O titânio é duas vezes mais forte que o alumínio, tem a maior relação resistência-peso de qualquer metal e é biocompatível. Essas qualidades o tornam um material preferido para produtos que precisam suportar condições severas. Mas essa resistência apresenta desafios para a usinagem de titânio?
Descubra por meio deste artigo que revela a jornada da CNC Machining Titanium. Ele menciona os desafios da usinagem, os graus comuns de titânio e as aplicações do titânio usinado.
Por que escolher titânio para usinagem CNC?
A história do titânio é relativamente recente. Ele foi isolado pela primeira vez no século XX por Hunter e viu seu uso comercial inicial em aplicações militares pelos soviéticos em meados do século. Com o tempo, ele se tornou popular nas indústrias de aviação e marítima.
Mas, o que o torna adequado para usinagem CNC? As seguintes características:
Resistência à Corrosão
O titânio é resistente à corrosão – ele forma uma fina e estável camada de óxido em sua superfície, no segundo em que é exposto ao ar. A camada de óxido de titânio atua como uma barreira e previne ainda mais a oxidação ou corrosão.
Leveza:
O titânio tem resistência comparável à do aço, mas pesa 40% menos. Sua densidade é de cerca de 4.5 g/cm³, em comparação com a densidade do aço de cerca de 7.8 g/cm³. Isso é benéfico nas indústrias aeroespaciais e onde o peso é crítico.
Biocompatível
O titânio é biocompatível devido à sua natureza inerte e excelente resistência à corrosão em ambientes biológicos. Ele não reage com fluidos corporais nem causa uma resposta imune. Então, é um material ideal para implantes médicos e próteses.
Alta Relação Resistência/Peso
A relação resistência-peso do titânio é uma das mais altas entre os metais. Ele é duas vezes mais forte que o alumínio, sendo apenas 1.67 vezes mais pesado, o que lhe dá uma relação resistência-peso superior.
Não Magnético
O titânio é paramagnético, ou seja, com propriedades magnéticas fracas. Sua natureza não magnética ajuda a reduzir a interferência em processos de usinagem onde materiais magnéticos podem interromper o equipamento.
Desafios na usinagem CNC de titânio
O titânio tem muitas características desejáveis, mas algumas dessas propriedades, como a resistência, por exemplo, representam um desafio para a usinagem.
Escoriação e goma
O titânio puro tem um módulo de elasticidade baixo, mas uma alta resistência. Essas propriedades contrastantes o transformam em um material pegajoso durante a usinagem. Isso leva à má formação de cavacos e aumenta a probabilidade de escoriações.
Acúmulo de calor
O titânio é um mau condutor de calor, o que faz com que o calor se acumule na aresta de corte e na interface da peça de trabalho, particularmente em altas velocidades de usinagem. Esse acúmulo de calor acelera o desgaste tanto da ferramenta quanto da peça de trabalho.
Deformação elástica
O baixo módulo de elasticidade também resulta em deformação do material. Suas seções sem suporte podem se deformar durante a usinagem, tornando desafiador manter a precisão dimensional, especialmente quando peças finas estão envolvidas.
Além disso, ele tende a retornar após a deformação, o que pode causar ainda mais desafios para atingir as tolerâncias corretas.
Altas Forças de Corte
Devido à sua estrutura cristalina e dureza inerente, as ligas de titânio exigem altas forças de corte, o que aumenta a dificuldade de usinagem, o desgaste da ferramenta e o consumo de energia durante os processos de corte.
Endurecimento de trabalho
O titânio tende a endurecer durante a usinagem, ou seja, a superfície do material fica mais e mais dura após cada corte. Isso torna os cortes subsequentes mais difíceis, causando desgaste adicional da ferramenta.
Melhores graus de titânio para usinagem
Existem cerca de 50 graus de titânio conhecidos, embora a ASTM reconheça 31 deles. Com base em suas propriedades e composição, as ligas de titânio são categorizadas em três tipos principais: ligas alfa, ligas beta e ligas alfa-beta.
Ligas de Alfa-Titânio
Alfa-titânio são ligas de titânio comercialmente puras com pequenas quantidades de alumínio ou ferro para estabilização. Eles têm excelente estabilidade em alta temperatura, resistência à corrosão e durabilidade. Embora possam não ser tão dúcteis quanto outros tipos de titânio, são leves e moldáveis. Os graus de titânio 1 a 4 se enquadram neste grupo.
- Grau de Titânio 1 é comumente usado devido à sua excelente usinabilidade e conformabilidade. É o mais macio e dúctil de todos os graus de titânio. No entanto, sua menor resistência em comparação a outros graus limita seu uso em aplicações estruturais mais exigentes.
- Grau de Titânio 2, também chamado de “cavalo de batalha” do titânio, oferece um equilíbrio de alta resistência à corrosão, força, conformabilidade e soldabilidade. É econômico, o que o torna uma escolha favorável para soldagem e anodização.
| Grade | Composição | Resistência à tração (MPa) | Rockwell Dureza | Aplicações |
| Grau de Titânio 1 | 99% Ti 0.2% Fe 0.18% Ó N, C, H (Quantidades Vestigiais) | 240 | B32 | Revestimento, Tubulação |
| Grau de Titânio 2 | 99% Ti 0.3% Fe 0.25% Ó N, C, H (Quantidades vestigiais | 345 | B55 | Anodização, Soldagem, Material de Revestimento |
Liga de Beta-Titânio
Ligas de titânio beta são estabilizadas com elementos como vanádio, paládio ou molibdênio. Em termos de resistência, elas são semelhantes às ligas alfa, mas mais dúcteis e formidáveis, o que as torna melhores para conformação complexa.
O titânio grau 11 é uma liga popular nesta categoria. Ele oferece excelente resistência à corrosão, particularmente em ambientes ácidos, semelhante aos graus 1 e 2.
| Grade | Composição | Resistência à tração (MPa) | Rockwell Dureza | Aplicações |
| Grau de Titânio 11 | 99.75% Ti 0.25% Pd | 240 | B32 | Processamento químico, soldagem, bombas, H.Es |
Liga de titânio alfa-beta
Essas ligas compartilham uma mistura de propriedades dos tipos alfa e beta. Você verá uma mistura equilibrada de resistência, ductilidade, resistência à corrosão e estabilidade em alta temperatura.
O titânio grau 5 é a liga de titânio mais amplamente utilizada, representando cerca de metade de todo o titânio usado globalmente. Ele pode ser tratado termicamente para melhorar ainda mais suas propriedades mecânicas.
O Titanium Grade 9 é outra liga de titânio balanceada. É mais fácil de usinar do que o Grade 5, o que o torna uma escolha preferencial para certas aplicações de usinagem CNC.
| Grade | Composição | Resistência à tração (MPa) | Rockwell Dureza | Aplicações |
| Grau de Titânio 5 | 88-90% de titânio 5.5-6.75% Al 3.5-4.5% V | 950 | C30 | Componentes aeroespaciais, implantes médicos, impressão 3D |
| Grau de Titânio 9 | 94.5% Ti 3% Al 2.5%V | 900 | B90 | Peças marítimas e aeroespaciais |
Consideração ao usinar titânio em CNC
Considerando os desafios em mente, estas poucas considerações e dicas podem ajudá-lo a obter o resultado desejado na usinagem de magnésio:
Seleção da nota certa
O titânio é caro, e uma seleção errada de grau pode aumentar rapidamente o preço do projeto. Então, você tem que escolher sabiamente. Por exemplo, se seu projeto envolve remoção significativa de material, o titânio de grau 2 é uma escolha melhor devido à sua maior usinabilidade. Por outro lado, se sua aplicação requer alta resistência em temperaturas extremas, o titânio de grau 5 é mais adequado.
Recomendações de design
O titânio é bem adequado para múltiplas aplicações de produtos, mas ainda assim, você precisa validar se a usinagem dessas dimensões específicas é viável. Por exemplo, a espessura mínima de parede atingível para peças de titânio geralmente varia entre 0.5 mm e 0.8 mm.
Quando se trata de usinagem, recursos como rebaixos, perfis quadrados, perfis de raio completo e perfis de cauda de andorinha podem ser criados, mas consideração cuidadosa deve ser dada à profundidade. Por exemplo, a profundidade do furo não deve exceder 12 vezes o diâmetro da broca e, para fresas de topo, a profundidade não deve ultrapassar 10 vezes o diâmetro da ferramenta.
Ferramentas de corte
A usinagem de titânio requer ferramentas dedicadas devido à sua tenacidade e natureza elástica. Ferramentas padrão não são eficazes. Ferramentas com ponta de carboneto com revestimento de deposição física de vapor (PVD) são altamente recomendadas. Hoje em dia, ferramentas com revestimento de nitreto de titânio e alumínio (TiAlN) estão disponíveis – elas são ainda mais eficazes.
Ferramentas afiadas são essenciais ao cortar titânio, pois suas propriedades elásticas podem fazer com que uma ferramenta cega esfregue em vez de cortar, causando vibração.
No caso de fresamento CNC, tenha em mente o número de canais nas fresas de topo. Use ferramentas com mais canais para reduzir a vibração e melhorar o processo geral de usinagem. Por exemplo, fresas de topo de 10 canais são eficazes no fresamento de titânio. Fresas de alto avanço são outra opção, particularmente ao lidar com cortes axiais e radiais.
Velocidade de corte e taxa de avanço
O titânio tende a endurecer à medida que é cortado, o que o torna mais abrasivo para a ferramenta. Portanto, uma taxa de avanço constante é recomendada. Se sua máquina permitir, aumentar a taxa de avanço pode ajudar a reduzir o acúmulo de calor, minimizando o tempo que a ferramenta passa em uma área.
Para operações de acabamento, use cortes muito leves com contato mínimo com a ferramenta, mas esteja ciente de que isso pode dificultar a dissipação de calor. Portanto, você precisa ter um sistema de refrigeração de alta pressão instalado o tempo todo.
Em alguns casos, uma estratégia de corte alternativa pode ser aumentar a profundidade axial do corte enquanto reduz o engate radial. Isso pode ajudar a melhorar a eficiência do corte e reduzir a temperatura de usinagem.
Fixação de material
A natureza elástica exige uma fixação cuidadosa do material. Use máquinas CNC com uma configuração rígida e arranjos de ferramentas de alta qualidade. Você também pode usar ferramentas de corte mais curtas para minimizar a deflexão da ferramenta e melhorar a estabilidade durante o processo de corte.
Técnicas de acabamento para pós-usinagem de titânio
Após a usinagem, o titânio pode passar por qualquer uma destas finalidades de acabamento para atingir a aparência e o toque desejados:
- Anodização: Um processo eletroquímico para aumentar a resistência à corrosão e permitir a colorização do material. Ele faz isso aumentando a espessura da camada de óxido no titânio
- Passivação: É um tratamento químico que remove contaminantes da superfície, mantendo a camada de óxido livre de corrosão.
- Powder Coating:Um pó (geralmente polímero) é aplicado e cozido na superfície do titânio para criar um revestimento durável e resistente à corrosão.
- Endurecimento de caixa: É um processo de tratamento térmico para endurecer a superfície de um metal, mantendo o núcleo interno mais macio e dúctil. Isso é feito pela introdução de carbono ou nitrogênio na superfície por meio de cementação ou nitretação.
- Jateamento de esferas: Uma técnica de acabamento de superfície que usa partículas abrasivas finas para limpar e alisar a superfície do titânio, criando um acabamento fosco uniforme.
Aplicações de usinagem CNC de peças de titânio
A combinação única de propriedades do titânio faz dele um material preferido em vários setores:
Indústria médica
A biocompatibilidade do titânio o torna ideal para implantes como substituições articulares e implantes dentários, onde deve coexistir com tecido humano sem causar rejeição.
Indústria aeroespacial
Sua alta relação resistência-peso é inestimável em aeroespaço, Onde o motores de aeronaves e fixadores deve suportar tensões extremas ao mesmo tempo em que contribui para a redução geral do peso e para a eficiência de combustível.
Aplicações militares
A resistência à corrosão e a resistência fazem dele um material essencial para aplicações militares, especialmente veículos blindados, e componentes de embarcações navais. Sua capacidade de suportar condições severas garante ainda mais a confiabilidade em operações críticas.
Indústria Marítima
O setor marítimo se beneficia da resistência do titânio à corrosão da água salgada. É ideal para fazer eixos de hélice, acessórios de casco, e conectores subaquáticos que enfrentam exposição constante a ambientes hostis.
Processamento químico
Como a maioria das ligas de titânio são resistentes à corrosão, elas enfrentam facilmente ambientes químicos agressivos. Isso as torna adequadas para equipamentos de processamento químico como tanques de armazenamento e trocadores de calor, onde estabilidade e resistência são cruciais.
Potência e energia
Na geração de energia, o titânio é usado em lâminas de turbina e outros componentes que exigem alta resistência à temperatura e corrosão.
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