Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff lagern sich in den Lücken des Titangitters ein, statt Titanatome zu ersetzen, sodass schon einige hundert Teile pro Million Festigkeit und Zähigkeit stärker verändern als Änderungen auf Legierungsebene. Es sind die vier Zahlen auf einem Zeugnis, die entscheiden, ob ein Bauteil fest, zäh, schweißbar ist oder im Einsatz reißt.
Die Zeile auf einem Titanzeugnis, die am meisten entscheidet, ist nicht Aluminium oder Vanadium. Es sind die vier kleinen Zahlen darunter: Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff. Sie werden in Hundertstel- und Tausendstelprozent angegeben, man überliest sie leicht, und sie bestimmen still, ob ein Teil fest, zäh, schweißbar ist oder drei Monate nach Inbetriebnahme reißt.
Dies sind die interstitielle Elemente: Atome, die klein genug sind, um sich in den Lücken des Titangitters einzulagern, statt Titanatome zu ersetzen. Da sie das Gitter direkt verzerren, verändern schon einige hundert Teile pro Million Eigenschaften in einem Ausmaß, das Änderungen auf Legierungsebene nicht erreichen.
Reale Zahlen zur Veranschaulichung
Hier sind die gemessenen interstitiellen Werte einer aktuellen TC4-(Ti-6Al-4V)-Barrencharge, geprüft in einem akkreditierten unabhängigen Labor:
| Interstitiell | Gemessen | In ppm | Grade-5-Grenzwert | Grenzwert Grade 23 (ELI) |
|---|---|---|---|---|
| Sauerstoff (O) | 0.186% | 1,860 | ≤ 0,20% | ≤ 0,13% |
| Stickstoff (N) | 0.007% | 70 | ≤ 0,05% | ≤ 0,03% |
| Kohlenstoff (C) | <0,004% | <40 | ≤ 0,08% | ≤ 0,08% |
| Wasserstoff (H) | <0,0006% | <6 | ≤ 0,015% | ≤ 0,0125% |
Diese Charge ist ein sauberes, einwandfreies Grade 5, und ebenso nützlich zeigt sie, wo Grade 5 endet. Ihr Sauerstoffgehalt (0,186%) erfüllt Grade 5 komfortabel, würde jedoch bei Grade 23 nicht bestehen, das den Sauerstoffgehalt auf 0,13% begrenzt. Gleiches Ti-6Al-4V, unterschiedliches interstitielles Budget. Der Unterschied zwischen diesen beiden Graden liegt fast vollständig in dieser Tabelle.
Sauerstoff: der wichtigste Festigkeitsträger
Sauerstoff ist der wirksamste Hebel bei kommerziellem Titan. Er erhöht Streckgrenze und Zugfestigkeit stetig, senkt im Gegenzug jedoch Duktilität, Bruchzähigkeit und Widerstand gegen Ermüdungsrisse. Dieser Zusammenhang ist so verlässlich, dass die Reintitan-Sorten im Wesentlichen eine Sauerstoffleiter bilden:
| Reintitan-Grade | Sauerstoff (max.) | Wirkung |
|---|---|---|
| Grade 1 | 0.18% | Weichster, am besten umformbar |
| Grade 2 | 0.25% | Die universelle Standardsorte |
| Grade 3 | 0.35% | Höhere Festigkeit |
| Grade 4 | 0.40% | Festeste Reintitan-Sorte, geringste Duktilität |
Vier „Grade“ desselben technisch reinen Titans, unterschieden vor allem dadurch, wie viel Sauerstoff erlaubt ist. Sobald man das verinnerlicht hat, wird die Auswahl des Grades weniger zum Auswendiglernen. (Unser Leitfaden zum Sortenvergleich stellt die vollständige Leiter dar.)
Stickstoff und Kohlenstoff: kleine Budgets aus gutem Grund
Stickstoff verfestigt Titan noch stärker als Sauerstoff, etwa doppelt so wirksam, weshalb Normen ihn eng begrenzen und er in der unten stehenden Sauerstoffäquivalent-Formel doppelt gewichtet erscheint. Seine eigentliche Gefahr ist lokal: Eine stickstoffreiche Ansammlung kann harte, spröde TiN-Einschlüsse bilden („hard alpha“), die als Rissausgangspunkte wirken. Niedrig und gleichmäßig ist das Ziel; die 70 ppm in unserer Beispielcharge liegen eine Größenordnung unter dem Grenzwert von Grade 5.
| Interstitiell | Aussage des Leitfadens |
|---|---|
| Stickstoff | Verfestigt Titan etwa doppelt so stark wie Sauerstoff, weshalb Normen es eng begrenzen |
| Wasserstoff | Bringt keinen Nutzen und kann das Bauteil kosten; gelöster Wasserstoff verursacht Wasserstoffversprödung und verzögerte, spröde Rissbildung |
Kohlenstoff ist das mildeste der vier Elemente. Bei normalen Werten bewirkt er wenig; erst deutlich oberhalb der Spezifikation bildet er Karbide, die die Duktilität beeinträchtigen. Mit hier unter 40 ppm ausgewiesen, ist er unbedenklich.
Das Sauerstoffäquivalent: eine Zahl für die Festigkeitswirkung
Da Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff alle gleichzeitig verfestigen und verspröden, fassen Metallurgen sie in einer einzigen Sauerstoffäquivalent:
Oeq = %O + 2 × %N + 0.67 × %C
Für unsere Charge: 0.186 + 2(0.007) + 0.67(0.004) ≈ 0.203%. Diese einzelne Kennzahl erfasst die gesamte interstitielle Verfestigung und den gesamten Zähigkeitsverlust besser als Sauerstoff allein, weshalb bruchkritische und ELI-Spezifikationen sie genau überwachen.
Wasserstoff: das reine Risiko
Die anderen drei verschaffen Festigkeit. Wasserstoff verschafft keinen Nutzen und kann das Bauteil kosten. Gelöster Wasserstoff verursacht Wasserstoffversprödung und verzögerte, spröde Rissbildung, manchmal lange nachdem das Bauteil in Betrieb ist. Er ist auf 150 ppm für Grade 5 und 125 ppm für ELI begrenzt, und gute Praxis hält ihn deutlich niedriger, bei diesem Barren unter 6 ppm.
Der Haken ist, dass Wasserstoff aufgenommen wird nach auch beim Schmelzen: aggressives Säurebeizen, verunreinigtes Schweißen und bestimmte Einsatzumgebungen fügen jeweils Wasserstoff hinzu. Ein sauberer Barren ist notwendig, aber nicht ausreichend; Handhabung und Verarbeitung müssen ihn sauber halten.
Wann sich ELI (Grade 23) lohnt
Grade 23 ist Ti-6Al-4V mit abgesenkten interstitiellen Elementen: Sauerstoff ≤0,13%, Stickstoff ≤0,03%, engere Grenzen für Eisen und Wasserstoff. Man gibt etwas Festigkeit auf und gewinnt Bruchzähigkeit, Duktilität und Ermüdungsverhalten sowie Tieftemperatur- und biologische Verträglichkeit. Es ist in der Regel in drei Fällen gerechtfertigt:
| Anwendung |
|---|
| Medizinische Implantate, wo Zähigkeit und Biokompatibilität wichtig sind und das Material nach ASTM F136 bezogen wird; typischerweise als Grade 23 (ELI) Platte und Stab. |
| Bruchkritische Luft- und Raumfahrtstruktur, bei der ein Bauteil so ausgelegt ist, dass es einen Riss toleriert, ohne zu versagen. |
| Tieftemperatureinsatz, bei dem Titan mit Standard-Interstitialgehalt zu viel Duktilität verliert. |
Wenn Ihre Anwendung in keinen dieser Fälle fällt, ist Standard-Grade 5 in der Regel die richtige, wirtschaftlichere Wahl. Wir liefern beide Ti-6Al-4V (Grade 5) und Grade 23 ELI mit der Interstitialanalyse auf dem Werkstoffzeugnis, sodass die Wahl anhand von Zahlen getroffen wird und nicht anhand der Sortenbezeichnung.
FAQ
Warum wird der Sauerstoffgehalt von Titan in Prozent angegeben, aber in ppm genannt?
Es handelt sich um dieselbe Größe in unterschiedlichem Maßstab: 0,18% Sauerstoff entsprechen 1800 ppm. Zeugnisse geben meist Prozent an; Ingenieure sprechen oft in ppm, weil sich die relevanten Änderungen im Bereich von hundert ppm abspielen.
Kann zu hoher Sauerstoffgehalt aus Titan entfernt werden?
Praktisch nein. Interstitieller Sauerstoff wird bereits beim Schmelzen im Gitter fixiert; er lässt sich nicht heraus glühen. Deshalb muss er bereits auf Barrenebene kontrolliert werden, und deshalb ist das Barrenzeugnis wichtig.
Ist "ELI" eine andere Legierung als Grade 5?
Nein. Es ist dieselbe chemische Zusammensetzung von Ti-6Al-4V mit engerem interstitiellem Grenzwert (Grade 23). Die Legierungselemente sind nominell identisch; die Grenzwerte für O/N/Fe/H sind niedriger.
Wie bestätige ich die interstitiellen Werte des gekauften Materials?
Fordern Sie das Werkstoffzeugnis mit der vollständigen Chemie an, und prüfen Sie es gegen die Sorte und die Anwendung. Anfrage senden mit der benötigten Sorte, Norm und Dokumentation.
Spezifikationsdetails mit Quellenangabe
ASTM weist jedem interstitiellen Element in Titan eine eigene Prüfmethode zu, und diese Methode macht die vier auf einem Zeugnis ausgewiesenen Werte zwischen Laboren vergleichbar: Sauerstoff und Stickstoff werden durch Inertgas-Schmelzextraktion bestimmt nach ASTM E1409, Wasserstoff durch Inertgas-Schmelzextraktion nach ASTM E1447, und Kohlenstoff durch Verbrennungsanalyse nach ASTM E1941. Dies sind die Methoden, auf die die Titan-Produktnormen für die chemische Analyse verweisen. Eine Bestellung, die sie nennt, also 3 Methodennormen für alle 4 Elemente, legt somit im Voraus fest, welches Instrument maßgeblich ist, wenn eine Nachprüfung des Käufers vom Werkswert abweicht.
Beiyu lässt die Analyse der interstitiellen Elemente für jede Produktionsschmelze in einem externen Werkslabor oder im eigenen Labor des Werks durchführen, 2 Laborwege, und weist Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff auf dem EN 10204 3.1 Abnahmeprüfzeugnis für diese Schmelze aus. Für Arbeiten, bei denen das Budget für interstitielle Elemente den Bestellzweck bestimmt, liefert Beiyu ELI Grade 23 in 4 Knetformen, Stab, Platte, Rohr und Schmiedeteile, sodass eine Fertigung von der Schale bis zum zerspanten Teil dieselben Obergrenzen für interstitielle Elemente einhalten kann.
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Geben Sie für Anfragen zur Titangradeauswahl das Gradeziel, die Anforderung an Sauerstoff oder Festigkeit, die Produktform, Abmessungen, Toleranz, Anwendung und Zeugnisanforderung an.