1. การทำงานเย็นของไทเทเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์
1.1 ความยากในการประมวลผล
อุณหภูมิห้องต่ำ-มีความเหนียวและความไวในการชุบแข็งงาน: ที่อุณหภูมิห้อง CP Ti มีโครงสร้างผลึก HCP พร้อมระบบลิมิเต็ดสลิป (ระบบสลิปอิสระเพียง 3 ระบบเท่านั้น) ส่งผลให้มีความสามารถในการเปลี่ยนรูปพลาสติกได้ค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับโลหะที่มีลูกบาศก์ตรงกลาง (FCC) ที่หน้า- (เช่น อะลูมิเนียมอัลลอย สเตนเลสออสเทนนิติก) นอกจากนี้ CP Ti ยังมีอัตราการชุบแข็งในงานที่สูงมาก-ความแข็งแกร่งของมันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามระดับการเปลี่ยนรูปเย็นที่เพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น หลังจากการรีดเย็น 20% ความต้านทานแรงดึงของ CP Ti เกรด 2 สามารถเพิ่มขึ้นจาก 345–415 MPa เริ่มต้นเป็นมากกว่า 550 MPa ในขณะที่การยืดตัวลดลงจาก 20–25% เป็นน้อยกว่า 8% ซึ่งหมายความว่าในระหว่างการขึ้นรูปเย็นอย่างต่อเนื่อง (เช่น การขึ้นรูปลึก การดัดงอ) วัสดุมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวหากไม่ดำเนินการบำบัดขั้นกลาง
ความต้านทานการเสียรูปสูง: CP Ti มีความแข็งแรงของผลผลิตสูงและมีความเค้นการไหลที่อุณหภูมิห้อง ตัวอย่างเช่น กำลังรับผลผลิตของ CP Ti เกรด 2 อยู่ที่ประมาณ 275–345 MPa ซึ่งสูงกว่าอะลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061-T6 (ประมาณ 240 MPa) อย่างมีนัยสำคัญ และใกล้เคียงกับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (ประมาณ 250–300 MPa) จำเป็นต้องมีโหลดการขึ้นรูปที่สูงขึ้นในระหว่างกระบวนการเย็น ซึ่งทำให้มีข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความแข็งแกร่งและน้ำหนักของอุปกรณ์การขึ้นรูป
ความไวต่อคุณภาพพื้นผิว: CP Ti มีฤทธิ์ทางเคมีสูงที่อุณหภูมิห้อง และมีแนวโน้มที่จะเกิดฟิล์มออกไซด์ที่แข็งและเปราะ (TiO₂) บนพื้นผิว ในระหว่างการเสียรูปเย็น (เช่น การดึงและการรีด) ฟิล์มออกไซด์จะหลุดออกได้ง่ายและทำให้เกิดรอยขีดข่วนหรือการยึดเกาะกับพื้นผิวของแม่พิมพ์ ซึ่งส่งผลต่อผิวสำเร็จของชิ้นงาน นอกจากนี้ หากพื้นผิวมีข้อบกพร่อง (เช่น รอยแตกขนาดเล็ก) ความเข้มข้นของความเค้นจะเกิดขึ้นได้ง่ายในระหว่างกระบวนการเย็น ซึ่งนำไปสู่การขยายตัวของข้อบกพร่องและแม้กระทั่งการแตกหักของชิ้นงาน
1.2 ข้อกำหนดกระบวนการพิเศษ
การบำบัดด้วยการหลอมระดับกลาง: เมื่อระดับการเปลี่ยนรูปเย็นเกิน 15–20% จะต้องดำเนินการอบอ่อนเพื่อบรรเทาความเครียดขั้นกลางหรือการตกผลึกซ้ำเพื่อกำจัดการแข็งตัวของงาน คืนความเหนียวของวัสดุ และหลีกเลี่ยงการแตกร้าวในการประมวลผลครั้งต่อไป โดยทั่วไปอุณหภูมิการหลอมจะอยู่ที่ 600–700 องศา และเวลาในการถือครองคือ 0.5–2 ชั่วโมง โดยมีการระบายความร้อนของเตาเผาหรือการระบายความร้อนด้วยอากาศเพื่อให้แน่ใจว่าวัสดุจะตกผลึกซ้ำและขจัดความเครียดภายใน
เทคโนโลยีแม่พิมพ์และการหล่อลื่น: แม่พิมพ์ควรทำจากวัสดุที่มีความแข็งสูงและ-ทนทานต่อการสึกหรอ (เช่น ซีเมนต์คาร์ไบด์หรือเหล็กความเร็วสูง-ที่มีการเคลือบผิว) และควรขัดพื้นผิวเพื่อลดการเสียดสี ในเวลาเดียวกัน ต้องใช้สารหล่อลื่นประสิทธิภาพสูง- (เช่น สารหล่อลื่นที่ใช้โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์-หรือน้ำมันแปรรูปไทเทเนียมพิเศษ) เพื่อสร้างฟิล์มหล่อลื่นที่มีความเสถียรระหว่างแม่พิมพ์และชิ้นงาน ป้องกันการยึดเกาะ และลดความต้านทานการเสียรูปและรอยขีดข่วนบนพื้นผิว
ปรับสภาพพื้นผิว: ก่อนการประมวลผลแบบเย็น ฟิล์มออกไซด์ของพื้นผิวและสิ่งสกปรกของไทเทเนียมช่องว่างจะต้องถูกกำจัดออกโดยวิธีการต่างๆ เช่น การดอง (กรดผสมของกรดไฮโดรฟลูออริกและกรดไนตริก โดยทั่วไปสูตรคือ 2–5% HF + 15–20% HNO₃ + น้ำ) หรือการพ่นทราย เพื่อให้มั่นใจถึงความสะอาดและความเรียบของพื้นผิวของช่องว่าง และหลีกเลี่ยงผลกระทบของข้อบกพร่องที่พื้นผิวต่อคุณภาพการประมวลผล
ควบคุมอัตราการเสียรูปและจำนวนการเสียรูป: อัตราการเสียรูปขณะเย็นควรอยู่ในระดับปานกลาง (โดยทั่วไป อัตราความเครียดจะถูกควบคุมที่ 0.001–0.1 s⁻¹) อัตราการเสียรูปเร็วเกินไปจะทำให้วัสดุไม่มีเวลาเพียงพอสำหรับการไหลของพลาสติก ทำให้เกิดการแตกร้าว อัตราที่ช้าเกินไปจะทำให้ประสิทธิภาพการผลิตลดลง ในเวลาเดียวกัน ควรควบคุมจำนวนการเปลี่ยนรูปของการส่งผ่านครั้งเดียว-อย่างเข้มงวด (ตัวอย่างเช่น อัตราการลดการส่งผ่านครั้งเดียว-ของการรีดเย็นโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 5–10% และมุมการโค้งงอของการส่งผ่านครั้งเดียว-นั้นไม่เกิน 30 องศา ) และการเปลี่ยนรูปเล็กๆ ของการส่งผ่านครั้งเดียวหลายครั้งควรถูกนำมาใช้ด้วยการอบอ่อนระดับกลางเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสม่ำเสมอของการเสียรูป
2. การทำงานที่ร้อนของไทเทเนียมบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์
2.1 ความยากในการประมวลผล
ช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ร้อนแคบ: อุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสของ CP Ti อยู่ที่ประมาณ 882 องศา (โครงสร้าง HCP ( - เฟส) ถูกแปลงเป็นโครงสร้าง - ศูนย์กลางลูกบาศก์ (BCC) ( - เฟส) ที่สูงกว่าอุณหภูมินี้) ช่วงอุณหภูมิการทำงานร้อนที่เหมาะสมที่สุดโดยทั่วไปคือ 700–850 องศา (ระหว่างอุณหภูมิห้องและอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟส เช่น ในภูมิภาค -) หากอุณหภูมิต่ำกว่า 700 องศา วัสดุยังคงมีความต้านทานการเสียรูปสูงและมีการแข็งตัวของงานอย่างเห็นได้ชัด หากอุณหภูมิสูงเกิน 850 องศา (ใกล้กับอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟส) เม็ดจะเติบโตอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้โครงสร้างเม็ดหยาบของชิ้นงาน ส่งผลให้คุณสมบัติทางกลลดลง (เช่น ความเหนียวและความแข็งแรงเมื่อยล้า) นอกจากนี้ หากอุณหภูมิสูงกว่า 882 องศาและเข้าสู่ช่วง - เมล็ดข้าวจะหยาบลงอย่างมาก และแม้แต่เฟสตามขอบเกรนที่เปราะก็จะเกิดขึ้นหลังจากการเย็นตัวลง ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพของวัสดุลดลงอย่างมาก
ความไวต่อการเกิดออกซิเดชันและมลภาวะที่อุณหภูมิสูง-: CP Ti มีปฏิกิริยาเคมีที่รุนแรงมากที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 400 องศา) และจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ไนโตรเจน ไฮโดรเจน และก๊าซอื่นๆ ในอากาศเพื่อสร้างชั้นผิวที่เปราะ:
ออกซิเดชัน: การสร้างสเกล TiO₂ ที่มีรูพรุนและเปราะ ซึ่งจะลดคุณภาพพื้นผิวและคุณสมบัติทางกลของชิ้นงาน
ไนไตรเดชัน: การสร้าง TiN ในเฟสแข็งและเปราะ ซึ่งทำให้วัสดุเปราะและมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวระหว่างการประมวลผล
การดูดซับไฮโดรเจน: เกิดเฟสเปราะ TiH ทำให้เกิดการเปราะของไฮโดรเจนของวัสดุและลดความเหนียวลง
การนำความร้อนต่ำและการกระจายอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอ: ค่าการนำความร้อนของ CP Ti มีค่าเพียงประมาณ 1/5 ของค่าการนำความร้อนของเหล็ก และ 1/3 ของค่าการนำความร้อนของอะลูมิเนียมอัลลอยด์ ในระหว่างการประมวลผลแบบร้อน การถ่ายเทความร้อนภายในวัสดุจะช้า ซึ่งง่ายต่อการทำให้เกิดการกระจายอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างพื้นผิวและแกนของชิ้นงาน ส่งผลให้เกิดการเสียรูปและความเค้นภายในที่ไม่สม่ำเสมอ และแม้แต่การแตกร้าวหรือการเสียรูปของชิ้นงาน
2.2 ข้อกำหนดกระบวนการพิเศษ
ควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำ: อุณหภูมิความร้อนจะต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวดภายในช่วง 700–850 องศา และความเบี่ยงเบนของอุณหภูมิไม่ควรเกิน ±10 องศา อุปกรณ์ทำความร้อนควรใช้เตาไฟฟ้าหรือเตาสุญญากาศที่มีการควบคุมอย่างแม่นยำ- แทนการให้ความร้อนด้วยเปลวไฟ (เพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไปหรือความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ) ในระหว่างการประมวลผล ควรตรวจสอบอุณหภูมิของชิ้นงานแบบเรียลไทม์ (โดยใช้การวัดอุณหภูมิอินฟราเรดหรือเทอร์โมคัปเปิล) หากอุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 700 องศา ควรส่งชิ้นงานกลับไปที่เตาเผาเพื่อให้ความร้อนซ้ำเพื่อหลีกเลี่ยงการประมวลผลในโซนอุณหภูมิต่ำ-ซึ่งมีความต้านทานการเสียรูปสูง
ป้องกันบรรยากาศหรือการเคลือบพื้นผิว: เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและมลพิษของก๊าซ- คุณสามารถดำเนินมาตรการป้องกันต่อไปนี้:
เครื่องทำความร้อนสูญญากาศ: การทำความร้อนชิ้นงานในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ (ระดับสุญญากาศมากกว่าหรือเท่ากับ 10⁻³ Pa) เพื่อแยกอากาศออกอย่างสมบูรณ์และหลีกเลี่ยงปฏิกิริยาของแก๊ส
การป้องกันก๊าซเฉื่อย: เติมอาร์กอนหรือไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง-ในเตาทำความร้อน (ไนโตรเจนเหมาะสำหรับการให้ความร้อนที่อุณหภูมิต่ำ-ต่ำกว่า 600 องศาเท่านั้นเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดไนไตรเดชัน) เพื่อสร้างบรรยากาศการป้องกัน
การเคลือบป้องกัน-การออกซิเดชั่นของพื้นผิว: เคลือบพื้นผิวของชิ้นงานด้วยการเคลือบป้องกัน-ออกซิเดชันพิเศษ (เช่น การเคลือบด้วยแก้ว-หรือการเคลือบด้วยโบรอน-) ก่อนให้ความร้อน ซึ่งสามารถสร้างฟิล์มป้องกันหนาแน่นที่อุณหภูมิสูงเพื่อแยกออกซิเจนและไนโตรเจน
พารามิเตอร์กระบวนการทำงานร้อนที่เหมาะสม: ควรควบคุมอัตราการเปลี่ยนรูปเนื่องจากความร้อนที่ 0.1–10 s⁻¹ (เฟส - ของ CP Ti มีความเป็นพลาสติกที่ดีกว่าในช่วงอัตราความเครียดนี้) ควรเพิ่มจำนวนการเปลี่ยนรูปครั้งเดียว-อย่างเหมาะสม (โดยทั่วไปคือ 30–50%) เพื่อใช้ประโยชน์จากความเป็นพลาสติกสูงของวัสดุที่อุณหภูมิสูงได้อย่างเต็มที่ และหลีกเลี่ยงการเสียรูปเล็กๆ น้อยๆ หลายครั้งที่นำไปสู่การทำให้เกรนหยาบ หลังจากการประมวลผลแบบร้อน ชิ้นงานควรจะเย็นลงทันเวลา (การระบายความร้อนด้วยอากาศหรือการระบายความร้อนด้วยน้ำ ขึ้นอยู่กับเกรดและความหนาของวัสดุ) เพื่อยับยั้งการเจริญเติบโตของเกรนและรับรองว่าโครงสร้างเกรนละเอียด-
การอบชุบด้วยความร้อนหลังการประมวลผล: หลังจากการทำงานที่ร้อน ชิ้นงานจะต้องผ่านการอบอ่อนเพื่อบรรเทาความเครียดหรือการอบอ่อนด้วยการตกผลึกซ้ำ เพื่อขจัดความเครียดภายในและปรับปรุงเกรน อุณหภูมิในการอบอ่อนอยู่ที่ 600–700 องศา และเวลาในการยึดเกาะจะพิจารณาจากความหนาของชิ้นงาน (โดยทั่วไปคือ 1–3 ชั่วโมง) สำหรับชิ้นงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูง สามารถใช้การอบอ่อนสองครั้ง (การให้ความร้อนครั้งแรกที่ 750 องศาสำหรับการจับยึด จากนั้นทำให้เย็นลงที่ 600 องศาสำหรับการจับยึด และสุดท้ายการระบายความร้อนด้วยอากาศ) สามารถนำมาใช้เพื่อปรับโครงสร้างและคุณสมบัติให้เหมาะสมยิ่งขึ้น
