Identifikace materiálu: Titan-Zirkon-Molybden (molybdenová slitina 364)
1. Popis slitiny
Slitina TZM je mikrolegovaná slitina molybdenu s vysokou teplotou tání, která vykazuje mimořádnou stabilitu při extrémních teplotách. Ve srovnání s čistým nelegovaným molybdenem disponuje TZM vyšší teplotou rekrystalizace, výrazně vyšší pevností v tahu a lepší odolností proti tečení (creep) za tepla. Zvýšených mechanických vlastností je dosaženo kombinací zpevnění tuhého roztoku a jemně dispergovaných titano-zirkoniových karbidů (karbidické zpevnění), které blokují pohyb dislokací i při teplotách nad 1000 °C.
2. Chemické složení
| Prvek | Symbol | Hmotnostní podíl (%) | Funkce v legování |
|---|---|---|---|
| Molybden | Mo | Zbytek (cca 99,2 - 99,5 %) | Základní matice materiálu |
| Titan | Ti | 0,40 - 0,55 % | Tvorba karbidů, zvýšení rekrystalizační teploty |
| Zirkon | Zr | 0,06 - 0,12 % | Zjemnění zrna, zvýšení pevnosti za tepla |
| Uhlík | C | 0,01 - 0,04 % | Nezbytný pro vznik stabilních karbidů Ti a Zr |
3. Výrobní normy a standardy
Materiál je vyráběn buď technologií práškové metalurgie (PM), nebo vakuovým obloukovým přetavováním (VAR). Odpovídá mezinárodním materiálovým specifikacím:
- ASTM B386: Standardní specifikace pro molybden a plechy, pásy a fólie z molybdenových slitin (typ 364).
- ASTM B387: Standardní specifikace pro tyče, dráty a ingoty z molybdenu a molybdenových slitin (typ 364).
- DIN 17744: Vlastnosti a složení reaktivních a žáruvzdorných kovů (molybdenové materiály).
4. Vyráběné polotovary
- Tyče a profily: Kované a tažené kruhové tyče (průměr 3 mm až 150+ mm), čtvercové a ploché profily.
- Plechy a desky: Válcované desky za tepla i za studena, tenké fólie (od tloušťky 0,1 mm do desek nad 50 mm).
- Trubky: Bezešvé tažené trubky nebo mechanicky vrtané silnostěnné válce.
- Dráty: Tažené dráty dodávané v cívkách (často pro topné elementy).
5. Fyzikální vlastnosti
| Vlastnost | Hodnota při 20 °C | Hodnota při 1000 °C |
|---|---|---|
| Hustota | 10,22 g/cm3 | cca 10,08 g/cm3 |
| Teplota tavení | 2623 °C | |
| Teplota rekrystalizace | 1400 °C až 1450 °C (pro čisté Mo je to pouze 950-1000 °C) | |
| Tepelná vodivost | 126 W/(m·K) | 95 W/(m·K) |
| Koeficient tepelné roztažnosti | 5,2 × 10-6 K-1 | 5,8 × 10-6 K-1 |
| Měrný elektrický odpor | 0,055 µΩ·m | 0,32 µΩ·m |
| Modul pružnosti (E) | 320 GPa | 250 GPa |
6. Mechanické vlastnosti
Hodnoty závisí na stupni tváření (kování/válcování) a tloušťce polotovaru. U menších průřezů je pevnost vyšší vlivem deformačního zpevnění.
| Teplota zkoušení | Rm (MPa) | Rp0,2 (MPa) | A5 (%) |
|---|---|---|---|
| 20 °C | 750 - 1050 | 650 - 850 | 10 - 20 % |
| 1000 °C | 450 - 550 | 380 - 450 | 15 - 25 % |
| 1200 °C | 300 - 400 | 250 - 320 | 20 - 30 % |
Tvrdost za pokojové teploty: 230 - 280 HV (Vickers).
7. Hlavní oblasti použití
- Letecký a kosmický průmysl: Trysky raketových motorů, nosné konstrukce kormidel, tepelné štíty.
- Výroba skla: Míchadla skloviny, tavicí elektrody vysoce odolné proti korozi tekutým sklem.
- Vakuová technika a pece: Topné elementy, stínicí plechy, nosiče vsázky, sintrovací podložky pracující nad 1100 °C.
- Zpracování kovů: Zápustky pro izotermické kování (zejména titanu), trny pro bezšvé děrování ocelových trubek.
- Medicínská technika: Vysoce zatěžované rotující anody v rentgenových lampách (RTG).
8. Popisy a podmínky obrábění
Všeobecné upozornění: TZM je vysoce abrazivní a náchylný ke štípání hran. Vyžaduje rigidní upnutí stroje, ostré nástroje s pozitivní geometrií a intenzivní chlazení emulzí nebo olejem pro odvod tepla.
Soustružení
- Nástroj: Karbidové nástroje (jakost ISO K20/K30) nebo nástroje s PVD povlakem TiAlN.
- Geometrie: Pozitivní úhel čela (15° až 20°), úhel hřbetu 6° až 8°. Poloměr špičky 0,4-0,8 mm.
- Řezné parametry: Řezná rychlost Vc = 40-90 m/min. Posuv f = 0,1-0,3 mm/ot. Hloubka řezu ap až do 3 mm pro hrubování.
Frézování
- Metoda: Doporučuje se sousledné frézování, které snižuje riziko vyštipování výstupní hrany materiálu.
- Řezné parametry: Vc = 35-70 m/min. Posuv na zub fz = 0,05-0,15 mm.
- Doporučení: Používejte monolitní karbidové frézy. Hranám obrobku předem vytvořte náběhovou fázi.
Vrtání
- Nástroj: Monolitní karbidové vrtáky s vnitřním chlazením. Pro velké otvory jádrové vrtání.
- Řezné parametry: Vc = 20-35 m/min. Posuv f = 0,03-0,10 mm/ot.
- Doporučení: Často vyjíždějte z otvoru (vyplachování třísek), aby nedošlo k uváznutí a zlomení vrtáku.
Řezání
- Metody: Pásová pila (bimetalové pásy s jemným zubem, nízká rychlost, vysoký přítlak). Pro přesné tvary jednoznačně dominuje drátové elektroerozivní řezání (EDM).
- Mechanické řezání: Vc = 15-25 m/min, intenzivní mazání.
Broušení
- Kotouče: Kotouče na bázi karbidu křemíku (SiC) se střední tvrdostí a otevřenou strukturou.
- Chlazení: Nezbytné bohaté proudění chladicí kapaliny, aby se zabránilo lokálnímu přehřátí a vzniku povrchových mikrotrhlin z tepelného pnutí.
9. Svařování a spojování
Svařování slitiny TZM je technologicky náročné z důvodu náchylnosti materiálu k tepelnému zkřehnutí v oblasti svaru (pokles tažnosti v ovlivněné zóně HAZ z důvodu růstu zrn) a citlivosti na kyslík/dusík.
- Metody svařování: Nejlepších výsledků se dosahuje pomocí svařování elektronovým paprskem (EBW) nebo laserového svařování ve vysokém vakuu. Lze použít i metodu TIG (GTAW), avšak pouze za striktního použití ochranného plynu extrémní čistoty (Argon 5.0 nebo Helium) na lícové i rubové straně.
- Předehřev: Svařované díly je nutné předehřát na teplotu 300 °C až 500 °C, což snižuje riziko vzniku trhlin za studena.
- Mechanické spojování: V mnoha strukturálních aplikacích se preferuje nýtování nebo šroubové spoje (pomocí závitových prvků rovněž vyrobených z TZM), čímž se zcela předchází tepelnému ovlivnění.
10. Tepelné zpracování (žíhání)
- Žíhání na odstranění vnitřního pnutí (Stress relieving): Provádí se po intenzivním obrábění nebo tváření při teplotách 900 °C až 1100 °C po dobu 1 až 2 hodin. Tento proces musí probíhat striktně ve vysokém vakuu (lepší než 10-4 mbar) nebo v čisté suché vodíkové atmosféře.
- Rekrystalizační žíhání: Probíhá při teplotách 1400 °C až 1550 °C. Způsobuje úplné zotavení struktury, avšak radikálně snižuje pevnost za pokojové teploty a zvyšuje křehkost. Používá se proto výjimečně, pouze pokud je vyžadována maximální plasticita za vysokých teplot.
11. Doporučené povlakování řezných nástrojů
Vzhledem k extrémní abrazivnosti titano-zirkoniových karbidů v TZM matici je volba správného povlaku klíčová pro dosažení ekonomické životnosti břitu:
- AlTiN / TiAlN (nanostrukturované PVD povlaky): Standardní a nejvíce doporučovaná volba. Vykazuje vysokou tvrdost za tepla a oxidační bariéru, což chrání podkladový tvrdokov před opotřebením na hřbetu.
- Diamantové povlaky (CVD / DLC): Pro čistě dokončovací operace s nízkými tloušťkami třísky lze aplikovat mikrokrystalické diamantové povlaky. Ty mají extrémní tvrdost a extrémně nízký koeficient tření, což minimalizuje tvorbu nárůstku na břitu (BUE).
- Geometrie s povlakem: Povlak nesmí zaoblit řeznou hranu. Nástroje musí zůstat extrémně ostré, proto se volí tenké PVD vrstvy (2-4 µm) před tlustými CVD vrstvami.
Pokud vaše aplikace nevyžaduje maximální žáropevnost a vystačí si s nižší teplotou rekrystalizace, může být vhodnější alternativou i cenově dostupnější čistý molybden.