Die spanende Fertigung ist eine Schlüsseltechnologie moderner Industrien. In Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Energietechnik und dem Automobilbau bildet sie oft den finalen, qualitätsbestimmenden Fertigungsschritt. Neben der Erzeugung der gewünschten Bauteilgeometrie beeinflusst die spanende Bearbeitung maßgeblich die Eigenschaften der Oberfläche und Randzone. Kenngrößen wie Oberflächenrauheit, Eigenspannungen oder Gefüge bestimmen dabei wesentlich das Verschleißverhalten, die Ermüdungsfestigkeit und damit die Lebensdauer von Hochleistungsbauteilen.
Titan: Hochleistungswerkstoff, aber schwer zerspanbar
Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V werden aufgrund ihres Eigenschaftsprofils in vielen modernen Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Dank ihrer hohen spezifischen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität sind sie ideal für Leichtbaustrukturen in Flugzeugtriebwerken, Implantaten oder der Energieerzeugung. Mit ihrem zunehmenden Einsatz steigt auch der Bedarf an effizienten, prozesssicheren Bearbeitungsverfahren.
Die technologischen Vorteile von Titanlegierungen im Einsatz stehen jedoch im Kontrast zu den hohen Herausforderungen bei ihrer Zerspanung. Titan zählt zu den schwer zerspanbaren Werkstoffen. Ursache hierfür ist eine Kombination mehrerer materialphysikalischer Eigenschaften. Zum einen weist Titan eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Im Gegensatz zur Bearbeitung von Stahl wird die Wärme, die bei der Zerspanung von Titan entsteht, nur in geringem Maße in Werkstück und Span abgeführt. Die thermische Belastung am Werkzeug ist daher im Vergleich zur Zerspanung von Stahl deutlich erhöht. Zum anderen weist Titan eine hohe chemische Reaktivität auf, die insbesondere bei erhöhten Temperaturen zum Tragen kommt.
Herausforderung: Oxidation als limitierender Mechanismus
Bei der Zerspanung von Titan unter konventionellen Bedingungen, also in Anwesenheit von Luft, hat der Sauerstoff aus der Umgebungsatmosphäre gleich mehrere Nachteile. Einerseits führen die hohen Temperaturen in der Kontaktzone in Kombination mit dem Sauerstoff zu oxidationsinduziertem Verschleiß, wodurch die Werkzeugstandzeit signifikant reduziert wird. Andererseits reagiert das Titan selbst mit dem Sauerstoff. An der Oberfläche des Werkstücks sowie an den Spänen bildet sich eine passivierende Schicht aus Titanoxiden, wie beispielsweise TiO2. Die Oxidation verschlechtert jedoch die Qualität der Titanspäne, da sie ihre stoffliche Wiederverwertbarkeit erschwert. Dies schränkt die Ressourceneffizienz des Fertigungsprozesses ein.
Genau an diesen Problemstellungen setzen die Wissenschaftler*innen des IFW an. Sie untersuchen den Einfluss der Atmosphäre auf die lokalen Kontakt- und Reibbedingungen beim Drehen sowie die Veränderungen von Spanbildung, Oberflächenentstehung und Verschleißmechanismen unter sauerstofffreien Bedingungen.
Experiment: Drehversuche in sauerstofffreier Prozessatmosphäre
Um dies zu untersuchen, wurde am IFW eigens ein experimenteller Versuchsaufbau entwickelt. Hierbei handelt es sich um eine geschlossene Prozesskammer, die in eine Vertikaldrehmaschine vom Typ Gildemeister CTV 400 integriert wurde. Mit Hilfe eines zweistufigen Spülvorgangs wird die Umgebungsluft und damit der Sauerstoff aus dem Versuchsaufbau entfernt. Dazu wird die Prozesskammer in einem ersten Schritt mit dem Schutzgas Argon befüllt. Anschließend werden geringe Mengen des reaktiven Gases Monosilan (SiH4) hinzugegeben, das mit dem verbleibenden Sauerstoff zu Siliziumdioxid und Wasserstoff reagiert. Die so erzeugte Prozessatmosphäre weist einen extrem niedrigen Sauerstoffpartialdruck von weniger als 10-23 mbar auf und liegt somit auf dem Niveau eines extrem hohen Vakuums (XHV). Aufgrund des geringen Sauerstoffgehalts können Oxidationsprozesse während der Drehversuche vollständig ausgeschlossen werden.
Die Integration einer Hochgeschwindigkeitskamera und einer Kraftmessvorrichtung in den Versuchsstand ermöglicht darüber hinaus die Durchführung von In-Situ-Untersuchungen. Dadurch können sowohl die Spanbildung als auch die Oberflächenentstehung analysiert und mit den wirkenden Prozesskräften verknüpft werden. Durch den Vergleich verschiedener Prozessatmosphären kann so der Einfluss einer sauerstofffreien Prozessatmosphäre ermittelt werden.
Erkenntnis: verbesserte Standzeit, veränderte Randzone
Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass die Reduzierung des Sauerstoffgehalts und damit die Unterdrückung der Oxidation einen signifikanten Einfluss auf die Zerspanung von Titan besitzt. Ein deutlicher Effekt zeigt sich beim Verschleiß von Hartmetallwerkzeugen. Unter sauerstofffreien Bedingungen resultiert eine signifikante Reduktion des Oxidationsverschleißes. Dies führt zu einer Steigerung der Werkzeugstandzeit um bis zu 170 % im Vergleich zu dem Zerspanprozess unter Umgebungsluft.
Auch die entstandenen Späne zeigen deutliche Veränderungen. Bei der Zerspanung von Titanlegierungen tritt typischerweise eine stark segmentierte Scherspanbildung auf, die eine zyklische, thermomechanische Wechsellast am Werkzeug induziert. Durch die sauerstofffreie Zerspanung resultiert hingegen eine deutlich homogenere Spanbildung. Zudem unterscheiden sich die chemischen Zusammensetzungen der in Luft und in sauerstofffreier Atmosphäre erzeugten Späne. Analysen zeigen, dass Späne, die in einer sauerstofffreien Prozessatmosphäre erzeugt wurden, einen deutlich niedrigeren Sauerstoffgehalt aufweisen als Späne, die unter Umgebungsluft entstanden sind. Dieses Ergebnis hat eine besondere ressourcentechnische Relevanz, da Titan mit einem geringeren Sauerstoffgehalt ein höheres Potential für die stoffliche Wiederverwertung aufweist.
Aufgrund der sich ändernden thermomechanischen Belastungszustände wurde darüber hinaus ein Einfluss der Atmosphäre auf die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften der Titanwerkstücke nachgewiesen. Im Vergleich zu einem Drehprozess unter Umgebungsluft trägt eine sauerstofffreie Prozessatmosphäre bei geringen Schnittgeschwindigkeiten dazu bei, die Oberflächenrauheit zu reduzieren und die Druckeigenspannungen innerhalb der Randzone zu erhöhen. Dies deutet darauf hin, dass die Prozessatmosphäre während der Zerspanung auch einen Einfluss auf die Dauerfestigkeit des Endprodukts besitzt. Um die genauen Auswirkungen der sauerstofffreien Fertigung auf die Lebensdauer zyklisch belasteter Bauteile zu quantifizieren, laufen derzeit experimentelle Untersuchungen mittels Umlaufbiegeprüfung.
Langfristige Perspektive: kontrollierte Oxidationsprozesse
Die am IFW gewonnenen Erkenntnisse schaffen die wissenschaftliche Grundlage für eine neue Generation von Hochleistungszerspanprozessen auf Basis von kontrollierten Atmosphären. Langfristig ist geplant, die Prozessatmosphäre und damit die Sauerstoffkonzentration als zusätzlichen Stellparameter in industrielle Bearbeitungsstrategien zu integrieren. Das Ziel ist es somit, die Oxidationsprozesse zu kontrollieren, um den Werkzeugverschleiß zu reduzieren, die Recycelbarkeit von Titan zu steigern und die Leistungsfähigkeit der Bauteile zu erhöhen.
Die Forschungsarbeit des SFB 1368 ist darauf ausgerichtet, die ökonomischen wie auch ökologischen Potenziale sauerstofffreier Produktionsprozesse für weite Teile der Industrie zugänglich zu machen. Zukünftig haben sich die Wissenschaftler*innen am IFW deshalb zum Ziel gesetzt, ein werkstoff- und prozessübergreifendes Verständnis der sauerstofffreien Zerspanung zu erlangen. Aus diesem Grund erfolgen Untersuchungen bei der Zerspanung weiterer Werkstoffe wie Stahl sowie bei unterschiedlichen Eingriffsbedingungen. Dabei ist dieses Forschungsvorhaben eingebettet in fachrichtungsübergreifende Kooperationen mit weiteren am SFB 1368 beteiligten Instituten der Leibniz Universität Hannover, des Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), der TU Clausthal sowie der Universität Paderborn.
