Механические свойства титановых сплавов

Химический состав технического титана

Несмотря на высокую температуру плавления, чистый технический титан не обладает жаропрочностью, поэтому чаще применяют разные сплавы на его основе, обладающие более высокими характеристиками прочности и жаропрочности при сохранении достаточно высоких пластичности и коррозионной стойкости. В табл.4.22 показаны механические свойства титановых сплавов. Наибольшее применение нашли сплавы на основе титана, легированного алюминием, оловом, марганцем, хромом и ванадием.

Теплофизические и механические характеристики титановых сплавов являются основной причиной снижения скорости резания при их лезвийной обработке примерно в 5 раз по сравнению со скоростью резания конструкционных сталей.

Температура деформации при резании титановых сплавов достаточно высокая из-за малой удельной теплоемкости. Но поскольку в этом случае деформация происходит не по всему сечению стружки, а лишь по краям образующихся элементов, средняя температура деформации в зоне стружкообразования невелика. Образующаяся стружка - как правило, псевдосливная - состоит из отдельных малодеформированных элементов, связанных между собой в тонком прирезцовом слое стружки.

Отсутствие нароста и за­стойных явлений способствует неблагоприятной схеме износа режущего лезвия: деформации и округлении режущей кромки. Зачастую разрушение начинается с вершины инст­румента.

Таким образом, труднообрабатываемые материалы значительно различаются по свойствам и назначению (высокопрочные и сверхпрочные, коррозионностойкие, жаропрочные, жаростойкие тугоплавкие, магнитные и немагнитные и др.), строению и основному элементу, входящему в его состав (никелевые, кобальтовые, титановые, алюминиевые, вольфрамовые и др.). Из всего этого многообразия наиболее широко применяются жаропрочные, коррозионностойкие сплавы на основе железа, никеля, кобальта и титана.

Сплавы на основе кобальта и никеля характеризуются высокой жаропрочностью, они не теряют свои свойства при нагревании до 800-850°С. Высокую жаропрочность этих сплавов обеспечивают легирующие карбидообразующие тугоплавкие элементы (вольфрам, молибден, тантал, ниобий и др.), которые сдерживают рост размеров (коагуляцию) зерна при нагреве.

Процесс резания представляет собой комплекс чрезвычайно сложных явлений, зависящих от физико-механических свойств обрабатываемого материала, качества режущего инструмента, условий резания, состояния станка, жесткости технологической системы. При резании труднообрабатываемых материалов основной негативный фактор – это высокая температура в зоне резания, которая приводит к разупрочнению стандартных твердых сплавов, снижению стойкости режущего инструмента и вынужденному уменьшению скорости резания. Снижение скорости резания влечет за собой увеличение времени обработки, что сказывается на производительности и себестоимости обработки в целом.

Высокие значения твердости и прочности труднообрабатываемых материалов, которые сохраняются при нагревании до высоких температур (см. рис. 4.21 и 4.22), приводят к образованию интегральных термомеханических напряжений в зоне резания, которые повышают вероятность выхода из строя режущего инструмента вследствие его хрупкого или пластического (вязкого) разрушения.

Высокая химическая активность большинства труднообрабатываемых материалов, особенно при температурах, возникающих при резании, приводит к активизации физико-химических процессов на контактных площадках инструмента (граничная адгезия, твердофазные и жидкофазные диффузионные реакции между инструментальным и обрабатываемым материалами) и является главной причиной интенсификации таких видов изнашивания режущего инструмента, как адгезионно-усталостный и диффузионный. Склонность труднообрабатываемых материалов некоторых групп (например, никелевых сплавов) к механическому упрочнению в процессе пластического деформирования при резании (наклепу) приводит к росту интенсивности абразивного изнашивания. Кроме того, как правило, при упрочнении металла возрастают его упругие свойства, что приводит к увеличению упругого последействия, увеличению длины контакта задней поверхности и поверхности резания. Как следствие увеличивается тепловыделение за счет трения, что в совокупности со склонностью к адгезии инструментального и обрабатываемого материала приводит к изнашиванию контактной площадки задней поверхности режущего инструмента.

Краткий анализ свойств труднообрабатываемых материалов с точки зрения процесса резания показывает, что основными причинами отказов инструмента можно считать:

- потери формоустойчивости режущей части инструмента (пластическое разрушение);

- физико-химические виды изнашивания контактных площадок режущего инструмента, в частности адгезионно-усталостное изнашивание.

Таким образом, при лезвийной обработке труднообрабатываемых материалов возникает задача разработки инструментального материала улучшенного состава с учетом приведенных особенностей процесса резания труднообрабатываемых материалов. Одним из важнейших показателей инструментального материала в данном случае является повышенная теплостойкость и прочность.

Согласно международному стандарту ISO 513: 2004-07 при обработке резанием рассмотренные виды труднообрабатываемых материалов условно на группы обрабатываемости: M (обработка коррозионностойких сталей), S (обработка жаропрочных сталей и сплавов, титана и его сплавов) и H (обработка закаленных сталей и чугуны. В табл. 4.5 - 4.7 приведены рекомендации по применению инструментальных материалов для обработки коррозионностойких сталей. В табл. 4.23 приведены рекомендации по выбору инструментальных материалов и скоростям резания для обработки жаропрочных сталей и сплавов и титановых сплавов.