Témata
Reklama

Tváření titanových trubek vnitřním přetlakem za tepla

Titan jako konstrukční materiál sice nabízí skvělé vlastnosti, je však drahý a jeho zpracování tvářením je technologicky a časově náročné, a nákladné. Novou ekonomickou technologii tváření titanových trubek pro automobilové výfukové systémy představil společný výzkumu dvou Fraunhoferových ústavů na říjnovém veletrhu EuroBLECH 2012 v Hannoveru.

Asi 40 % světové produkce kovového titanu a jeho slitin se spotřebovává v leteckém, kosmickém a obranném průmyslu. Na dalších místech jsou chemický průmysl, odsolování vody a lékařská technika včetně implantátů. Nověji i speciály jízdních kol a automobilová technika, zvláště výfukové systémy u dražších vozů.

Reklama
Reklama

Problémem je tváření titanu za tepla

Právě moderní technologie pro zpracování plechu z oceli a hliníku, jako hluboké tažení a tváření vnitřním přetlakem plechů a trubek, které jsou omezeně použitelné pro zpracování titanu a slitin, se negativní vlastnosti titanu projevují nejvíce. Mimo jiné má tendenci k nalepování se na nástroj, která se zvyšuje za vyšších teplot. Tváření titanových slitin za tepla se odehrává při teplotách až 950 °C. Při výrobě výfukových systémů jsou velkou překážkou.

Nová technologie ze spolupráce Fraunhoferových ústavů

Ve výzkumu tří Fraunhoferových ústavů IWU (Institut für Werkzeugmaschinen- und Umformtechnik, Chemnitz) pro technologii tváření, ústavu IST (Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, Braunschweig) pro povrchové inženýrství a ústavu IWM (Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg im Breisgau) pro mechaniku materiálu byla vyvinuta technologie tváření titanových trubek vnitřním přetlakem za vyšších teplot. Nová technologie dovoluje tváření v jednom stupni namísto dřívější tří- a vícestupňové, která vyžadovala rozdílné tváření různých míst dílu.

Tváření vnitřním přetlakem za tepla

Jednostupňový proces je založen na použití jednoho nástroje, jenž snese teploty zpracování titanových slitin vnitřním přetlakem plynu při teplotách mezi 250 a 950 °C. Protože jejich tváření při normální teplotě vedlo ke značnému zpevnění trubky za studena, bylo doposud nutno vkládat do procesu rekrystalizační tepelné zpracování proti vzniku trhlin. Tento komplexní vícestupňový proces není ekonomicky schůdný pro velkosériovou výrobu. Vzniku trhlin se změnami mikrostruktury lze zabránit tvářením při teplotách nad 540 °C. Sleduje se i rozměrová stabilita všech titanových komponent výfukového systému.

Odkryté schéma zařízení pro výrobu dílů výfukových systémů tvářením titanových trubek vnitřním přetlakem plynu za tepla. Grafika: Fraunhofer

Navržený proces je ve výhodách a omezeních dosti shodný se superplastickým tvářením (zpravidla mezi 800 až 925 °C), užívaným přes více než 30 let, které umožnilo nahradit i hluboké tváření.

Základem je konstrukce nástroje

Nový proces klade značné požadavky na konstrukci nástroje pro tváření titanu při vysokých teplotách a na jeho tribologické vlastnosti. Nástroj velikosti 1,4 x 1,2 m pro tento proces byl vyroben z vysoce výkonné žárupevné slitiny (jejíž typ informace neuvádí), zvláště odolné vůči oxidaci, která je, podobně jako slitiny na bázi niklu, stabilní při práci nad 800 °C až do 950 °C. Protože titan jako velmi reaktivní kov prudce reaguje při teplotách nad 500 °C s kyslíkem a dusíkem z okolní atmosféry, vyžaduje proces tváření vnitřním přetlakem práci v inertní atmosféře ochranného plynu argonu k ochraně povrchu před oxidací a rozpuštěním oxidů.

Titanový výfukový systém Front Pipe pro Nissan GT-R R35 od japonského výrobce Zele Performance se prodával před třemi lety za 248.000 ¥ (tehdejších 49.600 Kč). Foto: Zele Performance

V ústavu IST byl vyvinut speciální antiadhezivní povlak nástroje o tloušťce několika mikrometrů zabraňující nalepování titanu na nástroj, které může vést ke vzniku trhlin a porušení povrchu dílu. Povlak současně působí při ochraně povrchu dílu proti oxidaci a snižuje tření a opotřebení u dvojice nástroj/titan. Informace charakter povlaku neuvádí; IST však již dříve vyvinul antiadhezivní plazmově asistované PACVD povlaky nástrojů pro tváření za tepla do 1 100 °C s obsahem boru.

I když v automobilovém průmyslu se užití titanu na výfukové systémy omezuje na závodní a luxusní vozy, má budoucí hromadná výroba všech zakřivených titanových dílů tvářením vnitřním přetlakem obrovský potenciál. Proti zatím užívaným dílům z korozivzdorných ocelí, jako jsou výfukové systémy, nosiče katalyzátorů, tlumiče hluku aj., pro titan hovoří o 40 % nižší hmotnost v době hledání lehkých konstrukcí a větší dostupnost i v budoucnosti, na rozdíl od stále dražšího niklu, chromu a kobaltu.

Ing. Alexandr Abušinov

abusinov@seznam.cz

Reklama
Vydání #12
Kód článku: 121226
Datum: 12. 12. 2012
Rubrika: Výroba / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Ocel splňující potřeby výrobního procesu

Rodina produktů Ruukki Laser zahrnuje konstrukční oceli s mezí kluzu v rozmezí 200 - 420 MPa. Oceli Laser mají skvělé inženýrské vlastnosti a jsou ideální pro široké spektrum aplikací.

Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

Vždy se snažíme konkurenci předběhnout

Špičkový výzkum a transfer high-tech technologií do medicínské, průmyslové a environmentální praxe s důrazem na mezinárodní spolupráci je hlavním cílem Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM), vědecko-výzkumného pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.

Související články
Lipsko letos jenom digitálně

Tradiční dvojice veletrhů pro oblast strojírenství a subdodavatelského průmyslu Intec a Z v Lipsku se letos uskuteční v termínu 2.–3. března 2021 výhradně digitálně pod názvem „Intec/Z connect“. Společnost Leipziger Messe, pořadatel veletrhu, se takto rozhodla, neboť současný vývoj koronavirové pandemie a s tím spojená omezení neumožňují takto velkou akci smysluplně realizovat klasickou ani hybridní formou

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Trendy ve výrobě plochých polotovarů tvářených za tepla

Využití plechových dílů tvářených za tepla patří dnes již běžně k produkci karoserií osobních automobilů a od jejich prvního nasazení nás dělí bezmála dvacet let. Tento trvalý trend souvisí s požadavkem na maximální zužitkování pohonných hmot a s tím spojené i redukce samotné hmotnosti karoserie. Dalším aspektem jsou limity snižující objemy škodlivých exhalací při spalování paliva, které nutí dlouhodobě producenty osobních i užitkových vozidel hledat alternativní konstrukční řešení. Emisní limity nastavené Evropskou unií, platné od roku 2020, stanovují průměrnou emisi všech modelů v nabídce na 95 g CO2.km-1. To odpovídá spotřebě 3,54 litru nafty či 4,06 litru benzinu na sto kilometrů.

Aditivní výroba ve tváření plechů

Trojrozměrný (3D) tisk, označovaný také jako aditivní výroba (additive manufacturing - AM), zaznamenal v poslední době značný rozvoj. Touto technologií je umožněna výroba i velmi tvarově komplikovaných trojrozměrných produktů. Objekty nebo výrobky jsou vytvářeny z podkladu digitálních 3D modelů nebo jiných elektronických datových zdrojů. Aplikační možnosti 3D tisku se s ohledem na progresivní vývoj této technologie jeví jako neomezené.

Lehké konstrukce automobilů – využití hořčíku

Využití hořčíku a jeho slitin v automobilovém průmyslu má poměrně dlouhou tradici, sahající až do roku 1920, kdy byl tento materiál prvně použit v konstrukci sportovních vozů. O několik desetiletí později se objevil i v komerčních vozech, například u typu Volkswagen Beetle, kde jeho obsah činil téměř 20 kilogramů. Nicméně do popředí zájmu se tento specifický materiál dostává v posledních letech v souvislosti s nárůstem ekologických a legislativních požadavků na provoz vozidel.

Lehké konstrukce automobilů - použití lisů ve výrobě hybridních dílů

V předchozích článcích ze seriálu Lehké konstrukce automobilů o možném použití nových materiálů pro stavbu lehkých konstrukcí a jejich aplikacích na karoseriích osobních automobilů nebyly zpravidla detailně rozebrány možnosti výroby těchto specifických materiálů. Uvedeme je v tomto článku.

Lehké konstrukce automobilů - sendvičové materiály

O prodejnosti a úspěšnosti vozidla v silném konkurenčním prostředí dnes rozhoduje z velké míry tvar a funkčnost karoserie. Mezi technickým vybavením jednotlivých výrobců dnes není propastný rozdíl a proto první, čím automobil promlouvá k zákazníkovi, jsou právě silueta vozu, linie hran, elegance i vizuální dynamika. Na karoserii jsou proto kladeny náročné požadavky v řadě případů z hlediska technologie výroby protichůdné.

Lehké konstrukce automobilů - hybridní materiály

Automobilový průmysl je specifické odvětví, které je významně poháněno společenskými tlaky na ekologický provoz vozidel, tedy na snižování emisní zátěže i obecné spotřeby pohonných hmot a kontinuální vývoj elektromobility. Tyto trendy se dotýkají jak konstrukce vozu, tak i technologické zpracovatelnosti jednotlivých komponentů. Jenom v horizontu 10 let se předpokládá redukce dílů z oceli o 20 % a jejich nahrazení speciálními materiály na bázi kompozitu.

Lehké konstrukce osobních automobilu - použití hliníku

Kontinuální trend v oblasti snižování hmotností karoserií osobních vozů je důsledkem tlaku na eliminaci CO2 do roku 2020 až na 95 g.km-1. Konstrukční úpravy v oblasti hnacích agregátů nebo náprav vozů jsou do určité míry také možné, nicméně stále častěji obtížně realizovatelné. Již od 80. a 90. let se v konstrukci vozu využíval hliník a plastové hmoty, nicméně dominantním materiálem je i nadále ocel.

Lehké konstrukce karoserií osobních automobilů

Rostoucí požadavky na snižování spotřeby pohonných hmot a emisní limity vytvářejí soustavný tlak na snižování hmotnosti karoserií. Druhou alternativou, která se nadále rozvíjí, je rozšířené nasazení alternativních hybridních pohonů automobilů, zejména kombinace spalovacích motorů s elektropohony. Nedodržení emisních limitů osobních automobilů 95 g/100 km by mělo být od roku 2020 navíc finančně postihováno. Jak ukazují aktuální problémy koncernů Volkswagen Group a Citroen, je tato problematika rozšířena ještě o NOx. Je však zřejmé, že se to týká prakticky všech výrobců osobních i nákladních vozů. Tato problematika je zásadní s ohledem na vyráběné množství. V konstrukci letadel, raket a vesmírné techniky je řada nových výrobních technologií již delší dobu používána. Je to nejenom otázka vhodných materiálů, jejich dostupnosti a možností použitých výrobních technologií. V souvislosti s lehkými konstrukcemi všechny tyto oblasti stojí před dlouhodobým a zásadním rozvojem.

Zvýšení produktivity, efektivity a kvality kovových výlisků

Výrobní společnost ANC Components a výzkumná společnost Comtes FHT spolupracují na výzkumném projektu Eureka s cílem zefektivnit výrobní proces a zvýšit produktivitu a kvalitu přesně lisovaných dílců a plně eliminovat dodatečné sekundární operace. Výsledky ze čtyř etap zmíněného projektu přinášejí rentabilitu technologie přesného střihu a konkurenční výhodu společnosti ANC Components v této oblasti. Řešení projektu bylo již dříve prezentováno ve vydání MM 10/2012, MM 1, 2/2015 a dále v Hutnických listech 4/2013.

Bezpečnostní spojování tvářením za studena

Přinášíme aktuální informaci z polského veletrhu ITM v Poznani. V kategorii inovace a technika získal Zlatou medaili exponát firmy BalTec – tvářecí centrum RNC.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit