Reintitan und Ti-6Al-4V unterscheiden sich in ihrer Mikrostruktur: Reintitan ist ein einphasiges Alpha-Material mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit und Schweißbarkeit, aber mäßiger Festigkeit. Ti-6Al-4V hingegen ist eine Alpha-Beta-Legierung, die eine etwa 2.5- bis 3-fach höhere Zugfestigkeit und eine überlegene Dauerfestigkeit aufweist. Die richtige Wahl hängt von Ihren wichtigsten Anforderungen ab, nicht davon, welches Metall „stärker“ oder „besser“ ist.
Marcus musste das auf die harte Tour lernen. Er ist Konstruktionsingenieur in einem Chemieunternehmen, und sein Team spezifizierte einen neuen Wärmetauscher für eine Nasschlorierungsanlage. Der erste Gedanke war, die Premium-Legierung Ti-6Al-4V zu wählen, da man allgemein annimmt, dass die robustere Variante automatisch die bessere ist.
Die Berechnungen ergaben, dass Reintitan der Güteklasse 2 den Auslegungsdruck mit einer geringfügigen Erhöhung der Wandstärke erfüllte, die Materialkosten um etwa 20 % senkte und einen deutlich größeren Schweißspielraum eröffnete. Zwei Jahre später läuft der Wärmetauscher immer noch ohne einen einzigen Rohrausfall.
Dieser Leitfaden erklärt, was „handelsrein“ und „Ti-6Al-4V“ auf atomarer Ebene bedeuten, warum diese Bezeichnungen Aufschluss über Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitungsverhalten geben und wie man die richtige Wahl trifft. Wenn Sie sich zunächst einen umfassenderen Überblick über die verschiedenen Titansorten verschaffen möchten, bietet unser Vergleich von Titan der Güteklasse 2 und 5 alle relevanten Informationen.
Wichtige Erkenntnisse
- Reines Titan ist unlegiert (>99% Ti) und besitzt eine einphasige Alpha-Mikrostruktur; Ti-6Al-4V enthält zusätzlich 6% Aluminium und 4% Vanadium, um eine Alpha-Beta-Legierung zu bilden.
- Ti-6Al-4V bietet eine Zugfestigkeit von etwa 895-1,000 MPa gegenüber 345 MPa bei CP Grade 2, also etwa 2.5- bis 3-mal höher, sowie eine überlegene Dauerfestigkeit.
- CP-Titan punktet mit Korrosionsbeständigkeit gegenüber Meerwasser und feuchtem Chlor, Formbarkeit, Schweißbarkeit und Kosten; es ist außerdem die einzige Titanfamilie, die nicht wärmebehandelt werden kann.
- Beide Metalle haben eine nahezu identische Dichte (~4.5 g/cm3), daher spart Ti-6Al-4V Gewicht durch die Möglichkeit dünnerer Querschnitte, nicht durch ein geringeres Gewicht pro Volumen.
- Benötigen Sie Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit oder Schweißbarkeit? Dann wählen Sie CP-Titan. Benötigen Sie Festigkeit, Dauerfestigkeit oder Tragfähigkeit? Dann wählen Sie Ti-6Al-4V.
Was bedeutet „kommerziell reines“ Titan?
Reines Titan (CP-Titan) ist unlegiertes Titan. Es besteht zu über 99 % aus Titan und enthält nur geringe Mengen an interstitiellen Verunreinigungen wie Sauerstoff, Eisen, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Die Bezeichnung kann Käufer verwirren, da „reines Titan“ nicht ein einzelnes Produkt bezeichnet. Vielmehr beschreibt sie eine Gruppe von vier Reinheitsgraden (1 bis 4), die sich hauptsächlich im Sauerstoff- und Eisengehalt unterscheiden.
Sauerstoff ist der Hebel, der die Eigenschaften bestimmt. Jede zusätzliche Sauerstoffmenge verstärkt das Metall durch Mischkristallverfestigung, verringert aber die Duktilität. Deshalb ist Güteklasse 1 die weichste und am besten umformbare, während Güteklasse 4 die festeste der CP-Güten ist.
| Klasse | UNS | Maximaler Sauerstoff | Zugfestigkeit | Streckgrenze | Bruchdehnung |
|---|---|---|---|---|---|
| Grade 1 | R50250 | 0.18% | 240 MPa | 170 MPa | 24% |
| Grade 2 | R50400 | 0.25% | 345 MPa | 275 MPa | 20% |
| Grade 3 | R50550 | 0.35% | 450 MPa | 380 MPa | 18% |
| Grade 4 | R50700 | 0.40% | 550 MPa | 483 MPa | 15% |
Titan Grad 2 ist der Standard in dieser Gruppe und diejenige Reintitan-Sorte, die die meisten Ingenieure meinen, wenn sie von „kommerziell reinem Titan“ sprechen. Es bietet ein besseres Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit und Kosten als jede andere Reintitan-Sorte. Gängige Spezifikationen sind ASTM B265 für Bleche und Platten, ASTM B348 für Stangen und ASTM F67 für chirurgische Implantate. Unser Titan-Leitfaden Grad 2 behandelt diese wichtige Reintitan-Sorte ausführlich.
Alle CP-Sorten weisen ein einphasiges Alpha-Gefüge auf. Diese Einphasigkeit und das Fehlen von Legierungselementen bestimmen den Großteil des nachfolgend beschriebenen Verhaltens.
Was ist Ti-6Al-4V?
Ti-6Al-4V ist die weltweit am häufigsten verwendete Titanlegierung und macht über die Hälfte der gesamten Titanproduktion aus. Die Bezeichnung selbst ist eine chemische Zusammensetzung: etwa 90 % Titan, 6 % Aluminium und 4 % Vanadium. Im Gütesystem entspricht sie der Güteklasse 5 mit der UNS-Bezeichnung R56400.
Die beiden Legierungszusätze sind nicht zufällig gewählt. Aluminium stabilisiert die α-Phase und erhöht so Festigkeit und Kriechfestigkeit. Vanadium stabilisiert die β-Phase, verbessert die Warmumformbarkeit und ermöglicht die Wärmebehandlung. Zusammen ergeben sie eine α-β-Legierung mit einem außergewöhnlichen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und exzellenter Dauerfestigkeit. Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Turbinenschaufeln, Hochleistungsbefestigungselemente und tragende medizinische Implantate setzen auf diese Kombination.
Gängige Spezifikationen umfassen ASTM B265 (Bleche und Platten), ASTM B348 (Stangen), AMS 4911 (Luft- und Raumfahrtblech), AMS 4928 (Luft- und Raumfahrtstange) und ASTM F136 für die medizinische ELI-Variante. Eine ausführliche Beschreibung der Legierung finden Sie in unserem Leitfaden zu Titan Grad 5.
Die Metallurgie: Alpha- vs. Alpha-Beta-Mikrostruktur
Der wichtigste Unterschied zwischen diesen beiden Materialien ist struktureller, nicht chemischer Natur. Titan kann je nach Temperatur in zwei Kristallformen vorliegen, und ob ein Material bei Raumtemperatur eine oder zwei Formen aufweist, hat Auswirkungen auf alle nachfolgenden Prozesse.
Die Alpha-Phase
Unterhalb seiner Beta-Transustemperatur von etwa 882 °C nimmt Titan eine hexagonal dichteste Kugelpackung (hdp) an, die als α-Phase bezeichnet wird. hdp-Kristalle besitzen weniger aktive Gleitsysteme als andere Strukturen, was sie zwar fest macht, aber ihre Verformbarkeit einschränkt. Reines Titan (CP) behält diese α-Phase bei Raumtemperatur bei, da es keine Legierungselemente enthält, die das Phasengleichgewicht verändern könnten.
Diese einphasige Struktur ist der Grund, warum Reintitan nicht wärmebehandelbar ist. Da nur eine Phase vorliegt, kann sich keine zweite Phase umwandeln oder ausscheiden, sodass eine Wärmebehandlung keine Festigkeitssteigerung bewirken kann. Seine Festigkeit wird durch den Gehalt an interstitiellen Elementen, hauptsächlich Sauerstoff, bestimmt.
Die Beta-Phase
Oberhalb der Beta-Transustemperatur wandelt sich Titan in eine kubisch-raumzentrierte (krz) Struktur um, die als Beta-Phase bezeichnet wird. Krz-Kristalle weisen mehr aktive Gleitebenen auf, wodurch sie bei hohen Temperaturen duktiler und besser umformbar sind. Diese allotrope Umwandlung von der Alpha- zur Beta-Phase und zurück bildet die Grundlage für die Entwicklung aller Titanlegierungen.
Warum Legieren die Struktur verändert
Ti-6Al-4V ist so konzipiert, dass beide Phasen bei Raumtemperatur stabil bleiben. Aluminium stabilisiert die α-Phase und erweitert somit den Temperaturbereich, in dem α stabil ist. Vanadium stabilisiert die β-Phase und senkt deren Temperatur auf Raumtemperatur ab. Das Ergebnis ist ein zweiphasiges α-β-Gefüge, das die Festigkeit der α-Phase mit der Duktilität und Zähigkeit der β-Phase vereint.
Dies ist auch der Grund, warum Ti-6Al-4V wärmebehandelbar ist, Reintitan hingegen nicht. Da beide Phasen vorhanden sind, kann durch Lösungsglühen und Auslagern (STA) das Mikrogefüge gezielt eingestellt und die Zugfestigkeit auf über 1,100 MPa gesteigert werden. Diese Möglichkeit besteht bei einem einphasigen Werkstoff nicht.
Die praktischen Konsequenzen
Hier der entscheidende Punkt in Kürze: Die gleiche Mikrostruktur, die Ti-6Al-4V so fest macht, erschwert gleichzeitig das Schweißen, Umformen und Bearbeiten, während die Einphasenreinheit von Reintitan, die die Bearbeitung erleichtert, auch seine Festigkeit begrenzt. Keine der beiden Eigenschaften ist generell besser. Sie sind unterschiedliche Werkzeuge für unterschiedliche Anwendungen.
Wie Aluminium und Vanadium Festigkeit, Ermüdung und Temperatur beeinflussen
Stabilität
Aluminium- und Vanadiumatome sind kleiner als Titanatome. Wenn sie sich in das Titangitter einlagern, verzerren sie dieses und erzeugen so Hindernisse, die das Gleiten der Atomlagen aneinander erheblich erschweren. Dies ist die sogenannte Mischkristallverfestigung.
Dies ist auch der Grund, warum Ti-6Al-4V im geglühten Zustand eine Zugfestigkeit von etwa 895-1,000 MPa und eine Streckgrenze von 828-930 MPa erreicht, im Vergleich zu 345 MPa Zugfestigkeit und 275 MPa Streckgrenze für CP Grade 2.
Geglühtes Ti-6Al-4V ist etwa 2.5- bis 3-mal fester als Titan der Güteklasse 2, und durch Wärmebehandlung lässt sich die Festigkeit weiter steigern. Reintitan (CP) kann auf diese Weise nicht gehärtet werden.
Ermüden
Die Ermüdungsbeständigkeit ist die größte Stärke von Ti-6Al-4V. In einer Studie zu Zahnimplantaten von Hirata et al., veröffentlicht im International Journal of Oral and Maxillofacial Implants, überstanden Implantate der Güteklasse 5 in 98 % der Fälle 100,000 Zyklen bei 150 N, während Implantate der Güteklasse 2 nur in 45 % der Fälle überlebten ( Hirata et al., 2015 ). Für alle Bauteile, die wiederholter Belastung ausgesetzt sind – wie Federn, Rahmen oder Pumpenkomponenten – ist Ti-6Al-4V die zuverlässige Wahl.
Temperaturbeständigkeit
Ti-6Al-4V behält seine Festigkeit bis etwa 400–500 °C und wird daher in Gasturbinen und für Hochtemperatur-Befestigungselemente eingesetzt. Die Festigkeit von Reintitan nimmt deutlich früher ab, wodurch die Dauerbelastung typischerweise auf etwa 300 °C begrenzt ist. Bei hohen Temperaturen im Bauteil kann dies allein schon ein Ausschlusskriterium für Reintitan sein.
Schnellvergleichstabelle
| Eigenschaft | CP Titan (Klasse 2) | Ti-6Al-4V (Klasse 5) |
|---|---|---|
| Legierungstyp | Handelsrein (alpha) | Alpha-Beta-Legierung |
| UNS-Bezeichnung | R50400 | R56400 |
| Signaldichte | ~4.51 g/cm3 | ~4.43 g/cm3 |
| Zugfestigkeit | 345 MPa min | 895 MPa min |
| Streckgrenze | 275 MPa min | 828 MPa min |
| Bruchdehnung | ~ 20% | ~10–14 % |
| Härte | ~200 HV | ~349 HV |
| Elastizitätsmodul | ~103 GPa | ~114 GPa |
| Wärmeleitfähigkeit | ~16-22 W/m·K | ~6.5-7.2 W/m·K |
| Wärmebehandelbar | Nein | Ja (STA bis >1,100 MPa) |
| Meerwasserkorrosionsrate | ~0.0005 mm/Jahr | Etwas höher |
Sie sind sich nicht sicher, welche Güteklasse für Ihre Betriebsbedingungen geeignet ist? Unser technisches Beratungsteam arbeitet mit Ingenieuren zusammen, um die passenden Materialien für die realen Einsatzumgebungen zu finden.
Korrosionsbeständigkeit: Wenn die „reine“ Sorte gewinnt
Beide Werkstoffe verdanken ihre Korrosionsbeständigkeit einem dünnen, selbstheilenden Passivfilm aus Titandioxid (TiO₂). In den meisten Umgebungen zeigen beide hervorragende Leistungen. Die praktischen Unterschiede treten erst unter extremen Bedingungen zutage.
CP-Titan gilt allgemein als korrosionsbeständiger, insbesondere in Meerwasser, feuchtem Chlor und oxidierenden Säuren. Seine Korrosionsrate in natürlichem Meerwasser liegt bei etwa 0.0005 mm/Jahr und ist damit praktisch vernachlässigbar. Es ist vollständig beständig gegen Chloridspannungsrisskorrosion. Da es kein Aluminium oder Vanadium enthält, gibt es keine Legierungselemente, die als Schwachstellen für lokale Korrosion wirken könnten.
Ti-6Al-4V ist unter den meisten Einsatzbedingungen ebenfalls hervorragend, jedoch können seine Legierungselemente bei stark oxidierenden und chlorhaltigen Umgebungen mit hohen Temperaturen einen kleinen Nachteil darstellen, da die Mehrphasenstruktur mikrogalvanische Effekte und selektiven Korrosionsangriff begünstigen kann. Zudem ist bei Verbindungen mit ungleichen Metallen eine galvanische Trennung erforderlich. Für einen detaillierteren Vergleich erläutert unser Korrosionsleitfaden Titan vs. Edelstahl das Korrosionsverhalten von Titan im Vergleich zu Edelstahlalternativen.
Wenn Korrosionsbeständigkeit die primäre Konstruktionsvorgabe ist und die Belastungen moderat sind, ist CP-Titan in der Regel die sicherere und wirtschaftlichere Wahl.
Fertigung, Schweißen und Bearbeitung
Schweiß-
CP-Titan ist einfach zu schweißen. Standard-WIG/GTAW-Schweißen mit Argon-Schutzgas erzeugt einwandfreie Verbindungen, deren Duktilität nahezu dem Grundwerkstoff entspricht. Das Schweißfenster ist groß, und die Nachbehandlung ist minimal. Dies ist einer der Gründe, warum CP-Titan in korrosiven Umgebungen für Rohrleitungen und Schläuche so weit verbreitet ist.
Ti-6Al-4V lässt sich ebenfalls gut schweißen, erfordert aber viel Sorgfalt. Titan reagiert bei Schweißtemperatur stark mit Sauerstoff und Stickstoff, weshalb für eine saubere Schweißnaht Schutzgase und Schutzgase benötigt werden. Verunreinigungen führen zu Versprödung und Rissbildung, wodurch das Schweißen nach Güteklasse 5 einen der größten versteckten Kostenfaktoren in der Fertigung darstellt.
Bildung
CP-Titan zeichnet sich durch hervorragende Kaltumformbarkeit aus und lässt sich, vergleichbar mit austenitischem Edelstahl, ohne Rissbildung biegen. Güteklasse 1 ist am einfachsten zu biegen, Güteklasse 2 eignet sich gut für Tiefziehen, Hydroforming und Rohrbiegen. Ti-6Al-4V ist nur bedingt kaltumformbar und wird typischerweise bei 700–950 °C warmumgeformt, wobei eine stärkere Rückfederung zu berücksichtigen ist.
Tom, der eine kleine Fertigungswerkstatt betreibt, musste diesen Unterschied auf die harte Tour lernen. Er hatte eine Charge geformter Halterungen kalkuliert und dabei angenommen, dass sich beide Werkstoffgüten in seiner Abkantpresse gleich verhalten würden. Die Teile aus Werkstoffgüte 2 waren auf Anhieb sauber. Die Teile aus Ti-6Al-4V rissen am Außenradius, sodass er die Werkzeuge überarbeiten und auf Warmumformung umsteigen musste. Das verlängerte die Produktionszeit um zwei Wochen und verdoppelte die Kosten.
Maschinenbearbeitung
CP Grade 2 ist die am besten zerspanbare und wirtschaftlichste Titansorte. Sie lässt sich deutlich schneller bearbeiten als die Legierungen, was die Zykluszeit verkürzt und die Stückkosten senkt. Ti-6Al-4V neigt zu starker Kaltverfestigung, führt zu schnellerem Werkzeugverschleiß und leitet Wärme schlecht, wodurch sich die Wärme an der Schneidkante konzentriert.
Wer die Bearbeitung von Ti-6Al-4V kalkuliert, sollte mit geringeren Schnittgeschwindigkeiten, härteren Werkzeugen und mehr Kühlmittel rechnen. Unsere kundenspezifischen Bearbeitungsmöglichkeiten umfassen das Schneiden und Fertigen einer Vielzahl von Werkstoffen.
Wie man zwischen CP-Titan und Ti-6Al-4V wählt
Lassen Sie Ihre wichtigste Anforderung zum entscheidenden Faktor werden.
Wählen Sie Reintitan (Grad 2), wenn:
- Korrosionsbeständigkeit hat Priorität, insbesondere gegenüber Meerwasser, feuchtem Chlor oder oxidierenden Säuren.
- Die Teile erfordern intensive Umformung, Tiefziehen oder komplexes Biegen.
- Einfachheit beim Schweißen und ein breites Prozessfenster sind wichtig
- Die Kosten spielen eine Rolle, und die Belastungen sind mäßig.
- Das Bauteil läuft unterhalb von etwa 300°C.
Wählen Sie Ti-6Al-4V (Güteklasse 5), wenn:
- Festigkeit, Dauerfestigkeit oder Tragfähigkeit sind entscheidend
- Das Bauteil ist wiederholter oder zyklischer Belastung ausgesetzt.
- Die Betriebstemperatur übersteigt etwa 300°C.
- Das Gewicht spielt eine Rolle, dünnere Abschnitte sind erforderlich.
- Die Konstruktion ist massensensitiv, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt oder bei Hochleistungsgeräten.
Ein häufiger Konstruktionsfehler ist die standardmäßige Verwendung von Ti-6Al-4V für alle Anwendungen. Dies führt zu einer Überdimensionierung des Materials und verursacht unnötige Kosten. Umgekehrt birgt die Wahl von CP-Titan, wenn strukturelle Festigkeit erforderlich ist, das Risiko vorzeitigen Versagens. Passen Sie die Werkstoffgüte an die wichtigste Anforderung an, und Sie werden in der Regel die richtige Lösung finden.
Bevor Sie sich endgültig entscheiden, sollten Sie noch einen weiteren Aspekt prüfen: Benötigen Sie überhaupt Titan? Bei Anwendungen in der chemischen Verarbeitung oder im maritimen Bereich mit moderaten Belastungen bietet ein molybdänhaltiger Edelstahl wie beispielsweise Edelstahl 316 eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit zu einem Bruchteil der Kosten von Titan. Unser Vergleich zwischen Titan und Edelstahl zeigt Ihnen, wann der höhere Preis gerechtfertigt ist und wann nicht.
Häufig gestellte Fragen
Ist Ti-6Al-4V fester als handelsübliches Reintitan?
Ja. Geglühtes Ti-6Al-4V weist eine Zugfestigkeit von etwa 895-1,000 MPa auf, im Vergleich zu 345 MPa bei CP Grade 2, ist also etwa 2.5- bis 3-mal stärker, mit entsprechend höherer Streckgrenze, Härte und Dauerfestigkeit.
Is commercially pure titanium more korrosionsbeständig than Ti-6Al-4V?
In den meisten aggressiven Umgebungen ja. Das Fehlen von Legierungselementen eliminiert mikrogalvanische Schwachstellen, weshalb CP-Titan in Meerwasser, feuchtem Chlor und oxidierenden Säuren bevorzugt wird.
Was bedeutet „kommerziell reines“ Titan?
Es handelt sich um unlegiertes Titan mit einem Titangehalt von über 99 % und nur geringen Spuren von interstitiellen Verunreinigungen. Die Kategorie umfasst die Güteklassen 1 bis 4, die sich im Sauerstoff- und Eisengehalt und damit in Festigkeit und Duktilität unterscheiden.
Ist Ti-6Al-4V eine Legierung oder reines Titan?
Ti-6Al-4V ist eine Legierung. Sie besteht aus etwa 90 % Titan, 6 % Aluminium und 4 % Vanadium, was ihr eine Alpha-Beta-Mikrostruktur und eine etwa 2.5- bis 3-mal höhere Festigkeit als reinem Titan verleiht.
Kann man Reintitan mit Ti-6Al-4V verschweißen?
Ja, auch ungleichartige Verbindungen sind mit kontrollierten Verfahren möglich. Untersuchungen zum Laser- und Funkenplasmaschweißen haben einwandfreie CP-Ti-6Al-4V-Verbindungen hervorgebracht, wobei die beiden Werkstoffe jedoch unterschiedlich auf thermische Zyklen reagieren, ist die Prozesskontrolle von entscheidender Bedeutung ( Fomin et al. ).
Welches Material eignet sich besser für Implantate: Reintitan oder Ti-6Al-4V?
Für Anwendungen mit geringer Belastung und Knochenkontakt ist Reintitan (CP) die sichere Wahl, da es kein Aluminium und Vanadium enthält. Für belastete orthopädische Implantate ist Ti-6Al-4V ELI (Grad 23 nach ASTM F136) der Standard, da Festigkeit und Dauerfestigkeit hier entscheidend sind. In der Praxis konnte in der Forschung keine eindeutige biologische Überlegenheit eines der beiden Materialien nachgewiesen werden, sofern die Oberflächenbeschaffenheit gleich ist.
Das richtige Material für Ihr Projekt finden
Kurz gesagt: Reintitan und Ti-6Al-4V sind keine konkurrierenden Varianten desselben Produkts. Es handelt sich um zwei grundlegend verschiedene Werkstoffe – ein einphasiges Reinmetall und eine zweiphasige, speziell entwickelte Legierung. Die Bezeichnungen spiegeln die metallurgischen Eigenschaften wider, die ihr Verhalten bestimmen.
Wenn Korrosionsbeständigkeit, Umformbarkeit und Schweißbarkeit im Vordergrund stehen, ist CP-Titan die effiziente Wahl. Sind Festigkeit, Dauerfestigkeit und Temperaturbeständigkeit wichtiger, ist Ti-6Al-4V die bessere Wahl. Und bei moderaten Belastungen und aggressiven Umgebungsbedingungen bietet Edelstahl oft die gewünschte Leistung zu geringeren Kosten.
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Platzhalter für Videoeinbettung: Fügen Sie hier ein entsprechendes technisches Erklärungsvideo zur Mikrostruktur von Titan oder zu den Eigenschaften von Ti-6Al-4V im Vergleich zu Reintitan ein (suchen Sie auf YouTube nach „Ti-6Al-4V vs commercially pure titanium“), und ersetzen Sie anschließend diese Zeile durch die Einbettung.
