1. Zavedenie
Titánový stupeň 2 je najpoužívanejší komerčne čistý titán vo všeobecných inžinierskych službách.
Je to nelegovaný titán, v spoločných špecifikáciách označené ako UNS R50400, a objavuje sa v normách ASTM a súvisiacich s implantátmi, ako je ASTM B265, ASTM B348, ASTM B338, ASTM B861/B862/B863, a ASTM F67, ako aj ISO 5832-2 pre chirurgické implantačné materiály.
V praxi, je to „vyvážená“ trieda titánu: nie najjemnejšie, nie najsilnejší, ale často najpraktickejšia kombinácia odolnosti proti korózii, sila, zvárateľnosť, a formovateľnosť.
2. Čo je to titánová trieda 2?
titán Známka 2 je komerčne čistý titán, čo znamená, že jeho vlastnosti pochádzajú skôr z prísne kontrolovaných hladín nečistôt než z úmyselných legujúcich prísad.
Pri prevádzkovej teplote, CP titán je jednofázový alfa titánový materiál s hcp kryštálovou štruktúrou; jeho správanie sa riadi chémiou, najmä kyslík, žehlička, a ďalšie intersticiálne reklamy, plus veľkosť zrna.
Funkcie
Titánový stupeň 2 je známy štyrmi praktickými vlastnosťami:
- Vynikajúca odolnosť proti korózii v morskej vode, soľanky, oxidačné kyseliny, a mnohé prostredia obsahujúce chloridy.
- Dobrá ťažnosť a formovateľnosť, s jednoduchšou výrobou ako v prípade titánu s vyššou pevnosťou.
- Spoľahlivá zvárateľnosť pri použití správneho inertného tienenia.
- Silný pomer pevnosti a hmotnosti, s nízkou hustotou a užitočnou pevnosťou pri izbovej teplote.
3. Typické chemické zloženie titánovej triedy 2
| Prvok | Maximálny limit |
| FE | 0.30% |
| C | 0.08% |
| O | 0.25% |
| N | 0.03% |
| H | 0.015% |
| Z | Vyvážiť |
Tieto limity nie sú ľubovoľné. V komerčne čistom titáne, kyslík a iné intersticiálne látky zvyšujú pevnosť, ale postupne znižujú ťažnosť a ľahké tvarovanie.
Preto Grade 2 zaberá stred medzi maximálnou tvárnosťou 1. stupňa a maximálnou pevnosťou CP 4..
ASTM F67 jasne odráža tento odstupňovaný dizajn: povolený obsah kyslíka a železa stúpa od Grade 1 cez Grade 4, pričom minimálna medza klzu rastie v rovnakom smere.
4. Metalurgia a mikroštruktúra
Pri prevádzkovej teplote, Známka 2 je v podstate 100% alfa titán.
Carpenter poznamenáva, že čistý titán sa transformuje z alfa (šesťuholníkovitý) do beta verzie (kubický zameraný na telo) pri 882,5 °C, zatiaľ čo pri normálnych prevádzkových teplotách zostáva titán CP alfa fázou.
Pretože Grade 2 je jednofázová, jeho vlastnosti sú riadené najmä obsahom nečistôt a zrnitosťou, skôr než fázovými frakciami alebo precipitačným vytvrdzovaním.
Že metalurgická jednoduchosť je jedným z dôvodov Grade 2 je taký spoľahlivý.
Neexistuje žiadne zámerné spevnenie prostredníctvom komplexnej chémie zliatiny, takže výkon je relatívne predvídateľný naprieč dodávateľmi a formami produktov, keď sa použije rovnaká špecifikácia a spôsob spracovania.
Kompromisom je, že Grade 2 nemôže dosiahnuť vysokú pevnosť alfa-beta titánových zliatin, ako je Grade 5.
5. Fyzikálne a mechanické vlastnosti titánovej triedy 2
Titánový stupeň 2 kombinuje nízku hustotu, mierna tuhosť, užitočná pevnosť pri izbovej teplote, a vysoká odolnosť proti korózii.
Z praktického inžinierskeho hľadiska, nie je to zliatina titánu s vysokou pevnosťou; skôr, je to vyvážený komerčne čistý titán, ktorého výkon je definovaný jeho vynikajúcimi špecifickými vlastnosťami a spoľahlivým výrobným správaním.
Fyzikálne vlastnosti
| Majetok | Typický / Reprezentatívna hodnota | Inžiniersky význam |
| Hustota | 4.51 g/cm³ (0.163 lb/in³) | Nízka hmotnosť v porovnaní s oceľou; hlavná výhoda v zariadeniach citlivých na hmotnosť. |
| Roztavenie | 1668° C (3034° F) | vyššia ako oceľ (1450° C) a hliník (660° C), zabezpečenie stability pri vysokoteplotných aplikáciách do 300°C . |
| Modul pružnosti | 105– 120 GPa | Označuje miernu tuhosť; nižšia ako oceľ, takže priehyb musí byť zohľadnený pri návrhu. |
Tepelná vodivosť |
21.79 W/m · k | Relatívne nízky; odvod tepla je obmedzený, ovplyvňujúce zváranie a obrábanie. |
| Elektrický odpor | 0.53 µω · m | Odráža obmedzenú elektrickú vodivosť v porovnaní s meďou alebo hliníkom. |
| Magnetické správanie | Nemagnetické | Vhodné pre aplikácie, kde je dôležitá magnetická neutralita. |
| Beta transus | -915 °C | Označuje teplotnú oblasť, kde sa fázová transformácia stáva relevantnou pri tepelnom spracovaní. |
Mechanické vlastnosti
| Majetok | Minimálne / Reprezentatívna hodnota | Inžiniersky význam |
| Konečná pevnosť v ťahu | 345 MPA | Vhodné pre stredne zaťažené konštrukčné a protikorózne komponenty. |
| Výnosová sila | 275 MPA | Definuje úroveň napätia pred začiatkom trvalej deformácie. |
| Predĺženie | 20% | Vykazuje dobrú ťažnosť a použiteľnú tvarovateľnosť. |
| Zmenšenie plochy | 30% | Označuje primeranú húževnatosť a kapacitu deformácie po hrdle. |
| Tvrdosť | 160- 200 HV | Odráža strednú odolnosť proti pretlačeniu a opotrebovaniu. |
6. Odolnosť proti korózii a biokompatibilita
Titánový stupeň 2 je najviac cenený pre svoje korózne správanie. Vo vzduchu alebo vlhkosti, tvorí silný, stajňa, ochranný oxidový film, ktorý sa pri poškodení rýchlo regeneruje.
Tento pasívny film je hlavným dôvodom Grade 2 funguje tak dobre v mnohých chemických a morských prostrediach.
Bežne sa používa v morskej vode, soľanky, anorganické soli, vlhký chlór, alkalické roztoky, oxidačné kyseliny, organické kyseliny, a prostredia s obsahom síry.
Silné stránky prostredia
- Morská voda a námorné služby.
- Soľanky a anorganické soli.
- Oxidujúce kyseliny a mnohé organické kyseliny.
- Mokrý chlórový servis vo vhodných podmienkach.
Kde je potrebná opatrnosť
Známka 2 nie je univerzálny korózny pancier. Technické listy výrobcov varujú pred silnými redukčnými kyselinami, bezvodý chlór, silné žieraviny, fluoridy, a služba čistého kyslíka.
Alleima tiež poznamenáva, že nelegovaný titán by sa nemal používať so silnými redukčnými kyselinami, roztoky fluoridov, čistý kyslík, alebo bezvodý chlór, pričom tiež vykazuje dobrú odolnosť voči štrbinovej korózii v soľných roztokoch pod 80 °C.
Biokompatibilitu
Titánový stupeň 2 je dôležitý aj v medicíne, pretože nelegovaný titán je uznávaný v štandardoch implantátov.
ISO 5832-2 špecifikuje nelegovaný titán pre chirurgické implantáty, a ASTM F67 uvádza, že tieto materiály boli úspešne použité v aplikáciách ľudských implantátov v kontakte s mäkkým tkanivom a kosťou, s prijateľnou biologickou odpoveďou očakávanou vo vhodných aplikáciách.
Preto Grade 2 sa objavuje v lekárstve, zubné, a biotechnologické súvislosti.
7. Správanie pri výrobe: Formujúci, Zváranie, a obrábanie
Titánový stupeň 2 je široko považovaný za jeden z najlepšie spracovateľných komerčne čistých titánových tried, ale stále si to vyžaduje procesnú disciplínu.
Jeho odolnosť proti korózii a ťažnosť ho robia praktickým na tvarovanie a spájanie, pričom má nízku tepelnú vodivosť, sklon k žlči, a citlivosť na kontamináciu vyžadujú starostlivú prax v dielni.
Formujúci
Známka 2 môžu byť vytvorené konvenčnými metódami spracovania za studena, vrátane ohýbania, valcujúci, pečiatka, a kresba.
V porovnaní so silnejšími druhmi titánu, ponúka lepšiu rovnováhu medzi ťažnosťou a odpružením, vďaka čomu je vhodný na plech, tanier, a výroba rúr.
To bolo povedané, titán nie je taký zhovievavý ako mäkká oceľ. Jeho relatívne nízky modul pružnosti znamená, že pruženie môže byť významné, preto je potrebné starostlivo vypočítať prídavky na ohyb.
Nástroje by mali byť hladké a čisté, aby nedošlo k poškodeniu povrchu, a operácie tvárnenia by sa mali plánovať tak, aby sa minimalizovala lokálna koncentrácia kmeňa.
Pre užšie polomery alebo zložitejšie tvary, môže byť preferované tvarovanie za tepla, pretože znižuje tvarovaciu silu a znižuje riziko praskania.
Zváranie
Známka 2 má výbornú zvárateľnosť, čo je jeden z hlavných dôvodov, prečo sa používa pri chemickom spracovaní, námorné vybavenie, a biomedicínsky hardvér.
Bežné metódy zvárania zahŕňajú:
- Zváranie plynových volfrámov (Gtaw / Tigový)
- Zváranie plazmovým oblúkom
- Zváranie elektrónovým lúčom
- Laserové zváranie
- Odporové zváranie vo vybraných aplikáciách
Kritickou požiadavkou pri zváraní titánu je tienenie. Horúci titán rýchlo reaguje s kyslíkom, dusík, a vodík, a akékoľvek vystavenie môže skrehnúť zvar alebo zmeniť farbu tepelne ovplyvnenej zóny.
Z toho dôvodu, kvalita zvaru závisí od dôkladného tienenia inertným plynom nielen pri oblúku, ale aj na zadnej strane a odtokových častiach zvaru.
Správne zváraná trieda 2 spoj si môže zachovať vynikajúcu odolnosť proti korózii a mechanickú integritu.
Slabé tienenie, naopak, môže spôsobiť tvorbu alfa-prípadu, znížená ťažnosť, a predčasné zlyhanie služby.
V praxi, čistota zvaru nie je voliteľná; z funkčného hľadiska je súčasťou špecifikácie materiálu.
Obrábanie
Obrábanie Známka 2 je uskutočniteľné, ale je to náročnejšie ako obrábanie bežných ocelí alebo hliníkových zliatin. Hlavné ťažkosti sú:
- Nízka tepelná vodivosť, ktorý sústreďuje teplo na reznej hrane
- Opotrebenie nástroja, najmä ak sú rezné podmienky príliš agresívne
- Odieranie a tvorba nahromadených hrán
- Opracovanie alebo poškodenie povrchu, ak sú posuvy a rýchlosti zle zvolené
Dobrá prax obrábania pre Grade 2 všeobecne zahŕňa nízke rezné rýchlosti, relatívne vysoké rýchlosti posuvu, ostré náradie z karbidu, pevné upevnenie, a dostatok reznej kvapaliny.
Cieľom je rýchlo odviesť teplo a zabrániť treniu nástroja namiesto rezania. Vždy, keď je to možné, sa treba vyhnúť prerušovanému rezaniu a tupému obrábaniu.
Povrchová úprava je obzvlášť dôležitá, keď komponent bude vystavený korozívnej prevádzke alebo biomedicínskemu použitiu.
Poškodený povrch sa môže stať iniciačným miestom pre lokalizovaný útok, takže obrábanie by malo zachovať pasívny film materiálu a vyhnúť sa zabudovanej kontaminácii z nástrojov alebo triesok.
8. Výhody & Obmedzenia kvality titánu 2
Titánový stupeň 2 sa často opisuje ako „univerzálny“ komerčne čistý titán. Ten popis je presný, ale neúplné.
Jeho hodnota nespočíva v extrémnom výkone, ale v starostlivo vyváženej kombinácii vlastností, vďaka ktorým je spoľahlivý v mnohých inžinierskych prostrediach.
Výhody
Vynikajúca odolnosť proti korózii
Známka 2 funguje mimoriadne dobre v mnohých korozívnych prostrediach, najmä morská voda, chloridy, soľanky, a rad oxidačných médií.
Jeho prirodzene sa tvoriaci oxidový film poskytuje silnú pasívnu ochranu, čo je jeden z hlavných dôvodov, prečo sa tak široko používa v chemickom spracovaní a námorných systémoch.
Dobrý pomer pevnosti a hmotnosti
Aj keď nejde o vysokopevnostnú zliatinu, Známka 2 ponúka úctyhodnú mechanickú pevnosť pri veľmi nízkej hustote.
Vďaka tomu je atraktívny v aplikáciách, kde záleží na znížení hmotnosti bez obetovania prílišnej štrukturálnej integrity.
Dobrú formnosť
V porovnaní so silnejšími druhmi titánu, Známka 2 je ľahšie ohýbať, tvar, a práca za studena. To dáva dizajnérom a výrobcom väčšiu flexibilitu počas výroby.
Vynikajúca zvárateľnosť
Známka 2 možno spoľahlivo zvárať, ak sú dodržané správne postupy tienenia.
Toto je hlavná praktická výhoda tlakových zariadení, potrubie, výmenník tepla, a zostavy vyrobené na mieru.
Biokompatibilitu
Známka 2 je veľmi vhodný na lekárske a zubárske použitie, pretože je vo všeobecnosti dobre znášaný ľudským telom a nachádza sa v uznávaných normách pre implantáty.
Nemagnetické a chemicky stabilné
Jeho nemagnetické správanie a stabilný oxidový povrch ho robia užitočným v špecializovaných zariadeniach, kde je potrebné minimalizovať magnetické rušenie alebo kontamináciu.
Obmedzenia
Nižšia pevnosť ako legovaný titán
Známka 2 je oveľa slabšia ako zliatiny titánu, ako je Grade 5. Keď sa vyžaduje veľmi vysoká nosnosť alebo pevnosť pri vysokých teplotách, nemusí to byť správna voľba.
Nie je ideálny pre všetky chemické prostredia
Je odolný voči mnohým korozívnym médiám, ale nie na vsetko. Silné redukčné kyseliny, roztoky obsahujúce fluoridy, bezvodý chlór, a niektoré žieraviny môžu spôsobiť vážne problémy.
Náročnejšie obrábanie
Známka 2 nie je ľahké obrábať rovnakým spôsobom ako obyčajnú oceľ alebo hliník. Vyžaduje si to správne náradie, rýchlosť, chladenie, a tuhosť stroja.
Náklady vyššie ako bežné kovy
Aj keď ide o komerčne čistú triedu, je stále drahšia ako uhlíková oceľ, nehrdzavejúca oceľ, a mnoho hliníkových zliatin. Jeho použitie preto musí byť odôvodnené potrebami výkonu.
Nižšia tuhosť ako oceľ
Rovnako ako všetky druhy titánu, Známka 2 má nižší modul pružnosti ako oceľ. Konštrukčné návrhy môžu potrebovať hrubšie časti alebo geometrickú výstuž na kontrolu priehybu.
9. Typické aplikácie titánovej triedy 2
Známka 2 sa používa všade tam, kde na odolnosti voči korózii a spracovateľnosti záleží viac ako na maximálnej pevnosti.
Bežné aplikácie zahŕňajú chemické a námorné inžinierstvo, doskové výmenníky tepla, reakčné plavidlá, odparovatelia, kondenzátory, galvanizačné prípravky, odsoľovacie zariadenie, ohrievače morskej vody,
morské komponenty, letecký hardvér, lekárske a farmaceutické vybavenie, a niektoré komponenty na výrobu energie a ropu a plyn.
Typické oblasti použitia
- Chemické spracovanie.
- Morský a odsoľovacie systémy.
- Výmenník tepla, kondenzátory, a výparníky.
- Lekárska, farmaceutický, a biotechnologické zariadenia.
10. Porovnanie s inými druhmi titánu: Známka 1, 4, a legovaný stupeň 5
| Aspekt | Známka 1 | Známka 2 | Známka 4 | Známka 5 |
| Hutnícky typ | Komerčne čistý titán (Cp ti), najnižšia hladina nečistôt v rodine CP. | Komerčne čistý titán (Cp ti), vyrovnaný stupeň CP. | Komerčne čistý titán (Cp ti), najsilnejší z bežných stupňov CP. | Alfa-beta zliatina titánu, TI-6AL-4V; nie je komerčne čistý titán. |
| Relatívna sila | Najnižšia pevnosť medzi hlavnými triedami CP. | Mierna sila; minimálna medza klzu 275 MPA (40 ksi). | Najvyššia sila CP; minimálna medza klzu 480 MPA (70 ksi). | Oveľa vyššia pevnosť ako triedy CP; žíhaný Ti-6Al-4V vykazuje medzu klzu v tlaku 825–895 MPa a je tepelne spracovateľný. |
Ťažkosť / Formovateľnosť |
Najlepšia ťažnosť a najjednoduchšie tvárnenie za studena v rodine CP. | Vynikajúca tvárnosť s dobrým pomerom pevnosti a ťažnosti. | Dobrá ťažnosť a mierna tvárnosť, ale menej zhovievavý ako 1. – 2. ročník. | Spracovateľnosť za studena je obmedzená; tvárnenie za tepla sa bežne používa, pretože pruženie pri izbovej teplote je významné. |
| Odpor | Veľmi vysoká odolnosť proti korózii, najmä v oxidačnom a morskom prostredí. | Vynikajúca odolnosť proti korózii; vynikajúce v morskej vode, soľanky, chloridy, oxidačné kyseliny, a mnoho procesných médií. | Vynikajúca odolnosť proti korózii a únave proti korózii; silný pri oxidácii, neutrálny, a mierne redukujúce chloridy. | Vynikajúci všeobecný odpor korózie, najmä v morskej vode a mnohých morských/príbrežných prostrediach; chemicky všestrannejšie ako triedy CP v niektorých redukovaných prostrediach, ale stále závisí od prostredia. |
Zvárateľnosť / výroba |
Veľmi dobrá zvárateľnosť a najjednoduchšia celková výroba spomedzi tried CP. | Vynikajúca zvárateľnosť a široko používané tam, kde je potrebné tvarovanie a zváranie. | Dobrú zvárateľnosť, ale vyššia hladina kyslíka zvyšuje citlivosť na vodíkové krehnutie a výrobnú disciplínu. | Zvárateľné, ale tienenie disciplíny je rozhodujúce; obrábanie je pomerne ťažké a odieranie je problémom. |
| Typická úloha pri výbere | Vybrané, keď na maximálnej ťažnosti a odolnosti proti korózii záleží viac ako na pevnosti. | Voľba titánu CP na všeobecné použitie: bod rovnováhy medzi silou, Formovateľnosť, a odolnosť proti korózii. | Používa sa, keď sa vyžaduje najvyššia pevnosť CP a dizajn môže tolerovať zníženú ťažnosť v porovnaní so stupňami 1–2. | Vybrané, keď sa vyžaduje veľmi vysoká pevnosť a dizajnér akceptuje legovaný titánový systém namiesto CP titánu. |
11. Záver
Titánový stupeň 2 je klasický komerčne čistý titán pre seriózne inžinierske použitie.
Spája v sebe jednoduchú alfa-titánovú mikroštruktúru, starostlivo obmedzená chémia nečistôt, silná odolnosť proti korózii, úctyhodná sila, dobrú zvárateľnosť, a praktickú tvarovateľnosť.
Nie je to najsilnejšia trieda titánu, a nie je univerzálne odolný voči korózii, ale je to jeden z najinteligentnejšie vyvážených materiálov, ktoré sú k dispozícii, keď si konštrukčný problém vyžaduje odolnosť v agresívnom prostredí.
Dôvod, prečo zostáva tak široko používaný, nie je mystický; je to vhodné. Známka 2 ponúka vzácnu kombináciu atribútov, ktoré môžu inžinieri skutočne vyrobiť, zvárať, kontrolovať, a dôveru v službu.
To je dôvod, prečo je stredobodom rodiny komerčne čistého titánu a naďalej slúži chemikáliám, námorný, lekársky, a spracovateľský priemysel s výnimočnou konzistenciou.
Časté otázky
Aký je rozdiel medzi titánovou triedou 2 a stupeň 2H?
Titánový stupeň 2 a Grade 2H sú rovnaké v chemickom zložení (50 400 USD) ale líšia sa mechanickými požiadavkami:
Stupeň 2H špecifikuje vyššiu minimálnu medzu pevnosti v ťahu (400 MPA, alebo 58 ksi) v porovnaní s Grade 2 (345 MPA).
Stupeň 2H sa primárne používa pre aplikácie tlakových nádob, kde sa vyžaduje vyššia pevnosť .
Je triedy titánu 2 vhodné pre lekárske implantáty?
Áno, Titánový stupeň 2 (ASTM F67, ISO 5832-2) je široko používaný pre lekárske implantáty vďaka svojej vynikajúcej biokompatibilite, netoxicita, a osseointegrácia.
Bežne sa používa na zubné implantáty, kosť, a umelé kĺby, s presahujúcou životnosťou 20 rokov.
Môže titánová trieda 2 byť zvárané?
Áno, Titánový stupeň 2 je zvárateľný pomocou GTAW (Tigový), Lana, a EBW procesov.
Zváranie sa musí vykonávať v inertnom plyne (argón, hélium) atmosférou, aby sa zabránilo oxidácii roztaveného titánu, ktoré by zhoršovali pevnosť zvaru a odolnosť proti korózii.
Zvarové spoje zvyčajne dosahujú 90%+ pevnosti základného materiálu .
Aká je maximálna prevádzková teplota pre titánovú triedu 2?
Titánový stupeň 2 možno použiť neobmedzene pri teplotách pod 300°C.
Znesie krátkodobé vystavenie 350°C (so zachovaním sily >85%) ale pri teplotách nad 400°C výrazne stráca pevnosť, takže nie je vhodný pre vysokoteplotné aplikácie .
Ako trieda titánu 2 porovnávať 316 nehrdzavejúca oceľ s odolnosťou proti korózii?
Titánový stupeň 2 prekonať 316 nehrdzavejúca oceľ vo väčšine korozívnych prostredí, najmä morská voda, oxidačné kyseliny (kyselina dusík), a chlórované roztoky.
Na morskej vode, Známka 2 má rýchlosť korózie <0.001 mm/rok, zatiaľ čo 316 nehrdzavejúca oceľ môže korodovať (jamka, korózia trhliny) v prostredí so slanou vodou .
Je triedy titánu 2 magnetický?
Nie, Titánový stupeň 2 je nemagnetický, vďaka čomu je vhodný pre aplikácie, kde je problémom magnetické rušenie, napríklad zdravotnícke pomôcky, elektronické zariadenia, a letecké komponenty .
Môže titánová trieda 2 použiť vo vodíkových aplikáciách?
Áno, Titánový stupeň 2 je vhodný na výrobu vodíka, skladovanie, a preprava,
pretože pri správnom spracovaní odoláva vodíkovému skrehnutiu (prísna kontrola vodíka počas tavenia) a je kompatibilný s plynným vodíkom a kvapalným vodíkom pri kryogénnych teplotách .
