CNC-bearbeitete Titanteile: Grade 2 vs Grade 5, Toleranzen und Oberflächen

Titan ist einer der am häufigsten angefragten Werkstoffe für kundenspezifisch bearbeitete Komponenten in Chemie, Marine, Luftfahrt und Medizintechnik. Gleichzeitig gehört es zu den schwierigeren Metallen in der Zerspanung. Dieser Leitfaden behandelt die beiden gängigsten Rein- und Legierungsgüten, Grade 2 und Grade 5 (Ti-6Al-4V), sowie die Toleranzen, Oberflächen und Nachbehandlungen, die bei der Bestellung CNC-bearbeiteter Titanteile berücksichtigt werden sollten.

Warum Titan schwer zu bearbeiten ist

Wenn ein Titanteil bei gleicher Geometrie 3–5-mal teurer ist als ein Edelstahlteil, gibt es dafür reale Gründe. Titan bringt in der CNC-Bearbeitung drei kombinierte Probleme mit sich:

• Geringe Wärmeleitfähigkeit (6.7 W/m-K bei Grade 2, 6.6 W/m-K bei Grade 5). Zum Vergleich: 304 Edelstahl liegt bei etwa 16 W/m-K, 6061 Aluminium bei rund 167 W/m-K. Die Wärme wird schlecht über das Werkstück abgeführt und konzentriert sich an der Schneidkante.
• Kaltverfestigung. Titan härtet unter plastischer Verformung schnell auf. Wenn das Werkzeug eher reibt als schneidet, wird die Oberfläche härter und der nächste Schnitt noch schwieriger. Das verlangt steife Spannungen, scharfe Werkzeuge und konsistente Vorschübe.
• Hohe chemische Reaktivität bei Temperatur. Oberhalb von etwa 500°C reagiert Titan mit Sauerstoff und Stickstoff und neigt zur Aufschweißung an Hartmetallschneiden. Daher sind niedrigere Schnittgeschwindigkeiten, aggressivere Kühlung und häufigerer Werkzeugwechsel nötig.

Praktisch bedeutet das: Titanlegierungen werden häufig nur mit 30–60 m/min geschnitten, während austenitische Edelstähle mit 100–200 m/min bearbeitet werden können. Zykluszeiten steigen, Werkzeugkosten steigen, und die Maschinesteifigkeit wird wichtiger. Eine Werkstatt mit echter Titanerfahrung ist deshalb ein wesentlicher Faktor.

Grade 2 vs Grade 5: Wann verwendet man was?

Die Wahl zwischen Grade 2 und Grade 5 ist im Kern ein Abwägen zwischen Korrosionsleistung und mechanischer Festigkeit.

Grade 2 — kommerziell reines Titan

Grade 2 ist der Standardwerkstoff in Chemie- und Marineanwendungen. Er bietet sehr gute Beständigkeit gegen oxidierende Säuren wie Salpeter- und Chromsäure, gegen Chloridmedien und Meerwasser. Die geringere Festigkeit macht ihn leichter umform- und bearbeitbar als Grade 5. Geeignet ist er für Bauteile, die korrosionsbeständig, aber nicht hochbelastet sein müssen, etwa Flansche, Fittings, Ventilkörper, Wärmetauscherteile oder Instrumentengehäuse.

Grade 5 — Ti-6Al-4V

Grade 5 macht mehr als 50% des weltweit verwendeten Titans aus. Durch 6% Aluminium und 4% Vanadium verdoppelt sich die Streckgrenze gegenüber Grade 2 ungefähr auf 830 MPa. Damit erreicht der Werkstoff die Festigkeit hochfester Stähle bei nur etwa 57% des Gewichts. Er eignet sich, wenn Korrosionsbeständigkeit und strukturelle Tragfähigkeit gleichzeitig gefordert sind, zum Beispiel bei Luftfahrtbefestigern, Medizinteilen, Ventilstangen, Motorsportkomponenten oder Unterwasserverbindern.

Spezifikationsvergleich: Grade 2 vs Grade 5

Zugfestigkeit (min): Grade 2 — 345 MPa | Grade 5 — 900 MPa

Streckgrenze (0.2% Offset, min): Grade 2 — 275 MPa | Grade 5 — 830 MPa

Bruchdehnung (min): Grade 2 — 20% | Grade 5 — 10%

Dichte: Grade 2 — 4.51 g/cm3 | Grade 5 — 4.43 g/cm3

Wärmeleitfähigkeit: Grade 2 — 6.7 W/m-K | Grade 5 — 6.6 W/m-K

Elastizitätsmodul: Grade 2 — 103 GPa | Grade 5 — 114 GPa

Härte: Grade 2 — ca. HRC 20 | Grade 5 — ca. HRC 36

Zerspanbarkeit: Grade 2 — mittel | Grade 5 — schwierig

ASTM-Norm: Grade 2 — ASTM B348 / B381 | Grade 5 — ASTM B348 / B381

Erreichbare Toleranzen und Oberflächen

Welche Genauigkeiten bei CNC-Titanteilen erreichbar sind, hängt von Merkmal, Maschine und Erfahrung der Werkstatt ab. Realistische Richtwerte sind:

• Standardtoleranz: +/-0.05 mm für allgemeine Maße. Das deckt die meisten Funktionsflächen und Lochbilder ab.
• Präzisionstoleranz: +/-0.02 mm für kritische Bohrungen, Dichtflächen und Passungen. Erfordert sorgfältige Aufspannung und Schlichtbearbeitung und ist kostenintensiver.
• Enge Toleranz (Schleifen/EDM): +/-0.005 mm ist bei kleinen Merkmalen mit Zusatzoperationen möglich, aber für industrielle Filterteile selten notwendig.
• Oberflächenrauheit: Ra 1.6-3.2 µm ist typisch für bearbeitetes Titan. Ra 0.8 µm ist mit feinen Schlichtschnitten erreichbar. Ra 0.4 µm oder besser erfordert meist Polieren oder Elektropolieren.

Bei der Zeichnungserstellung sollten enge Toleranzen nur dort gesetzt werden, wo die Funktion es wirklich verlangt. Übermäßig enge Vorgaben erhöhen bei Titan die Kosten schnell, ohne automatisch den Nutzen zu verbessern.

Typische CNC-bearbeitete Titanteile

Flansche und Fittings

Titanflansche nach ASME B16.5 oder Sonderzeichnung werden häufig in chemischen Reaktoren, Offshore-Leitungen und Entsalzungsanlagen eingesetzt. Grade 2 genügt für viele korrosive Flanschanwendungen, während Grade 5 dort sinnvoll ist, wo hohe Schraubenlasten oder Druckstufen mehr Festigkeit erfordern.

Ventilkörper und Ventilstangen

Aus Vollmaterial oder Schmiederohlingen bearbeitete Titanventilkomponenten kommen in Chloralkali-Anlagen, Bleichereien und Meerwasserkühlsystemen zum Einsatz, in denen Edelstahl Loch- oder Spaltkorrosion zeigen würde.

Sonderverbinder und Adapter

Instrumentenfittings, Sensorgehäuse und Gewindeadapter sind typische Kleinserienjobs in Titan. Sie kombinieren oft präzise Bohrungen mit Standardgewinden in metrischer oder NPT-Ausführung.

Filter- und Spargerkomponenten

Titan-Endkappen, Sammelrohre und Stützringe für gesinterte Metallfiltersysteme gehören ebenfalls dazu. Diese Teile arbeiten mit porösen Medien zusammen und verlangen kontrollierte Oberflächen auf Dichtflächen für leckagefreie Verbindungen.

Nachbehandlungen nach der Bearbeitung

Bearbeitetes Titan ist bereits korrosionsbeständig, dennoch kommen je nach Anwendung verschiedene Nachbehandlungen zum Einsatz:

• Beizen oder chemische Reinigung: zum Entfernen eingebetteter Eisenverunreinigungen, Bearbeitungsrückstände oder Anlassfarben. Die genaue Chemie sollte auf Werkstoffgüte, Oberflächenziel und Anwendung abgestimmt werden.
• Elektropolieren: trägt eine dünne Oberflächenschicht elektrochemisch ab, reduziert die Rauheit deutlich und erzeugt eine leicht zu reinigende Oberfläche. Häufig für Pharma- und Halbleiteranwendungen.
• Anodisieren (Type II oder Type III): verdickt die Oxidschicht auf etwa 0.5-5 µm, verbessert das Verschleißverhalten und erzeugt Interferenzfarben zur Kennzeichnung oder Optik. Es ist jedoch keine Hartbeschichtung wie bei Aluminium-Harteloxal.
• PVD-Beschichtungen (TiN, TiAlN): für verschleißkritische Komponenten wie Ventilsitze. Sie erzeugen eine harte Funktionsschicht auf dem Titan.

Was auf die Zeichnung gehört

Eine vollständige Spezifikation für CNC-bearbeitete Titanteile sollte Folgendes enthalten:

• Werkstoffgüte und anzuwendende Norm, z. B. Ti Grade 5 nach ASTM B348
• Maßtoleranzen für alle kritischen Merkmale
• Oberflächenanforderungen wie Ra-Werte
• Gewindenorm und Toleranzklasse, z. B. M12x1.75-6H
• Nachbehandlung wie Passivierung, Elektropolieren oder Anodisieren
• Prüfanforderungen wie CMM-Bericht oder 3.1-Werkszeugnis

FILTURE fertigt CNC-bearbeitete Titanteile in Grade 2 und Grade 5 vom Prototyp bis zur Serie. Unser Werk in Baoji betreibt Dreh- und Fräszentren mit Hochdruckkühlung für Titanbearbeitung. Weitere Informationen finden Sie auf unserer Seite für bearbeitete Titanteile oder kontaktieren Sie uns mit Ihrer Zeichnung für ein Angebot.