Kování titanu a jeho slitin

Titan je polymorfní kov s nízkou hustotou, vysokou odolností proti korozi a dobrými mechanickými vlastnostmi, má nízkou tepelnou a elektrickou vodivost. Na vlastnosti titanu mají vliv nečistoty. Titan se vyskytuje ve dvou krystalických modifikacích: při nízkých teplotách je stabilní fáze ? (HTU), při teplotách nad 881 °C je stabilní fáze ? (KPC). Doprovodné prvky (O, N) stabilizují ? fázi, zvyšují pevnost a tvrdost a snižují houževnatost i tvářitelnost. Uhlík snižuje svařitelnost, vodík vyvolává snížení houževnatosti vlivem stárnutí. Třecí vlastnosti titanu jsou nevýhodné, vzhledem k většině kovů má vysoký koeficient tření. Technologická tvářitelnost zatepla je nižší z důvodu vysokého deformačního odporu a snadné pohltivosti O2, N2 při ohřevu. Korozivzdorností titan předčí i nerezavějící oceli, v kyselinách je prakticky nerozpustný. Slitiny titanu se vyznačují dobrou biokompatibilitou, odolností vůči elektrochemické korozi, mají nízký modul pružnosti při zachování vysoké pevnosti. V uplynulých 15 letech se staly velmi atraktivní nejen v oblasti leteckého a kosmického průmyslu, ale i v použití pro implantáty. V poslední době se začínají uplatňovat v automobilového průmyslu při výrobě speciálních výkovků. Titanové slitiny rozlišujeme dle struktury do tří základních skupin. Slitiny titanu a) Jednofázové ? slitiny - vlastnostmi se podobají čistému titanu, pevnost je však dvojnásobná. Lze je zpracovat tvářením zastudena. Používají se v tzv. měkkém stavu. Výhodou je jejich strukturní stabilita i za vysokých teplot. Základní fáze (?) má krystalovou mřížku HTU. Teplota transformace ?t a interval kovacích teplot je uveden v tab. 1. b) Jednofázové ? slitiny – jsou vysoce legované. Tepelným zpracováním v kombinaci s tvářením zastudena lze pevnost podstatně zvýšit. Výhodou je dobrá tvářitelnost, nevýhodou je vysoká hustota, která se zvyšuje s množstvím legujících prvků. Využití slitin je především v leteckém průmyslu. Teplota transformace ?t a interval kovacích teplot je uveden v tab. 2. c) Dvoufázové ?+? slitiny - vyznačují se vysokou pevností, popř. superplastickými vlastnostmi. Mají široké použití ve strojírenství a rovněž v medicíně při výrobě implantátů. Teplota transformace ?t a interval kovacích teplot je uveden v tab. 3. Konstrukční využití titanu a jeho slitin V porovnání s ocelí má titan a jeho slitiny přednost v nízké hustotě a výborné korozní odolnosti. Hlavní pozornost se soustředila na využití vynikající antikorozní odolnosti titanu pro výrobu tlakových nádob pro chemický průmysl a na využití vynikajících mechanických vlastností ve strojírenství i letectví. Dominantní spotřeba titanu a jeho slitin zůstane v oblasti konstrukcí letadel. Předpokládá se zvýšení výroby výkovků z titanových slitin pro využití v automobilovém průmyslu, a to bez ohledu na vyšší cenu základních polotovarů a rovněž podstatně vyšší cenu výkovků. Využití slitin titanu v leteckém průmyslu je vyvoláno rostoucí rychlostí letadel. Např. při rychlosti Mach 4 dosahují povrchové teploty trupu a křídel letadel až 500 °C. Při uvedených teplotách je využití klasických konstrukčních materiálů na bázi hliníkových slitin omezeno. Oceli s vysokou pevností mají zase velkou hustotu. Jedině titanové slitiny mají příznivý poměr pevnosti k hustotě při běžných i zvýšených teplotách. Titan a jeho slitiny se používají na součástky motorů, draků i přístrojů. U motorů jsou to především různé části kompresorů, např. disky, rotory, prstence a skříně kompresorů, ale zejména rotační i stacionární kompresorové lopatky, dále písty, ojnice, šrouby, matice apod. Pro mechanicky namáhané součástky jsou v letectví používány slitiny titanu s následujícími mechanickými vlastnostmi: pevnost - Rm = 1280 MPa; mez kluzu Rp02 = 1070 MPa; tažnost A = 12 %. České kovárny každý rok zpracovávají přibližně 250 tun slitin titanu. Odběrateli jsou strojírenské podniky (cca 50 %). Hlavní sortiment tvoří zejména lopatky parních turbín velkých výkonů. Na stavbu letadel se používá 10 až 15 % výkovků, především ze slitiny Ti-6Al-4V, pro stavbu tlakových nádob se spotřebuje cca 20 % kovaných slitin. V ostatních oborech se využívá přibližně 15 až 20 % z celkové produkce výkovků. Kování titanu Metalurgie titanu a jeho slitin se podstatně liší od postupů při výrobě oceli nebo neželezných kovů. Pro výrobu výkovků z titanu a jeho slitin a zčásti i na jejich tepelné zpracování se využívá běžné zařízení používané i při zpracování oceli. Deformační odpor a deformační síly jsou však vyšší, jako např. při kování některých výše legovaných ocelí (např. austenitických nerezavějících ocelí) nebo slitin niklu. Z čistého titanu (CP Ti) se v zápustkách kovou i velmi složité tvary, ze slitin však jen některé. Technologický postup výroby výkovků sestává z několika základních operací : ohřev na kovací teplotu, kování, tepelné zpracování, úprava povrchu výkovků. Ohřev na horní kovací teplotu Reakce titanu i jeho slitin se spalinami má vliv na jeho ohřev. Při ohřevu v oxidační atmosféře za teplot vyšších než 880 °C vznikají na povrchu titanu oxidy, které negativně ovlivňují i vrstvy pod povrchem. V redukčním prostředí se povrch titanu obohacuje uhlíkem a probíhá difuze vodíku z povrchu ohřívaného polotovaru k vnitřním vrstvám. Výsledkem je snížení plastických vlastností a snížení technologické tvářitelnosti titanu a jeho slitin. Oxidace povrchu ohřívaných polotovarů z titanu je nepříjemná, ale potíže způsobené oxidací jsou mnohem menší než snížení plastických vlastností titanu při ohřevu v redukčních atmosférách. Teploty tváření čistého titanu (CP Ti) a jeho slitin zatepla jsou uvedeny v tab. 1 až 3. Pro ohřev titanu a jeho slitin platí zásady: a) Přednostně ohřívat v oxidační atmosféře, nejlépe v elektrických komorových pecích nebo v indukčních pecích. Pokud se z technických důvodů použijí pece plynové je vhodné zvolit komorové pece bez přímého styku plamene s ohřívaným polotovarem. Ve spalinách nesmí být vodní pára, může být zdrojem vodíku. b) Pro kování volit optimální teplotu ohřevu, tzn. ohřívat pouze na horní kovací teplotu a dobu ohřevu omezit jen na dobu nezbytně nutnou pro získání homogenního teplotního pole v celém průřezu předkovku. U rozměrných polotovaru pro volné kování se využívá tzv. dvoustupňový ohřev, tzn., že v intervalu teplot 20 až 750 °C se rychlost ohřevu pohybuje kolem hodnoty cca 6 min/1 cm tloušťky nebo průměru ohřívaného tělesa. Po dosažení výše uvedené teploty se polotovary ohřívají již vyšší rychlostí na horní kovací teplotu. Dlouhodobý ohřev nad bodem transformace ?t vytvoří, zejména u jednofázových slitin, hrubozrnnou strukturu nevhodnou pro následující kování. V porovnání s ohřevem v plamenných pecích je výhodnější indukční ohřev. Pro průměry větší než 150 mm se používá k ohřevu síťová frekvence. Pro polotovary menšího průměru je vhodná frekvence 500 Hz. Spotřeba energie při indukčním ohřevu titanu se pohybuje kolem 0,35 kWh/kg. c) Při ohřevu v indukčních pecích je výhodné využít ochranné atmosféry. Volné kování titanu Technicky čistý titan (Grade 1 a 2) má velmi dobrou tvářitelnost jak zastudena, tak i za tepla. Většina slitin titanu má za studena omezenou tvářitelnost. Obvyklé obsahy nečistot, zejména uhlíku, kyslíku a dusíku, nemají podstatný vliv na změnu tvářitelnosti zatepla. Teploty pro volné kování titanu i jeho slitin jsou uvedeny v tab. 1 až 3. Vyšší teploty se volí obvykle u menších výkovků a naopak. Zkoušky ukázaly, že teplota při dokování má větší význam u dvoufázových slitin. Deformační odpor při kování titanu je přibližně stejný jako u slitiny hliníku EN AW-7075. U titanových slitin je asi o 25 až 30 % větší než u legovaných ocelí. Při kování polotovarů s licí strukturou se na počátku kování volí menší rychlost deformace, proto se s výhodou používají hydraulické kovací lisy (pomaluběžné lisy). Po protváření licí struktury lze závěrečnou fázi kování provádět i na bucharech. Velikost deformace v jednom ohřevu je omezena rychlým zvětšením deformačního odporu při poklesu teploty. Zápustkové kování titanu Zápustkové kování lze realizovat na hydraulických i mechanických lisech. Silové možnosti lisů musí vyhovovat jako při kování výše legovaných oceli nebo slitin niklu. Konstrukce lisů musí být dostatečně tuhá, protože deformační odpor se u čistého titanu pohybuje kolem 100 až 200 MPa, u slitin titanu kolem 350 MPa. Při nízké dokovací teplotě dosahuje deformační odpor až 550 MPa. Šíření při kování čistého titanu a jeho slitin je větší než např. u oceli, zejména při vysokých teplotách kování. S tím je nutno počítat při návrhu dokovací dutiny. Z čistého titanu lze kovat osově symetrické výkovky i s velkým rozdílem průřezů. U slitin titanu bývají minimální rozměry a tvarová složitost výkovku omezena rychlostí chladnutí předkovků. U menších průřezů výrazně narůstá deformační odpor s rychle klesající teplotou. Velkou pozornost je třeba věnovat ztíženému zaplňování dutiny zápustky vlivem vyššího tření, kdy může nastat zadírání povrchů a mohou vzniknout velké úchylky rozměrů nebo tvarů výkovku. U složitých tvarů výkovků vzniká při vysokých kovacích teplotách nalepování titanu a jeho slitin na stěny zápustky, tím roste i deformační odpor. Kování je provázeno nižší jakostí povrchu výkovků a rovněž vzniká velké opotřebení nástrojů. Při velkých deformacích kolem 70 % se tlak v zápustce při kování čistého titanu pohybuje kolem 400 až 800 MPa, při kování slitin až 1100 MPa. Problémy s obtížnějším tokem materiálu v zápustce se dosud nepodařilo odstranit ani použitím nových maziv. Podle zkušeností různých výrobců se doporučuje mazání roztokem koloidního grafitu. Ohřev je při zápustkovém kování velmi důležitý. Většinou se dává přednost indukčnímu ohřevu, kombinovanému s ochrannou atmosférou. Tím se sníží oxidace povrchu předkovku a zajistí se účinek maziva. Vzhledem ke složitější technologii kování jsou zápustkové výkovky poměrně drahé. Odhaduje se, že zápustkovým kováním bude zpracováno 5 až 10 % z celkového množství vyrobeného titanu. Výkovky budou především využívány pro letectví, automobilový průmysl a implantáty. Čištění povrchu výkovků Při ohřevu titanu a jeho slitin na teplotu vyšší než 600 °C se povrch ohřívaných polotovarů pokryje vrstvou oxidů. Tloušťka vrstvy závisí na teplotě, době ohřevu a na kontaktu vzduchu s ohřívaným povrchem. Podle tloušťky vzniklé oxidické vrstvy a teploty ohřevu se čistí povrch výkovků třemi způsoby: a) mechanickým čištěním, používá se pro tlusté vrstvy okují, které se snadno odlupují od povrchu (obvykle po tváření zatepla); b) mořením v roztavených solích. Používá se pro odstranění pevně lnoucích, které vznikly za vyšších teplot a pevně lpí na základním povrchu, zejména u slitin titanu obsahujících hliník; c) mořením v roztocích kyselin. Je účinné jen pro tenké vrstvy vzniklé při nízkých kovacích teplotách, např. při kování CP titanu při teplotách kolem 750 °C. Závěr Kováním lze zpracovávat titan a jeho slitiny zatepla i zastudena. Rozhodující technologickou vlastností je tvářitelnost, která závisí na chemickém složení, struktuře a podmínkách deformace. Čistý titan (CP Ti) s nízkým obsahem příměsí (Grade 1 a 2) se vyznačuje velkou tvářitelností jak zatepla, tak i zastudena. Vlastními experimenty jsme potvrdili vysokou tvářitelnost CP Ti, kdy dosažená poměrná deformace se pohybovala kolem 97 %. Struktura BCC se vyznačuje vyšší tvářitelností zatepla než struktura HCP. Z technologických vlastností je při zpracování kováním nepříznivý vysoký součinitel tření a větší šíření. Při kování je také nutné volit optimální podmínky ohřevu, nižší deformační rychlost a předpokládat i nutnost použití větších deformačních sil. Doc. Ing. Miroslav Greger, CSc. VŠB – Technická univerzita Ostrava