Kapning och fasning av titanrör i Grade 2 och Grade 5
Titan Grade 2 och Grade 5, även kallat Ti-6Al-4V, skiljer sig åt i sammansättning, mekanisk hållfasthet och användningsområde. Båda kvaliteterna kräver mekanisk kallkapning för att materialets metallurgiska egenskaper ska bevaras.
Titans låga värmeledningsförmåga, tendens till deformationshärdning och kemiska reaktivitet gör valet av skärverktyg, beläggning och bearbetningsparametrar avgörande. Samma GBC-maskin kan användas för båda kvaliteterna genom att skärverktyget byts.
Skillnaden mellan titan Grade 2 och Grade 5
Kommersiellt rent titan, CP-titan, delas in i fyra kvaliteter utifrån halten av interstitiella föroreningar. Grade 2 är den vanligaste CP-kvaliteten inom industrin. Materialet kombinerar god korrosionsbeständighet med tillfredsställande bearbetbarhet.
I glödgat tillstånd har Grade 2 en draghållfasthet på cirka 345–450 MPa och en densitet på omkring 4,51 g/cm³.
Grade 5, Ti-6Al-4V, är en alfa+beta-legering med 6 procent aluminium och 4 procent vanadin i fast lösning. Legeringselementen höjer draghållfastheten till cirka 895–1 000 MPa i glödgat tillstånd. Högre värden kan uppnås genom lösningsbehandling och åldring.
Densiteten är cirka 4,43 g/cm³, vilket är ungefär 40–45 procent lägre än hos vanliga konstruktionsstål. Kombinationen av låg vikt och hög hållfasthet gör Grade 5 till den mest använda titanlegeringen inom flygindustrin och andra kritiska konstruktionsapplikationer.
Grade 5 har betydligt lägre värmeledningsförmåga än Grade 2. Vid 20 °C ligger den på omkring 6–7 W/m·K, jämfört med normalt 14–17 W/m·K för Grade 2. Grade 5 är dessutom hårdare och behöver därför bearbetas med lägre skärhastigheter och tåligare verktyg.
Var används titanrör?
Titan används framför allt där kemisk korrosion eller kraven på förhållandet mellan hållfasthet och vikt gör traditionella rostfria stål mindre lämpliga.
Flyg- och rymdindustrin
Grade 5 är den vanligaste kvaliteten i hydraulsystem, primära konstruktioner och anslutningar för drivmedel. Flyg- och processpecifikationer kan kräva mekanisk kallkapning för att komponentens certifierade metallurgiska egenskaper ska bevaras.
Kraven förekommer inom kvalitetsledningssystem enligt AS9100 och den svenska standardbeteckningen SS-EN 9100:2018.
Olja, gas och offshore
I miljöer med klorider, havsvatten och svavelväte, H₂S, har titan bättre motståndskraft mot spänningskorrosion än konventionella austenitiska stål.
Materialet används bland annat i offshore-risers, injektionssystem, undervattensrörsystem och värmeväxlare som utsätts för bräckt vatten.
Värmeväxlare och kemisk industri
Grade 2 används i kontakt med geotermiskt vatten, havsvatten och klorerade lösningar. I dessa miljöer kan austenitiskt rostfritt stål vara känsligt för gropfrätning och spaltkorrosion.
Titan kan även ge bättre beständighet än andra material i exempelvis utspädd salpetersyra och hypokloritlösningar.
Medicinteknik
Kommersiellt rent titan, exempelvis Grade 2, och Ti-6Al-4V-legeringar används inom medicinteknik tack vare sin biokompatibilitet. Det gäller särskilt medicinska varianter som Grade 23 ELI.
Materialen används i kirurgiska instrument och bärande komponenter till ortopediska proteser. Kall bearbetning kan vara ett krav i produktspecifikationen eftersom den bevarar den passiverade ytan och komponentens biokompatibilitetscertifiering.
Varför är titan svårt att bearbeta?
Svårigheterna vid bearbetning av titan beror inte enbart på materialets hårdhet. De uppstår genom en kombination av låg värmeledningsförmåga, deformationshärdning och kemisk reaktivitet.
Låg värmeledningsförmåga
Grade 5 leder bort värme långsamt. Värmeledningsförmågan ligger på omkring 6–7 W/m·K, jämfört med cirka 13–16 W/m·K för rostfritt stål 316L.
En stor del av värmen stannar därför vid skäreggen. Det orsakar snabbare verktygsslitage, även vid skärhastigheter som normalt kan användas för rostfritt stål.
Grade 2 leder bort värme bättre och är därför mindre krävande ur denna synvinkel. Kvaliteten behöver ändå bearbetas med försiktigare parametrar än vanliga stål.
Deformationshärdning
Titan hårdnar under bearbetningen. Varje skärpass ökar den lokala ythårdheten och gör nästa pass mer krävande.
Vid fasning i flera steg kan den successiva deformationshärdningen leda till högre skärkrafter och att skäreggen bryts ned i förtid.
Kemisk reaktivitet och vidhäftning
Vid höga temperaturer i skärzonen reagerar titan lätt med syre och kväve. Det kan bilda hårda och spröda skikt som ökar verktygsslitaget och kan försämra den bearbetade ytans korrosionsbeständighet.
Titan har också en tydlig tendens att fastna på skäreggen och bilda en så kallad lösegg. Materialpåbyggnaden förändrar verktygets faktiska geometri och försämrar kvaliteten på snittet.
Verktyg för kapning och fasning av titan
Samma grundprincip gäller för titan som för Inconel och duplex: det är verktyget som byts, inte maskinen.
GBC:s rörkapar och rörfasmaskiner kan utrustas med skär eller verktyg som är optimerade för titan utan att maskinens grundkonstruktion behöver ändras.
Hårdmetall med PVD-beläggning
Valet av beläggning är avgörande. AlCrN, aluminium-krom-nitrid, är en av de mest lämpade beläggningarna för titan. Beläggningen innehåller inte titan, vilket minskar risken för kemisk affinitet mellan verktyget och arbetsstycket. Den har även god termisk stabilitet.
AlTiN med ett högt förhållande mellan aluminium och titan kan användas som alternativ. Obelagda skär och skär med olämpliga beläggningar uppvisar vanligtvis snabbare slitage.
Skärgeometri och vinklar
Vid fasning minskar positiva spånvinklar på cirka 8–12° skärkrafterna och begränsar värmeutvecklingen.
Skarpa och precisa skäreggar minskar även materialets tendens att fastna på verktyget.
Koboltlegerat snabbstål
Vid kapning av tunnväggiga rör i Grade 2 kan verktyg av koboltlegerat snabbstål, HSS M35 eller M42, vara en acceptabel lösning för enstaka arbeten.
Dessa verktyg är inte lämpliga för Grade 5 eller för längre, kontinuerliga bearbetningar.
Skärhastighet och kylning
Titan kräver lägre skärhastigheter än rostfritt stål. För Grade 5 med hårdmetallskär ligger riktvärdena vanligtvis mellan 30 och 60 m/min. Under optimala förhållanden kan hastigheten ökas till omkring 80 m/min.
Valet beror på skärverktygets geometri, rörets godstjocklek och maskinens styvhet.
Effektiv kylning är viktig för att kontrollera temperaturen, särskilt vid bearbetning av Grade 5. Kraven på skärvätska och flöde beror på den aktuella applikationen. För medicintekniska produkter och flygkomponenter med särskilda krav på ytföroreningar ska respektive produktspecifikation följas.
Mekanisk kallkapning bevarar materialets egenskaper
För titanrör som ska användas i trycksatta system eller svetsas efter kapning är mekanisk kallkapning ofta ett uttryckligt krav i industrins specifikationer.
Termiska kapmetoder som plasma-, gas- och laserskärning skapar en värmepåverkad zon, HAZ. Den kan medföra ytoxidation, bildning av nitrider och spröda oxider samt förändrade mekaniska egenskaper vid snittkanten.
Mekanisk kallkapning bevarar den ursprungliga mikrostrukturen ända fram till snittkanten. Detta krävs ofta i specifikationer för trycksatta eller svetsade komponenter inom flygindustrin och olje- och gasindustrin. Motsvarande krav förekommer även i tillverkningsprocesser för implanterbara medicintekniska produkter.
Kraven används tillsammans med kvalitetsledningssystem enligt AS9100 och SS-EN 9100. Den svenska standardserien SS-EN ISO 9692 används som referens för foggeometri och förberedelse av kanter inför svetsning och kompletteras med material- och branschspecifika krav.
Bearbetning av titanrör med GBC-maskiner
Hos Tubeck finns GBC:s rörfasmaskiner och rörkapar som täcker dimensioner från några millimeter till över en meter. Maskinerna kan användas både i verkstad och ute på arbetsplatsen.
GBC:s utvecklingsavdelning konstruerar verktyg i eller med beläggningar av de material som är bäst lämpade för den aktuella stål- eller legeringskvaliteten.
När standardsortimentet inte fullt ut motsvarar kundens applikation kan anpassade skärgeometrier och beläggningar utvecklas för den specifika titanlegeringen och bearbetningen.
Slitna verktyg kan därefter slipas om så att de ursprungliga specifikationerna återställs.