1. Uvod
Stupanj titanijuma 2 je najrasprostranjeniji komercijalno čistog titanijuma u općem inženjeringu.
To je nelegirani titanijum, identifikovan u zajedničkim specifikacijama kao UNS R50400, i pojavljuje se u ASTM i standardima vezanim za implantate kao što je ASTM B265, ASTM B348, ASTM B338, ASTM B861/B862/B863, i ASTM F67, kao i ISO 5832-2 za hirurške implantate.
U praksi, to je "uravnoteženi" titanijum: nije najmekša, nije najjači, ali često najpraktičnija kombinacija otpornosti na koroziju, snaga, zavarljivost, i formibilnost.
2. Šta je titanijum 2?
Titanijum Razred 2 je komercijalno čist titanijum, što znači da njegova svojstva potiču prvenstveno od strogo kontroliranih nivoa nečistoća, a ne namjernih dodataka legure.
Na radnoj temperaturi, CP titan je jednofazni alfa titanijum sa hcp kristalnom strukturom; njegovim ponašanjem upravlja hemija, posebno kiseonika, gvožđe, i drugi međuprostorni oglasi, plus veličina zrna.
Karakteristike
Stupanj titanijuma 2 poznat je po četiri praktične karakteristike:
- Odlična otpornost na koroziju u morskoj vodi, brinu, oksidirajuće kiseline, i mnoge sredine koje sadrže hlorid.
- Dobra duktilnost i formibilnost, sa lakšom proizvodnjom od titanijuma veće čvrstoće.
- Pouzdana zavarljivost kada se koristi odgovarajuća inertna zaštita.
- Snažan omjer snage i težine, sa malom gustinom i korisnom čvrstoćom na sobnoj temperaturi.
3. Tipičan hemijski sastav titanijuma 2
| Element | Maksimalno ograničenje |
| FE | 0.30% |
| C | 0.08% |
| O | 0.25% |
| N | 0.03% |
| H | 0.015% |
| Od | Ravnoteža |
Ova ograničenja nisu proizvoljna. U komercijalno čistom titanijumu, kisik i drugi intersticijski podižu snagu, ali postupno smanjuju duktilnost i lakoću oblikovanja.
Zato Grade 2 zauzima sredinu između maksimalne formabilnosti razreda 1 i maksimalne CP snage razreda 4.
ASTM F67 jasno odražava ovaj gradirani dizajn: dozvoljeni sadržaj kiseonika i gvožđa raste od stepena 1 kroz Grade 4, dok minimalna granica popuštanja raste u istom smjeru.
4. Metalurgija i mikrostruktura
Na radnoj temperaturi, Razred 2 je u suštini 100% alfa titanijum.
Carpenter napominje da se čisti titanijum pretvara iz alfa (Šesterokutno zatvaranje) u beta (Kubični telo) na 882,5°C, dok pri normalnim radnim temperaturama CP titanijum ostaje alfa faza.
Jer Grade 2 je jednofazna, njegova svojstva su uglavnom kontrolirana sadržajem nečistoća i veličinom zrna, nego faznim frakcijama ili taložnim otvrdnjavanjem.
Ta metalurška jednostavnost je jedan od razloga za Grade 2 je tako pouzdan.
Ne postoji namjerno jačanje kroz složenu hemiju legure, tako da su performanse relativno predvidljive među dobavljačima i oblicima proizvoda kada se koriste ista specifikacija i ruta obrade.
Kompromis je taj stepen 2 ne može se približiti visokoj čvrstoći alfa-beta legura titanijuma kao što je Grade 5.
5. Fizičke i mehaničke performanse titanijumskog kvaliteta 2
Stupanj titanijuma 2 kombinuje nisku gustinu, umjerena krutost, korisna čvrstoća na sobnoj temperaturi, i visoka otpornost na koroziju.
U praktičnom inženjerskom smislu, nije legura titana visoke čvrstoće; radije, to je izbalansiran komercijalno čist titanijum čija su svojstva definirana njegovim odličnim specifičnim svojstvima i pouzdanim ponašanjem u proizvodnji.
Fizička svojstva
| Nekretnina | Tipičan / Reprezentativna vrijednost | Inženjerski značaj |
| Gustina | 4.51 g / cm³ (0.163 lb / in³) | Mala težina u poređenju sa čelikom; velika prednost u opremi osjetljivoj na masu. |
| Talište | 1668° C (3034° F) | viši od čelika (1450° C) i aluminijum (660° C), osigurava stabilnost u primjenama na visokim temperaturama do 300°C . |
| Modul elastičnosti | 105–120 GPa | Ukazuje na umjerenu krutost; niže od čelika, tako da se u dizajnu mora uzeti u obzir otklon. |
Toplotna provodljivost |
21.79 W / m · K | Relativno nizak; rasipanje toplote je ograničeno, utiče na zavarivanje i mašinsku obradu. |
| Električna otpornost | 0.53 μω · m | Odražava ograničenu električnu provodljivost u odnosu na bakar ili aluminijum. |
| Magnetno ponašanje | Nemagnetski | Pogodno za aplikacije gdje je važna magnetna neutralnost. |
| Beta transus | ~915°C | Označava temperaturno područje u kojem fazna transformacija postaje relevantna u termičkoj obradi. |
Mehanička svojstva
| Nekretnina | Minimum / Reprezentativna vrijednost | Inženjerski značaj |
| Krajnja vlačna čvrstoća | 345 MPa | Adekvatan za strukturalne komponente umjerenog opterećenja i komponente koje su otporne na koroziju. |
| Snaga prinosa | 275 MPa | Definira nivo naprezanja prije početka trajne deformacije. |
| Izduženje | 20% | Pokazuje dobru duktilnost i upotrebljivu sposobnost oblikovanja. |
| Smanjenje površine | 30% | Označava razumnu žilavost i kapacitet deformacije nakon grla. |
| Tvrdoća | 160- 200 HV | Odražava umjerenu otpornost na udubljenje i habanje. |
6. Otpornost na koroziju i biokompatibilnost
Stupanj titanijuma 2 je najcjenjeniji zbog svog ponašanja u koroziji. U vazduhu ili vlazi, formira jaku, stabilan, zaštitni oksidni film koji se brzo obnavlja kada je oštećen.
Taj pasivni film je osnovni razlog za ocjenu 2 tako dobro djeluje u mnogim kemijskim i morskim okruženjima.
Obično se koristi u morskoj vodi, brinu, neorganske soli, vlažni hlor, alkalnih rastvora, oksidirajuće kiseline, organske kiseline, i sredine koje sadrže sumpor.
Snage životne sredine
- Usluga morske vode i mora.
- Rasolice i anorganske soli.
- Oksidirajuće kiseline i mnoge organske kiseline.
- Mokri servis hlora u odgovarajućim uslovima.
Gdje je potreban oprez
Razred 2 nije univerzalni oklop od korozije. Tehnički listovi proizvođača upozoravaju na jake redukcijske kiseline, bezvodni hlor, jakih kaustičnih rastvora, fluoridi, i servis čistog kiseonika.
Alleima takođe napominje da se nelegirani titanijum ne bi trebao koristiti sa jakim redukcionim kiselinama, rastvori fluora, čisti kiseonik, ili bezvodni hlor, istovremeno pokazujući dobru otpornost na koroziju u pukotinama u otopinama soli ispod 80°C.
Biokompatibilnost
Stupanj titanijuma 2 je također važan u medicini jer je nelegirani titanum prepoznat u standardima implantata.
ISO 5832-2 specificira nelegirani titanijum za hirurške implantate, i ASTM F67 navodi da su ovi materijali uspješno korišteni u primjeni ljudskih implantata u kontaktu s mekim tkivom i kostima, sa prihvatljivim biološkim odgovorom koji se očekuje u odgovarajućim aplikacijama.
Zato Grade 2 pojavljuje se u medicini, dentalni, i biotehnološki kontekst.
7. Fabrication Behavior: Formiranje, Zavarivanje, i obrada
Stupanj titanijuma 2 široko se smatra jednim od komercijalno čistog titanijuma koji se najviše može proizvesti, ali i dalje zahtijeva procesnu disciplinu.
Njegova otpornost na koroziju i duktilnost čine ga praktičnim za oblikovanje i spajanje, dok ima nisku toplotnu provodljivost, sklonost žuči, i osjetljivost na kontaminaciju zahtijevaju pažljivu praksu u radnji.
Formiranje
Razred 2 mogu se formirati konvencionalnim metodama hladne obrade, uključujući savijanje, kotrljanje, žigosanje, i crtanje.
U poređenju sa jačim tipovima titanijuma, nudi bolju ravnotežu duktilnosti i povratne kontrole, što ga čini pogodnim za lim, tanjir, i izrada cevi.
To je reklo, titanijum nije tako praštajući kao meki čelik. Njegov relativno nizak modul elastičnosti znači da povratak može biti značajan, tako da se dopuštenja savijanja moraju pažljivo izračunati.
Alati moraju biti glatki i čisti kako bi se izbjeglo oštećenje površine, i operacije formiranja treba planirati kako bi se minimizirala lokalna koncentracija deformacija.
Za uže polumjere ili složenije oblike, toplo oblikovanje može biti poželjno jer smanjuje silu formiranja i smanjuje rizik od pucanja.
Zavarivanje
Razred 2 ima odličnu zavarljivost, što je jedan od glavnih razloga zašto se koristi u hemijskoj preradi, pomorsku opremu, i biomedicinski hardver.
Uobičajene metode zavarivanja uključuju:
- Plin za zavarivanje lukavog luka (GTAW / TIG)
- Plazma lučno zavarivanje
- Zavarivanje elektronskim snopom
- Lasersko zavarivanje
- Otporno zavarivanje u odabranim aplikacijama
Kritični zahtjev za zavarivanje titanijuma je zaštita. Vrući titanijum brzo reaguje sa kiseonikom, azot, i vodonik, i svako izlaganje može narušiti zavar ili promijeniti boju zone zahvaćene toplinom.
Iz tog razloga, Kvalitet zavara zavisi od temeljne zaštite inertnim gasom ne samo na luku, ali i na stražnjoj i stražnjoj strani vara.
Pravilno zavareni razred 2 spoj može zadržati odličnu otpornost na koroziju i mehanički integritet.
Loša zaštita, Suprotno tome, može uzrokovati stvaranje alfa-slučajeva, Smanjena duktilnost, i preranog kvara servisa.
U praksi, čistoća zavara nije obavezna; dio je specifikacije materijala u funkcionalnom smislu.
Obrada
Obrada Razred 2 izvedivo je, ali je zahtjevniji od obrade uobičajenih čelika ili aluminijskih legura. Glavne poteškoće su:
- Niska toplotna provodljivost, koji koncentriše toplotu na reznoj ivici
- Habanje alata, posebno ako su uslovi rezanja previše agresivni
- Nagrizanje i formiranje nagomilanih ivica
- Stvrdnjavanje ili oštećenje površine ako su posmaci i brzine loše odabrani
Dobra praksa obrade za Grade 2 općenito uključuje niske brzine rezanja, relativno velike brzine hrane, Oštri alati od karbida, kruto učvršćenje, i obilje tečnosti za sečenje.
Cilj je brzo ukloniti toplinu i spriječiti da alat trlja umjesto da se reže. Prekinuto sečenje i tupi alat treba izbjegavati kad god je to moguće.
Završna obrada površine je posebno važna kada će komponenta biti izložena korozivnoj upotrebi ili biomedicinskoj upotrebi.
Oštećena površina može postati početno mjesto za lokalizirani napad, tako da bi obrada trebala očuvati pasivni film materijala i izbjeći ugrađenu kontaminaciju od alata ili strugotina.
8. Prednosti & Ograničenja kvaliteta titanijuma 2
Stupanj titanijuma 2 se često opisuje kao komercijalno čistog titanijuma "opće namjene".. Taj opis je tačan, ali nepotpuna.
Njegova vrijednost nije u ekstremnim performansama, ali u pažljivo izbalansiranoj kombinaciji svojstava koja ga čine pouzdanim u mnogim inženjerskim okruženjima.
Prednosti
Izvrsna otpornost na koroziju
Razred 2 radi izuzetno dobro u mnogim korozivnim okruženjima, posebno morske vode, hloridi, brinu, i niz oksidirajućih medija.
Njegov prirodni oksidni film pruža snažnu pasivnu zaštitu, što je jedan od glavnih razloga što se toliko koristi u hemijskoj preradi i morskim sistemima.
Dobar omjer snage i težine
Iako to nije legura visoke čvrstoće, Razred 2 nudi respektabilnu mehaničku čvrstoću pri vrlo maloj gustini.
To ga čini atraktivnim u aplikacijama gdje je smanjenje težine važno bez žrtvovanja previše strukturalnog integriteta.
Dobra formibilnost
U poređenju sa jačim tipovima titanijuma, Razred 2 lakše je saviti se, oblik, i hladan rad. To dizajnerima i proizvođačima daje veću fleksibilnost tokom proizvodnje.
Odlična zavarivost
Razred 2 može se pouzdano zavariti kada se poštuju odgovarajuće procedure zaštite.
Ovo je velika praktična prednost opreme pod pritiskom, cjevovod, Izmjenjivači topline, i sklopovi izrađeni po narudžbi.
Biokompatibilnost
Razred 2 dobro je prikladan za medicinsku i stomatološku upotrebu jer ga ljudsko tijelo općenito dobro podnosi i pojavljuje se u priznatim standardima implantata.
Nemagnetno i hemijski stabilno
Njegovo nemagnetno ponašanje i stabilna oksidna površina čine ga korisnim u specijaliziranoj opremi gdje se magnetske smetnje ili kontaminacija moraju svesti na minimum.
Ograničenja
Manja čvrstoća od legiranog titanijuma
Razred 2 je mnogo slabiji od legura titanijuma kao što je Grade 5. Kada je potrebna vrlo velika nosivost ili čvrstoća na visokim temperaturama, možda nije pravi izbor.
Nije idealno za sve hemijske sredine
Otporan je na mnoge korozivne medije, ali ne na sve. Jake redukcijske kiseline, rastvori koji sadrže fluor, bezvodni hlor, a neki kaustični uslovi mogu uzrokovati ozbiljne probleme.
Zahtjevnija obrada
Razred 2 nije lako obraditi na isti način kao obični čelik ili aluminij. Zahtijeva ispravan alat, Brzina rezanja, hlađenje, i krutost mašine.
Cijena je veća od običnih metala
Iako je komercijalno čista kvaliteta, i dalje je skuplji od ugljeničnog čelika, nehrđajući čelik, i mnoge legure aluminijuma. Stoga njegova upotreba mora biti opravdana potrebama performansi.
Manja krutost od čelika
Kao i sve vrste titanijuma, Razred 2 ima niži modul elastičnosti od čelika. Konstrukcionim projektima mogu biti potrebni deblji dijelovi ili geometrijska armatura za kontrolu progiba.
9. Tipične primjene titanijumske klase 2
Razred 2 koristi se tamo gdje su otpornost na koroziju i proizvodnost važniji od maksimalne čvrstoće.
Uobičajene primjene uključuju kemijsko i pomorsko inženjerstvo, pločasti izmjenjivači topline, Reakciona plovila, isparivači, kondenzatori, pribor za galvanizaciju, Oprema za desalinaciju, grijači morske vode,
Morske komponente, Aerospace hardver, medicinska i farmaceutska oprema, i neke komponente za proizvodnju energije i usluge nafte i plina.
Tipična područja primjene
- Oprema za hemijsku obradu.
- Marinac i sistemi za desalinizaciju.
- Izmjenjivači topline, kondenzatori, i isparivači.
- Medicinski, farmaceutski, i biotehnološku opremu.
10. Poređenje sa drugim vrstama titanijuma: Razred 1, 4, i legirani razred 5
| Aspekt | Razred 1 | Razred 2 | Razred 4 | Razred 5 |
| Metalurški tip | Komercijalno čist titanijum (Cp ti), najniži nivo nečistoća u CP porodici. | Komercijalno čist titanijum (Cp ti), izbalansiran CP stepen. | Komercijalno čist titanijum (Cp ti), najjači od uobičajenih CP razreda. | Alfa-beta legura titanijuma, TI-6AL-4V; nije komercijalno čist titanijum. |
| Relativna snaga | Najmanja čvrstoća među glavnim CP klasama. | Umjerena čvrstoća; minimalna granica popuštanja 275 MPa (40 Ksi). | Najveća CP snaga; minimalna granica popuštanja 480 MPa (70 Ksi). | Mnogo veća čvrstoća od CP razreda; žareni Ti-6Al-4V pokazuje čvrstoću tečenja 825–895 MPa i podložan je termičkoj obradi. |
Duktilnost / Formalnost |
Najbolja duktilnost i najlakše hladno oblikovanje u CP porodici. | Odlična formabilnost sa dobrim balansom čvrstoće/duktilnosti. | Dobra duktilnost i umjerena sposobnost oblikovanja, ali manje oprašta od razreda 1–2. | Obradivost na hladnom je ograničena; toplo oblikovanje se obično koristi jer je povratni povrat na sobnoj temperaturi značajan. |
| Otpornost na koroziju | Vrlo visok otpor korozije, posebno u oksidirajućim i morskim sredinama. | Vrhunska otpornost na koroziju; odličan u morskoj vodi, brinu, hloridi, oksidirajuće kiseline, i mnoge procesne medije. | Odlična otpornost na koroziju i zamor; jaka u oksidaciji, neutralan, i blago reducirajući hloridi. | Izvrsna opća otpornost na koroziju, posebno u morskoj vodi i mnogim morskim/odobalnim okruženjima; hemijski svestraniji od CP razreda u nekim smanjenim okruženjima, ali i dalje zavisi od sredine. |
Zavarljivost / izmišljotina |
Vrlo dobra zavarljivost i najlakša cjelokupna izrada među CP razredima. | Odlična zavarljivost i široko se koristi tamo gdje je potrebno oblikovanje i zavarivanje. | Dobra zavarivost, ali viši nivo kiseonika povećava osetljivost na krhkost vodonika i disciplinu proizvodnje. | Zavarljiv, ali zaštitna disciplina je kritična; strojna obrada je relativno teška i zabrinjavajuće je nagrizanje. |
| Tipična uloga u selekciji | Odabran kada su maksimalna duktilnost i otpornost na koroziju važniji od čvrstoće. | Izbor CP titanijuma opšte namene: tačka ravnoteže između snage, Formalnost, i otpornost na koroziju. | Koristi se kada je potrebna najveća CP čvrstoća i dizajn može tolerisati smanjenu duktilnost u odnosu na stepene 1-2. | Odabran kada je potrebna vrlo visoka čvrstoća i dizajner prihvata sistem legiranog titanijuma umesto CP titanijuma. |
11. Zaključak
Stupanj titanijuma 2 je klasični komercijalno čisti titanijum za ozbiljnu inženjersku upotrebu.
Kombinira jednostavnu alfa-titanijsku mikrostrukturu, pažljivo ograničena hemija nečistoća, jaka otpornost na koroziju, respektabilne snage, Dobra zavarivost, i praktičnu formabilnost.
Nije najjači titanijum, i nije univerzalno otporan na koroziju, ali to je jedan od najinteligentnije izbalansiranih materijala dostupnih kada problem dizajna zahtijeva izdržljivost u agresivnim okruženjima.
Razlog zašto je i dalje tako široko korišten nije mističnost; prikladan je. Razred 2 nudi rijetku kombinaciju atributa koje inženjeri zapravo mogu proizvesti, zavarivati, inspect, i povjerenje u uslugu.
Zato se nalazi u središtu komercijalno čistog titanijuma i nastavlja da služi hemikalijama, marine, medicinski, i procesne industrije sa izuzetnom doslednošću.
FAQs
Koja je razlika između titanijumske klase 2 i razred 2H?
Stupanj titanijuma 2 i Grade 2H su identične po hemijskom sastavu (US R50400) ali se razlikuju po mehaničkim zahtjevima:
Razred 2H specificira višu minimalnu zateznu čvrstoću (400 MPa, ili 58 Ksi) u poređenju sa ocjenom 2 (345 MPa).
Razred 2H prvenstveno se koristi za primjene u posudama pod pritiskom gdje je potrebna veća čvrstoća .
Je Titanium Grade 2 pogodan za medicinske implantate?
Da, Stupanj titanijuma 2 (ASTM F67, ISO 5832-2) se široko koristi za medicinske implantate zbog svoje odlične biokompatibilnosti, netoksičnost, i oseointegracija.
Obično se koristi za zubne implantate, koštane ploče, i vještačkih zglobova, Sa većem vijekom veće 20 godina.
Can Titanium Grade 2 biti zavaren?
Da, Stupanj titanijuma 2 može se zavariti korištenjem GTAW (TIG), Šapa, i EBW procesi.
Zavarivanje mora biti izvedeno u inertnom plinu (Argon, helijum) atmosfere kako bi se spriječila oksidacija rastopljenog titana, što bi smanjilo čvrstoću zavara i otpornost na koroziju.
Zavareni spojevi se obično postižu 90%+ jačine osnovnog materijala .
Koja je maksimalna radna temperatura za Titanium Grade 2?
Stupanj titanijuma 2 može se koristiti neograničeno na temperaturama ispod 300°C.
Može izdržati kratkotrajno izlaganje do 350°C (sa zadržavanjem snage >85%) ali gubi značajnu čvrstoću na temperaturama iznad 400°C, što ga čini neprikladnim za primjenu na visokim temperaturama .
Kako se ocjenjuje titanijumom 2 upoređivati sa 316 nerđajući čelik otporan na koroziju?
Stupanj titanijuma 2 Vanperforms 316 od nerđajućeg čelika u većini korozivnih okruženja, posebno morske vode, oksidirajuće kiseline (dušična kiselina), i klorirane otopine.
U morskoj vodi, Razred 2 ima stopu korozije <0.001 mm / godina, dok 316 nerđajući čelik može korodirati (pištanje, Crevece Corrosion) u okruženjima sa slanom vodom .
Je Titanium Grade 2 magnetski?
Ne, Stupanj titanijuma 2 je nemagnetna, što ga čini pogodnim za aplikacije gdje su magnetne smetnje zabrinute, kao što su medicinski uređaji, elektronska oprema, i zrakoplovne komponente .
Can Titanium Grade 2 koristiti u aplikacijama vodonika?
Da, Stupanj titanijuma 2 pogodan je za proizvodnju vodonika, skladištenje, i prevoz,
jer je otporan na krhkost vodonika kada se pravilno obrađuje (stroga kontrola vodonika tokom topljenja) i kompatibilan je s plinovitim vodonikom i tekućim vodonikom na kriogenim temperaturama .
