Aplikační analýza technologie povlakování při zpracování titanových slitin

Vlastnosti a aplikace slitiny titanu

Na základě výše uvedené řady vynikajících vlastností byly slitiny titanu poprvé použity v letectví. V roce 1953 společnost Douglas Company ze Spojených států poprvé použila materiály obsahující titan na motorovou gondolu DC2T a protipožární stěny, čímž dosáhla dobrých výsledků. V oblasti letectví a kosmonautiky byla titanová slitina poprvé použita jako klíčový materiál ve ventilátoru, kompresoru, potahu, trupu a podvozku leteckých motorů, což vedlo k celkovému snížení hmotnosti o 30 až 35 %. Titanová slitina byla také úspěšně aplikována v tlakově odolných pláštích, potrubních systémech pro mořskou vodu, kondenzátorech a výměnících tepla, lopatkách, vrtulích a hřídelích výfukových ventilátorů, pružinách, hasičském vybavení na letadlových lodích, vrtulích, vodních tryskových pohonných zařízeních, kormidlech a dalších námořních součástech jaderných ponorek. Kromě toho se titanová slitina díky své vynikající biokompatibilitě, odolnosti proti korozi, mechanickým vlastnostem a zpracovatelnosti stala nejvhodnějším biomedicínským kovovým materiálem a byla úspěšně aplikována v umělých kolenních kloubech, femorálních kloubech, zubních implantátech, kořenech zubů a kovu pro zubní protézy. podporuje. Mezi nimi slitiny Ti6Al4V a Ti3Al-2.5V se běžně používají jako náhradní materiály pro femur a holenní kost v klinické praxi kvůli jejich dobré tvářetelnosti za studena, odolnosti proti korozi a mechanickým vlastnostem.
Obtíže při zpracování slitiny titanu
(1) Malý koeficient deformace: Toto je prominentní rys v procesu řezání materiálů ze slitiny titanu. Během procesu řezání je oblast kontaktu mezi třískami a přední řeznou plochou příliš velká a třísky putují po přední řezné ploše nástroje mnohem déle než třísky z obecných materiálů. Taková prodloužená chůze může způsobit vážné opotřebení nástroje a tření může také nastat během procesu chůze, což vede ke zvýšení teploty nástroje.
(2) Vysoká teplota řezání: Na jedné straně může výše zmíněný malý deformační koeficient vést k částečnému zvýšení teploty. Hlavním důvodem vysoké řezné teploty v procesu řezání titanové slitiny je to, že tepelná vodivost titanové slitiny je velmi malá a délka kontaktu mezi třískami a přední řeznou plochou nástroje je krátká. Za těchto faktorů se teplo generované během procesu řezání obtížně odvádí a hlavně se hromadí v blízkosti hrotu nástroje, což způsobuje příliš vysoké místní teploty.
(3) Tepelná vodivost titanové slitiny je velmi nízká: teplo generované řezáním se snadno nerozptýlí. Proces soustružení titanové slitiny je proces s vysokým namáháním a vysokým namáháním, který vytváří velké množství tepla. Vysoké teplo vznikající při obrábění nemůže být účinně difundováno. Zároveň je kontaktní délka mezi břitem nástroje a třískami krátká, což způsobuje akumulaci velkého množství tepla na břitu. Teplota prudce stoupá, ostří měkne a opotřebení nástroje se zrychluje.
(4) Chemické vlastnosti titanových slitin jsou významné: při vysokých teplotách slitiny titanu snadno reagují s nástrojovými materiály a urychlují tvorbu srpkovitých drážek. Proces řezání titanových slitin se však v zásadě provádí při vysokých teplotách. Když teplota řezání dosáhne určité úrovně, molekuly, jako je dusík a kyslík ve vzduchu, mohou snadno podléhat chemickým reakcím s titanovými materiály, což vede ke vzniku křehké a tvrdé kůže. Navíc plastická deformace, ke které dochází na obrobeném povrchu obrobku během procesu řezání titanového materiálu, vede ke vzniku kalení za studena, což má za následek zpevnění na obrobeném povrchu materiálu obrobku. Tyto jevy mohou zhoršit opotřebení řezných nástrojů a snížit únavovou pevnost titanových materiálů.
(5) Řezné nástroje jsou náchylné k opotřebení: Opotřebení řezných nástrojů je výsledkem mnoha komplexních faktorů. Během procesu řezání materiálů z titanové slitiny je snadné způsobit zlomení nástroje. Titanové materiály obecně vykazují silnou chemickou afinitu mezi nástrojovými materiály za podmínek vysoké teploty. Kromě toho jsou řezné nástroje a materiály ze slitin titanu náchylné k lepení při vysokých teplotách, což vede ke krátké životnosti řezných nástrojů. Při řezání materiálů z titanové slitiny je tedy třeba věnovat pozornost dvěma aspektům, které udržují nízkou teplotu řezání a zvyšují tuhost řezaného nástroje/materiálu. Nástroje s povlakem jsou jedním ze způsobů, jak zlepšit tuhost nástroje.
Aktuální stav povlaku na řezných nástrojích z titanové slitiny
Vzhledem k vysoké chemické aktivitě a nízké tepelné vodivosti titanových slitin je řezná teplota během procesu řezání vysoká, chemická reakce je intenzivní a nástroj rychle selhává, což má za následek krátkou životnost nástroje a vysoké náklady na zpracování. Mezi příčiny opotřebení nástroje patří mechanické tření a fyzikální a chemické reakce při řezných silách a řezných teplotách. V reakci na obtížnost řezání titanových slitin musí zvolený nástrojový materiál splňovat požadavky na vysokou tvrdost, vysokou pevnost, vysokou tepelnou vodivost, chemickou stabilitu a dobrou tvrdost do červena [10]. V současné době je v průmyslu uznáván jako nejlepší diamantový řezný nástroj pro zpracování titanových slitin, ale vzhledem ke své vysoké ceně řezné nástroje potažené tvrdou slitinou stále dominují na trhu řezání titanových slitin,
Tradiční řezná teorie tvrdí, že povlakované řezné nástroje nejsou vhodné pro zpracování slitin titanu. Je to proto, že většina tradičních povlaků jsou binární povlaky TiC nebo ternární povlaky TiCN a prvek Ti v povlaku je náchylný k afinitě s obrobkem, což vede k rychlému selhání nástroje. Ezugwn a kol. používal CrN a TiCN povlaky na substrátech z rychlořezné oceli a nepotažené nástroje z tvrdé slitiny wolframu a kobaltu k řezání titanové slitiny TC4. Studie ukázala, že životnost nástrojů s povlakem CrN byla delší než životnost nástrojů s povlakem TiCN a nástrojů z tvrdé slitiny bez povlaku. Současně byly prováděny řezné experimenty na titanové slitině Ti6A14V s použitím jednovrstvého povlaku TiN a vícevrstvého povlaku TiN/TiCN/TiN za stejných řezných podmínek. Výsledky ukázaly, že teplota vznikající při řezání nástrojů s vícevrstvým povlakem byla nižší než u jednovrstvých povlaků a také životnost nástroje byla vyšší než u povlaků jednovrstvých.
V posledních letech se v důsledku neustálé zralosti a pokroku zahraničních procesů a metod přípravy povlaků postupně skladba povlaků nástrojů diverzifikuje a dokonce existuje pro každý materiál obrobku nejvhodnější povlakový materiál. Kromě toho se objevily lépe fungující povlaky, jako jsou měkké povlaky, supertvrdé povlaky, vícevrstvé povlaky a nanokompozitní povlaky. Proto se pro vysokorychlostní řezání titanových slitin používá stále více nástrojů s povlakem a vykazují dobrou převahu. Obrázek 2 ukazuje běžně používané nástroje potažené tvrdou slitinou v posledních letech.