MCB Specials: Metalen voor bijzondere toepassingen

Het ene metaal is het andere niet. Niet alleen als we het over de verschillende soorten hebben, maar ook als het gaat over kwaliteiten en toepassingen. Op bezoek bij Arno van Wijnen horen we over titaan. Een metaal dat dankzij zijn bijzondere eigenschappen in een aantal boeiende markten zeer wordt gewaardeerd. De lucht- en ruimtevaart bijvoorbeeld. “Titaan in de vliegtuigindustrie met name is een snelgroeiende markt die heel streng gereguleerd wordt.”

Titaan – of zoals het ook wel genoemd wordt, titanium – is een grondstof die in ongeveer twee procent van de aardkorst aanwezig is. Het wordt gewonnen uit het mineraal ilmeniet en rutiel. In meteorieten en stenen die de astronauten van de Apollo-missies mee terug brachten, vinden we beduidend hogere concentraties dan op aarde, maar titaan komt in lage concentraties voor in alle levende vormen op aarde, inclusief de mens. Maar dat geeft voer voor weer een heel ander onderwerp.

Geliefd materiaal

Titaan is zo’n geliefd materiaal vanwege zijn eigenschappen. Het is erg sterk, licht en corrosiebestendig en bestand tegen extreme temperaturen en temperatuurschommelingen. Van Wijnen: “De kwaliteit van het materiaal wordt vooral bepaald door de productiemanier en de samenstelling van de legering. Voor iedere toepassing gelden optimale samenstellingen vanwege de daardoor verkregen eigenschappen. En per toepassing zijn er hele strenge normeringen waaraan het materiaal moet voldoen. In de vliegtuigindustrie worden met name de Amerikaanse AMS-normen gehanteerd. Nog beter is de materiaalaanduiding volgens UNS – Unified Numbering Systems for Metals and Alloys – gevolgd door een letter. Deze vind ik overigens ook het duidelijkst. De leveringen voor grote vliegtuigfabrikanten zijn in grote en langlopende contracten afgesloten waarbij die normen als leidraad gelden.” 

In die contracten van de vliegtuigproducenten wordt niet alleen de normering van het materiaal vastgelegd, maar ook de herkomst. Voor een leverancier is het verder van belang wat de toegevoegde waarde aan het materiaal is, om te bepalen welke certificering je nodig hebt om producten te kunnen leveren. In Europa gelden naast de normen voor de individuele materialen, de normeringen voor het kwaliteitsmanagementsysteem, de QMS, van de European Association of Aerospace Industries. Verander je niets aan de materiaaleigenschappen, dan kun je volstaan met AS9100. Doe je dat wel, dan moet je AS 9110 en AS 9120 gaan bekijken. 

Betere productiemethodes

Van Wijnen vertelt dat in tegenstelling tot sommige andere grondstoffen, de kostprijs van titaan in de laatste decennia flink is gedaald. “Was de prijs in 1980 nog 20.000 euro per kilo, nu is dat zo’n 30 euro en die prijs zakt nog steeds verder. Dat is met name te danken aan verbeterde productiemethodes, waardoor het makkelijker te winnen is.” 

Het verwerken en bewerken van het materiaal bepaalt in belangrijke mate de uiteindelijke kwaliteit en sterkte. “Met name de productiemethode van de legering zorgt voor de atoomstapeling die weer van belang is voor de buig- en treksterkte. Dat maakt dat 3D-printen met titaan nog niet voor alle toepassingen in de luchtvaart de juiste sterkte geeft, maar de ontwikkelingen gaan heel snel.”

Afhankelijk van de atoomstructuur van titaan is het materiaal al dan niet op een bepaalde manier te bewerken. Die atoomstructuur of microstructuur is onderverdeeld in drie classificaties, hier ook wel fases genoemd: Alpha, Alpha-Beta en Beta. 

Alpha-titaan is niet hardbaar, maar wel goed lasbaar. Het heeft een lage tot gemiddelde sterkte, een goede breuktaaiheid en goede mechanische eigenschappen bij cryogene temperaturen.

Alpha-Beta-titaan is beperkt koud vervormbaar en goed warm vervormbaar. Heeft een gemiddelde tot hoge sterkte en een lagere kruipsterkte bij hoge temperaturen dan Alpha-titaan.

Beta-titaan heeft een hoog percentage stabiliserende elementen. Deze titaansoorten kunnen warmtebehandeld worden en geven daarna een hoge sterkte. Bovendien zijn deze soorten in de zogenaamde solution annealed toestand zeer goed vervormbaar. 

Bewerken

“Een andere eigenschap van titaan is dat het een reactief materiaal is,” gaat Van Wijnen verder. “Dat betekent dat het heel snel oxideert aan de buitenlucht, maar dat die oxidelaag daarna direct dient als een beschermlaag. Sowieso is het bewerken van titaan een kunst apart. Je moet hiervoor gereedschap van speciaal materiaal gebruiken, zoals carbide, en heel goed kijken naar de gevolgen van de gewenste bewerking op het materiaal. Omdat titaan een slechte thermische geleiding heeft, ontwikkelt de warmte zich vooral op het snijpunt. Het materiaal heeft bovendien de neiging aan het gereedschap te plakken, spanen plakken daardoor aan het gereedschap. Als je te voorzichtig bewerkt, dan kun je juist problemen oproepen omdat de bovenste laag van het materiaal een sterke oppervlaktespanning heeft en hierdoor de vervorming veel minder gecontroleerd verloopt dan je zou wensen. Het materiaal heeft een sterke neiging om koud te verstevigen, met alle gevolgen van dien. Je moet dus proberen onder de koud verstevigde laag te snijden. En goed koelen!”
 
Het beste werkt dan nog koelen onder hoge druk, waardoor de spaan makkelijker breekt. “Op dit moment wordt geëxperimenteerd met het gebruik van vloeibare stikstof bij het bewerken. Daarmee zou je hogere snijsnelheden moet kunnen bereiken met minder gereedschapsslijtage. En we hebben het hier over kostbare gereedschappen, dus dat is het experimenteren wel waard.” 

En dan is volgens Van Wijnen, die hier zomaar uren over kan vertellen, draaien – of frezen – nog een bewerkingsmethode met de minste bewerkings- nou vooruit, laten we het uitdagingen noemen. 

Snijkantopbouw
 

Door: Janet Kooren