1. Kaltbearbeitung von handelsüblichem Reintitan
1.1 Verarbeitungsschwierigkeiten
Niedrige Duktilität und Verfestigungsempfindlichkeit bei Raumtemperatur: Bei Raumtemperatur hat CP Ti eine HCP-Kristallstruktur mit begrenzten Gleitsystemen (nur 3 unabhängige Gleitsysteme), was im Vergleich zu kubisch flächenzentrierten (FCC) Metallen (z. B. Aluminiumlegierung, austenitischer Edelstahl) zu einer relativ schlechten plastischen Verformungsfähigkeit führt. Darüber hinaus weist CP Ti eine extrem hohe Kaltverfestigungsrate auf -seine Festigkeit nimmt mit zunehmendem Kaltverformungsgrad stark zu. Beispielsweise kann nach 20 % Kaltwalzen die Zugfestigkeit von CP Ti der Güteklasse 2 von anfänglich 345–415 MPa auf über 550 MPa ansteigen, während seine Dehnung von 20–25 % auf weniger als 8 % sinkt. Dies bedeutet, dass das Material bei der kontinuierlichen Kaltumformung (z. B. Tiefziehen, Biegen) ohne Zwischenbehandlung zur Rissbildung neigt.
Hohe Verformungsbeständigkeit: CP Ti hat eine hohe Streckgrenze und Fließspannung bei Raumtemperatur. Beispielsweise beträgt die Streckgrenze von CP Ti der Güteklasse 2 etwa 275–345 MPa, was deutlich höher ist als die der Aluminiumlegierung 6061-T6 (etwa 240 MPa) und nahe der von kohlenstoffarmem Stahl (etwa 250–300 MPa). Bei der Kaltbearbeitung sind höhere Umformkräfte erforderlich, was höhere Anforderungen an die Steifigkeit und Belastbarkeit der Umformausrüstung stellt.
Empfindlichkeit der Oberflächenqualität: CP Ti hat bei Raumtemperatur eine hohe chemische Aktivität und neigt zur Bildung eines harten und spröden Oxidfilms (TiO₂) auf der Oberfläche. Bei der Kaltverformung (z. B. Ziehen und Walzen) kann der Oxidfilm leicht abfallen und Oberflächenkratzer oder Anhaftungen an der Form verursachen, wodurch die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks beeinträchtigt wird. Wenn die Oberfläche außerdem Defekte (z. B. Mikrorisse) aufweist, kann es bei der Kaltbearbeitung leicht zu Spannungskonzentrationen kommen, die zur Ausbreitung von Defekten und sogar zum Bruch des Werkstücks führen.
1.2 Besondere Prozessanforderungen
Zwischenglühbehandlung: Wenn der Kaltverformungsgrad 15–20 % übersteigt, muss ein Zwischenspannungsarmglühen oder Rekristallisationsglühen durchgeführt werden, um die Kaltverfestigung zu beseitigen, die Duktilität des Materials wiederherzustellen und Risse bei der nachfolgenden Verarbeitung zu vermeiden. Die Glühtemperatur beträgt im Allgemeinen 600–700 Grad und die Haltezeit 0,5–2 Stunden, wobei Ofenkühlung oder Luftkühlung zur Gewährleistung der Rekristallisation des Materials und zur Beseitigung innerer Spannungen erfolgt.
Formen- und Schmiertechnik: Die Form sollte aus hoch{0}harten und verschleißfesten-Materialien bestehen (z. B. Hartmetall oder Schnellarbeitsstahl mit Oberflächenbeschichtung) und die Oberfläche sollte poliert sein, um die Reibung zu verringern. Gleichzeitig müssen Hochleistungsschmierstoffe (z. B. Schmierstoffe auf Molybdändisulfid-Basis oder spezielle Titanbearbeitungsöle) verwendet werden, um einen stabilen Schmierfilm zwischen Form und Werkstück auszubilden, Anhaftungen zu verhindern sowie Verformungswiderstände und Oberflächenkratzer zu reduzieren.
Oberflächenvorbehandlung: Vor der Kaltbearbeitung müssen der Oberflächenoxidfilm und die Verunreinigungen des Titanrohlings durch Methoden wie Beizen (Mischsäure aus Flusssäure und Salpetersäure, die Formel lautet im Allgemeinen 2–5 % HF + 15–20 % HNO₃ + Wasser) oder Sandstrahlen entfernt, um die Oberflächenreinheit und Ebenheit des Rohlings sicherzustellen und die Auswirkungen von Oberflächenfehlern auf die Verarbeitungsqualität zu vermeiden.
Kontrollierte Verformungsrate und Verformungsmenge: Die Kaltverformungsrate sollte moderat sein (im Allgemeinen wird die Dehnungsrate auf 0,001–0,1 s⁻¹ kontrolliert). Eine zu schnelle Verformungsgeschwindigkeit führt dazu, dass das Material nicht genügend Zeit zum plastischen Fließen hat, was zu Rissen führt; Eine zu langsame Geschwindigkeit verringert die Produktionseffizienz. Gleichzeitig sollte die Verformungsmenge in einem einzigen Durchgang streng kontrolliert werden (z. B. beträgt die Reduktionsrate in einem einzelnen Durchgang beim Kaltwalzen im Allgemeinen 5–10 % und der Biegewinkel in einem einzelnen Durchgang beträgt nicht mehr als 30 Grad). Außerdem sollten mehrere Durchgänge mit geringer Verformung mit Zwischenglühen durchgeführt werden, um die Gleichmäßigkeit der Verformung sicherzustellen.
2. Warmbearbeitung von handelsüblichem Reintitan
2.1 Verarbeitungsschwierigkeiten
Enger Warmarbeitstemperaturbereich: Die Phasenübergangstemperatur von CP Ti beträgt etwa 882 Grad (oberhalb dieser Temperatur wandelt sich die HCP-Struktur (--Phase) in eine kubisch-raumzentrierte (BCC)-Struktur (--Phase) um). Der optimale Warmarbeitstemperaturbereich liegt im Allgemeinen bei 700–850 Grad (zwischen Raumtemperatur und Phasenübergangstemperatur, d. h. im --Phasenbereich). Wenn die Temperatur unter 700 Grad liegt, weist das Material immer noch eine hohe Verformungsbeständigkeit und eine offensichtliche Kaltverfestigung auf; Wenn die Temperatur 850 Grad übersteigt (nahe der Phasenübergangstemperatur), wächst das Korn schnell, was zu einer groben Kornstruktur des Werkstücks führt, was die mechanischen Eigenschaften (wie Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit) verringert. Wenn die Temperatur außerdem 882 Grad übersteigt und in den --Phasenbereich eintritt, wird das Korn stark vergröbert und es bilden sich nach dem Abkühlen sogar spröde intergranulare Phasen, die die Leistung des Materials erheblich verschlechtern.
Oxidations- und Verschmutzungsempfindlichkeit bei hohen-Temperaturen: CP Ti weist bei hohen Temperaturen (über 400 Grad) eine extrem starke chemische Reaktivität auf und reagiert mit Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und anderen Gasen in der Luft unter Bildung spröder Oberflächenschichten:
Oxidation: Bildung einer porösen und spröden TiO₂-Zunderschicht, die die Oberflächenqualität und die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks verringert;
Nitrierung: Es bildet sich eine harte und spröde TiN-Phase, die das Material spröde und anfällig für Risse während der Verarbeitung macht;
Wasserstoffaufnahme: Es bildet sich eine spröde TiH-Phase, was zu einer Wasserstoffversprödung des Materials und einer Verringerung seiner Zähigkeit führt.
Geringe Wärmeleitfähigkeit und ungleichmäßige Temperaturverteilung: Die Wärmeleitfähigkeit von CP Ti beträgt nur etwa 1/5 der von Stahl und 1/3 der von Aluminiumlegierungen. Bei der Heißverarbeitung ist die Wärmeübertragung im Inneren des Materials langsam, was leicht zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung zwischen der Oberfläche und dem Kern des Werkstücks führen kann, was zu ungleichmäßiger Verformung und innerer Spannung und sogar zu Rissen oder Verformungen des Werkstücks führt.
2.2 Besondere Prozessanforderungen
Präzise Temperaturregelung: Die Heiztemperatur muss streng im Bereich von 700–850 Grad kontrolliert werden und die Temperaturabweichung sollte ±10 Grad nicht überschreiten. Die Heizausrüstung sollte einen präzisionsgesteuerten Elektroofen oder Vakuumofen anstelle einer offenen Flammenheizung verwenden (um lokale Überhitzung oder ungleichmäßige Erwärmung zu vermeiden). Während der Bearbeitung sollte die Temperatur des Werkstücks in Echtzeit überwacht werden (mittels Infrarot-Temperaturmessung oder Thermoelement). Wenn die Temperatur unter 700 Grad fällt, sollte das Werkstück zum erneuten Erhitzen in den Ofen zurückgebracht werden, um eine Verarbeitung in der Tieftemperaturzone mit hohem Verformungswiderstand zu vermeiden.
Schutzatmosphäre oder Oberflächenbeschichtung: Um Oxidation und Gasverschmutzung bei hohen-Temperaturen zu verhindern, können die folgenden Schutzmaßnahmen ergriffen werden:
Vakuumheizung: Erhitzen des Werkstücks in einer Vakuumumgebung (Vakuumgrad größer oder gleich 10⁻³ Pa), um die Luft vollständig zu isolieren und eine Gasreaktion zu vermeiden;
Inertgasschutz: Füllen des Heizofens mit hochreinem Argon oder Stickstoff (Stickstoff ist nur zum Erhitzen bei niedrigen Temperaturen unter 600 Grad geeignet, um Nitridierung zu vermeiden), um eine Schutzatmosphäre zu bilden;
Oberflächen--Oxidationsbeschichtung: Beschichten der Oberfläche des Werkstücks mit einer speziellen Antioxidationsbeschichtung (z. B. einer Beschichtung auf Glas--Basis oder einer Beschichtung auf Bor--Basis) vor dem Erhitzen, die bei hohen Temperaturen einen dichten Schutzfilm bilden kann, um Sauerstoff und Stickstoff zu isolieren.
Angemessene Parameter des Warmumformprozesses: Die Warmverformungsrate sollte auf 0,1–10 s⁻¹ kontrolliert werden (die --Phase von CP Ti weist in diesem Dehnungsratenbereich eine bessere Plastizität auf). Der Verformungsgrad in einem Durchgang sollte entsprechend erhöht werden (im Allgemeinen 30–50 %), um die hohe Plastizität des Materials bei hohen Temperaturen voll auszunutzen und mehrere kleine Verformungen zu vermeiden, die zu einer Kornvergröberung führen. Nach der Warmbearbeitung sollte das Werkstück rechtzeitig abgekühlt werden (Luftkühlung oder Wasserkühlung, je nach Qualität und Dicke des Materials), um das Kornwachstum zu unterdrücken und eine feinkörnige Struktur sicherzustellen.
Wärmebehandlung nach der-Verarbeitung: Nach der Warmumformung muss das Werkstück einem Spannungsarmglühen oder Rekristallisationsglühen unterzogen werden, um innere Spannungen zu beseitigen und die Körner zu verfeinern. Die Glühtemperatur beträgt 600–700 Grad und die Haltezeit richtet sich nach der Dicke des Werkstücks (im Allgemeinen 1–3 Stunden). Bei Werkstücken mit hohen Leistungsanforderungen kann ein doppeltes Glühen (zuerst Erhitzen auf 750 Grad zum Halten, dann Abkühlen auf 600 Grad zum Halten und schließlich Luftkühlung) eingesetzt werden, um die Struktur und Eigenschaften weiter zu optimieren.
