Die Anwendung von Titan und seinen Legierungen im Automobilbereich ergibt sich logisch aus ihrer hohen Festigkeit, geringen Dichte, niedrigen Elastizitätsmodul sowie ihrer ausgezeichneten Beständigkeit gegenüber Korrosion und Oxidation. Titan wird hauptsächlich in Bauteilen von Verbrennungsmotoren eingesetzt, wie Ventilen, Ventilfedern, Haltern und Pleuelstangen.
Die Federung ist die wichtigste Anwendung an Fahrzeugkarosserien und Auspuffanlagen, die eine Garantie von 160.000 Kilometern überstehen müssen. Auch Räder, hochfeste Verbindungselemente sowie korrosions- und beschädigungsresistente Unterböden werden derzeit evaluiert.
Die Leistungsfähigkeit von Titan in Automobilanwendungen ist seit vielen Jahren nachgewiesen und umfangreich dokumentiert – Titan funktioniert. Aufgrund der hohen Kosten blieb der Einsatz des Metalls jedoch bislang auf Rennfahrzeuge und einige wenige Spitzenmodelle im Straßenverkehr beschränkt.
Die Titanindustrie hat sich in der Vergangenheit bemüht, die strengen finanziellen und lebenszyklusbezogenen Vorgaben der Automobilbranche zu erfüllen. Der Fokus lag dabei auf drei Bereichen:
Es wurden bedeutende Fortschritte bei der wirtschaftlichen Anwendung von Titan in Fahrzeugen für den Massenmarkt erzielt. Zu den führenden Anwendungen zählen kaltgewickelte Federn aus kostengünstigen Beta-Legierungen sowie Auspuffanlagen aus kommerziell reinem Titan.
Diese beiden Komponentenklassen werden derzeit für die Automobilindustrie aus Titan gefertigt, wobei Prozesse und Werkzeuge zum Einsatz kommen, die ursprünglich für die Stahlverarbeitung entwickelt wurden.
Automobilzulieferer und -hersteller betrachten stets die Gesamtkosten des Systems. Während die Titanindustrie bestrebt ist, kostengünstigere Legierungen zu entwickeln, ist klar, dass allein günstigeres Titan keine Anwendung garantiert – entscheidend ist die wettbewerbsfähige Preisgestaltung des Bauteils.
Daher müssen effiziente, kostengünstige Fertigungsmethoden für Titanbauteile etabliert werden. Im Dialog mit Automobildesignern überwacht die Branche das Kosten-Nutzen-Verhältnis des Titan-Einsatzes und verfolgt sämtliche Entwicklungen im Design und der Produktion, um Kosten und Fertigungsaufwand zu minimieren.
Für Automobilhersteller bleiben Stil und Leistung zentrale Verkaufsargumente. Doch umweltbewusste Kunden mit zunehmend ausgeprägtem sozialen Verantwortungsbewusstsein verlangen nicht nur dies, sondern auch mehr Sicherheit, geringere Geräuschentwicklung, maximale Kraftstoffeffizienz und eine fortlaufende Reduktion schädlicher Emissionen.
Der Druck durch Gesetzgebung, etwa die US Corporate Average Fuel Efficiency (CAFE), verstärkt den Wettbewerb und die steigenden Kundenanforderungen – Design und Materialeinsatz werden dadurch maßgeblich beeinflusst. Mit wachsender Nachfrage nach verbrauchsärmeren und umweltfreundlicheren Fahrzeugen rückt die Erschwinglichkeit in den Hintergrund. Verbesserungen werden verstärkt in Motoren, Fahrwerk und Karosserie integriert.
Steigende Kraftstoffpreise beschleunigen diesen Prozess zusätzlich und ermöglichen höhere Ausgaben für Korrosionsschutz, Gewichtseinsparung und Kraftstoffökonomie.
Tabelle 1. Geschätzte Einsparungen bei den Kraftstoffkosten durch Gewichtsreduzierung bei gefertigten Fahrzeugen.
| Fahrzeugtyp | $/Auto/kg eingespartes Gewicht |
|---|---|
| Großserienproduktion | $2,20 |
| CAFÉ-begrenzt | $4,50–$7,70 |
| Spezial- und Luxusfahrzeuge | $8,50+ |
Titan ist unter den Konstruktionslegierungen einzigartig, da es Festigkeit, Dichte und Elastizitätsmodul vereint und so die “ideale” Feder für nahezu jede Anwendung ermöglicht. Erfolgreiches Federdesign bedeutet, Gewicht und Bauraum zu optimieren. Titanfedern sind kleiner und in der Regel 60–70 % leichter als ihre Pendants aus Stahl. Verschiedene Fahrzeugmodelle weisen beengte Platzverhältnisse auf, die mit Stahlfedern nicht realisierbar wären.
Das Federgewicht bei gegebener Last und Federkonstante ist proportional zum Produkt aus Schubmodul und Dichte der Legierung, geteilt durch das Quadrat der zulässigen Spannung. Aufgrund des niedrigen Schubmoduls, der geringen Dichte und der hohen zulässigen Spannung von Titan wird das Gewicht minimiert.
Gleichzeitig ist die Federweggröße umgekehrt proportional zum Schubmodul und somit bei Titan höher. Folglich werden weniger aktive Windungen benötigt, was eine Reduzierung der freien Höhe (um 50–80 % gegenüber einer vergleichbaren Stahlfeder) ermöglicht, mit zusätzlicher Gewichtseinsparung und einer höheren Eigenfrequenz.
Ventilfedern sind ein attraktiver Einstiegspunkt für Titan in Automobilmotoren des Massenmarkts. Die Möglichkeit, die Gesamthöhe des Motors zu reduzieren, ist insbesondere bei beengten Platzverhältnissen vorteilhaft. In Kombination mit Titanventilen und -haltern sind weitere Einsparungen möglich, da weniger Federkraft benötigt wird, um ein „Ventilflattern“ bei hohen Motordrehzahlen zu verhindern.
Alternativ kann Titan auch eingesetzt werden, ohne das Gewicht zu erhöhen, um die Federkraft zu steigern und so eine schnellere Ventilbewegung und höhere Drehzahlen zu ermöglichen. Der Einsatz niedrigerer Federkräfte mit leichteren Ventilen reduziert die Reibung im Ventiltrieb, die typischerweise etwa 20–25 % der gesamten mechanischen Reibung des Motors ausmacht.
Die Reduktion der Reibung, ohne die Motorleistung zu beeinträchtigen, steigert die Effizienz, senkt den Geräuschpegel und reduziert den Kraftstoffverbrauch.
Die geschätzten Kraftstoffeinsparungen liegen je nach Motortyp zwischen 2 % und 4 %. Größere Verbesserungen sind bei Motoren mit vier Ventilen pro Zylinder möglich, da hier doppelt so viele bewegliche Teile und Gleitflächen einen höheren Anteil der Gesamtreibung verursachen.
Oberflächenbehandlungen zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Titanlegierungen sind entscheidend für den Gesamterfolg im Ventiltrieb. Besonders Abgasventile stellen hohe Anforderungen an Oxidations- und Kriechbeständigkeit bei hohen Betriebstemperaturen.
Titan-Fahrwerksfedern bieten Einsparungspotenziale bei Gewicht und Bauraum. Ein typisches Schraubenfederdesign aus Titan reduziert das Gewicht gegenüber einer Stahlfeder um mehr als 70 % (z. B. von 4,12 kg auf 1,36 kg).
Intensive Testreihen auf und abseits der Straße wurden durchgeführt. Während der Massenmarkt für Privatfahrzeuge das Hauptziel für den breiten Einsatz von Titanfahrwerksfedern ist, bestehen vergleichbare Anwendungsmöglichkeiten im öffentlichen Nahverkehr und im Gütertransport.
Mehr Laderaum, geringeres Gewicht und Kraftstoffeinsparungen ermöglichen eine höhere Nutzlast oder größere Reichweite – und damit höhere Einnahmen. Eine Fallstudie aus den USA an einem Langstrecken-Lkw zeigte eine Gewichtseinsparung von 140 kg durch Titanfedern, bei einer Mehrinvestition von £1000 (US$1316) für den Lkw. Durch die Umwandlung des eingesparten Gewichts in zusätzliche Fracht über 600 Fahrten ergab sich ein Mehrerlös von £8000 (US$10526) und eine jährliche Rendite von 20 %.
Die Korrosionsbeständigkeit von Titanlegierungen verlängert zudem die Lebensdauer der Federn, selbst wenn sie nur gelegentlich unter aggressiven Bedingungen eingesetzt werden. Korrosionsermüdung ist vermutlich die Hauptursache für den Ausfall von Stahlfahrwerksfedern in Kraftfahrzeugen.
Eine Vielzahl von Titanlegierungen eignet sich für die Herstellung von Federn. Gute Ergebnisse wurden mit Ti-6Al-4V und anderen Alpha-Beta-Legierungen erzielt, doch deutlich bessere Resultate liefern hochfeste Beta-Legierungen, die sich leichter zu Draht verarbeiten und kaltverformen lassen.
Die Legierung Ti-4,5Fe-6,8Mo-1,5Al (Timetal LCB) bietet die beste Kombination aus gewünschten Eigenschaften zu einem wirtschaftlichen Preis. Sie wurde speziell für Automobilfedern entwickelt und kann zu etwa 50 % der Kosten herkömmlicher Beta-Legierungen gefertigt werden. Bei ausreichenden Produktionsmengen sollte ihr Preis letztlich das Ziel für eine wirtschaftliche Nutzung in Automobilfedern und anderen Bauteilen erreichen.
Festigkeit, Dichte, Schubmodul und relatives Gewicht dieser Legierung werden in Tabelle 3 mit denen von Stahl ähnlicher Zugfestigkeit verglichen. Diese Tabelle stellt den optimalen Vergleich für Stahl dar, da üblicherweise ein Zuschlag für Korrosionsschutz auf den Durchmesser von Stahlfedern aufgeschlagen wird, was diese noch schwerer und voluminöser macht. Für Titan ist ein solcher Zuschlag nicht erforderlich, noch müssen in der Regel Lackierungen oder andere Schutzbeschichtungen aufgebracht werden.
Tabelle 2. Eigenschaften von Timetal im Vergleich zu Ti-6Al-4V.
| Eigenschaft | Ti-6Al-4V Stab STA | Timetal 10-2-3 | Timetal LCB |
|---|---|---|---|
| Streckgrenze bei RT (N.mm-2) | 1100 | 1200 | 1350 |
| Zugfestigkeit bei RT (N.mm-2) | 1185 | 1275 | 1420 |
| Dehnung (%) | 13 | 9 | 10 |
| Brucheinschnürung (%) | 24 | 21 | 35 |
| Dichte (g.cm-3) | 4,43 | 4,64 | 4,79 |
| Zugmodul (103 N.mm-2) | 112 | 106 | 110 |
| Dauerfestigkeit (N.mm-2) | |||
| RT Glatt (kt=1) | 895 | 950 | 1000 |
| RT Kerb (kt=3) | 240 | 290 | 330 |
Beta-Legierungen bieten Konstrukteuren viele Möglichkeiten, die endgültige Eigenschaftskombination für spezifische Anwendungen auszuwählen. Eine Beratung mit dem Legierungshersteller und dem Federnproduzenten wird hinsichtlich der geeigneten Herstellungs- und Veredelungsverfahren empfohlen.
Tabelle 3. Eigenschaften von Timetal-Federn im Vergleich zu Stahlequivalenten.
| Eigenschaft | Stahl | Timetal LCB |
|---|---|---|
| Zulässige Spannung (N.mm-2) | 1000 | 1000 |
| Schubmodul (103 N.mm-2) | 80 | 43 |
| Dichte (g.cm-3) | 7,82 | 4,78 |
| Relatives Gewicht | 100 | 33 |
Timetal LCB-Federdraht kann warmgewalzt, warmgewalzt und kaltgezogen (normalerweise bis zu 20 % Kaltumformung) oder warmgewalzt und lösungsgeglüht geliefert werden. LCB kann sowohl kalt als auch warm bei 700–760 °C gewickelt werden. Bei Heißwicklung werden die Federn luftgekühlt und anschließend gealtert. Kaltgewickelte Federn können direkt einer Alterung unterzogen werden, typischerweise bei 510–540 °C für bis zu zwei Stunden.
Das Finish von Federn, die nach beiden Methoden hergestellt wurden, umfasst Sandstrahlen und Beizen, gefolgt von Kugelstrahlen mit typischer Intensität von 16–18A.
Die Herstellungsmethoden für LCB-Federn ermöglichen Produktionskosten und -raten, die mit denen von Stahlfedern vergleichbar sind. Es werden Standardanlagen zur Federherstellung aus Stahl, Standard-Trockenschmierstoffe für das Kaltwickeln sowie ähnliche Temperöfen, Temperaturen und Zeiten verwendet.
So können üblicherweise mit der Einführung neuer Werkstoffe und Technologien verbundene Investitionen in neue Anlagen vermieden werden, und Produktionsraten wie bei Stahlfedern sind erreichbar.
In den USA verlangen Umweltbehörden einen garantierten Korrosionsschutz für Auspuffanlagen über 160.000 Kilometer. Titan erfüllt diese Anforderung mühelos und übertrifft damit Edelstahl (409). Ein typischer Schalldämpfer und Endrohr aus 409er Stahl wiegt 10 kg, eine entsprechende Neuentwicklung aus Titan reduziert dieses Gewicht auf 3,2 kg.
Reines Titanblech und -rohr sind die bevorzugten Werkstoffe für Schalldämpfer und Rohrsysteme. Durch die Auswahl der dünnsten Materialstärken, die den technischen und akustischen Anforderungen der Abgasanlage genügen, lassen sich sowohl Gewicht als auch Kosten weiter senken.
Titan ist möglicherweise nicht für das gesamte System geeignet und wird in der Praxis wahrscheinlich auf Komponenten beschränkt bleiben, bei denen die Metalltemperatur nicht dauerhaft 400 °C übersteigt. US-amerikanische Bauteile, die direkt hinter dem Katalysator angebracht sind, bewähren sich weiterhin.
Das Anschweißen von Titanlaschen an die Rohre scheint die effektivste Methode zu sein, um den Auspuff über Gummilager am Fahrgestell zu befestigen; andere Methoden werden derzeit getestet.
Material nach ASTM Grade 2 (z. B. Timetal 50A) bietet das Optimum in Bezug auf Kosten, Verfügbarkeit, Verarbeitbarkeit, Schweißbarkeit und mechanische Eigenschaften. Grade 45A ist etwas weniger fest, dafür aber duktiler als 50A und kann erforderlich sein, wenn im Produktionsprozess umfangreiche Umformungen, wie das Verschließen von Falzen, notwendig sind (Tabelle 4).
Tabelle 4. Eigenschaften von kommerziell reinem Titan Timetal 45A und 50A.
| Qualität | 45A | 50A (ASTM 2) |
|---|---|---|
| Mindeststreckgrenze (N/mm2) | 200 | 275 |
| Mindestzugfestigkeit (N/mm2) | 290 | 345 |
| Mindestdehnung (%) | 23 | 20 |
| Mindestverengung (%) | 40 | 35 |
| Härte (Hv) | 140-170 | 160-200 |
| Zugmodul (103 N/mm2) | 103 | 103 |
| Torsionsmodul (103 N/mm2) | 45 | 45 |
| Dichte (g/cm3) | 4,51 | 4,51 |
| Wärmeausdehnung (10-6 °C) | 8,9 | 8,9 |
| Wärmeleitfähigkeit (W/m·°C) | 21,6 | 21,6 |
| Spezifische Wärme (J/kg·°C) | 519 | 519 |
Beide Legierungen sind vollständig schweißbar, erfordern keine Zwischen- oder Nachwärmebehandlung nach der Umformung und sind als breite Blechcoils verfügbar. Diese Legierungen werden auch zur Herstellung kostengünstiger, kontinuierlich geschweißter Rohre verwendet.
Kommerziell reines Titan lässt sich kaltumformen; Bleche und Rohre können bei Raumtemperatur mit für Stahl geeigneten Verfahren und Maschinen bearbeitet werden. Drei Details sichern eine problemlose Produktion:
Sowohl Falzverbindungen als auch Widerstandsschweißen eignen sich zum Verschließen von Schalldämpfern, und autogenes WIG-Schweißen ist zum Abdichten der Enden und Rohrverbindungen mit nachlaufender Schutzgasabdeckung geeignet. Für das Widerstandsschweißen ist keine Argon-Abschirmung erforderlich.
In den USA hat ein führender Auspuffanlagenhersteller, Arvin, erfolgreich eine Serie von Titan-Schalldämpfern in einem seiner Werke gewalzt und geschweißt. Dies geschah ohne Mehrkosten im Vergleich zur Stahlfertigung. Auch beim Biegen von Titanrohren in Werken, die derzeit Stahlkomponenten produzieren, entstehen keine Zusatzkosten.
Durch das Kaltherdschmelzverfahren kann „Vormaterial“ für die Bandproduktion als Block gegossen und direkt zu Coils gewalzt werden, die anschließend kaltgewalzt werden. Timet ist für die Herstellung und Veredelung von Titanbändern bestens ausgestattet und zählt mit seiner Sendzimir-Walzstraße und der kontinuierlichen Vakuum-Glühanlage zu den etablierten, kostengünstigen Produzenten von Band und Rohr.
Das Walzen von kommerziell reinem Titan ist ein unkomplizierter Prozess mit hoher Ausbeute und ausgezeichneter Reproduzierbarkeit. Zusätzliche Kapazitäten, um ein deutliches Nachfrageschwanken in einem Produktsegment – z. B. Bänder für Auspuffanlagen – zu bewältigen, bestehen fast sicher auch außerhalb der Titanindustrie bei Unternehmen, die Stahl für die Automobilindustrie liefern.
Titan wird voraussichtlich in das normale Lieferprogramm dieser Firmen aufgenommen werden, die ihren Marktanteil halten möchten, während Titan einen immer größeren Platz in Fahrzeugen für den Massenmarkt einnimmt.
