Titan Grade 2 oder Grade 5 (Reintitan oder Ti-6Al-4V): Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Auswahl

Grade 2 spezifizieren Sie, wenn ein Bauteil einem Medium standhalten muss. Grade 5 ist für Bauteile bestimmt, die Lasten tragen. Sobald klar ist, welche dieser beiden Aufgaben maßgebend ist, steht der Grade nahezu fest; anschließend bleiben Produktform, Zustand und Dokumentation zu bestimmen.

Grade 2 ist Reintitan (UNS R50400) und enthält nur geringe, kontrollierte Mengen an Sauerstoff und Eisen. Grade 5 ist die Legierung Ti-6Al-4V, UNS R56400, mit etwa 6 % Aluminium und 4 % Vanadium. Diese Zusätze erhöhen die Festigkeit deutlich, schränken jedoch die Schweißbarkeit und Kaltumformbarkeit gegenüber Reintitan ein, das sich vergleichsweise einfach zu Apparaten verarbeiten lässt.

Wer Grade 5 für eine Korrosionsanwendung ohne nennenswerte mechanische Last spezifiziert, bezahlt Festigkeit, die das Bauteil nie nutzt, und muss zugleich die härtere Legierung bei jeder Schweißung und jedem Umformschritt aufwendiger verarbeiten. Der umgekehrte Fehler ist schwerwiegender: Grade 2 wird in einem für Ti-6Al-4V ausgelegten Lastpfad plastisch verformt.

Reinmetall gegen Legierung

Reintitan behält die Eigenschaften, die den Werkstoff für Verarbeiter attraktiv machen: Korrosionsverhalten ohne zusätzliche Legierungseinflüsse, duktile Schweißnähte und kaltumformbares Blech. Ti-6Al-4V gibt einen Teil dieser Verarbeitungseigenschaften zugunsten von Festigkeit und Steifigkeit auf. Jeder der folgenden Unterschiede geht auf diese grundlegende Trennung zurück.

Dieselbe Trennung zieht sich durch Eigenschaften, die bei diesem Vergleich niemand prüft. Grade 5 leitet elektrischen Strom und Wärme etwa dreimal schlechter als Grade 2, was nur bei wenigen Teilen eine Rolle spielt, mit der Wahl des Grades aber bereits feststeht. Spezifischer elektrischer Widerstand und Wärmeleitfähigkeit nach Grade nennt die Zahlen.

Festigkeit, und worauf der Vergleich beruht

Die Mindestanforderungen an Zugfestigkeit und Streckgrenze von Grade 5 liegen deutlich über denen von Grade 2, wenn beide Grades für dieselbe Produktform derselben Norm unterliegen. Jeder Mindestwert gehört zu einer bestimmten Norm, Produktform und einem bestimmten Zustand; für eine Bestellung gelten die Werte aus der Tabelle der dort genannten Normausgabe. Die Dichte ist nahezu gleich: etwa 4,5 g/cm³ bei Grade 2 und etwa 4,4 g/cm³ bei Grade 5. Die zusätzliche Festigkeit der Legierung steht damit bei praktisch gleichem Gewicht zur Verfügung.

Die Festigkeitszeile bleibt bewusst qualitativ. Aus dem Zusammenhang gelöste Kennwerte führen dazu, dass ein Plattenwert plötzlich für die Abnahme eines Stabes herangezogen wird. Entnehmen Sie die Zahlen deshalb der maßgebenden Norm und ihrer Ausgabe für die bestellte Form und den bestellten Zustand und weisen Sie sie für genau diese Bestellung aus.

Korrosion: beide Grade passivieren, einer wird dafür gekauft

Beide bilden denselben schützenden Oxidfilm und sind daher in Meerwasser, Chloriden, oxidierenden Säuren und vielen Prozessmedien beständig. Der Unterschied liegt im Einsatzzweck. Grade 2 wird in der Zeichnung festgelegt, wenn die Korrosionsbeständigkeit maßgebend ist und sich Reintitan zuverlässig zu geschweißten Korrosionsapparaten verarbeiten lässt. Grade 5 wird festgelegt, wenn Lasten getragen werden müssen; seine gute Korrosionsbeständigkeit ist für diese Entscheidung nicht ausschlaggebend. Aggressive reduzierende Säuren und heiße Spaltbedingungen überfordern beide genannten Grades; diese Anwendungen erfordern Grade 7 oder Grade 12.

Schweißen, Umformen und Zerspanen

Grade 2 lässt sich gut schweißen, und die Schweißnaht behält ihre Duktilität. Deshalb wird der Grade häufig für geschweißte Titanapparate verwendet. Grade 5 ist schweißbar, erfordert jedoch eine engere Prozessführung; geschweißte Konstruktionen aus Grade 5 sind daher seltener.

Bei der Umformung zeigt sich derselbe Unterschied. Grade 2 lässt sich kalt zu Blechteilen, Rohren und gefertigten Apparaten umformen. Grade 5 ist nur begrenzt kaltumformbar und wird in der Regel warmumgeformt oder aus dem Vollen zerspant.

Beide Grades lassen sich spanend bearbeiten. Grade 5 beansprucht Werkzeuge stärker; bei der Kalkulation eines Bauteils aus Ti-6Al-4V ist daher mit höherem Werkzeugverschleiß zu rechnen als bei derselben Geometrie aus Titan Grade 2.

Verarbeiter wählen Grade 2 häufig für Wärmetauscher, Tanks, Behälterauskleidungen und chemische Apparate. Diese Korrosionsanwendungen werden geschweißt und umgeformt; ungenutzte Legierungsfestigkeit kann deshalb den Fertigungsaufwand erhöhen, ohne die Werkstoffauswahl für den Einsatz zu verbessern.

Wo jeder Grade landet

Grade 2 deckt Anwendungen ab, bei denen Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitung maßgebend sind:

• Wärmetauscher, Kondensatoren und Rohrböden.
• Anlagen für chemische Prozesse, Tanks, Reaktoren und Behälterauskleidungen.
• Marine- und Meerwasserleitungen und -komponenten.
• Anoden, Elektroden und elektrochemische Ausrüstung.
• Geschweißte oder umgeformte Titanfertigung allgemein.

Grade 5 deckt die Teile ab, die Last tragen:

• Strukturteile, Konsolen und Beschläge für die Luftfahrt.
• Verbindungselemente, Schrauben, Wellen und Federn.
• Hochfeste spanend bearbeitete Komponenten.
• Sport- und Hochleistungskomponenten, bei denen das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis die Konstruktion bestimmt.

Benötigt eine Konstruktion zugleich hohe Festigkeit und bestmögliche Beständigkeit gegen Spaltkorrosion oder reduzierende Säuren, muss ein spezifischerer Grade gewählt und die Auswahl von einem Korrosionsingenieur geprüft werden; keiner der beiden Grades ist dafür pauschal die richtige Wahl.

Produktformen und die Norm dahinter

Für die beiden Grades gilt keine gemeinsame Normenliste; ihre Zusammenführung ist der Ausgangspunkt für Bestellfehler. Grade 2 (R50400) wird in folgenden Produktformen geliefert: Blech und Platte nach ASTM B265, Rohr nach ASTM B338, und Stäbe nach ASTM B348. Grade 2 Rohr folgt einer separaten Route: ASTM B861 für nahtloses Rohr, ASTM B862 für geschweißtes Rohr. Grade 5 (R56400) wird geliefert als Stab nach ASTM B348 oder AMS 4928, Platte nach ASTM B265, und Schmiedeteile nach ASTM B381. ASTM B338 deckt Grade 2 Rohr ab und schließt Grade 5 nicht ein, daher kann eine Grade 5 Rohranforderung diese Route nicht nutzen.

Beim Stab endet der Vergleich auf reiner Werkstoffebene. Durchmesser, Lieferzustand, Bearbeitungszugabe und die Anfrageangaben, durch die sich eine Bestellung über Stab aus Grade 2 von einer Bestellung über Grade 5 unterscheidet, gehören in den Leitfaden zur Güteauswahl für Titanstab, der sich mit Stabgröße, Zustand, Zerspanung und Entscheidungen zur Anfrage befasst, statt mit der hier behandelten Werkstoffwahl.

Was die Anfrage entscheidet

Eine Anfrage, die nur einen Grade nennt, lässt zu viele Punkte für die Kalkulation offen. Vier Angaben schließen diese Lücken:

• Grade und UNS-Nummer mit der maßgebenden Norm sowie deren Ausgabestand, wenn die Zeichnung einen bestimmten nennt.
• Ob Korrosion oder mechanische Belastung für das Bauteil maßgebend ist, denn danach richtet sich der Grade und nicht nach einer bloßen Präferenz.
• Produktform und Abmessungen sowie Zustand und Oberflächenanforderung gemäß Zeichnung, maßgebender Norm oder Bestellung.
• Der benötigte Prüf- und Dokumentationsumfang einschließlich Zeugnisart und anzugebender Ergebnisse ist für die jeweilige Bestellung zu vereinbaren und darf nicht vorausgesetzt werden.

Wie Beiyu Titanium Grade 2 und Grade 5 liefert

Beiyu liefert Stab aus Grade 2 nach ASTM B348, Blech und Platte nach ASTM B265 sowie Rohr nach ASTM B338. Für Grade 5 sind Stäbe nach ASTM B348 oder AMS 4928, Bleche und Platten nach ASTM B265 sowie Schmiedeteile nach ASTM B381 vorgesehen. Nennen Sie in der Anfrage zuerst, ob Korrosionsbeständigkeit oder Lastaufnahme maßgebend ist, und geben Sie anschließend Grade, Form, Abmessungen, Zustand, maßgebende Norm und den benötigten Dokumentationsumfang an. Welche Ausführung verfügbar ist und welche Rückverfolgbarkeitsfelder und Ergebnisse ausgewiesen werden, wird im Angebot für die jeweilige Bestellung bestätigt.

Der Vergleich hängt von Zahlenwerten ab, daher ist die dahinterstehende Methode Teil davon

Ein Gütevergleich ist nur so zuverlässig wie die Zahlen, die er vergleicht. Zwei Zertifikate, die denselben Sauerstoffwert nach unterschiedlichen Methoden angeben, beantworten nicht dieselbe Frage, weshalb ASTM B348 die Methoden benennt, auf die es sich stützt, statt sie dem Werk zu überlassen.

Die Nennung einer Methode legt fest, wie ein Wert ermittelt wurde. Sie fügt keine Prüfung hinzu, die die Bestellung nicht angefragt hat, und macht eine Schmelzanalyse und eine spätere Produktanalyse nicht austauschbar.

Was der Vergleich für Sie nicht klären kann

Die Wahl zwischen Grade 2 und Grade 5 beantwortet die linke Spalte. Die rechte Spalte muss dennoch auf die Bestellung geschrieben werden, unabhängig davon, welche Güte gewinnt.

Für einen Überblick, wer dieses Material sonst noch veröffentlicht und was jeder angibt, siehe Lieferanten für Grade 5 Titan-Verbindungselemente: Fünf Firmenseiten im Vergleich.

Spezifikationsdetails mit Quellenangabe

Die Festigkeitslücke wird bestimmt durch ASTM B265, Tabelle 2: Grade 2 muss eine Mindestzugfestigkeit von 345 MPa bei mindestens 20% Bruchdehnung erreichen, während Grade 5 (Ti-6Al-4V) 895 MPa bei mindestens 10% Bruchdehnung erreichen muss. Grade 5 liefert etwa das 2,6-fache der Mindestfestigkeit; Grade 2 behält die doppelte Mindestduktilität.

Die Zusammensetzung bestimmt den Rest des Kompromisses: Grade 5 enthält 5,50 bis 6,75% Al und 3,50 bis 4,50% V gemäß ASTM B265, Tabelle 1, was die Dichte auf 4,43 g/cm³ gegenüber 4,51 g/cm³ bei Grade 2 bringt (ASM Handbook, Vol. 2), macht jedoch Schweißen und Kaltumformung anspruchsvoller als bei der unlegierten Güte.