تیتانیوم به عنوان فلزی شناخته می شود که با وجود داشتن وزن کم، استحکام بسیار مناسبی دارد. اگرچه این مواد در حال حاضر دارای خواص طبیعی عالی هستند، اما می توان آنها را نیز تحت عملیات حرارتی قرار داد تا عملکرد مکانیکی و مقاومت آنها در برابر تنش های مختلف افزایش یابد. سخت‌کاری تیتانیوم با روشهای مختلف سخت‌کاری مانند کربن دهی و نیتروژن دهی و … میتواند ضورت پذیرد. در مقاله زیر به بررسی خواض تیتانیوم و سخت‌کاری تیتانیوم و انواع روشهای ان میپردازیم. با ما همراه باشید.
عنصر تیتانیوم چیست؟
تیتانیوم (Titanium) که با نماد Ti نمایش داده می شود، یکی از فلزات واسطه براق است که با عدد اتمی 22، در جدول تناوبی عناصر جای دارد. این فلز در اواخر قرن هجدهم میلادی و توسط فردی به نام «ویلیام گرگور» بریتانیایی کشف شد؛ اما همچنان تا قرن 20 میلادی استفاده چندانی نداشت. این موضوع بیشتر به دلیل ویژگی های کمتر شناخته شده تیتانیوم تا آن زمان بود
تیتانیوم یکی از عناصر فراوان پوسته زمین است و به دلیل ویژگی های متعددی که داراست، مصارف گوناگونی دارد. از این فلز و آلیاژهای آن به طور گسترده در صنایع حساس همچون ساخت توربین، موشک، موتور و بدنه هواپیما، خودروهای لوکس یا فرمول یک و … استفاده می شود.
خواص و ویژگی های عنصر تیتانیوم
تیتانیوم به عنوان فلزی شناخته می شود که با وجود داشتن وزن کم، استحکام بسیار مناسبی دارد. این فلز در برابر خوردگی مقاومت خوبی از خود نشان می دهد. دلیل این موضوع، ایجاد یک لایه اکسید نازک بر سطح آن است.
عنصر تیتانیوم نسبت به بسیاری از فلزات، رسانایی گرمایی و الکتریکی پایین تری دارد؛ همچنین دمای ذوب بالایی دارد و تا 1600 درجه سانتی گراد نیز مقاوم است. یکی از دلایل کاربرد تیتانیوم در محصولات مختلف و حساس، همین ویژگی ها هستند.
موضوع دیگری که به استفاده از تیتانیوم در صنایع مختلف کمک می کند، خاصیت چکش خواری آن است. این قابلیت موجب شده تا تغییر شکل این فلز به حالت دلخواه، به شکل بهتری صورت پذیرد. خاصیت فیزیکی دیگری که می توان برای فلز تیتانیوم ذکر کرد، مقاومت کششی آن است. از این نظر، تیتانیوم با فولاد قابل مقایسه و رقابت است. در واقع این دو ماده از نظر مقاومت کششی شرایط تقریبا مشابهی دارند؛ اما مزیت تیتانیوم در وزن کمتر آن است. حتی برخی از آلیاژهای این عنصر، مقاومت بیشتری نسبت به فولاد دارند.
در مجموع بسیاری از فلزاتی که چنین ویژگی هایی دارند، به عنوان فلز قیمتی یا گران بها شناخته می شوند؛ اما تیتانیوم به دلیل داشتن چند مورد از این موارد، کاربرد بیشتری در صنعت دارد.
کاربرد تیتانیوم
فلز تیتانیوم، با توجه به مزیت هایی که دارد در صنایع مختلف مثل پزشکی، هوا وفضا، خودرو سازی، شیمیایی، دفاعی و.. مورد استفاده قرار می گیرد. این فلز، فلزی سبک است که، به دلیل سبک بودن در ساخت هواپیما مورد استفاده قرار می گیرد.
میلگرد یکی دیگر از مواد اصلی در ساخت هواپیماست. این مقاطع به دلیل قابلیت جوشکاری، شکل پذیری، استحکام بالا و.. در ساخت بدنه و بال و سازه های داخلی و سایر قطعات هواپیما به کاربرده می شود. در بال های هواپیما از میلگرد استفاده می کنند
چگونه سخت‌کاری تیتانیوم را انجام دهیم؟
تیتانیوم که اکنون به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و سبکی استثنایی خود مشهور است، به طور فزاینده ای در کاربردهای صنعتی استفاده می شود. به صورت خالص یا آلیاژی موجود است. اعمال عملیات حرارتی برای قطعات تیتانیومی نه تنها عملکرد مکانیکی آنها را بهبود می بخشد، بلکه مقاومت بالای آنها را در برابر سایش نیز بهبود می بخشد. بسته به ماهیت اجزاء، فرآیندهای خاصی نسبت به سایرین مناسب تر هستند.
غلتک های پردازش تیتانیوم
تیتانیوم مدتی است که به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی جالب توجه خود در اخبار مطرح شده است. برای شروع، این ماده دارای چگالی بسیار کم است که آن را بسیار سبک تر از برخی فلزات دیگر می کند. به عنوان مثال، یک سانتی‌متر مکعب تیتانیوم حدود 4 گرم وزن دارد، در حالی که یک سانتی‌متر مکعب فولاد وزن آن 7.8 گرم است. محافظت طولانی مدت و مقاومت بالایی در برابر مواد شما ایجاد می کند. بنابراین، تیتانیوم تقریباً نصف فولاد سنگین است، که یک مزیت عمده در بخش‌های صنعتی خاص مانند هوانوردی است، جایی که تلاش برای سبکی در همه جا وجود دارد.
این ماده همچنین دارای مقاومت در برابر خوردگی عالی است و به عنوان مثال برای ساخت کابل و اتصالات لوله نصب شده در زیر دریا ایده آل است. نه تنها سازندگان هواپیما، بلکه صنایع ورزش و اوقات فراغت و دنیای پزشکی نیز به طور فزاینده ای به تیتانیوم روی می آورند. علاوه بر سبک بودن، کارایی بالا و مقاوم در برابر خوردگی، زیست سازگاری نیز دارد، به این معنی که ارگانیسم انسان آن را کاملاً جذب می کند و برخلاف سایر آلیاژها نمی تواند آن را پس بزند. در نتیجه، ایمپلنت های پزشکی و حتی جواهرات بیشتری از این ماده ساخته می شود.
عملیات حرارتی برای تیتانیوم
تیتانیوم در واقع به دو شکل است: اولی تیتانیوم خالص و دومی آلیاژ تیتانیوم. معروف ترین TA6V است که حاوی 6% آلومینیوم و 4% وانادیوم است و اغلب در ساخت تجهیزات ورزشی و زیست پزشکی و همچنین در صنعت هوافضا استفاده می شود. TA6V به تنهایی 50 درصد از تولید آلیاژ استیتانیوم جهان را تشکیل می دهد.
اگرچه این مواد در حال حاضر دارای خواص طبیعی عالی هستند، اما می توان آنها را نیز تحت عملیات حرارتی قرار داد تا عملکرد مکانیکی و مقاومت آنها در برابر تنش های مختلف افزایش یابد. در مورد تیتانیوم، انتخاب تکنولوژی عملیات حرارتی بیش از همه به ترکیب قطعات بستگی دارد.
تیتانیوم همچنین اغلب به آسانودایز، اکسید شده، ترشی شیمیایی یا درمان شده با محلول گفته می شود. همه این درمان ها برای تیتانیوم قابل اجرا هستند، بنابراین اجازه دهید نگاهی دقیق تر به هر یک از آنها بیندازیم.
عملیات حرارتی برای تیتانیوم خالص
عملیات حرارتی اعمال شده بر روی قطعات تیتانیوم خالص می تواند دو هدف را انجام دهد. در مرحله اول، تکنیک آنیلینگ برای کاهش تنش های وارده بر قطعات، با هدف افزایش پایداری ابعادی آنها و به حداقل رساندن ظاهر تغییر شکل استفاده می شود. این روش همچنین به بهبود شکل دهی قطعات به ویژه در هنگام برش و مهر زنی و همچنین ماشین کاری آنها کمک می کند.
فناوری پردازش برای آلیاژهای تیتانیوم
در مورد آلیاژها، عملیات حرارتی تیتانیوم و سخت‌کاری تیتانیوم نیز می تواند اثرات متفاوتی داشته باشد. همانند مواد خالص، بازپخت باعث کاهش استرس و ماشینکاری بهتر میشود.
با این حال، روش های دیگر بسته به خواص مورد نیاز، برای آلیاژهای تیتانیوم مناسب تر هستند. به عنوان مثال، کوئنچ و تمپر به افزایش سختی و خواص مکانیکی آلیاژهای فلزی کمک می کند.
این نتیجه به دلیل اصلاح ساختار فلزی تولید شده در طول پردازش است: عملیات محلول در دمای بالا و به دنبال آن خنک شدن و سخت شدن معتدل منجر به تشکیل رسوب می شود که استحکام مکانیکی قطعه را تا حد زیادی افزایش می دهد. این به عنوان سخت شدن بارش شناخته می شود. نتایج به‌ویژه قانع‌کننده‌ای را می‌توان روی اجزای خاصی مشاهده کرد: قطعات تصفیه‌نشده با استحکام مکانیکی 600 مگاپاسکال می‌توانند این مقدار را پس از عملیات به 1300 مگاپاسکال افزایش دهند.
با این حال، استفاده از سخت شدن و تمپر کردن روی آلیاژهای تیتانیوم به تخصص بالایی نیاز دارد، زیرا در صورت سوء استفاده، یک لایه ترد کننده می تواند به سرعت روی سطح قطعه ایجاد شود: مورد آلفا. در نتیجه، اعمال ایندرمان بر روی یک آلیاژ تیتانیوم یا مستلزم تسلط کامل بر تکنیک یا ماشینکاری مجدد برای حذف این فاز تردی که در سطح انتهایی قطعه ظاهر می شود، دارد.
نیترید کردن به عنوان یک سخت‌کاری تیتانیوم
هنوز هم می توان عملیات سطحی را برای سخت‌کاری تیتانیوم اعمال کرد. نیتریدینگ شامل پخش نیتروژن بر روی سطح قطعه و در نتیجه فرمت آن است.
یون نیترید تیتانیوم، یک ترکیب بسیار سخت. پس از درمان به این روش، مواد می توانند به سختی بیش از 1500 Vickers دست پیدا کنند. این روش همچنین به بهبود مقاومت قطعات در برابر سایش کمک می کند. پس از نیتروژن، یک قطعه تیتانیومی سختی و مقاومت در برابر سایش بیشتر و همچنین ضریب اصطکاک بهتری دارد.
از طرف دیگر، نیترید کردن در این زمینه نیاز به اتمسفر گرم شده تا بیش از 800 درجه سانتیگراد دارد، و بنابراین دیگر نشان دهنده یک تصفیه در دمای پایین نیست، به عنوان مثال در مورد فولاد، که در آن نیتروژن فقط در دمای 500 درجه سانتیگراد انجام می شود. در بیشتر موارد، Thermi-Lyon از رسوب خلاء PVDor DLC حمایت می کند که انرژی کمتری دارد و به همان اندازه موثر است.
پاسخ تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم به عملیات حرارتی
پاسخ تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم به عملیات حرارتی، به ترکیب فلز بستگی دارد. آلیاژهای آلفا، شبه آلفا، آلفا- بتا یا بتا دارای پاسخهای عملیات حرارتی متناسب با میکروساختاری (فازهای موجود و توزیع آنها) هستند که می توان در آن آلیاژ ایجاد نمود. بعبارتی ساده تر، پاسخ به عملیات حرارتی تا حد زیادی توسط ترکیب آلیاژ تعیین می شود. همه عملیات های حرارتی برای آلیاژهای تیتانیوم قابل قبول نیستند. همچنین، آلیاژهای مختلف برای منظورهای متفاوتی استفاده می شوند و عملیات های حرارتی معمولا بازتاب دهنده مقصود استفاده (نظیر جوشکاری) یا فرایندهایی هستند که به آلیاژ اعمال می شوند.
بوسیله عملیات حرارتی، آلیاژهای آلفا و شبه آلفا را نمی توان تغییر چندانی داد. آزادسازی تنش و آنیل کاری محتمل ترین عملیات ها برای این آلیاژها هستند. چرخه های عملیات حرارتی برای آلیاژهای بتا بطور قابل توجهی با چرخه های مربوط به آلیاژهای آلفا و آلفا- بتا متفاوت هستند. آلیاژهای تجاری بتا (در واقع آلیاژهای شبه پایدار بتا) را نه تنها تحت آزادسازی تنش یا آنیل کاری بلکه تحت عملیات انحلالی و پیرسازی نیز می توان قرار داد.
آزادسازی تنش
عملیات های حرارتی آزادسازی تنش احتمالا مرسوم ترین عملیات های حرارتی اعمال شده به دسته های وسیعی از تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم هستند. تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم را می توان بدون تاثیر شدید بر استحکام یا داکتیلیته تحت آزادسازی تنش قرار داد. عملیات های آزادسازی تنش، باعث کاهش تنشهای پسماند نامطلوبی می شوند که از موارد زیر نشات می گیرند:
- تغییرشکل غیریکنواخت فورج گرم
- صاف کردن و شکل دهی سرد غیریکنواخت
- ماشینکاری نامتقارن ورق یا قطعات فورج شده
- جوشکاری قطعات کارشده، ریختگی یا متالورژی پودر (P/M) و تبرید قطعات ریختگی
حذف چنین تنش هایی به حفظ پایداری شکل کمک کرده و شرایط نامطلوب از جمله افت استحکام تسلیم فشاری را که به عنوان اثر باوشینگر شناخته می شود از بین می برد. این اثر بطور ویژه در آلیاژهای تیتانیوم قابل توجه است.
هنگامی که شکل های متقارن در شرایط آنیل شده ماشینکاری می شوند، به کار بردن برش های متوسط و حذف شوک یکنواخت، می تواند منجر به عدم نیاز به آنیل کاری آزادسازی تنش شود. اما هرچه عمق برش بیشتر و/ یا برش غیر یکنواخت تر باشد احتمال نیاز به آزادسازی تنش برای تکمیل موفقیت آمیز ماشینکاری و چرخه تولید یا اطمینان از حصول عمر بیشینه قطعه بیشتر است.
هنگامی که ترتیب تولید را می توان طوری تنظیم کرد که از آنیل کاری یا سخت کردن به عنوان فرایند آزادسازی تنش بتوان استفاده کرد، آزادسازی تنش بطور جداگانه را ممکن است بتوان حذف نمود. برای نمونه، تنشهای فورج کاری را می توان با آنیل سازی قبل از ماشینکاری آزاد کرد. حلقه های بزرگ نازک با کمینه مقدار اعوجاج توسط ماشینکاری در حالت آنیل شده بطور موثری تولید شده اند. بدنبال این ماشینکاری، عملیات انحلالی، کوئنچ، پیرسازی جزئی، ماشینکاری پرداخت و پیرسازی نهایی انجام می شود.
پیرسازی جزئی، تنشهای کوئنچ و پیرسازی نهایی تنشهای ایجادشده در حین ماشینکاری نهایی را آزاد می نماید. بطور خلاصه سخت‌کاری تیتانیوم برای افزایش استقامت تیتانیوم انجام میشود. از جمله این روشها نیتریدینگ شامل پخش نیتروژن بر روی سطح قطعه و در نتیجه فرمت آن است. البته پاسخ تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم به عملیات حرارتی، به ترکیب فلز بستگی دارد.
