การควบคุมความแข็งของวัสดุไทเทเนียม

1. ความเป็นไปได้ในการควบคุมความแข็งที่แม่นยำสำหรับวัสดุไทเทเนียม

(1) วิธีการควบคุมและความแม่นยำ

การควบคุมสิ่งเจือปน: ปริมาณออกซิเจน/ธาตุเหล็กที่สูงขึ้นจะเพิ่มความแข็ง (เช่น เกรด 1 Ti มี ~80–100 HB ในขณะที่เกรด 4 Ti ที่มีสารเจือปนสูงกว่าจะถึง 140–160 HB) ด้วยการควบคุมระดับสิ่งเจือปนอย่างแม่นยำในระหว่างการถลุง ผู้ผลิตจะรักษาเสถียรภาพของความแข็งได้ภายในพิกัดความคลาดเคลื่อน ±5 HB สำหรับผลิตภัณฑ์เกรดอุตสาหกรรม- และ ±3 HB สำหรับเกรดทางการแพทย์/การบินและอวกาศที่มีความบริสุทธิ์สูง

ทำงานเย็น: การรีดเย็นหรือการดึงขึ้นรูปจะเพิ่มความแข็งของ CP Ti โดยทำให้เกิดการเคลื่อนตัว (เช่น การอบอ่อนเกรด 2 Ti คือ ~100 HB ในขณะที่ความเย็น 50%-งานเกรด 2 เพิ่มขึ้นเป็น ~180 HB) ความแข็งสามารถปรับได้อย่างละเอียด-โดยการปรับเปอร์เซ็นต์งานเย็น โดยมีความแม่นยำในการควบคุม ±8 HB สำหรับส่วนประกอบจำนวนมาก

การหลอม: Ti-6Al-4V อบอ่อนเต็มที่มีความแข็ง 280–320 HB (หรือ ~28–32 HRC) โดยมีพิกัดความเผื่อ ±5 HB สำหรับชุดการผลิตมาตรฐาน

สารละลายการหลอมและการแก่ชรา: โดยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสารละลาย (800–950 องศา ) ระยะเวลาในการถือครอง (1–4 ชั่วโมง) และพารามิเตอร์การเสื่อมสภาพ (450–550 องศาเป็นเวลา 2–8 ชั่วโมง) สามารถปรับความแข็งได้อย่างแม่นยำเป็น 320–380 HB (32–38 HRC) สำหรับการใช้งานที่มีความเข้มข้นปานกลาง-หรือ 380–420 HB (38–42 HRC) สำหรับการใช้งานที่มีความแข็งแรงสูง- ส่วนประกอบการบินและอวกาศ สายการผลิตขั้นสูงสามารถบรรลุความทนทานต่อความแข็ง ±3 HB สำหรับชิ้นส่วนที่สำคัญ ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดการรับรองด้านการบินและอวกาศ (เช่น AMS 4928)

(2) ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการควบคุมความแข็ง

องค์ประกอบทางเคมี: สำหรับ CP Ti ปริมาณออกซิเจนเป็นปัจจัยหลัก (การเพิ่มออกซิเจนทุกๆ 0.1% แต่ละครั้งจะทำให้ความแข็งเพิ่มขึ้น ~10 HB) สำหรับ Ti-6Al-4V การควบคุมอัตราส่วน Al/V อย่างแม่นยำ (6% Al, 4% V) ช่วยให้มั่นใจในการชุบแข็งที่สม่ำเสมอในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อน

ความสม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาค: โครงสร้างจุลภาคที่ละเอียด สม่ำเสมอ + ลาเมลลาร์หรือเท่ากันช่วยให้มีความแข็งสม่ำเสมอดีขึ้น เม็ดหยาบหรือการกระจายเฟสไม่สม่ำเสมอทำให้เกิดความผันผวนของความแข็ง

อุปกรณ์การประมวลผล: เตารักษาความร้อนสุญญากาศที่มีการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ (± 5 องศา) และระบบดับมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความแข็งสม่ำเสมอของส่วนประกอบต่างๆ

2. สถานการณ์การใช้งานสำหรับเกรดความแข็งต่างๆ ของวัสดุไทเทเนียม

(1) เกรดความแข็งต่ำ- ( น้อยกว่าหรือเท่ากับ 150 HB<15 HRC)

ประเภทวัสดุ: อบอ่อน CP Ti เกรด 1/2 (80–120 HB) และเย็นเล็กน้อย-ใช้ได้เกรด 3 (120–150 HB)

คุณสมบัติที่สำคัญ: Excellent ductility (elongation >20%) ทนต่อการกัดกร่อนสูง และขึ้นรูปเย็นได้ดี

สถานการณ์การใช้งาน:

อุตสาหกรรมเคมี: ท่อที่ทนต่อการกัดกร่อน- ท่อแลกเปลี่ยนความร้อน และแผ่นรองถังเก็บ (เกรด 1/2)

สาขาการแพทย์: เครื่องมือผ่าตัด รากฟันเทียม (เกรด 2 เนื่องจากความเข้ากันได้ทางชีวภาพและมีความแข็งต่ำสำหรับความเข้ากันได้ของเนื้อเยื่อ) และสายสวนที่ยืดหยุ่น

สถาปัตยกรรม: ผนังตกแต่งและแผงโครงสร้างน้ำหนักเบา (เกรด 2 สำหรับการขึ้นรูปและความต้านทานการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมกลางแจ้ง)

(2) เกรดความแข็งปานกลาง- (150–300 HB, 15–30 HRC)

ประเภทวัสดุ: CP Ti เกรด 4 (150–180 HB) งานเย็น, Ti-6Al-4V อบอ่อน (280–300 HB) และโลหะผสมอัลฟาไทเทเนียมอื่นๆ (เช่น Ti-5Al-2.5Sn, 250–280 HB)

คุณสมบัติที่สำคัญ: ความแข็งแรงที่สมดุล (ความต้านทานแรงดึง 400–800 MPa) ความต้านทานการสึกหรอปานกลาง และยังคงความต้านทานการกัดกร่อน

สถานการณ์การใช้งาน:

วิศวกรรมทางทะเล: ส่วนประกอบตัวเรือ ตัวยึดแท่นนอกชายฝั่ง และปั๊มน้ำทะเล (เกรด 4 Ti และ Ti-6Al-4V อบอ่อน สำหรับการต้านทานการกัดกร่อนและความแข็งแรงปานกลาง)

อุตสาหกรรมยานยนต์: ส่วนประกอบของระบบไอเสียและขายึดน้ำหนักเบา (Ti-6Al-4V สำหรับการทนความร้อนและลดน้ำหนัก)

อุตสาหกรรมทั่วไป: ตัววาล์ว ส่วนประกอบภาชนะรับความดัน และตัวยึดที่มีความแม่นยำ (เพื่อความสมบูรณ์ของโครงสร้างภายใต้การรับน้ำหนักปานกลาง)

(3) เกรดความแข็งสูง- (300–420 HB, 30–42 HRC)

ประเภทวัสดุ: สารละลาย-อบอ่อนและบ่ม (STA) Ti-6Al-4V (320–420 HB), Ti-6Al-4V ELI (300–350 HB สำหรับการใช้งานทางการแพทย์) และเบตาไทเทเนียมอัลลอยด์ (เช่น Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, 350–400 HB)

คุณสมบัติที่สำคัญ: High tensile strength (>900 MPa) ความต้านทานความล้าดีเยี่ยม และความทนทานต่อการสึกหรอเพิ่มขึ้น (เทียบกับเกรดอบอ่อน)

สถานการณ์การใช้งาน:

การบินและอวกาศ: ส่วนประกอบล้อลงจอดของเครื่องบิน ใบพัดเครื่องยนต์ และโครงโครงสร้าง (STA Ti-6Al-4V เพื่อความแข็งแรงและความแข็งสูงภายใต้ภาระหนักมาก)

การปลูกถ่ายทางการแพทย์: อุปกรณ์เทียมสะโพก/เข่าและอุปกรณ์เชื่อมกระดูกสันหลัง (Ti-6Al-4V ELI, 300–350 HB, ปรับสมดุลความแข็งสำหรับการรับน้ำหนักและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ)

อุปกรณ์ป้องกันและอุปกรณ์กีฬา: การชุบเกราะ เฟรมจักรยาน-ประสิทธิภาพสูง และหัวไม้กอล์ฟ (โลหะผสมเบต้าไททาเนียม เพื่อความแข็งสูงและทนต่อแรงกระแทก)

(4) Ultra-Hard Grade (>420 HB, >42 HRC จำกัดการใช้งาน)

ประเภทวัสดุ: Special heat-treated or surface-hardened titanium alloys (e.g., nitrided Ti-6Al-4V, surface hardness >55 เหล็กแผ่นรีดร้อน)

คุณสมบัติที่สำคัญ: ต้านทานการสึกหรอของพื้นผิวได้ดีเยี่ยม แต่ความเหนียวลดลงอย่างมาก (การยืดตัว<5%) and increased brittleness.

สถานการณ์การใช้งาน:

วิศวกรรมที่มีความแม่นยำ: ส่วนประกอบที่ทนทานต่อการสึกหรอ- (เช่น บ่าวาล์ว พื้นผิวตลับลูกปืน) ซึ่งจำเป็นต้องมีความแข็งเฉพาะจุด วัสดุแกนกลางยังคงมีความแข็งต่ำ-ต่อความเหนียว ในขณะที่พื้นผิวชุบแข็งด้วยไนไตรด์หรือคาร์บูไรซิ่ง

เครื่องมือ: เครื่องมือตัดและแม่พิมพ์ขนาดเล็ก-สำหรับการแปรรูปโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก- (จำกัดการใช้งานเนื่องจากความเปราะบาง)