Grundlagenuntersuchung zur Zerspanung von β-Titanlegierungen unterschiedlicher Mikrostruktur

Machai, C.

Metastabile β- und near-β-Titanlegierungen gewinnen aufgrund der verbesserten Durchhärtbarkeit, des herausragenden Festigkeit-zu-Dichte-Verhältnisses und der ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu etablierten near-α- und α+β-Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V als Leichtbauwerkstoff für den Einsatz in sicherheitsrelevanten, aggressiven Umgebungen zunehmend an Bedeutung. Die Werkstoffmikrostruktur wird individuell für die Einsatzbedingungen der späteren Bauteilanwendung über mehrstufige thermomechanische Wärmebehandlungen durch die Ausscheidung einer sekundären α-Phase und die gezielte Beeinflussung der Korngestalt der transformierten β-Phase ausgelegt.

Im Bereich der Zerspanung von β-Titanlegierungen existieren durch die Werkstoffeigenschaften für Produktivitätssteigerungen unter konventionellen Bedingungen Prozessgrenzen: Die Steigerung der Schnittgeschwindigkeit wird durch das exzessive Auftreten von Werkzeugverschleiß in Abhängigkeit von der Werkstoffmikrostruktur limitiert. Die durchgeführten Analysen zeigen auf, dass die β-Titanzerspanung durch Außenlängsdrehprozesse nicht durch zu hohe statische Prozesskräfte, sondern bei zunehmender Schnittgeschwindigkeit durch den vermehrten Wärmeeintrag in Werkzeug und Werkstück und die Prozessdynamik gekennzeichnet ist. Überwiegend thermisch aktivierte Verschleißmechanismen wie Diffusion, Adhäsion und Oxidation werden durch Abrasion und Oberflächenzerrüttung in Abhängigkeit von der thermomechanischen Werkstoffprozessierung und der titantypischen segmentierten Spanmorphologie verstärkt. In der Werkstückoberflächenrandzone kommt es aufgrund des hohen Wärmeeintrags zu Gefügeveränderungen.

Die Optimierung der Schneidkantengestalt und die Verwendung von (Ti,Al)N-TiN-beschichteten Hartmetallwerkzeugen ermöglichen Steigerungen der Werkzeugstandzeit, wohingegen das größte Potential in der fokussierten Prozesskühlung liegt. Die kryogene Prozessführung durch das Kohlendioxid-Schneestrahlverfahren verbessert die Wärmeabfuhr aus der Werkstückrandzone und ermöglicht Produktivitäts- und Standzeitsteigerungen. Die Abschirmung der Wirkzone vor den Bestandteilen der Umgebungsatmospähre reduziert die Diffusionsneigung des Titans und die Sauerstoffanreicherung der Werkstückrandzone. Die verminderte Bildung der harten α-case-Randschicht verzögert signifikant die Entwicklung des standzeitbestimmenden Kerbverschleißes am Werkzeug, so dass bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc =  100 m/min Standzeiten von mehr als tc,max = 25 min erreicht werden.

Die Spanbildung im Orthogonalschnitt ist durch die transkristalline Trennung und Umformung der groben β-Körner gekennzeichnet, die bei Schnittgeschwindigkeitssteigerungen verstärkt segmentiert auftritt. Der Mechanismus der Oberflächenzerrüttung definiert bei hohen Schnittgeschwindigkeiten neue Prozessgrenzen durch die Prozessdynamik und die Auslenkung der Werkzeugschneide. Die Anregung des Werkzeugsystems durch die Spanbildung kann jedoch mit einer passiven Dämpfungsstrategie um den Faktor zwei verringert werden.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2012, ISBN 978-3-8027-8772-0