Plošné tváření titanu a jeho slitin

Plošné tváření je charakterizováno tím, že žádaného tvaru součásti se dosáhne bez podstatné změny tloušťky nebo průřezu výchozího materiálu, jímž je většinou plech. Mechanické vlastnosti materiálu se s výjimkou místního zpevnění během operace nemění, používané operace jsou především ohýbání, děrování, lisování a tažení. Titan a jeho slitiny jsou kovové materiály s jistou plasticitou a jako takové se tedy dají i tvářet; úspěšný výsledek plošného tváření je však plně odvislý od respektování zvláštností, které jsou těmto materiálům vlastní. Vlastnosti významné pro tváření Na trhu jsou běžně k dispozici jakosti 1 až 4 komerčně čistého titanu, které se liší především různým obsahem železa (0,2 – 0,5 %) a kyslíku (0,18 – 0,40 %). Stoupáním podílu těchto příměsí stoupá i pevnost v tahu jednotlivých jakostí a klesá tvářitelnost. V nabídce jsou dále slitiny jakosti 7 a 11 s nepatrnou příměsí paladia pro zvýšení korozivzdornosti a konečně jakost 5, kam patří nejčastěji užívané slitiny titanu skupiny Ti 6Al 4V, obsahující zhruba 6 % hliníku a 4 % vanadu, určené pro náročné strojírenské konstrukce. Přesto, že objem legovacích prvků je nepatrný, vlastnosti těchto materiálů se výrazně liší. Mez pevnosti v tahu komerčně čistého titanu kolísá od 290 do 740 MPa, mez kluzu od 180 do 650 Mpa; slitiny titanu legované hliníkem a vanadem se vyznačují pevností od 830 do 1250 MPa a mezí kluzu minimálně 830 MPa. Hustota všech se pohybuje okolo 4500 kg/m3 a modul pružnosti v tahu je zhruba poloviční proti oceli a má hodnotu 105 - 114 GPa. Při vyšších teplotách jsou tyto materiály náchylné k absorbci kyslíku, dusíku či vodíku, což působí jejich křehnutí; absorbce vodíku snižuje vrubovou houževnatost. Afinita vůči mnoha kovům a koeficient tření jsou velké a existuje výrazný sklon k zadírání. Protože polotovary pro plošné tváření jsou válcované, je nutno mít na vědomí jejich výraznou texturu a z ní vyplývající anizotropii – nerovnoměrné mechanické vlastnosti v různých směrech. Další specifické vlastnosti, které je nutno zohlednit jak při konstrukci dílce, tak při volbě technologie, jsou velmi blízká hodnota meze kluzu a meze pevnosti a podstatný pokles pevnosti se stoupající teplotou. Tvářitelnost titanu a jeho slitin zastudena, charakterizovaná jednotkovým prodloužením, je zpravidla menší, než u běžných kovů a schopnost tažení je malá. Technologie plošného tváření Pokud je brán ohled na zvláštnosti titanu a jeho slitin, lze dosáhnout výsledky obdobné jako u antikorozní oceli. Při plošném tváření titanu a jeho slitin je žádoucí užívat malých pracovních rychlostí. Je nutné dostatečně dimenzovat poloměry ohybu, jejichž minimální hodnoty se pohybují u komerčně čistého titanu od troj- do šestinásobku tloušťky ohýbaného plechu; u jakosti 5, tedy u slitiny běžně užívané pro náročné strojírenské aplikace, činí minimální rádius ohybu již 9–10násobek. Nejsou–li další omezení konstrukčního rázu, doporučuje se navrhovat součásti s poloměry dvojnásobnými proti tomuto minimu. Před vlastním tvářením je nutno odstranit mořením či jemným pískováním veškeré vrypy či stopy na povrchu materiálu, vzniklé např. při manipulaci. Rovněž ostré hrany nebo ostřiny by měly být odstraněny, aby nedošlo k prasklinám v rozích materiálu. Nízká hodnota modulu pružnosti způsobuje značené zpětné odpružení; čím vyšší je mez pevnosti, tím vyšší odpružení po tváření se musí očekávat. S tím je nutno počítat již při návrhu tvářecího nástroje a přidat 15 – 25° ohybu na eliminaci odpružení. V řadě případů se osvědčila následná kalibrace dílce tvářeného zastudena při teplotě zvýšené natolik, aby se odstranilo pnutí materiálu. Ohybatelnost a schopnost tváření tažením se zvyšuje s teplotou a lze tak zhotovit tvary, které zastudena nejsou realizovatelné. Čím vyšší teplota, tím snazší tváření – vzhledem ke zvýšenému nebezpečí absorbce plynů je však žádoucí udržet materiál na této teplotě jen po nezbytnou dobu. Oxidace povrchu nastupuje při teplotách nad 593 °C, kdy je zapotřebí zařadit jeho odmoření, odpružení je prakticky eliminováno při teplotách nad 650 °C. Následnému místnímu ochlazení ohřátého plechu je nutno se vyhnout, aby nedošlo k popraskání povrchu. Vliv zvýšené teploty na ohybatelnost lze dokumentovat minimálním poloměrem ohybu slitiny Ti 6Al 4V, který při 20 °C činí devítinásobek tloušťky plechu, při 204 °C osminásobek, při 649 °C jen pětinásobek a při 814 °C pouhý dvojnásobek tloušťky plechu. Čistý titan je schopen tažení do větší hloubky než uhlíková ocel; slitiny, jako např. jakost 5, lze táhnout zastudena jen velmi obtížně. Předpokladem úspěchu je výchozí materiál, zbavený ostřin a ostrých rohů, čistý a bez povrchových vad. Nástroj má mít leštěný povrch, být zbaven všech nečistot a opatřen vhodným mazivem, které zabrání zadírání. Tvar nástroje musí respektovat existenci odpružení taženého dílce. Nejlepší výsledky dává použití nízkých rychlostí tažení. Hlubší tahy, menší zatížení a deformace hotového dílce lze dostat, pokud se hluboké tažení neprovádí zastudena, ale v teplotách 200 – 300 °C, zpracovává-li se čistý titan; pro slitiny o nízké tvářitelnosti, např. jakosti 5, se doporučují teploty 480 – 650 °C. Ohýbání trubek lze provádět na běžných ohýbačkách, vhodné jsou malé rychlosti ohýbání. Aby nedošlo k zadírání, je třeba povrch nástroje mazat a pokud se vyžaduje menší rádius ohybu, je nutno pracovat za teplot alespoň 200 – 300 °C. Při plošném tváření je obecně nezbytné pracovat s vhodnými mazivy, která vytvářejí film odolný vůči tlaku, šetří povrch nástroje a zamezují přímému kontaktu titanu či titanové slitiny s jeho povrchem a zabraňují tak zadírání. Vhodná jsou moderní maziva na bázi polyethylenu, polypropylenu, resp. pro práci při vyšších teplotách maziva obsahující mikrodisulfid nebo grafit. Nejlepšího výsledku se dosáhne, jsou-li nanášena na tvrdý nanokompozitní DLC povlak (Diamond Like Coating) s nanogradientní strukturou, který je chemicky inertní, má vysokou tvrdost, velmi nízký koeficient tření a je schopen pracovat při teplotách do 500 resp. až 950 °C. Výsledkem použití takových povlaků je nižší namáhání funkčních ploch a tažných poloměrů tvářecího nástroje a jeho vyšší životnost, eliminuje se vznik mikrosvarů a jimi způsobených rýh na funkčních plochách nástroje, zadírání a nalepování materiálu dílce na funkční plochy nástroje. Zvládnutí požadavků technologie výroby dílců z titanu a jeho slitin otevírá cesty k využití mimořádných vlastností těchto materiálů, bez jejichž využití si již nedovedeme představit moderní konstrukce v letectví, medicíně, potravinářství a chemickém průmyslu. Ing. Petr Borovan