Titanwerkstoffe im Überblick: ASTM, GB und AMS

Titan ist kein einzelner Werkstoff. Dasselbe Wort bezeichnet Reintitan mit vier verschiedenen Sauerstoffgrenzen, ein halbes Dutzend korrosionsbeständiger Legierungen mit Palladium oder Molybdän und Strukturlegierungen wie Ti-6Al-4V, die sich völlig anders verhalten als die Reingüten. Die falsche Wahl ist selten ein kleiner Fehler: Sie zeigt sich als rissige Schweißnaht, als Wärmetauscher, der im zweiten Jahr durchlocht, oder als Charge, die bei der Eingangsprüfung gegen die bestellte Norm durchfällt.

Dieser Beitrag behandelt die Güten, die im industriellen Handel tatsächlich bewegt werden – Blech, Band, Stange, Rohr, Schmiedeteile und Verbindungselemente – sowie die drei Spezifikationssysteme, die Einkäufer am häufigsten mischen: ASTM, GB und AMS.

Was eine Werkstoffnummer tatsächlich festlegt

Zwei Dinge und nur zwei unterscheiden die Reintitangüten voneinander: der Gehalt an interstitiellen Elementen – Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Eisen – und damit die Festigkeit. Titan mit 99,5 % Reinheit ist weich; im Gitter gelöster Sauerstoff blockiert Gleitebenen und erhöht die Festigkeit, während die Duktilität sinkt. Grade 1 hat die niedrigste Sauerstoffgrenze und ist am besten umformbar; Grade 4 hat die höchste und ist mit etwa der dreifachen Streckgrenze von Grade 1 die festeste Reingüte.

Bei den Legierungen ist der Mechanismus ein anderer: Aluminium stabilisiert die Alpha-Phase und erhöht Festigkeit und Kriechwiderstand, Vanadium stabilisiert Beta und verbessert die Warmumformbarkeit, Palladium und Molybdän-Nickel verändern die Elektrochemie des Oberflächenfilms. Der letzte Punkt entscheidet über die Korrosionsbeständigkeit – und wird beim Austausch „gleicher Festigkeit“ in chemischer Beanspruchung am häufigsten übersehen.

Die Reintitanfamilie: Grade 1 bis 4

Grade 2 ist die industrielle Standardgüte und deckt die große Mehrheit chemischer, mariner, Entsalzungs- und medizinischer Anwendungen ab. Grade 1 wird bei anspruchsvoller Kaltumformung gewählt – tiefgezogene Auskleidungen, aufgewältigte Rohre, komplexe Blechteile –, weil der niedrigere Sauerstoffgehalt Duktilität auf Kosten der Festigkeit liefert. Grade 3 liegt dazwischen. Grade 4 wird eingesetzt, wenn aus Korrosionsgründen Reintitan nötig ist, die Spannung aber so hoch liegt, dass Grade 2 eine dickere Wand bräuchte; sie ist bei Umformung und Schweißen deutlich weniger gutmütig.

Die Legierungen: Gr. 5, Gr. 9, Gr. 23 sowie Pd- und Ni-Mo-Güten

Gr. 5 (Ti-6Al-4V, chinesisch TC4) ist die tragende Strukturlegierung: rund 828 MPa Mindeststreckgrenze gegenüber 275 MPa bei Gr. 2 und etwa die doppelte Festigkeit im Verhältnis zur Dichte als Edelstahl. Sie wird für Rumpfanbauteile, hochbelastete Verbindungselemente, Verdichterteile, medizinische Instrumente und überall dort verwendet, wo Gewicht die Randbedingung ist. Sie ist schwerer umformbar, verlangt sorgfältigeres Schweißen – und ist für einen Chemiebehälter nicht deshalb richtig, weil sie fester ist.

Gr. 9 (Ti-3Al-2.5V) liegt zwischen Reintitan und Ti-6Al-4V: etwa 483 MPa Mindeststreckgrenze bei guter Kaltumformbarkeit, häufig für Hydraulikleitungen und Fahrradrahmenrohre.

Gr. 23 (Ti-6Al-4V ELI) ist die Variante mit extra niedrigen interstitiellen Gehalten: gleiches Festigkeitsniveau, bessere Zähigkeit und Duktilität, die übliche Güte für Implantate und kryogene Anwendungen.

Über die Spezifikation entscheiden meist die Korrosionsgüten. Gr. 7 ist Gr. 2 mit 0,12–0,25 % Palladium; das Palladium verschiebt das Korrosionspotenzial und stabilisiert den Passivfilm in schwach reduzierenden Säuren, in denen reines Gr. 2 locht. Gr. 11 überträgt dasselbe Prinzip auf eine sauerstoffärmere Basis. Gr. 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) erreicht Ähnliches kostengünstiger mit Molybdän und Nickel und wird häufig bei heißen Chloriden und verdünnten Säuren eingesetzt.

Mindestwerte auf einen Blick

Die Werte sind die Mindestanforderungen für geglühtes Material nach ASTM B265 (Blech, Band, Streifen) und B348 (Stange, Stab, Block). Rohre nach B338 und Schmiedeteile nach B381 haben eigene Tabellen; die Gütenlogik ist gleich, aber prüfen Sie immer die für Ihre Produktform geltende Klausel.

Güte	UNS	Zusammensetzung	Rp0,2 / Rm (MPa, min.)	Typische Anwendung
Gr. 1	R50250	Reintitan, O ≤ 0,18 %	170 / 240	Tiefziehen, aufgewältigte Rohre, Auskleidungen
Gr. 2	R50400	Reintitan, O ≤ 0,25 %	275 / 345	Chemieanlagen, Marine, Entsalzung, allgemein
Gr. 3	R50550	Reintitan, O ≤ 0,35 %	380 / 450	Mittlere Festigkeit, Druckteile
Gr. 4	R50700	Reintitan, O ≤ 0,40 %	483 / 550	Höherfeste Reingüte, dickere Wände
Gr. 5	R56400	Ti-6Al-4V	828 / 895	Luftfahrtstrukturen, Verbindungselemente, Medizin
Gr. 7	R52400	Gr. 2 + 0,12–0,25 % Pd	275 / 345	Reduzierende Säuren, heiße Chloride
Gr. 9	R56320	Ti-3Al-2.5V	483 / 620	Hydraulikrohre, kaltgeformte Teile
Gr. 11	R52250	Gr. 1 + 0,12–0,25 % Pd	170 / 240	Pd-Güte, wenn auch Umformbarkeit zählt
Gr. 12	R53400	Ti-0,3Mo-0,8Ni	483 / 550	Heiße Sole, verdünnte Säuren, Wärmetauscherrohre
Gr. 23	R56407	Ti-6Al-4V ELI	828 / 860	Implantate, Kryogenik, bruchkritische Teile

ASTM-Güten und GB-Bezeichnungen zuordnen

Chinesisches Material wird nach GB/T 3620.1 bezeichnet, und die Kürzel wirken wie eine Eins-zu-eins-Übersetzung des ASTM-Systems. In den meisten Einkaufsunterlagen wird es auch so behandelt. Streng genommen sind es äquivalente Familien, keine identischen Spezifikationen.

GB-Bezeichnung	Nächstliegende ASTM-Güte	Vor Anerkennung als Ersatz zu prüfen
TA1	Gr. 1	Sauerstoffgrenze und Eisengehalt
TA2	Gr. 2	Sauerstoffgrenze; Mindestwerte Zugfestigkeit/Streckgrenze
TA3	Gr. 3	Sauerstoffgrenze; Verfügbarkeit der Produktform
TA9	Gr. 7	Palladiumbereich 0,12–0,25 %
TA10	Gr. 12	Mo- und Ni-Bereiche, Glühzustand
TC4	Gr. 5	Al- und V-Bereiche, Sauerstoffgrenze, Wärmebehandlung
TC4 ELI	Gr. 23	Grenzwerte für O, Fe, N
TA15 (Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V)	Keine direkte ASTM-Güte	Near-Alpha-Legierung; Ersatz ist eine Ingenieursentscheidung, kein Formalakt
TC11 (Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si)	Keine direkte ASTM-Güte	Hochtemperaturlegierung; kein direkt einsetzbares Äquivalent

AMS steht über beiden als strengeres System: AMS 4911 deckt Ti-6Al-4V als Blech, Band und Platte ab; AMS 4928 Stangen, Draht, Schmiedeteile und Ringe; die AMS-4900-Reihe die Reintitangüten. AMS-Anforderungen ergänzen die ASTM-Basis typischerweise um Gefügekontrolle, engere Analysefenster und zusätzliche Prüfungen – deshalb zitieren Luftfahrtkunden AMS und nicht ASTM.

Wo die Äquivalenz endet

In der Praxis beißen drei Dinge.

Die Analysefenster unterscheiden sich. Die Sauerstoffgrenze, die eine Reingüte von der nächsten trennt, ist nicht in jedem System identisch – und Sauerstoff bestimmt Festigkeit und Duktilität. Ein Zeugnis, das eine GB-Bezeichnung erfüllt, kann bei einem bestimmten Element die ASTM-Grenze dennoch verfehlen oder nur so knapp treffen, dass die Nachprüfung an einer zweiten Probe durchfällt.

Toleranzen und Zustand sind eigene Klauseln. Die Güte sagt nichts darüber, ob das Blech warm- oder kaltgewalzt, geglüht oder spannungsarmgeglüht, gebeizt oder geschliffen ist und wie viel Bombierung und Säbel zulässig sind. Zwei Lieferanten können beide „Gr. 2 Blech nach B265“ verkaufen und Material liefern, das sich völlig unterschiedlich zerspanen lässt.

Die Prüfanforderungen unterscheiden sich. Welche Prüfungen Pflicht sind, wie oft beprobt wird und ob das Zeugnis 3.1 oder 3.2 ist, steht alles unabhängig von der Güte. Ein Zeugnis kann für die Güte einwandfrei sein und bei der Eingangsprüfung trotzdem zurückgewiesen werden, weil die zitierte Normklausel nicht zur Produktform passt.

Auswahl in der Praxis: vier Fragen

1. Welches Medium und welche Temperatur? Das entscheidet, ob Sie überhaupt in der Reintitanfamilie bleiben und ob Palladium oder Molybdän-Nickel nötig ist. Eine nach Festigkeit gewählte Güte, die Salzsäure überstehen soll, versagt unabhängig von ihren mechanischen Werten.

2. Ist Festigkeit wirklich die Randbedingung – oder Steifigkeit und Korrosionszuschlag? Chemische Apparate versagen meist durch Korrosion oder Wanddickenverlust, nicht durch Streckgrenze. Gr. 2 ist in der Regel richtig; Gr. 5 ist oft die teure Antwort auf die falsche Frage.

3. Wie wird gefertigt? Geschweißt, tiefgezogen, zerspant oder mit Gewinde? Gr. 1 und Gr. 9 lassen sich besser umformen als Gr. 4 und Gr. 5; Gr. 5 zerspant besser als die Reingüten, braucht aber scharfes Werkzeug und reichlich Kühlmittel; Gr. 5-Verbindungselemente fressen ohne Trockenfilmschmierstoff.

4. Was akzeptiert die abnehmende Stelle? Bei Luftfahrt oder Medizin lautet die Antwort meist AMS oder eine ASTM-Implantatnorm (F67, F136) plus lückenlose Rückverfolgbarkeit bis zum Schmelzband. Kein Äquivalenzargument übersteht einen Auditor.

Typische Fehler aus Anfragen

• Gr. 5 bestellen, weil sie „besser“ ist. Doppelte Festigkeit, halbe Schweißeignung – und kein Nutzen bei einer durch Korrosion begrenzten Wand.
• Reines Gr. 2 in heißer Chloridsole. Oberhalb etwa 70 °C wird Spaltkorrosion unter Dichtungen und an Rohr-Boden-Verbindungen zum Auslegungsfall; Gr. 7 oder Gr. 12 ist die übliche Antwort.
• TA2 auf dem Papier als Gr. 2 behandeln. Verlangen Sie die Analyse, nicht nur die Bezeichnung, und vergleichen Sie Element für Element mit der ASTM-Klausel, die Sie kaufen.
• Norm ohne Zustand ausschreiben. „ASTM B265 Gr. 2“ legt weder geglüht noch kaltgewalzt, weder Kantenzustand noch Oberfläche fest – alles Faktoren für Preis und Lieferzeit.
• Annehmen, eine Pd-Güte sei immer das Upgrade. Palladium hilft unter reduzierenden Bedingungen; in stark oxidierenden Medien kostet es nur Geld.

Material dieser Familien ist als Blech und Band, Stange und Stab, Rohr und Rohrleitung, Verbindungselemente sowie Schmiedeteile und Bearbeitungsteile lieferbar. Wenn Sie eine Gütenfrage zu einem konkreten Medium oder einer Zeichnung haben, senden Sie die Betriebsbedingungen mit – wir antworten gegen die Norm, nach der Sie arbeiten.