CN101343705B - 一种高硬度铸造用钛合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高硬度铸造用钛合金，是以Ti为基体，其特征是主要化学成分按质量百分比计A1为5.5～7.0％、Zr为1.5～2.5％、Mo为0.5～2.0％、V为0.8～2.5％、Cr为1.5～4％；杂质元素含量控制在C≤0.10％、Si≤0.15％、Fe≤0.25％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.15％，余量为Ti。本合金所具有的硬度值与常规钛合金硬度值相比，能稳定控制在HRC38～42范围内，硬度高，且具有良好的综合力学性能，可用于要求具有一定硬度和良好综合力学性能的钛合金部件的研制和生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金，具体是涉及一种硬度为HRC38-42的高强度铸造用钛合金。
背景技术
钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点，因此它在航空、航天、化工、造船等工业部门获得日益广泛的应用，发展迅猛。钛合金特别适于制造燃气轮机等航空部件。由于钛及其合金的优异抗蚀性能，良好的力学性能，以及合格的组织相容性，使它用于制作假体装置等生物材料。目前，常用钛合金常温洛氏硬度值：
①工业纯钛(TA1、TA2、TA3)：HRC24～32；
②TC4(Ti6A14V)：HRC35～36；
③TA7(Ti5Al2.5Sn)：HRC35～36；
④TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)(俄罗斯牌号BT20)：HRC32～36；
⑤BT22(Ti5.5Al5Mo5V1.5Cr1.0Fe)：HRC39～42。
上述钛合金用于铸造钛合金复杂构件，特别是一些军工用品构件存在硬度低，耐磨性能和稳定性能差等缺点，从而影响产品质量。
发明内容
本发明的目的，是提供一种硬度高，稳定性好的铸造用钛合金。
本发明的另一目的是提供一种制备该高硬度铸造用钛合金的方法
采用的技术方案是：
一种高硬度铸造用钛合金，基体为钛。
该合金主要化学成份按质量百分比计：Al:5.5～7.0％，Zr:1.5～2.5％，Mo:0.5～2.0％，V:0.8～2.5％，Cr:1.5～4％。杂质元素含量应控制在C:≤0.10％，Si：≤0.15％，Fe：≤0.25％，N：≤0.05％，H：≤0.015％，O：≤0.15％，余量为Ti。
本发明的高硬度铸造用钛合金在常温下铸态、退火态洛氏硬度为HRC38～40，经固溶时效处理后，能稳定控制在HRC38～42范围内；铸态力学性能：Rm≥1050Mpa，Rp0.2≥950Mpa，A≥3％，Z≥8％。
该合金所具有的硬度值与常规钛合金硬度值相比，能稳定控制在HRC38～42范围内，硬度高，且具有良好的综合力学性能，可用于要求具有一定硬度和良好综合力学性能的钛合金部件的研制和生产。
本合金可以采用真空自耗电弧凝壳炉、真空感应电弧炉、电子束炉等钛合金熔炼常用设备进行熔配，成型方式可以采用石墨型、金属型或各类精铸型壳。
下面提供一种制备高硬度铸造用钛合金的方法：
采用水冷铜坩埚真空自耗凝壳炉进行熔配
1)合金电极制备
以BT20棒材及金属铬作为原材料，BT20钛合金名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V的钛合金，经清洁化处理(去氧化皮、去油、去污、干燥)后，将金属铬采用机械粉碎的方法碎化成一定颗粒的金属砂，尺寸要求<1mm，并在BT20锭子上采用钻床打眼，眼大小Φ10～20mm，深度0.5～0.8R(R为锭子半径)，均匀分布于锭子中下部；将金属铬粉末或颗粒按一定配比装入锭子上的孔中，采用BT20焊条用钨极氩弧焊进行封闭，组焊成自耗电极。
2)装炉
坩埚的法兰盘、内壁和底座用砂纸打磨光滑，用脱脂棉擦干净。检查坩埚的法兰盘与内壁的焊缝及其各部分的表面有无被电弧击中的烧伤痕迹或凹坑。用BT20电极残头切片放在坩埚底部作为底垫，在底垫上放置30mm高的BT20三角形引弧料。自耗电极与坩埚内壁之间的周围间隙保持一致，约30～40mm。
3)熔炼
将自耗电极装入真空自耗电弧凝壳炉中，启动真空机组，抽至高真空后起弧熔炼，熔炼控制参数：
①电压38～40V，电流12000～18000A；
②真空度控制在：2×10-2Pa；
③自耗电极与坩埚内壁的间隙：>30mm；
④冷却水水压：0.4MPa，坩埚进水口水温：19℃，坩埚出水口水温：38℃。
合金锭熔炼完成后进行锻造开坯，采用上述工艺重熔2～3次，确保成分均匀。
热处理工艺：
采用的热处理工艺为：固溶+时效，退火；
固溶温度：700～820℃，保温时间0.5～2小时，冷却方式空淬或水淬；
时效温度：500～650℃，保温时间4～20小时，冷却方式空冷；
退火温度：700～820℃，保温时间0.5～2小时，冷却方式炉冷。
具体实施方式
实施例一
一种高硬度铸造用钛合金，基体为钛。该合金主要化学成份按质量百分比计：Al为6.1％、Zr为2.5％、Mo为1.8％、V为2.0％、Cr为1.5％；杂质元素含量控制在C≤0.10％、Si≤0.15％、Fe≤0.25％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.15％，余量为Ti。
实施例二
一种高硬度铸造用钛合金，基体为钛。该合金主要化学成份按质量百分比计：Al:5.5％，Zr:1.5％，Mo:0.5％，V:0.8％，Cr:1.5％。杂质元素含量应控制在C：≤0.10％，Si：≤0.15％，Fe：≤0.25％，N：≤0.05％，H：≤0.015％，O：≤0.15％，余量为Ti。
实施例三
一种高硬度铸造用钛合金，基体为钛。该合金主要化学成份按质量百分比计：Al:7.0％，Zr:2.5％，Mo:2.0％，V:2.5％，Cr:4％。杂质元素含量应控制在C:≤0.10％，Si:≤0.15％，Fe:≤0.25％，N:≤0.05％，H:≤0.015％，O:≤0.15％，余量为Ti。
实施例四
一种高硬度铸造用钛合金的制备方法，包括下述工艺步骤：
1)合金电极制备
以BT20棒材及金属铬作为原材料，BT20钛合金名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V的钛合金，经清洁化处理后，将金属铬采用机械粉碎的方法碎化成一定颗粒的金属砂，尺寸要求<1mm，并在BT20锭子上采用钻床打Φ20mm的眼，深度0.8R，均匀分布于锭子中下部；将金属铬粉末或颗粒按制备该合金需要的配比装入锭子上的孔中，采用BT20焊条用钨极氩弧焊进行封闭，组焊成自耗电极；
2)装炉
坩埚的法兰盘、内壁和底座用砂纸打磨光滑，用脱脂棉擦干净，检查坩埚的法兰盘与内壁的焊缝及其各部分的表面有无被电弧击中的烧伤痕迹或凹坑，用BT20电极残头切片放在坩埚底部作为底垫，在底垫上放置30mm高的BT20三角形引弧料，自耗电极与坩埚内壁之间的周围间隙保持一致，约40mm；
3)熔炼
将自耗电极装入真空自耗电弧凝壳炉中，启动真空机组，抽至高真空后起弧熔炼，熔炼控制参数：
电流为15000A，电压38V，直空度控制在：2×10-2Pa；冷却水水压：0.4MPa，坩埚进水口水温：19℃，坩埚出水口水温：38℃。制成铸造用合金锭。
采用上述熔炼工艺重熔3次，确保成分均匀，再进行热处理。
铸态硬度HRC为38～39，经1小时780℃炉冷退火后为38.5～39.5；经1小时780℃固溶水冷后，再经十小时520℃时效空冷其硬度HRC为39.5～40.5。合金主要化学成份按质量百分比计：Al为6.25％、Zr为2.0％、Mo为1.5％、V为2.0％、Cr为1.8％；杂质元素含量控制在C≤0.10％、Si≤0.15％，Fe≤0.25％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.15％，余量为Ti。
Claims (2)
1.一种高硬度铸造用钛合金的制备方法，该高硬度铸造用钛合金是以Ti为基体，其特征在于化学成分按质量百分比计Al为5.5～7.0％、Zr为1.5～2.5％、Mo为0.5～2.0％、V为0.8～2.5％、Cr为1.5～4％，杂质元素含量控制在C≤0.10％、Si≤0.15％、Fe≤0.25％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.15％，余量为Ti；包括下述工艺步骤：
采用水冷铜坩埚真空自耗凝壳炉进行熔配
1)合金电极制备
以BT20棒材及金属铬作为原材料，BT20钛合金名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V的钛合金，经清洁化处理后，将金属铬采用机械粉碎的方法碎化成一定颗粒的金属砂，尺寸要求＜1mm，并在BT20锭子上采用钻床打眼，眼大小Φ10～20mm，深度0.5～0.8R，均匀分布于锭子中下部；将金属铬粉末或颗粒按一定配比装入锭子上的孔中，采用BT20焊条用钨极氩弧焊进行封闭，组焊成自耗电极，其中R为BT20锭子半径；
2)装炉
坩埚的法兰盘、内壁和底座用砂纸打磨光滑，用脱脂棉擦干净，检查坩埚的法兰盘与内壁的焊缝及其各部分的表面有无被电弧击中的烧伤痕迹或凹坑，用BT20电极残头切片放在坩埚底部作为底垫，在底垫上放置30mm高的BT20三角形引弧料，自耗电极与坩埚内壁之间的周围间隙保持一致，30～40mm；
3)熔炼
将自耗电极装入真空自耗电弧凝壳炉中，启动真空机组，抽至高真空后起弧熔炼，熔炼控制参数：
①电压38～40V，电流12000～18000A；
②真空度控制在：2×10-2Pa；
③自耗电极与坩埚内壁的间隙：＞30mm；
④冷却水水压：0.4MPa，坩埚进水口水温：19℃，坩埚出水口水温：38℃；
合金锭熔炼完成后进行锻造开坯，采用上述熔炼工艺重熔2～3次，确保成分均匀。
2.根据权利要求1所述的一种高硬度铸造用钛合金的制备方法，其特征在于将制备成的合金锭再进行热处理，采用的热处理工艺为：固溶+时效，退火；
固溶温度：700～820℃，保温时间0.5～2小时，冷却方式空淬或水淬；
时效温度：500～650℃，保温时间4～20小时，冷却方式空冷；
退火温度：700～820℃，保温时间0.5～2小时，冷却方式炉冷。
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