Ein Titan-Verbindungselement ist eine Schraube, Mutter oder ein Niet aus handelsüblichem reinem Titan oder einer Titanlegierung – meist Ti-6Al-4V (ASTM-Güteklasse 5) –, das aus einem einzigen entscheidenden Grund ausgewählt wird: Es bietet das höchste Festigkeits-Gewichts-Verhältnis aller verfügbaren Metallbefestigungselemente sowie eine Korrosionsbeständigkeit, die die von Edelstahl übertrifft – zu einem Preis, der drei- bis fünfmal höher ist als der von Edelstahl und fünf- bis achtmal höher als der von Kohlenstoffstahl. Die technische Frage, die hinter jeder Spezifikation für Titan-Verbindungselemente steht, lautet daher nicht “Ist Titan besser?” – in den meisten mechanischen und korrosionstechnischen Kennzahlen ist es das –, sondern “Rechtfertigt diese Anwendung die Kosten?”
Dieser Leitfaden beantwortet diese Frage für zwei Zielgruppen. Für Ingenieure behandelt er das ASTM-Güteklassensystem, Tabellen mit quantitativen mechanischen Eigenschaften, Grundlagen der Korrosion – einschließlich der Umkehrung des galvanischen Verhaltens gegenüber Aluminium – sowie das Problem des Festfressens, das speziell bei Titanbaugruppen auftritt. Für Einkaufs- und Beschaffungsteams präsentiert er denselben Stoff in leicht verständlicher Form mit direkten Kostenvergleichen und einem Entscheidungsrahmen, der eine Anwendungsanforderung in eine Ja-oder-Nein-Entscheidung bezüglich der Verwendung von Titan umwandelt.
Was sind Befestigungselemente aus Titan?
| Familie | Beispiele | Merkmale |
|---|---|---|
| Handelsreines (CP) Titan | Klasse 1, 2, 3, 4 | Geringere Festigkeit, maximale Korrosionsbeständigkeit, maximale Duktilität, am einfachsten zu formen |
| Titanlegierungen | Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V), Güteklasse 9 (Ti-3Al-2,5V) | Höhere Festigkeit, wärmebehandelbar, Eigenschaften im Bereich der Konstruktionswerkstoffe |
Die entscheidenden Materialeigenschaften, die die Auswahl von Befestigungselementen aus Titan bestimmen, lassen sich in vier Zahlen zusammenfassen:
| Eigenschaft | Titan (Gr5) | Kohlenstoffstahl | Edelstahl (304/316) | Aluminium (7075) | Warum das wichtig ist |
|---|---|---|---|---|---|
| Dichte | 4,43 g/cm³ | 7,85 g/cm³ | 7,9–8,0 g/cm³ | 2,70 g/cm³ | ~43% ist leichter als Stahl |
| Zugfestigkeit (höchste Güteklasse) | 895 MPa (130 ksi) | 1030 MPa (150 ksi, Güteklasse 8) | 860 MPa (125 ksi) | 572 MPa (83 ksi) | Stark, liegt jedoch unter den besten Stahlsorten |
| Korrosion in Meerwasser | Immun (passives TiO₂) | Rostkrankheiten | Lochfraß und Spaltkorrosion | Gruben | Titan übertrifft alle Konkurrenten |
| Magnetismus | Nichtmagnetisch | Ferromagnetisch | Größtenteils nichtmagnetisch | Nichtmagnetisch | Von entscheidender Bedeutung in der Elektronik und Medizin |
| Wärmeleitfähigkeit | Niedrig | Hoch | Mäßig | Hoch | Beeinflusst die Bearbeitung und den Wärmefluss |
Titan-Befestigungselemente sind niemals ein eins-zu-eins-Ersatz für Stahl. Sie weisen ein anderes Verhältnis zwischen Drehmoment und Vorspannung auf, müssen geschmiert werden, um ein Festfressen zu vermeiden, und interagieren in einem galvanischen Paar anders mit den Metallen, die sie verbinden. In den folgenden Abschnitten werden diese Grenzen genau festgelegt.
Benotungssystem und Zusammensetzung
Die Güteklassen von Titan-Befestigungselementen werden von der ASTM in einem numerischen System definiert, bei dem die Zusammensetzung – und nicht der Härtungszustand – die Eigenschaften bestimmt. Die in Befestigungselementen verwendeten Güteklassen unterliegen in mechanischer Hinsicht den Normen ASTM F467/F468 (Nichteisen-Befestigungselemente), wobei die Werkstoffspezifikationen in ASTM B348 (Titanstangen und -knüppel) festgelegt sind.
Die Notentabelle
| ASTM-Güteklasse | Allgemeiner Name | Hauptzusammensetzung | Familie | Charakter |
|---|---|---|---|---|
| Klasse 1 | CP-1 | 99,5% Ti | CP (α) | Am weichsten, am formbarsten, beste Korrosionsbeständigkeit |
| 2. Klasse | CP-2 | 99,21 TP7T Ti | CP (α) | Workhorse CP-Qualität, ausgewogen |
| 3. Klasse | CP-3 | 99,1% Ti | CP (α) | Mittlere Stärke |
| 4. Klasse | CP-4 | 98,91 TP7T Ti | CP (α) | Das festeste reine Titan |
| 5. Klasse | Ti-6Al-4V | Ti-6Al-4V | α+β | Die am häufigsten verwendete technische Legierung |
| 7. Klasse | Ti-0,2Pd | Ti-0,2Pd | CP (α) + Pd | Erhöhte Beständigkeit gegenüber reduzierenden Säuren |
| 9. Klasse | Ti-3Al-2,5V | Ti-3Al-2,5V | Nahe-α | Kaltverformbar, mittlere Festigkeit |
| Ti-6Al-4V ELI | 5. Klasse ELI | Ti-6Al-4V, besonders geringe Interstitialkonzentration | α+β | Höhere Bruchzähigkeit, für medizinische Anwendungen geeignet |
Die Unterscheidung anhand der Mikrostruktur ist für die Auswahl entscheidend. CP-Güten (Güte 1–4) sind einphasiges Alpha-Titan: Sie lassen sich nicht durch Wärmebehandlung, sondern nur durch Kaltumformung festigen, und ihre Festigkeit steigt von Güte 1 bis Güte 4 mit zunehmendem Gehalt an Interstitialelementen (Sauerstoff, Eisen). Güteklasse 5 ist das „Arbeitstier“ unter den Alpha-Beta-Legierungen, das durch Wärmebehandlung auf eine Mindestfestigkeit von 895 MPa gebracht werden kann, und Güteklasse 9 ist eine Nahe-Alpha-Legierung, die moderate Festigkeit mit hervorragender Kaltumformbarkeit verbindet – ideal für Rohre und Befestigungselemente, die umgeformt statt bearbeitet werden müssen.
Bei der Güteklasse 7 (Ti-0,2Pd) wird handelsüblichem reinem Titan etwa 0,15–0,251 TP7T Palladium beigemischt. Bei dieser geringen Zugabe geht es nicht um Festigkeit – die Güteklasse 7 weist denselben Mindestwert von 345 MPa auf wie die Güteklasse 2 –, sondern um Korrosionsbeständigkeit: Palladium erweitert die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs auf reduzierende saure Umgebungen, in denen Standardtitan und sogar Edelstahl angegriffen würden. Ti-6Al-4V ELI (Extra-Low Interstitial) ist die Güteklasse 5 mit verschärften Grenzwerten für Sauerstoff, Eisen und Kohlenstoff, was zu einer höheren Bruchzähigkeit und einem verbesserten Ermüdungsverhalten für bruchkritische Anwendungen und Implantate führt.
Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften von Befestigungselementen aus Titan sind in ASTM F467/F468 festgelegt. Die Mindestwerte für die gängigen Güteklassen sind nachstehend aufgeführt; die typischen Produktionswerte liegen geringfügig darüber.
| ASTM-Güteklasse | Zugfestigkeit (min.) | Streckgrenze (min) | Typische Scherfestigkeit |
|---|---|---|---|
| Klasse 1 | 240 MPa (35 ksi) | 170 MPa (25 ksi) | ~165 MPa (24 ksi) |
| 2. Klasse | 345 MPa (50 ksi) | 275 MPa (40 ksi) | ~240 MPa (35 ksi) |
| 4. Klasse | 550 MPa (80 ksi) | 483 MPa (70 ksi) | ~385 MPa (56 ksi) |
| 5. Klasse | 895 MPa (130 ksi) | 828 MPa (120 ksi) | ~625 MPa (91 ksi) |
| 7. Klasse | 345 MPa (50 ksi) | 275 MPa (40 ksi) | ~240 MPa (35 ksi) |
| 9. Klasse | 620 MPa (90 ksi) | 483 MPa (70 ksi) | ~435 MPa (63 ksi) |
Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
Der entscheidende Vorteil von Titan liegt nicht in seiner absoluten Festigkeit – eine Schraube aus Kohlenstoffstahl der Güteklasse 8 mit 1030 MPa übertrifft Titan der Güteklasse 5 –, sondern in seiner spezifischen Festigkeit. Teilt man die Zugfestigkeit durch die Dichte, ergibt sich ein klareres Bild:
| Material | Zugfestigkeit (MPa) | Dichte (g/cm³) | Spezifische Festigkeit (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V (Gr5) | 895–950 | 4.43 | 202–214 |
| Aluminium 7075-T6 | 572 | 2.70 | 212 |
| Legierter Stahl (A193 B7) | 860 | 7.85 | 110 |
| Edelstahl 304 | 515 | 8.0 | 64 |
Titan der Güteklasse 5 weist etwa die doppelte Festigkeit pro Gewichtseinheit wie legierter Stahl und die dreifache Festigkeit im Vergleich zu Edelstahl 304 auf – im Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht entspricht es Aluminium 7075, verfügt dabei jedoch über weitaus bessere Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit. Diese Eigenschaft macht Titan in gewichtskritischen Anwendungen strukturell unersetzbar. Für belastungsorientierte Anwendungen, bei denen das Gewicht keine Rolle spielt, ist das umfasst die Alternative mit höherer absoluter Festigkeit und geringeren Kosten.
Temperaturverhalten
Korrosionsbeständigkeit und galvanisches Verhalten
Wo Titan seine Stärken ausspielt
Befestigungselemente aus Titan sind in folgenden Bereichen praktisch korrosionsbeständig:
Meerwasser und Sole — keine Lochfraßkorrosion, keine Spaltkorrosion, keine Spannungskorrosion bei allen Temperaturen, die im maritimen Einsatz auftreten.
Chloridhaltige Umgebungen — In einer Umgebung, in der Edelstahl der 300er-Serie Lochfraßschäden davonträgt, bleibt Titan unberührt.
Oxidierende Säuren — Salpetersäure, Chromsäure und die meisten organischen Säuren.
Chlor und Chlorverbindungen im Nassbetrieb.
Dies steht in direktem Gegensatz zu Edelstahl: Während Edelstahl der Güteklasse 316 in warmem Meerwasser und in chloridhaltigen Fugen Lochfraß und Spaltkorrosion aufweist, ist dies bei Titan nicht der Fall. Der Mechanismus und die Umgebungen, in denen Edelstahl versagt, werden im .
Wo Titan verwundbar ist
Der Oxidfilm von Titan löst sich in reduzierenden Säuren auf – insbesondere in Salzsäure, Schwefelsäure und Flusssäure. In diesen Umgebungen korrodiert unlegiertes Titan; Abhilfe schafft hier entweder die Güteklasse 7 (mit Palladiumzusatz) oder ein Materialwechsel. Titan wird zudem durch wasserfreies Chlor und geschmolzene Metalle angegriffen, was jedoch für den typischen Einsatz von Befestigungselementen irrelevant ist.
Galvanisches Verhalten: Die Umkehrung
Die am wenigsten naheliegende – und zugleich folgenreichste – Tatsache hinsichtlich der Korrosion von Titan-Befestigungselementen ist ihre Position in der galvanischen Reihe. Im Gegensatz zu Aluminium, das am aktiven (anodischen) Ende steht und sich opfert, befindet sich Titan am edlen (kathodischen) Ende, nahe bei Platin:
| Metall | Korrosionspotential in Meerwasser (V gegenüber SCE) |
|---|---|
| Aluminiumlegierungen | -0,76 bis -0,90 |
| Kohlenstoffstahl | -0,60 bis -0,70 |
| Edelstahl (passiv) | -0,05 bis -0,45 |
| Titan (passiv) | -0,05 bis -0,15 |
Die praktischen Konsequenzen gehen in zwei entgegengesetzte Richtungen:
Titan ist geschützt. Wird ein Befestigungselement aus Titan mit fast jedem anderen Konstruktionsmetall verbunden, fungiert das Titan als Kathode und bleibt unbeschädigt – stattdessen korrodiert das verbundene Metall. Titan-Befestigungselemente halten aggressiven Umgebungen gerade deshalb stand, weil sie nicht galvanisch geopfert werden können.
Das Substrat muss den Preis dafür zahlen. Ein Titan-Befestigungselement, das durch eine Aluminiumplatte, eine Halterung oder eine Konstruktion geführt wird, bildet eine starke galvanische Zelle, in der das Aluminium – die Anode – im Bereich des Befestigungslochs stark korrodiert. Die Potentialdifferenz zwischen Titan und Aluminium beträgt etwa 0,6 bis 0,7 V und gehört damit zu den größten in der praktischen Technik. Die Folge ist eine rasche Zersetzung des Aluminiums im Umfeld von Titanbefestigungselementen in feuchten oder salzhaltigen Umgebungen.
Dies ist genau das Gegenteil der Situation bei Aluminiumbefestigungselementen, bei der das Aluminiumbefestigungselement selbst das Opferelement ist. Die Wechselwirkung und ihre Minderung – Isolierung, Dichtstoffe für die Nassmontage und verträgliche Beschichtungen – werden im , und jeder, der bei einer Baugruppe Titan und Aluminium miteinander kombiniert, sollte diese beiden Artikel gemeinsam lesen.
Maßnahmen zur Risikominderung bei der Verwendung von Titan-Befestigungselementen in Aluminium:
| Maß | Mechanismus |
|---|---|
| Isolierende Unterlegscheibe oder Buchse | Unterbricht den Stromkreis zwischen den beiden Metallen |
| Dichtungsmasse (Nassverlegung) | Hält den Elektrolyten vom Gelenk fern |
| Cadmium- oder Aluminiumbeschichtung auf Titan | Beschichtet das Titan, sodass eine kompatible Opferschicht die Kontaktfläche bildet |
| Neugestaltung, um das Paar zu umgehen | Wählen Sie Aluminium-Befestigungselemente für Aluminiumkonstruktionen aus |
Galling: Das titanspezifische Montageproblem
Das Festfressen ist die häufigste Ausfallursache bei Titan-Befestigungselementen im Einsatz und nimmt hinsichtlich seines Schweregrads unter den Befestigungsmaterialien eine Sonderstellung ein. Festfressen ist weder Korrosion noch Überlastung – es handelt sich um Kaltverschweißung zwischen den aneinanderstoßenden Gewindeflächen beim Anziehen.
Warum es bei Titan zu Gallen kommt
Der Oxidfilm von Titan, der für seine Korrosionsbeständigkeit sorgt, ist zugleich die Ursache für das Problem des Festfressens. Unter der Gleitbelastung eines sich festziehenden Gewindes reißt der dünne Oxidfilm auf und legt sauberes, chemisch aktives Titan frei. Zwei saubere Titanoberflächen, die miteinander in Kontakt kommen, verschweißen sich kalt; beim weiteren Anziehen reißen diese Mikroschweißnähte auf, wodurch die Oberfläche aufgeraut wird, was wiederum zu weiteren Verschweißungen führt, und die Verbindung blockiert – oft noch bevor die vorgesehene Vorspannung erreicht ist. Sind eine Titanmutter und eine Titanschraube einmal festgefressen, lassen sie sich häufig nicht mehr lösen und müssen abgeschnitten werden.
Das Problem tritt am stärksten bei Titan-Titan-Paaren auf und nimmt mit der Anzugsgeschwindigkeit, der Gewinderauheit und dem Fehlen von Schmierung zu.
Prävention
| Übung | Wirkung |
|---|---|
| Tragen Sie ein Anti-Seize- oder Gewindeschmiermittel auf | Trennt Titanoberflächen voneinander und verhindert den Kontakt von Metall zu Metall |
| Verwenden Sie eine Mutter aus einem anderen Metall oder eine beschichtete Mutter | Löst die Titan-Titan-Bindung auf |
| Die Gewinde eloxieren oder beschichten | Die Oxid-/Beschichtungsschicht verhindert Kaltverschweißung |
| Anziehgeschwindigkeit verringern | Reduziert die Reibungswärme, die das Festfressen beschleunigt |
| Drehmoment kontrollieren, zu festes Anziehen vermeiden | Begrenzt den Anpressdruck an der Gewindeflanke |
Molybdändisulfid sowie Anti-Seize-Mittel auf Silber- und Kupferbasis sind Standard bei Titan-Gewinden. In kritischen Baugruppen der Luft- und Raumfahrt werden Titan-Befestigungselemente routinemäßig mit einem Trockenfilmschmierstoff oder einer Beschichtung (Silber oder Aluminium) versehen, um insbesondere das Festfressen zu verhindern und ein vorhersehbares Drehmoment-Zugkraft-Verhältnis zu gewährleisten.
Oberflächenbeschaffenheiten
Titan-Verbindungselemente werden aus einem von vier Gründen einer Oberflächenbehandlung unterzogen: zur Vermeidung von Festfressen, zum Korrosionsschutz in bestimmten Materialpaarungen, zur Verschleißfestigkeit oder aus optischen Gründen.
| Fertig | Hauptzweck | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Unbeschichtet / passiviert | Korrosion | Titan benötigt in den meisten Umgebungen keinen Korrosionsschutz. |
| Eloxiert (Farbe) | Schutz vor Festfressen, Verschleiß, Kennzeichnung | Beim Eloxieren von Titan entstehen farbige Oxidschichten; deren Dicke wird durch die Spannung bestimmt |
| Trockenschmiermittel (MoS₂, Silber) | Verschleißschutz, Drehmomentregelung | Norm für Titan-Gewinde in der Luft- und Raumfahrt |
| DLC (diamantähnlicher Kohlenstoff) | Verschleißfestigkeit | Hochharte Beschichtung für Gleitbewegungen oder wiederholte Montage |
| Aluminium- oder Cadmiumbeschichtung | Galvanische Verträglichkeit | Verhindert, dass Titan die Aluminiumkonstruktion kathodisch angreift |
Das Eloxieren von Titan unterscheidet sich in einem entscheidenden Punkt vom Eloxieren von Aluminium: Die Farbe der Titanoxidschicht hängt direkt von der angelegten Spannung ab, sodass ein kontrollierter Eloxierprozess sowohl die Oberfläche härtet als auch einen Farbcode erzeugt. Die allgemeine Logik hinter der Abstimmung einer Beschichtung auf eine bestimmte Anwendung – und wann eine Beschichtung nicht erforderlich ist – wird im .
Titan im Vergleich zu Stahl, Edelstahl und Aluminium
| Dimension | Titan (Gr5) | Legierter Stahl (B7) | Edelstahl (316) | Aluminium (7075) |
|---|---|---|---|---|
| Dichte (g/cm³) | 4.43 | 7.85 | 8.0 | 2.70 |
| Zugfestigkeit (MPa) | 895 | 860 | 515 | 572 |
| Spezifische Festigkeit (MPa·cm³/g) | ~202 | ~110 | ~64 | ~212 |
| Maximale Betriebstemperatur (°C) | ~315 (kurz 540) | ~400 | ~400 | ~150 |
| Korrosion durch Meerwasser | Immun | Rostkrankheiten | Vertiefungen/Spalten | Gruben |
| Galvanische Position | Edelmetall (Kathode) | Aktiv (Anode) | Mittlerer Adel | Aktiv (Anode) |
| Magnetismus | Nichtmagnetisch | Magnetisch | Größtenteils nichtmagnetisch | Nichtmagnetisch |
| Relative Kosten pro Teil | 5–8× Stahl | 1× | 3–5× | 1–2× |
| Risiko der Reibung | Hoch | Niedrig | Mäßig | Mäßig |
Die drei Vergleiche in einfachen Worten
Titan vs. Stahl: Stahl hat bei der absoluten Festigkeit und den Kosten die Nase vorn; Titan punktet bei Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und der Kombination aus Temperatur und Korrosion. Entscheiden Sie sich für Titan, wenn Gewicht oder Korrosionsbeständigkeit im Vordergrund stehen und die Belastung innerhalb der Belastungsgrenze von 895 MPa von Titan liegt; entscheiden Sie sich für Stahl, wenn maximale Belastbarkeit bei minimalen Kosten gefragt ist – die deckt diesen Bereich ab.
Titan vs. Edelstahl: Edelstahl ist die kostengünstige Option zum Korrosionsschutz; Titan ist die bessere Wahl, wenn Lochfraß oder Spaltkorrosion bei Edelstahl nicht akzeptabel sind, wenn das Gewicht eine Rolle spielt oder wenn Magnetneutralität erforderlich ist. Der Preisaufschlag sichert ein Material, das in chloridhaltigen Medien keinerlei Lochfraß aufweist.
Titan vs. Aluminium:
Kosten und Entscheidungsrahmen
Rohstoff — Titanschwamm und Walzprodukte kosten pro Kilogramm ein Vielfaches von Stahl, und die Lieferkette unterliegt im Vergleich zu Stahl und Aluminium Einschränkungen.
Schwierigkeitsgrad der Bearbeitung — Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Kaltverfestigungsrate von Titan ist dessen Bearbeitung zeitaufwendig und erfordert einen hohen Werkzeugaufwand, was die Kosten für jedes gedrehte Gewinde in die Höhe treibt.
Qualitätsanforderungen — Titan für die Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Anwendungen ist mit einem höheren Aufwand für Zertifizierung, Rückverfolgbarkeit und Prüfungen verbunden als handelsübliche Stahlbefestigungselemente.
Das Ergebnis: Titan-Befestigungselemente laufen ungefähr das 3- bis 5-Fache der Kosten von Edelstahl und das 5- bis 8-fache der Kosten von Kohlenstoffstahl für ein gleichwertiges Teil.
Das Gegenargument zum Lebenszyklus
Der Vergleich der Anschaffungskosten ist nicht alles. In Anwendungsbereichen, in denen Titan vorgeschrieben ist, lautet die Alternative nicht “ein günstigeres Befestigungselement, das genauso gut funktioniert”, sondern “ein günstigeres Befestigungselement, das wiederholt ausgetauscht werden muss oder katastrophal versagt”.”
| Kostenübersicht | Stahl/Edelstahl | Titan |
|---|---|---|
| Erstkauf | Niedrig | Hoch |
| Austauschhäufigkeit in korrosiven Umgebungen | Hoch (wiederkehrend) | Nahezu null |
| Ausfallzeiten und Arbeitsaufwand für den Austausch | Wiederkehrend | Keine |
| Ausfallrisiko bei kritischen Diensten | Gegenwart | Minimal |
| Gesamtkosten über die Nutzungsdauer | Oft höher | In aggressiven Umgebungen geringer |
Die Entscheidungsregel ist einfach:
Entscheiden Sie sich für Titan, wenn einer der folgenden Punkte zutrifft:
Das Befestigungselement darf bei Einsatz in chloridhaltiger Umgebung oder im maritimen Bereich über eine lange Lebensdauer hinweg nicht korrodieren.
Gewichtsreduzierung bringt messbare Vorteile mit sich (Luft- und Raumfahrt, Motorsport, tragbare Geräte).
Magnetische Neutralität bzw. Biokompatibilität ist erforderlich.
Die Kosten für einen Ausfall oder einen Austausch übersteigen den Materialaufschlag.
Entscheiden Sie sich nicht für Titan, wenn:
Die Verbindung muss eine Festigkeit von mehr als 895 MPa aufweisen (Edelstahl verwenden).
Die Umgebung ist trocken und unschädlich (Kohlenstoffstahl ist ausreichend).
Erläuterung der wichtigsten Notenstufen
Klasse 2 (CP-2) – Das Arbeitstier der Industrie
Die Titan-Güteklasse 2 stellt kommerziell reines Titan in seiner ausgewogensten Form dar: 345 MPa Festigkeit, maximale Korrosionsbeständigkeit, gute Formbarkeit und die niedrigsten Kosten aller Titan-Güteklassen. Sie ist die Standardwahl für die chemische Verarbeitung, Schiffsausrüstung und allgemeine Befestigungsanwendungen in korrosionsbeanspruchten Umgebungen, in denen die Anforderungen an die Festigkeit moderat sind.
Stärken: höchste Korrosionsbeständigkeit, schweißbar, kostengünstig im Vergleich zu Titan.
Einschränkungen: nur 345 MPa – ungeeignet für hochbelastete Konstruktionsverbindungen.
Typische Anwendung: Chemiewerke, Meerwasserleitungen, Lebensmittelverarbeitung, Befestigungselemente für allgemeine Korrosionsanwendungen.
Güteklasse 4 (CP-4) – Das stärkste reine Titan
Die Güteklasse 4 erhöht die Festigkeit von kommerziell reinem Titan auf 550 MPa, wobei die volle Korrosionsbeständigkeit der CP-Familie erhalten bleibt. Sie schließt die Lücke zwischen der Güteklasse 2 und den Legierungsgüten.
Stärken: höchste Festigkeit unter den CP-Güten bei voller Korrosionsbeständigkeit.
Einschränkungen: geringere Festigkeit als Güteklasse 5, etwas teurer als Güteklasse 2.
Typische Anwendung: chirurgische Implantate, Schiffsausrüstung, die eine höhere Festigkeit erfordert, sowie korrosionsbeständige Befestigungselemente für den Einsatz in korrosiven Umgebungen.
Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V) – Der Standard für den Maschinenbau
Die Legierung der Güteklasse 5 ist die weltweit am häufigsten verwendete Titanlegierung und die erste Wahl, wenn mit “Titan-Befestigungselement” ein Bauteil gemeint ist. Mit einer Mindestfestigkeit von 895 MPa entspricht sie der Festigkeitsklasse von legiertem Stahl, ist mit 4,43 g/cm³ jedoch 43% leichter und behält diese Festigkeit bis zu einer Temperatur von 315 °C bei.
Stärken: das höchste Festigkeits-Gewichts-Verhältnis aller praxistauglichen Befestigungselemente, wärmebehandelbar, in der Luft- und Raumfahrt bewährt.
Einschränkungen: Kosten, Anfälligkeit für Abrieb, Bearbeitungsschwierigkeiten.
Typische Anwendung: Befestigungselemente für den Luft- und Raumfahrtbereich, Motorsport, Hochleistungsfahrzeuge, Befestigungstechnik im Schiffsbau.
Güteklasse 9 (Ti-3Al-2,5V) – Die kaltumformbare Legierung
Die Güteklasse 9 bietet eine Festigkeit von 620 MPa und eine deutlich bessere Kaltumformbarkeit als die Güteklasse 5, was sie zur bevorzugten Titanlegierung für Befestigungselemente macht, die im Kaltstauchverfahren statt durch zerspanende Bearbeitung hergestellt werden.
Stärken: gute Festigkeit, kaltumformbar für die Großserienfertigung.
Einschränkungen: geringere Festigkeit als Klasse 5.
Typische Anwendung: Fluidsysteme für die Luft- und Raumfahrt, Befestigungselemente für Fahrräder und Sportausrüstung, geformte Titanbauteile.
Güteklasse 7 (Ti-0,2Pd) – Die reduzierend-saure Güteklasse
Bei der Güteklasse 7 wird handelsüblichem reinem Titan Palladium beigemischt, wodurch die Korrosionsbeständigkeit auf reduzierende Säuren (Salzsäure, Schwefelsäure) ausgeweitet wird, in denen Standard-Titan angegriffen wird, während die Festigkeit von 345 MPa erhalten bleibt.
Stärken: Korrosionsbeständigkeit in Umgebungen, in denen herkömmliches Titan und Edelstahl versagen.
Einschränkungen: höhere Kosten durch den Palladiumzusatz, mäßige Festigkeit.
Typische Anwendung: chemische Verarbeitung in reduzierend-saurer Umgebung, wo sonst nur Sonderlegierungen zum Einsatz kommen.
Ti-6Al-4V ELI – Die Sorte für medizinische Anwendungen und bruchkritische Bauteile
Bei Ti-6Al-4V ELI werden die Grenzwerte für Sauerstoff, Eisen und Kohlenstoff der Güteklasse 5 verschärft, um eine höhere Bruchzähigkeit und ein verbessertes Ermüdungsverhalten zu erzielen. Die Hauptanwendungsbereiche sind orthopädische Implantate und bruchkritische Bauteile in der Luft- und Raumfahrt, bei denen ein Versagen durch Rissbildung nicht akzeptabel ist.
| Note | Zugfestigkeit (MPa) | Korrosion | Wärmebehandelbar | Am besten geeignet für |
|---|---|---|---|---|
| Klasse 1 | 240 | Hervorragend | Nein | Entformbarkeitskritisch, maximale Korrosion |
| 2. Klasse | 345 | Hervorragend | Nein | Allgemeine Korrosionsschutzdienstleistungen |
| 4. Klasse | 550 | Hervorragend | Nein | Das festeste reine Titan |
| 5. Klasse | 895 | Gut | Ja | Konstruktion, Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht |
| 7. Klasse | 345 | Ausgezeichnet (reduzierende Säuren) | Nein | Chemische Verarbeitung |
| 9. Klasse | 620 | Gut | Teilweise | Kaltgeformte Befestigungselemente |
| 5. Klasse ELI | 860 | Gut | Ja | Medizinische Implantate, frakturkritisch |
Anwendungsszenarien
| Branche | Vorrangige Anforderung | Empfohlene Klassenstufe | Abschluss / Anmerkung |
|---|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Gewicht + Kraft + Ermüdung | Güteklasse 5, Ti-6Al-4V | Trockenschmierstoff, aluminiumbeschichtet zur galvanischen Steuerung |
| Medizin (Implantate) | Biokompatibilität, Ermüdung | 5. Klasse ELI, 4. Klasse | Keine Beschichtung; Oberfläche in Implantatqualität |
| Medizin (Instrumente) | Korrosion, nichtmagnetisch | 2. Klasse | Passiviert |
| Schifffahrt / Offshore | Korrosion durch Meerwasser | 2. Klasse, 5. Klasse | Keine Beschichtung erforderlich; Kontakt zum Aluminium des Monitors |
| Motorsport / Hochleistungsfahrzeuge | Gewichtsreduktion | 5. Klasse, 9. Klasse | Schmiermittel gegen Festfressen vorgeschrieben |
| Chemische Verarbeitung | Korrosion durch Säure/Chlorid | 2. Klasse, 7. Klasse | 7. Klasse: Reduktion von Säuren |
| Elektronik / MRT | Nichtmagnetisch | 2. Klasse, 5. Klasse | Keine magnetischen Störungen |
| Allgemeine starke Korrosion | Lange Lebensdauer | 2. Klasse | Kostengünstig vs. häufiger Austausch |
In den korrosionsintensivsten Anwendungen in der Schifffahrt und der chemischen Industrie überdauert Titan häufig die Konstruktion, an der es befestigt ist. Bei Anwendungen zur elektrischen Isolierung, bei denen ein nichtmetallisches, nichtleitendes Befestigungselement erforderlich ist, ist das
Vier-Stufen-Auswahlrahmen
Wenn die erforderliche Zugfestigkeit 895 MPa übersteigt, kommt Titan nicht in Frage – verwenden Sie legierten Stahl. Unterhalb dieses Wertes stehen die Güteklassen 5 (895 MPa), 4 (550 MPa), 9 (620 MPa) und 2 (345 MPa) zur Auswahl.
Schritt 2: Bewertung der Korrosionsumgebung
| Umwelt | Empfohlene Klassenstufe |
|---|---|
| Trocken im Innenbereich, harmlos | Titan ist übertrieben – nimm lieber Stahl |
| Meeres-, Chlorid-, Meerwasser | Klasse 2 oder Klasse 5 |
| Reduzierende Säuren (HCl, H₂SO₄) | 7. Klasse |
| Oxidierende Säuren, allgemeine Chemie | 2. Klasse |
Schritt 3: Überprüfung der galvanischen Kompatibilität und der Kompatibilität der Baugruppen
Ermitteln Sie alle Metalle, mit denen das Titan-Befestigungselement in Kontakt kommt. Aluminium und Kohlenstoffstahl sind gegenüber Titan anodisch und korrodieren vorrangig – bringen Sie daher eine Isolierung, Dichtungsmasse oder eine geeignete Beschichtung auf. Für Verbindungen zwischen Titan- und Titan-Teilen ist ein Anti-Galling-Schmiermittel oder eine Mutter aus einem anderen Metall erforderlich.
Schritt 4: Das Cost Gate anwenden
Häufig gestellte Fragen
Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V) mit einer Mindestzugfestigkeit von 895 MPa. Die Güteklasse 5 ELI weist eine etwas geringere Zugfestigkeit (860 MPa) auf, bietet jedoch eine höhere Bruchzähigkeit. Die Güteklasse 4 ist mit 550 MPa die festeste handelsübliche reine Titanlegierung.
2. Wie viel mehr kosten Titanschrauben im Vergleich zu Stahlschrauben?
Titan-Befestigungselemente kosten bei gleichwertigen Bauteilen etwa das 5- bis 8-Fache von denen aus Kohlenstoffstahl und das 3- bis 5-Fache von denen aus Edelstahl. Der Aufpreis ergibt sich aus den Rohstoffkosten, dem Bearbeitungsaufwand und den Kosten für die Zertifizierung.
3. Kommen Titan-Schrauben zum Festfressen oder zum Festklemmen?
Ja – bei Gewinden aus Titan-zu-Titan kommt es leicht zu Festfressen, da der Oxidfilm reißt und die sauberen Oberflächen kaltverschweißen. Anti-Seize-Schmiermittel, eine beschichtete Mutter oder eine Mutter aus einem anderen Metall sowie ein kontrolliertes Anzugsmoment sind gängige Vorbeugungsmaßnahmen.
4. Kann ich Titanschrauben in Verbindung mit Aluminium verwenden?
Mechanisch gesehen ja, aber galvanisch gesehen riskant. Titan wirkt kathodisch und beschleunigt die Korrosion des Aluminiums an der Verbindungsstelle. Isolieren Sie die Metalle voneinander, tragen Sie Dichtungsmittel auf oder beschichten Sie das Titan, um die galvanische Verbindung zu unterbrechen.
5. Rosten Titanschrauben?
Nein. Titan bildet einen selbstheilenden passiven Oxidfilm und rostet nicht; es kommt weder zu Lochfraß noch zu Spaltkorrosion in Meerwasser oder in chloridhaltigen Medien. Es korrodiert lediglich in reduzierenden Säuren wie Salzsäure.
6. Was ist Ti-6Al-4V-Titan?
Die am häufigsten verwendete Titanlegierung, auch als ASTM-Güteklasse 5 bezeichnet. Sie besteht zu etwa 90% aus Titan, zu 6% aus Aluminium und zu 4% aus Vanadium und erreicht eine Festigkeit von 895 MPa bei einem um 43% geringeren Gewicht als Stahl.
7. Sind Titanschrauben magnetisch?
Nein. Titan ist praktisch nicht magnetisch, weshalb Titan-Befestigungselemente in der Nähe von MRT-Geräten, in der Elektronik und in Präzisionsinstrumenten vorgeschrieben sind, wo ein Befestigungselement aus Stahl Störungen verursachen würde.
8. Welchen Temperaturen halten Titanschrauben stand?
Titan der Güteklasse 5 behält seine Festigkeit kontinuierlich bis etwa 315 °C bei und verträgt kurzzeitige Temperaturspitzen bis 540 °C. Handelsübliche reine Titanlegierungen sind auf etwa 300 °C begrenzt. Titan bleibt zudem bis zu -250 °C zäh.
9. Was ist der Unterschied zwischen Titan der Güteklasse 2 und Titan der Güteklasse 5?
Die Güteklasse 2 ist handelsübliches reines Titan mit einer Festigkeit von 345 MPa und maximaler Korrosionsbeständigkeit. Die Güteklasse 5 ist die Legierung Ti-6Al-4V mit einer Festigkeit von 895 MPa, die eine höhere Festigkeit, aber eine etwas geringere Korrosionsbeständigkeit aufweist und kostspieliger ist.
10. Sind Titanschrauben ihren Preis wert?
Literaturverzeichnis
ASTM International. “ASTM F468/F468M – Norm für Nieten, Sechskantschrauben, Innensechskantschrauben und Bolzen aus Nichteisenmetallen für den allgemeinen Gebrauch.”
ASTM International. “ASTM B348/B348M – Norm für Stangen und Knüppel aus Titan und Titanlegierungen.”
SAE International. “AMS 4928 – Stangen, Draht, Schmiedeteile und Ringe aus Titanlegierungen, 6Al-4V.”
SAE International. “AMS 7476 – Bolzen und Schrauben aus Titanlegierungen.”
MatWeb – Materialdaten. “Eigenschaftsdaten von Titanlegierungen.” http
ASM-Handbuch, Band 2: Eigenschaften und Auswahl: Nichteisenlegierungen und Spezialwerkstoffe. 10. Auflage.
AZoM (Materials Online). “Titanlegierungen – Ti6Al4V, Güteklasse 5.”
