1. Trabajo en frío de titanio comercialmente puro
1.1 Dificultad de procesamiento
Ductilidad a baja temperatura ambiente-y sensibilidad al endurecimiento por trabajo: A temperatura ambiente, CP Ti tiene una estructura cristalina HCP con sistemas de deslizamiento limitado (solo 3 sistemas de deslizamiento independientes), lo que resulta en una capacidad de deformación plástica relativamente pobre en comparación con los metales cúbicos centrados en la cara-(FCC) (p. ej., aleación de aluminio, acero inoxidable austenítico). Además, el CP Ti tiene una tasa de endurecimiento por trabajo extremadamente alta.-Su resistencia aumenta considerablemente con el aumento del grado de deformación en frío. Por ejemplo, después de un laminado en frío del 20%, la resistencia a la tracción del CP Ti Grado 2 puede aumentar desde los 345–415 MPa iniciales hasta más de 550 MPa, mientras que su alargamiento cae del 20–25% a menos del 8%. Esto significa que durante el conformado continuo en frío (como embutición profunda, doblado), el material es propenso a agrietarse si no se realiza un tratamiento intermedio.
Alta resistencia a la deformación: CP Ti tiene un alto límite elástico y tensión de flujo a temperatura ambiente. Por ejemplo, el límite elástico del CP Ti de grado 2 es de aproximadamente 275 a 345 MPa, que es significativamente mayor que el de la aleación de aluminio 6061-T6 (aproximadamente 240 MPa) y cercano al del acero con bajo contenido de carbono (aproximadamente 250 a 300 MPa). Durante el procesamiento en frío se requieren mayores cargas de conformado, lo que plantea mayores requisitos de rigidez y tonelaje del equipo de conformado.
Sensibilidad a la calidad de la superficie: CP Ti tiene una alta actividad química a temperatura ambiente y es propenso a formar una película de óxido dura y quebradiza (TiO₂) en la superficie. Durante la deformación en frío (como el estirado y el laminado), la película de óxido se cae fácilmente y provoca rayones en la superficie o adhesión al molde, lo que afecta el acabado de la superficie de la pieza de trabajo. Además, si la superficie tiene defectos (como microfisuras), es fácil que se produzca concentración de tensiones durante el procesamiento en frío, lo que provoca la expansión de los defectos e incluso la fractura de la pieza de trabajo.
1.2 Requisitos de procesos especiales
Tratamiento de recocido intermedio: Cuando el grado de deformación en frío supera el 15-20%, se debe realizar un recocido de alivio de tensión intermedio o un recocido de recristalización para eliminar el endurecimiento por trabajo, restaurar la ductilidad del material y evitar grietas en el procesamiento posterior. La temperatura de recocido es generalmente de 600 a 700 grados y el tiempo de mantenimiento es de 0,5 a 2 horas, con enfriamiento en horno o aire para asegurar la recristalización del material y la eliminación de tensiones internas.
Tecnología de moldes y lubricación.: El molde debe estar hecho de materiales de alta-dureza y-resistencia al desgaste (como carburo cementado o acero de alta-velocidad con revestimiento superficial), y la superficie debe pulirse para reducir la fricción. Al mismo tiempo, se deben utilizar lubricantes de alto-rendimiento (como lubricantes a base de disulfuro de molibdeno-o aceites especiales de procesamiento de titanio) para formar una película lubricante estable entre el molde y la pieza de trabajo, evitar la adhesión y reducir la resistencia a la deformación y los rayones en la superficie.
Pretratamiento de superficies: Antes del procesamiento en frío, la película de óxido de la superficie y las impurezas de la pieza en bruto de titanio se deben eliminar mediante métodos como el decapado (ácido mixto de ácido fluorhídrico y ácido nítrico, la fórmula generalmente es 2–5 % HF + 15–20 % HNO₃ + agua) o chorro de arena, para garantizar la limpieza y planitud de la superficie de la pieza en bruto, y evitar el impacto de los defectos de la superficie en la calidad del procesamiento.
Tasa de deformación controlada y cantidad de deformación.: La tasa de deformación en frío debe ser moderada (generalmente, la tasa de deformación se controla entre 0,001 y 0,1 s⁻¹). Una tasa de deformación demasiado rápida hará que el material no tenga tiempo suficiente para fluir plástico, lo que provocará grietas; un ritmo demasiado lento reducirá la eficiencia de la producción. Al mismo tiempo, la cantidad de deformación de una sola-pasada debe controlarse estrictamente (por ejemplo, la tasa de reducción de una sola-pasada del laminado en frío es generalmente del 5 al 10 %, y el ángulo de flexión de una sola-pasada no es superior a 30 grados), y se deben adoptar múltiples pasadas de pequeña deformación con recocido intermedio para garantizar la uniformidad de la deformación.
2. Trabajo en caliente de titanio comercialmente puro
2.1 Dificultad de procesamiento
Estrecho rango de temperatura de trabajo en caliente: La temperatura de transición de fase de CP Ti es de aproximadamente 882 grados (la estructura HCP (-fase) se transforma en una estructura cúbica centrada en el cuerpo -(BCC) (-fase) por encima de esta temperatura). El rango óptimo de temperatura de trabajo en caliente es generalmente de 700 a 850 grados (entre la temperatura ambiente y la temperatura de transición de fase, es decir, en la región de fase -. Si la temperatura es inferior a 700 grados, el material aún tiene una alta resistencia a la deformación y un evidente endurecimiento por trabajo; Si la temperatura excede los 850 grados (cerca de la temperatura de transición de fase), el grano crecerá rápidamente, lo que dará como resultado una estructura de grano grueso de la pieza de trabajo, lo que reduce las propiedades mecánicas (como la tenacidad y la resistencia a la fatiga). Además, si la temperatura excede los 882 grados y entra en la región de fase -, el grano se volverá muy grueso e incluso se formarán fases intergranulares quebradizas después del enfriamiento, lo que deteriorará significativamente el rendimiento del material.
Sensibilidad a la oxidación y a la contaminación a altas-temperaturas: CP Ti tiene una reactividad química extremadamente fuerte a altas temperaturas (por encima de 400 grados) y reaccionará con oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y otros gases en el aire para formar capas superficiales frágiles:
Oxidación: Formación de una incrustación de TiO₂ porosa y quebradiza, que reduce la calidad de la superficie y las propiedades mecánicas de la pieza de trabajo;
Nitruración: formación de una fase dura y quebradiza de TiN, lo que hace que el material sea quebradizo y propenso a agrietarse durante el procesamiento;
Absorción de hidrógeno: se forma una fase frágil de TiH, lo que provoca la fragilización del material por hidrógeno y reduce su tenacidad.
Baja conductividad térmica y distribución desigual de la temperatura.: La conductividad térmica del CP Ti es sólo aproximadamente 1/5 de la del acero y 1/3 de la de la aleación de aluminio. Durante el procesamiento en caliente, la transferencia de calor dentro del material es lenta, lo que fácilmente provoca una distribución desigual de la temperatura entre la superficie y el núcleo de la pieza de trabajo, lo que resulta en una deformación desigual y tensión interna, e incluso grietas o deformaciones de la pieza de trabajo.
2.2 Requisitos de proceso especiales
Control preciso de la temperatura: La temperatura de calentamiento debe controlarse estrictamente dentro del rango de 700 a 850 grados y la desviación de temperatura no debe exceder ±10 grados. El equipo de calefacción debe utilizar un horno eléctrico-controlado con precisión o un horno de vacío en lugar de calefacción con llama abierta (para evitar el sobrecalentamiento local o el calentamiento desigual). Durante el procesamiento, la temperatura de la pieza de trabajo debe controlarse en tiempo real (mediante medición de temperatura por infrarrojos o termopar). Si la temperatura cae por debajo de 700 grados, la pieza de trabajo debe regresarse al horno para recalentarse para evitar el procesamiento en la zona de baja-temperatura con alta resistencia a la deformación.
Atmósfera protectora o revestimiento de superficie.: Para evitar-la oxidación a altas temperaturas y la contaminación por gases, se pueden tomar las siguientes medidas de protección:
Calentamiento al vacío: Calentar la pieza de trabajo en un ambiente de vacío (grado de vacío mayor o igual a 10⁻³ Pa) para aislar completamente el aire y evitar la reacción del gas;
Protección con gas inerte: llenar el horno de calentamiento con argón o nitrógeno de alta-pureza (el nitrógeno solo es adecuado para calentamiento a baja-temperatura por debajo de 600 grados para evitar la nitruración) para formar una atmósfera protectora;
Recubrimiento antioxidación-superficial: Recubrir la superficie de la pieza de trabajo con un recubrimiento especial anti-oxidación (como un recubrimiento a base de vidrio-o un recubrimiento a base de boro-) antes de calentarla, que puede formar una película protectora densa a altas temperaturas para aislar el oxígeno y el nitrógeno.
Parámetros razonables del proceso de trabajo en caliente.: La velocidad de deformación en caliente debe controlarse entre 0,1 y 10 s⁻¹ (la fase -de CP Ti tiene mejor plasticidad en este rango de velocidad de deformación). La cantidad de deformación de una sola-pasada debe aumentarse adecuadamente (generalmente entre un 30 y un 50 %) para aprovechar al máximo la alta plasticidad del material a altas temperaturas y evitar múltiples deformaciones pequeñas que provoquen un engrosamiento del grano. Después del procesamiento en caliente, la pieza de trabajo debe enfriarse a tiempo (enfriamiento por aire o por agua, según el grado y el espesor del material) para suprimir el crecimiento del grano y garantizar una estructura de grano fino-.
Tratamiento térmico post-procesamiento: Después del trabajo en caliente, la pieza de trabajo debe someterse a un recocido de alivio de tensión o un recocido de recristalización para eliminar la tensión interna y refinar los granos. La temperatura de recocido es de 600 a 700 grados y el tiempo de mantenimiento se determina según el espesor de la pieza de trabajo (generalmente de 1 a 3 horas). Para piezas de trabajo con requisitos de alto rendimiento, se puede adoptar un doble recocido (primero calentamiento a 750 grados para su sujeción, luego enfriamiento a 600 grados para su sujeción y finalmente enfriamiento por aire) para optimizar aún más la estructura y las propiedades.
