Durchbrüche bei der Bewältigung der Verarbeitungsschwierigkeiten von Titanlegierungen

Mit dem Fortschritt der Titangewinnungstechnologie ist die Titanproduktion kontinuierlich gestiegen [4], während der Preis stetig gesunken ist. Dennoch sind Titanlegierungen im Alltag noch selten anzutreffen und gelten weiterhin als Inbegriff von Luxus und Genuss. Dies liegt daran, dass die hervorragenden Eigenschaften von Titanlegierungen auch zahlreiche Schwierigkeiten bei ihrer Verarbeitung und Herstellung mit sich bringen.

Die Verarbeitungseigenschaften von Titanlegierungen

Erstens ist die Wärmeleitfähigkeit von Titanlegierungen mit ca. 15 W/(m·K) extrem niedrig und beträgt nur 1/5 bis 1/7 derjenigen von Stahl Nr. 45, was zu hohen Schnitttemperaturen führt. Zweitens ist der Elastizitätsmodul von Titanlegierungen gering. Der Rückprall beim Schneiden erhöht die Reibung und verursacht Werkzeugvibrationen. Drittens weisen Titanlegierungen eine hohe chemische Reaktivität auf, und die gehärtete Oberflächenschicht führt zu Stoßbelastungen der Schneidwerkzeuge. Gleichzeitig begünstigt die hohe Reaktivität Adhäsion, Diffusion und chemische Reaktionen mit Werkzeugmaterialien bei hohen Temperaturen.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, bildet die Überlagerung dieser Probleme ein sich gegenseitig verstärkendes System, das die Bearbeitungsschwierigkeiten stark erhöht und den Werkzeugverschleiß beschleunigt [5].

Abbildung 1 Eigenschaften von Titanlegierungen und die Auswirkungen der Bearbeitung. Im Schnittbereich tritt unter hoher Temperatur und hohem Druck ein Verschleißzyklus aus Adhäsion, Diffusion, Gefügeschwächung und Abplatzung auf [5].

Bestehende Lösungen

Um das Problem der Zerspanung von Titanlegierungen zu lösen, muss zunächst die Haftung des Materials beim Zerspanen untersucht werden. Zahlreiche Studien belegen, dass selbstschmierende TiB₂-Beschichtungen die beste Lösung darstellen [6]. Bei der Herstellung von TiB₂-Beschichtungen für die Schruppbearbeitung mittels HIPIMS (High-Integrated Physical Instruction Massive Surface) lassen sich jedoch die Nachteile unzureichender Haftfestigkeit und Zähigkeit der Keramikschichten nicht beheben, was zu einer deutlichen Verringerung der Zerspanungsleistung führt.

Die Lichtbogentechnologie kann zweifellos eine hohe Haftung und Zähigkeit der Beschichtung gewährleisten. Allerdings kann eine einzelne Lichtbogenbeschichtung unter den Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen der Feinbearbeitung nicht die Schmiereigenschaften von TiB2 erreichen [7].

Wenn Arc+HiPiMS zusammenkommt, werden Überraschungen auftauchen

Wie in Abbildung 2 (A) dargestellt, integriert die von Huasheng selbst entwickelte HA800-Verbundbeschichtungstechnologieplattform die HiPiMS- und Lichtbogenbeschichtungstechnologien in eine einzige und erweitert damit den Forschungs- und Entwicklungsspielraum für Beschichtungsprozesse erheblich.

Als Antwort auf die besonderen Anforderungen beim Schneiden von Titanlegierungen hat Huasheng die HSR116-Beschichtung entwickelt. Zunächst wurden mittels Lichtbogentechnologie Verbundfilme mit hoher Haftung und hoher Zähigkeit hergestellt. Anschließend wurde mithilfe der HiPiMS-Technologie eine hochharte und selbstschmierende TiB₂-Keramikbeschichtung auf die Oberflächenschicht aufgebracht.

Wie in Abbildung 3 (B) dargestellt, ist die mittels HiPiMS hergestellte TiB2-Beschichtung fest mit der mittels Lichtbogen erzeugten TiAlXN-Beschichtung verbunden. Letztendlich bildete das Hartmetallsubstrat – die Lichtbogenbeschichtung – die TiB2-Keramikschicht ein integriertes Werkzeug mit hoher Haftkraft, Härtegradient und hoher Festigkeit [8].

Abbildung 2 (A) HA800-Verbundbeschichtungsplattform; (B) Schematische Darstellung der inneren Struktur von HA800 und REM-Aufnahme der HIPIMS- und Arc-Doppelschichtstruktur der HSR116-Beschichtung

Im praktischen Schneidtest an TC4 bewies das mit HSR116 beschichtete Werkzeug hervorragende Vielseitigkeit und Verschleißfestigkeit. Bei der Feinbearbeitung erreichte es die gleiche Standzeit wie die rein magnetisch kontrollierte TiB2-Beschichtung und war deutlich länger als die der TiAlN-Beschichtung.

Bei der Schruppbearbeitung weisen beide Beschichtungen deutliche Vorteile auf. Die spezifischen Schnittdaten sind in Abbildung 3 dargestellt:

Abbildung 3 zeigt die Standzeitdaten für die Seitenfräsbearbeitung und die Schruppbearbeitung der Huasheng HSR116-Beschichtung, der im Handel erhältlichen TiAlN-Beschichtung und der im Handel erhältlichen TiB2-Beschichtung.

Analysieren Sie insbesondere die Fälle des Seitenfräsens von HSR116- und TiAlN-Beschichtungen. Wie der Vergleich in Abbildung 4 (C, D) zeigt, haftet die TiAlN-Beschichtung stark an, und durch den Späneaufprall wurde ein großer Teil des Substrats freigelegt. Die Oberfläche der HSR116-Beschichtung bleibt nach dem Schneiden sauber und frei von Anhaftungen; lediglich an der Schneidkante ist Verschleiß zu erkennen. Dies belegt ihre Antihaft- und Verschleißfestigkeit.

Abbildung 4 (A) Datentabelle zur Seitenfräsbearbeitung von HSR116- und TiAlN-beschichteten Werkzeugen

(B) Bedingungen für das Seitenfräsen

(C) TiALN-beschichtete Werkzeugspanfläche \ n

(D) Mit HSR116 beschichtete Werkzeugspanfläche

Beschichtete Schneidwerkzeuge dieser Art werden die Verarbeitungskosten von Titanlegierungen deutlich senken und diesem Zukunftsmetall den Weg in den Alltag ebnen. Titanlegierungen für Mobiltelefone, Fahrräder und sogar Autos werden dann keine teuren Luxusprodukte oder Science-Fiction-Konzepte mehr sein.