チタン合金は加工が難しい 合金工具の材質の選び方

チタン合金は加工が難しい 合金工具材料の選び方、チタン合金切削加工の選択 製造業における精密工具材料の特性、チタン合金材料の加工によく遭遇しますが、チタンの特性上、加工は非常に困難です。一般的な金属と比較して、チタン合金は強度、靱性、延性に優れ、耐酸化性と耐食性にも優れています。このため、チタン合金は航空宇宙、自動車、化学・医療機器などの分野で広く使用されています。加工用チタン合金工具のコーティングも切削工具に良い役割を果たします。優れたコーティングは工具の耐摩耗性を向上させ、高温硬度、断熱性能、熱安定性、衝撃靭性などを向上させることができます。切削速度と工具寿命が向上します。チタン合金は靭性、延性、特に強度が他の金属材料に比べてはるかに優れており、高い単体強度、良好な剛性、軽量の製品部品を製造できます。近年、チタン合金はアルミニウム合金に代わって航空機で広く使用されています。その理由は、チタン合金は優れた熱安定性、高温強度、300〜500℃での強度がアルミニウム合金の約10倍であるためです。使用温度は500℃に達します。アルカリ、塩化物、塩素系有機物、硝酸、硫酸などに対して優れた耐食性を持っています。同時に、湿気の多い環境や海水媒体におけるチタン合金は、耐食性が優れています。孔食、酸腐食、応力腐食はステンレス鋼をはるかに上回ります。チタン合金で作られた製品は、高硬度、高融点、非毒性、非磁性などの特性も備えています。上記の一連の優れた特性に基づいて、チタン合金は航空分野で初めて使用されました。1953年、米国ダグラス社はDC2Tエンジンポッドと防火壁に初めてチタン材料を適用し、良好な結果を収めました。航空宇宙分野では、航空エンジンのファン、コンプレッサー、外板、胴体、着陸装置に初めてチタン合金が主要材料として使用され、航空機の総重量が約 30% ～ 35% 削減され、チタン合金が採用されました。この合金は、原子力潜水艦の圧力ハウジング、海水配管システム、凝縮器と熱交換器、排気ファンのブレード、スラスターとシャフト、スプリング、航空母艦の防火設備、プロペラ、ウォータージェット推進装置、舵、および防火装置にも適用され、成功を収めています。その他の海洋コンポーネント。さらに、チタン合金は、その良好な生体適合性、耐食性、機械的特性および加工特性により、人工膝関節、大腿関節、歯科インプラント、歯根、義歯金属支持体などに使用される最も適した生体医療用金属材料となっています。その中でも、Ti6AI4V は医療用インプラント材料として一般的に使用されており、TI3AI-2.5V 合金は、その優れた冷間成形性、耐食性、機械的特性により、臨床現場で大腿骨および脛骨の代替材料としても使用されています。

チタン合金加工の難しさ (1) 変形係数が小さい。これはチタン合金材料の切削において比較的顕著な特徴である。切削加工中、切りくずと工具前面との接触面積が大きすぎ、工具前面での切りくずの移動量が一般的な材料の切りくずよりもはるかに大きく、このような長時間の歩行では深刻な工具の損傷につながります。摩耗し、歩行プロセス中の摩擦によりツールの温度が上昇します。(2) 切削温度が高い一方で、前述の変形係数が温度上昇の一部につながります。チタン合金の切削加工における切削温度が高くなる主な要因は、チタン合金の熱伝導率が非常に小さく、チップと工具先端面との接触長さが短いためであり、これらの要因の影響を受けて、切削プロセス中に発生する熱は外に伝わりにくく、主に工具の先端付近に蓄えられるため、局所的な温度が高くなりすぎます。(3) 仕上げ加工時の振動 チタン合金の低い弾性率と動的切削抵抗が切削加工時の振動の主な原因です。(4) チタン合金は熱伝導率が非常に低く、切削時に発生する熱が逃げにくいです。チタン合金の旋削加工は大きな応力とひずみがかかる加工であり、多量の熱が発生しますが、加工中に発生する高熱を効果的に拡散させることができず、工具の刃先と切りくずの接触長さが長くなります。刃先長が短いため、刃先に多量の熱が集まり、温度が急激に上昇し、刃が柔らかくなり、工具の摩耗が促進されます。(5) チタン合金の化学的効果は大きく、高温ではチタン合金は工具材料と反応しやすく、三日月の形成を促進します。しかし、チタン合金の切削加工は基本的に高温で行われます。切削温度がある程度高くなると、空気中の窒素や酸素などの分子がチタン素材と化学反応しやすくなり、脆くて硬い表皮が形成されます。また、チタン材の切削加工においては、ワークの加工面が塑性変形することにより冷間硬化現象が発生し、ワーク材の加工面に硬化現象が発生します。これらの現象は工具の摩耗を悪化させ、チタン材料の疲労強度を低下させる可能性があります。(6) 工具は非常に摩耗しやすく、工具の摩耗は多くの総合的な要因が重なった結果であり、チタン合金材料の切削工程では、工具の破損を引き起こしやすく、チタン材料は一般的に摩耗を示します。高温条件下では工具材料間の化学親和力が強く、高温では工具とチタン合金材料が結合しやすいため、工具の寿命が短すぎます。したがって、チタン合金材料の切削加工では、切削温度を低く保つことと工具または被削材の剛性を向上させることの2つの点に注意する必要があり、コーティング工具はその剛性を向上させる手段となります。道具。チタン合金は化学活性が高く、熱伝導率が低いため、切削加工時の切削温度が高く、化学反応が激しく、工具の破損が早く、工具寿命が短く、加工コストが高くなります。工具摩耗の原因には、機械的摩擦、切削力や切削温度の作用下での物理的および化学的反応が含まれます。チタン合金の加工の難しさを考慮すると、選択される工具材料は、高硬度、高強度、高熱伝導率、化学的安定性、および良好な赤色硬度の要件を満たさなければなりません。業界テストでは、チタン合金の加工効果は PCD ダイヤモンド工具の方が優れていることが示されていますが、価格が高いため幅広い加工範囲が制限されており、加工パラメータを最適化することでチタン合金材料の切削効率を最高に向上させることができます。ある程度はあるが、範囲は大きくない。高圧切削液、低温切削、ヒートパイプ伝熱冷却潤滑方式がこの方向で研究されています。