CN101934341A - Tc4钛合金筒形件的锻造工艺 - Google Patents
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Abstract
提供一种TC4钛合金筒形件的锻造工艺，按照如下步骤实施：铸锭分切→天燃气炉内加热→镦拔成棒坯→箱式电阻炉加热→锻成环坯→表面机械处理→包覆钢套→两相区加热→扩孔→芯轴拔长→终锻成品环坯→热处理→平整端面和内外表面→成品检验。采用本发明锻造的TC4钛合金筒形件在将钢包套扒除后其内外周表面及端面裂纹少且光滑平整，明显提高了钛合金材料的利用率和锻坯质量且降低了生产成本，在生产效率不降低的情况下，成本比改进前节省26％以上。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，特别是稀贵金属制品的加工工艺。
背景技术
由于钛及钛合金密度小、比强度高、耐腐蚀性能好以及优异的高温、低温性能等，被广泛用于航空航天、兵器、核能、石油、化工、冶金、机械、舰船、海洋开发、海水淡化以及医疗卫生、体育休闲等行业。随着钛及钛合金应用日益广泛，对钛及钛合金材料需求也不仅限于管、棒、板等常规材料，而薄带、型材、大型环件、大直径筒形件、各类标准件等，向钛及钛合金加工提出了更高的要求。TC4钛合金大直径筒形件就是近年国外需求量较大的一种钛合金产品。以往TC4钛合金大直径筒形件通常采用的方法为：一是铸锭→锻造制坯→冲孔→扩孔→锻拔→车光；二是铸锭→锻制→钻铣孔→车光。采用第一种工艺方法生产TC4钛合金大规格薄壁筒形件，由于锻造过程中的温降等原因，使钛合金的变形抗力急剧增大变形困难，筒形件两端面常有开裂现象，内外表面也伴有裂纹产生，导致材料投量大，成品率低。而采用第二种工艺方法生产大规格薄壁筒形件，铸造组织得不到完全破碎，性能不能满足使用要求；且由于采用了钻铣孔机加工方法，加工成本高，生产效率低。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种TC4钛合金筒形件的锻造工艺，通过合理的锻造工艺将钛铸锭改锻成合格的筒形件。
本发明采用的技术方案：TC4钛合金筒形件的锻造工艺，按照如下步骤实施：
(1)将铸锭分割为小块的锭坯；
(2)将锭坯放入天燃气加热炉内，加热升温到1150℃，保温150分钟，使锭坯内外温度均匀一致；
(3)利用锻锤经过大于70％的变形率，将锭坯镦拔成棒坯；
(4)将棒坯放入箱式电阻炉内，加热升温到960℃，保温120分钟，然后将棒坯镦制成坯饼；
(5)在坯饼中心冲孔、扩孔；
(6)将坯饼放入箱式电阻炉内加热到960℃后锻成环坯；
(7)将环坯表面进行机械处理；
(8)用钢包套将环坯包覆起来；
(9)将包覆起来的环坯放入箱式电阻炉内加热到1050℃，保温60分钟进行扩孔，然后再次加热拨长；
(10)锻成得成品环坯；
(11)将成品环坯进行完全退火，将成品环坯放入箱式电阻炉内，温度控制在780℃，保温60分钟后取出，空冷；
(12)去掉钢包套，平整成品环坯的端面和内外表面得最终环坯；
(13)最终环坯检验。
上述步骤(9)是这样完成的：
①将包覆起来的环坯放入箱式电阻炉内加热到1050℃，保温60分钟用芯轴再次进行扩孔；
②再次将包覆起来的环坯放入箱式电阻炉内加热到960℃用圆摔子进行整形拔长，若拨长不到合适的尺寸，则重复上述步骤直至拨长到合适尺寸。
上述工艺中所述钢包套厚度为30mm。
所述钢包套厚度与TC4筒形材的壁厚比例为1∶4。
本发明与现有技术相比采用钢包套包覆锻造，明显提高了钛合金材料的利用率和锻坯质量且降低了生产成本，在生产效率不降低的情况下，成本比改进前节省26％以上。
具体实施方式
TC4钛合金是一种用途广，工艺性能都很成熟的钛合金。文献中关于TC4合金的锻造及注意事项都有较多的介绍可以借鉴参考，且锻件性能决定于锻造工艺及其最终显微组织。对于该规格的筒型材用户对最终组织和性能的要求不是很高，对其显微组织的要求是：必须是两相区加工产生的组织，不得有完整的原始β晶界，只要在铸锭开坯时采用大于60％的火次变形量，中间火次变形量控制在30％以上，成品筒材火次变形量的锻造比尽量控制在1.3左右，得到满足用户技术要求的产品是有保证的。在锻造温度范围内，TC4钛合金的变形抗力随着变形温度的降低而急剧增加，据此，采用包覆一定厚度的钢包套，使其与外界的热交换尽可能的减少，起到一定的保温作用，还能够使其在锻造温度范围内使用较小的锻造力来完成金属的变形，同时可大大的提高金属的塑性，减少或消除由于温度快速降低导致变形抗力剧增所至的裂纹。
下面描述本发明的一种实施例。
锻造成品规格为Φ420×d380×980，单重为111Kg，金相组织达到A10级以内；使用的设备有：锯床，锻压机，天然气加热炉，110KW箱式电阻炉；使用的铸锭单重240Kg，直径Φ380mm。
TC4钛合金筒形件的锻造工艺，按照如下步骤实施：
(1)用锯床将铸锭切成Φ380mm×470mm锭坯；
(2)将锭坯放入天燃气加热炉内，加热升温到1150℃，保温150分钟，使锭坯内外温度均匀一致；
(3)利用锻锤经过大于70％的变形率，将锭坯镦拔成棒坯；
(4)将棒坯放入箱式电阻炉内，加热升温到960℃，保温120分钟，然后将棒坯镦制成坯饼；
(5)在坯饼中心冲孔、扩孔；
(6)将坯饼放入箱式电阻炉内加热到960℃后锻成Φ500×Φ275mm×385mm的环坯；
(7)将环坯表面进行机械处理；
(8)用厚度为30mm的钢包套将环坯包覆起来；
(9)将包覆起来的环坯放入箱式电阻炉内加热到1050℃，保温60分钟进行扩孔，然后再次加热拨长；
①将包覆起来的环坯放入箱式电阻炉内加热到960℃，保温60分钟用芯轴再次进行扩孔；
②再次将包覆起来的环坯放入箱式电阻炉内加热到960℃用圆摔子进行整形拔长，若拨长不到合适的尺寸，则重复上述步骤，圆摔子整形拔长后环坯尺寸为Φ464mm×d340mm×h1020mm；
(10)锻成得成品环坯；
(11)将成品环坯进行完全退火，将成品环坯放入箱式电阻炉内，温度控制在780℃，保温60分钟后取出，空冷；
(12)去掉钢包套，平整成品环坯的端面和内外表面得最终环坯；最终环坯尺寸外径在Φ444mm～Φ434mm之间，内径在d336mm～Φ345mm之间，高度在h990mm～h1015mm之间，尺寸十分理想；
(13)最终环坯检验。
在本次工艺试制前我们对包钢套的材质及钢套的厚度间关系进行了工艺研究，摸索出了在钢包套材质确定后钢包套厚度与TC4筒形材的壁厚比例一般为1：4左右。
上述步骤(7)经机械加工处理后的变形环坯，用钢筒将内、外及两端面密封包覆后，在两相区加热进行扩孔、拔长工序，当内孔已扩至比成品锻坯的内径尺寸略大约5～10毫米时，便可进行专门的芯轴拔长工序，此工序要注意以下几点：
(1)拔长用的半圆摔子的宽度不可太宽否则将会影响金属沿轴向的流动；
(2)芯轴表面要光滑且在芯轴表面用石墨加机油进行润滑；
(3)在开锻前用烧红的钢棒将半圆摔子预热；
(4)半圆摔子的型腔四边必须有较大的倒角；
需要强调的是：包钢套后环坯的壁厚较厚在锻造扩孔拔长时要掌握好进给量与压下量的关系，否则易造成TC4钛合金筒形件的微裂纹。采用本发明锻造的TC4钛合金筒形件在将钢包套扒除后其内外周表面及端面裂纹少且光滑平整。
工艺改进前后TC4钛合金筒形件的力学性能如下表：
| σb/MPa | σr0.2/MPa | δ5/％ | ψ/％ | |
| 工艺改进前(1) | 920MPa | 840MPa | 9 | 25 |
| 工艺改进后 | 945MPa | 869MPa | 14.5 | 40.6 |
| 客户要求值 | ≥895MPa | ≥828MPa | ≥10.0 | ≥25.0 |
注：改进前工艺的室温力学性能为背景技术中第2种工艺方法所得。
TC4钛合金大直径筒形件超声波探伤检验结果表明达到GB5193的A级，经完全退火后其显微组织为等轴双相组织，也完全満足了产品的技术要求，其室温力学性能也都高于客户的要求值。
工艺改进前后经济分析：
假设成品锻坯的尺寸为Φ464mm×d340mm×h1020mm。
若全部采用原第1种方式进行锻造生产筒形件，则TC4钛合金材料投料量至少需要360kg，材料费为360kg×120元/kg＝43200元，而且锻出的成品环坯裂纹相当严重，对压力机的吨位要求大，能耗大。
而采用包覆钢包套进行锻造，不但减少了对压力机吨位的要求，降低了能耗，而且由于钢包套的变形温度较宽，降温时其变形抗力变化缓慢，因而表面裂纹少，且钢包套的价格把密度因素考虑进去还不到TC4钛合金的五分之一，其成本为：钢包套价格按15元/kg，需用钢套重量：213kg×15元/kg＝3195元，TC4钛合金材料投料量需要240kg×120元/kg＝28800元。两项相加：3195元+28800元＝31995元，比较后得出：采用钢套包覆锻造比常规锻造节省成本26％以上。
Claims (4)
1.TC4钛合金筒形件的锻造工艺，其特征是按照如下步骤实施：
(1)将铸锭分割为小块的锭坯；
(2)将锭坯放入天燃气加热炉内，加热升温到1150℃，保温150分钟，使锭坯内外温度均匀一致；
(3)利用锻锤经过大于70％的变形率，将锭坯镦拔成棒坯；
(4)将棒坯放入箱式电阻炉内，加热升温到960℃，保温120分钟，然后将棒坯镦制成坯饼；
(5)在坯饼中心冲孔、扩孔；
(6)将坯饼放入箱式电阻炉内加热到960℃后锻成环坯；
(7)将环坯表面进行机械处理；
(8)用钢包套将环坯包覆起来；
(9)将包覆起来的环坯放入箱式电阻炉内加热到1050℃，保温60分钟进行扩孔，然后再次加热拨长；
(10)锻成得成品环坯；
(11)将成品环坯进行完全退火，将成品环坯放入箱式电阻炉内温度控制在780℃，保温60分钟后取出，空冷；
(12)去掉钢包套，平整成品环坯的端面和内外表面得最终环坯；
(13)最终环坯检验。
2.根据权利要求1所述的TC4钛合金筒形件的锻造工艺，其特征在于：上述步骤(9)是这样完成的：
①将包覆起来的环坯放入箱式电阻炉内加热到1050℃，保温60分钟用芯轴再次进行扩孔；
②再次将包覆起来的环坯放入箱式电阻炉内加热到960℃用圆摔子进行整形拔长，若拨长不到合适的尺寸，则重复上述步骤直至拨长到合适尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的TC4钛合金筒形件的锻造工艺，其特征在于：上述工艺中所述钢包套厚度为30mm。
4.根据权利要求3所述的TC4钛合金筒形件的锻造工艺，其特征在于：所述钢包套厚度与TC4筒形材的壁厚比例为1∶4。
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