CN106282867B - Ta2薄壁钛合金无缝钢管及其制备方法 - Google Patents

Ta2薄壁钛合金无缝钢管及其制备方法 Download PDF

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    • C21D8/105—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies of ferrous alloys

Abstract

本发明涉及一种无缝钢管及其制备方法，具体涉及一种TA2薄壁钛合金无缝管及其制备方法。本发明制备方法，包括环形加热炉加热→斜轧穿孔→真空退火→矫直→酸洗→冷轧→脱脂→真空退火→矫直→酸洗的步骤。本发明通过控制加热温度，使用防钛‑钢粘结涂层，以及优化穿孔工艺参数和成品退火工艺参数，解决了现有工艺中纯钛管低温穿孔难、易与导盘发生“粘钛”等现象而形成严重缺陷的问题，研制出了具有高强度的TA2无缝管。本发明制备的TA2钛合金无缝钢管屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥470MPa，延伸率≥35％，具有优越的力学性能，在生产行业中具有较为广阔的应用前景，也将推动钛金属在海洋工程领域的大规模应用。

Description

TA2薄壁钛合金无缝钢管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种无缝钢管及其制备方法，具体涉及一种TA2薄壁钛合金无缝钢管及其制备方法。
背景技术
船舶海水管路系统服役环境恶劣，其腐蚀破坏是影响船舶服役性能的一个重要因素，据统计，船舶管路系统的维修工作量相当大，约占全船总维修量的25％。传统的舰船管路系统材料，如不锈钢、B10铜镍合金在3.6m/s的允许设计流速值下仍不能完全满足现代舰船高海水流速的要求。钛金属质轻、高强、耐蚀，特别耐海水和海洋大气腐蚀，在海洋工程中具有广泛的用途，是海洋工程领域的新型关键材料之一。因此，研制钛合金无缝钢管作为船舶管路系统用材料，将会具有全寿命周期的优势。
钛合金薄壁无缝钢管的生产工艺包括挤压+冷轧/冷拔和斜轧穿孔+冷轧。相对于挤压+冷轧/冷拔工艺，斜轧穿孔+冷轧工艺生产效率更高、成材率更高(约高15％)，内外表面质量更易控制，具有显著的成本优势。
然而，钛及钛合金具有显著的组织遗传性，高温穿孔不利于其组织性能控制，只适于低温穿孔。但低温穿孔条件下，钛及钛合金因较高的变形抗力易发生中卡或尾卡。同时，钛及钛合金又具有易粘着的特点，在穿孔过程中，易与穿孔机的两个导盘发生“粘钛”现象，而导盘上粘着的结疤由会划伤钛管表面；在进入冷轧工序前，必须进行机加工以去除表面缺陷，造成产品成材率大幅降低。
因此，开发一种低温穿孔，成材率高，不与导盘等设备发生“粘钛”现象的高强度TA2钛合金无缝钢管的制备方法是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高强度TA2钛合金无缝钢管的制备方法。
本发明TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，包括环形加热炉加热→斜轧穿孔→真空退火→矫直→酸洗→冷轧→脱脂→真空退火→矫直→酸洗的步骤，具体步骤如下：
a、加热：将钛圆坯置于微氧化气氛中，在820～870℃下加热150～200min，优选为在830～850℃下加热150～170min；其中所述微氧化气氛为氧气体积浓度为2～4％；
b、穿孔：对穿孔机导盘进行粗化处理，然后喷涂涂层，斜轧穿孔，得到外表面温度为850～900℃的毛管，空冷至室温，得到穿孔毛管；其中，穿孔工艺参数为：导盘转速为0.5～2m/s，轧速为0.33～0.8m/s；优选为导盘转速为0.7～1.5m/s，轧速为0.5～0.7m/s；
c、真空退火：将穿孔毛管在退火温度为550～680℃下真空退火处理2～3h；优选退火温度为580～650℃；
d、矫直：将真空退火后的毛管进行矫直；
e、酸洗：用酸液对矫直后的毛管在50～65℃下酸洗5～20min；
f、冷轧：将酸洗后的毛管进行一道次冷轧；冷轧变形量为30～50％；优选为35～45％；
g、二次处理：将冷轧后的毛管重复c、d、e步骤处理后，即得壁厚为4～7mm的TA2钛合金无缝钢管。
进一步的，上述所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中a步骤中钛圆坯的定心孔直径为30～80mm。
上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中b步骤中所述涂层为防钛-钢粘结涂层，涂层厚度为0.1～0.3mm。
进一步的，上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中所述防钛-钢粘结涂层是由以下重量比成分组成：水性成膜剂:Al2O3粉:固化剂:分散剂:水＝50～150:400～450:1～2:0.5～1:1～5。
进一步的，上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中所述水性成膜剂为环氧树脂、丙酸树脂、纯酸树脂中的至少一种；优选为环氧树脂。
进一步的，上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中所述固化剂为乙烯基三胺、聚酰胺、三聚氰胺中的至少一种；分散剂为三聚磷酸钠、聚丙烯酰胺、硅酸钠中的至少一种。
进一步的，上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中d步骤中矫直是在六辊矫直机上进行矫直。
上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中e步骤中酸液是由3～5wt％的HF与14～18wt％HNO3按照以下体积比混合而成：1～2.3:1～4.9。
本发明还提供一种TA2薄壁钛合金无缝钢管。
上述TA2薄壁钛合金无缝钢管是由以上所述制备方法制备而成。
上述TA2薄壁钛合金无缝钢管，其中所述无缝钢管的规格为DN150～DN200，屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥470MPa，延伸率≥35％。
本发明通过控制加热温度，使用防钛-钢粘结涂层，以及优化穿孔工艺参数和成品退火工艺参数，解决了现有工艺中纯钛管低温穿孔难、易与导盘发生“粘钛”等现象而形成严重缺陷的问题，研制出了具有高强度的TA2无缝钢管。本发明制备的TA2钛合金无缝钢管屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥470MPa，延伸率≥35％，具有优越的力学性能，在生产行业中具有较为广阔的应用前景，也将推动钛金属在海洋工程领域的大规模应用。
附图说明
图1为实施例1中低温穿孔后的冷轧退火组织图；
图2为对比例1中高温穿孔后的冷轧退火组织图。
具体实施方式
本发明TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，包括环形加热炉加热→斜轧穿孔→真空退火→矫直→酸洗→冷轧→脱脂→真空退火→矫直→酸洗的步骤，具体步骤如下：
a、加热：将钛圆坯置于微氧化气氛中，在820～870℃下加热150～200min，优选为在830～850℃下加热150～170min；其中所述微氧化气氛为氧气体积浓度为2～4％；使用微氧化气体的目的一方面是为了使氧与炉内的氢气发生反应，排除氢气，以避免钛发生吸氢而造成氢脆，另一方面可以避免钛坯表面被过度氧化，影响钛坯的力学性能；
b、穿孔：采用砂轮对穿孔机导盘进行横、纵向打磨，使其粗糙化，以增加涂层的粘附力，然后喷涂涂层，斜轧穿孔，得到外表面温度为850～900℃的毛管，空冷至室温，得到穿孔毛管；其中，穿孔工艺参数为：导盘转速为0.5～2m/s，轧速为0.33～0.8m/s；优选为导盘转速为0.7～1.5m/s，轧速为0.5～0.7m/s；
c、真空退火：将穿孔毛管在退火温度为550～680℃下真空退火处理2～3h；优选退火温度为580～650℃；
d、矫直：将真空退火后的毛管进行矫直；
e、酸洗：用酸液对矫直后的毛管在50～65℃下酸洗5～20min；
f、冷轧：将酸洗后的毛管进行一道次冷轧；冷轧变形量为30～50％；优选为35～45％；
g、二次处理：将冷轧后的毛管重复c、d、e步骤处理后，即得壁厚为4～7mm的TA2钛合金无缝钢管。
进一步的，上述所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中a步骤中钛圆坯的定心孔直径为30～80mm。
上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中b步骤中所述涂层为防钛-钢粘结涂层，涂层厚度为0.1～0.3mm。
进一步的，上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中所述防钛-钢粘结涂层是由以下重量比成分组成：水性成膜剂:Al2O3粉:固化剂:分散剂:水＝50～150:400～450:1～2:0.5～1:1～5。
进一步的，上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中所述水性成膜剂为环氧树脂、丙酸树脂、纯酸树脂中的至少一种；优选为环氧树脂。
进一步的，上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中所述固化剂为乙烯基三胺、聚酰胺、三聚氰胺中的至少一种；分散剂为三聚磷酸钠、聚丙烯酰胺、硅酸钠中的至少一种。
进一步的，上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其中d步骤中矫直是在六辊矫直机上进行矫直。
上述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，为了去除薄壁钛合金无缝钢管表面的氧化皮，其中e步骤中酸液是由3～5wt％的HF与14～18wt％HNO3按照以下体积比混合而成：1～2.3:1～4.9；另外，因钛的氧化皮非常致密，需要在一定温度下，酸洗一定时间才能有效去除，因此，本发明优选在50～65℃下酸洗5～20min。
本专利主要采用的是导盘粗化+涂料联合使用的方法，以更好的避免粘钛的发生。
本发明还提供一种TA2薄壁钛合金无缝钢管。
上述TA2薄壁钛合金无缝钢管是由以上所述制备方法制备而成。
上述TA2薄壁钛合金无缝钢管，其中所述无缝钢管的规格为DN150～DN200，屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥470MPa，延伸率≥35％。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本发明TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，包括环形加热炉加热→斜轧穿孔→真空退火→矫直→酸洗→冷轧→脱脂→真空退火→矫直→酸洗的步骤，具体步骤如下：
a、加热：将制备Ф50mm定心孔的钛圆坯置于氧气体积浓度为3％的微氧化气氛中，在环形炉中，温度为830℃下加热150min；
b、穿孔：对穿孔机导盘进行粗化处理，然后喷涂涂层，经辊道输送至穿孔机进行斜轧穿孔，得到外表面温度为870℃的毛管，空冷至室温，得到穿孔毛管；其中，穿孔工艺参数为：导盘转速为0.7m/s，轧速为0.5m/s；
所述涂层为防钛-钢粘结涂层，涂层厚度为0.2mm，涂层是由以下重量比成分组成：环氧树脂:Al2O3粉:乙烯基三胺:聚丙烯酰胺:水＝100:400:2:0.6:2；
c、真空退火：将穿孔毛管在580℃下真空退火处理2.5h；
d、矫直：将真空退火后的毛管在六辊矫直机上进行矫直；
e、酸洗：将4％wt HF与15％wt HNO3以体积比1:2.8混合后的酸液对矫直后的毛管在60℃下酸洗10min；
f、冷轧：将酸洗后的毛管在冷轧机上进行冷轧；冷轧变形量为35％；
g、二次处理：将冷轧后的毛管重复c、d、e步骤处理后，即得壁厚为5mm的TA2钛合金无缝钢管。
经过上述步骤后，成功防止了导盘粘钛，粘钛率2％以下，实现了成品等轴组织的控制(见图1所示)，制得了规格为DN150-DN200的TA2无缝钢管，其屈服强度为370MPa，抗拉强度490MPa，延伸率36％；穿孔成功率比原有的低温穿孔成功率提高了100％。
实施例2
本发明TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，包括环形加热炉加热→斜轧穿孔→真空退火→矫直→酸洗→冷轧→脱脂→真空退火→矫直→酸洗的步骤，具体步骤如下：
a、加热：将制备Ф60mm定心孔的钛圆坯置于氧气体积浓度为2.5％的微氧化气氛中，在环形炉中，温度为850℃下加热170min；
b、穿孔：对穿孔机导盘进行粗化处理，然后喷涂涂层，经辊道输送至穿孔机进行斜轧穿孔，得到外表面温度为880℃的毛管，空冷至室温，得到穿孔毛管；其中，穿孔工艺参数为：导盘转速为1m/s，轧速为0.6m/s；
所述涂层为防钛-钢粘结涂层，涂层厚度为0.25mm，涂层是由以下重量比成分组成：环氧树脂:Al2O3粉:乙烯基三胺:聚丙烯酰胺:水＝80:450:1:1:5；
c、真空退火：将穿孔毛管在600℃下真空退火处理2h；
d、矫直：将真空退火后的毛管在六辊矫直机上进行矫直；
e、酸洗：将5％wt HF与18％wt HNO3以体积比1:2.9混合后的酸液对矫直后的毛管在50℃下酸洗15min；
f、冷轧：将酸洗后的毛管在冷轧机上进行冷轧；冷轧变形量为40％；
g、二次处理：将冷轧后的毛管重复c、d、e步骤处理后，即得壁厚为6mm的TA2钛合金无缝钢管。
经过上述步骤后，成功防止了导盘粘钛，粘钛率2％以下，实现了成品等轴组织的控制，制得了规格为DN150-DN200的TA2无缝钢管，其屈服强度为355MPa，抗拉强度470MPa，延伸率50％；穿孔成功率比原有的低温穿孔成功率提高了100％。
实施例3
本发明TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，包括环形加热炉加热→斜轧穿孔→真空退火→矫直→酸洗→冷轧→脱脂→真空退火→矫直→酸洗的步骤，具体步骤如下：
a、加热：将制备Ф80mm定心孔的钛圆坯置于氧气体积浓度为3％的微氧化气氛中，在环形炉中，温度为840℃下加热160min；
b、穿孔：对穿孔机导盘进行粗化处理，然后喷涂涂层，经辊道输送至穿孔机进行斜轧穿孔，得到外表面温度为860℃的毛管，空冷至室温，得到穿孔毛管；其中，穿孔工艺参数为：导盘转速为1.5m/s，轧速为0.7m/s；
所述涂层为防钛-钢粘结涂层，涂层厚度为0.3mm，涂层是由以下重量比成分组成：环氧树脂:Al2O3粉:乙烯基三胺:聚丙烯酰胺:水＝110:420:1.5:0.8:3；
c、真空退火：将穿孔毛管在650℃下真空退火处理3h；
d、矫直：将真空退火后的毛管在六辊矫直机上进行矫直；
e、酸洗：将3％wt HF与14％wt HNO3以体积比1:3.8混合后的酸液对矫直后的毛管在55℃下酸洗13min；
f、冷轧：将酸洗后的毛管在冷轧机上进行冷轧；冷轧变形量为44％；
g、二次处理：将冷轧后的毛管重复c、d、e步骤处理后，即得壁厚为7mm的TA2钛合金无缝钢管。
经过上述步骤后，成功防止了导盘粘钛，粘钛率2％以下，实现了成品等轴组织的控制，制得了规格为DN150-DN200的TA2无缝钢管，其屈服强度为390MPa，抗拉强度515MPa，延伸率28％；穿孔成功率比原有的低温穿孔成功率提高了100％。
对比例1
(1)加热：将制备Ф50mm定心孔的钛圆坯置于残氧含量的体积浓度约2％的微氧化气氛的环形炉中加热，加热温度控制为960℃，并在该温度下保温150min；
(2)穿孔：经辊道输送至穿孔机进行斜轧穿孔后得到外表面温度约为970℃的毛管；穿孔工艺参数：导盘转速设定为0.7m/s、轧速设定为0.5m/s；
(3)真空退火：对空冷的穿孔毛管进行真空退火，退火工艺中温度为580℃，退火时间为2.5h；
(4)矫直：对真空退火后穿孔毛管在六辊矫直机上进行矫直；
(5)酸洗：采用4％wt HF与15％wt HNO3以体积比1:2.8混合后的混合酸液对穿孔毛管进行酸洗，酸洗温度60℃，酸洗时间10min；
(6)冷轧：将酸洗后的穿孔毛管经冷轧机进行变形量约35％的一道次冷轧；
(7)二次处理：将冷轧后的毛管重复(3)、(4)、(5)步骤处理后，即得壁厚为6mm的TA2钛合金无缝钢管。
导盘发生了严重的粘钛，粘钛率30％以上，成品组织为典型的魏氏组织(见附图2所示)，针对规格为DN150-DN200的TA2无缝钢管，其屈服强度295MPa，抗拉强度为460MPa，延伸率为30％；穿孔成功率为100％。

Claims (16)

1.TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，包括环形加热炉加热→斜轧穿孔→真空退火→矫直→酸洗→冷轧→脱脂→真空退火→矫直→酸洗的步骤，其特征在于具体步骤如下：
a、加热：将钛圆坯置于微氧化气氛中，在820～870℃下加热150～200min；其中所述微氧化气氛为氧气体积浓度为2～4%；
b、穿孔：对穿孔机导盘进行粗化处理，然后喷涂涂层，斜轧穿孔，得到外表面温度为850～900℃的毛管，空冷至室温，得到穿孔毛管；其中，穿孔工艺参数为：导盘转速为0.5～2m/s，轧速为0.33～0.8m/s；
c、真空退火：将穿孔毛管在退火温度为550～680℃下真空退火处理2～3h；
d、矫直：将真空退火后的毛管进行矫直；
e、酸洗：用酸液对矫直后的毛管在50～65℃下酸洗5～20min；
f、冷轧：将酸洗后的毛管进行一道次冷轧；冷轧变形量为30～50%；
g、二次处理：将冷轧后的毛管重复c、d、e步骤处理后，即得壁厚为4～7mm的TA2钛合金无缝钢管；
b步骤中所述涂层是由以下重量比成分组成：水性成膜剂:Al2O3粉:固化剂:分散剂:水=50～150:400～450:1～2:0.5～1:1～5。
2.根据权利要求1所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：a步骤将钛圆坯置于微氧化气氛中，在830～850℃下加热150～170min。
3.根据权利要求1或2所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：b步骤导盘转速为0.7～1.5m/s，轧速为0.5～0.7m/s。
4.根据权利要求1或2所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：c步骤退火温度为580～650℃。
5.根据权利要求3所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：c步骤退火温度为580～650℃。
6.根据权利要求1或2所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：f步骤冷轧变形量为35～45%。
7.根据权利要求3所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：f步骤冷轧变形量为35～45%。
8.根据权利要求4所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：f步骤冷轧变形量为35～45%。
9.根据权利要求1所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：a步骤中钛圆坯的定心孔直径为30～80mm。
10.根据权利要求1所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：b步骤中所述涂层为防钛-钢粘结涂层，涂层厚度为0.1～0.3mm。
11.根据权利要求1所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：所述水性成膜剂为环氧树脂、丙酸树脂、纯酸树脂中的至少一种。
12.根据权利要求1所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：所述水性成膜剂为环氧树脂。
13.根据权利要求1所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：所述固化剂为乙烯基三胺、聚酰胺、三聚氰胺中的至少一种；分散剂为三聚磷酸钠、聚丙烯酰胺、硅酸钠中的至少一种。
14.根据权利要求1所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：d步骤中矫直是在六辊矫直机上进行矫直。
15.根据权利要求1所述TA2薄壁钛合金无缝钢管的制备方法，其特征在于：e步骤中酸液是由3～5wt%的HF与14～18wt% HNO3按照以下体积比混合而成：1～2.3: 1～4.9。
16.权利要求1～15任一项所述制备方法制备的TA2薄壁钛合金无缝钢管，所述无缝钢管的规格为DN150～DN200，屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥470MPa，延伸率≥35%。
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