Drut tytanowy w temperaturze 1668 C: Temperatura topnienia a serwis

Drut w temperaturze 1668 C: temperatura topnienia a temperatura pracy

Karta danych drutu tytanowego zaczyna się od temperatury topnienia 1668 C, a kupujący słusznie odczytują ją jako wskaźnik odporności na ciepło. Tak nie jest. Pomiędzy temperaturą topnienia a temperaturą, w której drut może faktycznie pracować w powietrzu, istnieje luka przekraczająca tysiąc stopni, a tę lukę wypełnia utlenianie. Ta strona rozdziela te dwie liczby, ponieważ część zaprojektowana na 1668 C ulegnie awarii w temperaturze 600 C, podczas gdy część zaprojektowana na rzeczywisty limit pracy nie ulegnie.

Temperatura topnienia to liczba produkcyjna

1668 C to temperatura, w której metal zamienia się w ciecz. Ma to znaczenie dla odlewnika, spawacza, który musi dostarczyć wystarczającą energię do złącza, oraz dla każdego, kto zajmuje się lutowaniem próżniowym lub pracami z wiązką elektronów. Projektantowi mówi to niewiele o warunkach pracy, ponieważ na długo przed tą temperaturą powierzchnia już zareagowała z otaczającą ją atmosferą. Temperatura wrzenia 3287 C jest w tej samej kategorii: właściwość metalu, a nie limit dla drutu.

Rzeczywisty limit w powietrzu to utlenianie

Tytan jest reaktywny. W temperaturze pokojowej tworzący się tlenek ma grubość kilku nanometrów i chroni metal, dlatego tytan jest odporny na wiele chemikaliów. Podgrzej ten tlenek, a będzie rósł, a powyżej około 600 C tlen przestaje pozostawać na powierzchni i zaczyna dyfundować do metalu, tworząc twardą, kruchą warstwę znaną jako przypalenie alfa. Drut zachowuje swój kształt i traci ciągliwość, a awaria pojawia się później jako pęknięcie na zgięciu lub na stopce spoiny.

Do ciągłej pracy w powietrzu drut z czystego tytanu jest zazwyczaj utrzymywany poniżej około 300 C, a wiele specyfikacji jest bardziej konserwatywnych. W próżni lub w gazie obojętnym o wysokiej czystości limit przesuwa się o setki stopni, dlatego mocowanie pieca i element grzejny nie są tym samym projektem, nawet jeśli są wykonane z tej samej klasy. Atmosfera, a nie tylko temperatura, decyduje o odpowiedzi.

Niska przewodność cieplna zmienia sposób ogrzewania drutu

Przewodność cieplna tytanu wynosi od 21,9 do 23,9 W/m·K, czyli około jednej czwartej stali węglowej i mniej niż jednej dziesiątej miedzi. Ciepło wprowadzane do drutu pozostaje tam, gdzie zostało wprowadzone. Przy spawaniu jest to pomocne, ponieważ energia łuku koncentruje się w złączu, zamiast uciekać wzdłuż drutu, i jest to niepomocne, ponieważ ta sama koncentracja powoduje wąską strefę wpływu ciepła i stromy gradient termiczny, który może pozostawić naprężenia szczątkowe w cienkiej sekcji.

W eksploatacji niska przewodność oznacza, że drut tytanowy używany jako wiązanie lub wspornik nie wyrównuje szybko temperatury, więc część poddawana cyklowi termicznemu będzie miała opóźnienie między swoimi końcami. Tam, gdzie drut jest używany ze względu na swoją rezystancję, a nie wytrzymałość, rezystywność 4,9 do 5,1 μΩ·m stawia go o rząd wielkości powyżej miedzi, co nadaje się do elementów grzejnych i czujników, a nie do przewodzenia.

Wytrzymałość w temperaturze, nie tylko w temperaturze pokojowej

Sekcja specyfikacji na tej stronie podaje granicę plastyczności od 800 do 2000 MPa. Wyżarzony czysty tytan jest znacznie poniżej tej wartości, z Gr2 określonym od 345 MPa wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności bliskiej 275 MPa, a wyższe wartości należą do drutu ciągnionego na zimno lub do klasy stopu. Ta sama sekcja podaje ciepło właściwe od 0,124 do 0,132 kJ/kg·K, podczas gdy wartość w temperaturze pokojowej dla tytanu wynosi około 0,52 kJ/kg·K; liczba na stronie wydaje się być w innych jednostkach. Oba są zachowane tak, jak na stronie źródłowej, a zamówienie powinno być składane na podstawie klasy i normy.

Niezależnie od wybranej klasy, wytrzymałość, która ma znaczenie w temperaturze, jest niższa niż wartość certyfikatu. Tytan stopniowo mięknie w miarę nagrzewania, a drut dobrany na podstawie granicy plastyczności w temperaturze pokojowej będzie pełzał lub rozciągał się w gorącej aplikacji na długo przed zerwaniem. Tam, gdzie część jest sprężyną lub obciążonym wiązaniem powyżej około 250 C, projekt powinien uwzględniać wartość wytrzymałości na gorąco i dodatek na pełzanie, a nie tylko certyfikat młyna.

Gdzie drut tytanowy znajduje swoje miejsce w cieple

Aplikacje, które działają, to te, które łączą umiarkowaną temperaturę z korozją lub wagą. Urządzenia do procesów chemicznych wykorzystują drut tytanowy do wiązania i wsporników siatkowych, gdzie środowisko zniszczyłoby stal nierdzewną. Przemysł lotniczy wykorzystuje go w obszarach, które osiągają kilkaset stopni i wymagają niskiej wagi. Piece próżniowe i urządzenia do obróbki cieplnej wykorzystują go w gorącej strefie, gdzie nie ma tlenu do reakcji. Urządzenia medyczne i laboratoryjne wykorzystują go tam, gdzie drut musi być wielokrotnie czyszczony i sterylizowany.

Aplikacje, które rozczarowują, to te, które umieszczają goły drut tytanowy w piecu powietrznym powyżej 600 C i oczekują, że zachowa się jak metal ogniotrwały. Tak się nie stanie. Jeśli taka eksploatacja jest wymagana, materiał nie jest drutem tytanowym, a uczciwą odpowiedzią jest zmiana stopu lub atmosfery, a nie zmiana dostawcy.

Uwagi dotyczące zamawiania

Podaj klasę i numer UNS, średnicę i tolerancję, stan, długość i wagę szpuli, powierzchnię oraz normę z poziomem certyfikatu. Następnie podaj warunki pracy: temperaturę, atmosferę, czy drut jest obciążony i czy podlega cyklom. Drut zamówiony na 300 C w powietrzu i drut zamówiony na 600 C w próżni mogą być tej samej klasy i średnicy, a mimo to wymagać różnych wyżarzeń i różnej ochrony powierzchni, a jedynym sposobem, w jaki młyn się o tym dowie, jest zapytanie.