1. Kaupallisesti puhtaan titaanin kylmätyöstö
1.1 Käsittelyn vaikeus
Matala{0}}huonelämpötilan sitkeys ja työstökarkaisuherkkyys: Huoneenlämmössä CP Ti:ssä on HCP-kiderakenne rajoitetuilla liukujärjestelmillä (vain 3 itsenäistä liukujärjestelmää), mikä johtaa suhteellisen huonoon plastiseen muodonmuutoskykyyn verrattuna pinta-keskipisteisiin kuutiometalliin (FCC) (esim. alumiiniseos, austeniittinen ruostumaton teräs). Lisäksi CP Ti:llä on erittäin korkea työkovettuvuus-sen lujuus kasvaa jyrkästi kylmämuodonmuutosasteen kasvaessa. Esimerkiksi 20 % kylmävalssauksen jälkeen Grade 2 CP Ti:n vetolujuus voi nousta alkuperäisestä 345–415 MPa:sta yli 550 MPa:iin, kun taas sen venymä laskee 20–25 %:sta alle 8 %:iin. Tämä tarkoittaa, että jatkuvan kylmämuovauksen aikana (kuten syväveto, taivutus) materiaali on altis halkeilulle, jos välikäsittelyä ei tehdä.
Korkea muodonmuutoskestävyys: CP Ti:llä on korkea myötöraja ja virtausjännitys huoneenlämpötilassa. Esimerkiksi Grade 2 CP Ti:n myötöraja on noin 275–345 MPa, mikä on huomattavasti korkeampi kuin 6061-T6-alumiiniseoksen (noin 240 MPa) ja lähellä vähähiilisen teräksen (noin 250–300 MPa). Kylmäkäsittelyssä vaaditaan suurempia muovauskuormia, mikä asettaa korkeampia vaatimuksia muovauslaitteiden jäykkyydelle ja vetoisuudelle.
Pintalaadun herkkyys: CP Ti:llä on korkea kemiallinen aktiivisuus huoneenlämpötilassa ja se on taipuvainen muodostamaan kovan ja hauraan oksidikalvon (TiO₂) pinnalle. Kylmän muodonmuutoksen (kuten vetämisen ja valssauksen) aikana oksidikalvo on helppo pudota ja aiheuttaa pinnan naarmuja tai kiinnittymistä muottiin, mikä vaikuttaa työkappaleen pinnan viimeistelyyn. Lisäksi jos pinnassa on vikoja (esim. mikrohalkeamia), kylmätyöstössä syntyy helposti jännityskeskittymiä, mikä johtaa vikojen laajenemiseen ja jopa työkappaleen murtumiseen.
1.2 Prosessin erityisvaatimukset
Keskitason hehkutuskäsittely: Kun kylmämuodonmuutosaste ylittää 15–20 %, on suoritettava välijännityshehkutus tai uudelleenkiteytyshehkutus työkarkaisun eliminoimiseksi, materiaalin sitkeyden palauttamiseksi ja halkeilun välttämiseksi myöhemmässä käsittelyssä. Hehkutuslämpötila on yleensä 600–700 astetta ja pitoaika 0,5–2 tuntia uunijäähdytyksellä tai ilmajäähdytyksellä materiaalin uudelleenkiteytymisen ja sisäisen jännityksen poistamisen varmistamiseksi.
Muotti- ja voitelutekniikka: Muotin tulee olla korkean -kovuuden ja kulutusta-kestävistä materiaaleista (kuten kovametalli tai pintapinnoitettu nopea{2}}nopea teräs) ja pinta on kiillotettava kitkan vähentämiseksi. Samaan aikaan on käytettävä tehokkaita voiteluaineita (kuten molybdeenidisulfidi-pohjaisia voiteluaineita tai erityisiä titaanin työstööljyjä) muodostamaan vakaa voitelukalvo muotin ja työkappaleen välille, estämään tarttuminen ja vähentämään muodonmuutoskestävyyttä ja pinnan naarmuja.
Pinnan esikäsittely: Ennen kylmäkäsittelyä pinnan oksidikalvo ja titaaniaihion epäpuhtaudet on poistettava esim. peittauksella (fluorivetyhapon ja typpihapon sekahappo, kaava yleensä 2–5 % HF + 15–20 % HNO₃ + vesi) tai hiekkapuhalluksella, jotta pinnan puhtaus, pinnan laatu ja aihion tasaisuus vältetään.
Hallittu muodonmuutosnopeus ja muodonmuutosten määrä: Kylmän muodonmuutosnopeuden tulee olla kohtalainen (yleensä venymänopeus säädetään arvoon 0,001–0,1 s⁻¹). Liian nopea muodonmuutosnopeus aiheuttaa sen, että materiaalilla ei ole tarpeeksi aikaa muovin virtaamiseen, mikä johtaa halkeiluihin; liian hidas nopeus heikentää tuotannon tehokkuutta. Samanaikaisesti yksivaiheisen muodonmuutoksen määrää tulee valvoa tiukasti (esimerkiksi kylmävalssauksen yksikierrosvähennysaste on yleensä 5–10 %, ja yksittäiskierroksen taivutuskulma on enintään 30 astetta), ja useita pieniä muodonmuutoksia on käytettävä välihehkutuksen kanssa tasaisen muodonmuutoksen varmistamiseksi.
2. Kaupallisesti puhtaan titaanin kuumatyöstö
2.1 Käsittelyn vaikeus
Kapea kuumakäyttölämpötila-alue: CP Ti:n faasimuutoslämpötila on noin 882 astetta (HCP-rakenne ( -faasi) muuttuu tämän lämpötilan yläpuolella kehon -keskimäiseksi kuutiorakenteeksi (BCC) ( -faasi). Optimaalinen kuumatyöskentelylämpötila-alue on yleensä 700–850 astetta (huonelämpötilan ja faasimuutoslämpötilan välillä eli -faasialueella). Jos lämpötila on alle 700 astetta, materiaalilla on edelleen korkea muodonmuutoskestävyys ja ilmeinen työkovettuminen; jos lämpötila ylittää 850 astetta (lähellä faasimuutoslämpötilaa), rae kasvaa nopeasti, mikä johtaa työkappaleen karkeaan raerakenteeseen, mikä heikentää mekaanisia ominaisuuksia (kuten sitkeyttä ja väsymislujuutta). Lisäksi, jos lämpötila ylittää 882 astetta ja siirtyy -faasialueelle, rakeet karkeutuvat vakavasti ja jopa hauraita rakeiden välisiä faaseja muodostuu jäähtymisen jälkeen, mikä heikentää merkittävästi materiaalin suorituskykyä.
Korkean lämpötilan-hapetus- ja saasteherkkyys: CP Ti:llä on erittäin voimakas kemiallinen reaktiivisuus korkeissa lämpötiloissa (yli 400 astetta), ja se reagoi hapen, typen, vedyn ja muiden ilmassa olevien kaasujen kanssa muodostaen hauraita pintakerroksia:
Hapetus: Muodostuu huokoinen ja hauras TiO₂-hilse, joka heikentää työkappaleen pinnan laatua ja mekaanisia ominaisuuksia;
Nitridointi: Muodostaa TiN kovan ja hauraan faasin, joka tekee materiaalista hauraan ja altis halkeilulle käsittelyn aikana;
Vedyn absorptio: Muodostaa TiH-hauraan faasin, mikä johtaa materiaalin vetyhaurastumiseen ja vähentää sen sitkeyttä.
Alhainen lämmönjohtavuus ja epätasainen lämpötilan jakautuminen: CP Ti:n lämmönjohtavuus on vain noin 1/5 teräksen ja 1/3 alumiiniseoksen lämmönjohtavuudesta. Kuumakäsittelyn aikana lämmönsiirto materiaalin sisällä on hidasta, mikä aiheuttaa helposti epätasaisen lämpötilan jakautumisen työkappaleen pinnan ja ytimen välillä, mikä johtaa epätasaiseen muodonmuutokseen ja sisäiseen jännitykseen sekä työkappaleen jopa halkeilemiseen tai muodonmuutokseen.
2.2 Prosessin erityisvaatimukset
Tarkka lämpötilan säätö: Lämmityslämpötilaa on valvottava tiukasti välillä 700–850 astetta, ja lämpötilapoikkeama ei saa ylittää ±10 astetta. Lämmityslaitteissa tulee käyttää tarkkuusohjattua sähköuunia tai tyhjiöuunia avotulilämmityksen sijaan (paikallisen ylikuumenemisen tai epätasaisen kuumenemisen välttämiseksi). Käsittelyn aikana työkappaleen lämpötilaa tulee seurata reaaliajassa (infrapunalämpötilamittauksella tai termoparilla). Jos lämpötila laskee alle 700 astetta, työkappale on palautettava uuniin uudelleen lämmitettäväksi, jotta vältetään käsittely matalan lämpötilan alueella, jolla on korkea muodonmuutoskestävyys.
Suojaava ilmakehä tai pintapinnoite: Korkeissa lämpötiloissa tapahtuvan hapettumisen ja kaasun saastumisen estämiseksi voidaan toteuttaa seuraavat suojatoimenpiteet:
Tyhjiölämmitys: Työkappaleen kuumentaminen tyhjiöympäristössä (tyhjiöaste suurempi tai yhtä suuri kuin 10⁻3 Pa) ilman täydellisen eristämiseksi ja kaasureaktion välttämiseksi;
Inerttikaasusuojaus: Lämmitysuunin täyttäminen erittäin-puhtaalla argonilla tai typellä (typpi soveltuu vain matalan-lämpötilan lämmittämiseen alle 600 asteeseen nitridaation välttämiseksi) suojaavan ilmakehän muodostamiseksi;
Pinnan hapettumisenesto-pinnoite: Päällystetään työkappaleen pinta erityisellä hapettumista estävällä-pinnoitteella (kuten lasi-pohjaisella pinnoitteella tai boori-pohjaisella pinnoitteella) ennen kuumennusta, joka voi muodostaa tiheän suojakalvon korkeissa lämpötiloissa hapen ja typen eristämiseksi.
Kohtuulliset kuumatyöprosessiparametrit: Kuumamuodonmuutosnopeutta tulee säätää arvoon 0,1–10 s⁻¹ (CP Ti:n -vaiheella on parempi plastisuus tällä venymänopeusalueella). Yhden -kierroksen muodonmuutosmäärää tulee lisätä asianmukaisesti (yleensä 30–50 %), jotta materiaalin korkea plastisuus korkeissa lämpötiloissa voidaan hyödyntää täysimääräisesti ja välttää useita pieniä muodonmuutoksia, jotka johtavat rakeiden karkenemiseen. Kuumakäsittelyn jälkeen työkappale tulee jäähdyttää ajoissa (ilmajäähdytys tai vesijäähdytys materiaalin laadusta ja paksuudesta riippuen), jotta raekasvua estetään ja varmistetaan hieno{8}}rakeinen rakenne.
Jälkikäsittelyn lämpökäsittely-: Kuumatyöstön jälkeen työkappale on alistettava jännityksenpoistohehkutukseen tai uudelleenkiteytyshehkutukseen sisäisen jännityksen poistamiseksi ja rakeiden jalostamiseksi. Hehkutuslämpötila on 600-700 astetta ja pitoaika määräytyy työkappaleen paksuuden mukaan (yleensä 1-3 tuntia). Työkappaleille, joilla on korkeat suorituskykyvaatimukset, voidaan käyttää kaksoishehkutusta (ensin lämmitys 750 asteeseen pitoa varten, sitten jäähdytys 600 asteeseen pitämistä varten ja lopuksi ilmajäähdytys) rakenteen ja ominaisuuksien optimoimiseksi edelleen.
