CN107234192A - 一种异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺 - Google Patents

一种异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，属于金属材料加工领域。按质量百分比计，钛合金的成分中，各元素含量范围为，Al：2～4、V：8～11、Cr：4～8、Mo：4～8、Zr：3.5～6，Ti为余量。采用异型截面钛合金丝材绕制弹簧，绕制弹簧的异型截面钛合金丝材采用铸锭锻压开坯、精锻、热拉拔和冷旋锻工艺制备，丝材的截面可以是正方形、长方形、正六边形、正八边形。与钢弹簧相比，钛合金弹簧具有良好的抗腐蚀和抗疲劳性能，在海洋和其他腐蚀环境下使用时性能稳定、寿命明显提高。此外，钛合金密度较小，约是钢的60％，因此使用钛合金弹簧代替钢弹簧还可以起到减重的作用。

Description

一种异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺
技术领域
本发明涉及一种异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，属于金属材料加工领域。
背景技术
弹簧是一种利用弹性功能实现反复动作的储能元件，在载荷作用下产生位移时弹簧发生弹性变形，载荷去掉后弹簧又恢复到初始形状，借助这一动作特性，可以将弹簧安装在各类设备中，实现缓冲、复位、测量、和控制机械的运动等功能。因此，弹簧元件在机械制造、电子、五金、汽车等行业得到了广泛应用。根据用途不同，弹簧的种类复杂多样，可以加工成螺旋弹簧、涡卷弹簧、板弹簧等。弹簧通常使用的金属材料为各种牌号的钢，常用的有碳素弹簧钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢等。
目前，海洋、航空运输业发展迅速，在船舶、飞机制造过程中使用的弹簧主要是钢弹簧，钢弹簧的缺点是耐腐蚀性差，在海洋环境下容易受到腐蚀，导致使用寿命大幅降低。与钢相比，钛合金具有良好的耐蚀性，特别是抗盐雾腐蚀能力强，可以在海洋环境下长时期使用，性能稳定可靠。另外，钛合金密度小，约为钢的60％，在飞机上采用钛合金弹簧代替钢弹簧有利于飞机减重。考虑到与钢相比钛合金弹性模量偏低，而弹性模量的高低直接会影响到弹簧输出的工作负荷，当钛合金弹簧与钢弹簧尺寸相同时，由于钛合金弹性模量低，在位移量相同情况下，钛合金弹簧输出的工作负荷小于钢弹簧。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，利用钛合金耐蚀性强、密度小的特点，同时考虑到与钢相比，钛合金模量低，与钢弹簧外形尺寸相同时输出的工作负荷时偏低，采用异型截面钛合金丝材绕制弹簧，使钛合金弹簧输出的工作负荷得到大幅提升。
本发明的技术方案是：
一种异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，异型截面钛合金丝材通过锻压开坯、精锻、热拉拔、冷旋锻工艺制备，具体过程如下：
(1)对钛合金铸锭做1150℃～1220℃，保温2～5小时处理后，通过锻压开坯工艺将合金铸锭锻压成棒坯；
(2)对钛合金棒坯做1000℃～1050℃，保温1.5～3小时处理后，通过精锻工艺制备钛合金锻棒；
(3)对钛合金锻棒做830℃～860℃，保温0.5～1.0小时处理后，通过热拉拔工艺制备棒材；
(4)通过多道次冷旋锻变形工艺将棒材制备成异型截面钛合金丝材；
(5)采用异型截面钛合金丝材绕制弹簧。
所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，按质量百分比计，钛合金的成分中，各元素含量为，Al：2～4、V：8～11、Cr：4～8、Mo：4～8、Zr：3.5～6，Ti为余量。
所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，异型截面钛合金丝材的截面形状为正方形、长方形、正六边形或正八边形。
所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，步骤(1)中，对铸锭进行锻造，锻压开坯的变形量为80％～90％。
所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，步骤(2)中，棒坯经过精锻后变形量在76％～88％。
所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，步骤(3)中，热拉拔时道次变形量在11％～15％之间。
所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，步骤(4)中，冷旋锻变形的道次变形量为7％～12％之间，总变形量为22％～40％。
所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，步骤(5)中，对钛合金丝材或弹簧进行时效处理，时效处理的温度为540～550℃，保温时间为11.5～12.5h。
本发明的设计思想是：
目前，海洋运输船舶和飞机制造过程中普遍使用的是钢弹簧，在海洋环境下钢弹簧容易腐蚀失效、性能不稳定、使用寿命短。而钛合金耐蚀性强，特别是β钛合金具有优异的抗盐雾腐蚀性能，因此使用钛合金弹簧可以解决钢弹簧耐蚀性差的问题，同时由于钛合金密度比钢小，在飞机上采用钛合金弹簧代替钢弹簧可以起到减重的作用。但缺点是钛合金的弹性模量明显低于钢，绕制的弹簧输出的工作负荷偏低，而绕制弹簧所用的丝材截面是通常圆形。为此，本发明通过改变丝材形状的方法来增大丝材截面积，并提供了一种异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，采用铸锭锻压、精锻、热拉拔和冷旋锻工艺制备弹簧用钛合金丝材。丝材的截面可以是长方形、正方形、正六边形、正八边形等异型截面，以增大丝材的横截面积。在尺寸相近的情况下，使用异型截面丝材绕制钛合金弹簧能够输出更大的工作负荷，在腐蚀环境下使用时性能稳定、寿命长、具有良好的抗疲劳特性。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明采用钛合金弹簧的抗腐蚀和抗疲劳性能明显优于钢弹簧，在海洋和其他腐蚀环境下不易腐蚀失效，使用性能稳定、寿命大大提高。此外，钛合金密度约为钢的60％，使用钛合金弹簧代替钢弹簧还能够起到减重的作用。
2、本发明弹簧成型时内外圈变形量不同，受力状态也不同，内圈承受压应力，外圈承受拉应力，对于矩形截面丝材，绕制弹簧时长边沿绕制方向弯曲变形，当长、短边差异较大时，内、外圈变形量差异相应增大，这种情况下要求丝材具有很好的塑性，否则外圈在拉应力下容易产生微裂纹，使丝材表面出现损伤，进而降低弹簧的疲劳寿命。由于采用铸锭锻压开坯、精锻、热拉拔和冷旋锻工艺制备的异形截面钛合金丝材，经过时效处理后延伸率和断面收缩率分别在20％和40％附近，具有良好的强度和塑性，能够保证丝材长、短边差异较大时绕制弹簧不易产生微裂纹，保证弹簧具有高的疲劳寿命。
3、与传统的圆形截面丝材弹簧相比，本发明使用异型截面丝材绕制的弹簧由于丝材横截面积增加了，当弹簧变形量相同时可以输出更高的工作负荷。一些情况下，由于设备或仪器内部安装空间有限，需要在限制弹簧的外形尺寸的前提下尽可能提高弹簧输出的工作负荷，使用异型截面丝材弹簧代替圆形截面丝材弹簧可以实现这一目的。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明通过锻压开坯、精锻、热拉拔、冷旋锻工艺制备异型截面钛合金丝材绕制弹簧。按质量百分比计，异型截面钛合金丝材各元素成分含量范围分别是，Al：2～4、V：8～11、Cr：4～8、Mo：4～8、Zr：3.5～6，Ti为余量。异型截面钛合金丝材的截面可以是长方形、正方形、正六变形或正八边形。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，通过锻压、精锻、热拉拔、冷旋锻工艺制备异型截面钛合金丝材，具体过程如下：
(1)将直径φ220mm的钛合金铸锭做1160℃，保温4.5小时处理后，通过锻压开坯工艺将合金铸锭锻压成φ85mm棒坯(锻压变形量为85％)；
(2)将锻压后的棒坯表面车至φ80mm，做1020℃，保温2小时处理后，将合金棒坯精锻成φ30mm锻棒(精锻变形量约为86％)；
(3)将锻棒表面车光至φ28mm，做840℃，保温40min处理后，通过热拉拔工艺，热拉拔道次变形量在11％～15％之间，制备直径φ12mm棒材，热拉拔态棒材室温拉伸性能见表1。
表1热拉拔态棒材室温拉伸性能
(4)通过冷旋锻变形工艺，冷旋锻道次变形量为7％～12％，制备6.7mm×10.8mm的矩形截面丝材。丝材经过540℃，保温11.5h时效处理后拉伸性能见表2。
表2时效态6.7mm×10.8mm矩形截面丝材拉伸性能
实施例2
本实施例中，通过锻压、精锻、热拉拔、冷旋锻工艺制备异型截面钛合金丝材，具体过程如下：
(1)将直径φ220mm的钛合金铸锭做1170℃，保温3.5小时处理后，通过锻压开坯工艺将合金铸锭锻压成φ95mm棒坯棒坯(锻压变形量为81％)；
(2)将锻压后的棒坯表面车至φ89mm，做1030℃，保温2.5小时处理后，将合金棒坯精锻成φ35mm锻棒(精锻变形量约为85％)；
(3)将锻棒表面车光至φ33mm，做860℃，保温50min处理后，通过热拉拔工艺，热拉拔道次变形量在11％～15％之间，制备φ15mm的棒材，热拉拔态棒材室温拉伸性能见表3。
表3热拉拔态棒材室温拉伸性能
(4)通过冷旋锻变形工艺，冷旋锻道次变形量为7％～12％，制备边长6.8mm八边形截面丝材。丝材经过550℃，保温时间12h时效处理后拉伸性能见表4。
表4时效态边长6.8mm的八边形丝材拉伸性能
实施例结果表明，本发明与钢弹簧相比，钛合金弹簧具有良好的抗腐蚀和抗疲劳性能，在海洋和其他腐蚀环境下使用时性能稳定、寿命明显提高。此外，钛合金密度较小，约是钢的60％，因此使用钛合金弹簧代替钢弹簧还可以起到减重的作用。

Claims (8)

1.一种异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，其特征在于，异型截面钛合金丝材通过锻压开坯、精锻、热拉拔、冷旋锻工艺制备，具体过程如下：
(1)对钛合金铸锭做1150℃～1220℃，保温2～5小时处理后，通过锻压开坯工艺将合金铸锭锻压成棒坯；
(2)对钛合金棒坯做1000℃～1050℃，保温1.5～3小时处理后，通过精锻工艺制备钛合金锻棒；
(3)对钛合金锻棒做830℃～860℃，保温0.5～1.0小时处理后，通过热拉拔工艺制备棒材；
(4)通过多道次冷旋锻变形工艺将棒材制备成异型截面钛合金丝材；
(5)采用异型截面钛合金丝材绕制弹簧。
2.根据权利要求1所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，其特征在于，按质量百分比计，钛合金的成分中，各元素含量为，Al：2～4、V：8～11、Cr：4～8、Mo：4～8、Zr：3.5～6，Ti为余量。
3.根据权利要求1所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，其特征在于，异型截面钛合金丝材的截面形状为正方形、长方形、正六边形或正八边形。
4.根据权利要求1所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，其特征在于，步骤(1)中，对铸锭进行锻造，锻压开坯的变形量为80％～90％。
5.根据权利要求1所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，其特征在于，步骤(2)中，棒坯经过精锻后变形量在76％～88％。
6.根据权利要求1所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，其特征在于，步骤(3)中，热拉拔时道次变形量在11％～15％之间。
7.根据权利要求1所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，其特征在于，步骤(4)中，冷旋锻变形的道次变形量为7％～12％之间，总变形量为22％～40％。
8.根据权利要求1所述的异型截面钛合金丝材弹簧加工工艺，其特征在于，步骤(5)中，对钛合金丝材或弹簧进行时效处理，时效处理的温度为540～550℃，保温时间为11.5～12.5h。
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