CN104551547A - 一种高强度钛合金管件的加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强钛合金管件的制作工艺，该工艺采用斜轧穿孔和机械推制机结合的方法制得高强钛合金管坯，通过机械加工的方法制得管件生产所需原料管材，解决了难变形的高强度钛合金管材制备技术难题，实现了强度在900MPa等级的高强钛合金管件的生产技术。其管件生产工艺主要包括以下步骤：管坯的制作、管材内外表面处理、管件成型、机加、表面处理等。

Description

一种高强度钛合金管件的加工工艺
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件的加工工艺。
背景技术
当前用于制作无缝管件原料的钛及钛合金管材，尤其是强度超过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管材。这样生产的管材成材率低且成本高，无法满足管件市场的“小批量、多品种、多规格、货期短”的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强钛合金管件的制作工艺，该工艺采用斜轧穿孔和扩孔技术获得管坯，通过机加方式获得管材，最终选用中频感应推制机或模具成型的方式得到高强钛合金管件。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高强钛合金管件的加工工艺，包括以下步骤：
1）管坯制作
将经过表面处理得到的表面呈无缺陷、无氧化皮的白亮状态的钛合金棒坯，装入安装有中频感应加热炉的斜轧穿孔机轨道后，启动中频感应加热炉使棒坯在8min～10min之内加热到950～1050℃，并在电炉内保温30min，确保棒坯温度均匀一致，然后通过轨道进入斜轧穿孔机，进行管坯制作，变形量控制在50～70%，管坯壁厚和外径之比为1：7～12，管坯穿孔速度控制在600mm/min～800 mm/min，穿孔结束后宜采用快速空冷的方法降至常温。对于大规格管坯可采用二次穿孔的方式来扩大直径和减少壁厚。将穿完孔的管坯装入电炉内加热至850～950℃，在电炉内保温30min，并通过轨道送入斜轧穿孔机，进行管坯二次穿孔，变形量控制在10～25%，管坯壁厚和外径之比为1：10～15，管坯穿孔速度控制在400mm/min～500 mm/min，穿孔结束后宜采用快速空冷的方法降至常温；
2）管坯扩孔
经斜轧穿孔制得的管坯由于规格较小,须经过不同程度的扩孔后可作为不同规格管件的坯料.将管坯按最终产品的工艺要求长度下料,下料后将管坯端面机加平整后在内表面裹上铁皮(需完全退火),选用石墨+二硫化钼为润滑剂涂于管坯内表面。将准备好的管坯装在中频感应推制机的芯杆上,并安装好扩口模具,中频感应加热温度控制在800～850℃，推制进给速度为150mm/min～200 mm/min,扩口后利用管坯的余温在油压机上整型,确保管坯成型效果后空冷至室温并去掉内部铁皮；
3）管材机加工
经斜轧穿孔和扩孔制得的管坯经过高温加热后表面有较厚的氧化层,管坯经车床内外表面扒皮处理后获得表面无氧化层、无缺陷的光亮管材，即为管件的原料；
4）管件成型
将表面光亮的管材根据工艺要求选用中频感应推制机或模具成型的方式加工成弯头、异径管、三通等管件，加热温度控制在700～800℃，成型后通过喷砂处理其内外表面。
进一步的，所述的管件为强度在900MPa以上的钛合金管件。
进一步的，所述的管材是通过一次或两次斜轧穿孔和推制机扩孔获得的管坯，并通过机加去除内外表面氧化皮获得的管材。
进一步的，所述的成品管件其显微组织为等轴α + β转，等轴α的平均晶粒度为6级。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1．本发明公开的管坯的制作工艺，解决了难变形的高强度钛合金管材制备的技术难题，实现了强度在900MPa以上的钛合金管件的制备。对于难变形的高强度钛合金材料，管坯制备选用中频感应加热炉快速加热并通过电炉均温处理后，在斜轧穿孔机上通过一次或两次穿孔获得管坯；
2．本发明公开的管材的加工工艺，管坯经中频感应推制机加热后扩口获得合适尺寸，通过机械加工的方式去处内外表面的氧化皮，直至获得所需规格的管材；
3、本发明公开的高强钛合金管件的加工工艺，其管材的制作，管件的成型、热处理等工艺能够实现管件市场的“小批量、多品种、多规格、供货期短”的特点，适合于工业化小批量生产。
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。
本发明公开了一种高强钛合金管件的制作工艺，该工艺采用斜轧穿孔和机械推制机结合的方法制得高强钛合金管坯，通过机械加工的方法制得管件生产所需原料管材，解决了难变形的高强度钛合金管材制备技术难题，实现了强度在900MPa等级的高强钛合金管件的生产技术。其管件生产工艺主要包括以下步骤：管坯的制作、管材内外表面处理、管件成型、机加、表面处理等。
实施例1：无缝弯头 90E(L)Ø133×5mm
以强度在900MPa以上的钛合金棒材为基材，进行无缝弯头 90E(L)Ø133×5mm钛合金管件的制造；棒材的尺寸为Φ80×800mm，棒材的拉伸性能为Rm = 965MPa，Rp0.2 = 890MPa，A5 = 14%；显微组织为等轴α + β转两相组织，晶粒度为6级。
其具体的轧制步骤为：
1.1棒材的制作：将锻造的规格Φ90mm×L棒材机加至Φ80×800mm 的光棒，棒材一端用钻床打好中心孔，棒材表面无裂纹、起皮以及夹杂等缺陷，表面局部允许有修磨，但修磨深度不得超过棒材直径的5%，且修磨部位和周围要光滑过渡。
1.2管坯的制作：将Φ80×800mm钛合金棒坯，装入安装有中频感应加热炉的斜轧穿孔机轨道后，启动中频感应加热炉使棒坯在8min～10min之内加热到950～1050℃，并在电炉内保温30min，确保棒坯温度均匀一致，然后通过轨道进入斜轧穿孔机，管坯穿孔速度控制在600mm/min～800 mm/min，变形量控制在56.3%，获得管坯规格Φ80×10×3400mm，穿孔结束后采用快速空冷的方法降至常温。将获得管坯在锯床上下料Φ80×10×1100mm，并在斜轧穿孔机上进行二次穿孔，将管坯装入电炉内加热至850～950℃，在电炉内保温30min，并通过轨道送入斜轧穿孔机，进行管坯二次穿孔，变形量控制在16.6%，穿孔速度控制在500mm/min～600mm/min获得管坯规格Φ110×8×900mm，穿孔结束后经过矫直机热矫直后空冷的至常温。
1.3管材制备：将管坯Φ110×8×900mm中断后在车床上去除内表面的氧化皮，获得管材Φ108×5.5×420mm。
1.4无缝弯头 90E(L)Ø133×5mm成型：将加工好的管材内表面涂抹二硫化钼+石墨润滑剂并选用0.5mm的铁皮作为内衬，准备好后将其装入推制机芯杆。选用中频感应加热和推制机，加热功率为30±5KW，推制进给速度为3mm/s，弯曲半径190mm，获得90E(L)Ø133×5mm管件的毛坯，推制成型后在油压机上选用相应的模具及时热整形，确保成型的管件形位公差符合要求。
1.5无缝弯头 90E(L)Ø133×5mm的机加及表面处理：推制成型后的钛合金管件需通过机加后才达到要求，机加后形位公差达到如下要求：外径D外在131.7—135.4mm，内径D内=Φ123±1.6mm，壁厚4.38mm<T<5.63mm，端面平整，V形坡口:37.5°±2.5°，钝边:1.6±0.8mm。同时确保弯头表面无氧化、起皮、裂纹、毛刺、划伤、油污、气孔等缺陷。
1.6无缝弯头 90E(L)Ø133×5mm的检验：依据JB/T 4730.5-2005，弯头内外表面100%着色渗透检验并达到Ⅰ级合格，外观质量及形位公差达到GBT 27684-2011 钛及钛合金无缝和焊接管件标准的相关要求。
实施例2：无缝三通 T(S) Ø168.3×5mm
进行无缝三通 T(S)Ø168.3×5mm的基材与实施例1相同，具体成型工艺的参数不同，具体成型步骤为：
2.1棒材的制作：将锻造的规格Φ90mm×L棒材机加至Φ80×800mm 的光棒，棒材一端用钻床打好中心孔，棒材表面无裂纹、起皮以及夹杂等缺陷，表面局部允许有修磨，但修磨深度不得超过棒材直径的5%，且修磨部位和周围要光滑过渡。
2.2管坯的制作：将Φ80×800mm钛合金棒坯，装入安装有中频感应加热炉的斜轧穿孔机轨道后，启动中频感应加热炉使棒坯在8min～10min之内加热到950～1050℃，并在电炉内保温30min，确保棒坯温度均匀一致，然后通过轨道进入斜轧穿孔机，管坯穿孔速度控制在600mm/min～800 mm/min，变形量控制在56.3%，获得管坯规格Φ80×10×3400mm，穿孔结束后采用快速空冷的方法降至常温。将获得管坯在锯床上下料Φ80×10×800mm，并在斜轧穿孔机上进行二次穿孔，将管坯装入电炉内加热至850～950℃，在电炉内保温30min，并通过轨道送入斜轧穿孔机，进行管坯二次穿孔，变形量控制在17.5%，穿孔速度控制在500mm/min～600mm/min获得管坯规格Φ114×8×650mm，穿孔结束后经过矫直机热矫直后空冷的至常温。
2.3管坯扩径：将斜轧穿孔获得规格Φ114×8×650mm的管材内表面涂抹二硫化钼+石墨的润滑剂，同时在内表面包覆铁皮。将准备好的管坯装入推制机芯杆上，芯杆固定好后再另一端安装扩径模具，采用中频感应加热，加热功率为20±5KW，推制进给速度为3mm/s，获得Φ211×8×340mm管坯，取掉铁皮。
2.4管材制备：将管坯Φ211×8×330mm在车床上去除内表面的氧化皮，获得管材Φ210×6.0×330mm。
2.5无缝三通 T(S) Ø168.3×5mm成型： 将Φ210×6.0×330mm管材装入电路内加热至800±50℃，保温30min，并在油压机上压扁至168.3mm（板间距）。在300T油压机上安装相应规格的三通模具，将压扁的管材装入电炉内加热至600±50℃，保温30min，取出装入模具，并对变形部位用或火焰枪辅助加热，分多次成型后获得T(S) Ø168.3×5mm的毛坯。
2.6无缝三通 T(S) Ø168.3×5mm的机加及表面处理：毛坯经过机加后才达到要求，机加后形位公差达到如下要求：外径D外在166.7—170.7mm之间，内径D内=Φ158.3±1.6mm，壁厚4.38mm<T<5.63mm，端面平整，V形坡口:30.5°±2.5°，钝边:1.6±0.8mm。同时确保弯头表面无氧化、起皮、裂纹、毛刺、划伤、油污、气孔等缺陷。
2.7无缝三通 T(S) Ø168.3×5mm的检验：依据JB/T 4730.5-2005，弯头内外表面100%着色渗透检验并达到Ⅰ级合格，外观质量及形位公差达到GBT 27684-2011 钛及钛合金无缝和焊接管件 标准的相关要求。
实施例3：无缝弯头 90E(L) Ø219.1×5mm
进行无缝弯头 90E(L) Ø219.1×5mm的基材与实施例1、2相同，具体成型工艺的参数不同，具体成型步骤为：
3.1棒材的制作：将锻造的规格Φ90mm×L棒材机加至Φ80×800mm 的光棒，棒材一端用钻床打好中心孔，棒材表面无裂纹、起皮以及夹杂等缺陷，表面局部允许有修磨，但修磨深度不得超过棒材直径的5%，且修磨部位和周围要光滑过渡。
3.2管坯的制作：将Φ80×800mm钛合金棒坯，装入安装有中频感应加热炉的斜轧穿孔机轨道后，启动中频感应加热炉使棒坯在8min～10min之内加热到950～1050℃，并在电炉内保温30min，确保棒坯温度均匀一致，然后通过轨道进入斜轧穿孔机，管坯穿孔速度控制在600mm/min～800 mm/min，变形量控制在56.3%，获得管坯规格Φ80×10×3400mm，穿孔结束后采用快速空冷的方法降至常温。将获得管坯在锯床上下料Φ80×10×1300mm，并在斜轧穿孔机上进行二次穿孔，将管坯装入电炉内加热至850～950℃，在电炉内保温30min，并通过轨道送入斜轧穿孔机，进行管坯二次穿孔，变形量控制在21.9%，穿孔速度控制在500mm/min～600mm/min获得管坯规格Φ120×8×1100mm，穿孔结束后经过矫直机热矫直后空冷的至常温。
3.3管坯扩径：将斜轧穿孔获得规格Φ120×8×1100mm的管材内表面涂抹二硫化钼+石墨的润滑剂，同时在内表面包覆铁皮。将准备好的管坯装入推制机芯杆上，芯杆一端固定好后另一端安装扩径模具，采用中频感应加热，加热功率为20±5KW，推制进给速度为3mm/s，获得Φ151×8×800mm管材坯，取掉铁皮。
3.4管材制备：将管坯Φ150×8×800mm在车床上去除内表面的氧化皮，获得管材Φ150×6.0×770mm。
3.5无缝弯头 90E(L) Ø219.1×5mm成型：将Φ150×6.0×770mm加工好的管材内表面涂抹二硫化钼+石墨润滑剂并选用0.5mm的铁皮作为内衬，准备好后将其装入推制机芯杆。选用中频感应加热和推制机，加热功率为30±5KW，推制进给速度为3mm/s，弯曲半径305±2mm，获得90E(L)Ø219.1×5mm管件的毛坯，推制成型后在油压机上选用相应的模具及时热整形，确保成型的管件形位公差符合要求。
3.6无缝弯头 90E(L)Ø219.1×5mm的机加及表面处理：推制成型后的钛合金管件需通过机加后才达到要求，机加后形位公差达到如下要求：外径D外在217.5—221.5mm之间，内径D内=Φ209±1.6mm，壁厚4.38mm<T<5.63mm，端面平整，V形坡口:37.5°±2.5°，钝边:1.6±0.8mm。同时确保弯头表面无氧化、起皮、裂纹、毛刺、划伤、油污、气孔等缺陷。
3.7 无缝弯头 90E(L)Ø219.1×5mm的检验：依据JB/T 4730.5-2005，弯头内外表面100%着色渗透检验并达到Ⅰ级合格，外观质量及形位公差达到GBT 27684-2011 钛及钛合金无缝和焊接管件标准的相关要求。

Claims (4)

1.一种高强度钛合金管件的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）管坯制作：将经过表面处理得到的表面呈无缺陷、无氧化皮的白亮状态的钛合金棒坯，装入安装有中频感应加热炉的斜轧穿孔机轨道后，启动中频感应加热炉使棒坯在8min～10min之内加热到950～1050℃，并在电路内保温30min，确保棒坯温度均匀一致，然后通过轨道进入斜轧穿孔机，进行管坯制作，变形量控制在50～70%，管坯壁厚和外径之比为1：7～12，管坯穿孔速度控制在600mm/min～800 mm/min，穿孔结束后宜采用快速空冷的方法降至常温；
（2）管坯扩孔：经斜轧穿孔制得的管坯由于规格较小，须经过不同程度的扩孔后可作为不同规格管件的坯料；将管坯按最终产品的工艺要求长度下料，下料后将管坯端面机加平整后在内表面裹上铁皮(需完全退火)，选用石墨+二硫化钼为润滑剂涂于管坯内表面；将准备好的管坯装在中频感应推制机的芯杆上，并安装好扩口模具，中频感应加热温度控制在800～850℃，推制进给速度为150mm/min～200 mm/min,扩口后利用管坯的余温在油压机上整型，确保管坯成型效果后空冷至室温并去掉内部铁皮；
（3）管材机加工：经斜轧穿孔和扩孔制得的管坯经过高温加热后表面有较厚的氧化层，管坯经车床内外表面扒皮处理后获得表面无氧化层、无缺陷的光亮管材，即为制造管件的所需管材；
（4）管件成型：将表面光亮的管材根据工艺要求选用中频感应推制机或模具成型的方式加工成弯头、异径管、三通等管件，加热温度控制在800～850℃，成型后通过喷砂处理其内外表面。
2.根据权利要求1所述的一种高强度钛合金管坯的制备工艺，其特征在于，步骤（1）所述的管坯为斜轧穿孔机轧制的强度在900Mpa的钛合金。
3.根据利要求1所述的一种高强度钛合金管件的成型工艺，其特征在于，步骤（4）所述管件采用中频感应推制机或模压的方式来成型，加工温度为700～800℃。
4.根据权利要求1所述的一种高强度钛合金管件的加工工艺，其特征在于，步骤（4）所述的成品管件其显微组织为等轴α + β转，等轴α的平均晶粒度为6级。
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