チタン合金の加工難題における画期的な進歩

チタン抽出技術の進歩に伴い、チタンの生産量は継続的に増加し、価格は継続的に低下しています。しかし、チタン合金は依然として人々の日常生活ではあまり見かけられず、贅沢や楽しみの象徴となっています。これは、チタンの優れた特性が チタン合金 また、それらの加工や製造においても数多くの困難を伴う。

チタン合金の加工特性

第一に、チタン合金の熱伝導率は極めて低く、約15W/(m・K)と、45鋼の1/5～1/7程度であり、切削温度が高くなります。第二に、チタン合金の弾性率は小さいため、切削時の反発によって摩擦が増加し、工具の振動を引き起こします。第三に、チタン合金は化学反応性が高く、表面硬化層が切削工具に衝撃荷重をもたらします。また、高い反応性のため、高温下では工具材料との付着、拡散、化学反応が起こりやすくなります。

図1に示すように、これらの問題が重なり合うことで相互に強化し合うシステムが形成され、加工の難易度が急激に高まり、工具の摩耗が加速する。

既存のソリューション

チタン合金の切削加工における問題を解決するには、まずチタン合金の切削付着現象に対処する必要があります。この自己潤滑性TiB2コーティングは、数多くの研究で最良の解決策であることが証明されています。しかし、HIPIMS法で粗加工用のTiB2コーティングを作製する場合、セラミック膜の結合力不足や靭性不足といった欠点を解消できず、切削性能が著しく低下するという問題が生じます。

アーク技術は、コーティングに高い密着性と高い靭性をもたらすことは間違いない。しかし、単一のアークコーティングでは、精密加工における高温高圧条件下でTiB2のような潤滑特性を提供することはできない。

Arc+HiPiMSでは、驚きが生まれるでしょう

図2（A）に示すように、 華昇さんの 自社開発のHA800複合コーティング技術プラットフォームは、HiPiMSとアークコーティング技術を統合し、コーティングプロセスの研究開発領域を大幅に拡大します。

チタン合金切削加工の特殊な要求に応えるため、華昇はHSR116コーティングを開発しました。まず、アーク技術を用いて高い密着性と高い靭性を備えた複合膜を作製しました。次に、HiPiMS技術を用いて、表面層に高硬度かつ自己潤滑性のTiB2セラミックコーティングを施しました。

図3（B）に示すように、HiPiMSで作製したTiB2コーティングは、 TiAlXNコーティング Arc法によって作製された。最終的に、硬質合金基板－Arcコーティング－TiB2セラミック層が一体化され、高い結合力、硬度勾配、高強度を有する工具が形成された。

図2

（A）HA800複合コーティングプラットフォーム

（B）HA800の内部構造の概略図、およびHSR116コーティングのHIPIMSとアーク二重層構造のSEM画像

TC4の実切削試験において、HSR116コーティング工具は優れた汎用性と耐摩耗性を示した。精密加工においては、純磁気制御TiB2コーティングと同等の耐用年数を達成し、TiAlNコーティングよりもはるかに長い耐用年数を実現した。

粗加工においては、どちらのコーティングにも明らかな利点がある。具体的な切削データは図3に示す。

図3は、華昇HSR116コーティング、市販のTiAlNコーティング、市販のTiB2コーティングの側面フライス仕上げ加工と荒加工における切削寿命データを示しています。

具体的には、HSR116コーティングとTiAlNコーティングの側面フライス加工仕上げの事例を分析した。図4（C、D）の比較からわかるように、TiAlNコーティングは切削屑の衝撃により基材が激しく付着し、広範囲に露出している。一方、HSR116コーティングの表面は切削後も汚れや付着がなく、切削刃に摩耗が見られるのみで、その耐付着性および耐摩耗性を示している。

図4

（A）HSR116およびTiAlNコーティング工具の側面フライス加工仕上げのデータ表

（B）側面フライス加工の仕上げ条件

（C）TiALNコーティングされた工具すくい面

（D）HSR116コーティングされたツールレーキ面

明らかに、そのような コーティングされた切削工具 チタン合金の加工コストは必然的に大幅に削減され、この未来の金属が人々の日常生活に真に浸透するようになるだろう。チタン合金製の携帯電話、自転車、さらには自動車も、もはや高価で贅沢な製品やSFの世界の産物ではなくなるだろう。