1. Hladna obrada komercijalno čistog titana
1.1 Poteškoće s obradom
Duktilnost na niskim-temperaturama i osjetljivost na otvrdnjavanje: Na sobnoj temperaturi, CP Ti ima HCP kristalnu strukturu sa sustavima ograničenog klizanja (samo 3 neovisna sustava klizanja), što rezultira relativno slabom sposobnošću plastične deformacije u usporedbi s kockastim (FCC) metalima (npr. legura aluminija, austenitni nehrđajući čelik). Štoviše, CP Ti ima izuzetno visoku stopu otvrdnuća-njegova čvrstoća naglo raste s povećanjem stupnja hladne deformacije. Na primjer, nakon 20% hladnog valjanja, vlačna čvrstoća Grade 2 CP Ti može porasti s početnih 345-415 MPa na preko 550 MPa, dok njegovo rastezanje pada s 20-25% na manje od 8%. To znači da je tijekom 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 naprezanje tečenja na sobnoj temperaturi. Na primjer, granica razvlačenja Grade 2 CP Ti je oko 275-345 MPa, što je znatno više od granice razvlačenja aluminijske legure 6061-T6 (oko 240 MPa) i blizu čelika s niskim udjelom ugljika (oko 250-300 MPa). Tijekom hladne obrade potrebna su veća opterećenja oblikovanja, što postavlja veće zahtjeve za krutost i nosivost opreme za oblikovanje.
Osjetljivost kvalitete površine: CP Ti ima visoku kemijsku aktivnost na sobnoj temperaturi i sklon je stvaranju tvrdog i lomljivog oksidnog filma (TiO₂) na površini. Tijekom hladne deformacije (kao što je izvlačenje i valjanje), oksidni film lako pada i uzrokuje ogrebotine na površini ili prianjanje na kalup, što utječe na završnu obradu površine izratka. Osim toga, ako površina ima nedostatke (kao što su mikropukotine), lako je doći do koncentracije naprezanja tijekom hladne obrade, što dovodi do širenja nedostataka, pa čak i loma izratka.
1.2 Posebni zahtjevi procesa
Tretman srednjeg žarenja: Kada stupanj hladne deformacije prijeđe 15-20%, potrebno je provesti srednje žarenje za ublažavanje naprezanja ili rekristalizacijsko žarenje kako bi se eliminiralo otvrdnjavanje, vratila duktilnost materijala i izbjeglo pucanje u daljnjoj 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 uklanjanje unutarnjeg naprezanja.
Tehnologija kalupa i podmazivanja: Kalup treba biti izrađen od materijala visoke-tvrdoće i -otpornosti na habanje (kao što je cementni karbid ili brzo{2}}čelik s površinskim premazom), a površina treba biti polirana kako bi se smanjilo trenje. U isto vrijeme, maziva s visokim -učinkom (kao što su maziva na bazi-molibden disulfida ili posebna ulja za obradu titana) moraju se koristiti za stvaranje stabilnog mazivog filma između kalupa i obratka, sprječavanje prianjanja i smanjenje otpornosti na deformaciju i površinske ogrebotine.
Predobrada površine: Prije hladne obrade, površinski oksidni film i nečistoće s titanijskog uzorka moraju se ukloniti metodama kao što je dekapiranje (mješavina fluorovodične kiseline i dušične kiseline, formula je općenito 2–5% HF + 15–20% HNO₃ + voda) ili pjeskarenje, kako bi se osigurala čistoća površine i ravnost uzorka i izbjegao utjecaj površinskih nedostataka na kvalitetu obrade.
Kontrolirana brzina deformacije i količina deformacije: Brzina hladne deformacije treba biti umjerena (općenito se brzina deformacije kontrolira na 0,001–0,1 s⁻¹). Prebrza brzina deformacije uzrokovat će da materijal nema dovoljno vremena za plastično tečenje, što dovodi do pucanja; prespora brzina će smanjiti učinkovitost proizvodnje. U isto vrijeme, veličina deformacije u jednom-prolazu treba biti strogo kontrolirana (na primjer, stopa redukcije u jednom-prolazu kod hladnog valjanja općenito je 5-10%, a kut savijanja u jednom-prolazu nije veći od 30 stupnjeva), a višestruki prolazi male deformacije trebaju biti usvojeni sa srednjim žarenjem kako bi se osigurala ujednačenost deformacije.
2. Vruća obrada komercijalno čistog titana
2.1 Poteškoće obrade
Uzak raspon vruće radne temperature: Temperatura faznog prijelaza CP Ti je oko 882 stupnja (HCP struktura (-faza) se transformira u tijelo-centriranu kubičnu (BCC) strukturu (-faza) iznad ove temperature). Optimalni raspon vruće radne temperature općenito je 700–850 stupnjeva (između sobne temperature i temperature faznog prijelaza, tj. u -faznom području). Ako je temperatura niža od 700 stupnjeva, materijal još uvijek ima visoku otpornost na deformaciju i očito otvrdnuće; ako temperatura prijeđe 850 stupnjeva (blizu temperature faznog prijelaza), zrno će brzo rasti, što će rezultirati strukturom grubog zrna izratka, što smanjuje mehanička svojstva (kao što su žilavost i čvrstoća na zamor). Osim toga, ako temperatura prijeđe 882 stupnja i uđe u područje -faze, zrno će biti ozbiljno grubo, pa će se nakon hlađenja formirati čak i lomljive intergranularne faze, što će značajno pogoršati performanse materijala.
Visoko{0}}temperaturna oksidacija i osjetljivost na zagađenje: CP Ti ima izuzetno jaku kemijsku reaktivnost na visokim temperaturama (iznad 400 stupnjeva) i reagirat će s kisikom, dušikom, vodikom i drugim plinovima u zraku stvarajući krte površinske slojeve:
Oksidacija: Stvaranje poroznog i lomljivog kamenca TiO₂, što smanjuje kvalitetu površine i mehanička svojstva obratka;
Nitriranje: Stvaranje tvrde i lomljive faze TiN, koja čini materijal lomljivim i sklonim pucanju tijekom obrade;
Apsorpcija vodika: Stvaranje TiH krte faze, što dovodi do vodikove krtosti materijala i smanjenja njegove žilavosti.
Niska toplinska vodljivost i neravnomjerna raspodjela temperature: Toplinska vodljivost CP Ti je samo oko 1/5 od čelika i 1/3 od aluminijske legure. Tijekom vruće obrade prijenos topline unutar materijala je spor, što lako uzrokuje neravnomjernu raspodjelu temperature između površine i jezgre izratka, što rezultira neravnomjernom deformacijom i unutarnjim naprezanjem, pa čak i pucanjem ili deformacijom izratka.
2.2 Posebni zahtjevi procesa
Precizna kontrola temperature: Temperatura grijanja mora biti strogo kontrolirana u rasponu od 700-850 stupnjeva, a odstupanje temperature ne smije prelaziti ±10 stupnjeva. Oprema za grijanje trebala bi koristiti precizno-kontroliranu električnu peć ili vakuumsku peć umjesto grijanja otvorenim plamenom (kako bi se izbjeglo lokalno pregrijavanje ili neravnomjerno zagrijavanje). Tijekom obrade temperaturu izratka treba pratiti u stvarnom vremenu (pomoću infracrvenog mjerenja temperature ili termoelementa). Ako temperatura padne ispod 700 stupnjeva, obradak treba vratiti u peć za ponovno zagrijavanje kako bi se izbjegla obrada u zoni niske-temperature s velikom otpornošću na deformacije.
Zaštitna atmosfera ili površinski premaz: Kako bi se spriječila visoko{0}}temperaturna oksidacija i onečišćenje plinom, mogu se poduzeti sljedeće zaštitne mjere:
Vakuumsko grijanje: Zagrijavanje obratka u vakuumskom okruženju (stupanj vakuuma veći ili jednak 10⁻³ Pa) kako bi se potpuno izolirao zrak i izbjegla reakcija plina;
Zaštita od inertnog plina: Punjenje peći za grijanje argonom ili dušikom visoke-čistoće (dušik je prikladan samo za grijanje na niskim-temperaturama ispod 600 stupnjeva kako bi se izbjegla nitridacija) kako bi se stvorila zaštitna atmosfera;
Površinski antioksidacijski premaz-: Premazivanje površine izratka posebnim anti{0}}prevlakom (kao što je prevlaka na bazi-stakla ili prevlaka na bazi-bora) prije zagrijavanja, koja može stvoriti gusti zaštitni film na visokim temperaturama za izolaciju kisika i dušika.
Razumni parametri procesa vruće obrade: 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-prolazu treba se odgovarajuće povećati (općenito 30-50%) kako bi se u potpunosti iskoristila visoka plastičnost materijala pri visokim temperaturama i izbjegle višestruke male deformacije koje dovode do ogrubljivanja zrna. Nakon vruće obrade, obradak treba na vrijeme ohladiti (hlađenje zrakom ili vodom, ovisno o kvaliteti i debljini materijala) kako bi se suzbio rast zrna i osigurala fino-zrnasta struktura.
Top-naknadna obrada: Nakon vruće obrade, obradak treba podvrgnuti žarenju za ublažavanje naprezanja ili rekristalizacijskom žarenju kako bi se eliminirao unutarnji stres i pročistila zrna. Temperatura žarenja je 600-700 stupnjeva, a vrijeme držanja se određuje prema debljini izratka (općenito 1-3 sata). Za izratke s visokim zahtjevima performansi može se usvojiti dvostruko žarenje (prvo zagrijavanje na 750 stupnjeva za držanje, zatim hlađenje na 600 stupnjeva za držanje i na kraju hlađenje zrakom) kako bi se dodatno optimizirala struktura i svojstva.
