Титан: сложности и методы его обработки

Среди неспециалистов бытует мнение, что титан имеет явное сходство с нержавеющей сталью. А значит, его можно подвергать механической обработке. При этом такой металл все же прочнее стали, поэтому сама работа с ним примерно раз в пять труднее. Тем не менее, особых проблем металлообработка вызывать не должна.

Сложности обработки титановых изделий

На самом же деле все обстоит несколько сложнее, чем представляется на первый взгляд. Металл этот отличается сниженной теплопроводностью, способен задираться и налипать. Кроме того, сложность заключается и в том, что титан необычайно прочен и способен при термических работах спаиваться с режущим инструментом (ведь резец также состоит из металла и практически всегда оказывается более мягким, чем обрабатываемая деталь). В результате инструмент особенно быстро изнашивается и требует постоянной замены.

Говоря об обработке металла, профессионалы подразумевают несколько разных видов работ с титановыми деталями. У них существуют свои секреты, позволяющие нейтрализовать отрицательные свойства этого металла или свести их к минимуму. Например, специальные охлаждающие составы помогут уменьшить задирание либо налипание металла, а также снизить тот объем тепла, который выделяется при резке титана.

Титановые листы разрезают с помощью гильотинных ножниц. Прокатный сортовой металл крупного диаметра обычно подвергают резке специальными пилами механического типа. Этот инструмент отличается тем, что зуб полотна у него достаточно крупный. Если пруток имеет меньший диаметр, в ход можно пустить токарный станок. Кстати, токарная обработка данного металла осуществляется резцами, изготовленными из особо прочных сплавов. Но даже при этом обстоятельстве скорость работы должна быть снижена и обычно уступает той скорости, которая наблюдается при обработке стали-нержавейки.

Фрезеровка титановых деталей также вызывает сложности: на фрезерные зубцы металл начинает налипать. Чтобы избежать этого, необходимо использовать фрезу, изготовленную из сплавов высокой твердости. В качестве охладителей применяют жидкости, уровень вязкости которых повышен.

Отдельное внимание следует уделить сверлению титановых элементов. В канавках может скапливаться стружка, вследствие чего сверло начинает деформироваться. Сверлить титан можно с помощью стальных быстрорежущих инструментов.

Титан можно использовать также и в качестве материала для составляющих каких-либо конструкций. Детали из этого металла требуется соединять, и здесь применяют несколько методов. Стоит рассмотреть этот вопрос подробнее.

Особенности сварочных работ по титану

Сварка является наиболее часто используемым вариантом соединения титановых деталей. Поначалу любая попытка титановой сварки заканчивалась неудачей. Причины этого назывались разные. Считалось, что в микроструктуре металла происходят изменения, что титан вступает в реакцию в азотом, кислородом и водородом, которые содержатся в воздухе. Среди других факторов называлось возрастание зернистости при разогреве металла. В любом случае, швы оказывались предельно хрупкими. Однако все эти проблемы удалось достаточно быстро решить с помощью новых технологий. Поэтому в настоящее время сварка титановых элементов не вызывает особых сложностей и считается обыденной.

Вместе с тем, определенные нюансы при проведении сварочных работ все же наблюдаются. Чаще всего, это выражается в том, что сварочный шов требуется постоянно оберегать от примесей, которые его загрязняют. Чтобы избежать этого, сварщики применяют флюсы, действующие без кислорода, а также чистый инертный газ. Используются также специализированные прокладки и козырьки для защиты – они позволяют прикрывать остывающие швы и препятствуют загрязнению.

Подобные услуги по металлообработке предполагают повышенную скорость сварки. Это позволяет снизить возрастание зернистости и задержать любые деформации микроструктуры материала. Сварка осуществляется в стандартных условиях. Для того чтобы защитить горячий металл от вступления в реакцию с воздухом, используются отдельные предупреждающие меры.

Сварка может осуществляться и в атмосфере полной контролируемости. Соблюдать ее необходимо, когда требуется избежать даже возможности загрязнения шва. Такие требования выдвигаются для самых ответственных сварочных работ при гарантии чистоты в 100%. 

В случае, если нужно соединить небольшие по объему детали, работа проводится в особой камере, которая полностью заполняется инертным газом. Чтобы сварщику был виден весь фронт работ, камеру оснащают специальным окошком.

Если же необходимо соединить крупные элементы конструкции, работа проводится в помещении, герметично закрытом. Любая сварка должна осуществляться подготовленными людьми, а в данной ситуации к работе допускаются лишь профессиональнее сварщики с внушительным опытом. Для них в помещении предусматриваются системы жизнеобеспечения.

Другие способы соединения титановых деталей

Иногда сварка титана выглядит нецелесообразной. В этом случае зачастую используют пайку. Такой вид обработки титанового материала является довольно сложным. Причина в том, что при температурном воздействии оксидная пленка на поверхности детали приводит к весьма непрочному соединению вне зависимости от того, с каким металлом спаивается титан. Поэтому из всех металлов, идеально взаимодействующих с титаном при пайке, подходят лишь алюминий и серебро повышенной чистоты.

Еще один способ соединения титановых изделий между собой или с деталями из иных металлов – это клепка. Этот метод, как и применение болтов, является механическим. Если ставится заклепка из титана, работа существенно удлиняется. При использовании болтов необходимо покрывать их тефлоном либо серебром, в противном случае не избежать налипания титана, а само соединение окажется достаточно хрупким.

Способы нейтрализации минусов титана

Недостатком этого уникального металла является задирание, налипание, которое возникает при трении. В результате происходит ускоренное изнашивание титанового сплава. Если применяется фрезеровка металла, это обстоятельство нельзя не учитывать. Скользя по металлической поверхности, титан вступает в реакцию и начинает налипать, постепенно поглощая всю деталь.

Однако верхний слой титана можно сделать более прочной, устойчивой к истиранию и налипанию. В том числе, для этой цели используется азотирование. Метод состоит в выдерживании детали в азотном газе. Изделие должно быть разогрето в среднем до 900 градусов, а время выдержки составляет свыше суток. В результате азотирования поверхность элемента покрывается нитридной пленкой, придающей титану особую твердость. Как следствие – повышение износостойкости титановой детали.

Еще один метод, позволяющий повысить свойства металла, – это его оксидирование. Оно помогает устранить задирание. Титановую деталь необходимо нагреть, чтобы на ее поверхности возникла оксидная пленка. Она плотно покрывает верхний слой металла, не пропуская внутрь воздух.

Оксидирование может быть низко- и высокотемпературным. В последнем случае изделие выдерживают в течение нескольких часов в нагретом состоянии, а после чего опускают его в холодную воду. Это помогает ликвидировать окалину. Оксидированная таким образом деталь становится более устойчивой к изнашиванию сразу на несколько порядков.

Фрезерование титановых деталей

Титан применяется в самых разных промышленных сферах, в том числе, в самолетостроении и космонавтике. В этих отраслях чаще всего используются детали, выполненные из титана.

Нужно учитывать, что фрезерная обработка металла отличается сложностью. Поэтому для таких работ требуется применять острые фрезы с повышенной скоростью. Следует также максимально снизить контакт детали с резцом. Фрезерование начинается по дуге, а в конце работы фаска должна сниматься под определенным углом.

Квалификация фрезеровщика играет серьезную роль не только в выполнении самих работ, но и в определении их стоимости. Многое будет также зависеть и от того, насколько сложной выглядит геометрия создаваемого из титана элемента.