierung um 43 % verbessert. Wird der Bereich mit maximaler Belastung berücksichtigt und eine lokale Verstärkung vorgenommen, kann die Leistung um 27 % verbessert werden. Selbst wenn der niedrige Elastizitätsmodul der Titanlegierung berücksichtigt wird und eine Verstärkung erforderlich ist, kann die Leistung noch um 17 % verbessert werden. Das Pleuel besteht aus Ti-6A1-4V; weitere Legierungswerkstoffe wie Ti-4A1-4Mn0-2Si und Ti-7AI-4Mo befinden sich ebenfalls in der Entwicklung.

(4) Kurbelwelle und andere Motorteile. Japan und andere Länder fertigen versuchsweise Kurbelwellen aus der Legierung Ti-5AI-2Cr-Fe. Diese Art von Kurbelwelle muss gegen Anhaften behandelt werden und wird noch nicht praktisch eingesetzt.
Zu den weiteren Motorteilen gehören Kipphebel aus der Legierung Ti-6A1-4V, Ventilfedern und untere Pleuelschrauben.

(5) Karosserie und andere Teile. Die Verwendung von Rohren und Flanschen aus Ti-6AI-4V für Schweißverbindungen im Abgassystem kann das Gewicht um 35 % bis 45 % reduzieren. Beim Prosche 908 wurden Rohre und Bleche aus Reintitan zu einer vollständig aus Titan bestehenden Abgasanlage verschweißt, wodurch das Gewicht um 450 kg reduziert wurde. Darüber hinaus gibt es Titanschrauben, Muttern und andere Verbindungselemente sowie Getriebeteile wie Kupplungsscheiben und Druckplatten. Im Vergleich zu einem Stahlgehäuse kann ein durch Rotationsformen hergestelltes Kupplungsgehäuse aus Titan die zerstörerischen Auswirkungen des Schwungrads leichter abschwächen.

Kurz gesagt können leichte und hochfeste Titanlegierungen Geräusche, Stöße und Vibrationen von Automobilmotoren reduzieren und die Kraftstoffeffizienz verbessern. Da sich Titanprodukte zunehmend in Richtung von Nicht-Luftfahrtmärkten entwickeln, ist ihr Eintritt in die Automobilindustrie daher von großer Bedeutung. Ein Bericht der American Refractory Metals Co., Ltd. weist darauf hin, dass Ford in seinen Modellen von 1989 Titanteile für Zylinderkomponenten verwendete und die japanische Mitsubishi Corporation bereits in ihren Modellen von 1986 Einlass- und Auslassventile aus Titanlegierungen einsetzte. Der von der japanischen YAMAHA Engine Company produzierte übermotorisierte Sportwagen FZR 750R verwendet Pleuel aus einer Titanlegierung. Das Produkt ist klein und verfügt über eine gut ausbalancierte Schwerpunktvorrichtung, die einen kontinuierlichen und dauerhaften Einsatz bei hohen Geschwindigkeiten gewährleistet. Der Preis beträgt 2 Millionen Yen pro Fahrzeug. Das Zentrale Forschungsinstitut der japanischen Mitsubishi Metal Corporation stellt Ventilteller durch Gießen aus Resten der Legierung Ti-6AI-2Sn-42r-2Mo und Ventilschäfte aus Resten der Legierung Ti-6 Al-4V her. Diese werden durch Reibschweißen verbunden, um Einlass- und Auslassventile für Automobilmotoren herzustellen.

2.2 Strukturteile aus der Titanpulvermetallurgie für Automobile

Die oben genannten Strukturteile aus Titanlegierungen für Automobile sind sämtlich gegossene oder geschmiedete Produkte. Berichten zufolge setzte die ehemalige Sowjetunion in den 1970er-Jahren Produkte der Titanpulvermetallurgie in Automobilmotoren ein. Beispielsweise wurden pulvermetallurgische Pleuel erfolgreich im 0,5-t-Fahrzeug Zaporozhers-969 verwendet. Es wird geschätzt, dass bei der Herstellung von 100.000 heißgeschmiedeten Pleueln aus Titanpulver 16.450 Rubel eingespart werden können. Japan verwendete 1975 gesintertes Titan für Radmuttern und Abdeckungen.

1987 stellte die Clevite Company in den Vereinigten Staaten mithilfe des Mischpulververfahrens (BE) Ventilfederhalter und Pleuel aus Titan her. Der Ventilfederhalter aus Ti-6AI-4V, der nach dem patentierten MR-9-Verfahren des Unternehmens hergestellt wurde, erfüllt nach dem Kaltpressen und Vakuumsintern vollständig die mechanischen Leistungsanforderungen (insbesondere hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit). Das Gewicht wurde von 28,5 g bei herkömmlichen geschmiedeten Stahlteilen auf 8,5 g bei pulvermetallurgischen Teilen reduziert. Zugfestigkeit und Ermüdungseigenschaften übertreffen beide die vorgeschriebenen Werte, das Gewicht wird um 70 % reduziert, die Materialausnutzung beträgt 100 %, und die Kosten liegen unter denen der gegossenen Titanteile mit einem Gewicht von 7,8 g. Der 10-Millionen-Zyklen-Ermüdungstest der Honda Motor Company im Amsler-Ermüdungsprüfstand wurde bestanden. Clevite stellt aus Ti-6A1-4V-Legierungspulver durch kaltisostatisches Pressen und Vakuumsintern Pleuelrohlinge her, die anschließend von Honda R&D Co., Ltd. entsprechend der Konstruktion bearbeitet und geprüft werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die nach dem MR-9-Verfahren hergestellten Pleuel gute Eigenschaften aufweisen und die Biegefestigkeit 21 % bis 43 % über der Grenzfestigkeit (108 MPa) gleichquerschnittiger Stahlpleuel liegt. Die Pleuel und oberflächenpolierten Proben werden wiederholt gezogen und gedrückt; ihre Dauerfestigkeiten betragen jeweils 212 MPa und 254 MPa. Die Materialausnutzung beträgt 80 %. Honda schätzt, dass sich das Gewicht um mindestens 33 % reduzieren lässt.

2.3 Mögliche Entwicklung

Da Titan zunehmend im zivilen Bereich eingesetzt wird und seine Eigenschaften erhebliche Verbesserungen der Fahrzeugleistung ermöglichen, besitzt Titan großes Potenzial für die Großserienproduktion in der Automobilindustrie. Obwohl der hohe Preis der Grund dafür ist, dass Titanlegierungen bisher nicht umfassend in Automobilen eingesetzt werden, liegt dies offensichtlich auch an der unzureichenden Bekanntheit und Entwicklung. Zwar erhöht die Verwendung von Titan zur Reduzierung des Gewichts um 1 kg die Kosten um 600 bis 800 Yen, sodass der Einsatz in gewöhnlichen Fahrzeugen weiterhin schwierig ist; angesichts der zunehmend ernsten Energieprobleme sind Fahrzeuge mit hoher Kraftstoffeffizienz jedoch zu einem gemeinsamen Anliegen allgemeiner Automobilhersteller und Kunden geworden. Wenn jedes Fahrzeug lediglich 1 kg Titanteile benötigt, ist die entsprechend dem derzeitigen Umfang der Automobilproduktion eingesetzte Titanmenge beträchtlich. Offensichtlich ist es möglich, dass Strukturwerkstoffe aus Titanlegierungen in gewöhnlichen Fahrzeugen weit verbreitet eingesetzt werden, sofern die Teile im Fahrzeug richtig ausgewählt, die Produktkonstruktion optimiert, eine kostengünstige Mischpulvermetallurgietechnologie verwendet und die Großserienproduktion sinnvoll organisiert wird.

Der Einsatz der Pulvermetallurgie zur Herstellung intermetallischer Titanlegierungen auf Basis von Ti3Al und TiAl kann hitzebeständigen Stahl in Automobilmotoren ersetzen, das Fahrzeuggewicht reduzieren und die Kraftstoffeffizienz verbessern. Möglicherweise lassen sie sich leichter praktisch einsetzen als technische Keramiken für Automobile.

3. Weitere Anwendungen

Japanische Experten prognostizieren, dass gesintertes Titan aus der Pulvermetallurgie in der Feinmechanik folgende Anwendungen finden wird: Kamerateile (Verschlüsse usw.), Uhrenteile (Uhrgehäuse), Messinstrumente, Teile von Prüfmaschinen, Kopierer, Teile von Druckmaschinen usw. In der Elektronikindustrie wird es unter anderem für folgende Anwendungen eingesetzt: Führungsrollen von Tonbandgeräten, Magnetkopfmaterialien, Kommunikationsgeräte (Schwingmembranmaterialien), Haushaltsgeräteteile, Lager usw. Darüber hinaus findet es Anwendung in Alltagsgegenständen, Sportartikeln, Kunsthandwerk und medizinischen Geräten. Auch in der zivilen Industrie ist der Einsatz der Titanpulvermetallurgie im Vergleich zum Gießen von Titanlegierungen wirtschaftlich. Tatsächlich werden bestimmte Formteile, Muttern, Ventilringe, Zylinderhalterungen und andere Zubehörteile einiger Hydrauliksysteme bereits in Serie hergestellt. In den letzten Jahren hat Japan der Entwicklung von Titananwendungen in Sportartikeln, Bauwesen, Dekoration, Möbeln, Kochutensilien usw. große Aufmerksamkeit gewidmet; seine Produkte sind im Wesentlichen gegossene und bearbeitete Produkte. Für die zivile Industrie, die den wirtschaftlichen Nutzen stärker berücksichtigt, ist die Anwendung der Titanpulvermetallurgie bei bestimmten Produkten offensichtlich sehr attraktiv. Japan hat Titanfahrräder entwickelt, einschließlich Felgen, Rahmen, Streben, Steuerkopflager, Lenker, Führungsringe, Zahnräder und anderer Teile aus Titan, die durch Walzen, Formen oder Schmieden hergestellt werden. Jedes Fahrzeug wiegt 8,5 bis 9,5 kg, und die Nachfrage ist beträchtlich. Der Preis eines hochwertigen Rennrads beträgt 250.000 bis 300.000 Yen.

Beispielsweise haben Mori Industries, Shimano und andere Unternehmen in Japan versucht, eine Gruppe hochwertiger Fahrradteile unter dem Namen DURA-ACE herzustellen. Dazu gehören Kettenblatt-Kurbelgarnituren, Schwungrad-Führungsvorrichtungen, Pedale, Führungsrollen, Seitenzugbremsen und andere Teile, die auf dem Markt verkauft werden. Nach dem Austausch von Eisenteilen lässt sich das Fahrzeuggewicht um 50 % bis 60 % reduzieren. Durch eine Verbesserung der Härte von Titanlegierungen mittels Wärme- und Oberflächenbehandlung lassen sich zufriedenstellende Eigenschaften erzielen. Bei solchen Anwendungen ist der Einsatz von Titanlegierungen aus der Pulvermetallurgie, die den oben genannten Teilen und anderen Mutternteilen ähneln, technisch und wirtschaftlich realisierbar.