Bohrungsdrücken – ein Verfahren der Umformung für Hohlstrukturen

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Die am weitesten verbreitete Titanlegierung ist mit einem Anteil von 50 bis 60 % die (α + ß)-Legierung Ti6Al4V. Sie zeichnet sich durch eine Kombination guter mechanischer Eigenschaften und guter spangebender Verarbeitbarkeit aus.

ß-Titanlegierungen haben bestes Verhältnis von Festigkeit zu Masse

Der Werkstoff ist für Einsatztemperaturen bis maximal 400 °C geeignet und verfügt in diesem Bereich über hohe Festigkeiten. Höhere Einsatztemperaturen zwischen 450 und 550 °C erfordern bereits Legierungen wie Ti6292 und Ti 6246. Die besonders temperaturbeständige Legierung IMI 834 verursacht bereits die doppelten Materialkosten.

Die vielseitigste Gruppe der Titanlegierungen sind die ß-Titanlegierungen. Diese haben das beste Verhältnis von Festigkeit zu Masse, jedoch eine höhere Dichte im Vergleich zu anderen Titanwerkstoffen. Attraktiv ist die Kombination von Festigkeit, Duktilität und Ermüdungsfestigkeit.

Im Verhältnis zu vergleichbaren Werkstoffen sind ß-Legierungen meist kostenaufwendiger, wodurch ihre Anwendung stark eingeschränkt wird. Die hauptsächlich eingesetzten Werkstoffe sind: Ti-10V-2Fe-3Al, Beta C, Ti-15-3, Timetal 21S und BT 22 für Strukturteile und Ti 17 für Triebwerksverdichterscheiben.

Titanlegierungen weisen eine gute Umformbarkeit auf

Die Eigenschaften der ß-Titanlegierungen werden primär durch die mikrostrukturellen Parameter Korngröße, Form, Größe und Volumenanteil der primären und sekundä-ren α-Phase und von der Korngrenzen-α-Phase bestimmt. Im lösungsgeglühten Zustand weisen ß-Legierungen eine hohe Duktilität (plastisches Verformungsvermögen), einen geringen Formänderungswiderstand und gute Umformbarkeit bei niedrigeren Temperaturen auf. Der ß-Legierungstyp besitzt von allen technisch interessanten Legierungen das größte Umformvermögen bei Raumtemperatur.

Aufgrund der typischerweise hervorragenden Kaltumformeigenschaften der ß-Titanlegierungen und ihrer durch die Umformung beeinflussbaren Eigenschaften sind für die Anwendung partieller Kaltumformverfahren wie des Bohrungsdrückens prädestiniert. Wegen des hohen Preises des Ausgangsmateriales wird angestrebt, die Materialausnutzung zu erhöhen. Deshalb müssen zwingend Alternativen zu den klassischen Formgebungsverfahren wie Schmieden gefunden werden.

Kaltfließpressen und Strangpressen haben Nachteile

Hohlformen aus Titanwerkstoffen werden durch Kaltfließpressen erzeugt. Das Verfahren erlaubt enge Herstellungstoleranzen, gute Oberflächentopografien und Härtesteigerungen. Es ist jedoch mit einem eingeschränkten Längen-Durchmesser-Verhältnis auf die Erzeugung dünnwandiger Hülsen beschränkt. Weitere Alternativverfahren sind Strangpressen und Ziehen. Das Strangpressen setzt dabei immer durch das Verfahren Tiefbohren hergestellte Vorformen mit einem Materialverlust von bis zu 40 % voraus. Für die Werkstoff sparende Herstellung dickwandiger Hohlformen in Near-net-Shape-Qualität aus ß-Titanlegierungen besteht daher ein die allgemeine Anwendung dieser Werkstoffe behinderndes Defizit.

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