Analisi applicativa della tecnologia di rivestimento nella lavorazione delle leghe di titanio

Caratteristiche e applicazioni della lega di titanio

Sulla base delle eccellenti proprietà di cui sopra, le leghe di titanio furono applicate per la prima volta nel settore dell'aviazione. Nel 1953, la Douglas Company degli Stati Uniti applicò per la prima volta materiali contenenti titanio alla gondola del motore DC2T e alle pareti tagliafuoco, ottenendo buoni risultati. Nel campo aerospaziale, la lega di titanio è stata utilizzata per la prima volta come materiale chiave nella ventola, nel compressore, nel rivestimento, nella fusoliera e nel carrello di atterraggio dei motori degli aerei, determinando una riduzione complessiva del peso compresa tra il 30% e il 35%. La lega di titanio è stata applicata con successo anche in gusci resistenti alla pressione, sistemi di tubazioni dell'acqua di mare, condensatori e scambiatori di calore, pale, eliche e alberi di ventilatori di scarico, molle, attrezzature antincendio su portaerei, eliche, dispositivi di propulsione a getto d'acqua, timoni e altri componenti marini dei sottomarini nucleari. Inoltre, grazie alla sua eccellente biocompatibilità, resistenza alla corrosione, proprietà meccaniche e lavorabilità, la lega di titanio è diventata il materiale metallico biomedico più adatto ed è stata applicata con successo in articolazioni artificiali del ginocchio, articolazioni femorali, impianti dentali, radici dei denti e protesi metalliche. supporta. Tra queste, le leghe Ti6Al4V e Ti3Al-2.5V sono comunemente utilizzate come materiali sostitutivi per femore e tibia nella pratica clinica grazie alla loro buona formabilità a freddo, resistenza alla corrosione e proprietà meccaniche.
Difficoltà nella lavorazione delle leghe di titanio
(1) Piccolo coefficiente di deformazione: questa è una caratteristica importante nel processo di taglio dei materiali in lega di titanio. Durante il processo di taglio, l'area di contatto tra i trucioli e la superficie di taglio anteriore è troppo grande e i trucioli percorrono molto più a lungo la superficie di taglio anteriore dell'utensile rispetto ai trucioli di materiali generici. Una camminata così prolungata può causare una grave usura dell'utensile e durante la camminata può verificarsi anche attrito, che porta ad un aumento della temperatura dell'utensile.
(2) Temperatura di taglio elevata: da un lato il piccolo coefficiente di deformazione menzionato in precedenza può portare ad un parziale aumento della temperatura. Il motivo principale dell'elevata temperatura di taglio nel processo di taglio della lega di titanio è che la conduttività termica della lega di titanio è molto ridotta e la lunghezza di contatto tra i trucioli e la superficie di taglio anteriore dell'utensile è breve. In questi fattori, il calore generato durante il processo di taglio è difficile da dissipare e si accumula principalmente vicino alla punta dell'utensile, causando temperature locali troppo elevate.
(3) La conduttività termica della lega di titanio è molto bassa: il calore generato dal taglio non viene dissipato facilmente. Il processo di tornitura della lega di titanio è un processo ad alto stress e deformazione, che genera una grande quantità di calore. L'elevato calore generato durante la lavorazione non può essere diffuso in modo efficace. Allo stesso tempo, la lunghezza di contatto tra il tagliente dell'utensile e i trucioli è breve, il che provoca un accumulo di una grande quantità di calore sul tagliente. La temperatura aumenta bruscamente, la lama si ammorbidisce e l'usura dell'utensile accelera.
(4) Le proprietà chimiche delle leghe di titanio sono significative: ad alte temperature, le leghe di titanio reagiscono facilmente con i materiali degli utensili, accelerando la formazione di scanalature a forma di mezzaluna. Tuttavia, il processo di taglio delle leghe di titanio avviene sostanzialmente ad alte temperature. Quando la temperatura di taglio raggiunge un certo livello, le molecole come l'azoto e l'ossigeno presenti nell'aria possono facilmente subire reazioni chimiche con i materiali in titanio, determinando la formazione di una pelle fragile e dura. Inoltre, la deformazione plastica che si verifica sulla superficie lavorata del pezzo durante il processo di taglio del materiale di titanio porta al verificarsi di un indurimento a freddo, con conseguente indurimento sulla superficie lavorata del materiale del pezzo. Questi fenomeni possono esacerbare l’usura degli utensili da taglio e ridurre la resistenza alla fatica dei materiali in titanio.
(5) Gli utensili da taglio sono soggetti ad usura: l'usura degli utensili da taglio è il risultato di molti fattori generali. Durante il processo di taglio dei materiali in lega di titanio, è facile causare la rottura dell'utensile. I materiali in titanio generalmente mostrano una forte affinità chimica tra i materiali degli utensili in condizioni di alta temperatura. Inoltre, gli utensili da taglio e i materiali in lega di titanio tendono a legarsi alle alte temperature, il che porta a una breve durata degli utensili da taglio. Quindi ci sono due aspetti a cui bisogna prestare attenzione quando si tagliano materiali in lega di titanio, ovvero il mantenimento di una bassa temperatura di taglio e l'aumento della rigidità dell'utensile/materiale da tagliare. Gli utensili rivestiti rappresentano un modo per migliorare la rigidità dell'utensile.
Stato attuale del rivestimento sugli utensili da taglio in lega di titanio
A causa dell'elevata attività chimica e della bassa conduttività termica delle leghe di titanio, la temperatura di taglio durante il processo di taglio è elevata, la reazione chimica è intensa e l'utensile si guasta rapidamente, con conseguente breve durata dell'utensile e elevati costi di lavorazione. Le cause dell'usura dell'utensile comprendono l'attrito meccanico e le reazioni fisiche e chimiche alle forze di taglio e alle temperature di taglio. In risposta alla difficoltà di taglio delle leghe di titanio, il materiale dell'utensile selezionato deve soddisfare i requisiti di elevata durezza, elevata resistenza, elevata conduttività termica, stabilità chimica e buona durezza al rosso [10]. Attualmente riconosciuto nel settore come il miglior utensile da taglio diamantato per la lavorazione delle leghe di titanio, ma a causa del suo prezzo elevato, gli utensili da taglio rivestiti in lega dura dominano ancora il mercato del taglio delle leghe di titanio.
La teoria tradizionale del taglio sostiene che gli utensili da taglio rivestiti non sono adatti alla lavorazione delle leghe di titanio. Questo perché la maggior parte dei rivestimenti tradizionali sono rivestimenti TiC binari o TiCN ternari e l'elemento Ti nel rivestimento tende ad affinità con il pezzo in lavorazione, portando a un rapido guasto dell'utensile. Ezugwn et al. hanno utilizzato rivestimenti CrN e TiCN su substrati di acciaio ad alta velocità e utensili in lega dura di tungsteno e cobalto non rivestiti per tagliare la lega di titanio TC4. Lo studio ha dimostrato che la durata utile degli utensili rivestiti CrN era più lunga di quella degli utensili rivestiti TiCN e degli utensili in lega dura non rivestiti. Allo stesso tempo, sono stati condotti esperimenti di taglio sulla lega di titanio Ti6A14V utilizzando un rivestimento TiN a strato singolo e un rivestimento TiN/TiCN/TiN multistrato nelle stesse condizioni di taglio. I risultati hanno mostrato che la temperatura generata durante il taglio degli utensili rivestiti multistrato era inferiore a quella dei rivestimenti a strato singolo e anche la durata utile dell’utensile era superiore a quella dei rivestimenti a strato singolo.
Negli ultimi anni, a causa della continua maturità e progresso dei processi e dei metodi di preparazione dei rivestimenti stranieri, la composizione dei rivestimenti degli utensili è diventata gradualmente più diversificata e persino esiste un materiale di rivestimento più adatto per ciascun materiale del pezzo. Inoltre, sono emersi rivestimenti con prestazioni migliori come rivestimenti morbidi, rivestimenti superduri, rivestimenti multistrato e rivestimenti nanocompositi. Pertanto, sempre più utensili rivestiti sono stati applicati al taglio ad alta velocità delle leghe di titanio e hanno mostrato una buona superiorità. La Figura 2 mostra gli utensili rivestiti in lega dura comunemente utilizzati negli ultimi anni.