1. Zavedení
Titanium třídy 2 je nejrozšířenější komerčně čistý titan ve všeobecném strojírenství.
Jedná se o nelegovaný titan, ve společných specifikacích označena jako UNS R50400, a objevuje se v ASTM a standardech souvisejících s implantáty, jako je ASTM B265, ASTM B348, ASTM B338, ASTM B861/B862/B863, a ASTM F67, stejně jako ISO 5832-2 pro chirurgické implantáty.
V praxi, je to „vyvážená“ třída titanu: ne nejměkčí, ne nejsilnější, ale často nejpraktičtější kombinace odolnosti proti korozi, pevnost, svařovatelnost, a formovatelnost.
2. Co je titanová třída 2?
Titan Stupeň 2 je komerčně čistý titan, což znamená, že jeho vlastnosti pocházejí primárně z přísně kontrolovaných úrovní nečistot spíše než ze záměrných legovacích přísad.
Při provozní teplotě, CP titan je jednofázový alfa titanový materiál s hcp krystalovou strukturou; jeho chování je řízeno chemií, zejména kyslík, železo, a další vsunuté reklamy, plus velikost zrna.
Funkce
Titanium třídy 2 je známý čtyřmi praktickými vlastnostmi:
- Vynikající odolnost proti korozi v mořské vodě, solanky, oxidační kyseliny, a mnoho prostředí obsahujících chloridy.
- Dobrá tažnost a formovatelnost, se snazší výrobou než u titanu s vyšší pevností.
- Spolehlivá svařitelnost při použití správného inertního stínění.
- Silný poměr pevnosti a hmotnosti, s nízkou hustotou a užitečnou pevností při pokojové teplotě.
3. Typické chemické složení titanové třídy 2
| Živel | Maximální limit |
| Fe | 0.30% |
| C | 0.08% |
| Ó | 0.25% |
| N | 0.03% |
| H | 0.015% |
| Z | Váhy |
Tyto limity nejsou libovolné. V komerčně čistém titanu, kyslík a další intersticiální látky zvyšují pevnost, ale postupně snižují tažnost a snadné tvarování.
Proto Grade 2 zaujímá střední úroveň mezi maximální tvárností stupně 1 a maximální pevností CP stupně 4.
ASTM F67 jasně odráží tento odstupňovaný design: přípustný obsah kyslíku a železa stoupá od Grade 1 přes Grade 4, zatímco minimální mez kluzu roste ve stejném směru.
4. Metalurgie a mikrostruktura
Při provozní teplotě, Stupeň 2 je v podstatě 100% alfa titan.
Carpenter poznamenává, že čistý titan se transformuje z alfa (HEXAGONÁLNÍ ZAVŘENO) do beta (kubický zaměřený na tělo) při 882,5 °C, zatímco při normálních provozních teplotách CP titan zůstává alfa fází.
Protože Grade 2 je jednofázový, jeho vlastnosti jsou řízeny především obsahem nečistot a zrnitostí, spíše než fázovými frakcemi nebo precipitačním tvrzením.
Že metalurgická jednoduchost je jedním z důvodů Grade 2 je tak spolehlivý.
Nedochází k žádnému záměrnému zpevňování prostřednictvím složité chemie slitiny, takže výkon je relativně předvídatelný napříč dodavateli a formami produktů, když jsou použity stejné specifikace a způsob zpracování.
Kompromisem je ten stupeň 2 nemůže dosáhnout vysoké pevnosti alfa-beta titanových slitin, jako je Grade 5.
5. Fyzikální a mechanické vlastnosti titanu 2
Titanium třídy 2 kombinuje nízkou hustotu, střední tuhost, užitečná pevnost při pokojové teplotě, a vysokou odolností proti korozi.
Z praktického inženýrského hlediska, nejedná se o slitinu titanu s vysokou pevností; spíše, je to vyvážený komerčně čistý titan, jehož výkon je definován jeho vynikajícími specifickými vlastnostmi a spolehlivým chováním při výrobě.
Fyzikální vlastnosti
| Vlastnictví | Typický / Reprezentativní hodnota | Inženýrský význam |
| Hustota | 4.51 g/cm³ (0.163 lb/in³) | Nízká hmotnost ve srovnání s ocelí; hlavní výhodou v zařízeních citlivých na hmotnost. |
| Bod tání | 1668° C. (3034° F.) | vyšší než ocel (1450° C.) a hliník (660° C.), zajišťující stabilitu ve vysokoteplotních aplikacích až do 300°C . |
| Modul pružnosti | 105– 120 GPa | Označuje střední tuhost; nižší než ocel, takže průhyb musí být uvažován při návrhu. |
Tepelná vodivost |
21.79 W/m · k | Relativně nízké; odvod tepla je omezený, ovlivňující svařování a obrábění. |
| Elektrický odpor | 0.53 µΩ · m | Odráží omezenou elektrickou vodivost ve srovnání s mědí nebo hliníkem. |
| Magnetické chování | Nemagnetické | Vhodné pro aplikace, kde je důležitá magnetická neutralita. |
| Beta transus | ~915 °C | Označuje teplotní oblast, kde se fázová transformace stává relevantní při tepelném zpracování. |
Mechanické vlastnosti
| Vlastnictví | Minimální / Reprezentativní hodnota | Inženýrský význam |
| Konečná pevnost v tahu | 345 MPA | Vhodné pro středně zatěžované konstrukční a korozní součásti. |
| Výnosová síla | 275 MPA | Definuje úroveň napětí před začátkem trvalé deformace. |
| Prodloužení | 20% | Vykazuje dobrou tažnost a použitelnou schopnost tváření. |
| Zmenšení plochy | 30% | Označuje přiměřenou tuhost a kapacitu deformace po hrdle. |
| Tvrdost | 160- 200 HV | Odráží střední odolnost proti promáčknutí a opotřebení. |
6. Odolnost proti korozi a biokompatibilita
Titanium třídy 2 je ceněn nejvíce pro své korozní chování. Ve vzduchu nebo vlhkosti, tvoří silný, stabilní, ochranný oxidový film, který se při poškození rychle regeneruje.
Tento pasivní film je hlavním důvodem Grade 2 funguje tak dobře v mnoha chemických a námořních prostředích.
Běžně se používá v mořské vodě, solanky, anorganické soli, vlhký chlór, alkalické roztoky, oxidační kyseliny, organické kyseliny, a prostředí s obsahem síry.
Silné stránky prostředí
- Mořská voda a námořní servis.
- Solanky a anorganické soli.
- Oxidující kyseliny a mnoho organických kyselin.
- Provoz mokrého chlóru ve vhodných podmínkách.
Kde je nutná opatrnost
Stupeň 2 není univerzální protikorozní pancíř. Technické listy výrobců varují před silnými redukčními kyselinami, bezvodý chlor, silné žíravé roztoky, fluoridy, a servis čistého kyslíku.
Alleima také poznamenává, že nelegovaný titan by se neměl používat se silnými redukčními kyselinami, fluoridové roztoky, čistý kyslík, nebo bezvodý chlor, a zároveň vykazuje dobrou odolnost vůči štěrbinové korozi v solných roztocích pod 80 °C.
Biokompatibilita
Titanium třídy 2 je také důležitý v medicíně, protože nelegovaný titan je uznáván ve standardech implantátů.
ISO 5832-2 specifikuje nelegovaný titan pro chirurgické implantáty, a ASTM F67 uvádí, že tyto materiály byly úspěšně použity v aplikacích lidských implantátů v kontaktu s měkkou tkání a kostí, s přijatelnou biologickou odezvou očekávanou ve vhodných aplikacích.
Proto Grade 2 se objevuje v lékařství, zubní, a biotechnologické souvislosti.
7. Chování při výrobě: Formování, Svařování, a obrábění
Titanium třídy 2 je široce považován za jednu z nejlépe zpracovatelných komerčně čistých jakostí titanu, ale stále to vyžaduje procesní disciplínu.
Díky své odolnosti proti korozi a tažnosti je praktický pro tváření a spojování, a přitom má nízkou tepelnou vodivost, sklon k žluči, a citlivost na kontaminaci vyžadují pečlivou praxi v dílně.
Formování
Stupeň 2 mohou být vytvořeny konvenčními metodami tváření za studena, včetně ohýbání, válcování, lisování, a kreslení.
Ve srovnání se silnějšími druhy titanu, nabízí lepší rovnováhu mezi tažností a kontrolou odpružení, díky čemuž je vhodný pro list, talíř, a výroba trubek.
To znamená, titan není tak shovívavý jako měkká ocel. Jeho relativně nízký modul pružnosti znamená, že zpětné odpružení může být významné, takže přídavky na ohyby musí být vypočteny pečlivě.
Nástroje by měly být hladké a čisté, aby nedošlo k poškození povrchu, a tvářecí operace by měly být naplánovány tak, aby se minimalizovala místní koncentrace napětí.
Pro těsnější poloměry nebo složitější tvary, Tváření za tepla může být preferováno, protože snižuje tvářecí sílu a snižuje riziko praskání.
Svařování
Stupeň 2 má výbornou svařitelnost, což je jeden z hlavních důvodů, proč se používá při chemickém zpracování, námořní vybavení, a biomedicínský hardware.
Mezi běžné metody svařování patří:
- Svařování wolframového oblouku plynu (GTAW / TIG)
- Svařování plazmovým obloukem
- Svařování elektronovým paprskem
- Laserové svařování
- Odporové svařování ve vybraných aplikacích
Kritickým požadavkem při svařování titanu je stínění. Horký titan rychle reaguje s kyslíkem, dusík, a vodík, a jakákoliv expozice může zkřehnout svar nebo odbarvit tepelně ovlivněnou oblast.
Z toho důvodu, kvalita svaru závisí na důkladném stínění inertním plynem nejen u oblouku, ale také na zadní a zadní části svaru.
Správně svařená třída 2 spoj si může zachovat vynikající odolnost proti korozi a mechanickou integritu.
Špatné stínění, naopak, může způsobit tvorbu alfa-případu, snížená tažnost, a předčasný výpadek služby.
V praxi, čistota svaru není volitelná; z funkčního hlediska je součástí specifikace materiálu.
Obrábění
Obrábění Stupeň 2 je proveditelné, je ale náročnější než obrábění běžných ocelí nebo hliníkových slitin. Hlavní obtíže jsou:
- Nízká tepelná vodivost, který koncentruje teplo na řezné hraně
- Opotřebení nástroje, zvláště pokud jsou řezné podmínky příliš agresivní
- Oděr a tvorba nahromaděných hran
- Opracování nebo poškození povrchu, pokud jsou posuvy a otáčky špatně zvoleny
Dobrá obráběcí praxe pro Grade 2 obecně zahrnuje nízké řezné rychlosti, relativně vysoké rychlosti posuvu, Ostré karbidové nástroje, tuhé upevnění, a dostatek řezné kapaliny.
Cílem je rychle odstranit teplo a zabránit tomu, aby se nástroj spíše třel než řezal. Kdykoli je to možné, vyvarujte se přerušovaného řezání a tupého obrábění.
Povrchová úprava je zvláště důležitá, když součást bude vystavena korozivnímu provozu nebo biomedicínskému použití.
Poškozený povrch se může stát iniciačním místem pro lokalizovaný útok, takže obrábění by mělo zachovat pasivní film materiálu a vyhnout se vložené kontaminaci z nástrojů nebo třísek.
8. Výhody & Omezení kvality titanu 2
Titanium třídy 2 je často popisován jako „univerzální“ komerčně čistý titan. Ten popis je přesný, ale neúplné.
Jeho hodnota nespočívá v extrémním výkonu, ale v pečlivě vyvážené kombinaci vlastností, díky kterým je spolehlivý v mnoha inženýrských prostředích.
Výhody
Vynikající odolnost proti korozi
Stupeň 2 funguje výjimečně dobře v mnoha korozivních prostředích, zejména mořskou vodou, chloridy, solanky, a řadu oxidačních médií.
Jeho přirozeně se tvořící oxidový film poskytuje silnou pasivní ochranu, což je jeden z hlavních důvodů, proč je tak široce používán v chemických zpracovatelských a námořních systémech.
Dobrý poměr pevnosti a hmotnosti
I když se nejedná o vysokopevnostní slitinu, Stupeň 2 nabízí úctyhodnou mechanickou pevnost při velmi nízké hustotě.
Díky tomu je atraktivní v aplikacích, kde záleží na snížení hmotnosti bez obětování přílišné strukturální integrity.
Dobrá formobilita
Ve srovnání se silnějšími druhy titanu, Stupeň 2 se snadněji ohýbá, tvar, a práce za studena. To dává návrhářům a výrobcům větší flexibilitu při výrobě.
Vynikající svářetelnost
Stupeň 2 lze spolehlivě svařovat při dodržení správných postupů stínění.
To je hlavní praktická výhoda tlakových zařízení, potrubí, výměníky tepla, a zakázkově vyrobené sestavy.
Biokompatibilita
Stupeň 2 se dobře hodí pro lékařské a dentální použití, protože je obecně dobře snášen lidským tělem a objevuje se v uznávaných normách pro implantáty.
Nemagnetické a chemicky stabilní
Jeho nemagnetické chování a stabilní oxidový povrch jej činí užitečným ve specializovaných zařízeních, kde je nutné minimalizovat magnetické rušení nebo kontaminaci.
Omezení
Nižší pevnost než legovaný titan
Stupeň 2 je mnohem slabší než slitiny titanu, jako je Grade 5. Když je požadována velmi vysoká nosnost nebo pevnost při vysokých teplotách, nemusí to být správná volba.
Není ideální pro všechna chemická prostředí
Je odolný vůči mnoha korozivním médiím, ale ne ke všemu. Silně redukční kyseliny, roztoky obsahující fluorid, bezvodý chlor, a některé žíravé podmínky mohou způsobit vážné problémy.
Náročnější obrábění
Stupeň 2 není snadné obrábět stejným způsobem jako běžnou ocel nebo hliník. Vyžaduje to správné nářadí, řezná rychlost, chlazení, a tuhostí stroje.
Náklady vyšší než běžné kovy
I když se jedná o komerčně čistý stupeň, je stále dražší než uhlíková ocel, nerez, a mnoho hliníkových slitin. Jeho použití proto musí být odůvodněno potřebami výkonu.
Nižší tuhost než ocel
Jako všechny druhy titanu, Stupeň 2 má nižší modul pružnosti než ocel. Konstrukční návrhy mohou vyžadovat silnější sekce nebo geometrické vyztužení pro kontrolu průhybu.
9. Typické aplikace titanové třídy 2
Stupeň 2 se používá všude tam, kde na odolnosti a vyrobitelnosti záleží více než na maximální pevnosti.
Mezi běžné aplikace patří chemické a námořní inženýrství, deskové výměníky tepla, reakční nádoby, odpařovatelé, kondenzátory, galvanizační přípravky, Odsolovací zařízení, ohřívače mořské vody,
mořské komponenty, letecký hardware, lékařské a farmaceutické vybavení, a některé komponenty pro výrobu energie a ropu a plyn.
Typické oblasti použití
- Chemické zpracovatelské zařízení.
- Marine a odsolovací systémy.
- Výměníky tepla, kondenzátory, a výparníky.
- Lékařský, Farmaceutický, a biotechnologická zařízení.
10. Srovnání s jinými druhy titanu: Stupeň 1, 4, a Alloyed Grade 5
| Aspekt | Stupeň 1 | Stupeň 2 | Stupeň 4 | Stupeň 5 |
| Hutní typ | Komerčně čistý titan (CP Ti), nejnižší úroveň nečistot v rodině CP. | Komerčně čistý titan (CP Ti), vyrovnaný stupeň CP. | Komerčně čistý titan (CP Ti), nejsilnější z běžných stupňů CP. | Alfa-beta slitina titanu, TI-6AL-4V; není komerčně čistý titan. |
| Relativní síla | Nejnižší pevnost mezi hlavními třídami CP. | Mírná síla; minimální mez kluzu 275 MPA (40 KSI). | Nejvyšší síla CP; minimální mez kluzu 480 MPA (70 KSI). | Mnohem vyšší pevnost než třídy CP; žíhaný Ti-6Al-4V vykazuje mez kluzu v tlaku 825–895 MPa a je tepelně zpracovatelný. |
Tažnost / Formovatelnost |
Nejlepší tažnost a nejjednodušší tváření za studena v rodině CP. | Vynikající tvarovatelnost s dobrým poměrem pevnosti a tažnosti. | Dobrá tažnost a střední tvárnost, ale méně shovívaví než 1.–2. ročník. | Zpracovatelnost za studena je omezená; tváření za tepla se běžně používá, protože zpětné odpružení při pokojové teplotě je významné. |
| Odolnost proti korozi | Velmi vysoká odolnost proti korozi, zejména v oxidačním a mořském prostředí. | Vynikající odolnost proti korozi; vynikající v mořské vodě, solanky, chloridy, oxidační kyseliny, a mnoho procesních médií. | Vynikající odolnost proti korozi a únavě; silný v oxidaci, neutrální, a mírně redukující chloridy. | Vynikající obecná odolnost proti korozi, zejména v mořské vodě a mnoha mořských/příbřežních prostředích; chemicky všestrannější než třídy CP v některých redukovaných prostředích, ale stále závislý na prostředí. |
Svařovatelnost / výroba |
Velmi dobrá svařitelnost a celkově nejjednodušší výroba mezi jakostmi CP. | Vynikající svařitelnost a široké použití tam, kde je potřeba tváření a svařování. | Dobrá svářetelnost, ale vyšší hladina kyslíku zvyšuje citlivost na vodíkové křehnutí a výrobní disciplínu. | Svařitelné, ale disciplína stínění je kritická; obrábění je poměrně obtížné a zadírání je problémem. |
| Typická role při výběru | Vybírá se, když na maximální tažnosti a odolnosti proti korozi záleží více než na pevnosti. | Volba titanu CP pro všeobecné použití: bod rovnováhy mezi silou, Formovatelnost, a odolnost proti korozi. | Používá se, když je vyžadována nejvyšší pevnost CP a konstrukce může tolerovat sníženou tažnost ve srovnání se stupni 1–2. | Vybírá se, když je požadována velmi vysoká pevnost a konstruktér akceptuje legovaný titanový systém namísto CP titanu. |
11. Závěr
Titanium třídy 2 je klasický komerčně čistý titan pro seriózní technické použití.
Kombinuje jednoduchou mikrostrukturu alfa-titanu, pečlivě omezená chemie nečistot, silná odolnost proti korozi, úctyhodná síla, Dobrá svářetelnost, a praktickou tvarovatelností.
Nejedná se o nejsilnější titan, a není univerzálně odolný proti korozi, ale je to jeden z nejinteligentněji vyvážených materiálů, které jsou k dispozici, když konstrukční problém vyžaduje odolnost v agresivním prostředí.
Důvod, proč zůstává tak široce používán, není mystický; je to vhodné. Stupeň 2 nabízí vzácnou kombinaci atributů, které mohou inženýři skutečně vyrobit, svar, kontrolovat, a důvěru ve službu.
To je důvod, proč je středem rodiny komerčně čistého titanu a nadále slouží chemikáliím, námořní, lékařský, a zpracovatelský průmysl s výjimečnou důsledností.
Časté časté
Jaký je rozdíl mezi titanovou třídou 2 a stupeň 2H?
Titanium třídy 2 a Grade 2H jsou identické v chemickém složení (50 400 USD) ale liší se mechanickými požadavky:
Stupeň 2H specifikuje vyšší minimální mez pevnosti v tahu (400 MPA, nebo 58 KSI) oproti Grade 2 (345 MPA).
Stupeň 2H se primárně používá pro aplikace tlakových nádob, kde je vyžadována vyšší pevnost .
Je titanové třídy 2 vhodné pro lékařské implantáty?
Ano, Titanium třídy 2 (ASTM F67, ISO 5832-2) je široce používán pro lékařské implantáty díky své vynikající biokompatibilitě, netoxicita, a osseointegrace.
Běžně se používá pro zubní implantáty, kostní destičky, a umělé klouby, s přesahující životnost 20 let.
Může titanová třída 2 být svařen?
Ano, Titanium třídy 2 je svařitelný pomocí GTAW (TIG), TLAPKA, a EBW procesy.
Svařování musí být prováděno v inertním plynu (Argon, hélium) atmosféry, aby se zabránilo oxidaci roztaveného titanu, které by zhoršovaly pevnost svaru a odolnost proti korozi.
Svařované spoje obvykle dosahují 90%+ o síle základního materiálu .
Jaká je maximální provozní teplota pro Titanium Grade 2?
Titanium třídy 2 lze používat neomezeně dlouho při teplotách pod 300°C.
Snese krátkodobé vystavení teplotě 350°C (se zachováním síly >85%) ale při teplotách nad 400 °C výrazně ztrácí pevnost, takže je nevhodný pro vysokoteplotní aplikace .
Jak Titanium Grade 2 Porovnejte s 316 nerezová ocel s odolností proti korozi?
Titanium třídy 2 překonat 316 nerezová ocel ve většině korozivních prostředích, zejména mořskou vodou, oxidační kyseliny (kyselina dusičná), a chlorované roztoky.
V mořské vodě, Stupeň 2 má rychlost koroze <0.001 MM/rok, zatímco 316 nerezová ocel může korodovat (Pitting, koroze štěrbiny) v prostředí se slanou vodou .
Je titanové třídy 2 magnetický?
Žádný, Titanium třídy 2 je nemagnetický, díky tomu je vhodný pro aplikace, kde je problémem magnetické rušení, například zdravotnické prostředky, elektronické zařízení, a komponenty letectví .
Může titanová třída 2 použít ve vodíkových aplikacích?
Ano, Titanium třídy 2 je vhodný pro výrobu vodíku, skladování, a přeprava,
protože při správném zpracování odolává vodíkovému křehnutí (přísná kontrola vodíku během tavení) a je kompatibilní s plynným vodíkem a kapalným vodíkem při kryogenních teplotách .
