鈦及鈦合金y型軋機(jī)組織性能研究

鈦及鈦合金y型軋機(jī)組織性能研究

鈦和鈦的優(yōu)點(diǎn)是化合物高、比例低、比強(qiáng)度高、耐磁性好、耐腐蝕性好等。它在武器裝備和航空航天行業(yè)中發(fā)揮著極其重要的作用。鈦及鈦合金線材在航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程等高科技領(lǐng)域應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛,如航空螺栓、眼鏡架、焊絲、擊劍面具、手表帶等。但鈦的屈強(qiáng)比(σ0.2/σb)高,一般在0.70~0.95之間,彈性較好,變形抗力大,并且彈性模量相對(duì)較低,故加工變形力大,回彈嚴(yán)重,導(dǎo)致鈦材加工困難。另外,鈦合金線材產(chǎn)品品種多、批量小,也促使其加工技術(shù)發(fā)展緩慢,生產(chǎn)成本居高不下。目前,鈦及鈦合金線材主要生產(chǎn)工藝有旋轉(zhuǎn)鍛造和軋制。旋轉(zhuǎn)鍛造的原材料鑄錠需要加熱2~4次,金屬損失高達(dá)60%,材料消耗占生產(chǎn)成本的主要部分;由于斷續(xù)、沖擊變形,手工操作,生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品質(zhì)量難以保證,產(chǎn)生很多缺陷,需要進(jìn)行大量修磨,使生產(chǎn)成本居高不下;旋鍛機(jī)生產(chǎn)能力很低,不適合鈦及鈦合金線材擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域、提高生產(chǎn)能力的要求。軋制采用二輥軋機(jī)和老式三輥線材軋機(jī)。二輥軋機(jī)可以使軋制速度有所提高,但二輥軋機(jī)剛度差,且兩向壓縮變形,使產(chǎn)品精度低,出現(xiàn)很?chē)?yán)重的“耳子”,需要大量的修磨才能達(dá)到后續(xù)工序的要求。此外,兩向變形造成壓縮比不夠,影響軋件組織性能。老式的三輥線材軋機(jī)采用一臺(tái)交流電機(jī)集體傳動(dòng),由人工將軋件喂入輥縫,在上下孔型中反復(fù)軋制后,再橫移至下一架軋機(jī)。軋機(jī)沒(méi)有平衡裝置,軋輥采用滑動(dòng)軸承,因此,軋機(jī)剛度很差,軋制精度低。為了克服旋轉(zhuǎn)鍛造和軋制的缺點(diǎn),近年來(lái)采用步進(jìn)軋制,即把旋轉(zhuǎn)鍛造與軋制結(jié)合起來(lái)的軋鍛過(guò)程。步進(jìn)軋制的生產(chǎn)率高,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但是機(jī)架是往復(fù)運(yùn)動(dòng)的,由于慣性力的作用,軋制速度不可能很高。而且步進(jìn)軋制是間斷的過(guò)程,難以實(shí)現(xiàn)連軋生產(chǎn),而連軋幾乎是所有金屬線材生產(chǎn)的最終選擇。綜上所述,現(xiàn)有的鈦及鈦合金生產(chǎn)工藝使產(chǎn)品的成本高、精度低、不能滿足高速線材生產(chǎn)要求,從而限制了應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大。Y型軋機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。三輥Y型軋機(jī)在軋件的受力狀態(tài),孔型系統(tǒng)和軋機(jī)剛度等方面具有良好的特性。由于軋輥呈120°布置,軋輥從3個(gè)對(duì)稱(chēng)的方向同時(shí)壓縮軋件,在下一道次,3個(gè)軋輥調(diào)轉(zhuǎn)180°,在另外3個(gè)方向上壓縮軋件,所以,軋件是在6個(gè)方向受到壓縮變形,軋件的壓縮變形及其周邊的冷卻都比較均勻,可以顯著地改善金屬的塑性,減少軋件的開(kāi)裂、劈頭等現(xiàn)象。這一點(diǎn)對(duì)于鈦及鈦合金等難變形金屬的軋制尤為重要。另外,三輥Y型軋機(jī)采用平輥孔型系統(tǒng),從而保證了軋件變形均勻,提高了軋制精度;而Y型連軋機(jī)相鄰機(jī)架倒置180°,軋制中不需要扭轉(zhuǎn)翻料,既避免了扭轉(zhuǎn)軋制引起的導(dǎo)衛(wèi)劃傷表面及裂紋現(xiàn)象,又為高速軋制創(chuàng)造了有利條件,實(shí)現(xiàn)保證組織性能的變形量。因此,Y型連軋機(jī)的這些優(yōu)異性能可以滿足鈦及鈦合金線材的質(zhì)量要求。而15架三輥Y形連軋機(jī)可以將斷面≤2200mm2的鈦材軋制成直徑≥5mm的各種規(guī)格的線材,很好地滿足鈦及鈦合金線材品種多、批量小的要求。本文用15架三輥Y形連軋機(jī)軋制鈦及鈦合金線材,在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)軋制工藝進(jìn)行研究,從而制備出性能優(yōu)異的鈦及鈦合金線材。1鈦和鈦的制造1.1材料表面試驗(yàn)材料為Φ45mm×500mm的純鈦、TC4和TC16各若干。1.2加熱設(shè)備及溫度(1)軋制設(shè)備:15架三輥Y形連軋機(jī);(2)加熱設(shè)備:SX-10-13中頻感應(yīng)高溫箱式電阻爐,額定功率10kW,額定溫度1300℃;(3)溫度控制裝置:KSY型可控硅溫度控制器。1.3預(yù)應(yīng)力加熱系統(tǒng)鈦合金的成形溫度范圍較窄,加之變形抗力對(duì)變形溫度和變形速率很敏感,導(dǎo)致成形難度較大。因此,合理的熱變形工藝參數(shù)的選擇是獲得理想顯微組織及力學(xué)性能的重要手段。軋制鈦及鈦合金線材主要工序有:(1)坯料準(zhǔn)備:鈦及鈦合金線材軋制坯料經(jīng)過(guò)熔煉、鍛造而成。鍛造后的坯料要刨面處理,并對(duì)局部缺陷進(jìn)行打磨,要求坯料表面光滑,無(wú)裂紋、刮傷、折疊和氧化皮等缺陷。(2)坯料加熱:由于鈦及鈦合金的導(dǎo)熱率較低,表面加熱方法的加熱時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng),坯料加熱時(shí)的斷面溫差大;另外,鈦及鈦合金具有高反應(yīng)活性,當(dāng)提高溫度時(shí)會(huì)與空氣發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)。所以,不能采用坯料在高溫下長(zhǎng)時(shí)間停留的表面加熱方法,最好采用感應(yīng)加熱。感應(yīng)加熱的主要優(yōu)點(diǎn)是:加熱速度快,功率均勻,生產(chǎn)率高。為了保持連續(xù)加熱,防止坯料過(guò)熱或過(guò)燒,采用中頻感應(yīng)加熱。由于電流的集膚效應(yīng)和合金本身導(dǎo)熱性差,在加熱周期內(nèi)應(yīng)間隙地短時(shí)切斷感應(yīng)若干次,以減少坯錠橫截面上的溫差,使溫度均勻。(3)軋制:當(dāng)坯料加熱到規(guī)定溫度時(shí),將坯料送入軋機(jī)。保溫時(shí)間均為5min,根據(jù)材料的相變溫度不同,純鈦選擇加熱溫度分別為850,880和900℃,軋制速度分別為400,500和600r·min-1的工藝條件下軋制;TC4選擇加熱溫度分別為1000,950和900℃,軋制速度分別為500和600r·min-1的工藝條件下軋制;TC16選擇加熱溫度分別為750,800和850℃,軋制速度分別為500和600r·min-1的工藝條件下軋制。其軋制溫度和軋輥轉(zhuǎn)速見(jiàn)表1。(4)冷卻制度:熱軋成形的材料仍處在一個(gè)較高的溫度范圍,需經(jīng)冷卻使材料降至常溫。軋后冷卻實(shí)際上就是一種利用軋后余熱的熱處理過(guò)程。金屬熱軋后冷卻,應(yīng)力作用下可能出現(xiàn)外部或內(nèi)部裂紋,為了消除冷卻時(shí)所產(chǎn)生的各種應(yīng)力,獲得所需要的金相組織和力學(xué)性能,需采取空冷、水冷、堆冷、緩冷等措施。本試驗(yàn)根據(jù)工藝要求,采用空冷的軋后處理。2結(jié)果與討論2.1u3000試驗(yàn)構(gòu)件的熱性能采用以上工藝和設(shè)備軋制的鈦及鈦合金線材試驗(yàn)樣品見(jiàn)圖2。經(jīng)分析比較,表2所列的純鈦加熱溫度880℃,軋制速度500r·min-1;TC4加熱溫度950℃,軋制速度600r·min-1;TC16加熱溫度800℃,軋制速度600r·min-1的工藝制度為最佳工藝參數(shù),所軋?jiān)嚰谕庥^、尺寸和表面質(zhì)量方面均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)試樣進(jìn)行組織性能分析測(cè)試,如TC4線材,分析結(jié)果(表3)為:屈服強(qiáng)度≥1050MPa,抗拉強(qiáng)度≥1120MPa,伸長(zhǎng)率≥15.5%,斷面收縮率≥56.5%。而GB/T2695-1996要求的力學(xué)性能為:屈服強(qiáng)度≥825MPa,抗拉強(qiáng)度≥895MPa,伸長(zhǎng)率≥10%,斷面收縮率≥25%。可見(jiàn),其性能滿足并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。2.2討論2.2.1試驗(yàn)法中的/變性點(diǎn)鈦具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,在882.5℃以下為具有密排六方晶格結(jié)構(gòu)的α-Ti,在882.5℃以上為具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)的β-Ti。α-Tiue03bβ-Ti轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為β相變點(diǎn),高純鈦的β相變點(diǎn)為882.5℃。工業(yè)純鈦中含有氧、氮、碳、氫等非金屬元素,其中,氧、氮、碳與鈦形成間隙固溶體,提高了鈦的αue03bβ轉(zhuǎn)變溫度,擴(kuò)大了α相區(qū),是穩(wěn)定α的元素,使鈦的強(qiáng)度升高、塑性下降。而氫是一種強(qiáng)β穩(wěn)定化元素,可以降低合金的α/β相變點(diǎn),降低變形溫度和變形抗力以改善高溫變形能力。工業(yè)純鈦相變溫度為890~920℃,因此,加熱溫度優(yōu)選為880℃。2.2.2u3000解決軋速過(guò)快問(wèn)題對(duì)于連軋來(lái)說(shuō),各道次的軋制速度的確定尤其重要,軋制速度高,軋機(jī)的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量就大。但速度太高,增加電力消耗,且故障增多,作業(yè)率低,產(chǎn)量反而會(huì)下降。因此,要結(jié)合電機(jī)能力、自動(dòng)化水平、軋機(jī)設(shè)備的機(jī)械化程度來(lái)制定最佳速度制度。另外,軋速過(guò)快將造成軋件快速升溫,影響最終產(chǎn)品組織性能。理論計(jì)算表明:軋制速度大于12m·s-1后,軋件升溫與軋制速度成正比增加。軋機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)選為:純鈦500r·min-1,TC4合金和TC16合金600r·min-1。主傳動(dòng)輥第一機(jī)架的工作輥徑為208mm,對(duì)應(yīng)的軋制速度分別為:純鈦10.9m·s-1,TC4合金和TC16合金13.1m·s-1。這樣,既可以提高軋機(jī)產(chǎn)量,又不至于引起軋件升溫過(guò)高,確保了產(chǎn)品的組織性能。2.2.3加工率對(duì)組織性能的影響由于加工率的不同,合金的組織和性能有明顯的差別。如在920℃下熱軋的TC4棒材,在28%加工率下軋制,其組織基本上是α相被β相網(wǎng)格分割成等軸狀,該組織性能較差;在加工率為44%時(shí),β相網(wǎng)格已被破碎,α相粒度較大,這種組織性能也較差;在加工率為66%~78%時(shí),有大致相同的組織,以α相為基體,加上細(xì)小分散的α+β組織,這種組織性能較好。所以道次加工率選擇70%左右。2.2.4u3000相鄰應(yīng)對(duì)張力實(shí)際生產(chǎn)中,由于軋件與軋輥之間的滑動(dòng)會(huì)引起軋件速度的變化,這樣會(huì)使連軋常數(shù)改變,從而產(chǎn)生了拉料或堆料現(xiàn)象,也影響了軋件的尺寸精度。因此,在連軋過(guò)程中,必須控制張力,通過(guò)多次調(diào)整,正常軋制時(shí)的張力如表4所示。由表可知,相鄰機(jī)架間的張力有正有負(fù),且張力的絕對(duì)值<1.0%,這與三輥Y型軋機(jī)屬于精密軋機(jī)的特點(diǎn)完全相符。另外,隨著軋機(jī)道次的增加,軋件面積逐漸減小,張力的絕對(duì)值相應(yīng)減小,這與力學(xué)上的拉伸、壓縮理論相符。3u2004空冷軋后處理通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,得出了鈦及鈦合金線材生產(chǎn)的最佳工藝方案如下,純鈦:加熱溫度880℃,軋制速度500r·min-1;TC4合金:加熱溫度950℃,軋制速度600r·min-1;TC16合金:加熱溫度800℃,軋制速度600r·min-1;保溫時(shí)間均為5min;道次加工率70%左右;各道次間連軋張力<1.0%;采用空冷的軋后處理。從而為低成本、多品種的鈦及鈦合金線材的生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ),為滿足航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)︹伡扳伜辖鹁€材的需求起到重要的作用。對(duì)其他難加工金屬的變形也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和借鑒作用。鈦合金的α+β/β相變溫度指熱平衡狀態(tài)下α相剛好完全轉(zhuǎn)變成為β相的溫度,該溫度是確定合金加工和熱處理工藝的基本參數(shù)。α+β型合金軋前加熱溫度稍低于α+β/β相變溫度,即在(α+β