チタン鍛造プロセスには何が含まれますか?手順、温度、設備

船舶用駆動システム用のチタン合金 (TC4) 鍛造フランジは、2 時間の浸漬中にビレット温度の偏差が 15°C しか許容されない鍛造仕様で検査台に置かれました。この種の寛容性はチタン鍛造において例外的なものではありません。それは通常の運用規律です。チタンの最終的な微細構造、機械的特性、コストは主に鍛造で決まるため、チタン鍛造品を指定するバイヤーやエンジニアは、そのプロセスに何が含まれるかを正確に理解する必要があります。

チタン鍛造プロセスとは

チタン鍛造プロセスには、チタンのビレットまたはインゴットを正確な温度（合金に応じて通常は 850°C ～ 1,050°C）に加熱し、油圧プレスまたはハンマーで制御されたひずみ速度の下で塑性変形させ、その後制御された冷却、熱処理、および機械加工が行われます。

鋼とは異なり、チタン合金は狭い変形可能な温度範囲を提供します。ワークピースがβトランザスを超えると、粗大なβ粒子が形成される可能性があり、その後の熱処理によって微細化することができなくなります。冷たすぎると流動応力が急激に上昇し、亀裂が発生する可能性があります。このため、チタン鍛造には閉ループ炉制御、デジタル高温測定、正確なラム速度調整が可能なプレスが必要です。

チタン鍛造の臨界温度ウィンドウ

チタン鍛造は熱管理が第一の仕事です。正しい加工温度は合金の種類によって異なりますが、どのチタン合金にも 1 つの厳密な境界、つまり β トランザスがあります。

Ti-6Al-4V などの α-β 合金の場合、α-β 鍛造は β-トランサスより 30 ～ 80 °C 低い温度、通常は 900 ～ 980 °C で実行されます。これにより、優れた伸びと疲労耐性を備えた二峰性の微細構造が生成されます。トランザスより上のβ鍛造は、クリープ耐性は高くなりますが、引張延性は低く、ジェット エンジンまたはパワー タービンの特定の回転部品にのみ選択されます。

加熱は均一でなければなりません。チタンの熱伝導率はスチールの約 3 分の 1 であり、厚い部分では厳しい温度勾配を示す可能性があります。均熱時間は通常、断面 25 mm あたり 1 分に設定され、その後、製造鍛造で熱電対が検証されます。

段階的なチタン鍛造プロセス

一般的なオープンダイまたはリングローリングチタン鍛造サイクルは 6 つの反復可能なフェーズに従い、それぞれに独自の故障リスクがあります。

1. 材料の選択とコンディショニング: ビレットは航空宇宙グレードのインゴットまたはバーです。表面欠陥が残っていると鍛造中に亀裂が開くため、表面欠陥は完全に研磨されます。
2. 予熱： チタンは、目標の鍛造温度より 50 ～ 100 °C 低く設定された炉に装填されます。熱衝撃を避けるためにその温度に保持され、その後、浸漬期間を経て作業温度まで上昇します。
3. 最初の変形 (アプセットまたはブロッキング): プレスはゆっくりと継続的に圧縮を加えます。目標は、鋳造組織を破壊して再結晶を開始することであり、ニアネットシェイプを達成することではありません。
4. 再加熱を伴う複数のパス: 鋼とは異なり、チタンは長時間の野外鍛造に耐えることができません。各パスの所要時間はわずか数秒で、表面温度が下限値を下回ると、部品は炉に戻ります。
5. 金型と工具の温度制御: 冷間ダイとの接触により、チタン表面に冷却層が形成されます。高度な鍛造では、金型は 250 ～ 400°C に予熱され、固着や深刻な冷却を防ぐためにガラスベースのコーティングで潤滑されます。
6. 最終的な成形とトリミング: 最後のパスでパーツを最終寸法に近づけます。バリがある場合は、金属がまだ温かいうちに取り除き、部品を制御された冷却または歪み制限治具に直接移します。

設備とひずみ速度の制御

チタン自由型鍛造の動作制御の主要な機器はハンマーではなくプレスです。プレス機は低速で一定のラム速度を維持できますが、ハンマーはチタンに断熱せん断帯を引き起こす可能性のある高いひずみ速度の衝撃を与えます。

Maiterio Intelligent Equipment では、自由型鍛造ラインでチタンのラム速度が 10 mm/s 未満の油圧プレスを使用しています。リング形状のチタン部品の場合、リングローリングミルは、機械加工された棒材よりも優れた粒子流れを備えたシームレスな圧延リングを製造します。プレス、ハンマー、リングローラーの選択は微細構造に影響を与えます。ゆっくりと変形すると球状αが促進されますが、急速に変形すると粒界で亀裂が生じる危険があります。

マイテリオの自由鍛造ラインは、要求の厳しい顧客向けにチタンやその他の高温合金を扱っており、多くの場合、公差を制御するために社内の粗加工と組み合わせています。

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鍛造後の熱処理と機械加工

チタン部品は鍛造後、鋼のように焼き入れされません。これらは静止空気中で冷却され、合金と必要な強度クラスに基づいた特定の熱処理サイクルを受けます。

Ti-6Al-4Vの場合、700～850℃で焼鈍し、その後空冷します。 900 ～ 960°C、その後 480 ～ 600°C での溶体化処理と時効処理により、破壊靱性をある程度犠牲にして、より高い強度が得られます。チタンは 650°C を超えると酸素と反応するため、熱処理は制御された雰囲気内で行うか、保護コーティングを施して行う必要があります。スケールのない表面により、材料の疲労強度が維持されます。

チタン鍛造品の加工も鋼とは異なります。金属の熱伝導率が低いため、刃先に熱が集中し、工具の急速な摩耗につながります。高圧クーラントと遅いスピンドル速度を備えた超硬工具が標準です。 Maiterio の CNC 立形旋盤と横形旋盤は、チタン リングとシャフトを Ra 0.8 μm 以上の表面粗さに仕上げるのに日常的に使用されています。

チタン鍛造品の品質管理

チタン鍛造品が最終的に受け入れられるかどうかは、微細構造、超音波健全性、機械的特性という 3 つの独立した制御によって決まります。

微細構造の評価では、クロール試薬でエッチングされた金属組織切片を使用して、α-β 処理が β-トランザスを横切っていないかを検証します。超音波検査では、肉眼では見えない内部の空隙、介在物、亀裂を検出します。引張、衝撃、硬度の試験により、強度と延性が注文仕様と一致していることが確認されます。さらに、航空宇宙およびエネルギー用途には、インゴット溶解から最終加工までの完全に文書化されたトレーサビリティ チェーンが必要です。 Maiterio の品質管理システムは ISO 9001 および 14001 に従っており、高合金材料の社内テスト ルーチンが組み込まれています。

よくある質問

チタン鍛造は鋼鍛造とどう違うのですか？

チタン鍛造では、より狭い温度範囲、より遅い変形速度、予熱された金型、およびより厳格な炉雰囲気制御が必要です。 βトランザスは、ほとんどのα-β合金にとって厳しい上限ですが、鋼には通常の炭素鋼や合金鋼に相当する結晶粒粗大化境界がありません。

β-トランサスとは何ですか?なぜ重要ですか?

βトランザスとは、チタン合金が完全にβ相になる温度のことです。鍛造時に10℃でも超えると完全β組織となり粗大なα板に変化し、延性や疲労寿命が低下します。プロセスエンジニアは、示差熱分析を通じて各バッチの実際のトランザスを測定します。

リングローリングでチタンリングを製造できますか?

はい。チタンシームレスリングは、ラジアル-アキシャルミルでリング圧延されます。このプロセスでは自由型鍛造と同じ熱制御が使用されますが、変形モードにより円周方向の粒子の流れが与えられ、フープ応力を受けるベアリング レースやフランジにとって有益です。

チタン鍛造に不可欠な仕上げ工程は何ですか?

研削により酸素富化αケースが除去され、機械加工により残留スケールや脱炭が除去されます。その後、部品は熱処理され、必要に応じて矯正され、合格前に染料浸透試験または超音波試験によって検査されます。