CN103341520A - 一种tb9矩形截面钛合金丝材制备工艺 - Google Patents

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本发明属于钛合金加工领域，特别提供一种高强度、高韧性TB9矩形截面钛合金丝材制备工艺以及采用这种工艺制备出的丝材及弹簧。在1100℃～1150℃，保温1.5～3小时，采用自由锻造工艺，将TB9钛合金铸锭锻造成TB9钛合金锻棒；在900℃～1100℃，保温1～2小时，采用热轧工艺，将TB9钛合金锻棒热轧成TB9钛合金轧棒；在580℃～780℃，采用热拉拔制备工艺，将TB9钛合金轧棒热拉成TB9钛合金热拉丝材；在β单相下，采用冷拉拔工艺，在保证道次4%～10%变形量前提下，完成总变形量20%～35%冷拉拔变形，制备出TB9矩形截面钛合金冷拉丝材，该丝材经螺旋缠绕而成TB9矩形截面钛合金弹簧。

Description

一种TB9矩形截面钛合金丝材制备工艺
技术领域
本发明属于钛合金加工领域，特别提供一种高强度、高韧性TB9矩形截面钛合金丝材制备工艺以及采用这种工艺制备出的丝材及弹簧。
背景技术
金属弹簧是机械领域广泛应用的一类标准件，随着装备制造的升级换代，对弹簧的材料和性能提出了更高的要求，如：要求弹簧体积尽可能小以适应结构的小型化和一体化、弹簧的重量尽可能轻以增加装备的有效载荷、弹簧材料在海洋环境下具有高抗腐蚀性以提高使用寿命。现有钢弹簧所用材质通常为冷拔、油淬火弹簧钢丝，如65Si2MnWA、3Cr13、3J1、50CrVA、Ⅱa组(70)，弹簧钢丝的强度通常在1200MPa～1600MPa，但弹簧钢丝的耐腐蚀性差，在恶劣海洋环境等强腐蚀条件和往复应力条件下，钢制弹簧极易发生腐蚀、导致断裂失效。钛合金具有优异的耐工业腐蚀及耐海洋大气、海水腐蚀性能，其密度为4.5～4.8g/cm3，因此，与钢制弹簧相比，钛合金弹簧具有明显的减重作用和抗腐蚀能力。但钛合金的切变模量只是钢的一半，因此在相同结构尺寸的条件下，钛合金弹簧的刚度系数较小。采用矩形截面丝材代替圆形截面丝材制造弹簧，可明显增大丝材的横截面面积，在弹簧外扩尺寸改变很小的情况下，可得到较大的刚度系数，弥补切变模量小的问题。另外，与圆形截面相比矩形截面弹簧的稳定性好。但由于钛合金丝材表面亲和力大、变形热大、热容大，升温后润滑很难解决，加工过程丝材与模具摩擦、升温、产生积削瘤，划伤表面，增大拉丝阻力，出现表面裂纹。目前，异型截面包括矩形截面钛合金丝材在国内没有相关的产品和标准。本发明公开了一种矩形截面TB9钛合金丝材制备工艺，制备出性能和表面质量均满足使用要求的TB9矩形截面钛合金丝材和弹簧。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度、高韧性矩形截面TB9钛合金丝材制备工艺，制备出具有良好塑性、满足弹簧冷缠绕工艺要求和时效处理后弹簧丝材强度在1240～1380MPa的高强度矩形截面的钛合金丝材及弹簧。
TB9钛合金组分为：Al：3-4%，V：7.5-8.5%，Cr：5.5-6.5%，Mo：3.5-4.5%，Zr：3.5-4.5%，余量为Ti（重量百分比）。
本发明的技术方案是：按上述组分配料，制备电极，采用真空自耗熔炼制备TB9钛合金铸锭，采用锻造、热轧制备TB9钛合金棒线材，采用热拉拔和冷拉拔制备TB9钛合金冷拉丝材。具体工艺流程如下：
（1）、在1100℃～1150℃，保温1.5～3小时，采用自由锻造工艺，将TB9钛合金铸锭锻造成TB9钛合金锻棒；
（2）、在900℃～1000℃，保温1～2小时，采用热轧工艺，将TB9钛合金锻棒热轧成TB9钛合金轧棒；
（3）、在580℃～780℃，采用热拉拔制备工艺，将TB9钛合金轧棒热拉成TB9钛合金热拉丝材；
（4）、在β单相下，采用冷拉拔工艺，在保证道次4%～10%变形量前提下，完成总变形量20%～35%冷拉拔变形，制备出TB9矩形截面钛合金冷拉丝材。
丝材冷拉拔时，在保证道次4%～10%变形量前提下、以拉拔力最小为原则，采用对边前后道次依次变形的多道次拉拔工艺、完成总变形量20%～35%冷拉拔变形。针对矩形丝材过度倒角的要求，道次拉拔模具顶角的过度半径R依次减小，丝材在多道次冷拉拔过程中渐进完成丝材矩形截面的冷拉拔成型，最终制备出符合尺寸要求的冷拉拔矩形截面丝材。
按照上述工艺进行制备得到一种TB9矩形截面钛合金丝材。
将上述丝材通过螺旋缠绕得到一种TB9矩形截面钛合金弹簧。
本发明优点为：
通过真空自耗熔炼和重熔保证合金的主成分和杂质含量得到控制；通过热轧加工保证制备出显微组织均匀棒丝材；通过异型拉丝模多道次热拉拔制备出平均晶粒度在4级以上的矩形截面丝材，为高强度冷拉丝材的制备提供圆形截面或矩形截面的丝材坯料；通过异型拉丝模多道次冷拉拔制备出高强度、高韧性的TB9矩形截面钛合金冷拉丝材，使丝材具有较好的弹簧冷绕制工艺性能，经过时效强化热处理后，丝材的强度为1240～1380MPa，延伸率和面缩率分别大于10%和20%。
本发明制造的矩形截面TB9钛合金弹簧丝材在弹簧领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
实施例1
TB9钛合金组分为：Al：3-4%，V：7.5-8.5%，Cr：5.5-6.5%，Mo：3.5-4.5%，Zr：3.5-4.5%，余量为Ti。
按上述组分配料，制备电极，采用真空自耗熔炼制备TB9钛合金铸锭，铸锭的成分如表1所示。
表1.TB9钛合金铸锭上、中、下化学成分分析结果
Al Mo V Cr Zr Fe C O N H
上 3.38 3.82 8.03 6.05 3.98 0.29 0.0025 0.10 0.015 0.0013
中 3.46 3.94 8.08 6.04 3.92 0.28 0.0022 0.10 0.014 0.0010
下 3.44 3.81 8.05 6.18 4.00 0.30 0.0024 0.0092 0.012 0.0010
采用锻造、热轧制备TB9钛合金棒线材，采用热拉拔和冷拉拔制备TB9钛合金冷拉丝材。具体工艺流程如下：
（1）、在1100℃～1150℃，保温1.5小时，采用自由锻造工艺，将TB9钛合金铸锭锻造成Φ110mm的锻棒；
（2）、在950℃～1000℃，保温1小时，采用热轧工艺，将锻棒热轧成Φ16mm轧棒；轧棒拉伸性能如表2所示。
表2.Φ16mm轧棒拉伸性能
No. σb，MPa A，% Z，%
1 907 22 56
2 903 25 55
（3）、在680℃～780℃，采用热拉拔制备工艺，将轧棒热拉成11.5mm×10.0mm的TB9钛合金热拉丝材；钛合金热拉拔丝材的平均晶粒度为5级；
（4）、在β单相下，采用冷拉拔工艺，在保证道次4%～10%变形量前提下，完成总变形量20%～35%冷拉拔变形，制备出TB9矩形截面钛合金冷拉丝材。
通过8.3mm×10.1mm(R1.5)、8.1mm×10.1mm(R1)的冷拉拔模具冷拉拔TB9钛合金丝材，制备出8.1mm×10.1mm的冷拉拔矩形截面丝材，冷拉拔丝材经过表面处理后制备出8.0mm×10.0mm的冷拉拔矩形截面成品丝材。成品丝材拉伸性能如表3所示。
表3.8.0mm×10.0mm冷拉拔矩形截面丝材拉伸性能
No. σb，MPa A，% Z，%
1 1283 17 21
2 1290 16 23
采用8.0mm×10.0mm的冷拉拔矩形截面成品丝材制成的钛合金弹簧具有良好的弹性性能。
实施例2
TB9钛合金组分为：Al：3-4%，V：7.5-8.5%，Cr：5.5-6.5%，Mo：3.5-4.5%，Zr：3.5-4.5%，余量为Ti。
按上述组分配料，制备电极，采用真空自耗熔炼制备TB9钛合金铸锭，铸锭的成分如表4所示。
表4.TB9钛合金铸锭上、中、下化学成分分析结果
Al Mo V Cr Zr Fe C O N H
上 3.38 3.82 8.03 6.05 3.98 0.29 0.0025 0.10 0.015 0.0013
中 3.46 3.94 8.08 6.04 3.92 0.28 0.0022 0.10 0.014 0.0010
下 3.44 3.81 8.05 6.18 4.00 0.30 0.0024 0.0092 0.012 0.0010
采用锻造、热轧制备TB9钛合金棒线材，采用热拉拔和冷拉拔制备TB9钛合金冷拉丝材。具体工艺流程如下：
（1）、在1100℃～1150℃，保温1.5小时，采用自由锻造工艺，将TB9钛合金铸锭锻造成Φ110mm的锻棒；
（2）、在950℃～1000℃，保温1小时，采用热轧工艺，将锻棒热轧成Φ14mm的轧棒；轧棒拉伸性能如表5所示。
表5.Φ14mm轧棒拉伸性能
No. σb，MPa A，% Z，%
1 926 25 56
2 930 22 57
（3）、在680℃～780℃，采用热拉拔制备工艺，将轧棒热拉成9.3mm×8.0mm的TB9钛合金热拉丝材；钛合金热拉拔丝材的平均晶粒度为5级；
（4）、在β单相下，采用冷拉拔工艺，在保证道次4%～10%变形量前提下，完成总变形量20%～35%冷拉拔变形，制备出TB9矩形截面钛合金冷拉丝材。
通过6.5mm×8.5mm(R1.5)、6.5mm×8.1mm(R1)的冷拉拔模具冷拉拔TB9钛合金丝材，制备出6.5mm×8.1mm的冷拉拔矩形截面丝材，冷拉拔丝材经过表面处理后制备出6.4mm×8.0mm的冷拉拔矩形截面成品丝材。成品丝材拉伸性能如表6所示。
表6.6.4mm×8.0mm冷拉拔矩形截面丝材拉伸性能
No. σb，MPa A，% Z，%
1 1295 15 25
2 1298 16 23
采用6.4mm×8.0mm的冷拉拔矩形截面成品丝材制成的钛合金弹簧具有良好的弹性性能。
实施例3
TB9钛合金组分为：Al：3-4%，V：7.5-8.5%，Cr：5.5-6.5%，Mo：3.5-4.5%，Zr：3.5-4.5%，余量为Ti。
按上述组分配料，制备电极，采用真空自耗熔炼制备TB9钛合金铸锭，铸锭的成分如表7所示。
表7.TB9钛合金铸锭上、中、下化学成分分析结果
Al Mo V Cr Zr Fe C O N H
上 3.38 3.82 8.03 6.05 3.98 0.29 0.0025 0.10 0.015 0.0013
中 3.46 3.94 8.08 6.04 3.92 0.28 0.0022 0.10 0.014 0.0010
下 3.44 3.81 8.05 6.18 4.00 0.30 0.0024 0.0092 0.012 0.0010
采用锻造、热轧制备TB9钛合金棒线材，采用热拉拔和冷拉拔制备TB9钛合金冷拉丝材。具体工艺流程如下：
（1）、在1100℃～1150℃，保温3小时，采用自由锻造工艺，将TB9钛合金铸锭锻造成Φ110mm的锻棒；
（2）、在900℃～950℃，保温2小时，采用热轧工艺，将锻棒热轧成Φ16mm轧棒；轧棒拉伸性能见表8。
表8.Φ16mm轧棒拉伸性能
No. σb，MPa A，% Z，%
1 920 21 51
2 915 23 53
（3）、在580℃～680℃，采用热拉拔制备工艺，将轧棒热拉成11.5mm×10.0mm的TB9钛合金热拉丝材；钛合金热拉拔丝材的平均晶粒度为5级；
（4）、在β单相下，采用冷拉拔工艺，在保证道次4%～10%变形量前提下，完成总变形量20%～35%冷拉拔变形，制备出TB9矩形截面钛合金冷拉丝材。
通过8.3mm×10.1mm(R1.5)、8.1mm×10.1mm(R1)的冷拉拔模具冷拉拔TB9钛合金丝材，制备出8.1mm×10.1mm的冷拉拔矩形截面丝材，冷拉拔丝材经过表面处理后制备出8.0mm×10.0mm的冷拉拔矩形截面成品丝材。成品丝材拉伸性能如表9所示。
表9.8.0mm×10.0mm的冷拉拔矩形截面丝材拉伸性能
No. σb，MPa A，% Z，%
1 1306 14 23
2 1308 14 25
采用8.0mm×10.0mm的冷拉拔矩形截面成品丝材制成的钛合金弹簧具有良好的弹性性能。
实施例4
TB9钛合金组分为：Al：3-4%，V：7.5-8.5%，Cr：5.5-6.5%，Mo：3.5-4.5%，Zr：3.5-4.5%，余量为Ti。
按上述组分配料，制备电极，采用真空自耗熔炼制备TB9钛合金铸锭，铸锭的成分如表10所示。
表10.TB9钛合金铸锭上、中、下化学成分分析结果
Al Mo V Cr Zr Fe C O N H
上 3.38 3.82 8.03 6.05 3.98 0.29 0.0025 0.10 0.015 0.0013
中 3.46 3.94 8.08 6.04 3.92 0.28 0.0022 0.10 0.014 0.0010
下 3.44 3.81 8.05 6.18 4.00 0.30 0.0024 0.0092 0.012 0.0010
采用锻造、热轧制备TB9钛合金棒线材，采用热拉拔和冷拉拔制备TB9钛合金冷拉丝材。具体工艺流程如下：
（1）、在1100℃～1150℃，保温3小时，采用自由锻造工艺，将TB9钛合金铸锭锻造成Φ110mm的锻棒；
（2）、在900℃～950℃，保温2小时，采用热轧工艺，将锻棒热轧成Φ14mm轧棒；轧棒拉伸性能如表11所示。
表11.Φ14mm轧棒拉伸性能
No. σb，MPa A，% Z，%
1 937 23 53
2 943 23 55.
（3）、在580℃～680℃，采用热拉拔制备工艺，将轧棒热拉成9.3mm×8.0mm的TB9钛合金热拉丝材；钛合金热拉拔丝材的平均晶粒度为5级；
（4）、在β单相下，采用冷拉拔工艺，在保证道7次4%～10%变形量前提下，完成总变形量20%～35%冷拉拔变形，制备出TB9矩形截面钛合金冷拉丝材。
通过6.5mm×8.5mm(R1.5)、6.5mm×8.1mm(R1)的冷拉拔模具冷拉拔TB9钛合金丝材，制备出6.5mm×8.1mm的冷拉拔矩形截面丝材，冷拉拔丝材经过表面处理后制备出6.4mm×8.0mm的冷拉拔矩形截面成品丝材。成品丝材拉伸性能如表12所示。
表12.6.4mm×8.0mm冷拉拔矩形截面丝材拉伸性能
No. σb，MPa A，% Z，%
1 1321 13 28
2 1321 13 27
采用6.4mm×8.0mm的冷拉拔矩形截面成品丝材制成的钛合金弹簧具有良好的弹性性能。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种TB9矩形截面钛合金丝材制备工艺，其特征在于，其具体工艺流程如下：
（1）、在1100℃～1150℃，保温1.5～3小时，采用自由锻造工艺，将TB9钛合金铸锭锻造成TB9钛合金锻棒；
（2）、在900℃～1000℃，保温1～2小时，采用热轧工艺，将TB9钛合金锻棒热轧成TB9钛合金轧棒；
（3）、在580℃～780℃，采用热拉拔制备工艺，将TB9钛合金轧棒热拉成TB9钛合金热拉丝材；
（4）、在β单相下，采用冷拉拔工艺，在保证道次4%～10%变形量前提下，完成总变形量20%～35%冷拉拔变形，制备出TB9矩形截面钛合金冷拉丝材。
2.如权利要求1所述的一种TB9矩形截面钛合金丝材制备工艺制备出的丝材。
3.如权利要求2所述的丝材经螺旋缠绕而成的弹簧。
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