CN103934269B

CN103934269B - 一种tc4钛合金无缝管及其生产方法

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Publication number: CN103934269B
Application number: CN201410127002.7A
Authority: CN
Inventors: 邹友富; 成海涛; 边华川; 郭元蓉; 黄英; 刘昊; 李银; 冯庆; 张凯之; 刘波; 曾理; 江健; 程震; 任涛; 来得志; 李栋
Original assignee: Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: CN103934269A

Abstract

本发明提供了一种TC4钛合金无缝管及其生产方法。所述方法包括：在环形加热炉中加热TC4钛合金的圆坯料至920～980℃；对圆坯料进行在线热定心；进行斜轧穿孔，其中，控制总直径压下率为9～16%，控制顶前压下率为2.5～11%，控制椭圆度系数为1.13～1.20，控制穿孔速度为0.2～0.5m/s；精密斜轧，形成荒管，总直径压下率为12～18%，椭圆度系数为1.08～1.15，轧管速度为0.3～0.4m/s；将荒管温度控制为860～940℃，定径，空冷，得到TC4钛合金无缝管。本发明能够得到具有优良力学性能的TC4钛合金无缝管；生产效率高，可实现批量生产，成材率可达90%以上。

Description

一种TC4钛合金无缝管及其生产方法

技术领域

本发明属于钛合金无缝管生产技术领域，具体来讲，涉及一种TC4钛合金无缝管及其生产方法。

背景技术

一般来讲，TC4合金性能成熟稳定，是目前应用最广泛的钛合金，约占钛合金用量的60％以上。TC4钛合金无缝管的生产方法主要有挤压成型、棒材钻镗孔和斜轧穿孔后冷轧冷拔等。挤压成型生产方法成材率低，尺寸精度差，生产成本高；棒材钻镗孔的生产方法尺寸精度较好，但加工成本高，成材率低，尤其是大口径薄壁管；斜轧穿孔后冷轧冷拔的生产方法虽然成材率较高，但该合金常温下强度高、塑性差，冷轧冷拔变形抗力大，需要多道次反复退火，生产效率低、生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。

例如，本发明的目的之一在于提供一种能够适合于生产TC4钛合金无缝管的生产方法。

本发明的一方面提供了一种TC4钛合金无缝管的生产方法。所述方法包括依次进行的以下步骤：在环形加热炉中加热TC4钛合金的圆坯料至920～980℃，其中，控制环形加热炉处于弱氧化性气氛，炉内残氧量的体积浓度控制为2～5％；对圆坯料进行在线热定心；进行斜轧穿孔，并控制总直径压下率为9～16％，控制顶前压下率为2.5～11％，控制椭圆度系数为1.13～1.20，控制穿孔速度为0.2～0.5m/s；进行精密斜轧，形成荒管，其中，控制总直径压下率为12～18％，控制椭圆度系数为1.08～1.15，控制轧管速度为0.3～0.4m/s，控制精密斜轧的入口温度为850～920℃；将精密斜轧所得荒管的温度控制为860～940℃，定径形成成品光管，定径时控制单机架减径率为1.7～2.6％，控制定径速度为0.4～0.8m/s；空冷，精整得到TC4钛合金无缝管。

本发明的另一方面提供了一种TC4钛合金无缝管。所述TC4钛合金无缝管采用如上所述的生产方法制得，其屈服强度达到770～960MPa，抗张强度≥880MPa，延伸率≥12％，符合API标准中P110钢级的要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：能够得到具有优良力学性能(例如，屈服强度达到770～960MPa，抗张强度≥880MPa，延伸率≥12％)的TC4钛合金无缝管；工艺流程合理，生产效率高，可实现批量生产；成材率高，可达90％以上。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的TC4钛合金无缝管及其生产方法。

根据本发明一方面的TC4钛合金无缝管的生产方法包括依次进行的以下步骤：在环形加热炉中加热TC4钛合金的圆坯料至920～980℃，其中，可以以纯净的天然气加热环形加热炉，并控制空燃比为11～13：1；对圆坯料进行在线热定心；进行斜轧穿孔，其中，控制总直径压下率为9～16％，控制顶前压下率为2.5～11％，控制椭圆度系数为1.13～1.20，控制穿孔速度为0.2～0.5m/s；进行精密斜轧，形成荒管，其中，控制总直径压下率为12～18％，控制椭圆度系数控制为1.08～1.15，控制轧管速度为0.3～0.4m/s，控制精密斜轧的入口温度为850～920℃，轧后荒管温度控制为860～940℃(优选为875～920℃)；定径形成成品光管，控制单机架减径率为1.7～2.6％，控制定径速度为0.4～0.8m/s，空冷，精整得到TC4钛合金无缝管。

在本发明方法的一个示例性实施例中，在环形加热炉中加热TC4钛合金的圆坯料的步骤可以包括使圆坯料依次通过环形加热炉中的热回收段、预热段、加热一段、加热二段、加热三段、均热一段和均热二段，其中，热回收段和预热段的温度为600～800℃，加热一段和加热二段的温度为800～900℃，加热三段的温度为900～980℃，均热一段和均热二段的温度为920～980℃，以将TC4钛合金的圆坯料加热至920～980℃，优选地，加热至950～970℃。

在本发明方法的一个示例性实施例中，在所述进行斜轧穿孔的步骤中，优选地，控制总直径压下率为12～14％，控制顶前压下率为5～8％，控制椭圆度系数为1.15～1.18，控制穿孔速度为0.3～0.45m/s。

本发明的方法根据TC4钛合金的热变形特性设置出相关工艺参数，通过采用环形炉加热、斜轧穿孔、精密斜轧管、控温(或再加热)定径的工艺流程能够生产出具有优良力学性能的不同规格TC4钛合金无缝管。

根据本发明另一方面的TC4钛合金无缝管采用如上所述的生产方法制得。所述TC4钛合金无缝管的屈服强度达到770～960MPa，抗张强度≥880MPa，延伸率≥12％，符合API标准中P110钢级的要求。

在本发明的一个示例性实施例中，TC4钛合金无缝管的生产方法可以采用如下方式来实现：

准备TC4钛合金棒材，其化学成分符合GB/T3620.2-2007，采用真空自耗电弧炉熔炼、锻造并机加工得到圆坯作为坯料(即，圆坯料)。例如，圆坯料规格可以为Φ200、Φ220、Φ280和Φ310。圆坯料可自制，也可采购。

采用环形炉加热圆坯料，以将圆坯料均匀加热至920～980℃。具体来讲，对于环形炉加热而言，以纯净的天然气加热，空燃比控制在11～13：1，保持炉内微氧化性气氛，避免加热过程吸氢；适应TC4导热率低的特性，入炉后先在热回收段、预热段600～800℃以下低温加热，再到加热一段、加热二段800～900℃中温加热，到加热三段900～980℃高温加热，最后在均热一段、均热二段920～980℃透烧、均温。加热时间根据规格来确定。

对经环形加热炉加热后的圆坯料进行在线热定心。具体来讲，圆管坯出环形加热炉后上在线热定心机，头尾通过液压镦顶方式打定心孔，选择定心锥，保证定心孔径比穿孔顶头鼻部直径大5～15mm，定心孔深度为端面孔径的80～90％。例如，热定心工具为锥形体，锥形体剖面锥角为60°，锥尖部分截去制作成半圆球形，这样打出的定心孔呈锥形，端面孔径比穿孔顶头鼻部直径大5～15mm，锥度定心孔深度为端面孔径的80～90％。圆管坯在定心前为圆柱体，定心后于两端圆面中间形成锥形坑，定心孔端面直径比穿孔顶头鼻部直径大5～15mm，是便于穿孔时顶头对中以保证穿孔毛管壁厚均匀；尾定心孔除了有利于增加毛管壁厚均匀性外，还能减少穿孔形成不规则“耳子”，减少轧管工序毛管插芯棒时“耳子”被带入造成轧制缺陷；定心孔成锥形是为了避免圆柱形定心孔在穿孔过程中产生内折，适当的深度是让毛管壁厚均匀性与减少“耳子”形成的效果达到最佳状态。

对完成在线热定心的圆坯料进行斜轧穿孔。具体来讲，采用二辊斜轧穿孔机进行斜轧穿孔，为了适应TC4弹性模量小的特性，根据穿孔毛管规格不同，选择较大的总直径压下率和顶前压下率，分别达到9～16％和2.5～11％，椭圆度系数1.13～1.20，穿孔速度为0.2～0.5米/秒，导盘速度取穿孔速度的1.5～2.5倍。穿孔过程中根据测量毛管温升来配备适当的冷却水，以便将毛管外表面温度控制在960～990℃，穿孔辊用水冷却与润滑，导盘用专用润滑油润滑，常规合金钢顶头用水润滑。总直径压下率是坯料直径与穿孔变形中两轧辊最小间距之差除以坯料直径得到的百分率，由于TC4在相变点附近变形塑性好，但与钢相比其弹性模量大、变形抗力高，需要更大的总直径压下率，才能避免穿孔轧卡事故的发生；顶前压下率是指坯料直径与穿孔变形中顶头处两轧辊间距之差除以坯料直径得到的百分率，由TC4热变形塑性极高，难以形成穿孔曼内斯曼效应，因此需要较大的顶前压下率，才能保证毛管中间壁厚均匀。椭圆度系数是穿孔变形最小孔腔中两导盘距离与两穿孔辊距离的比值，由于TC4热变形的宽展较大，因此需要更大的椭圆度系数，才能保证穿孔过程平稳，保证毛管内外表面质量。穿孔速度是指穿孔过程中毛管头端的前进速度，导盘速度是指导盘工作面的线速度，导盘速度比穿孔速度快是为了增加穿孔变形时轧件的纵向流动，克服TC4宽展较大的特性，减少穿孔尾卡发生的可能性。

对斜轧穿孔得到的毛管进行精密斜轧，以得到荒管。具体来讲，控制总直径压下率为12～18％，控制椭圆度系数控制为1.08～1.15，控制轧管速度为0.3～0.4m/s，控制精密斜轧的入口温度为850～920℃，即可适应TC4热变形宽展较大的特性，使轧制过程稳定，从而保证轧后荒管内外表面质量及尺寸稳定。例如，芯棒用石墨乳喷涂两次增加厚度以加强润滑，导盘用润滑油润滑，轧辊水润滑并冷却，控制水量来控制轧管温升，使轧后荒管温度控制为860～940℃(优选为875～900℃)。

将精密斜轧得到的荒管的温度控制为860～940℃，然后定径形成成品光管，控制单机架减径率为1.7～2.6％，控制定径速度为0.4～0.8m/s，空冷，精整得到TC4钛合金无缝管。具体来讲，轧制出的荒管快速运行到再加热炉，根据荒管的温度选择走再加热炉的加热通道还是空过再加热炉的旁通通道(旁通通道基本不加热)，以将定径前荒管的温度控制为860～940℃；定径过程关小冷却水，关闭高压水除鳞装置，保证定径过程温度均匀。

下面通过具体示例来详细说明本发明的示例性实施例。下面的示例以生产规格为177.8×12.65mm的TC4钛合金无缝管为例，然而，本发明不限于此，也可通过本发明的方法生产其它规格(包括Φ200、Φ220、Φ280和Φ310等等)的TC4钛合金无缝管。

本示例的生产过程如下：

购置的TC4钛合金Φ200圆坯是生产厂家经真空自耗电弧炉熔炼、锻造和机加工得到，质量符合斜轧穿孔要求。其化学成分按重量百分比计为：6.39％的Al、4.07％的V、0.11％的Fe以及余量的Ti，该化学成分符合GB/T3620.2-2007的规定。

进行环形炉加热，其中，以纯净的天然气加热，空燃比按12：1设定，入炉后低温加热时，热回收段、预热段温度760～790℃，加热时间120分钟；中温加热时，加热一段、加热二段850～880℃，加热时间90分钟；高温加热时，加热三段温度为950～980℃；均温时，均热一段、均热二段940～980℃，加热时间90分钟。

出炉后上在线热定心机进行在线热定心，选择Φ50定心锥，穿孔顶头鼻部直径为36mm，定心孔端面直径为50mm，定心孔径比穿孔顶头鼻部直径大14mm，定心深度为40～45mm，头尾打热定心孔。

对热定心后的圆坯料进行斜轧穿孔。用Φ160水冷顶头，辊距170mm，导距203mm，顶伸量140mm，辗轧角14.2°，喂入角8.5°，采用0.2米/秒等速轧制，导盘速度按0.4米/秒设定。穿孔后毛管尺寸粗测为220×18mm。该参数下的总直径压下率为15.42％，顶前压下率为8.01％，椭圆度系数1.194，穿孔过程中配备适当的冷却水，保证毛管外表温度在960～980℃。穿孔辊用水冷却与润滑，导盘用专用润滑油润滑，常规合金钢顶头用水润滑，穿孔后均无粘钛合金现象。

对斜轧穿孔后的毛管进行精密斜轧。按轧制Φ200×13mm的荒管规格调试出的轧管参数，即采用Φ159mm芯棒，辊距181mm，导距196mm，辗轧角13.9°，喂入角5.5°，出口速度0.3米/秒，导盘速度按0.6米/秒设定。芯棒用石墨乳来回喷涂两次，附着层厚度较厚；导盘用润滑油润滑，轧辊水润滑并冷却，控制水量来控制轧管后荒管温度在950～980℃。

对荒管进行控温和定径处理。轧制出的荒管快速运行到再加热炉，测得其温度在870～885℃范围内，空过再加热炉的旁通工艺，顺利定径。定径入口温度为890～910℃，单机架减径率为2.23％，定径速度为0.6m/s，定径过程关小冷却水，关闭高压水除鳞装置，终轧温度为800～820℃，均匀性好。

检查尺寸数据，检查一批3支管材，每支检测头、中、尾三处，外径与壁厚均测最大值与最小值，3组数据如下表所示。

表1示例所得三支管材的尺寸情况

取样检验，本示例所制得的TC4钛合金无缝管的拉伸性能如表2所示。

表2示例所得三支管材的性能数据

管材编号	屈服强度(MPa)	抗张强度(MPa)	延伸率(％)
				1#	865	990	16
2#	870	985	15.5
				3#	855	970	17

综上所述，本发明的优点包括：

(1)能够利用采用环形炉加热、斜轧穿孔、精密斜轧管、控温(或再加热)定径的工艺流程开发出不同规格的TC4钛合金无缝管。

(2)得到的TC4钛合金无缝管具有良好的力学性能，例如，屈服强度达到770～960MPa，抗张强度≥880MPa，延伸率≥12％，符合API标准中P110钢级的要求。

(3)从坯料到成品的成材率高，可达90％以上，比现有技术的TC4钛合金无缝管生产方法高约10个百分点。

(4)生产效率高，可实现批量生产，产生较大的规模效益。

(5)生产的管材尺寸精度高，外径生产出来的管材除供用户直接使用外，还可作为用户精加工、深加工TC4钛合金无缝管的最经济用材。

尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims

1.一种TC4钛合金无缝管的生产方法，其特征在于，所述方法包括依次进行的以下步骤：

在环形加热炉中加热TC4钛合金的圆坯料至920～980℃，其中，控制环形加热炉处于弱氧化性气氛，炉内残氧量的体积浓度控制为2～5％；

对圆坯料进行在线热定心；

进行斜轧穿孔，并控制总直径压下率为9～16％，控制顶前压下率为2.5～11％，控制椭圆度系数为1.13～1.20，控制穿孔速度为0.2～0.5m/s，导盘速度为穿孔速度的1.5～2.5倍，并且穿孔过程中根据测量毛管温升来配备适当的冷却水，以便将毛管外表面温度控制在960～990℃；

进行精密斜轧，形成荒管，其中，控制总直径压下率为12～18％，控制椭圆度系数为1.08～1.15，控制轧管速度为0.3～0.4m/s，控制精密斜轧的入口温度为850～920℃；

将精密斜轧所得荒管的温度控制为860～940℃，定径形成成品光管，定径时控制单机架减径率为1.7～2.6％，控制定径速度为0.4～0.8m/s；

空冷，精整得到TC4钛合金无缝管。

2.根据权利要求1所述的TC4钛合金无缝管的生产方法，其特征在于，在环形加热炉中加热TC4钛合金的圆坯料至940～960℃。

3.根据权利要求1所述的TC4钛合金无缝管的生产方法，其特征在于，所述在环形加热炉中加热TC4钛合金的圆坯料的步骤包括：以纯净的天然气加热环形加热炉，并控制空燃比为11～13：1；使圆坯料依次通过环形加热炉中的热回收段、预热段、加热一段、加热二段、加热三段、均热一段和均热二段，其中，热回收段和预热段的温度为600～800℃，加热一段和加热二段的温度为800～900℃，加热三段的温度为900～980℃，均热一段和均热二段的温度为920～980℃。

4.根据权利要求1所述的TC4钛合金无缝管的生产方法，其特征在于，在所述进行斜轧穿孔的步骤中，控制总直径压下率为11～14％，控制顶前压下率为3.5～9％，控制椭圆度系数为1.15～1.18，控制穿孔速度为0.3～0.45m/s。

5.根据权利要求1所述的TC4钛合金无缝管的生产方法，其特征在于，所述精密斜轧的步骤中控制总直径压下率为14～16％，控制椭圆度系数为1.10～1.13，控制精密斜轧的入口温度为880～900℃。

6.根据权利要求1所述的TC4钛合金无缝管的生产方法，其特征在于，所述定径步骤将精密斜轧所得荒管的温度控制为875～910℃。

7.一种TC4钛合金无缝管，其特征在于，所述TC4钛合金无缝管采用如权利要求1至6中任意一项所述的生产方法制得。

8.根据权利要求7所述的TC4钛合金无缝管，其特征在于，所述TC4钛合金无缝管的屈服强度达到770～960MPa，抗张强度≥880MPa，延伸率≥12％。