CN101696486A

CN101696486A - 一种高强度钛合金管材的轧制工艺

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Publication number: CN101696486A
Application number: CN200910218549A
Authority: CN
Inventors: 李明强; 邓超; 马小菊; 肖雅静; 庞继明; 李明利
Original assignee: XIBU METAL MATERIAL CO Ltd
Current assignee: XIBU METAL MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: CN101696486B

Abstract

本发明公开了一种高强度钛合金管材的轧制工艺，该工艺采用中频感应加热的温轧方法和细化钛及钛合金组织的热处理工艺以改善钛材料的轧制塑性，解决了难变形的高强度钛合金不能冷轧的技术难题，实现了强度在900MPa等级的高强度钛合金薄壁管材的轧制。其轧制工艺主要包括以下步骤：管坯内外表面处理、开坯轧制、快速加热和快速冷却的再结晶退火、中间管材低温轧制、成品管材冷轧、以及成品管材酸洗、退火。

Description

一种高强度钛合金管材的轧制工艺

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种高强钛合金管材的轧制工艺。

背景技术

当前在室温下轧制的钛及钛合金管材，尤其是薄壁管材，其管材的品种绝大多数是纯钛，少部分是在600MPa以下的低强度、高塑性的低合金化钛合金管材，如TA1、TA2、TA3、TA9、TA10、TA18、TC1等牌号。强度超过800MPa的高强度钛合金管材如TC4、TC10等合金只能先用热挤压法挤成大直径厚壁的管坯，然后通过内径镗孔和外径磨削或车削等加工方式制成成品。这样生产的管材除了壁厚可以满足要求外，其长度在4m以下，表面粗糙度也难以达到要求；如果需要进一步轧制则因强度高、塑性差、变形抗力大，而无法在室温下进行轧制。

俄罗斯曾将感应加热装置安装在X∏T-75轧机上对OT-4、OT4-1等钛合金管坯进行温轧。其原理为当管坯临进入变形区前用工频电流感应器将管坯加热到300～400℃，使其强度降低到400～500MPa，延伸率由10％提高到15％；这样轧制出来的管材无表面裂纹，较室温轧制的管材表面质量有明显的提高。但由于工频感应加热速度慢，轧制效率低，不太适合规模化生产。另外，轧制的合金强度在600～700MPa之间，更高强度合金是否可以轧制，未见报道。

国内也有将氢气与压缩空气混合燃料的喷枪式加热器，安放在多辊轧机的辊箱头尾两端，同机头做同步往返运动来加热被轧管坯，加热温度高达1100℃；但由于火焰气氛中氢含量高，极易使钛合金增氢，导致合金变脆。同时，该种加热方法的温度可控性差，导致合金的显微组织及力学性能不稳定，实际上这种轧制法只适用于W、Mo管的轧制。

公开号为CN1390678A的中国专利“温加工制造钛及钛合金管的方法”公开了一种利用2～6辊行星轧管机生产钛管的方法：轧前先将管坯预热到500～900℃，而在变形时靠轧制变形热使轧材温度进一步升高到850～1200℃以维持管材的热加工状态。这种轧制温度对绝大多数钛合金来说实际上是在相变点以上的热轧，而不是再结晶温度以下的温轧。这么高的温度变形，尽管变形量很大，延伸系数在10～16之间，以及轧后采取喷淋快速冷却也很难保证细晶组织，尤其是钛合金在这个温度范围内的轧制纯属β轧制，它得到的显微组织为粗大的魏氏组织，不可能获得良好的综合性能。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种高强钛合金管材的轧制工艺，该工艺采用中频感应加热的温轧方法和细化钛及钛合金组织的热处理工艺以求改善钛材料的轧制塑性，得到高强钛合金管材。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高强钛合金管材的轧制工艺，包括以下步骤：

1)开坯轧制

将经过表面处理的管坯，装入安装有中频感应加热装置的开坯轧机传送辊道后，启动中频感应加热装置使管坯在1～5min内快速加热到400～600℃；

然后将管坯送入开坯轧机，进行大变形轧制，变形量控制在45～65％之间；控制轧制速度使管坯轧制时的温度不超过管坯材料的再结晶温度；

2)快速加热和快速冷却的再结晶退火

通过连续的操作对轧制过的管坯进行快速加热和快速冷却的再结晶退火；

快速加热为：1～3min内加热到750～1200℃，保温1～3min；

快速冷却为：出炉后管坯立刻水冷冷却至室温；

3)中间轧制

将退火后的管坯在安装有中频感应装置的轧机，按照步骤1)所述的开坯轧制进行中间轧制，但轧制时的温度控制在200～300℃；每道次轧制完成后进行步骤2)所述的快速加热和快速冷却的再结晶退火；

进行中间轧制2～8道次后得到中间产品管材；

4)成品管材冷轧

将中间产品管材在辊轧机上进行2～5道次的冷轧得到成品管材；

5)成品管材酸洗

对成品管材酸洗去除表面氧化皮，酸洗之后完成高强钛合金管材的轧制。

所述的管坯为斜轧穿孔机轧制的强度在900MPa以上的钛合金管坯。

所述的表面处理包括采用车床平整管坯两头，用砂轮去除管坯的表面缺陷，用喷砂和酸洗去除管坯内外表面氧化皮。

所述的中频感应加热装置，其感应频率为1500～2500Hz，并通过控制其电流大小来控制管坯的加热温度。

所述的快速加热在与开坯轧机出口相连接的带有水冷装置的连续管式感应退火炉内进行，管坯在连续管式感应退火炉内的运行速度为1～2m/min。

所述加热时间、保温时间和水冷冷却到室温的时间总计为3～9min。

所述的开坯轧机为两辊开坯轧机。

所述用于酸洗的酸洗液的包含质量分数35％的HNO₃和质量分数7％的HF，其余为水。

所述的成品管材其显微组织为等轴α+β转。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明公开的轧制工艺，解决了难变形的高强度钛合金不能冷轧的技术难题，实现了强度在900MPa等级的钛合金薄壁管材的轧制；

对于难变形的高强度钛合金管坯，在开坯轧制之前先经过中频感应加热在1～5min内快速加热到400～600℃，以使被轧管坯的强度由900MPa左右降到500～600MPa，延伸率提高到15％以上，以一道次完成对管坯的较大变形量的减径、减壁的轧制，而没有表面开裂现象；管坯在加热后和变形过程中的温升叠加始终控制在材料本身的再结晶温度(700～800℃)以下，实现了用温轧方法生产高强度钛合金管材；

2、本发明公开的轧制工艺，由于在开坯温轧过程中被轧金属既没有回复也没有再结晶，其显微结构处于冷变形的高畸变能状态，在进行再结晶退火时，采用快速加热和快速冷却的方法，使得高形核率的组织可以得到细化，形成很细的再结晶晶粒，从而提高了材料的塑性和延展性；管材的温轧或冷轧变形与快速再结晶有机的结合，取得了组织细化和增塑的效果，改善了材料的冷加工性能，从而生产出难变形的钛合金薄壁管材。

3、本发明公开的轧制工艺，根据钛合金在大气中的氧化特性，在没有保护气氛下进行温轧和退火过程中所形成的氧化膜，由于加热时间都很短，生成的氧化皮是很薄的，初步测量结果不大于0.01mm，但非常致密，直接酸洗无法去除；然而经过中间的低温轧制或成品冷轧，前期加热形成的氧化皮经后续的轧制可以得到充分的破碎，并变得疏松；

后续的中间产品管材、成品管材轧制中间产品或成品轧制不需再加热到500℃，只加热到200～300℃就可以满足材料的塑性变形；在低温条件度下，材料不会发生氧化，这对后续工序氧化皮的去除和成品管表面酸洗后的光亮度是十分有利的；按常规的酸洗后管材的内外表面光亮，无任何遗留的氧化皮。

4、本发明公开的轧制工艺，其管坯的加热、轧制、退火、冷却等工艺能够的在线连续的自动化操作，适合于工业化生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发公开了一种高强钛合金管材的轧制工艺，该工艺采用中频感应加热的温轧方法和细化钛及钛合金组织的热处理工艺以改善钛材料的轧制塑性，解决了难变形的高强度钛合金不能冷轧的技术难题，实现了强度在900MPa等级的高强钛合金薄壁管材的轧制。其轧制工艺主要包括以下步骤：管坯内外表面处理、开坯轧制、快速加热和快速冷却的再结晶退火、中间管材低温轧制、成品管材冷轧、以及成品管材酸洗、退火。

实施例1

以两辊斜轧穿孔机制造的强度在900MPa以上的钛合金管坯为基材，进行钛合金薄壁管材的轧制；管坯的尺寸为ф80×8mm，管坯拉伸性能为R_m＝970MPa，R_p0.2＝895MPa，A₅＝14％；显微组织为魏氏组织，晶粒度为4级。

其具体的轧制步骤为：

1)管坯表面处理及开坯轧制：

对管坯的表面处理包括：采用车床平整管坯两头、用砂轮去除管坯的表面缺陷、用喷砂和酸洗去除管坯内外表面的氧化皮；通过这些处理使管坯表面呈现无缺陷、无氧化皮的白亮状态；

开坯轧制：开坯轧制所用的轧机为能够进行大变形轧制的两辊开坯轧机，在其开坯轧机传送辊道上安装有与之相匹配的中频感应加热装置，以在轧制之前将管坯快速加热到预设的温度；

将经表面处理的管坯装入轧机传送辊道后，启动频感应加热炉加热，加热3min使管坯加热到400℃，中频感应加热装置的感应频率为1500Hz，并通过控制其电流大小来控制管坯的加热温度；

然后进入X∏T-60两辊开坯轧机，进行大变形轧制，变形量控制在ε＝45％，即从ф80×8×Lmm轧制到ф68×5×Lmm；

轧制时采用轧机转速50次/分，送进量2mm/次，通过轧制速度的控制，使管坯的加热温度和轧制造成的温升叠加后不超过材料的再结晶温度，也即不超过700～800℃，使钛管在轧制过程中只发生部分回复而不发生动态再结晶；

2)快速加热和快速冷却的再结晶退火

通过在线的、连续的操作对轧制过的管坯进行快速加热和快速冷却的再结晶退火；

其中，快速加热为：通过与X∏T-60两辊轧机出口相连接的带有水冷装置的210KW连续管式感应退火炉内进行的，加热和均热温度为800℃(高于管坯材料的再结晶温度)，管坯在炉内运行速度为1m/min；加热时间1min，均热时间1min；

快速冷却为：出炉后管坯立刻经过淋水槽，水冷却至室温，水冷时间为1min；

管坯从进入感应炉到出炉后的水冷等整个过程都是在线的、连续的自动操作，控制加热、均热和水冷三个步骤为3min；

3)中间轧制

按照管材的正常生产工序，大多数管材只进行一个道次(火次)的开坯轧制是不够的，还要进行多火次或多道次的中间轧制；为了提高生产效率，中间产品通常也需要大变形的两辊轧机轧制，这时仍需加热轧制；由于本发明的开坯轧制工序的增塑处理，中间轧制的温度较开坯轧制降低200℃左右，即轧制时的温度控制在200℃；

将开坯轧制的管坯在安装有中频感应炉的大变形的X∏T-60轧机上进行中间管材轧制，按照步骤1)所述的开坯轧制进行中间管材轧制，但轧制温度控制在200～300℃，由ф68×5×Lmm轧到ф45×3×Lmm，变形量ε＝60％；中间轧制每道次完成后进行步骤2)所述的快速加热和快速冷却的再结晶退火，进行中间管材轧制2道次后得到中间产品管材；

4)成品管材冷轧

钛及钛合金的成品轧制通常是在三辊或多辊轧机上进行冷轧，以保证产品尺寸精度和表面光度，对难变形的高强度钛合金冷变形量一般不超过20％；采用本发明增塑处理过的管材经多道次轧制，冷轧总变形量最高可达40％以上。

将中间产品管材在辊轧机上LD-60三辊轧机进行2道次的冷轧得到成品管材，轧制过程不加温；

第一道次：由ф45×3×L mm轧制为ф42×2.5×L mm，变形量ε＝22％；第二道次：由ф42×2.5×L mm轧制为ф40×2×L mm，变形量ε＝23％；总变形量：ε＝40％。

5)成品管材酸洗

对成品管材酸洗去除表面氧化皮，用于酸洗的酸洗液的组分为35％HNO₃+7％HF+58％H₂O(质量百分比)；酸洗后管材表面呈银白色，无氧化皮；

成品管材其显微组织为细晶等轴组织α+β_转，成品管材的拉伸性能为R_m＝915MPa，R_p0.2＝823MPa，A₅＝16％；按GB/T 12969.1-2007进行超声波探伤，合格率为89％。

实施例2

进行钛合金薄壁管材的轧制的基材与实施例1相同，具体轧制工艺的参数不同，具体轧制步骤为：

1)管坯表面处理及开坯轧制

对管坯的表面处理包括：采用车床平整管坯两头、用砂轮去除管坯的表面缺陷、用喷砂和酸洗去除管坯内外表面的氧化皮；通过这些处理使管坯表面呈现无缺陷、无氧化皮的白亮状态。

开坯轧制：开坯轧制所用的轧机为能够进行大变形轧制的两辊开坯轧机，再其开坯轧机传送辊道上安装有与之相匹配的中频感应加热装置，以在轧制之前将管坯快速加热到预设的温度。

将经表面处理的管坯装入轧机传送辊道后，启动频感应加热炉加热，加热3.5min使管坯加热到500℃，中频感应加热装置的感应频率为1500Hz，并通过控制其电流大小来控制管坯的加热温度；

然后进入XHT-60两辊轧机，进行大变形轧制，变形量控制在ε＝50％，即从ф80×8×L mm轧制到ф63×5×L mm。

轧制时采用轧机转速50次/分，送进量2mm/次，通过轧制速度的控制，使管坯的加热温度和轧制造成的温升叠加后不超过材料的再结晶温度，也即不超过700～800℃，使钛管在轧制过程中只发生部分回复而不发生动态再结晶。

2)快速加热和快速冷却的再结晶退火

通过在线的、连续的操作对轧制过的管坯进行快速加热和快速冷却的再结晶退火，其中，

快速加热为：通过与X∏T-60两辊轧机出口相连接的带有水冷装置的210KW连续管式感应退火炉内进行的，加热和均热温度为1000℃(高于管坯材料的再结晶温度)，管坯在炉内运行速度为1.5m/min；加热时间1.5min，均热时间2min。

快速冷却为：出炉后管坯立刻经过淋水槽，水冷却至室温，水冷时间为2.5min。

管坯从进入感应炉到出炉后的水冷等整个过程都是在线的、连续的自动操作，控制加热、均热和水冷三个步骤总共时间为6min。

3)中间轧制

按照管材的正常生产工序，大多数管材只进行一个道次(火次)的开坯轧制是不够的，还要进行多火次或多道次的中间轧制。为了提高生产效率，中间产品通常也需要大变形的两辊轧机轧制，这时仍需加热轧制。由于本发明的开坯轧制工序的增塑处理，中间轧制的温度较开坯轧制降低200℃左右，即轧制温度控制在300℃。

将开坯轧制的管坯在安装有中频感应炉的大变形的X∏T-60轧机上进行中间管材轧制，按照步骤1)所述的开坯轧制进行中间管材轧制，但轧制温度控制在200～300℃，由ф63×5×L mm轧到ф45×3×L mm，变形量ε＝56％；中间轧制每道次完成后进行步骤2)所述的快速加热和快速冷却的再结晶退火，进行中间管材轧制5道次后得到中间产品管材。

4)成品管材冷轧

钛及钛合金的成品轧制通常是在三辊或多辊轧机上进行冷轧，以保证产品尺寸精度和表面光度，对难变形的高强度钛合金冷变形量一般不超过20％；采用本发明增塑处理过的管材经多道次轧制，冷轧总变形量最高可达40％。

将中间产品管材在辊轧机上LD-60三辊轧机进行3道次的冷轧得到成品管材，轧制过程不加温；

第一道次：由ф45×3×Lmm轧制为ф42×2.5×L mm，变形量ε＝22％；第二道次：由ф42×2.5×L mm轧制为ф40×2×L mm，变形量ε＝23％；总变形量：ε＝40％；第三道次由ф40×2×L mm轧制为ф38×1.5×L mm，变形量ε＝28％。

5)成品管材酸洗

对成品管材酸洗去除表面氧化皮，用于酸洗的酸洗液的组分为35％HNO₃+7％HF+58％H₂O(质量比)；酸洗后管材表面呈银白色，无氧化皮。

酸洗之后对成品管材退火，完成高强钛合金管材的轧制；退火条件为：退火是在带有水冷装置的210KW连续管式感应退火炉内进行的，加热和均热温度为800℃，时间为1.5h，管材在炉内运行速度为1m/min，加热时间1min，均热时间2min；出炉后立即水冷。

退火后的成品管材其显微组织为细晶等轴组织α+β_转，成品管材的拉伸性能为R_m＝930MPa，R_p0.2＝840MPa，A₅＝17％；按GB/T 12969.1-2007进行超声波探伤，合格率为85％。

实施例3

1)管坯表面处理及开坯轧制

开坯轧制：开坯轧制所用的轧机为能够进行大变形轧制的两辊开坯轧机，再其开坯轧机传送辊道上安装有与之相匹配的中频感应加热装置，以在轧制之前将管坯快速加热到预设的温度；

将经表面处理的管坯装入轧机传送辊道后，启动频感应加热炉加热，加热4min使管坯加热到600℃，中频感应加热装置的感应频率为1500Hz，并通过控制其电流大小来控制管坯的加热温度；

然后进入X∏T-60两辊轧机，进行大变形轧制，变形量控制在ε＝50％，即从ф80×8×L mm轧制到ф63×5×L mm；

2)快速加热和快速冷却的再结晶退火

快速加热为：通过与X∏T-60两辊轧机出口相连接的带有水冷装置的210KW连续管式感应退火炉内进行的，加热和均热温度为1200℃(高于管坯材料的再结晶温度)，管坯在炉内运行速度为2m/min；加热时间2min，均热时间2min。

快速冷却为：出炉后管坯立刻经过淋水槽，水冷却至室温，水冷时间为4min。

管坯从进入感应炉到出炉后的水冷等整个过程都是在线的、连续的自动操作，控制加热、均热和水冷三个步骤总共时间为8min。

3)中间轧制

按照管材的正常生产工序，大多数管材只进行一个道次(火次)的开坯轧制是不够的，还要进行多火次或多道次的中间轧制。为了提高生产效率，中间产品通常也需要大变形的两辊轧机轧制，这时仍需加热轧制。由于本发明的开坯轧制工序的增塑处理，中间轧制的温度较开坯轧制降低250℃左右，即轧制温度控制在300℃。

将开坯轧制的管坯在安装有中频感应装置的大变形的X∏T-60轧机上进行中间管材轧制，按照步骤1)所述的开坯轧制进行中间管材轧制，但轧制温度控制在200～300℃，由ф63×5×L mm轧到ф45×3×L mm，变形量ε＝56％；中间轧制完成后进行步骤2)所述的快速加热和快速冷却的再结晶退火，进行中间管材轧制8道次后得到中间产品管材。

4)成品管材冷轧

将中间产品管材在辊轧机上LD-60三辊轧机进行4道次的冷轧得到成品管材，轧制过程不加温；第一道次：由ф45×3×Lmm轧制为ф42×2.5×L mm，变形量ε＝22％；第二道次：由ф42×2.5×L mm轧制为ф40×2×L mm，变形量ε＝23％；总变形量：ε＝40％；第三道次由ф40×2×L mm轧制为ф38×1.5×Lmm，变形量ε＝28％。第四道次由ф38×1.5×L mm轧制为ф36×1.2×L mm，变形量ε＝24％。

5)成品管材酸洗

对成品管材酸洗去除表面氧化皮，用于酸洗的酸洗液的组分为35％HNO₃+7％HF+58％H₂O(质量比)；酸洗后管材表面呈银白色，无氧化皮；

退火后的成品管材其显微组织为细晶等轴组织α+β_转，成品管材的拉伸性能为R_m＝940MPa，R_p0.2＝845MPa，A₅＝18％；按GB/T 12969.1-2007进行超声波探伤，合格率为82％。

Claims

1.一种高强钛合金管材的轧制工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)开坯轧制

2)快速加热和快速冷却的再结晶退火

快速加热为：1～3min内加热到750～1200℃，保温1～3min；

快速冷却为：出炉后管坯立刻水冷冷却至室温；

3)中间轧制

进行中间轧制2～8道次后得到中间产品管材；

4)成品管材冷轧

5)成品管材酸洗

2.如权利要求1所述的高强钛合金管材的轧制工艺，其特征在于，所述的管坯为强度在900MPa以上的钛合金管坯。

3.如权利要求1所述的高强钛合金管材的轧制工艺，其特征在于，所述的表面处理包括采用车床平整管坯两头，用砂轮去除管坯的表面缺陷，用喷砂和酸洗去除管坯内外表面氧化皮。

4.如权利要求1所述的高强钛合金管材的轧制工艺，其特征在于，所述的中频感应加热装置，其感应频率设置为1500～2500Hz，并通过控制其电流大小来控制管坯的加热温度。

5.如权利要求1所述的高强钛合金管材的轧制工艺，其特征在于，所述管坯材料的再结晶温度为700～800℃。

6.如权利要求1所述的高强钛合金管材的轧制工艺，其特征在于，所述的快速加热在与开坯轧机出口相连接的带有水冷装置的连续管式感应退火炉内进行，管坯在连续管式感应退火炉内的运行速度为1～2m/min。

7.如权利要求1所述的高强钛合金管材的轧制工艺，其特征在于，加热时间、保温时间和水冷冷却到室温的时间总计为3～9min。

8.如权利要求1所述的高强钛合金管材的轧制工艺，其特征在于，所述的开坯轧机为两辊开坯轧机。

9.如权利要求1所述的高强钛合金管材的轧制工艺，其特征在于，用于酸洗的酸洗液的包含质量分数35％的HNO₃和质量分数7％的HF，其余为水。

10.如权利要求1所述的高强钛合金管材的轧制工艺，其特征在于，所述的成品管材其显微组织为等轴α+β转。