מדוע סגסוגות טיטניום קשות לעיבוד בהתבסס על תכונות החומר שלהן? - חדשות

כשזה מגיע לעיבוד שבביסגסוגות טיטניום, סגסוגת הטיטניום הראשונה שעולה בראש היא כנראה Ti-6Al-4V. Ti-6Al-4V היא סגסוגת הטיטניום המוקדמת והמפותחת ביותר בעולם, ומהווה יותר ממחצית ממוצרי סגסוגת טיטניום. במיוחד עבור הרובוטים האנושיים המשגשגים, Ti-6Al-4V הוא החומר המועדף בשל מחירו הסביר, חוזק גבוה ודרישות קלות משקל. ההרכב הנומינלי של Ti-6Al-4V הוא 6% אלומיניום (Al) ו-4% ונדיום (V). אלומיניום הוא האלמנט המייצב-פאזי, משפר את טמפרטורת החדר של הסגסוגת וחוזק טמפרטורות גבוהות, בעוד ונדיום הוא האלמנט מייצב-phase, משפר את הפלסטיות העיבוד ואת היציבות התרמית של החומר. מבנה + דו-פאזי זה מעניק לסגסוגות Ti-6Al-4V תכונות מכניות מקיפות מצוינות. עם זאת, כדי לייצר חלקי סגסוגת טיטניום Ti-6Al-4V העומדים בדרישות ההרכבה, עיבוד שבבי הוא בעיה בלתי נמנעת. אז היום, נדון מדוע עיבוד סגסוגות טיטניום Ti-6Al-4V קשה מנקודת המבט של תכונות החומר שלה.

מכל הגורמים התורמים לקושי בעיבוד Ti-6Al-4V, המוליכות התרמית הנמוכה ביותר שלו מוכרת באופן נרחב כקריטי והמכריע ביותר. זה כמו תיבת פנדורה המופעלת על ידי תהליך החיתוך, הגורמת לסדרה של תגובות שרשרת ושולטת באתגרי העיבוד שלה. חיתוך מתכת הוא בעצם דפורמציה פלסטית אלימה, שבה 99% מהאנרגיה המכנית מומרת לחום. פלדות רגילות וסגסוגות אלומיניום, עם המוליכות התרמית הטובה שלהן, יכולות לסחוב 60%-80% מהחום דרך השבבים, כאשר רוב החום נישא על ידי השבבים, מה שמשאיר רק 10%-20% ליישום על כלי החיתוך. עם זאת, ל-Ti-6Al-4V מוליכות תרמית נמוכה במיוחד, רק 1/6-1/7 של פלדת פחמן בינונית כמו פלדה 45 ו-1/16 של סגסוגות אלומיניום, מה שהופך אותה ל"מבודד תרמי". כתוצאה מכך מעל 80% מהחום מרוכז מאוד באזור הצר בקצה הכלי, ויוצר הצטברות חום קיצונית. הצטברות חום מתמשכת זו יכולה להגיע בקלות או אפילו לעלות על 1000 מעלות, טמפרטורות גבוהות כאלה הן קטסטרופליות עבור כלי חיתוך. לדוגמה, טמפרטורות גבוהות עלולות לגרום לריכוך תרמי של חומרי כלי עבודה כגון קרביד צמנט ופלדה במהירות גבוהה, להפחית באופן דרסטי את קשיותם ועמידותם בפני שחיקה. במקביל, הוא מפעיל דיפוזיה אטומית, ומחמיר את הדיפוזיה והבלאי הדבק בין הכלי לחומר העבודה. ניתוק קצוות מובנה יכול גם לגרום לשחיקה של המכתשים, ותגובות חמצון בסביבה בטמפרטורה גבוהה ועשירה בחמצן פוגעות עוד יותר בכלי. בינתיים, עבור סגסוגות טיטניום מעובדות, טמפרטורות גבוהות מועברות למשטח המעובד, מה שגורם לכוויות פני השטח, שינויים מטאלוגרפיים והחלשת ביצועי העייפות ועמידותם בפני קורוזיה של החלקים. זה גם מקדם את התגובה של שכבת פני השטח Ti-6Al-4V עם אלמנטים O ו-N באוויר, ויוצרים שכבה דקה, שבירה וקשיחה או שכבת ניטריד. שכבה זו לא רק מקשה על החיתוך אלא גם לובשת את קצה החיתוך ומחריפה את התקשות העבודה, ויוצרת מעגל קסמים.

חשוב מכך, סביבת-הטמפרטורה הגבוהה הנגרמת על ידי מוליכות תרמית נמוכה פועלת כזרז, ומעצימה מאוד את ההשפעות השליליות של מאפיינים אחרים שקשה-לעבד אותם. לדוגמה, הוא מפעיל פעילות כימית, ומגביר תגובות כימיות בין הכלי לחומר העבודה, עליהן נדון בסעיף מאוחר יותר. לכן, שליטה בהצטברות של חום חיתוך פותרת חצי מהבעיה של עיבוד Ti-6Al-4V. לפיכך, מטרת הליבה של אסטרטגיות אופטימיזציה כגון ציפויי כלים חדשים, קירור בלחץ גבוה ובטמפרטורה נמוכה היא לשלוט ביעילות על הצטברות החום באזור החיתוך.

מבנה המיקרו ומורפולוגיה של השבבים של Ti-6Al-4V גם משפיעים באופן משמעותי על יכולת העיבוד שלו. חשוב מכך, כל הגורמים הללו אינם מבודדים אלא קשורים זה בזה, ויוצרים "מערכת קשה לעיבוד" מורכבת, -מחזקת את עצמה.

titanium Gr5 bars