تیتانیوم گرید 4 (Ti CP-Gr4)
تیتانیوم گرید 4 مستحکم‌تر از گریدهای 2 و 3 است. این گرید تیتانیوم به سادگی قابل جوشکاری است و در محیط‌های بسیار اکسنده و احیایی (کاهنده ) ملایم بسیار مقاوم به خوردگی است. این ماده قابل ریخته‌گری است و اغلب در ریخته‌گری شیرها و اتصالات مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ترکیب شیمیایی تیتانیوم گرید 4 - Ti CP Grade 4
Titanium
Ti
98/94 |
Iron
Fe
0/50 |
Oxygen
O
0/40 |
Carbon
C
0/10 |
Nitrogen
N
0/05 |
Hydrogen
H
0/015 |
|
|
خواص مکانیکی تیتانیوم گرید 4 - Ti CP Grade 4
| سختی (HV) |
مدول الاستیک (GPa) |
درصد تغییر طول در 50 میلیمتر (2 اینچ) |
استحکام تسلیم (MPa) |
استحکام کششی (MPa) |
| 250 |
104 |
23 |
560 |
685 |
خواص فیزیکی Ti CP Grade 4 (تیتانیوم خالص گرید 4)
| چگالی تیتانیوم Ti-Gr4 (g/cm3) |
مقاومت الکتریکی (cm/Ωµ) |
نقطه ذوب (ºC) |
(J/mol.°C) ظرفیت گرمایی ویژه |
| 4/54 |
|
|
|
خواص خوردگی تیتانیوم گرید 4 - Ti CP Grade 4
| تیزاب سلطانی |
هیدروژن سولفید
(H2S) |
اسید فرمیک
(HCOOH) |
اسید استیک
(CH3COOH) |
کلر
(-Cl) |
آب دریا
(3/5%NaCl) |
اسید نیتریک
(HNO3) |
اسید فسفریک
(H3PO4) |
اسید هیدروفلوئوریک
(HF) |
اسید هیدروکلریک
(HCl) |
اسید سولفوریک
(H2SO4) |
| |
|
خیلی خوب |
|
خیلی خوب |
خیلی خوب |
|
|
|
|
|
خواص حرارتی و اکسیداسیون تیتانیوم گرید 4 - Ti CP Grade 4
| حداکثر دمای کاری تیتانیوم ºC ،Gr4 |
ضريب هدايت حرارتی تیتانیوم Gr4، W/m.K |
ضریب انبساط حرارتی، °C / |
پیوسته
-- |
ناپیوسته
540 |
17.3 |
|
استانداردهای تیتانیوم گرید 4 - Ti CP Grade 4
| نام‌های دیگر |
ASTM |
AMS |
UNS |
EN Chemical Designation |
EN Numeric Designation
(DIN) |
AISI |
| |
|
|
R50700 |
|
3.7065 |
|
ویژگی‌های کلیدی تیتانیوم گرید 4 - Ti CP Grade 4
- ارزان‌تر نسبت به ديگر آلياژهای تيتانيوم
- داراي مقاومت به خوردگی بالاتر
- استحكام تقریباً پايين
- غير قابل عمليات حرارتی
- دارای قابليت جوشكاری
- دارای قابلیت شكل‌پذيری بالا
- دارای مقاومت به خزش در دمای بالا
تیتانیوم گرید 4، چهارمین گرید از تیتانیوم‌های خالص تجاری است که بیشترین استحکام را در قیاس با گریدهای قبلی خود دارد. این تیتانیوم دارای بیشترین میزان اکسیژن در بین تیتانیوم‌های غیرآلیاژی است. CP Ti grade 4، بالاترین استحکام را از خود نشان می‌دهد و این مهم‌ترین ویژگی آن است. این گرید همچنین مقاومت به خوردگی عالی و جوش‌پذیری مناسبی نیز دارد. با توجه به وجود درصد بالایی از اکسیژن در ترکیب شیمیایی تیتانیوم گرید 4، انعطاف‌پذیری این ماده نسبت به گریدهای قبلی کمتر است و طبیعتاً قابلیت شکل‌پذیری متوسطی نیز دارد.
وجود ویژگی‌هایی همچون مقاومت به خوردگی عالی، مقاومت به خوردگی خستگی مناسب و استحکام مکانیکی بالا، باعث شده تا CP Ti grade 4، گزینه بسیار مناسبی برای کاربردهای شیمیایی و دریایی باشد و از این بابت با فولادها و آلیاژهای پایه نیکل رقابت کند.
حداقل استحکام تسلیم تیتانیوم گرید 4، برابر با MPa 480 (ksi 70) است و بیشترین میزان اکسیژن و آهن مجاز را در ترکیب شیمیایی خود دارد.
تیتانیوم گرید 4 با توجه به مقاومت به خستگی خوردگی مناسبش، در ساخت تجهیزات فرآوری‌های شیمیایی و صنایع دریایی به طور قابل توجهی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فلز خالص همچنین در ساخت لوله‌های هیدرولیک و ابزار نیز کاربرد دارد.
کاربردهای تیتانیوم گرید 4
تیتانیم خالص گرید 4 می‌تواند در هرگونه شرایطی که استحکام و مقاومت به خوردگی بالا مورد نیاز باشد، استفاده شود. انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری این گرید در حد متوسط است و از طرفی مقاومت به خستگی خوردگی فوقالعادهای نیز در آب دریا دارد.
برخی از کاربردهای مهم تیتانیوم گرید 4 عبارتند از:
- ساخت ایرفریم
- ساخت قطعات موتور هواپیما
- ساخت ماشین‌آلات پردازش شیمیایی
- صنایع دریایی
- مبدل‌های حرارتی
- مخازن واکنش برای فرایندهای شیمیایی
- دستگاه‌های نمک‌زدایی
- ساخت چاه‌های دفع زباله‌های خورنده
- ساخت خمیر و کاغذ
مقاومت به خوردگی تیتانیوم گرید 4
مقاومت به خوردگی تیتانیوم گرید 4 ناشی از وجود یک لایه اکسیدی چسبنده، مستحکم و پایدار است که بلافاصله بعد از قرارگیری در معرض اکسیژن تشکیل می‌شود. چنانچه لایه اکسیدی صدمه ببیند، تا زمانی که منبع اکسیژن مثل هوا یا رطوبت در محیط وجود داشته باشد، به راحتی قابل تشکیل مجدد است.
مقاومت به خستگی خوردگی تیتانیوم گرید 4
هر زمان فلز در معرض اعمال همزمان تنش با تکرار و محیط خورنده قرار بگیرد، رفتار خستگی کاملا مستقل از عواملی مثل هوا می‌شود و استحکام خستگی فلز، تا حد قابل توجهی کاهش می‌یابد. به این پدیده خستگی خوردگی یا CF (Corrosion fatigue) می‌گویند. پدیده خستگی خوردگی می‌تواند در هر زمانی رخ دهد. این پدیده حتی برای فولادهای زنگ‌نزن که دارای لایه‌های غیرفعال سطحی مناسبی هستند، غیرقابل اجتناب است.
توجه داشته باشید که خستگی خوردگی یا CF با خستگی در فلزات خورده شده تفاوت دارد. کاهش استحکام خستگی در فلزات خورده شده، به دلیل تأثیر حفره‌های ناشی از خوردگی حفره‌ای است. اما این کاهش، اصلا در حد کاهش استحکام خستگی در پدیده CF نیست.
پدیده خستگی خوردگی غالباً در آب، آب نمک، محلول‌های اسیدی و... مشاهده شده است و حتی شاید در هوا هم اتفاق بیفتد. خستگی خوردگی می‌تواند باعث شکست ساختاری در سطوح تنش پایین‌تر از استحکام تسلیم و حد خستگی در هوا شود و به همین دلیل توجه به آن از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.
تیتانیوم خالص تجاری گرید 4، مقاومت بسیار خوبی در مقابل خستگی خوردگی در محیط‌های دریایی دارد و این موضوع یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های آن محسوب می‌شود.
CP Ti grade 4 در آب دریا و تا دمای 315 درجه سانتی‌گراد (600 درجه فارنهایت)، کاملاً در برابر خوردگی ایمن است. با این حال احتمال وقوع خوردگی شیاری برای گرید 4 وجود دارد و طراحی قطعات نیز باید با هدف جلوگیری از این خوردگی صورت بگیرد.
مقاومت به خوردگی در محیط های شیمیایی
تیتانیوم خالص تجاری گرید 4، مقاومت فوقالعادهای در بسیاری از محیط‌های شیمیایی شامل محیط‌های اکسیدکننده، بازی، ترکیبات معدنی و اسیدی، محلول‌های نمکی آبی، گازهای داغ خشک و گازهای مرطوب دارد. همچنین این فلز می‌تواند در برابر فلزات مذاب، نیتریک اسید و اسیدهای احیایی ملایم، رفتار حفاظتی مطلوبی از خود نشان دهد. مقاومت تیتانیوم گرید 4 در مقابل گازهای برمی و کلریدی تا زمان وجود حداقل میزان اکسیژن یا آب، مناسب است.
در برخی شرایط و محیط‌ها، احتمال وقوع خوردگی در CP Ti grade 4، زیاد است. این شرایط بدین شرح می‌باشند:
- اسیدهای احیایی قوی
- محلول‌های پراکسید قلیایی
- نمک‌های کلریدی مذاب
همچنین خوردگی شیاری نیز ممکن است در ترکیبات هالیدی داغ یا محلول‌های سولفاتی (با غلظت بیشتر از ppm 1000 در دمای 75 درجه سانتی‌گراد یا بیشتر) رخ دهد. در کاربردهای دریایی، این موضوع بسیار شایع است.
مقاومت به خوردگی تنشی تیتانیوم گرید 4
خوردگی تنشی یا SCC در اثر وجود برخی ترکیبات خاص در محیط‌های خورنده و تحت تنش کافی رخ می‌دهد. این خوردگی در محیط‌های با تنش ثابت، بسیار رایج است. خوردگی تنشی با خستگی خوردگی یک تفاوت مهم دارد و این تفاوت مربوط به زمان وقوع آن‌ها است. خوردگی تنشی صرفاً در زمان تماس فلز با محیط‌های مضر خاص ایجاد می‌شود؛ درحالی که خستگی خوردگی یا CF در هر شرایطی می‌تواند رخ دهد.
موقعیت و شرایط مورد نیاز برای خوردگی تنشی
تیتانیوم گرید 4 تجاری خالص در برابر خوردگی تنشی در محیط‌های آبی مقاومت خوبی دارد. به طور کلی این ماده در برابر خوردگی تنشی، از رفتار حفاظتی مطلوبی برخوردار است. البته در برخی شرایط، احتمال وقوع خوردگی تنشی یا SCC برای CP Ti grade 4 وجود دارد که این شرایط بدین شرح هستند:
- متانول بی‌آب
- محلول‌های متانول / هالید
- نیتروژن تتراکساید
- کادمیم جامد یا مایع
- جیوه مایع
تردی هیدروژنی
منظور از تردی هیدروژنی، افت شدید استحکام و انعطاف‌پذیری در فلز به دلیل ورود هیدروژن به ساختار شبکه‌ای آن است. تردی هیدروژنی باعث شکست ترد می‌شود و ترک‌های ناشی از آن، همواره درون‌دانه‌ای هستند. فلزاتی همچون آهن، تیتانیوم و نیکل در مقایسه با فلزاتی مثل مس، آلومینیوم و فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی، استعداد بیشتری نسبت به وقوع تردی هیدروژنی دارند.
به منظور برطرف‌سازی تردی هیدروژنی، در وهله اول باید منبع هیدروژن حذف گردد و سپس عملیات حرارتی تا حدود دمای 200 درجه سانتی‌گراد صورت بگیرد تا خواص مکانیکی بازیابی شود.
احتمال ایجاد تردی هیدروژنی در تیتانیوم گرید 4 به دلیل تشکیل هیدریدها، بسیار زیاد است. در صورت وجود ترک و یا سایر عوامل افزاینده تنش، هیدروژن می‌تواند به ناحیه ترک مهاجرت کند و غلظت موضعی هیدریدها را افزایش دهد. در چنین شرایطی احتمال ایجاد تخریب بیشتر در اثر تردی هیدروژنی، افزایش می‌یابد. با توجه به این موارد، لازم است تا میزان جذب هیدروژن در حین پردازش به ویژه در شرایط عملیات حرارتی و اسیدشویی، به حداقل برسد.
خواص مکانیکی تیتانیوم گرید 4
تیتانیوم گرید 4، بیشترین میزان استحکام را در بین گریدهای خالص تجاری دارد و با توجه به مقاومت به خوردگی مناسبش، می‌تواند در کاربردهای مهم با فولادهای زنگ‌نزن رقابت کند. استحکام CP Ti grade 4، با فولادهای زنگ‌نزن آنیل شده، تقریباً برابر است. از طرفی وزن این فلز، خیلی کمتر از فولاد بوده و نسبت استحکام به وزن آن، بسیار مناسب است. تیتانیوم گرید 4، در معرض شرایطی همچون تردی مرزدانه‌ای و یا حساس شدن در دماهای بالا، قرار نمی‌گیرد.
چقرمگی تیتانیوم گرید 4
به طور کلی تیتانیوم‌های تجاری، چقرمگی و انعطاف‌پذیری مناسبی دارند. البته در تیتانیوم گرید 4، چقرمگی به دلیل وجود اکسیژن بیشتر، نسبت به گریدهای دیگر ضعیف‌تر است.
بررسی ریزساختار تیتانیوم گرید 4
به منظور آشنایی با ریزساختار تیتانیوم گرید 4، ابتدا لازم است تا اطلاعاتی کلی در مورد خصوصیات ریزساختاری تیتانیوم و آلیاژهای آن ارائه گردد. به طور کلی تیتانیوم دو ساختار کریستالی اصلی دارد که بدین شرح هستند:
- فاز آلفا با شبکه هگزاگونال یا hcp که در دماهای پایین پایدار است.
- فاز بتا با شبکه bcc که در اثر یک تحول آلوتروپیک برای تیتانیوم و در دماهای بالا به وجود می‌آید.
آلیاژهای تیتانیوم براساس ریزساختارشان به سه گروه آلفا- آلفا-بتا و بتا تقسیم می‌شوند. معروف‌ترین و پرکاربردترین آلیاژهای تیتانیوم یعنی گرید 5 و گرید 23 در دسته آلفا-بتا قرار دارند و فرمول کلی آن‌ها به صورت Ti-6Al-4V است. در آلیاژهای تیتانیوم وجود عناصری همچون آلومینیوم می‌توانند موجب پایداری فاز آلفا شوند و عناصری مثل وانادیم نیز می‌توانند بر پایداری بتا اثر بگذارند.
ریزساختار تیتانیوم گرید 4 قاعدتاً در دماهای پایین شامل فاز آلفا است.
متالوگرافی تیتانیوم گرید 4
نمونه جنس تیتانیوم گرید 4 را می‌توان با استفاده از تکنیک‌ها و روش‌های استاندارد، آماده‌سازی کرد. توصیه می‌شود که در متالوگرافی این فلز به ویژه برای نمونه‌های کوچک، از برش ساینده استفاده نشود زیرا تیتانیوم در چنین شرایطی، تمایل به تشکیل پوسته آلفا دارد.
اچانت مناسب برای بررسی ریزساختار تیتانیوم گرید 4، شناساگر کرول (Kroll’s reagent) است. این شناساگر شامل 1 تا 3 درصد هیدروفلوئوریک اسید + 2 تا 6 درصد نیتریک اسید در آب می‌باشد. توجه داشته باشید که پوسته آلفا ایجاد شده در تیتانیوم‌های تجاری مثل گرید 4 را نمی‌توان با آسانی با متالوگرافی شناسایی و مشاهده کرد. بررسی این پوسته با استفاده از آزمایش میکروسختی صورت می‌گیرد.
تصویری از ریزساختار تیتانیوم گرید 4 در شرایط آنیل
مقایسه تیتانیوم گرید 4 با گریدهای دیگر
طبق طراحی‌ها و معیارهای ASTM، تیتانیوم‌های خالص تجاری به چهار گروه یا گرید تقسیم‌بندی می‌شوند. این تقسیم‌بندی براساس عناصر موجود در ترکیب شیمیایی آن‌ها صورت می‌گیرد. با توجه به وجود درصد اندکی از عناصر دیگر در ساختار تیتانیوم‌های تجاری، این مواد در مقایسه با آلیاژهای تیتانیوم خواص مکانیکی ضعیف‌تری دارند، اما مقاومت به خوردگی بسیار بهتری از خود نشان می‌دهند.
در بین گریدهای چهارگانه تیتانیوم خالص تجاری، تیتانیوم گرید 4 بیشترین استحکام را دارد و در عین حال انعطاف‌پذیری آن هم خوب است. این فلز پلاسیتیسیته متوسطی از خود نشان می‌دهد.
مقایسه ترکیب شیمیایی گریدهای چهارگانه تیتانیوم خالص تجاری برحسب درصد
| گرید |
Ti |
C (max) |
O (max) |
H (max) |
N (max) |
Fe (max) |
| 1 |
تعادلی |
08/0 |
18/0 |
015/0 |
03/0 |
2/0 |
| 2 |
تعادلی
|
08/0 |
25/0 |
015/0 |
03/0 |
3/0 |
| 3 |
تعادلی |
08/0 |
35/0 |
015/0 |
05/0 |
3/0 |
| 4 |
تعادلی |
08/0 |
40/0 |
015/0 |
05/0 |
5/0 |
مقایسه خواص مکانیکی تیتانیوم‌های خالص تجاری
| گرید |
استحکام کششی (MPa) |
استحکام تسلیم (MPa) |
درصد تغییر طول (%) |
| 1 |
241 |
172 |
24 |
| 2 |
345 |
276 |
20 |
| 3 |
448 |
379 |
18 |
| 4 |
552 |
483 |
15 |
مشخص است تیتانیوم گرید 1 کمترین و تیتانیوم گرید 4 بیشترین میزان اکسیژن را دارند. به همین دلیل انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری گرید 1، بسیار مناسب است اما استحکام آن از تمامی گریدها کمتر می‌باشد. تفاوت استحکام کششی گریدهای 1 و 4 تیتانیوم تجاری، در حدود MPa 300 است که مقدار قابل توجهی محسوب می‌شود. گریدهای 3 و 4، استحکام کششی و تسلیم بهتری نسبت به گریدهای 1 و 2 دارند. از طرفی انعطاف‌پذیری در گریدهای 1 و 2 نسبت به گریدهای 3 و 4 بهتر است. در خصوص مقاومت به خوردگی نیز می‌توان اذعان داشت که گریدهای 1 و 2، مقاومت به خوردگی بهتری نسبت به گریدهای 3 و 4 دارند.
خلاصه‌ای از مقایسه خواص مختلف CP Ti
بهترین استحکام
کششی |
کمترین استحکام کششی |
بیشترین انعطاف‌پذیری |
کمترین انعطاف‌پذیری |
بیشترین مقاومت به خوردگی |
| گرید 4 |
گرید 1 |
گرید 1 |
گرید 4 |
گرید 1 و 2 |
البته توجه داشته باشید که علی‌رغم وجود حداکثر 4/0 درصد اکسیژن در تیتانیوم گرید 4، انعطاف‌پذیری این ماده ضعیف نیست و شکل‌پذیری و پلاسیتیسیته آن در حد متوسط می‌باشد.
در بین آلیاژهای مختلف تیتانیوم، آلیاژ گرید 12، شباهت زیادی به تیتانیوم‌های خالص تجاری گرید 3 و 4 دارد. خواص مکانیکی این آلیاژ کمی ضعیف‌تر از گرید 4 و کمی بهتر از گرید 3 است. البته در آلیاژ گرید 12، به مقدار 6/0 تا 9/0 درصد نیکل و 2/0 تا 4/0 درصد منگنز وجود دارد که موجب بهبود خواصی همچون مقاومت به خوردگی در آن شده است.
فرآیندهای ساخت و تولید تیتانیوم گرید 4 (Ti CP-Gr4)
عملیات حرارتی تیتانیوم گرید 4
عملیات حرارتی‌های مورد استفاده برای تیتانیوم‌های تجاری، شامل آنیل و رهاسازی تنش هستند. مشخصات این عملیات‌ها بدین شرح می‌باشند:
-
آنیل: حرارت‌دهی در بازه دمایی 1100 الی 1400 درجه فارنهایت (595 تا 760 درجه سانتی‌گراد) به مدت 2 ساعت + سرد کردن در هوا و یا با سرعتی معادل آن
-
رهاسازی تنش: حرارت‌دهی در بازه دمایی 1000 تا 1100 درجه فارنهایت (540 الی 595 درجه سانتی‌گراد) به مدت 15 تا 30 دقیقه + سرد کردن در هوا و یا سرعتی معادل آن
عملیات حرارتی آنیل با هدف نرم کردن کامل ماده و از بین بردن تمامی تنش‌های باقیمانده انجام می‌شود. چنانچه عملیات آنیل برای محصولات کار شده در دماهای رایج صورت بگیرد، ساختار آلفای هممحور به وجود می‌آید که دچار تبلور مجدد شده است. توجه داشته باشید که در این حالت دمای عملیات حرارتی باید کمتر از دمای استحاله بتا باشد. تنظیم دمای آنیل، تأثیر بسیار مهمی بر کنترل اندازه دانه و حصول خواص مکانیکی مناسب دارد.
عملیات حرارتی رهاسازی تنش نیز با هدف حذف بیشتر یا برخی از تنش‌های باقیمانده ناشی از شکل‌دهی انجام می‌شود. این عملیات در بازیابی استحکام تسلیم فشاری بعد از فرایند Stretching نیز موثر است.
در زمان عملیات حرارتی تیتانیوم و آلیاژهای آن، توجه به برخی نکات اهمیت زیادی دارد. یکی از این موارد، احتمال بالای تشکیل پوسته آلفا در سطح تیتانیوم است. زمانی که تیتانیوم تجاری از جمله گرید 4 در هوا حرارت ببیند، جذب اکسیژن باعث تشکیل لایه‌ای ترد، سخت و پایدار اکسیدی با فاز آلفا می‌شود که به نام پوسته آلفا مشهور است. در چنین شرایطی بعد از عملیات حرارتی این پوسته باید از بین برود زیرا به خواص فلز آسیب می‌رساند.
به منظور جلوگیری از تشکیل پوسته آلفا در زمان عملیات حرارتی آنیل، لازم است تا این عملیات در شرایط خلأ و یا وجود گاز خنثی انجام شود. توجه داشته باشید که انجام عملیات حرارتی آنیل در خلأ، در حذف هیدروژن اضافی جذب شده نیز تأثیر دارد و بنابراین می‌تواند موجب کاهش احتمال وقوع تردی هیدروژنی گردد. بعد از اجرای عملیات حرارتی نیز باید قطعه کاملاً تمیز و پاکسازی شود.
کار گرم تیتانیوم گرید 4
تیتانیوم گرید 4 با داشتن 40/0 درصد اکسیژن، شکل‌پذیری متوسطی دارد و شکل‌دهی داغ آن با تکنیک‌هایی همچون نورد داغ، فورج و پرس داغ، امکان‌پذیر است. در شکل‌دهی گرم این ماده، دمای ابتدایی فرایند باید بین 30 تا 50 درجه سانتی‌گراد (50 تا 100 درجه فارنهایت) بیشتر از دمای استحاله بتا باشد. دمای انتهای شکل‌دهی نیز معمولا بین 1500 تا 1650 درجه فارنهایت (815 الی 900 درجه سانتی‌گراد) است که در محدوده فاز آلفا/بتا قرار دارد.
تیتانیوم گرید 4 را می‌توان با تکنیک‌هایی همچون فورج، شکل‌دهی چرخشی، شکل‌دهی هیدرولیکی و پرس داغ به صورت قطعات مختلفی درآورد. تغییر شکل شدید این فلز معمولاً در بازه دمایی 480 تا 540 درجه سانتی‌گراد (900 الی 1000 درجه فارنهایت) انجام می‌شود؛ درحالی‌که بازه دمایی شکل‌دهی متوسط آن بین 200 تا 315 درجه سانتی‌گراد (400 الی 600 درجه فارنهایت) است.
در شکل‌دهی CP Ti grade 4 توجه به جلوگیری از تشکیل پوسته آلفا اهمیت بسیار زیادی دارد. چنانچه پوسته آلفا ایجاد شد، باید حتما نسبت به رفع آن بعد از شکل‌دهی اقدام کرد.
کار سرد تیتانیوم گرید 4
با توجه به انعطاف‌پذیری متوسط تیتانیوم گرید 4، امکان شکل‌دهی آن در دمای اتاق وجود دارد. البته تغییرشکل سرد این ماده باید شدیدتر نسبت به گریدهای دیگر باشد. برای تیتانیوم خالص تجاری گرید 4 می‌توان از روش‌هایی همچون خمش، قالب‌زنی (Stamping)، Heading، Drawing و Stretch تحت شکل‌دهی قرار داد. توجه داشته باشید که به طور کلی کارسختی تیتانیوم تجاری با سرعت نسبتاً زیادی افزایش می‌یابد و در برخی از فرایندها مثل Cold drawing این موضوع یک محدودیت محسوب می‌شود. استحکام تسلیم فشاری تیتانیوم تجاری در دمای اتاق بعد از کشش یا stretch، تا 25 درصد کاهش می‌یابد و این به دلیل اثر باوشینگر است.
با استفاده از عملیات رهاسازی تنش که با هدف از بین بردن تنش‌های باقیمانده صورت می‌گیرد، می‌توان چنین افتی را جبران کرد.
CP Ti مدول یانگ زیادی ندارد و به همین دلیل برگشت فنری یا springback در آن مقدار قابل توجهی است. این موضوع را می‌توان با انجام فرایند سایزینگ داغ برطرف نمود.
ماشینکاری تیتانیوم گرید 4
ماشینکاری تیتانیوم تجاری خالص گرید 4 مشابه فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی است. البته در حالت کلی ماشینکاری تیتانیوم چالش‌های مختلفی دارد که باید حتما به آن‌ها توجه داشت. یکی از مهم‌ترین این چالش‌ها، قابلیت اشتعال براده‌های تیتانیوم است. به منظور رفع چنین چالشی، توجه به مسائل و نکات ایمنی اهمیت بسیار زیادی دارد. سرعت، تغذیه، میزان سیال برش و نوع ابزار و تجهیزات نیز از جمله چالش‌های دیگر ماشینکاری تیتانیوم‌های تجاری محسوب می‌شوند. توصیه شده که در ماشینکاری این فلزات از سرعت برش کم، نرخ تغذیه زیاد، میزان سیال برش بسیار زیاد و ابزار و تجهیزات تیز و صلب استفاده گردد.
در زمان ماشینکاری تیتانیوم، تغذیه‌گذاری نباید تا زمانی که ابزار و قطعه کار در تماس هستند، قطع شود زیرا تیتانیوم تمایل زیادی به گالینگ دارد. گالینگ پدیده‌ای است که در اثر سایش و در تماس بودن دو فلز رخ می‌دهد و می‌تواند بر روی خواص ماده اثر منفی بگذارد.
در انتخاب سیال برش مناسب برای ماشینکاری CP Ti، نباید به سراغ سیال‌های کلریدی رفت زیرا در صورت استفاده از آن‌ها، احتمال بروز مشکلاتی همچون خوردگی تنشی وجود دارد.
جوشکاری تیتانیوم گرید 4
تیتانیوم خالص تجاری گرید 4، جوش‌پذیر است و برای جوشکاری آن حتما باید از فیلرهای جنس تیتانیوم تجاری استفاده کرد تا تطابق حداکثری ترکیب شیمیایی وجود داشته باشد.
روش‌ها و تکنیک‌های مورد استفاده برای جوشکاری تیتانیوم‌های تجاری خالص عبارتند از:
- جوشکاری قوسی گاز تنگستن یا GTAW (متداول‌ترین روش)
- جوشکاری قوسی گاز فلزی یا GMAW (مناسب برای مقاطع نازک)
- جوشکاری قوسی پلاسما
- جوشکاری نقطه‌ای
- جوشکاری پرتو الکترونی
- جوشکاری پرتو لیزر
- جوشکاری مقاومتی
- جوشکاری ذوبی
توجه داشته باشید که به منظور جلوگیری از جذب اکسیژن و ایجاد تردی و شکنندگی در منطقه جوش، استفاده از گاز خنثی محافظ ضروری است.
اصول تمیزکردن تیتانیوم گرید 4
همان‌طور که پیش‌تر نیز ذکر شد، یکی از مشکلات محتمل بعد از عملیات حرارتی در تیتانیوم‌های تجاری از جمله گرید 4، به وجود آمدن پوسته آلفا است. این پوسته به دلیل وجود اکسیژن و جذب آن به ایجاد می‌ش.ئ و با توجه به درصد بالای اکسیژن در تیتانیوم گرید 4، احتمالاً در این فلز مهم‌تر است.
با توجه به موارد ذکر شده، لازم است تا سطوحی مثل پوسته آلفا از فلز بعد از عملیات حرارتی حذف شود. بدین منظور می‌توان از روش‌هایی همچون ماشینکاری و سنگ‌زنی و یا اسیدشویی استفاده کرد. اسیدشویی در مخلوط نیتریک و هیدروفلوئوریک اسید انجام می‌شود. توجه داشته باشید که تیانیوم به تردی هیدروژنی نیز استعداد زیادی دارد و به همین دلیل باید نسبت به جذب هیدروژن اضافی توسط آن در حین عملیات حرارتی یا اسیدشویی توجه کرد.
اگر به هر دلیلی شرایط برای ماشینکاری یا اسیدشویی فراهم نبود، قطعات تیتانیومی باید حتما بعد از عملیات حرارتی، تحت خلأ قرار بگیرند تا پوسته آلفا در آن‌ها از بین برود.
پرسش های متداول درباره تیتانیوم گرید 4
سوال: تیتانیوم گرید 4 چیست؟
جواب : تیتانیوم گرید 4، یکی از انواع تیتانیوم‌های خالص تجاری موجود در بازار است که مقاومت به خوردگی، استحکام و رفتار خستگی بسیار مناسبی را ارائه می‌دهد که در مقایسه آلیاژهای پایه نیکل و فولاد، بسیار مطلوب و مناسب است. گرید 4 دارای بیشترین استحکام مکانیکی در مقایسه با سایر گریدهای تجاری خالص می‌باشد. این فلز همچنین انعطاف‌پذیری خوبی دارد و قابلیت شکل‌پذیری آن هم در حد متوسط است.
تافنس یا چقرمگی تیتانیوم گرید 4 در مقایسه با گریدهای 2، 3 و 4 کمتر می‌باشد اما استحکام بیشتری دارد. چگالی تیتانیوم گرید 4 مانند گریدهای دیگر، در حدود 60 درصد از فولاد کمتر است و طبیعتاً استحکام ویژه یا نسبت استحکام به وزن بسیار مطلوبی هم دارد.
با توجه به خواص بسیار مناسب CP Ti grade 4، از این ماده در کاربردهای مختلفی استفاده می‌شود. این فلز در مقایسه با فولادهای زنگ‌نزن آنیل شده، استحکام تقریباً یکسانی دارد و از طرفی وزن آن بسیار کمتر است. همچنین مقاومت به خوردگی عالی نیز ارائه می‌دهد. تیتانیوم گرید 4 مشکلاتی همچون تردی مرزدانه‌ای یا حساس شدن در دماهای بالا را ندارد و این یک مزیت مهم برای آن به شمار می‌رود.
سوال:ترکیب شیمیایی تیتانیوم گرید 4 چیست؟
جواب:
| سایر عناصر |
هیدروژن |
نیتروژن |
کربن |
اکسیژن |
آهن |
تیتانیوم |
| حداکثر 4/0 درصد |
حداکثر 015/0 درصد |
حداکثر 05/0 درصد |
حداکثر 08/0 درصد |
حداکثر 4/0 درصد |
حداکثر 5/0 درصد |
تعادلی |
سوال:تیتانیوم گرید 4 در چه شکل‌ها و فرم‌هایی در دسترس است؟
جواب:
برخی از فرم‌های قابل دسترسی تیتانیوم گرید 4 عبارتند از:
- کویل
- نوار
- فویل
- سیم
- ورقه
- میلگرد
- و ...
سوال: تیتانیوم گرید 4 چه ویژگی‌هایی دارد؟
جواب :
- بیشترین میزان استحکام در بین تمام گریدهای تیتانیوم خالص تجاری
- انعطاف‌پذیری خوب
- شکل‌پذیری متوسط
- پلاستیسیته متوسط
- مقاومت به خوردگی عالی
- نسبت استحکام به وزن عالی
- چگالی کم
- عدم ایجاد تردی مرزدانه‌ای در دماهای بالا
- جوش‌پذیری خوب
- خاصیت زیست‌سازگاری مناسب
- مقاومت عالی در برابر خستگی خوردگی (CF)
سوال:تیتانیوم گرید 4 چه کاربردهایی دارد؟
جواب:
برخی از مهم‌ترین کاربردها و استفاده‌های CP Ti gr4 بدین شرح هستند:
-
صنایع دریایی
-
صنایع شیمیایی
-
ساخت ایرفریم و قطعات موتور در هواپیما
-
ساخت قطعات مربوط به پردازش‌ها و فرآوری‌های شیمیایی
-
ساخت قطعات دستگاه‌های نمک‌زدایی
-
ساخت چاه‌های زباله‌ها و اتلافات خورنده
-
صنایع کاغذسازی
-
ساخت قطعات خودرو
-
استفاده در سلولهای الکتروشیمی به عنوان کاتد، آند و یا قطعات دیگر
-
تولید مبدل‌های حرارتی
سوال:مقاومت به خوردگی تیتانیوم گرید 4 چگونه است؟
جواب:
تیتانیوم گرید 4، مقاومت به خوردگی بسیار مناسبی دارد و دلیل این موضوع هم وجود لایه چسبنده، محکم و پایدار اکسیدی بر روی سطح آن است. این ماده می‌توان در آب دریا، بسیاری از محیط‌های شیمیایی مثل محیط‌های اکسیداسیون، قلیایی، ترکیبات اسیدی و ارگانیک، گازهای داغ خشک، گازهای مرطوب و محلول‌های نمکی آبی، رفتار حفاظتی بسیار مطلوبی از خود نشان دهد. رفتار خوردگی تیتانیوم تجاری در مدیا یا محیط‌های اسیدهای احیایی قدرتمند، محلول‌های قلیایی پراکسیدی و نمک‌های کلریدی ذوب شده، چندان مناسب نیست.
تیتانیوم گرید 4 در مقابل خستگی خوردگی مقاومت مطلوبی دارد و این یکی از ویژگی‌های مهم آن است. CP Ti grade 4 همچنین در برابر خوردگی تنشی در محلول‌های آبی، مقاومت خوبی دارد اما در شرایط خاصی مثل متانول بی‌آب، محلول متانول/هالید، نیتروژن تتراکساید و جیوه مایع، در این خصوص ضعیف است.
سوال:عملیات حرارتی CP Ti grade 4 به چه صورت است؟
جواب:
عملیات حرارتی‌های مورد استفاده برای تیتانیوم خالص تجاری شماره 4 عبارتند از:
- آنیل: حرارت‌دهی در بازه دمایی 1103 تا 1301 درجه فارنهایت (595 الی 705 درجه سانتی‌گراد) و نگهداری به مدت 2 ساعت و سپس سرد کردن در هوا
- رهاسازی تنش: حرارت‌دهی در بازه دمایی 1004 تا 1103 درجه فارنهایت (540 الی 595 درجه سانتی‌گراد) و نگهداری به مدت 15 تا 30 دقیقه و سپس سرد کردن در هوا
توجه داشته باشید که در زمان حرارت‌دهی تیتانیوم‌های خالص تجاری، احتمال تشکیل یک لایه اکسید ترد و مضر به نام پوسته آلفا بر روی آن وجود دارد. در چنین شرایطی این لایه را باید بعد از عملیات حرارتی و با استفاده از روش‌هایی مکانیکی مثل ماشینکاری و سنگ‌زنی و یا تکنیک‌های شیمیایی مثل اسیدشویی از بین برد. از طرفی توصیه می‌شود که عملیات حرارتی در اتمسفر گاز خنثی و یا خلأ انجام گردد، تا احتمال تشکیل پوسته آلفا کاهش یابد.
سوال:آیا تیتانیوم گرید 4 قابلیت ماشینکاری دارد؟
جواب:
بله، مشخصات ماشینکاری این فلز مشابه فولاهای زنگ‌نزن آستنیتی است و باید برای آن از سرعت کم، تغذیه زیاد، سیال برش فراوان، ابزار تیز و تجهیزات صلب استفاده کرد. رعایت نکات ایمنی در ماشینکاری Ti اهمیت بسیار زیادی دارد زیرا براده‌های آن قابل احتراق هستند.
سوال:شکل‌پذیری Ti grade 4 چگونه است؟
جواب:
تیتانیوم گرید 4 را می‌توان با فرایندهایی همچون نورد داغ، فورج و فشار گرم تحت شکل‌دهی داغ قرار داد. دمای آغاز شکل‌دهی گرم باید بین 30 تا 50 درجه سانتی‌گراد بیشتر از دمای استحاله بتا باشد. دمای انتهایی فرایند نیز معمولاً بین 815 تا 900 درجه سانتی‌گراد است. در شکل‌دهی سرد CP Ti grade 4 می‌توان از فرایندهای مختلفی مثل خمش، stretch، قالب‌زنی، draw و head استفاده کرد.
سوال:آیا تیتانیوم گرید 4 جوش‌پذیر است؟
جواب:
بله، این ماده قابلیت جوشکاری دارد و تکنیک جوشکاری قوسی گاز تنگستن (GTAW)، متداول‌ترین روش اتصال‌دهی آن است. البته برای ضخامت‌های کم، تکنیک GMAW یا جوشکاری قوسی گاز فلز گزینه بهتری محسوب می‌شود. روش‌هایی همچون جوشکاری پرتو الکترونی، پرتو لیز، جوشکاری مقاومتی، جوشکاری نقطه‌ای، جوشکاری قوسی پلاسما و جوشکاری ذوبی در اتصال‌دهی تیانیوم تجاری، نتایج موفقیت‌آمیزی داشته‌اند
سوال:تیتانیوم گرید 4 نسبت به گریدهای دیگر چه تفاوت‌هایی دارد؟
جواب:
تفاوت اصلی تیتانیوم‌های خالص تجاری با یکدیگر، در ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی است. تیتانیوم گرید 4 بیشترین میزان استحکام تسلیم و کششی را دارد و همچنین درصد اکسیژن در آن نسبت به گریدهای دیگر بیشتر است. گرید 1 به واسطه داشتن اکسیژن کمتر، انعطاف‌پذیری بهتری نسبت به سایر گریدها دارد.