1. Kallbearbetning av kommersiellt rent titan
1.1 Bearbetningssvårigheter
Låg duktilitet i rumstemperatur- och arbetshärdningskänslighet: Vid rumstemperatur har CP Ti en HCP-kristallstruktur med begränsade glidsystem (endast 3 oberoende glidsystem), vilket resulterar i relativt dålig plastisk deformationsförmåga jämfört med face-centered cubic (FCC) metaller (t.ex. aluminiumlegering, austenitiskt rostfritt stål). Dessutom har CP Ti extremt hög arbetshärdningshastighet-dess styrka ökar kraftigt med ökningen av kalldeformationsgraden. Efter 20 % kallvalsning kan t.ex. draghållfastheten för Grade 2 CP Ti stiga från de ursprungliga 345–415 MPa till över 550 MPa, medan dess töjning sjunker från 20–25 % till mindre än 8 %. Detta innebär att vid kontinuerlig kallformning (såsom djupdragning, bockning) är materialet benäget att spricka om mellanbehandling inte utförs.
Högt motstånd mot deformation: CP Ti har hög sträckgräns och flödesspänning vid rumstemperatur. Till exempel är sträckgränsen för Grade 2 CP Ti cirka 275–345 MPa, vilket är betydligt högre än för 6061-T6 aluminiumlegering (cirka 240 MPa) och nära den för lågkolhaltigt stål (cirka 250–300 MPa). Högre formningsbelastningar krävs vid kallbearbetning, vilket ställer högre krav på formningsutrustningens styvhet och tonnage.
Ytkvalitetskänslighet: CP Ti har hög kemisk aktivitet vid rumstemperatur och är benägen att bilda en hård och spröd oxidfilm (TiO₂) på ytan. Under kall deformation (som dragning och valsning) är oxidfilmen lätt att falla av och orsaka ytrepor eller vidhäftning till formen, vilket påverkar arbetsstyckets ytfinish. Dessutom, om ytan har defekter (som mikrosprickor), är spänningskoncentrationen lätt att uppstå under kallbearbetning, vilket leder till expansion av defekter och till och med brott på arbetsstycket.
1.2 Särskilda processkrav
Mellanliggande glödgningsbehandling: När den kalla deformationsgraden överstiger 15–20 %, måste mellanliggande spänningsavlastningsglödgning eller omkristallisationsglödgning utföras för att eliminera arbetshärdning, återställa materialets duktilitet och undvika sprickbildning i efterföljande bearbetning. Glödgningstemperaturen är i allmänhet 600–700 grader, och hålltiden är 0,5–2 timmar, med ugnskylning eller luftkylning för att säkerställa omkristallisering av materialet och eliminering av inre stress.
Form- och smörjteknik: Formen ska vara gjord av material med hög-hårdhet och-nötning (som hårdmetall eller snabbstål- med ytbeläggning), och ytan bör poleras för att minska friktionen. Samtidigt måste hög-smörjmedel (som molybdendisulfid-baserade smörjmedel eller speciella titanbearbetningsoljor) användas för att bilda en stabil smörjfilm mellan formen och arbetsstycket, förhindra vidhäftning och minska deformationsbeständigheten och ytrepor.
Ytförbehandling: Före kallbearbetning måste ytoxidfilmen och föroreningar från titanämnet avlägsnas med metoder som betning (blandad syra av fluorvätesyra och salpetersyra, formeln är i allmänhet 2–5 % HF + 15–20 % HNO₃ + vatten) eller sandblästring, för att säkerställa ytans renhet och planhet på inverkan på ytan av ämnets yta, och undvika defekter i processytan.
Kontrollerad deformationshastighet och deformationsmängd: Kölddeformationshastigheten bör vara måttlig (i allmänhet regleras töjningshastigheten till 0,001–0,1 s⁻¹). En för hög deformationshastighet gör att materialet inte har tillräckligt med tid för plastiskt flöde, vilket leder till sprickbildning; för låg hastighet minskar produktionseffektiviteten. Samtidigt bör deformationsmängden för enkel-passage kontrolleras strikt (till exempel är reduktionshastigheten för enkel-passage för kallvalsning i allmänhet 5–10 %, och böjningsvinkeln för enkel-passage är inte mer än 30 grader), och flera pass med liten deformation bör användas med mellanliggande glödgning för att säkerställa en enhetlig deformation.
2. Varmbearbetning av kommersiellt rent titan
2.1 Bearbetningssvårigheter
Snävt intervall för varmarbetstemperatur: Fasövergångstemperaturen för CP Ti är cirka 882 grader (HCP-strukturen (-fas) omvandlas till kropps-centrerad kubisk (BCC) struktur (-fas) över denna temperatur). Det optimala intervallet för varmarbetstemperatur är i allmänhet 700–850 grader (mellan rumstemperatur och fasövergångstemperatur, dvs. i -fasområdet). Om temperaturen är lägre än 700 grader har materialet fortfarande hög deformationsbeständighet och uppenbar arbetshärdning; om temperaturen överstiger 850 grader (nära fasövergångstemperaturen), kommer kornen att växa snabbt, vilket resulterar i grov kornstruktur hos arbetsstycket, vilket minskar de mekaniska egenskaperna (såsom seghet och utmattningshållfasthet). Dessutom, om temperaturen överstiger 882 grader och går in i -fasregionen, kommer kornet att bli allvarligt grovt, och till och med spröda intergranulära faser kommer att bildas efter kylning, vilket avsevärt kommer att försämra materialets prestanda.
Hög-temperaturoxidation och föroreningskänslighet: CP Ti har extremt stark kemisk reaktivitet vid höga temperaturer (över 400 grader), och kommer att reagera med syre, kväve, väte och andra gaser i luften för att bilda sköra ytskikt:
Oxidation: Bildar en porös och spröd TiO₂-skala, vilket minskar ytkvaliteten och de mekaniska egenskaperna hos arbetsstycket;
Nitrering: Bildar TiN hård och spröd fas, vilket gör materialet sprött och benäget att spricka under bearbetning;
Väteabsorption: Bildar TiH-spröd fas, vilket leder till väteförsprödning av materialet och minskar dess seghet.
Låg värmeledningsförmåga och ojämn temperaturfördelning: Värmeledningsförmågan för CP Ti är bara cirka 1/5 av stålets och 1/3 av aluminiumlegeringens. Under varmbearbetning är värmeöverföringen inuti materialet långsam, vilket är lätt att orsaka ojämn temperaturfördelning mellan ytan och kärnan av arbetsstycket, vilket resulterar i ojämn deformation och inre spänningar och till och med sprickbildning eller deformation av arbetsstycket.
2.2 Särskilda processkrav
Exakt temperaturkontroll: Uppvärmningstemperaturen måste kontrolleras strikt inom intervallet 700–850 grader, och temperaturavvikelsen bör inte överstiga ±10 grader. Värmeutrustningen bör använda en precisions-kontrollerad elektrisk ugn eller vakuumugn istället för uppvärmning med öppen låga (för att undvika lokal överhettning eller ojämn uppvärmning). Under bearbetningen bör temperaturen på arbetsstycket övervakas i realtid (med infraröd temperaturmätning eller termoelement). Om temperaturen sjunker under 700 grader bör arbetsstycket återföras till ugnen för återuppvärmning för att undvika bearbetning i låg-temperaturzonen med hög deformationsmotstånd.
Skyddande atmosfär eller ytbeläggning: För att förhindra hög-temperaturoxidation och gasförorening kan följande skyddsåtgärder vidtas:
Vakuumvärme: Uppvärmning av arbetsstycket i en vakuummiljö (vakuumgrad större än eller lika med 10⁻³ Pa) för att fullständigt isolera luften och undvika gasreaktion;
Inertgasskydd: Fylla uppvärmningsugnen med hög-renhet argon eller kväve (kväve är endast lämpligt för låg-temperaturuppvärmning under 600 grader för att undvika nitridering) för att bilda en skyddande atmosfär;
Ytbeläggning mot-oxidation: Beläggning av arbetsstyckets yta med en speciell anti-oxidationsbeläggning (som glas-baserad beläggning eller bor-baserad beläggning) före uppvärmning, vilket kan bilda en tät skyddande film vid höga temperaturer för att isolera syre och kväve.
Rimliga parametrar för heta arbetsprocesser: Den heta deformationshastigheten bör kontrolleras till 0,1–10 s⁻¹ (-fasen av CP Ti har bättre plasticitet i detta töjningshastighetsområde). Deformationsmängden för engångs-passage bör ökas på lämpligt sätt (vanligtvis 30–50 %) för att fullt ut utnyttja materialets höga plasticitet vid höga temperaturer och undvika flera små deformationer som leder till att kornen förgrovar. Efter varmbearbetning bör arbetsstycket kylas i tid (luftkylning eller vattenkylning, beroende på materialets kvalitet och tjocklek) för att undertrycka korntillväxt och säkerställa en fin-kornig struktur.
Värmebehandling efter-bearbetning: Efter varmbearbetning måste arbetsstycket utsättas för avspänningsglödgning eller omkristallisationsglödgning för att eliminera inre spänningar och förfina korn. Glödgningstemperaturen är 600–700 grader och hålltiden bestäms enligt arbetsstyckets tjocklek (vanligtvis 1–3 timmar). För arbetsstycken med höga prestandakrav kan dubbel glödgning (först uppvärmning till 750 grader för att hålla, sedan kyla till 600 grader för att hålla, och slutligen luftkylning) användas för att ytterligare optimera strukturen och egenskaperna.
