Warum Verpackungskomponenten aus Titan ihre eigenen Formregeln benötigen
Titanverpackungen umfassen dünnwandige Behälter, Auskleidungen, Schalen, Verschlüsse und Schutzhüllen aus handelsüblich reinem Titanblech, meist der Güteklasse 1 oder 2, geliefert nach ASTM B265. Das Metall wird wegen seiner Dichte von etwa 4,51 g/cm3 ausgewählt, wegen seiner Beständigkeit gegen Chloride, Meerwasser und vielen organischen Medien und wegen der Tatsache, dass es gegenüber dem darin enthaltenen Produkt chemisch inert bleibt, was in Verpackungslinien für Lebensmittel, Pharmazeutika und hochreine Chemikalien von entscheidender Bedeutung ist.
Diese Vorteile gehen mit einer Formierungsstrafe einher. Der Elastizitätsmodul von kommerziell reinem Titan beträgt etwa 100 bis 110 GPa, etwa die Hälfte des von Kohlenstoffstahl, während ASTM B265 eine Mindeststreckgrenze von 275 MPa für Blech der Güteklasse 2 und 828 MPa für Blech der Güteklasse 5 erfordert. Ein niedriger Modul kombiniert mit einer hohen Streckgrenze ist das klassische Rezept für Rückfederung, und Rückfederung ist die Hauptursache für die meisten Dimensionsprobleme bei der Herstellung von Titanverpackungen. Titan härtet auch schnell aus, sodass ein Teil, das sich beim ersten Durchgang sauber bildet, bei einem erneuten Schlag reißen kann, wenn die Werkzeugkonstruktion und das Glühen zwischen den Durchgängen nicht gemeinsam geplant sind.
Rückfederungsverhalten beim Biegen und Umformen
Unter Rückfederung versteht man die elastische Erholung nach der Entlastung. Die maßgeblichen Regeln sind in der Blechpraxis gut etabliert und verhalten sich bei Titan aggressiver als bei Stahl oder Aluminium.
Die Rückfederung steigt mit steigender Streckgrenze und sinkt mit steigendem Elastizitätsmodul, weshalb sich Titan bei gleichem Radius und gleicher Dicke weitaus stärker erholt als Weichstahl.
Die Rückfederung nimmt zu, wenn das Verhältnis von Biegeradius zu Dicke zunimmt, und nimmt ab, wenn die tatsächlich durch die Abschnittsdicke ausgeübte Spannung zunimmt.
Beim freien Biegen ohne Aufsetzen erholt sich viel mehr als beim Biegen, bei dem das Material gegen einen Gesenkradius gedrückt wird. Progressives mehrstufiges Biegen reduziert auch den Effekt im Vergleich zu einem einzelnen unidirektionalen Schlag.
Kaltverformtes Material federt stärker zurück als geglühtes Material, daher müssen Härteschwankungen zwischen Chargen derselben Sorte verfolgt und aufgezeichnet werden.
Die Rückfederung nimmt mit steigender Werkstücktemperatur ab, was die Warmumformung zu einem legitimen Weg macht, wenn ein enger Radius unvermeidbar ist.
Der Ausgleich wird normalerweise durch Überbiegen, durch Anpassen des Gesenkradius oder durch beides erreicht, wobei der genaue Betrag in Testläufen für die spezifische Sorte und Blechdicke ermittelt wird. Da die Erholung proportional zum erreichten Spannungsniveau ist, ist es am günstigsten, den Biegeradius großzügig zu halten. Extrem scharfe Radien erzwingen eine hohe Zugspannung in der Außenfaser und begünstigen Rissbildung und Rückfederung. Wenn ein enger Radius nicht vermieden werden kann, biegen Sie im geglühten Zustand und glühen Sie zwischen den Umformvorgängen.
| Grad | Mindestzugfestigkeit | Mindeststreckgrenze | Typischer Elastizitätsmodul | Notiz bilden |
| Klasse 1 | 240 MPa | 138 MPa | Ungefähr 102 GPa | Höchste Duktilität, engste Radien |
| Klasse 2 | 345 MPa | 275 MPa | Ungefähr 103 GPa | Allgemeine Verpackungsarbeiten |
| Klasse 5 | 895 MPa | 828 MPa | Ungefähr 114 GPa | Hohe Festigkeit, begrenzte Radien |
| Klasse 9 | 620 MPa | 483 MPa | Ungefähr 100 GPa | Rohre und Druckteile |
Bei den Werten in der Tabelle handelt es sich um die von ASTM B265 geforderten minimalen mechanischen Eigenschaften für Bleche, Platten und Bänder mit typischen Modulwerten für den geglühten Zustand.
Werkzeuge, Schmierung und Prozesskontrolle
Werkzeuge für Titanverpackungen sollten, sofern das Produktionsvolumen dies zulässt, speziell für Titan vorgesehen werden. Durch den Kontakt mit Kohlenstoffstahlwerkzeugen, Stahlbürsten oder Stahlbändern gelangt Eisen an die Oberfläche, und Eisenverunreinigungen in einer Chloridumgebung erzeugen eine lokale galvanische Zelle, die die Korrosionsbeständigkeit zerstört, für die das Material gekauft wurde.
Verwenden Sie Werkzeugradien, gemessen an der tatsächlichen Blechdicke, und überprüfen Sie den ersten Artikel nach jedem Spulenwechsel erneut.
Halten Sie die Matrizenoberflächen poliert und frei von Abrieb. Titan hat einen hohen Reibungskoeffizienten und greift an rauem Werkzeugstahl an.
Wählen Sie Schmierstoffe, die frei von chlorhaltigen Zusätzen sind, da Chloride bei erhöhter Temperatur die Spannungskorrosion beanspruchter Titanteile fördern können.
Kontrollieren Sie die Verformung pro Durchgang und halten Sie die Gesamtspannung innerhalb des Bereichs, den ein Glühen zwischen den Durchgängen abbauen kann. Titan härtet schneller aus als die rostfreien Sorten, die es häufig ersetzt.
Notieren Sie die Ofensollwerte für die Spannungsentlastung getrennt vom Glühen, da Verpackungsteile normalerweise dünn sind und schnell die Temperatur erreichen.
Schneiden und Bearbeiten von Titan, ohne das Teil zu beschädigen
Das Schneiden und Bearbeiten von Titan unterscheidet sich vom Schneiden von Stahl durch physikalische Eigenschaften und nicht durch die Wahl des Werkzeugs.
Die Wärmeleitfähigkeit von handelsüblichem reinem Titan ist gering und liegt in der Größenordnung von 16 bis 22 W/(mK), sodass Reibungswärme nicht vom Chip abgeführt wird. Die Hitze konzentriert sich an der Schneidkante und auf der Spanfläche, was den Freiflächenverschleiß beschleunigt und zu Kantenverbrennungen führt.
Der Reibungskoeffizient gegenüber Werkzeugmaterialien ist hoch, daher sind sowohl der Schnittdruck als auch die Fressneigung hoch; Scharfe, richtig geschliffene Kanten mit positivem Spanwinkel sind unerlässlich.
Da der Elastizitätsmodul niedrig ist, biegen sich schlanke Teile vom Werkzeug weg. Für dünnwandige Verpackungskörper und lange dünne Abschnitte sind vibrationsdämpfende Halterungen, Reitstöcke oder Dämpfungsrahmen erforderlich.
Zu leichte Vorschübe führen dazu, dass die Kante reibt statt schneidet, und feine, ungebrochene Titanspäne können sich entzünden; Der Vorschub sollte großzügig genug sein, um einen kontinuierlichen Span zu erzeugen, mit moderaten Geschwindigkeiten, um die Kantentemperatur unter Kontrolle zu halten.
Bevorzugt wird eine Flutkühlung mit einem mit Chlorid-freiem Wasser-mischbaren oder reinen Öl. Die Trockenbearbeitung dünner Abschnitte ist möglich, erfordert jedoch ein strenges Spanmanagement.
Im Metall vorhandene Oxide, Nitride und Karbide machen die Oberfläche abrasiv, sodass der Werkzeugwechsel eher vom Verschleiß als von der Anzahl der produzierten Teile abhängt.
Die gesammelten Geldstrafen sind brennbar. Lagern Sie Späne in abgedeckten Metallbehältern, halten Sie sie getrennt von anderen Metallen und lassen Sie keine Zündquellen in die Nähe von trockenem Bearbeitungsstaub.
Oberflächenschutz, Reinigung und Verpackung
Fertige Verpackungsteile müssen sauber, trocken und unbelastet die Abfülllinie erreichen. Durch das Beizen in einem Salpeter- und Flusssäurebad werden Walzzunder und eingelagertes Eisen entfernt. Anschließend erfolgt eine gründliche Spülung in demineralisiertem Wasser. Strahlmittel müssen eisenfrei sein und dürfen niemals mit Stahlarbeiten in Berührung kommen. Die Handschuhe sollten bei der endgültigen Handhabung sauber sein und keine Spuren hinterlassen, da sich Fingerabdrücke und Chloridrückstände nach der Montage nur schwer entfernen lassen.
Die Verpackungspraxis folgt derselben Logik. Zwischenlage mit neutralem Papier oder Polyethylenfolie anstelle von Polyvinylchlorid, das Chloride freisetzen kann. Verwenden Sie für den Seetransport trockene, wärmebehandelte Paletten und fügen Sie Trockenmittel hinzu. Schützen Sie Kanten mit nichtmetallischen Eckenschützern und halten Sie Stahlbänder, Heftklammern und verzinkte Verbindungselemente von direktem Kontakt mit der Titanoberfläche fern. Jede Charge sollte anhand eines Prüfzertifikats gemäß EN 10204 3.1 freigegeben werden, wobei die Chemie anhand der ASTM B265-Grenzwerte für die bestellte Sorte überprüft werden muss. Für Klasse 2 bedeutet das maximal 0,30 Prozent Eisen, maximal 0,25 Prozent Sauerstoff, maximal 0,03 Prozent Stickstoff, maximal 0,08 Prozent Kohlenstoff und maximal 0,015 Prozent Wasserstoff.
Häufig gestellte Fragen
F: Warum federt Titan stärker zurück als Edelstahl?
Titan hat einen niedrigeren Elastizitätsmodul von etwa 100 bis 110 GPa gegenüber etwa 190 GPa für rostfreien Stahl und eine hohe Streckgrenze, sodass der elastische Teil der Verformung einen größeren Anteil an der Gesamtmenge ausmacht.
F: Welche Qualität eignet sich am besten für eine geformte Verpackungshülle aus Titan?
Handelsüblich sind reine Bleche der Güteklasse 1 oder 2 gemäß ASTM B265 die übliche Antwort, da sie die höchste Duktilität bieten und sich bei Raumtemperatur mit großzügigen Radien formen lassen. Güteklasse 5 ist festigkeitsorientierten Teilen vorbehalten und erfordert eine Warmumformung oder mehrere Arbeitsgänge.
F: Wie wird die Rückfederung in der Produktion kompensiert?
Durch Überbiegen, durch Verwendung eines kleineren Gesenkradius als dem Ziehradius oder durch eine Kombination aus beidem, wobei die Korrektur an Erstmustern für jede Sorte und Dicke gemessen und nicht geschätzt wird.
F: Warum ist chlorhaltiges Kühlmittel ein Problem bei der Bearbeitung von Titan?
Chloridhaltige Flüssigkeiten können Rückstände hinterlassen, die bei erhöhter Temperatur die Spannungsrisskorrosion von beanspruchtem Titan begünstigen. Daher sind für die Nassbearbeitung chloridfreie Kühlmittel vorgeschrieben.
F: Können Verpackungsteile aus Titan nach dem Formen geschweißt werden?
Ja. Es werden sowohl WIG-Schweißen in einer inerten Atmosphäre als auch Elektronenstrahlschweißen verwendet, und der Verbindungsbereich muss vor dem Schweißen von Eisenverunreinigungen und Oxiden gereinigt werden. Eine Spannungsentlastung nach dem Schweißen verhindert ein Verziehen dünnwandiger Abschnitte.
F: Was verursacht eine Eisenverunreinigung und wie wird sie erkannt?
Eisen stammt aus Stahlwerkzeugen, Bürsten, Gestellen und Umreifungsbändern. Es zeigt sich als rostfarbene Verfärbung nach dem Beizen oder als positives Ergebnis bei einem Ferroxyltest auf der fertigen Oberfläche.
