Kim loại titan và quy trình gia công

Kim loại titan là một kim loại có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại kim loại khác. Titan có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt, kháng ăn mòn và không gây dị ứng cho cơ thể con người. Do đó, titan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hàng không, y tế, năng lượng và công nghiệp. Tuy nhiên, để sử dụng kim loại titan một cách hiệu quả, cần phải qua một quá trình gia công chuyên biệt. Gia công titan là qua trình cắt, tiện, phay, khoan hay hàn kim loại titan để tạo ra các sản phẩm có hình dạng và kích thước mong muốn. Gia công kim loại titan không phải là quá trình đơn giản, mà đòi hỏi nhiều kỹ năng và kinh nghiệm. 

1. Kim loại titan là gì?

Titan là một kim loại có ký hiệu hóa học là Ti và số nguyên tử là 22. Titan thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp và có màu xám bạc. Titan có nhiều tính chất cơ học và hóa học ưu việt so với các kim loại khác. Titan có độ bền kéo cao, khả năng chịu nhiệt độ cao. Khả năng khán ăn mòn và khả năng tương thích sinh học tuyệt vời. Do đó, titan được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như hàng không, y tế, năng lượng và công nghiệp.

2. Ưu điểm của kim loại titan

2.1. Kim loại titan có nhiều ưu điểm sau đây:

• Độ bền cao: Titan có độ bền kéo cao, khoảng 434 MPa, gấp 2 lần sắt và gấp 4 lần nhôm.Titan cũng có độ cứng cao, khoảng 6 Mohs, gấp 2 lần nhôm và gấp 1.5 lần sắt. Titan cũng có khả năng chịu được các tác động cơ học như uốn, xoắn hay va đập.
• Khả năng chịu nhiệt tốt: Titan có khả năng chịu được nhiệt độ cao, lên đến 1668°C. Titan cũng có khả năng duy trì độ bền và độ cứng khi nhiệt độ thay đổi. Titan cũng có hệ số giãn nở nhiệt thấp, khoảng 8.6×10^-6/°C, thấp hơn sắt và nhôm.
• Kháng ăn mòn: Titan có khả năng kháng ăn mòn tốt trong môi trường axit, kiềm, muối hay clo. Titan cũng có khả năng tạo ra một lớp oxit bảo vệ trên bề mặt khi tiếp xúc với không khí hay nước. Lớp oxit này giúp ngăn chặn sự xâm nhập của các tác nhân gây ăn mòn. 
• Không gây di ứng: Titan là một kim loại sinh học an toàn cho cơ thể người. Titan không gây dị ứng hay viêm nhiễm khi tiếp xúc với da hay niêm mạc. Titan cũng không bị phản ứng với các chất sinh học hay thuốc men. 

3. Ứng dụng của kim loại titan

3.1. Kim loại titan có nhiều ứng dụng sau đây:

• Hàng không: Titan được sử dụng để chế tạo các bộ phận của máy bay như thân máy bay, cánh máy bay, động cơ máy bay hay hệ thống phanh. Titan giúp giảm trọng lượng và tăng hiệu suất của máy bay.
• Y tế: Titan được sử dụng để chế tạo các thiết bị y tế như ghép xương, ghép khớp, ghép răng hay ghép tim. Titan giúp tăng khả năng bám dính và tích hợp của các mô sống.
• Năng lượng: Titanium được sử dụng để chế tạo các thiết bị năng lượng như pin nhiên liệu, pin mặt trời hay pin nhiệt. Titan giúp tăng hiệu quả chuyển hóa và ổn định của các thiết bị năng lượng. 
• Công nghiệp: Titan được sử dụng để chế tạo các sản phẩm công nghiệp như ống dẫn, bình chứa, van, bơm hay lò hơi. Titan giúp tăng độ bền và khả năng chịu áp suất của các sản phẩm công nghiệp.

4. Những công cụ máy móc cần thiết trong quá trình gia công titan

Để gia công titan một cách hiệu quả và an toàn, cần phải sử dụng những công cụ máy móc phù hợp và chuyên biệt. Dưới đầy là một số công cụ máy móc cần thiết trong quá trình gia công titan:

4.1. Dao cụ

4.1.1. Dao cụ gia công titan phải có các yếu tố sau:

• Độ bền cao: Dao cụ phải có độ bền cao để chịu được lực cắt và sinh nhiệt khi tiếp xúc với titan. Nếu dao cụ bị hao mòn hay gãy vỡ sẽ gây ra các vết xước, biến dạng hay nứt trên sản phẩm.
• Khả năng chịu nhiệt tốt: Dao cụ phải có khả năng chịu nhiệt tốt để không bị biến dạng hay mất độ sắc khi gia công titan. Nếu dao cụ bị biến dạng hay mất độ sắc, sẽ gây ra các vết rãnh, dính hay bóng trên sản phẩm.
• Khả năng cắt sắt bén: Dao cụ phải có khả năng cắt sắc bén để tạo ra các lát cắt mỏng và đều khi gia công titan. Nếu dao cụ không sắc bén, sẽ gây ra các lát cắt dày và không đều. Làm giảm hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

4.1.2. Các loại dao cụ thường được sử dụng để gia công titan là:

• Dao cụ bằng carbide: Carbide là một hợp chất của cacbon và kim loại như volfram, coban hay titan. Dao cụ bằng carbide có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt và khả năng cắt sắc bén. Dao cụ bằng carbide là loại dao cụ phổ biến nhất khi gia công titan.
• Dao cụ bằng ceramic: Ceramic là một loại vật liệu phi kim loại có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt và khả năng cắt sắc bén. Dao cụ bằng ceramic có thể gia công titan ở tốc độ cao hơn dao cụ bằng carbide.
• Dao cụ bằng kim cương: Kim cương là một loại vật liệu phi kim loại có độ bền cao nhất, khả năng chịu nhiệt tốt nhất và khả năng cắt sắc bén nhất. Dao cụ bằng kim cương có thể gia công titan ở tốc độ rất cao và tạo ra các bề mặt có độ nhám thấp . Tuy nhiên, dao cụ bằng kim cương có giá thành cao và dễ bị hư hại khi va chạm.

4.2. Máy móc

4.2.1. Máy móc là thiết bị sử dụng dao cụ để cắt, tiện, phay, khoan hay hàn titan. Máy móc gia công titan phải có các yếu tố sau:

• Độ chính xác cao: Máy móc phải có độ chính xác cao để đảm bảo kích thước và hình dạng của sản phẩm sau khi gia công. Nếu máy móc không chính xác, sẽ gây ra các sai số và lỗi trên sản phẩm.
• Kả năng kiểm soát tốt: Máy móc phải có khả năng kiểm soát tốt các thông số gia công. Như tốc độ cắt, lực cắt, chiều sâu cắt và tốc độ tiến. Nếu máy móc không kiểm soát tốt, sẽ gây ra các vấn để như sinh nhiệt quá mức, hao mòn dao cụ hay biến dạng sản phẩm. 
• Độ cứng và ổn định cao: Máy móc thiết bị phải có độ cứng và ổn định tốt để chịu được lực cắt và rung động khi gia công titan. Nếu không sẽ gây ra các vấn đề như dao động, rung lắc hay cong vênh.

4.2.2. Các loại máy móc thường được sử dụng để gia công titan là:

• Máy tiện CNC: Máy tiện CNC là máy móc sử dụng dao cụ để tiện titan theo các hướng khác nhau. Máy tiện CNC có khả năng điều khiển bằng máy tính và có thể thực hiện các hình dạng phức tạp.
• Máy phay CNC: Máy phay CNC là máy móc sử dụng dao cụ để phay titan theo các hướng khác nhau. Máy phay CNC có khả năng điều khiển bằng máy tính. Và có thể thực hiện các hình dạng phức tạp.
• Máy cắt plasma: Máy cắt plasma là máy móc sử dụng tia plasma để cắt titan theo các hình dạng mong muốn. Máy cắt plasma có khả năng cắt titan ở nhiệt độ cao. Và tạo ra các bề mặt có độ nhám thấp.

5. Hướng dẫn quy trình gia công titan 

Kim loại titan là một trong những vật liệu có tính chất cơ học và hóa học tốt nhất hiện nay. Titan có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt, kháng ăn mòn. Và không gây dị ứng cho cơ thể người. Do đó, titan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như. Hàng không, y tế, năng lượng và công nghiệp.

Tuy nhiên, gia công kim loại titan không phải là một quá trình đơn giản. Titan có độ cứng cao và khả năng dẫn nhiệt kém. Do đó dễ gây hao mòn dao cụ và sinh nhiệt quá mức khi gia công. Để gia công kim loại titan một cách hiệu quả và an toàn. Cần phải tuân thủ một số nguyên tắc và bước quan trọng sau đây:

5.1. Lựa chọn dao cụ và máy móc phù hợp

Dao cụ gia công kim loại titan phải có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt và khả năng cắt sắc bén. Các loại dao cụ thường được sử dụng là dao cụ bằng carbide, ceramic hay kim cương. Đồng thời, dao cụ phải được làm sạch và bôi trơn thường xuyên để giảm ma sát và sinh nhiệt.

Máy móc gia công kim loại titan phải có độ chính xác cao, khả năng kiểm soát tốc độ và lực cắt tốt. Các loại máy móc thường được sử dụng là máy tiện CNC, máy phay CNC hay máy cắt plasma. Đồng thời, máy móc phải được bảo trì và kiểm tra thường xuyên để đảm bảo hoạt động ổn định.

5.2. Thiết lập các thông số gia công titan hợp lý

Thông số gia công kim loại titan phải được thiết lập sao cho đảm bảo hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt. Các thông số quan trọng gồm có:

• Tốc độ cắt: là tốc độ của dao cụ khi tiếp xúc với vật liệu. Tốc độ cắt phải được điều chỉnh sao cho phù hợp với loại dao cụ và loại vật liệu. Nếu tốc độ cắt quá cao, sẽ gây hao mòn dao cụ và sinh nhiệt quá mức. Nếu tốc độ cắt quá thấp, sẽ gây ra các vết xước và biến dạng trên bề mặt sản phẩm.
• Lực cắt: là lực tác dụng của dao cụ lên vật liệu khi cắt. Lực cắt phải được điều chỉnh sao cho phù hợp với độ dày và độ cứng của vật liệu. Nếu lực cắt quá cao, sẽ gây ra các vết nứt và gãy vỡ trên sản phẩm. Nếu lực cắt quá thấp, sẽ gây ra các vết rãnh và không đảm bảo kích thước sản phẩm.
• Chiều sâu cắt: là chiều sâu của lớp vật liệu bị cắt bởi dao cụ. Chiều sâu cắt phải được điều chỉnh sao cho phù hợp với độ bền và độ sắc của dao cụ. Nếu chiều sâu cắt quá lớn, sẽ gây ra các vết mài mòn và tăng lực cắt. Nếu chiều sâu cắt quá nhỏ, sẽ gây ra các vết bóng và giảm hiệu suất cắt.
• Tốc độ tiến: là tốc độ di chuyển của dao cụ hoặc vật liệu khi cắt. Tốc độ tiến phải được điều chỉnh sao cho phù hợp với tốc độ cắt và chiều sâu cắt. Nếu tốc độ tiến quá cao, sẽ gây ra các vết răng cưa và giảm chất lượng bề mặt sản phẩm. Nếu tốc độ tiến quá thấp, sẽ gây ra các vết dính và tăng sinh nhiệt.  

5.3. Sử dụng dung dịch làm mát và bôi trơn

Dung dịch làm mát và bôi trơn là một yếu tố quan trọng trong quá trình gia công kim loại titan. Dung dịch làm mát và bôi trơn có tác dụng giảm ma sát, sinh nhiệt, hao mòn và ăn mòn của dao cụ và vật liệu. Dung dịch làm mát và bôi trơn phải được chọn lựa sao cho phù hợp với loại dao cụ và loại vật liệu. Các loại dung dịch thường được sử dụng là nước, dầu, dung dịch nước-dầu hay dung dịch polymer. Đồng thời, dung dịch làm mát và bôi trơn phải được bơm vào vị trí tiếp xúc của dao cụ. Và vật liệu một cách đều đặn và liên tục.

5.4. Kiểm tra chất lượng sản phẩm sau khi gia công titan 

Sau khi hoàn thành quá trình gia công kim loại titan. Cần phải kiểm tra chất lượng sản phẩm để đảm bảo đạt yêu cầu kỹ thuật và thẩm mỹ. Các tiêu chí kiểm tra chất lượng sản phẩm gồm có:

• Kích thước: là kích thước của sản phẩm sau khi gia công so với kích thước ban đầu. Kích thước của sản phẩm phải được đo lường bằng các thiết bị chính xác. Như thước kẹp, máy đo laser hay máy đo tọa độ.
• Bề mặt: là bề mặt của sản phẩm sau khi gia công so với bề mặt ban đầu. Bề mặt của sản phẩm phải được kiểm tra bằng các thiết bị như kính hiển vi. Máy đo độ nhám hay máy đo độ bóng.
• Độ chính xác: Là độ chính xác của sản phẩm sau khi gia công so với độ chính xác ban đầu. Độ chính xác của sản phẩm phải được kiểm tra bằng các thiết bị như máy đo góc, máy đo

6. Các vấn đề có thể gặp phải trong quá trình gia công titan và cách khắc phục

Trong quá trình gia công titan ta có thể gặp phải một số vấn đề khó khăn như lực cắt cao. Sinh nhiệt quá mức, phản ứng hóa học hay cứng hóa do biến dạng. Dưới đây là một số vấn đề có thể gặp phải trong quá trình gia công titan và cách khắc phục:

6.1. Lực cắt cao và sinh nhiệt quá mức

Titan là kim loại có tỷ lệ độ bền trọng lượng cao. Có nghĩa là nó rất khó cắt và tạo ra lực cắt cao. Những lực cắt này có thể gây ra hao mòn dao cụ, rung động và uống cong. Ảnh hưởng đến chất lượng và độ chính xác của sản phẩm gia công. Hơn nữa, titan có khả năng dẫn nhiệt kém. Có nghĩa là hầu hết nhiệt sinh ra trong quá trình cắt. Sẽ ở lại trong dao cụ và vật liệu dẫn đến sự giãn nở nhiệt, biến dạng và nguy cơ cháy. 

Để quyết những vấn đề này, bạn cần sử dụng các dao cụ sắc bén và cứng cáp. Ưu tiên làm bằng carbide hay ceramic, với góc rãnh dương và góc thoát lớn. Bạn cũng cần giảm tốc độ cắt, tăng tốc độ tiến. Sử dụng dung dịch làm mát nhiều để làm giảm nhiệt và bôi trơn vùng cắt.

6.2. Phản ứng hóa học và dính dao

Titan là một kim loại rất phản ứng với oxy, nitơ, hydro và carbon ở nhiệt độ cao. Có thể gây ra hiện tượng oxi hóa, giòn hóa và ô nhiễm bề mặt của sản phẩm gia công. Những phản ứng này có thể làm giảm độ bền mỏi. Kháng ăn mòn và khả năng tương thích sinh học của titan. Hơn nữa, titan có xu hướng bám vào bề mặt dao cụ. Tạo ra một lớp dính dao (BUE) có thể dẫn đến hiện tượng trầy xước, vỡ dao hay hỏng dao.

Để khắc phục vấn đề này, bạn cần sử dụng các dao cụ có lớp phủ trơn và cứng, như nitru titan. Nitru titan (TiN) hay nitru titan nhôm (TiAIN), có thể chống mài mòn và giảm ma sát. Bạn cũng cần tránh sử dụng các dung dịch làm mát có chứa carbon, như dầu hay mỡ. Có thể phản ứng với titan và tạo ra cacbua. Thay vào đó hãy sử dụng các dung dịch làm mát hoặc chất lỏng tổng hợp có khả năng làm mát và bô trơn hiệu quả.

6.3. Cứng hóa do biến dạng và ứng suất dư

Titan là kim loại có cấu trúc tinh thể lục giác kín (HCP). Có nghĩa là nó có các hệ trượt hạn chế và độ dẻo thấp. Điều này khiến nó dễ bị cứng hóa do biến dạng. Là hiện tượng tăng độ cứng và độ bền của vật liệu do biến dạng nhựa. Cứng hóa do biến dạng có thể gây ra các vấn đề như khó cắt, hao mòn dao cụ hay ăn mòn dao cụ. Ngoài ra, quá trình gia công titan cũng có thể tạo ra các ứng suất dư trong cật liệu. Là những lực nội sinh không cân bằng trong vật liệu do biến dạng nhiệt hoặc cơ học. Ứng suất dư có thể gây ra các vấn đề như biến dạng, nứt hay giảm độ bền của sản phẩm. 

Để khác phục nhưng vấn đề này, bạn cần sử dụng các dao cụ có góc rãnh lớn để giảm lực cắt và sinh nhiệt. Bạn cũng cần sử dụng các phương pháp gia công từ mỏng sang dày. Để giảm biến dạng và ứng suất dư. Bạn cũng cần sử dụng các phương pháp xử lý nhiệt hoặc xử lý bề mặt để giảm hoặc loại bỏ ứng suất dư.

7. Làm theo đúng hướng dẫn để cho ra sản phẩm tốt nhất 

Quy trình gia công kim loại titan là một quá trình phức tạp. Đòi hỏi nhiều kỹ năng và kinh nghiệm. Để gia công kim loại titan một cách hiệu quả và an toàn. Cần phải lựa chọn dao cụ và máy móc phù hợp. Thiết lập các thông số gia công hợp lý, sử dụng dung dịch làm mát. Bôi trơn và kiểm tra chất lượng sản phẩm. Bằng cách tuân thủ các nguyên tắc và bước quan trọng trên. Bạn có thể gia công kim loại titan một cách chuyên nghiệp và đạt được sản phẩm có chất lượng cao.