Titan-Zirkon-Molybdän (TZM)

Legierung mit erhöhter Warmfestigkeit und ausgeprägter Kriechbeständigkeit

TZM ist ein molybdänbasierter Werkstoff mit hoher Rekristallisationstemperatur, verbesserter Kriechfestigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit. Mit einem Schmelzpunkt von über 2600 °C und einem Elastizitätsmodul von rund 320 kN/mm² bleibt er auch unter intensiver thermischer und mechanischer Belastung formstabil.

Titan erhöht die Warmfestigkeit, Zirkon verbessert die Kriechbeständigkeit und Kohlenstoff stabilisiert die feinkörnige Gefügestruktur. In Kombination mit dem hohen Schmelzpunkt von Molybdän entsteht ein Werkstoff, der auch unter extremer Belastung Maßhaltigkeit bewahrt.

Im Vergleich zu reinem Molybdän bietet TZM durch die Zusätze von Titan und Zirkon eine deutlich höhere Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit und eignet sich daher besonders für Anwendungen, bei denen dauerhafte Formstabilität unter extremen Bedingungen gefordert ist.

Zusammensetzung von Titan-Zirkon-Molybdän

  • 22

    Titan

    Ti

    0,5%

  • 40

    Zirkon

    Zr

    0,08%

  • 42

    Molybdän

    Mo

    0,42%

Zentrale Eigenschaften

  • Hochtemperaturfestigkeit

    TZM behält seine hohe Festigkeit auch bei Temperaturen bis etwa 1400 °C. Bei 1300 °C liegt die Festigkeit etwa doppelt so hoch wie bei reinem Molybdän. Verantwortlich dafür sind feine Ausscheidungen von Titancarbid (TiC) und Zirkoniumoxid (ZrO₂), die als Versetzungsanker wirken und die Korngrenzengleitung unter thermischer Belastung hemmen.

  • Kriechbeständigkeit

    TZM weist eine hohe Kriechbeständigkeit unter konstanter mechanischer Belastung auf. Auch bei langandauernder Beanspruchung bleibt die Maßhaltigkeit erhalten, da plastische Verformungen nur in geringem Umfang auftreten. Die Karbide stabilisieren das Gefüge und behindern die Bewegung von Versetzungen, wodurch die Zeitstandfestigkeit deutlich verbessert wird. Diese Eigenschaft ist entscheidend für Bauteile, die im Betrieb dauerhaft belastet werden und dennoch enge Toleranzen einhalten müssen.

  • Maßstabilität

    Mit einer Wärmeleitfähigkeit von rund 125 W/m·K und einem Ausdehnungskoeffizienten von etwa 5,5 × 10⁻⁶ K⁻¹ widersteht TZM thermischen Spannungen zuverlässig. In Hochtemperaturwerkzeugen sorgt dies für eine gleichmäßige Temperaturverteilung und reduziert die Gefahr von Rissbildung, Verzug und Materialermüdung bei wiederholten Temperaturwechseln.

  • Bruchzähigkeit

    Die feine Verteilung von Titancarbid- und Zirkoniumoxidpartikeln erhöht neben der Festigkeit auch die Bruchzähigkeit im Vergleich zu reinem Molybdän. Anstelle eines spröden Versagens zeigt TZM ein duktiles Bruchverhalten mit plastischer Verformung vor dem Bruch. Damit eignet es sich besonders für sicherheitskritische Anwendungen, bei denen ein kontrolliertes Materialverhalten unter extremen Bedingungen erforderlich ist.

Physikalische und mechanische Eigenschaften

Eigenschaft

Einheit

Wert

Zugfestigkeit (Rm)

MPa

750–850

Dehnung

%

6–10

Härte (Brinell)

HBW (2,5/62,5)

230–250

Elektrische Leitfähigkeit

% IACS

≥ 22

Elektrische Leitfähigkeit

Sm/mm²

10–12

Dichte

g/cm³

10,2–10,3

Elastizitätsmodul (E-Modul)

kN/mm²

≥ 300

Wärmeleitfähigkeit bei 20°C

W/(m·K)

120–130

Schmelzpunkt

°C

≈2620

Die angegebenen Werte verstehen sich als Mindestangaben, Durchschnittswerte oder Toleranzbereiche. Wenn Ihre Anwendung spezifische Werkstoffanforderungen stellt, zum Beispiel eine definierte thermische Stabilität, eine erhöhte mechanische Belastbarkeit oder eine besondere chemische Beständigkeit, entwickeln wir gemeinsam mit Ihnen eine passende Ausführung. Sprechen Sie uns gerne an.

Industrieanwendungen

Typische Einsatzbereiche für TZM im industriellen Umfeld

  • Luft-und Raumfahrt

    Die Kombination aus hoher Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und vergleichsweise geringem Gewicht macht TZM geeignet für Strukturelemente, Verbindungsteile und thermisch belastete Bauteile im Triebwerksbereich.

  • Automobilindustrie

    TZM bleibt auch bei hohen Temperaturen formstabil und mechanisch belastbar. Eingesetzt wird der Werkstoff in Abgassystemen, Turboladern und Motorkomponenten, bei denen Zuverlässigkeit und Langlebigkeit über 1000 °C gefordert sind.

  • Energietechnik

    Hoher Schmelzpunkt, Kriechbeständigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit qualifizieren TZM für Anwendungen mit extremer thermischer und mechanischer Beanspruchung. Typische Einsatzbereiche sind Hitzeschilde, Strahlungsplatten, Halterungen und Kapselungen.

  • Werkzeugbau

    Hohe Warmfestigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und geringe thermische Ausdehnung machen TZM geeignet für Werkzeuge mit hohen Anforderungen an Maßhaltigkeit und Standzeit. Eingesetzt wird der Werkstoff insbesondere in stark belasteten Verfahren wie Druckguss, Strangpressen und Warmumformung.

Herstellungsprozess

Der Herstellungsprozess von Titan-Zirkon-Molybdän-Stangen umfasst mehrere wichtige Schritte, um die gewünschten Materialeigenschaften zu erreichen.

  • 1
    Schritt 1

    Materialvorbereitung

    Hochreines Molybdänpulver wird mit Titan- und Zirkoniumverbindungen gemischt. Die genaue Zusammensetzung ist entscheidend, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.

  • 2
    Schritt 2

    Mischen und Pressen

    Die ausgewählten Rohstoffe werden mit einem pulvermetallurgischen Verfahren homogenisiert um eine gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente sicherzustellen. Dann wird das Gemisch in Formen gepresst um die Rohform herzustellen.

  • 3
    Schritt 3

    Sinterprozess

    Die gepressten Rohlinge werden in einer Schutzatmosphäre bei Temperaturen um 1600-2000°C gesintert. Dabei verbinden sich die Pulverpartikel zu einem festen Metallkörper.

  • 4
    Schritt 4

    Techniken zur Verbesserung der Dichte

    Um die Dichte und die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern, können Techniken wie das heißisostatische Pressen (HIP) eingesetzt werden. Dabei wird das Material unter Druck und hoher Temperatur weiter verdichtet.

  • 5
    Schritt 5

    Formgebung und Walzen

    Nach dem Sinterprozess wird das TZM-Material in Form von Blöcken oder Barren weiter bearbeitet und gewalzt, um die gewünschte Stabform zu erhalten. Dadurch wird die Festigkeit erhöht und die mechanischen Eigenschaften verbessert.

  • 6
    Schritt 6

    Rekristallisationsglühen

    Das Glühen erfolgt bei definierten Temperaturen und Zeiten, um die Mikrostruktur zu erreichen, was die Duktilität und Zähigkeit verbessert.

  • 7
    Schritt 7

    Polieren und Beschichten

    Das Polieren und Beschichten der Stangen erfolgt durch Elektroplattieren oder chemisches Polieren für eine glatte und widerstandsfähige Oberfläche.

  • 8
    Schritt 8

    Qualitätskontrolle und Prüfung

    Während und nach der Herstellung durchläuft TZM umfassende Qualitätsprüfungen. Dazu zählen chemische Analysen zur Sicherstellung der Legierungszusammensetzung, mechanische Tests wie Zug- und Härteprüfungen sowie mikroskopische Untersuchungen der Mikrostruktur. Diese Kontrollen gewährleisten die Zuverlässigkeit des Materials in anspruchsvollen Anwendungen.

  • 9
    Schritt 9

    Verpackung und Versand

    Die fertigen TZM-Stangen werden verpackt und für den Versand vorbereitet. Dabei werden spezielle Verpackungsmaterialien verwendet, um die Stäbe während des Transports vor Beschädigungen zu schützen.

Der Prozess stellt sicher, dass TZM-Bauteile die für den industriellen Einsatz erforderlichen Werkstoffeigenschaften aufweisen. Dazu zählen hohe Temperaturbeständigkeit, Kriechfestigkeit, mechanische Belastbarkeit und gute Bearbeitbarkeit.

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