1. Ψυχρή επεξεργασία εμπορικά καθαρού τιτανίου
1.1 Δυσκολία επεξεργασίας
Χαμηλή ολκιμότητα-σε θερμοκρασία δωματίου και ευαισθησία στη σκλήρυνση της εργασίας: Σε θερμοκρασία δωματίου, το CP Ti έχει κρυσταλλική δομή HCP με συστήματα περιορισμένης ολίσθησης (μόνο 3 ανεξάρτητα συστήματα ολίσθησης), με αποτέλεσμα τη σχετικά κακή ικανότητα πλαστικής παραμόρφωσης σε σύγκριση με μέταλλα με κεντρικά κυβικά (FCC) όψεων (π.χ. κράμα αλουμινίου, ωστενιτικός ανοξείδωτος χάλυβας). Επιπλέον, το CP Ti έχει εξαιρετικά υψηλό ρυθμό σκλήρυνσης εργασίας-η αντοχή του αυξάνεται απότομα με την αύξηση του βαθμού ψυχρής παραμόρφωσης. Για παράδειγμα, μετά από ψυχρή έλαση 20%, η αντοχή σε εφελκυσμό του βαθμού 2 CP Ti μπορεί να αυξηθεί από τα αρχικά 345–415 MPa σε πάνω από 550 MPa, ενώ η επιμήκυνσή του πέφτει από 20–25% σε λιγότερο από 8%. Αυτό σημαίνει ότι κατά τη διάρκεια της συνεχούς ψυχρής διαμόρφωσης (όπως βαθύ τράβηγμα, κάμψη), το υλικό είναι επιρρεπές σε ρωγμές εάν δεν πραγματοποιηθεί ενδιάμεση επεξεργασία.
Υψηλή αντοχή στην παραμόρφωση: Το CP Ti έχει υψηλή αντοχή διαρροής και τάση ροής σε θερμοκρασία δωματίου. Για παράδειγμα, η αντοχή διαρροής του βαθμού 2 CP Ti είναι περίπου 275–345 MPa, η οποία είναι σημαντικά υψηλότερη από εκείνη του κράματος αλουμινίου 6061-T6 (περίπου 240 MPa) και κοντά σε αυτήν του χάλυβα χαμηλού άνθρακα (περίπου 250–300 MPa). Απαιτούνται υψηλότερα φορτία μορφοποίησης κατά την ψυχρή επεξεργασία, γεγονός που θέτει υψηλότερες απαιτήσεις για την ακαμψία και τον όγκο του εξοπλισμού μορφοποίησης.
Ευαισθησία στην ποιότητα της επιφάνειας: Το CP Ti έχει υψηλή χημική δράση σε θερμοκρασία δωματίου και είναι επιρρεπές στο σχηματισμό ενός σκληρού και εύθραυστου φιλμ οξειδίου (TiO2) στην επιφάνεια. Κατά την ψυχρή παραμόρφωση (όπως το τράβηγμα και την κύλιση), το φιλμ οξειδίου είναι εύκολο να πέσει και να προκαλέσει επιφανειακές γρατζουνιές ή πρόσφυση στο καλούπι, επηρεάζοντας το φινίρισμα της επιφάνειας του τεμαχίου εργασίας. Επιπλέον, εάν η επιφάνεια έχει ελαττώματα (όπως μικρορωγμές), η συγκέντρωση τάσεων είναι εύκολο να συμβεί κατά τη διάρκεια της ψυχρής επεξεργασίας, οδηγώντας σε επέκταση των ελαττωμάτων και ακόμη και θραύση του τεμαχίου εργασίας.
1.2 Ειδικές απαιτήσεις διαδικασίας
Ενδιάμεση θεραπεία ανόπτησης: Όταν ο βαθμός ψυχρής παραμόρφωσης υπερβαίνει το 15–20%, πρέπει να πραγματοποιηθεί ενδιάμεση ανόπτηση ανακούφισης τάσης ή ανόπτηση ανακρυστάλλωσης για την εξάλειψη της σκλήρυνσης εργασίας, την αποκατάσταση της ολκιμότητας του υλικού και την αποφυγή ρωγμών κατά την επακόλουθη επεξεργασία. Η θερμοκρασία ανόπτησης είναι γενικά 600-700 μοίρες και ο χρόνος διατήρησης είναι 0,5-2 ώρες, με ψύξη κλιβάνου ή ψύξη αέρα για να εξασφαλιστεί η ανακρυστάλλωση του υλικού και η εξάλειψη της εσωτερικής καταπόνησης.
Τεχνολογία καλουπιών και λίπανσης: Το καλούπι πρέπει να είναι κατασκευασμένο από υλικά υψηλής-σκληρότητας και ανθεκτικότητας- στη φθορά (όπως καρβίδιο με τσιμέντο ή χάλυβας υψηλής-ταχύτητας με επιφανειακή επίστρωση) και η επιφάνεια πρέπει να είναι γυαλισμένη για μείωση της τριβής. Ταυτόχρονα, πρέπει να χρησιμοποιούνται-λιπαντικά υψηλής απόδοσης (όπως λιπαντικά με βάση το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου- ή ειδικά λάδια επεξεργασίας τιτανίου) για να σχηματιστεί ένα σταθερό λιπαντικό φιλμ μεταξύ του καλουπιού και του τεμαχίου εργασίας, να αποτραπεί η πρόσφυση και να μειωθεί η αντίσταση στην παραμόρφωση και οι επιφανειακές γρατσουνιές.
Προεπεξεργασία επιφάνειας: Πριν από την ψυχρή επεξεργασία, το φιλμ οξειδίου της επιφάνειας και οι ακαθαρσίες του ακατέργαστου τιτανίου πρέπει να αφαιρεθούν με μεθόδους όπως η αποξήρανση (μικτό οξύ υδροφθορικού οξέος και νιτρικού οξέος, η φόρμουλα είναι γενικά 2–5% HF + 15–20% HNO3 + νερό) ή αμμοβολή, για να εξασφαλιστεί η καθαρότητα της επιφάνειας και η ποιότητα της επιφάνειας απολέπισης και η επιπεδότητα της επιφάνειας.
Ελεγχόμενος ρυθμός παραμόρφωσης και ποσότητα παραμόρφωσης: Ο ρυθμός ψυχρής παραμόρφωσης πρέπει να είναι μέτριος (γενικά, ο ρυθμός παραμόρφωσης ελέγχεται στα 0,001–0,1 s-1). Πολύ γρήγορος ρυθμός παραμόρφωσης θα προκαλέσει το υλικό να μην έχει αρκετό χρόνο για πλαστική ροή, οδηγώντας σε ρωγμές. ένας πολύ αργός ρυθμός θα μειώσει την αποδοτικότητα της παραγωγής. Ταυτόχρονα, θα πρέπει να ελέγχεται αυστηρά η ποσότητα παραμόρφωσης μονής-πέρας (για παράδειγμα, ο ρυθμός μείωσης ενός-πατήματος ψυχρής έλασης είναι γενικά 5–10%, και η γωνία κάμψης μονής-περιόδου δεν είναι μεγαλύτερη από 30 μοίρες) και πολλαπλά περάσματα μικρής παραμόρφωσης θα πρέπει να υιοθετούνται με ενδιάμεση ομοιομορφία της ανόπτησης.
2. Ζεστή επεξεργασία εμπορικά καθαρού τιτανίου
2.1 Δυσκολία επεξεργασίας
Στενό εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας: Η θερμοκρασία μετάβασης φάσης του CP Ti είναι περίπου 882 μοίρες (η δομή HCP ( -φάση) μετατρέπεται σε σώμα-κεντρική κυβική (BCC) δομή ( -φάση) πάνω από αυτήν τη θερμοκρασία). Το βέλτιστο εύρος θερμοκρασιών θερμής λειτουργίας είναι γενικά 700–850 μοίρες (μεταξύ θερμοκρασίας δωματίου και θερμοκρασίας μετάβασης φάσης, δηλαδή στην περιοχή -φάσης). Εάν η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από 700 μοίρες, το υλικό εξακολουθεί να έχει υψηλή αντοχή στην παραμόρφωση και προφανή σκλήρυνση εργασίας. εάν η θερμοκρασία υπερβαίνει τους 850 βαθμούς (κοντά στη θερμοκρασία μετάβασης φάσης), ο κόκκος θα αναπτυχθεί γρήγορα, με αποτέλεσμα τη δομή χονδροειδών κόκκων του τεμαχίου εργασίας, η οποία μειώνει τις μηχανικές ιδιότητες (όπως σκληρότητα και αντοχή σε κόπωση). Επιπλέον, εάν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 882 βαθμούς και εισέλθει στην -περιοχή της φάσης, ο κόκκος θα τραχυνθεί σοβαρά και θα σχηματιστούν ακόμη και εύθραυστες ενδοκοκκώδεις φάσεις μετά την ψύξη, γεγονός που θα επιδεινώσει σημαντικά την απόδοση του υλικού.
Οξείδωση και ευαισθησία στη ρύπανση σε υψηλές-θερμοκρασίες: Το CP Ti έχει εξαιρετικά ισχυρή χημική αντιδραστικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 400 βαθμούς) και θα αντιδράσει με το οξυγόνο, το άζωτο, το υδρογόνο και άλλα αέρια στον αέρα για να σχηματίσει εύθραυστα επιφανειακά στρώματα:
Οξείδωση: Σχηματισμός πορώδους και εύθραυστης κλίμακας TiO2, η οποία μειώνει την ποιότητα της επιφάνειας και τις μηχανικές ιδιότητες του τεμαχίου εργασίας.
Νιτρίωση: Σχηματισμός TiN σκληρής και εύθραυστης φάσης, η οποία καθιστά το υλικό εύθραυστο και επιρρεπές σε ρωγμές κατά την επεξεργασία.
Απορρόφηση υδρογόνου: Σχηματισμός εύθραυστης φάσης TiH, που οδηγεί σε ευθραυστότητα υδρογόνου του υλικού και μείωση της σκληρότητάς του.
Χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και ανομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας: Η θερμική αγωγιμότητα του CP Ti είναι μόνο περίπου το 1/5 αυτής του χάλυβα και το 1/3 αυτής του κράματος αλουμινίου. Κατά τη διάρκεια της θερμής επεξεργασίας, η μεταφορά θερμότητας στο εσωτερικό του υλικού είναι αργή, γεγονός που είναι εύκολο να προκαλέσει ανομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας και του πυρήνα του τεμαχίου εργασίας, με αποτέλεσμα άνιση παραμόρφωση και εσωτερική καταπόνηση, ακόμη και ρωγμές ή παραμόρφωση του τεμαχίου εργασίας.
2.2 Ειδικές απαιτήσεις διαδικασίας
Ακριβής έλεγχος θερμοκρασίας: Η θερμοκρασία θέρμανσης πρέπει να ελέγχεται αυστηρά εντός της περιοχής 700–850 μοιρών και η απόκλιση θερμοκρασίας δεν πρέπει να υπερβαίνει τους ±10 βαθμούς. Ο εξοπλισμός θέρμανσης θα πρέπει να χρησιμοποιεί έναν-ηλεκτρικό φούρνο ακριβείας ή έναν κλίβανο κενού αντί για θέρμανση ανοιχτής φλόγας (για να αποφευχθεί η τοπική υπερθέρμανση ή η ανομοιόμορφη θέρμανση). Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας, η θερμοκρασία του τεμαχίου εργασίας θα πρέπει να παρακολουθείται σε πραγματικό χρόνο (χρησιμοποιώντας μέτρηση υπέρυθρης θερμοκρασίας ή θερμοστοιχείο). Εάν η θερμοκρασία πέσει κάτω από τους 700 βαθμούς, το τεμάχιο εργασίας θα πρέπει να επιστραφεί στον κλίβανο για επαναθέρμανση για να αποφευχθεί η επεξεργασία στη ζώνη χαμηλής- θερμοκρασίας με υψηλή αντίσταση παραμόρφωσης.
Προστατευτική ατμόσφαιρα ή επίστρωση επιφάνειας: Για την πρόληψη της οξείδωσης σε υψηλές-θερμοκρασίες και της ρύπανσης από αέρια, μπορούν να ληφθούν τα ακόλουθα προστατευτικά μέτρα:
Θέρμανση υπό κενό: Θέρμανση του τεμαχίου σε περιβάλλον κενού (βαθμός κενού μεγαλύτερος ή ίσος με 10-3 Pa) για πλήρη απομόνωση του αέρα και αποφυγή αντίδρασης αερίου.
Προστασία αδρανούς αερίου: Γέμισμα του κλιβάνου θέρμανσης με-αργό ή άζωτο υψηλής καθαρότητας (το άζωτο είναι κατάλληλο μόνο για θέρμανση σε χαμηλή-θερμοκρασία κάτω από 600 βαθμούς για να αποφευχθεί η νιτρίωση) για να σχηματιστεί μια προστατευτική ατμόσφαιρα.
Αντιοξειδωτική επίστρωση επιφάνειας: Επικάλυψη της επιφάνειας του τεμαχίου εργασίας με ειδική-αντιοξειδωτική επίστρωση (όπως επίστρωση με βάση το γυαλί-ή επίστρωση με βάση το βόριο-) πριν από τη θέρμανση, η οποία μπορεί να σχηματίσει ένα πυκνό προστατευτικό φιλμ σε υψηλές θερμοκρασίες για την απομόνωση οξυγόνου και αζώτου.
Λογικές παράμετροι διαδικασίας θερμής εργασίας: Ο ρυθμός θερμής παραμόρφωσης θα πρέπει να ελέγχεται στα 0,1–10 s-1 (η -φάση του CP Ti έχει καλύτερη πλαστικότητα σε αυτό το εύρος ρυθμού παραμόρφωσης). Η ποσότητα παραμόρφωσης ενός διελεύματος θα πρέπει να αυξηθεί κατάλληλα (γενικά 30–50%) για να αξιοποιηθεί πλήρως η υψηλή πλαστικότητα του υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες και να αποφευχθούν πολλαπλές μικρές παραμορφώσεις που οδηγούν σε τραχύτητα των κόκκων. Μετά την εν θερμώ επεξεργασία, το τεμάχιο εργασίας θα πρέπει να ψύχεται εγκαίρως (ψύξη με αέρα ή υδρόψυξη, ανάλογα με την ποιότητα και το πάχος του υλικού) για να καταστείλει την ανάπτυξη των κόκκων και να διασφαλιστεί η λεπτή-κοκκώδης δομή.
Μετά την-επεξεργασία θερμικής επεξεργασίας: Μετά από θερμή επεξεργασία, το τεμάχιο εργασίας πρέπει να υποβληθεί σε ανόπτηση ανακούφισης τάσης ή ανόπτηση ανακρυστάλλωσης για την εξάλειψη της εσωτερικής καταπόνησης και τη βελτίωση των κόκκων. Η θερμοκρασία ανόπτησης είναι 600–700 μοίρες και ο χρόνος συγκράτησης καθορίζεται ανάλογα με το πάχος του τεμαχίου εργασίας (γενικά 1–3 ώρες). Για τεμάχια εργασίας με απαιτήσεις υψηλών επιδόσεων, μπορεί να υιοθετηθεί διπλή ανόπτηση (πρώτα θέρμανση στους 750 βαθμούς για συγκράτηση, μετά ψύξη στους 600 βαθμούς για συγκράτηση και τέλος ψύξη αέρα) για περαιτέρω βελτιστοποίηση της δομής και των ιδιοτήτων.
