Обработка титановых сплавов

Титан — прочный и легкий металл серебристо-белого отлива с низкой теплопроводностью. Практически в два раза легче углекислых сталей, отличается более высокими требованиями и ограничениями в сравнении с другими видами металла.

Средства и способы обработки

Сплавы из титана способны сильно влиять на режущий материал, а также на сам процесс резания, вызывая вибрацию в процессе работы и налипание на инструмент, чем быстро его изнашивает.

Свойства:

• высокая стойкость к коррозии;
• пониженный модуль упругости;
• высокая прочность к вес — плотность титана составляет 60 % плотности стали;
• пониженная теплопроводность.

Это показывает генерацию титана и его концентрированную и высокую силу резания в процессе обработки. В зоне резания образуется большое количество тепла, что дает опасность деформационного упрочнения детали и сильного налипания. Поэтому для практичной обработки титана выбираются сплав определенной марки и размер сменной пластины.

Для снижения налипания и отвода поступающего тепла используют следующие способы:

• во избежание повышенного нагрева обработку титана резцами выполняют на небольших скоростях;
• при резке применяют жидкости охлаждающего типа;
• инструменты используют из сплавов твердых металлов для заточки изделия.

Так как детали из титана изнашиваются достаточно быстро, состав металла редко используют для создания необходимых деталей, которые эксплуатируются в работе скольжения и трения. В процессе движения сообщающихся деталей титан уменьшает их скорость, вызывая связующий эффект трущихся поверхностей. Устранить этот недостаток позволяют оксидирование и азотирование металла.

Оксидирование — способ, заключающийся в повышении температуры изделия из титана до 850 °С и резком охлаждении в воде. Это образует на поверхности изделия плотную пленочку, отлично связывающуюся со слоем основного материала. Это увеличивает уровень прочности детали и сопротивление к истиранию в несколько раз.

Азотирование — практический техно-метод нагрева детали до 850-950 °С из титанового сплава и пребывании ее в чистом азоте в течение несколько минут. Такая химическая реакция образует на поверхности детали пленочку золотого оттенка из нитрида металла, обладающую значительным сопротивлением к истиранию. Прошедшие такую обработку детали имеют высокий уровень износостойкости и не уступают изделиям, созданным из специально упрочненных сталей.

Резка и сверление титана

При технологии нарезки заготовок используют специальные инструменты и различное оборудование. Прутки малого диаметра нарезают токарными станками. Гильотинными ножницами режут листы. Механической пилой пилят заготовки сортового проката.

Самым трудным вариантом обработки титана считают фрезерование. Титановый сплав прилипает к зубьям фрезеровочного инструмента, усложняя его работу. По этой причине используют инструменты из твердых металлов, а в процессе работы применяют охлаждающие смазывающие средства, имеющие свойство большой вязкости.

В процессе операции сверления нужен контроль за стружкой, которая накапливается в отводных каналах. Иначе инструмент придет к быстрому износу и поломке. Выполняя работу фрезерования глубоких карманов, необходимо использовать инструменты разной длины с помощью адаптеров, но не выполнять соответствующую работу одним инструментом большой длины. Для сверления используют фрезы, сделанные из быстрорежущей стали.

Соединение деталей из титана и их элементов

Если частью конструкции детали выступает титан, то соединение деталей производится с помощью определенных способов:

• пайки;
• соединения болтовым креплением;
• сварки;
• механически с применением заклепок.

Наиболее распространенный метод – сварка. Для обеспечения прочности сварочного шва части деталей соединяют в среде специальных бескислородных флюсов или инертного газа. Любое взаимодействие титана при повышении температуры в расплавленном виде с химическими элементами, находящимися в воздушной смеси, приводит к увеличению зернистости, изменению уровня хрупкости шва и в целом микроструктуры. Работы с помощью сварки выполняют на больших скоростных оборотах.

Также распространен способ сварки в управляемой среде. Это соединение малогабаритных элементов, помещенных в камеры специального назначения, заполненные инертным газом. Если элементы значительно больших размеров, то работы по сварке производят в герметично изолированных помещениях.

Виды сварочных соединений:

• вариант соединения — электрошлаковый;
• электродуговая в облаке защитного газа за счет неплавящегося или расплавляющегося электрода;
• электроннолучевая технология;
• электродуговая с использованием флюса;
• точечная.

Выполнение сварки титана доверяют специалистам, имеющим определенную подготовку.

Пайка используется, когда работы по сварке применить нерационально, так как процесс осложнен химическими реакциями. Поверхность титана имеет альфированный слой, и перед началом пайки этот слой удаляется определенной обработкой (пескоструйной) или раствором, имеющем в составе 30-40 мл. HCI, 20-30 мл H2NO3 на 1 литр воды. Очистка проходит при комнатной температуре в течение 5-10 минут. Большая часть металлов не подходит для припаивания и соединения титановых деталей, поэтому ключевыми металлами являются чистые серебро и алюминий.

Пайку металла совместно с его сплавами проводят в аргоне марки A или в вакууме, предварительно освобожденных от примесей азота, кислорода и паров воды. Лишь в такой чистой атмосфере нитридная и окисная пленочки растворяются в металле, если температура пайки превышает 700 °С. Обычный температурный режим пайки составляет 800-900 °С. Это благоприятствует хорошей очистке поверхности и отличному смачиванию его припоями. При значительно повышенных температурах пайку титана используют очень редко. При долгом нагреве свыше 900 °С начинается разрастание зерна и минимизирование пластических качеств.

Механический тип соединения различных деталей из титана выполняют за счет креплений болтами и клепками. Заклепки создают из алюминия, а изготовленные болты покрывают напылением тефлона синтетического происхождения или серебра. Эта технология предназначена для того, чтобы при завинчивании не проявлялось качество налипания. Ведь это может привести к ненадежности и непрочности фиксации деталей.

Техника флюса в сварке титана

Применение флюса — способ получения прочного и качественного шва. Его использование способствует образованию металла с мелкозернистой, более прочной и плотной структурой.

Особенности флюса:

• Марка защитной детали для соединения металла толщиной 8 мм выбирается АНТ-1, это толстые заготовки.
• Флюсовый материал перед использованием высушивают при t=250°С. Одна сторона защищает флюс медной деталью или флюсовой прокладкой, основная — защитной пастой.
• Применение специальной аппаратуры. Основной режим — постоянный ток обратной полярности. Средний показатель тока: 600-650 А.