1. Hladna obrada komercijalno čistog titanijuma
1.1 Poteškoće u obrađivanju
Niska duktilnost{0}}pri sobnoj temperaturi i osjetljivost na kaljenje: Na sobnoj temperaturi, CP Ti ima HCP kristalnu strukturu sa ograničenim sistemom klizanja (samo 3 nezavisna sistema klizanja), što rezultira relativno lošom sposobnošću plastične deformacije u poređenju sa -centriranim kubnim metalima (FCC) metalima (npr. legura aluminijuma, austenitni nerđajući čelik). Štaviše, CP Ti ima izuzetno visoku brzinu očvršćavanja-njegova čvrstoća naglo raste sa povećanjem stepena hladne deformacije. Na primjer, nakon 20% hladnog valjanja, vlačna čvrstoća CP Ti razreda 2 može porasti sa početnih 345–415 MPa na preko 550 MPa, dok njegovo istezanje opada sa 20–25% na manje od 8%. To znači da je tokom kontinuiranog hladnog oblikovanja (kao što je duboko izvlačenje, savijanje), materijal sklon pucanju ako se ne izvrši međuobrada.
Visoka otpornost na deformacije: CP Ti ima visoku granicu tečenja i napon tečenja na sobnoj temperaturi. Na primjer, granica popuštanja CP Ti razreda 2 je oko 275–345 MPa, što je znatno više od one legure aluminija 6061-T6 (oko 240 MPa) i blizu niskougljičnog čelika (oko 250–300 MPa). Za vrijeme hladne obrade potrebna su veća opterećenja oblikovanja, što postavlja veće zahtjeve za krutost i tonažu opreme za oblikovanje.
Osetljivost na kvalitet površine: CP Ti ima visoku hemijsku aktivnost na sobnoj temperaturi i sklon je stvaranju tvrdog i krhkog oksidnog filma (TiO₂) na površini. Tokom hladne deformacije (kao što je izvlačenje i valjanje), oksidni film lako pada i uzrokuje površinske ogrebotine ili prianjanje na kalup, što utiče na završnu obradu površine obratka. Osim toga, ako površina ima defekte (kao što su mikropukotine), lako se javlja koncentracija naprezanja tijekom hladne obrade, što dovodi do širenja defekata, pa čak i loma radnog komada.
1.2 Posebni zahtjevi procesa
Tretman srednjeg žarenja: Kada stepen hladne deformacije pređe 15-20%, mora se izvršiti žarenje srednjeg naprezanja ili rekristalizacijsko žarenje kako bi se eliminisalo radno očvršćavanje, vratila duktilnost materijala i izbjeglo pucanje u naknadnoj obradi. Temperatura žarenja je općenito 600-700 stupnjeva, a vrijeme držanja je 0,5-2 sata, uz hlađenje peći ili zračno hlađenje kako bi se osigurala rekristalizacija materijala i eliminacija unutrašnjeg naprezanja.
Kalup i tehnologija podmazivanja: Kalup treba biti napravljen od materijala visoke-tvrdoće i habanja-otpornih (kao što je cementni karbid ili brzorezni čelik sa površinskim premazom), a površinu treba polirati kako bi se smanjilo trenje. U isto vrijeme, maziva visokih{4}}maziva (kao što su maziva na bazi molibden disulfida- ili specijalna ulja za obradu titanijuma) moraju se koristiti za formiranje stabilnog filma za podmazivanje između kalupa i radnog komada, sprječavanje prianjanja i smanjenje otpornosti na deformacije i površinske ogrebotine.
Predtretman površine: Prije hladne obrade, površinski oksidni film i nečistoće s titanovog blanka moraju se ukloniti metodama kao što su kiseljenje (mješovina kiselina fluorovodonične kiseline i dušične kiseline, formula je općenito 2–5% HF + 15–20% HNO₃ + voda) ili pjeskarenje, kako bi se osigurala čistoća površine i ravnost na kvalitetu obrađene površine, kao i defekti na površini obrade.
Kontrolirana brzina deformacije i količina deformacije: Brzina hladne deformacije bi trebala biti umjerena (općenito, brzina deformacije se kontrolira na 0,001–0,1 s⁻¹). Prebrza stopa deformacije će uzrokovati da materijal nema dovoljno vremena za plastično tečenje, što će dovesti do pucanja; suviše spora stopa će smanjiti efikasnost proizvodnje. U isto vrijeme, iznos deformacije u jednom{4}}prolasku treba strogo kontrolirati (na primjer, stopa smanjenja jednog prolaza kod hladnog valjanja je općenito 5-10%, a ugao savijanja u jednom prolazu nije veći od 30 stepeni), a potrebno je usvojiti višestruke prolaze male deformacije sa srednjom deformacijom kako bi se osigurala ujednačenost deformacije.
2. Vruća obrada komercijalno čistog titanijuma
2.1 Poteškoće u obrađivanju
Uski raspon vruće radne temperature: Temperatura faznog prijelaza CP Ti je oko 882 stepena (HCP struktura (-faza) se transformira u tijelo-centriranu kubičnu (BCC) strukturu (-faza) iznad ove temperature). Optimalni opseg temperature toplog rada je generalno 700–850 stepeni (između sobne temperature i temperature faznog prelaza, tj. u -faznom regionu). Ako je temperatura niža od 700 stepeni, materijal i dalje ima visoku otpornost na deformaciju i očito očvršćavanje; ako temperatura prelazi 850 stepeni (blizu temperaturi faznog prijelaza), zrno će brzo rasti, što će rezultirati grubom zrnastom strukturom radnog komada, što smanjuje mehanička svojstva (kao što su žilavost i čvrstoća na zamor). Osim toga, ako temperatura prijeđe 882 stepena i uđe u -fazno područje, zrno će biti ozbiljno grubo, pa će se nakon hlađenja formirati čak i krhke intergranularne faze, što će značajno pogoršati performanse materijala.
Visoka{0}}osetljivost na oksidaciju i zagađenje: CP Ti ima izuzetno jaku hemijsku reaktivnost na visokim temperaturama (iznad 400 stepeni), i reagovaće sa kiseonikom, azotom, vodonikom i drugim gasovima u vazduhu da formira krhke površinske slojeve:
Oksidacija: Formiranje porozne i krhke TiO₂ kamenca, što smanjuje kvalitet površine i mehanička svojstva obratka;
Nitridacija: Formiranje TiN tvrde i krhke faze, što čini materijal krhkim i sklonim pucanju tokom obrade;
Apsorpcija vodika: Formiranje TiH krhke faze, što dovodi do vodonične krhkosti materijala i smanjenja njegove žilavosti.
Niska toplotna provodljivost i neravnomjerna raspodjela temperature: Toplotna provodljivost CP Ti je samo oko 1/5 od čelika i 1/3 od legure aluminijuma. Tokom vruće obrade, prijenos topline unutar materijala je spor, što lako može uzrokovati neravnomjernu raspodjelu temperature između površine i jezgre obratka, što rezultira neravnomjernom deformacijom i unutrašnjim naprezanjem, pa čak i pucanjem ili deformacijom radnog komada.
2.2 Posebni zahtjevi procesa
Precizna kontrola temperature: Temperatura grejanja mora biti strogo kontrolisana u opsegu od 700-850 stepeni, a odstupanje temperature ne bi trebalo da prelazi ±10 stepeni. Oprema za grijanje treba koristiti preciznu-upravljanu električnu peć ili vakuumsku peć umjesto grijanja na otvoreni plamen (kako bi se izbjeglo lokalno pregrijavanje ili neravnomjerno zagrijavanje). Tokom obrade, temperaturu radnog komada treba pratiti u realnom vremenu (pomoću infracrvenog mjerenja temperature ili termoelementa). Ako temperatura padne ispod 700 stepeni, radni predmet treba vratiti u peć na ponovno zagrijavanje kako bi se izbjegla obrada u zoni niskih{8}}temperatura sa visokom otpornošću na deformacije.
Zaštitna atmosfera ili površinski premaz: Da bi se spriječila oksidacija pri visokim{0}}temperaturama i zagađenje plinovima, mogu se poduzeti sljedeće zaštitne mjere:
Vakuumsko grijanje: Zagrijavanje radnog komada u vakuumskom okruženju (stepen vakuuma veći ili jednak 10⁻³ Pa) kako bi se potpuno izolirao zrak i izbjegla reakcija plina;
Zaštita od inertnog gasa: Punjenje peći za grijanje argonom ili azotom visoke{0}}čistoće (azot je pogodan samo za nisko-zagrijavanje ispod 600 stepeni da bi se izbjegla nitridacija) kako bi se stvorila zaštitna atmosfera;
Površinski antioksidacijski premaz: Premazivanje površine obratka posebnim anti-premazom protiv oksidacije (kao što je premaz na bazi stakla- ili premaz na bazi bora-) prije zagrijavanja, koji može formirati gusti zaštitni film na visokim temperaturama za izolaciju kisika i dušika.
Razumni parametri procesa toplog rada: Brzinu vruće deformacije treba kontrolirati na 0,1–10 s⁻¹ (-faza CP Ti ima bolju plastičnost u ovom rasponu brzine deformacije). Količina deformacije u jednom{4}}prolazu treba se na odgovarajući način povećati (općenito 30-50%) kako bi se u potpunosti iskoristila visoka plastičnost materijala na visokim temperaturama i izbjegle višestruke male deformacije koje dovode do grubosti zrna. Nakon vruće obrade, radni predmet treba na vrijeme ohladiti (zračno ili vodeno hlađenje, ovisno o vrsti i debljini materijala) kako bi se suzbio rast zrna i osigurala fino-zrnasta struktura.
Naknadna{0}}toplinska obrada: Nakon vruće obrade, radni predmet treba podvrgnuti žarenju za ublažavanje naprezanja ili rekristalizacijskom žarenju kako bi se eliminisalo unutrašnje naprezanje i rafinirala zrna. Temperatura žarenja je 600-700 stepeni, a vrijeme držanja se određuje prema debljini radnog komada (obično 1-3 sata). Za radne komade sa visokim zahtevima za performanse, dvostruko žarenje (prvo zagrevanje na 750 stepeni za držanje, zatim hlađenje na 600 stepeni za držanje, i na kraju hlađenje vazduhom) može se primeniti kako bi se dalje optimizovala struktura i svojstva.
