1. Uvod
Razred titana 2 najrašireniji je komercijalno čisti titanij u općoj inženjerskoj službi.
To je nelegirani titan, identificiran u zajedničkim specifikacijama kao UNS R50400, i pojavljuje se u ASTM i standardima povezanim s implantatima kao što je ASTM B265, ASTM B348, ASTM B338, ASTM B861/B862/B863, i ASTM F67, kao i ISO 5832-2 za materijale za kirurške implantate.
U praksi, to je "uravnoteženi" stupanj titana: nije najmekši, nije najjači, ali često najpraktičnija kombinacija otpornosti na koroziju, jačina, zavarivost, i formabilnost.
2. Što je Titanium Grade 2?
Titanij Razred 2 je komercijalno čisti titan, što znači da njegova svojstva prvenstveno proizlaze iz strogo kontroliranih razina nečistoća, a ne namjernih dodataka legure.
Na radnoj temperaturi, CP titan je jednofazni materijal od alfa titana s hcp kristalnom strukturom; njegovim ponašanjem upravlja kemija, posebno kisika, željezo, i druge međuprostorne, plus veličina zrna.
Značajke
Razred titana 2 je poznat po četiri praktične karakteristike:
- Izvrsna otpornost na koroziju u morskoj vodi, slana, oksidirajuće kiseline, i mnoge sredine koje sadrže kloride.
- Dobra duktilnost i oblikovanje, s lakšom izradom od titanijuma veće čvrstoće.
- Pouzdana zavarljivost kada se koristi odgovarajuća inertna zaštita.
- Snažan omjer snage i težine, niske gustoće i korisne čvrstoće na sobnoj temperaturi.
3. Tipični kemijski sastav kvalitete titana 2
| Element | Maksimalna granica |
| FE | 0.30% |
| C | 0.08% |
| O | 0.25% |
| N | 0.03% |
| H | 0.015% |
| Od | Uravnotežiti |
Ova ograničenja nisu proizvoljna. U komercijalno čistom titanu, kisik i drugi intersticijali povećavaju čvrstoću, ali postupno smanjuju rastezljivost i lakoću oblikovanja.
Zato Grade 2 zauzima sredinu između maksimalne sposobnosti oblikovanja razreda 1 i maksimalne CP čvrstoće razreda 4.
ASTM F67 jasno odražava ovaj stupnjevani dizajn: dopušteni sadržaj kisika i željeza raste od stupnja 1 kroz Grade 4, dok minimalna granica razvlačenja raste u istom smjeru.
4. Metalurgija i mikrostruktura
Na radnoj temperaturi, Razred 2 je u biti 100% alfa titan.
Carpenter primjećuje da se čisti titan pretvara iz alfa (šesterokutni bliski) do beta (kubik usmjeren na tijelo) na 882,5°C, dok pri normalnim radnim temperaturama CP titan ostaje alfa faza.
Jer Grade 2 je jednofazni, njegova su svojstva uglavnom kontrolirana sadržajem nečistoća i veličinom zrna, nego faznim udjelima ili taložnim otvrdnjavanjem.
Ta metalurška jednostavnost je jedan od razloga Grade 2 je tako pouzdan.
Ne postoji namjerno ojačavanje složenom kemijom legura, tako da je izvedba relativno predvidljiva među dobavljačima i oblicima proizvoda kada se koriste iste specifikacije i put obrade.
Kompromis je taj Grade 2 ne može se približiti visokoj čvrstoći alfa-beta legura titana kao što je Grade 5.
5. Fizička i mehanička izvedba kvalitete titana 2
Razred titana 2 kombinira niske gustoće, umjerena krutost, korisna čvrstoća na sobnoj temperaturi, i visoka otpornost na koroziju.
U praktičnom inženjerskom smislu, nije legura titana visoke čvrstoće; radije, to je uravnotežena komercijalno čista vrsta titana čija je izvedba definirana izvrsnim specifičnim svojstvima i pouzdanim ponašanjem pri izradi.
Fizička svojstva
| Vlasništvo | Tipičan / Reprezentativna vrijednost | Inženjerski značaj |
| Gustoća | 4.51 g/cm³ (0.163 lb/in³) | Mala težina u usporedbi s čelicima; velika prednost u opremi osjetljivoj na masu. |
| Talište | 1668° C (3034° F) | viši od čelika (1450° C) i aluminij (660° C), osigurava stabilnost u primjenama na visokim temperaturama do 300°C . |
| Modul elastičnosti | 105–120 GPa | Označava umjerenu krutost; niži od čelika, pa se kod projektiranja mora uzeti u obzir otklon. |
Toplinska vodljivost |
21.79 W/m · k | Relativno nizak; disipacija topline je ograničena, koji utječu na zavarivanje i strojnu obradu. |
| Električni otpor | 0.53 µω · m | Odražava ograničenu električnu vodljivost u odnosu na bakar ili aluminij. |
| Magnetsko ponašanje | Nemagnetski | Prikladno za primjene gdje je važna magnetska neutralnost. |
| Beta transus | ~915°C | Označava temperaturno područje gdje fazna transformacija postaje relevantna u toplinskoj obradi. |
Mehanička svojstva
| Vlasništvo | Minimum / Reprezentativna vrijednost | Inženjerski značaj |
| Krajnja vlačna čvrstoća | 345 MPA | Prikladno za umjereno opterećene strukturalne i antikorozivne komponente. |
| Snaga popuštanja | 275 MPA | Definira razinu naprezanja prije početka trajne deformacije. |
| Produženje | 20% | Pokazuje dobru duktilnost i upotrebljivu sposobnost oblikovanja. |
| Smanjenje površine | 30% | Označava razumnu žilavost i sposobnost deformacije nakon grla. |
| Tvrdoća | 160- 200 HV | Odražava umjerenu otpornost na udubljenja i habanje. |
6. Otpornost na koroziju i biokompatibilnost
Razred titana 2 je najviše cijenjen zbog svog korozijskog ponašanja. Na zraku ili vlazi, tvori jaku, stabilan, zaštitni oksidni film koji se brzo obnavlja kada je oštećen.
Taj pasivni film je temeljni razlog Grade 2 tako dobro funkcionira u mnogim kemijskim i morskim okruženjima.
Obično se koristi u morskoj vodi, slana, anorganske soli, mokri klor, alkalne otopine, oksidirajuće kiseline, organske kiseline, i okruženja koja sadrže sumpor.
Prednosti okoliša
- Morska voda i pomorski servis.
- Slanice i anorganske soli.
- Oksidirajuće kiseline i mnoge organske kiseline.
- Usluga mokrog klora u odgovarajućim uvjetima.
Gdje je potreban oprez
Razred 2 nije univerzalni antikorozivni oklop. Tehničke tablice proizvođača upozoravaju na jake reducirajuće kiseline, bezvodni klor, jake kaustične otopine, fluoridi, i usluga čistog kisika.
Alleima također napominje da se nelegirani titan ne smije koristiti s jakim redukcijskim kiselinama, otopine fluora, čisti kisik, ili bezvodni klor, dok također pokazuje dobru otpornost na koroziju u pukotinama u otopinama soli ispod 80°C.
Biokompatibilnost
Razred titana 2 također je važan u medicini jer je nelegirani titan priznat u standardima implantata.
ISO 5832-2 specificira nelegirani titan za kirurške implantate, i ASTM F67 navodi da su ovi materijali uspješno korišteni u aplikacijama ljudskih implantata u kontaktu s mekim tkivom i kostima, s prihvatljivim biološkim odgovorom koji se očekuje u odgovarajućim primjenama.
Zato Grade 2 pojavljuje se u medicinskoj, zubni, i biotehnološkim kontekstima.
7. Fabrication Behavior: Formiranje, Zavarivanje, I obrada
Razred titana 2 naširoko se smatra jednim od komercijalno čistih razreda titana koji se najprofitabilnije proizvode, ali još uvijek zahtijeva procesnu disciplinu.
Njegova otpornost na koroziju i duktilnost čine ga praktičnim za oblikovanje i spajanje, dok je njegova niska toplinska vodljivost, sklonost žuči, i osjetljivost na kontaminaciju zahtijevaju pažljivu radnu praksu.
Formiranje
Razred 2 može se oblikovati konvencionalnim metodama hladne obrade, uključujući savijanje, kotrljanje, žigosanje, i crtanje.
U usporedbi s jačim vrstama titana, nudi bolju ravnotežu rastezljivosti i kontrole opruge, što ga čini pogodnim za list, ploča, i izrada cijevi.
To rečeno, titan nije toliko popustljiv kao meki čelik. Njegov relativno nizak modul elastičnosti znači da opružni povrat može biti značajan, pa se dopuštenja za savijanje moraju pažljivo izračunati.
Alati trebaju biti glatki i čisti kako bi se izbjeglo oštećenje površine, i operacije oblikovanja treba planirati kako bi se smanjila lokalna koncentracija naprezanja.
Za manje radijuse ili složenije oblike, toplo oblikovanje može biti poželjno jer smanjuje silu oblikovanja i smanjuje rizik od pucanja.
Zavarivanje
Razred 2 ima izvrsnu zavarljivost, što je jedan od glavnih razloga zašto se koristi u kemijskoj obradi, brodska oprema, i biomedicinski hardver.
Uobičajene metode zavarivanja uključuju:
- Zavarivanje plinskog volframskog luka (GTAW / TIG)
- Zavarivanje plazma lukom
- Zavarivanje elektronskim snopom
- Lasersko zavarivanje
- Otporno zavarivanje u odabranim primjenama
Kritični zahtjev kod zavarivanja titana je zaštita. Vrući titan brzo reagira s kisikom, dušik, i vodik, a svako izlaganje može učiniti zavar krhkim ili promijeniti boju zone pod utjecajem topline.
Iz tog razloga, kvaliteta zavara ovisi o temeljitoj zaštiti od inertnog plina ne samo na luku, ali i na stražnjoj strani i stražnjim dijelovima zavara.
Pravilno zavareni stupanj 2 spoj može zadržati izvrsnu otpornost na koroziju i mehanički integritet.
Loša zaštita, za razliku od, može uzrokovati stvaranje alfa-casea, smanjena duktilnost, i preranog kvara usluge.
U praksi, čistoća zavara nije izborna; dio je specifikacije materijala u funkcionalnom smislu.
Obrada
Obrada Razred 2 je izvedivo, ali je zahtjevniji od obrade uobičajenih čelika ili aluminijskih legura. Glavne poteškoće su:
- Niska toplinska vodljivost, koji koncentrira toplinu na oštrici
- Trošenje alata, osobito ako su uvjeti rezanja preagresivni
- Nagrizanje i nagomilavanje rubova
- Otvrdnjavanje ili oštećenje površine ako su posmaci i brzine loše odabrani
Dobra praksa obrade za Grade 2 općenito uključuje niske brzine rezanja, relativno velike brzine punjenja, Oštri karbidni alati, kruto učvršćenje, i obilne tekućine za rezanje.
Cilj je brzo ukloniti toplinu i spriječiti trljanje alata, a ne rezanje. Prekinuto rezanje i tupi alat treba izbjegavati kad god je to moguće.
Završna obrada površine osobito je važna kada će komponenta biti izložena korozivnoj ili biomedicinskoj uporabi.
Oštećena površina može postati početno mjesto za lokalizirani napad, tako da strojna obrada treba očuvati pasivni film materijala i izbjeći ugrađenu kontaminaciju od alata ili strugotina.
8. Prednosti & Ograničenja kvalitete titana 2
Razred titana 2 se često opisuje kao komercijalno čisti titanij "opće namjene".. Taj je opis točan, ali nepotpuno.
Njegova vrijednost ne leži u ekstremnim performansama, ali u pažljivo uravnoteženoj kombinaciji svojstava koja ga čine pouzdanim u mnogim inženjerskim okruženjima.
Prednosti
Izvrsna otpornost na koroziju
Razred 2 djeluje izuzetno dobro u mnogim korozivnim okruženjima, posebno morske vode, kloridi, slana, i niz oksidirajućih medija.
Njegov prirodni oksidni film pruža snažnu pasivnu zaštitu, što je jedan od glavnih razloga zašto se tako široko koristi u kemijskoj obradi i pomorskim sustavima.
Dobar omjer snage i težine
Iako nije legura visoke čvrstoće, Razred 2 nudi respektabilnu mehaničku čvrstoću pri vrlo niskoj gustoći.
To ga čini privlačnim u primjenama gdje je smanjenje težine bitno bez žrtvovanja previše strukturalnog integriteta.
Dobra oblikovanje
U usporedbi s jačim vrstama titana, Razred 2 lakše je saviti, oblik, i hladni rad. To dizajnerima i proizvođačima daje veću fleksibilnost tijekom proizvodnje.
Izvrsna zavarivost
Razred 2 može se pouzdano zavariti ako se slijede odgovarajući postupci zaštite.
Ovo je velika praktična prednost tlačne opreme, cijevi, izmjenjivači topline, i sklopove izrađene 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.
Nemagnetičan i kemijski stabilan
Njegovo nemagnetsko ponašanje i stabilna oksidna površina čine ga korisnim u specijaliziranoj opremi gdje se magnetske smetnje ili kontaminacija moraju svesti na minimum.
Ograničenja
Niža čvrstoća od legiranog titana
Razred 2 mnogo je slabiji od legura titana kao što je Grade 5. Kada je potrebna vrlo velika nosivost ili otpornost na visoke temperature, možda nije pravi izbor.
Nije idealno za sva kemijska okruženja
Otporan je na mnoge korozivne medije, ali ne svemu. Jake reducirajuće kiseline, otopine koje sadrže fluorid, bezvodni klor, a neki kaustični uvjeti mogu uzrokovati ozbiljne probleme.
Zahtjevnija strojna obrada
Razred 2 nije lako obraditi na isti način kao obični čelik ili aluminij. Zahtijeva ispravan alat, Brzina rezanja, hlađenje, i krutost stroja.
Cijena veća od običnih metala
Iako se radi o komercijalno čistoj vrsti, još uvijek je skuplji od ugljičnog čelika, nehrđajući čelik, i mnoge aluminijske legure. Njegova uporaba stoga mora biti opravdana potrebama izvedbe.
Niža krutost od čelika
Kao i sve vrste titana, Razred 2 ima manji modul elastičnosti od čelika. Strukturalne konstrukcije mogu zahtijevati deblje dijelove ili geometrijsko pojačanje za kontrolu otklona.
9. Tipične primjene kvalitete titana 2
Razred 2 koristi se svugdje gdje su otpornost na koroziju i mogućnost izrade važniji od maksimalne čvrstoće.
Uobičajene primjene uključuju kemijsko i pomorsko inženjerstvo, pločasti izmjenjivači topline, reakcijski, isparivači, kondenzatori, uređaji za galvanizaciju, oprema za desalinizaciju, grijači morske vode,
morske komponente, zrakoplovni hardver, medicinska i farmaceutska oprema, i neke komponente za proizvodnju električne energije i usluge nafte i plina.
Tipična područja primjene
- Kemijska oprema za obradu.
- Morski i sustavi za desalinizaciju.
- Izmjenjivači topline, kondenzatori, i isparivači.
- Medicinski, farmaceutski, i biotehnološka oprema.
10. Usporedba s drugim vrstama titana: Razred 1, 4, i legirani stupanj 5
| Aspekt | Razred 1 | Razred 2 | Razred 4 | Razred 5 |
| Metalurški tip | Komercijalno čisti titanij (Cp ti), najniža razina nečistoće u obitelji CP. | Komercijalno čisti titanij (Cp ti), uravnoteženi CP stupanj. | Komercijalno čisti titanij (Cp ti), najjači od uobičajenih CP stupnjeva. | Alfa-beta legura titana, Ti-6AL-4V; nije komercijalno čisti titan. |
| Relativna snaga | Najniža čvrstoća među glavnim CP klasama. | Umjerena snaga; minimalna granica razvlačenja 275 MPA (40 ksi). | Najveća CP snaga; minimalna granica razvlačenja 480 MPA (70 ksi). | Mnogo veća čvrstoća od CP razreda; žareni Ti-6Al-4V pokazuje tlačnu granicu tečenja 825–895 MPa i može se toplinski obraditi. |
Duktilnost / Oblikovanje |
Najbolja duktilnost i najlakše hladno oblikovanje u obitelji CP. | Izvrsna sposobnost oblikovanja s dobrom ravnotežom čvrstoće/duktilnosti. | Dobra duktilnost i umjerena sposobnost oblikovanja, ali manje oprašta od razreda 1–2. | Hladna obradivost je ograničena; toplo oblikovanje se obično koristi jer je opružno povratno djelovanje na sobnoj temperaturi značajno. |
| Otpor korozije | Vrlo visoka otpornost na koroziju, posebno u oksidirajućim i morskim sredinama. | Vrhunska otpornost na koroziju; odličan u morskoj vodi, slana, kloridi, oksidirajuće kiseline, i mnogi procesni mediji. | Izvrsna otpornost na koroziju i zamor od korozije; jak u oksidaciji, neutralan, i blago reducirajući kloridi. | Izvrsna opća otpornost na koroziju, posebno u morskoj vodi i mnogim morskim/pučinskim okruženjima; kemijski svestraniji od CP razreda u nekim smanjenim okruženjima, ali ipak ovisna o okolišu. |
Zavarivost / izrada |
Vrlo dobra zavarljivost i najlakša ukupna izrada među CP klasama. | Izvrsna zavarljivost i široka uporaba gdje je potrebno i oblikovanje i zavarivanje. | Dobra zavarivost, ali viša razina kisika povećava osjetljivost na vodikovu krtost i disciplinu izrade. | Može se zavarivati, ali disciplina zaštite je kritična; strojna obrada je relativno teška i nagrizanje je problem. |
| Tipična uloga u selekciji | Odabrano kada su maksimalna duktilnost i otpornost na koroziju važniji od čvrstoće. | Izbor CP titana opće namjene: točka ravnoteže između snage, Oblikovanje, i otpornost na koroziju. | Koristi se kada je potrebna najveća CP čvrstoća i kada dizajn može tolerirati smanjenu duktilnost u odnosu na stupnjeve 1–2. | Odabrano kada je potrebna vrlo visoka čvrstoća i dizajner prihvaća sustav legiranog titana umjesto CP titana. |
11. Zaključak
Razred titana 2 je klasični komercijalno čisti titan za ozbiljnu inženjersku upotrebu.
Kombinira jednostavnu mikrostrukturu alfa-titana, pažljivo ograničena kemija nečistoća, jaka otpornost na koroziju, respektabilne snage, Dobra zavarivost, i praktična oblikovnost.
Nije najjača vrsta titana, i nije univerzalno otporan na koroziju, ali to je jedan od najinteligentnije uravnoteženih dostupnih materijala kada problem dizajna zahtijeva trajnost u agresivnim okruženjima.
Razlog zašto se i dalje tako široko koristi nije mistika; prikladno je. Razred 2 nudi rijetku kombinaciju atributa koje inženjeri zapravo mogu proizvesti, zavarivati, pregledati, i povjerenje u službu.
Zbog toga se nalazi u središtu obitelji komercijalno čistog titana i nastavlja služiti kemikalijama, morski, medicinski, i procesne industrije s iznimnom dosljednošću.
Česta pitanja
Koja je razlika između Titanium Grade 2 i stupanj 2H?
Razred titana 2 i stupanj 2H identični su po kemijskom sastavu (US R50400) ali se razlikuju u mehaničkim zahtjevima:
Stupanj 2H označava veću minimalnu vlačnu čvrstoću (400 MPA, ili 58 ksi) u usporedbi s Gradeom 2 (345 MPA).
Stupanj 2H prvenstveno se koristi za primjene u posudama pod tlakom gdje je potrebna veća čvrstoća .
Je Titanium Grade 2 pogodan za medicinske implantate?
Da, Razred titana 2 (ASTM F67, ISO 5832-2) naširoko se koristi za medicinske implantate zbog svoje izvrsne biokompatibilnosti, netoksičnost, i oseointegracija.
Obično se koristi za zubne implantate, kosti, i umjetnih zglobova, s radnom životom koji prelazi 20 godina.
Može Titanium Grade 2 biti zavaren?
Da, Razred titana 2 može se zavarivati korištenjem GTAW (TIG), ŠAPA, i EBW procesi.
Zavarivanje se mora izvoditi u inertnom plinu (argon, helij) atmosferi kako bi se spriječila oksidacija rastaljenog titana, što bi umanjilo čvrstoću zavara i otpornost na koroziju.
Zavareni spojevi obično postižu 90%+ čvrstoće osnovnog materijala .
Koja je maksimalna radna temperatura za Titanium Grade 2?
Razred titana 2 može se koristiti neograničeno dugo na temperaturama ispod 300°C.
Može izdržati kratkotrajno izlaganje do 350°C (uz zadržavanje snage >85%) ali gubi značajnu čvrstoću na temperaturama iznad 400°C, što ga čini neprikladnim za primjene na visokim temperaturama .
Kako Titan Grade 2 usporediti s 316 nehrđajućeg čelika u otpornosti na koroziju?
Razred titana 2 nadmašuje 316 nehrđajućeg čelika u većini korozivnih okruženja, osobito morske vode, oksidirajuće kiseline (dušična kiselina), i klorirane otopine.
U morskoj vodi, Razred 2 ima brzinu korozije <0.001 mm/godina, dok 316 nehrđajući čelik može korodirati (zadirkivanje, korozija pukotine) u sredinama sa slanom vodom .
Je Titanium Grade 2 magnetski?
Ne, Razred titana 2 je ne-magnetski, što ga čini prikladnim za aplikacije gdje je magnetska interferencija problem, poput medicinskih uređaja, elektronska oprema, i zrakoplovne komponente .
Može Titanium Grade 2 koristiti u vodikovim aplikacijama?
Da, Razred titana 2 pogodan je za proizvodnju vodika, skladištenje, i prijevoz,
budući da je otporan na vodikovu krtost kada se pravilno obradi (stroga kontrola vodika tijekom taljenja) i kompatibilan je s plinovitim vodikom i tekućim vodikom na niskim temperaturama .
