Titaaniseosten sorvaustekniikka

titaanikääntäminenTaito

Tiivistelmä: Titaaniseoksilla on pieni ominaispaino, korkea lämpölujuus ja hyvä korroosionkestävyys. Niitä käytetään laajalti ilmailuteollisuudessa, avaruusteollisuudessa sekä kemianteollisuudessa ja muilla aloilla. Titaaniseososien sorvaus on kuitenkin erittäin vaikeaa, ja työstötehokkuus on heikko. Tässä artikkelissa tarkastellaan titaaniseosten sorvausmenetelmiä, mikä auttaa ymmärtämään, miten tätä monipuolisesti käytettävää mutta vaikeasti työstettävää materiaalia tulisi työstää.

Avainsana: titaaniseosmateriaalittyöstöTyökalumateriaalitTyökalun geometriset parametrit

Kiinan kirjaston luokitusnumero on TG5, viitetunnus on A, artikkelinumero on 1672–3791, ja se on julkaistu vuoden 2013 neljännessä numerossa, jonka tarkka numero on 0128–01.

Titaaniseoksilla on pieni ominaispaino, korkea lämpölujuus ja hyvä korroosionkestävyys. Titaaniseososien sorvaus on kuitenkin erittäin vaikeaa, ja sen työstötehokkuus on alhainen. Miten siis voitaisiin ratkaista titaaniseosten työstämisen vaikeudet ja alhaisen tehokkuuden ongelma? Tätä varten olemme tutkineet ja analysoineet titaaniseoksen ominaisuuksien vaikutusta sorvauskäsittelyyn. Lopulta olemme laatineet seuraavat titaaniseoksen sorvauskäsittelystrategiat, joilla on saavutettu hyviä tuloksia käytännön työstössä.

1. Titaaniseosten tyypit ja ominaisuudet

1.1 Titaaniseosten tyypit

Titaaniseos on seos, joka muodostuu titaanista perusaineosana ja siihen lisättyistä muista alkuaineista. Titaanilla on kaksi allotyyppiä: alle 882 °C:ssa se muodostaa tiiviin kuusikulmaisen ristikon, jota kutsutaan α-titaaniksi, ja yli 882 °C:ssa se muodostaa kuutiollisen rakenne, jota kutsutaan β-titaaniksi. Hyödyntämällä näiden kahden titaanin rakenteen erilaisia ominaisuuksia lisäämällä sopivia seosaineita saadaan aikaan eri rakenteisia titaaniseoksia. Perusrakenteensa mukaan ne jaetaan seuraaviin kolmeen luokkaan: α-titaaniseokset, (α+β)-titaaniseokset ja β-titaaniseokset, joita merkitään vastaavasti TA, TC ja TB.

1.2 Titaaniseosten ominaisuudet

1.2.1 Korkea lujuus ja lämmönkestävyys

Titaaniseoksilla on suuri tiheys ja korkea lujuus. Siksi titaaniseosten suhteellinen lujuus, eli lujuuden ja tiheyden suhde, on huomattavasti suurempi kuin muilla metallisilla rakennusmateriaaleilla. Titaanin sulamispiste on 166 °C, ja sillä on korkea lämmönkestävyys, minkä ansiosta se kestää käyttöolosuhteita alle 550 °C:n lämpötiloissa.

1.2.2 Hyvä korroosionkestävyys

Alle 500 °C:n lämpötilassa titaaniseoksille muodostuu helposti tiheä oksidikerros, minkä vuoksi ne eivät hapetu helposti edelleen. Niiden kestävyys pistekorroosiota, happokorroosiota ja jännityskorroosiota vastaan on erityisen hyvä, ja niillä on erinomainen korroosionkestävyys emästen, kloridien, klooria sisältävien orgaanisten aineiden, typpihapon ja rikkihapon suhteen.

1.2.3 Alhainen lämmönjohtavuuskerroin ja alhainen kimmomoduuli

Titaaniseosten lämmönjohtavuuskerroin on keskimäärin vain puolet teollisuuskäyttöön tarkoitetun puhtaan titaanin lämmönjohtavuuskertoimesta, ja niiden kimmomoduuli on noin puolet teräksen kimmomoduulista, ja se on suhteellisen pieni.

1.2.4 Suuri kemiallinen aktiivisuus

Titaanilla on suuri kemiallinen aktiivisuus, mikä saa sen reagoimaan voimakkaasti ilmakehän hapen (O) kanssa. Samoin se reagoi voimakkaasti typen (N), vedyn, vesihöyryn ja ammoniakin kanssa. Kun näiden aineiden hiilipitoisuus on yli 0,21 TP3T, titaaniseokseen muodostuu kovaa TiC:tä. Lisäksi korkeissa lämpötiloissa sen reaktio typen kanssa muodostaa kovan TiN-pintakerroksen. Jos vetypitoisuus nousee, muodostuu myös haurastava kerros. Titaanilla on myös suuri kemiallinen affiniteetti, mikä aiheuttaa helposti tarttumista kitkapintoihin.

2. Titaaniseosten työstämiseen vaikuttavat tekijät

(1) Lämmönjohtavuuskerroin on hyvin pieni, joten lämmönpoisto on heikkoa, mikä nostaa leikkauslämpötilaa, nopeuttaa työkalun kulumista ja lyhentää sen käyttöikää.

(2) Kun lämpötila nousee yli 600 °C:n, muodostuu hapettumakerros, joka kuluttaa työkaluja voimakkaasti.

(3) Titaaniseoksen kimmomoduuli on pieni, joten työstön aikana säteittäisen voiman vaikutuksesta se taipuu helposti, mikä puolestaan aiheuttaa tärinää, kiihdyttää työstökalujen kulumista ja heikentää työkappaleen tarkkuutta.

(4) Titaanin kemiallinen aktiivisuus on melko suuri, ja korkeissa leikkauslämpötiloissa se muodostaa helposti kemiallisia sidoksia kosketuksissa olevien metallien kanssa, mikä puolestaan johtaa tarttumiseen ja diffuusioon ja lopulta työkalun kulumisen kiihtymiseen.

3. Titaaniseosten työstämisen yleiset periaatteet

Titaaniseoksen ominaisuuksien sekä sen työstämisen aikana ilmenevien erilaisten ongelmien perusteella on työstämisessä otettava huomioon seuraavat tekijät.

(1) Leikkausnopeus ei saa olla liian suuri. Kokeiden perusteella on osoitettu, että mitä suurempi leikkausnopeus on, sitä enemmän leikkauksen aikana syntyvä lämpötila nousee, mikä vaikuttaa suoraan työkalun kulumiseen ja käyttöikään. Siksi on valittava sopiva leikkausnopeus.

(2) Leikkaussyvyys voi olla melko suuri, ja sen vaikutus leikkauslämpötilaan on suhteellisen pieni. Siksi, kun leikkausnopeus on valittu järkevästi, leikkaussyvyyttä kannattaa lisätä mahdollisimman paljon, jotta työkalun kärki pysyy kovettuneen kerroksen alapuolella ja työkalun kestävyys paranee.

(3) Työstöjärjestelmän lujuuden on oltava riittävä, työstökoneen karan välyksen on oltava pieni, heilahtelun on oltava vähäistä, työkalun ulkonema ei saa olla liian pitkä, lujuuden on oltava riittävä ja kiinnittimen kiristysvoiman on oltava sopiva – ei liian pieni eikä liian suuri – jotta vältetään muodonmuutokset.

(4) Lisää riittävä määrä jäähdytysnestettä, sillä titaaniseoksen lämpötila on työstön aikana erittäin korkea ja sen kemiallinen aktiivisuus on huomattava, minkä vuoksi hienojakoisessa lastuuksessa voi helposti syntyä palamista. Siksi on ehdottomasti lisättävä riittävä määrä jäähdytysnestettä. Yleisesti käytettyjä jäähdytysnesteitä ovat emulsiot sekä äärimmäisen paineenkestävät vesiliukoiset jäähdytysnesteet.

4. Työkalumateriaalin, geometristen parametrien ja leikkausparametrien valinta

4.1 Työkalumateriaalin valinta

Koska titaaniseoksilla on alhainen lämmönjohtavuuskerroin, niiden plastisuus on hyvin heikko ja niissä esiintyy helposti esimerkiksi työstökarkaisua, siksi titaaniseosten työstämisessä on otettava huomioon sekä leikkauslämpötilan alentaminen että tarttumisen vähentäminen. Työstövälineiden materiaaliksi tulisi valita sellainen, jolla on hyvä punakovuus, korkea taivutuslujuus, erinomainen lämmönjohtavuus ja heikko affiniteetti titaaniseokseen; yleensä valitaan kovametalliterät. Yleisesti käytettyjä kovametalliteräksistä valmistettuja työkaluja ovat muun muassa YG8, YG3, YG8W, YG10H, YG6A, YS2T, YGRM ja YD15.

(1) Karkea työstö -vaiheessa tulisi valita YG8, YG8W, YG10H sekä YG6A ja muut vastaavat.

(2) Viimeistelytyöstössä, jossa leikkuumäärä on pieni, voidaan käyttää esimerkiksi YG8W- tai YD15-laatuja.

4.2 Työkalun geometriset parametrit ja leikkausparametrit

Otetaan esimerkkinä ulkoreunan sorvausterä.

Karkea työstö suoritettaessa etukulman arvo on 3°–7°, takakulman arvo 8°–15° ja terän kärjen kaaren säde 0,5–1,0 mm; leikkausnopeus on 25–38 m/min, leikkaussyvyys 3–5 mm ja syöttö 0,3–0,5 mm/r.

Viimeistelyvaiheessa etukulman arvo on 10°–15°, takakulman arvo 8°–15° ja terän kärjen kaaren säde 0,3–0,5 millimetriä; Leikkausnopeuden tarkka alue on 50–75 mikrometriä minuutissa, leikkaussyvyyden alue on 0,2–0,5 millimetriä ja syöttömäärän säätöalue on 0,1–0,15 millimetriä kierrosta kohti.

4.3 Muiden parametrien valinta

(1) Hiotaan 0,05–0,1 mm:n negatiivinen viiste terän lujuuden parantamiseksi.

(2) Karkeakoneistuksessa terän kallistuskulma λ on välillä -3°–-5°, kun taas hienokoneistuksessa terän kallistuskulma λ on välillä -3°–0°.

5. Titaaniseosten sorvauksessa huomioitavaa

(1) Koska titaaniseoksilla on alhainen kimmomoduuli, työkappaleeseen voi työstön aikana syntyä huomattavaa kiinnityksestä johtuvaa muodonmuutosta sekä rasituksesta johtuvaa muodonmuutosta, mikä heikentää työkappaleen työstötarkkuutta; tästä syystä työkappaletta kiinnitettäessä kiinnitysvoima ei saa olla liian suuri, ja tarvittaessa voidaan lisätä tukipisteitä.

(2) Ulkoreunaa sorvattaessa työkalun kärki ei saa olla korkeammalla kuin työkappaleen keskipiste, jotta vältetään työkappaleen lävistyminen.

(3) Vetyä sisältävien leikkuunesteiden käyttö on kielletty. Jos vetyä sisältävää leikkuunestettä kuitenkin käytetään, on ryhdyttävä tarvittaviin turvallisuustoimenpiteisiin, ja työstämisen jälkeen osat on puhdistettava välittömästi perusteellisesti kloorittomalla pesuaineella.

(4) Ohutseinäisten kappaleiden sorvauksessa ja viimeistelyssä työkalun pääkulma ei saa olla liian pieni.

(5) Puhdistettujen titaaniseososien osalta on estettävä rasvan tai sormenjälkien aiheuttama likaantuminen, jotta tällainen likaantuminen ei aiheuttaisi suolan aiheuttamaa jännityskorroosiota.

6. Johtopäätökset

Kun tarkastellaan kokonaisvaltaisesti titaaniseoksen ominaisuuksien vaikutusta sorvaukseen, titaaniseoksen sorvauksen onnistumisen avaintekijöitä ovat sopivan työkalumateriaalin valinta sekä oikeiden työkalun geometriset parametrit. käyttämällä mahdollisimman matalaa leikkausnopeutta, suurta leikkaussyvyyttä ja syöttöä sekä varmistamalla riittävän jäähdytysnesteen syötön, jolloin lopulta saavutetaan hyvät työstystulokset.