Analiza primjene tehnologije premaza u obradi legura titana
Karakteristike i primjena legure titana
Na temelju gore navedenog niza izvrsnih svojstava, legure titana prvi put su primijenjene u zrakoplovstvu. Godine 1953. tvrtka Douglas iz Sjedinjenih Država prva je primijenila materijale koji sadrže titan na gondolu i protupožarne stijenke motora DC2T, postigavši dobre rezultate. U području zrakoplovstva, legura titana je prvi put korištena kao ključni materijal u ventilatoru, kompresoru, oplati, trupu i stajnom trapu motora zrakoplova, što je rezultiralo ukupnim smanjenjem težine od oko 30% do 35%. Legura titana također je uspješno primijenjena u školjkama otpornim na pritisak, sustavima cjevovoda za morsku vodu, kondenzatorima i izmjenjivačima topline, lopaticama, propelerima i osovinama ispušnih ventilatora, oprugama, opremi za gašenje požara na nosačima zrakoplova, propelerima, uređajima za propulziju vodenim mlazom, kormilima i drugim pomorskim komponentama nuklearnih podmornica. Osim toga, zbog svoje izvrsne biokompatibilnosti, otpornosti na koroziju, mehaničkih svojstava i mogućnosti obrade, legura titana postala je najprikladniji biomedicinski metalni materijal i uspješno se primjenjuje u umjetnim zglobovima koljena, bedrenim zglobovima, zubnim implantatima, korijenima zuba i metalu za proteze podržava. Među njima, legure Ti6Al4V i Ti3Al-2.5V obično se koriste kao zamjenski materijali za bedrenu kost i tibiju u kliničkoj praksi zbog njihove dobre hladnoće, otpornosti na koroziju i mehaničkih svojstava.
Na temelju gore navedenog niza izvrsnih svojstava, legure titana prvi put su primijenjene u zrakoplovstvu. Godine 1953. tvrtka Douglas iz Sjedinjenih Država prva je primijenila materijale koji sadrže titan na gondolu i protupožarne stijenke motora DC2T, postigavši dobre rezultate. U području zrakoplovstva, legura titana je prvi put korištena kao ključni materijal u ventilatoru, kompresoru, oplati, trupu i stajnom trapu motora zrakoplova, što je rezultiralo ukupnim smanjenjem težine od oko 30% do 35%. Legura titana također je uspješno primijenjena u školjkama otpornim na pritisak, sustavima cjevovoda za morsku vodu, kondenzatorima i izmjenjivačima topline, lopaticama, propelerima i osovinama ispušnih ventilatora, oprugama, opremi za gašenje požara na nosačima zrakoplova, propelerima, uređajima za propulziju vodenim mlazom, kormilima i drugim pomorskim komponentama nuklearnih podmornica. Osim toga, zbog svoje izvrsne biokompatibilnosti, otpornosti na koroziju, mehaničkih svojstava i mogućnosti obrade, legura titana postala je najprikladniji biomedicinski metalni materijal i uspješno se primjenjuje u umjetnim zglobovima koljena, bedrenim zglobovima, zubnim implantatima, korijenima zuba i metalu za proteze podržava. Među njima, legure Ti6Al4V i Ti3Al-2.5V obično se koriste kao zamjenski materijali za bedrenu kost i tibiju u kliničkoj praksi zbog njihove dobre hladnoće, otpornosti na koroziju i mehaničkih svojstava.
Poteškoće u obradi legure titana
(1) Mali koeficijent deformacije: Ovo je istaknuta značajka u procesu rezanja materijala od legure titana. Tijekom procesa rezanja, površina kontakta između strugotine i prednje rezne površine je prevelika, a strugotina putuje puno duže na prednjoj reznoj površini alata od strugotine od uobičajenih materijala. Takvo dugotrajno hodanje može uzrokovati ozbiljno trošenje alata, a može se pojaviti i trenje tijekom procesa hodanja, što dovodi do povećanja temperature alata.
(2) Visoka temperatura rezanja: S jedne strane, mali koeficijent deformacije spomenut ranije može dovesti do djelomičnog povećanja temperature. Glavni razlog za visoku temperaturu rezanja u procesu rezanja legure titana je taj što je toplinska vodljivost legure titana vrlo mala, a duljina kontakta između strugotine i prednje rezne površine alata je kratka. Pod ovim čimbenicima, toplinu koja se stvara tijekom procesa rezanja teško je raspršiti i uglavnom se akumulira u blizini vrha alata, uzrokujući da lokalne temperature budu previsoke.
(3) Toplinska vodljivost legure titana je vrlo niska: toplina nastala rezanjem ne odvodi se lako. Proces tokarenja legure titana je proces visokog naprezanja i deformacije, koji stvara veliku količinu topline. Visoka toplina koja se stvara tijekom strojne obrade ne može se učinkovito raspršiti. Istodobno, kontaktna duljina između oštrice alata i strugotine je kratka, što uzrokuje nakupljanje velike količine topline na oštrici. Temperatura naglo raste, oštrica omekšava, a trošenje alata se ubrzava.
(4) Kemijska svojstva legura titana su značajna: na visokim temperaturama, legure titana lako reagiraju s materijalima alata, ubrzavajući stvaranje utora u obliku polumjeseca. Međutim, proces rezanja legura titana uglavnom se provodi na visokim temperaturama. Kada temperatura rezanja dosegne određenu razinu, molekule poput dušika i kisika u zraku mogu lako proći kroz kemijske reakcije s materijalima od titana, što rezultira stvaranjem lomljive i tvrde kože. Štoviše, plastična deformacija koja se događa na strojno obrađenoj površini obratka tijekom procesa rezanja titanskog materijala dovodi do pojave hladnog otvrdnjavanja, što rezultira otvrdnjavanjem na strojno obrađenoj površini materijala obratka. Ovi fenomeni mogu pogoršati trošenje alata za rezanje i smanjiti čvrstoću titanskih materijala na zamor.
(5) Alati za rezanje skloni su trošenju: Trošenje alata za rezanje rezultat je mnogih sveobuhvatnih čimbenika. Tijekom procesa rezanja materijala od legure titana lako je uzrokovati lom alata. Materijali od titana općenito pokazuju snažan kemijski afinitet između materijala alata u uvjetima visoke temperature. Osim toga, alati za rezanje i materijali od legure titana skloni su lijepljenju na visokim temperaturama, što dovodi do kratkog vijeka trajanja alata za rezanje. Dakle, postoje dva aspekta na koja se mora obratiti pozornost prilikom rezanja materijala od legure titana, a to su održavanje niske temperature rezanja i povećanje krutosti alata/materijala koji se reže. Alati s premazom jedan su od načina za poboljšanje krutosti alata.
Trenutačni status premaza na reznim alatima od legure titana
Zbog visoke kemijske aktivnosti i niske toplinske vodljivosti titanovih legura, temperatura rezanja tijekom procesa rezanja je visoka, kemijska reakcija je intenzivna, a alat brzo otkazuje, što rezultira kratkim vijekom trajanja alata i visokim troškovima obrade. Uzroci trošenja alata uključuju mehaničko trenje te fizičke i kemijske reakcije pod silama rezanja i temperaturama rezanja. Kao odgovor na poteškoće rezanja titanovih legura, odabrani materijal alata mora ispunjavati zahtjeve visoke tvrdoće, visoke čvrstoće, visoke toplinske vodljivosti, kemijske stabilnosti i dobre crvene tvrdoće [10]. Trenutačno priznat u industriji kao najbolji dijamantni alat za rezanje za obradu legura titana, ali zbog svoje visoke cijene, alati za rezanje obloženi tvrdom legurom još uvijek dominiraju tržištem rezanja legura titana,
Tradicionalna teorija rezanja tvrdi da presvučeni rezni alati nisu prikladni za obradu legura titana. To je zato što su većina tradicionalnih premaza binarne TiC ili ternarne TiCN prevlake, a Ti element u premazu je sklon afinitetu s obratkom, što dovodi do brzog kvara alata. Ezugwn i sur. koristio je CrN i TiCN premaze na podlogama od brzoreznog čelika i neobložene alate od tvrde legure volfram kobalt za rezanje TC4 legure titana. Studija je pokazala da je radni vijek alata s CrN premazom duži od vijeka trajanja alata s premazom TiCN i alata od tvrdih legura bez premaza. U isto vrijeme, eksperimenti rezanja su provedeni na Ti6A14V leguri titana korištenjem jednoslojne prevlake TiN i višeslojne prevlake TiN/TiCN/TiN pod istim uvjetima rezanja. Rezultati su pokazali da je temperatura nastala tijekom rezanja alata s višeslojnim premazom bila niža nego kod jednoslojnih premaza, a radni vijek alata također je bio viši nego kod jednoslojnih premaza.
Posljednjih godina, zbog stalne zrelosti i napretka inozemnih procesa i metoda pripreme premaza, sastav premaza alata postupno je postao raznolikiji, pa čak postoji i najprikladniji materijal za premaz za svaki materijal obratka. Štoviše, pojavile su se prevlake s boljim učinkom kao što su meke prevlake, supertvrde prevlake, višeslojne prevlake i nanokompozitne prevlake. Stoga se sve više alata s premazom primjenjuje za brzo rezanje legura titana i pokazalo se da su superiorni. Slika 2 prikazuje često korištene alate obložene tvrdom slitinom posljednjih godina.
