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Perché la lavorazione delle leghe di titanio è difficile e quali utensili sono adatti?

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Le leghe di titanio combinano un’elevata resistenza specifica, resistenza alla corrosione e resistenza a caldo, ma la bassa conduttività termica, la reattività chimica, il ritorno elastico e la pressione di contatto concentrata ne rendono difficile la lavorazione. Questa guida illustra i principali problemi di taglio e mette a confronto i materiali adatti per gli utensili, quali l’acciaio rapido, il carburo di tungsteno-cobalto, il diamante e il PCBN.

Perché la lavorazione delle leghe di titanio è difficile e quali utensili sono adatti?

Il titanio è un elemento allotropo. Al di sotto degli 882 °C presenta una struttura alfa esagonale a impacchettamento compatto; al di sopra degli 882 °C presenta una struttura beta cubica a corpo centrato. La lega modifica la temperatura di trasformazione e l'equilibrio di fase, dando origine a leghe di titanio alfa, beta e alfa-beta.

Caratteristiche che influenzano la lavorazione meccanica

Proprietà Significato pratico
Elevata resistenza specifica Bassa densità unita a una resistenza superiore a quella di molti acciai ad altissima resistenza.
Resistenza a caldo A temperature comprese tra 300 e 500 °C, la resistenza può essere circa dieci volte superiore a quella delle leghe di alluminio.
Resistenza alla corrosione Ottima resistenza all'aria umida e all'acqua di mare, sebbene la resistenza risulti inferiore in alcuni ambienti riducenti.
Elevata attività chimica A temperature elevate il titanio reagisce con l'ossigeno, l'azoto, l'idrogeno, i composti del carbonio, il vapore acqueo e l'ammoniaca. Ciò può dar luogo alla formazione di TiC, TiN, strati induriti dall'ossigeno e alla fragilizzazione da idrogeno.
Bassa conducibilità termica Circa un quarto di quella del nichel, un quinto di quella del ferro e un quattordicesimo di quella dell’alluminio. A temperatura ambiente, il Ti-6Al-4V presenta una conducibilità termica di circa 6,8 W/(m·°C) e il Ti-17 di circa 8,2 W/(m·°C).
Basso modulo elastico Circa 107.800 MPa a 20 °C, più o meno la metà di quella dell'acciaio.

Perché il titanio è difficile da tagliare

  • Il coefficiente di deformazione da taglio è prossimo a 1 o inferiore a 1, il che aumenta lo scorrimento del truciolo lungo la faccia di taglio e accelera l'usura.
  • La temperatura di taglio è elevata perché il calore si concentra in prossimità di una zona di contatto tra utensile e truciolo di dimensioni ridotte. A condizioni comparabili, il Ti-6Al-4V può funzionare a una temperatura di taglio più che doppia rispetto a quella dell’acciaio al carbonio di grado 45.
  • Sebbene la forza di taglio principale possa essere inferiore di circa 20% rispetto a quella dell'acciaio strutturale, la pressione di contatto può raggiungere il 130–150% di quella dell'acciaio di grado 45, concentrando la sollecitazione sul bordo.
  • L’assorbimento di gas e i prodotti di reazione danno origine a uno strato superficiale duro, fragile e non uniforme che compromette la resistenza alla fatica e favorisce la formazione di intaccature, scheggiature e sfaldature.
  • L'elevata affinità, la temperatura e la pressione causano una forte adesione e l'accumulo di materiale sull'utensile.
  • Una bassa rigidità consente la flessione del pezzo e il ritorno elastico, riducendo l'angolo di gioco effettivo e compromettendo la precisione.

Parti lavorate in lega di titanio

Scelta dei materiali per gli utensili

Le scelte più comuni sono l'acciaio rapido contenente cobalto, alluminio o vanadio; il carburo cementato di tungsteno-cobalto, talvolta con piccole aggiunte di altri carburi; e alcuni tipi di carburo con rivestimento PVD/CVD. I tipi di carburo di tungsteno-titanio e molti inserti rivestiti sono generalmente inadatti a questa applicazione.

Utensile Voti rappresentativi HSS Gradi rappresentativi di carburo/rivestiti
Rotazione W2Mo9Cr4V4Co8, W12Mo3Cr4V3Co5Si, W6Mo5Cr4V2Al YG6X, YA6, YG3X, YG8, YG10H, PM8635, PM8130
Fresatura W12Cr4V4Mo, W2Mo9Cr4V4Co8, W6Mo5Cr4V2Al YG8, K44UF
Foratura/alesatura W2Mo9Cr4VCo8, W6Mo5Cr4V2Al YG8, YG6X
Filettatura/brocciatura W6Mo5Cr4V2Al, W2Mo9Cr4VCo8 e relativi tipi di acciaio HSS al cobalto YG8 o YG10H per brocce

Gli utensili in diamante e in nitruro di boro cubico policristallino (PCBN) offrono ottime prestazioni nelle operazioni di finitura e di lavorazione ultraprecisa. Il diamante offre una durezza fino a circa 10.000 HV e un’eccellente conducibilità termica, ma deve essere mantenuto a temperature inferiori a circa 700–800 °C con un adeguato raffreddamento e lubrificazione. Il PCBN presenta una durezza inferiore, ma una stabilità termica superiore a 1.200 °C e un’elevata inerzia chimica nei confronti del titanio, il che lo rende adatto al taglio a secco ad alta temperatura.

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Azienda
Xinchuangmeng Co., Ltd.
Sede
Shenzhen, Guangdong, Cina
Servizio
Lavorazione di componenti di precisione
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E-mail
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Indirizzo
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