Прорывы в решении проблем обработки титановых сплавов

С развитием технологий добычи титана объем его производства постоянно растет [4], а цена непрерывно снижается. Однако титановые сплавы по-прежнему редко встречаются в повседневной жизни людей и являются синонимом роскоши и удовольствия. Это связано с тем, что превосходные свойства титановых сплавов также создают многочисленные трудности при их обработке и производстве.

Характеристики обработки титановых сплавов

Во-первых, теплопроводность титанового сплава чрезвычайно низкая, примерно 15 Вт/(м·К), что составляет от 1/5 до 1/7 от теплопроводности стали № 45, а температура резания высокая. Во-вторых, модуль упругости титановых сплавов невелик. Отскок во время резания приводит к увеличению трения и вызывает вибрацию инструмента. В-третьих, титановые сплавы обладают высокой химической реактивностью, а упрочненный поверхностный слой создает ударные нагрузки на режущие инструменты. В то же время высокая активность способствует адгезии, диффузии и химическим реакциям с материалами инструментов при высоких температурах.

Как показано на рисунке 1, наложение этих проблем образует взаимоусиливающуюся систему, которая резко увеличивает сложность обработки и ускоряет износ инструмента [5].

Рисунок 1. Характеристики титановых сплавов и влияние обработки. В зоне резания при высокой температуре и высоком давлении происходит цикл износа: адгезия — диффузия — ослабление микроструктуры — отслоение [5].

Существующие решения

Для решения проблемы резки титановых сплавов первым шагом является устранение явления прилипания при резке титановых сплавов. Многочисленные исследования доказали, что самосмазывающееся покрытие TiB2 является лучшим решением [6]. Однако при подготовке покрытий TiB2 для черновой обработки с помощью HIPIMS невозможно устранить недостатки, связанные с недостаточной прочностью сцепления и недостаточной прочностью керамических пленок, что приводит к значительному снижению режущих характеристик.

Технология дугового напыления, несомненно, может обеспечить высокую адгезию и высокую прочность покрытия. Однако однослойное дуговое покрытие не может обеспечить смазочные характеристики, подобные TiB2, в условиях высоких температур и высокого давления при тонкой обработке [7].

Когда Arc+HiPiMS, появятся сюрпризы

Как показано на рисунке 2 (A), самостоятельно разработанная компанией Huasheng платформа технологии композитного покрытия HA800 объединяет технологии покрытия HiPiMS и Arc в одну, что значительно расширяет возможности исследований и разработок в области процессов нанесения покрытий.

В ответ на особые требования к резке титановых сплавов компания Huasheng разработала покрытие HSR116. Сначала с помощью технологии Arc были подготовлены композитные пленки с высокой адгезией и высокой прочностью. Затем с помощью технологии HiPiMS на поверхностный слой было нанесено высокопрочное и самосмазывающееся керамическое покрытие TiB2.

Как показано на рисунке 3 (B), покрытие TiB2, изготовленное с помощью HiPiMS, плотно соединяется с покрытием TiAlXN, изготовленным с помощью Arc. В конечном итоге, подложка из твердого сплава — покрытие Arc — керамический слой TiB2 сформировали цельный инструмент с высокой силой сцепления, градиентом твердости и высокой прочностью [8].

Рисунок 2 (A) Платформа для нанесения композитного покрытия HA800; (B) Схематическое изображение внутренней структуры HA800 и изображение SEM двухслойной структуры HIPIMS и Arc покрытия HSR116

В ходе реальных испытаний резки TC4 инструмент с покрытием HSR116 продемонстрировал отличную универсальность и износостойкость. При тонкой обработке он достигает такого же срока службы, как и покрытие TiB2 с чистым магнитным контролем, и значительно превосходит по этому показателю покрытие TiAlN.

При черновой обработке оба покрытия имеют очевидные преимущества. Конкретные данные по резке приведены на рисунке 3:

На рисунке 3 показаны данные о сроке службы режущего инструмента при боковом фрезеровании и черновой обработке с использованием покрытия Huasheng HSR116, приобретенного на рынке покрытия TiAlN и приобретенного на рынке покрытия TiB2.

Проанализируем конкретно случаи бокового фрезерования с использованием покрытия HSR116 и покрытия TiAlN. Как видно из сравнения на рисунке 4 (C, D), покрытие TiAlN сильно прилипает, и под воздействием стружки большая часть подложки обнажилась. Поверхность покрытия HSR116 после резки остается чистой и без прилипания, с износом только на режущей кромке, что демонстрирует его антиадгезионные и износостойкие свойства.

Рисунок 4 (A) Таблица данных по боковому фрезерованию с использованием инструментов с покрытием HSR116 и TiAlN.

(B) Условия бокового фрезерования.

(C) Передняя поверхность инструмента с покрытием TiALN.

(D) Передняя поверхность инструмента с покрытием HSR116.

Очевидно, что такие режущие инструменты с покрытием неизбежно значительно снизят стоимость обработки титановых сплавов, что позволит этому металлу будущего по-настоящему войти в повседневную жизнь людей. Пусть мобильные телефоны из титанового сплава, велосипеды из титанового сплава и даже автомобили из титанового сплава перестанут быть дорогими и роскошными продуктами или научно-фантастическими концепциями.