Wat is titanium?
Titanium, aangeduid met het chemische symbool Ti en atoomnummer 22, is een glanzend overgangsmetaal dat bekend staat om zijn uitzonderlijke sterkte-gewichtsverhouding, corrosiebestendigheid en biocompatibiliteit. Titanium werd aan het eind van de 18e eeuw ontdekt en is onmisbaar geworden in verschillende industrieën, waaronder de lucht- en ruimtevaart, de medische sector, de auto-industrie en de scheepvaart.
Wat zijn de verschillende titaniumkwaliteiten voor CNC-bewerking?
Titanium is een veelzijdig metaal dat vanwege zijn unieke eigenschappen vaak wordt gebruikt bij CNC-verspaning. Er zijn verschillende titaniumsoorten beschikbaar, elk met unieke eigenschappen die ze geschikt maken voor verschillende toepassingen. De titaniumsoorten die meestal worden gebruikt bij CNC-verspaning worden hieronder in detail beschreven.
Grade 1: Commercieel zuiver titanium (laag zuurstofgehalte)
Titaan graad 1 is het zachtste en meest kneedbare, waardoor het machinaal te bewerken is. Toepassingen in zware omgevingen vereisen een sterke corrosiebestendigheid en slagvastheid. Deze biocompatibele kwaliteit heeft de voorkeur in medische implantaten en apparatuur vanwege de veiligheid. Componenten met hoge precisie en stabiliteit profiteren van de lage thermische uitzettingscoëfficiënt, die thermische spanningen vermindert. De lage sterkte beperkt het gebruik in toepassingen met hoge spanning in vergelijking met andere kwaliteiten.
Graad 2: Commercieel zuiver titanium (standaard zuurstofgehalte)
Grade 2, ook wel bekend als “werkpaard” titanium, is sterk, buigzaam en corrosiebestendig. Met goede bewerkbaarheid en lasbaarheid is het sterker dan graad 1. Het is geschikt voor ruimtevaartonderdelen, chemische verwerkingsapparatuur en maritieme omgevingen. Het aanpassingsvermogen maakt het geschikt voor industrieën die matige sterkte en corrosiebestendigheid nodig hebben. Grade 2 is zwakker dan titaanlegeringen ondanks de voordelen.
Graad 3: Commercieel zuiver titanium (gemiddeld zuurstofgehalte)
Titaan graad 3 is sterker dan graad 1 en 2, maar minder vervormbaar en vervormbaar. Deze kwaliteit wordt gebruikt in vliegtuigtoepassingen die meer sterkte vereisen zonder gewicht toe te voegen vanwege de corrosiebestendigheid. Door zijn sterkte is machinale bewerking moeilijker dan bij de zachtere kwaliteiten, waardoor zorgvuldige controle nodig is om slijtage van het gereedschap te voorkomen.
Graad 4: Commercieel zuiver titanium (hoog zuurstofgehalte)
Grade 4 is de sterkste commercieel zuivere titaniumsoort, met uitzonderlijke corrosie en mechanische kwaliteiten. Het wordt gebruikt in luchtvaartonderdelen en chirurgische apparatuur die sterk en duurzaam moeten zijn. Vanwege de hardheid vereist het bewerken van graad 4 titanium speciale apparatuur en processen om de gespecificeerde toleranties te behalen zonder slijtage van het gereedschap of vervorming van het werkstuk.
Graad 5: Titaniumlegering (Ti-6Al-4V)
Titaan graad 5, Ti-6Al-4V, is een populaire titaanlegering vanwege de hoge sterkte-gewichtsverhouding en corrosiebestendigheid. Deze legering bevat aluminium en vanadium, waardoor de mechanische eigenschappen beter zijn dan bij puur titanium. Het wordt gebruikt in de ruimtevaart, defensie en hoogwaardige auto-onderdelen. Verspaning van graad 5 is harder en heeft de neiging tot werkharding, daarom moeten snijsnelheden en gereedschapsselectie zorgvuldig overwogen worden.
Graad 6: Titaniumlegering (Ti-5Al-2,5Sn)
Titaan van graad 6 bestaat uit aluminium en tin, wat zorgt voor een goede lasbaarheid en prestaties bij hoge temperaturen. Deze kwaliteit wordt vaak gebruikt in vliegtuigrompen en straalmotoren, waar hittebestendigheid cruciaal is. Hoewel het betere mechanische eigenschappen heeft dan zuiver titanium, blijven er bewerkingsproblemen door de hogere hardheid in vergelijking met graad 1 en 2.
Graad 7: Titaanlegering (Ti-0.15Pd)
Palladium is toegevoegd aan graad 7 titanium, waardoor het nog beter bestand is tegen corrosie dan normale commercieel zuivere kwaliteiten. Hierdoor werkt het bijzonder goed in chemische bewerkingen die blootstelling aan zware omstandigheden vereisen. Door zijn speciale eigenschappen kan het worden gebruikt in mariene omgevingen en bij de productie van chloraat. Omdat het hard is, is het echter moeilijk te bewerken, net als andere titaniumsoorten.
Graad 11: Titaanlegering (Ti-0.15Pd)
Grade 11 titaniumlegering is vergelijkbaar met Grade 7, maar met verbeterde vervormbaarheid, waardoor het geschikt is voor gebruik in zeer corrosieve omgevingen zoals zeewater. Het behoudt een hoge biocompatibiliteit terwijl het verbeterde mechanische kwaliteiten biedt die geschikt zijn voor een verscheidenheid aan industriële toepassingen. Bij het bewerken van deze kwaliteit doen zich dezelfde problemen voor als bij andere legeringen, maar deze kunnen met de juiste procedures worden beperkt.
Graad 12: Titaniumlegering (Ti-0,3Mo-0,8Ni)
De structuur van Grade 12 bevat molybdeen en nikkel, wat resulteert in uitzonderlijke lasbaarheid en corrosiebestendigheid. Deze kwaliteit wordt vaak gebruikt in warmtewisselaars en maritieme toepassingen omdat het bestand is tegen zware omstandigheden met behoud van structurele integriteit. Hoewel het grote voordelen heeft ten opzichte van zuiver titanium, blijft de complexiteit van de bewerking een probleem.
Graad 23: Titaniumlegering (Ti-6Al-4V ELI)
Grade 23 is een extra lage interstitiële variant van Grade 5, voornamelijk gemaakt voor medische toepassingen waarbij biocompatibiliteit van cruciaal belang is. De verfijnde samenstelling zorgt voor een hogere breuktaaiheid met behoud van de hoge sterkte die nodig is voor chirurgische implantaten en hulpmiddelen. Vanwege de unieke kwaliteiten vereist het bewerken van deze kwaliteit speciale aandacht, maar het eindresultaat zijn onderdelen die voldoen aan hoge medische normen.
Waarom titanium kiezen voor CNC-bewerkingsonderdelen?
De keuze voor titanium als materiaal voor CNC-bewerkingsonderdelen biedt vele voordelen, waardoor het in diverse industrieën de voorkeur geniet.
Uitzonderlijke verhouding sterkte/gewicht
Hoewel titanium 5% zwakker is dan staal, weegt het 40% minder. In luchtvaart- en automobieltoepassingen, waar gewichtsvermindering cruciaal is voor prestaties en efficiëntie, stelt deze eigenschap fabrikanten in staat lichtgewicht maar sterke onderdelen te ontwikkelen. Het vermogen om een hoge sterkte te behouden terwijl de massa wordt geminimaliseerd, is een game-changer in prestatiegerichte sectoren.
Hoge corrosieweerstand
Titanium is corrosiebestendig, vooral in extreme situaties zoals maritieme en chemische verwerking. Voor onderdelen die zware omstandigheden moeten verdragen, is titanium bestand tegen zeewater, zuren en andere corrosieve stoffen zonder achteruit te gaan. Dit verlengt de levensduur van onderdelen en verlaagt de onderhoudskosten.
Medische implantaten en gadgets gebruiken titanium vanwege de biocompatibiliteit. Chirurgische toepassingen zoals gewrichtsvervangingen en tandheelkundige implantaten zijn veilig omdat de stof niet reageert met menselijk weefsel. In de gezondheidszorg maakt de niet-toxiciteit het geschikter.
Duurzaamheid en weerstand tegen vermoeiing
Dankzij de vermoeiingsweerstand en duurzaamheid van titanium kunnen onderdelen herhaalde belasting doorstaan zonder defect te raken. Ruimtevaartonderdelen worden cyclisch belast, waardoor deze kwaliteit van cruciaal belang is. Titanium onderdelen zijn betrouwbaar in essentiële toepassingen omdat ze goed presteren onder stress.
Niet-magnetische eigenschappen
Titanium is ook nuttig omdat het niet magnetisch is, dus het kan gebruikt worden op plaatsen waar magnetische verstoring een probleem kan zijn. Deze eigenschap is erg nuttig in medische omgevingen (zoals MRI-machines) en elektronische gadgets die magnetische velden moeten controleren.
Machineerbaarheid en vervormbaarheid
Ti is moeilijk te produceren vanwege de beperkte warmtegeleiding en de neiging tot werkharding, maar CNC-verspaning heeft het gemakkelijker gemaakt. Fabrikanten kunnen de speciale kwaliteiten van titanium gebruiken door CNC-machines te gebruiken voor het snijden en tolereren van gecompliceerde geometrieën. De juiste snijgereedschappen, snelheden en koelsystemen kunnen de warmteaccumulatie tijdens de bewerking verminderen.
Milieuduurzaamheid
Titanium is ook zeer goed recyclebaar, wat het nog aantrekkelijker maakt als milieuverantwoord materiaal. De mogelijkheid om titanium te recyclen minimaliseert afval en verhoogt de duurzaamheid van productieactiviteiten.
Uitdagingen bij het bewerken van titanium
Bij het verspanen van titanium zijn er verschillende obstakels die het productieproces kunnen belemmeren. Inzicht in deze obstakels is essentieel voor het produceren van CNC-uitvoer van hoge kwaliteit. Dit zijn de belangrijkste uitdagingen bij het bewerken van titanium.
Warmteontwikkeling
De beperkte thermische geleidbaarheid van titanium zorgt ervoor dat bewerkingswarmte zich verzamelt op het snijgereedschap-werkstuk raakvlak. Hitteopbouw kan de slijtage van het gereedschap versnellen, de levensduur van het gereedschap verkorten en de oppervlaktekwaliteit van het bewerkte voorwerp aantasten. Hitte kan titanium verharden, waardoor het moeilijker te bewerken is als het niet goed behandeld wordt. Gebruik hogedrukkoelvloeistofsystemen en optimaliseer de voedingssnelheden en spindelsnelheden om dit probleem te voorkomen.
Hoge snijkrachten
Voor hun sterkte en hardheid hebben titaanlegeringen grote snijkrachten nodig. Hoge krachten kunnen trillingen en doorbuiging veroorzaken tijdens het bewerken, wat kan leiden tot productfouten en slijtage van gereedschap. Machineoperators moeten stevige werkstukken en scherpe titaniumspecifieke gereedschappen gebruiken om dit probleem op te lossen.
Chemische reactiviteit
Titanium reageert chemisch bij hoge temperaturen. Deze reactiviteit kan oppervlakteoxidatie en galling veroorzaken, waardoor materiaal aan het snijgereedschap blijft kleven en het beschadigd raakt. Zuurstof tast de titaniumlegering aan, waardoor de corrosiebestendigheid afneemt. Door de juiste snijvloeistoffen te gebruiken en bij lagere temperaturen te verspanen, kunnen deze invloeden worden verminderd.
Elastische vervorming
Titanium vervormt onder snijkrachten door de lagere elasticiteitsmodulus dan staal. Hierdoor kunnen slanke voorwerpen buigen of vervormen tijdens het bewerken, wat kan resulteren in afmetingen die buiten de tolerantie vallen. Gebruik stijve werkstukken en snijparameters die doorbuiging minimaliseren om dit probleem op te lossen.
Built-Up Edge (BUE)
Het bewerken van titanium veroorzaakt vaak afzetting van snijgereedschap. Spanen op de snijkant van het gereedschap maken het gereedschap bot en genereren hitte. Om BUE te voorkomen en de snijcondities te optimaliseren, zijn oplossingen voor spaanafvoer nodig, zoals het rechtstreeks aanbrengen van koelvloeistof onder hoge druk op de snijkant.
Chipbediening
Lange, dunne titanium spanen kunnen zich om machines wikkelen of bewerkte oppervlakken beschadigen als ze niet goed onder controle worden gehouden. Deze spanen belemmeren de warmteoverdracht weg van de werkzone, waardoor de warmteopbouw verergert. Om de spanen beter onder controle te houden en schade te voorkomen, moeten verspaners gereedschappen en bewerkingsprocedures ontwikkelen die kortere spaanvorming stimuleren.
restspanning
De kristalstructuur en werkharding van titanium kunnen restspanningen veroorzaken tijdens het bewerken. Als deze spanningen niet worden opgevangen, kan dit leiden tot vervorming of breuk in het voltooide product. Het toepassen van bewerkingstechnieken die rekening houden met deze spanningen, zoals dieper snijden, kan helpen.
Tips voor CNC-bewerking van titanium
Hoewel titanium erg moeilijk te bewerken is, zijn er nog steeds veel industrieën en ontwerpers vanwege de vele voordelen.Op basis van onze jarenlange ervaring in het bewerken van titanium hebben we de volgende lessen samengevat.
Kies het juiste snijgereedschap
Gebruik titaniumspecifiek gereedschap, zoals gereedschap met TiCN- of TiAlN-coatings, om de hittebestendigheid te verbeteren en slijtage van het gereedschap te verminderen.
Snijparameters optimaliseren
Gebruik lagere spindelsnelheden in combinatie met verhoogde voedingssnelheden om warmteontwikkeling te verminderen en werkstukharding te voorkomen. Deze strategie bevordert de integriteit van het gereedschap en verlengt de levensduur.
Zorg voor stijfheid in opstelling
Zet het werkstuk stevig vast en gebruik robuuste gereedschapopstellingen om trillingen en doorbuiging te verminderen, die het polijsten van het oppervlak en de maatnauwkeurigheid kunnen beïnvloeden.
Gebruik hogedrukkoelsystemen.
Gebruik hogedrukkoelmiddel direct op de snijzone om hitte effectief af te voeren, thermische schade te verminderen en de spaanafvoer te vergroten.
Oppervlakken voor bewerkte titanium onderdelen
Bewerkte titanium onderdelen kunnen veel voordeel halen uit verschillende oppervlaktebehandelingen die zowel praktische als esthetische eigenschappen verbeteren. Hier zijn enkele van de meest gebruikte oppervlaktebehandelingen voor titanium.
Polijsten
Polijsten zorgt voor een glad, reflecterend oppervlak dat de esthetische aantrekkingskracht van titanium onderdelen verbetert. Deze methode is zeer gunstig voor toepassingen waarbij het uiterlijk belangrijk is, zoals juwelen en hoogwaardige vliegtuigonderdelen. Titanium polijstdetail
Anodiseren
Anodiseren is een elektrochemische techniek waarbij een beschermende oxidelaag op het titanium oppervlak wordt aangebracht. Dit verbetert de corrosiebestendigheid en maakt het ook mogelijk om de kleur aan te passen, waardoor het nuttig is voor medische apparatuur en consumentenproducten.
Kraalstralen
Parelstralen of zandstralen produceert een ruwe matte afwerking op titanium oppervlakken. Deze aanpak wordt vaak gebruikt vanwege de esthetische voordelen, die de krasbestendigheid kunnen verhogen.
PVD-coating (fysische afzetting uit de dampfase)
PVD-coatings, waaronder titaniumnitride (TiN), verbeteren de hardheid en slijtvastheid. Bij deze methode wordt een dunne laag materiaal op het titaniumoppervlak aangebracht, wat de prestaties in moeilijke omstandigheden kan verbeteren.
Elektropolijsten
Elektrolytisch polijsten verbetert de oppervlakteafwerking door een klein laagje materiaal te verwijderen, waardoor het schoon en glanzend blijft. Deze procedure verlaagt ook de microruwheid en verhoogt de corrosiebestendigheid.
Poedercoating
Poedercoating zorgt voor een duurzame afwerking die in verschillende tinten kan worden aangebracht. Het is zeer nuttig voor het verbeteren van het uiterlijk en de corrosiebestendigheid van titanium onderdelen die in buitentoepassingen worden gebruikt.
Chroom
Chromen legt een laag chroom op titanium onderdelen om ze beter bestand te maken tegen roest en ze een glanzende afwerking te geven. Dit proces wordt vaak gebruikt voor het afwerken van auto’s en het maken van decoraties.
Borstelen
Het borstelen van titanium onderdelen geeft ze een unieke look en helpt krassen en slijtage na verloop van tijd te verbergen door het oppervlak een lineair patroon te geven.
Schilderen
Het schilderen van titanium oppervlakken is een gemakkelijke manier om kleur toe te voegen en ze te beschermen tegen schade. Het wordt meestal gebruikt voor het uiterlijk en er kunnen verschillende technieken worden gebruikt om het aan te brengen op basis van de gewenste afwerking.
Toepassingen van machinaal bewerkte onderdelen van titanium
Door hun hoge sterkte-gewichtsverhouding, corrosiebestendigheid en biocompatibiliteit zijn bewerkte onderdelen van titanium essentieel voor veel bedrijven. Ze kunnen op verschillende gebieden worden gebruikt.
Ruimtevaartindustrie
Titanium wordt in vliegtuigen gebruikt voor belangrijke onderdelen zoals compressorbladen, schijven, vliegtuigstructuren en landingsgestellen omdat het sterk maar niet te zwaar is. Om vliegtuigen goed te laten werken en lang mee te laten gaan, moet het bestand zijn tegen hoge temperaturen en corrosie.
Medische en tandheelkundige beroepen
Titanium is een populair materiaal voor medische implantaten zoals tandheelkundige implantaten, gewrichtsprothesen en chirurgisch gereedschap omdat het biocompatibel is en niet reageert met lichaamsvloeistoffen. Het gebruik ervan verlaagt de kans op weigering en zorgt ervoor dat het implantaat lang meegaat in het lichaam.
Automotive Sector
Bewerkte titanium onderdelen worden gebruikt voor motoronderdelen zoals kleppen en drijfstangen, maar ook uitlaatsystemen in dure auto’s met hoge prestaties. De sterkte en lichtheid van het materiaal zorgen ervoor dat de auto beter loopt en minder gas verbruikt. (Wikipedia bron)
Mariene toepassingen
Titanium is een goed metaal voor scheepstoestellen, schroefassen en andere onderdelen die worden blootgesteld aan zware omstandigheden op zee omdat het niet roest. Dit maakt het betrouwbaar en duurzaam.(Wikipedia bron)
Industrieel gebruik
Onderdelen van machinaal bewerkte titanium worden gebruikt in warmtewisselaars, kleppen en reactoren in de chemische verwerking en energieproductie omdat ze corrosieve omgevingen en hoge temperaturen aankunnen, waardoor de operaties veilig en efficiënt blijven.(Wikipedia bron)
Vragen
Vergelijking met andere materialen
Ti is moeilijker om mee te werken dan andere materialen omdat het warmte niet goed geleidt, erg sterk is en de neiging heeft om hard te worden, waardoor je speciale gereedschappen en methodes nodig hebt.
Waarom is titanium moeilijk te bewerken?
Door het gebrek aan warmtegeleiding is titanium moeilijk om mee te werken omdat het snel warm wordt.
Welke snijgereedschappen zijn het beste voor titanium?
Als het aankomt op het snijden van titanium, werken hardmetalen gereedschappen met high-tech afwerkingen zoals TiAlN of TiCN het beste. Deze gereedschappen gaan lang mee en helpen de hitte tijdens het snijden laag te houden.
Welke bewerkingsprocessen worden gewoonlijk gebruikt voor titanium?
Frezen, snijden, boren en slijpen zijn allemaal gangbare manieren om met titanium te werken. Om een goede bewerking te krijgen en de hitte en slijtage van het gereedschap tot een minimum te beperken, moeten de snij-instellingen van elk proces zorgvuldig gecontroleerd worden.
Conclusie
Door hier goed in te worden, wordt CNC verspanen van titanium een praktische en effectieve methode om duurzame en nauwkeurige onderdelen te maken voor de ruimtevaart, de medische sector en de auto-industrie.
