1. Холодна обробка комерційно чистого титану
1.1 Складність обробки
Пластичність при-низькій кімнатній температурі та чутливість до зміцнення: За кімнатної температури CP Ti має кристалічну структуру HCP із системами обмеженого ковзання (тільки 3 незалежні системи ковзання), що призводить до відносно низької здатності до пластичної деформації порівняно з гране-кубічними (FCC) металами (наприклад, алюмінієвий сплав, аустенітна нержавіюча сталь). Крім того, CP Ti має надзвичайно високу швидкість зміцнення-його міцність різко зростає зі збільшенням ступеня холодної деформації. Наприклад, після 20% холодної прокатки міцність на розрив Grade 2 CP Ti може зрости з початкових 345–415 МПа до понад 550 МПа, тоді як його подовження падає з 20–25% до менше 8%. Це означає, що під час безперервного холодного формування (наприклад, глибока витяжка, згинання) матеріал схильний до розтріскування, якщо не проводити проміжну обробку.
Висока стійкість до деформації: CP Ti має високу межу текучості та напругу текучості при кімнатній температурі. Наприклад, межа текучості CP Ti класу 2 становить приблизно 275–345 МПа, що значно вище ніж у алюмінієвого сплаву 6061-T6 (близько 240 МПа) і близько до межі міцності низьковуглецевої сталі (приблизно 250–300 МПа). При холодній обробці потрібні більш високі навантаження при формуванні, що висуває більш високі вимоги до жорсткості та тоннажу формувального обладнання.
Чутливість до якості поверхні: CP Ti має високу хімічну активність при кімнатній температурі та схильний до утворення твердої та крихкої оксидної плівки (TiO₂) на поверхні. Під час холодної деформації (наприклад, витягування та прокатки) оксидна плівка легко відпадає та спричиняє поверхневі подряпини або прилипання до форми, що впливає на обробку поверхні заготовки. Крім того, якщо поверхня має дефекти (такі як мікротріщини), під час холодної обробки легко виникає концентрація напруги, що призводить до розширення дефектів і навіть руйнування заготовки.
1.2 Спеціальні вимоги до процесу
Обробка проміжним відпалом: Коли ступінь холодної деформації перевищує 15-20%, необхідно провести проміжний відпал для зняття напруги або рекристалізаційний відпал, щоб усунути наклеп, відновити пластичність матеріалу та уникнути розтріскування при наступній обробці. Температура відпалу зазвичай становить 600-700 градусів, а час витримки - 0,5-2 години, з охолодженням печі або повітряним охолодженням для забезпечення рекристалізації матеріалу та усунення внутрішньої напруги.
Технологія формування та змащування: Форма має бути виготовлена з високо-твердих і зносостійких матеріалів (таких як цементований карбід або швидкорізальна-сталь із поверхневим покриттям), а поверхня має бути відполірована для зменшення тертя. У той же час слід використовувати високоефективні мастила (такі як мастила на основі-дисульфіду молібдену або спеціальні масла для обробки титану), щоб утворити стабільну мастильну плівку між формою та деталлю, запобігти адгезії та зменшити стійкість до деформації та подряпин на поверхні.
Попередня обробка поверхні: Перед холодною обробкою поверхневу оксидну плівку та домішки з титанової заготовки необхідно видалити за допомогою таких методів, як травлення (зміш плавикової кислоти та азотної кислоти, формула зазвичай 2–5% HF + 15–20% HNO₃ + вода) або піскоструминна обробка, щоб забезпечити чистоту поверхні та площинність заготовки та уникнути впливу дефектів поверхні на якість обробки.
Контрольована швидкість деформації та величина деформації: Швидкість холодної деформації має бути помірною (як правило, швидкість деформації контролюється на рівні 0,001–0,1 с⁻¹). Занадто швидка швидкість деформації призведе до того, що матеріал не матиме достатньо часу для пластичної течії, що призведе до розтріскування; занадто низька швидкість призведе до зниження ефективності виробництва. У той же час слід суворо контролювати ступінь деформації за один-прохід (наприклад, швидкість зменшення-проходу холодної прокатки загалом становить 5–10%, а кут вигину за один-прохід не перевищує 30 градусів), а також слід застосовувати кілька проходів малої деформації з проміжним відпалом, щоб забезпечити рівномірність деформації.
2. Гаряча обробка комерційно чистого титану
2.1 Складність обробки
Вузький діапазон гарячих робочих температур: Температура фазового переходу CP Ti становить приблизно 882 градуси (структура HCP (-фаза) перетворюється на об’ємно{2}}кубічну (BCC) структуру (-фаза) вище цієї температури). Оптимальний температурний діапазон гарячої обробки зазвичай становить 700–850 градусів (між кімнатною температурою та температурою фазового переходу, тобто в -фазовій області). Якщо температура нижче 700 градусів, матеріал все ще має високу стійкість до деформації та очевидне зміцнення; якщо температура перевищує 850 градусів (близько до температури фазового переходу), зерно буде швидко рости, що призведе до грубої зернистої структури заготовки, що знижує механічні властивості (такі як в'язкість і втомна міцність). Крім того, якщо температура перевищує 882 градуси та входить у фазову область -, зерно буде серйозно укрупненим, і навіть після охолодження утворяться крихкі міжзернові фази, що значно погіршить характеристики матеріалу.
Високо{0}}високотемпературне окислення та чутливість до забруднення: CP Ti має надзвичайно сильну хімічну реакційну здатність при високих температурах (вище 400 градусів) і реагує з киснем, азотом, воднем та іншими газами в повітрі, утворюючи крихкі поверхневі шари:
Окислення: утворення пористої та крихкої окалини TiO₂, що погіршує якість поверхні та механічні властивості заготовки;
Азотування: утворення твердої та крихкої фази TiN, що робить матеріал крихким і схильним до розтріскування під час обробки;
Поглинання водню: утворення крихкої фази TiH, що призводить до водневої крихкості матеріалу та зниження його міцності.
Низька теплопровідність і нерівномірний розподіл температури: Теплопровідність CP Ti становить лише приблизно 1/5 від сталі та 1/3 від алюмінієвого сплаву. Під час гарячої обробки теплопередача всередині матеріалу відбувається повільно, що може спричинити нерівномірний розподіл температури між поверхнею та серцевиною заготовки, що призводить до нерівномірної деформації та внутрішньої напруги та навіть розтріскування або деформації заготовки.
2.2 Спеціальні вимоги до процесу
Точний контроль температури: Температура нагріву повинна суворо контролюватися в межах 700–850 градусів, а відхилення температури не повинно перевищувати ±10 градусів. Нагрівальне обладнання має використовувати прецизійну-керовану електричну або вакуумну піч замість нагрівання відкритим полум’ям (щоб уникнути локального перегріву або нерівномірного нагрівання). Під час обробки слід контролювати температуру заготовки в реальному часі (за допомогою інфрачервоного вимірювання температури або термопари). Якщо температура падає нижче 700 градусів, заготовку слід повернути в піч для повторного нагрівання, щоб уникнути обробки в зоні низьких-температур із високим опором деформації.
Захисна атмосфера або поверхневе покриття: Щоб запобігти високотемпературному-окисленню та забрудненню газами, можна вжити таких захисних заходів:
Вакуумний нагрів: Нагрівання заготовки у вакуумному середовищі (ступінь вакууму більше або дорівнює 10⁻³ Па), щоб повністю ізолювати повітря та уникнути реакції газу;
Захист інертного газу: заповнення нагрівальної печі аргоном або азотом високої-чистоти (азот підходить лише для низькотемпературного-нагрівання нижче 600 градусів, щоб уникнути азотування), щоб утворити захисну атмосферу;
Антиокислювальне покриття поверхні-: Покриття поверхні заготовки спеціальним -антиокислювальним покриттям (наприклад, покриттям на основі скла-або покриття-бором) перед нагріванням, яке може утворювати щільну захисну плівку за високих температур для ізоляції кисню та азоту.
Розумні параметри процесу гарячої обробки: Швидкість гарячої деформації слід контролювати на рівні 0,1–10 с⁻¹ (-фаза CP Ti має кращу пластичність у цьому діапазоні швидкості деформації). Величина деформації за один прохід має бути відповідно збільшена (зазвичай на 30–50%), щоб повною мірою використовувати високу пластичність матеріалу за високих температур і уникнути численних невеликих деформацій, що призводять до укрупнення зерна. Після гарячої обробки заготовку слід вчасно охолодити (охолодження повітрям або водою, залежно від сорту та товщини матеріалу), щоб придушити ріст зерен і забезпечити дрібно-зернисту структуру.
Термічна обробка після -обробки: Після гарячої обробки заготовку потрібно піддати відпалу для зняття напруги або рекристалізаційному відпалу, щоб усунути внутрішню напругу та подрібнити зерна. Температура відпалу становить 600-700 градусів, а час витримки визначається товщиною заготовки (зазвичай 1-3 години). Для заготовок із високими вимогами до продуктивності можна застосувати подвійний відпал (спочатку нагрівання до 750 градусів для витримки, потім охолодження до 600 градусів для витримки та, нарешті, повітряне охолодження) для подальшої оптимізації структури та властивостей.
