CN108149066A

CN108149066A - 一种自行车用新型钛合金Ti421管材及其加工方法

Info

Publication number: CN108149066A
Application number: CN201711465450.8A
Authority: CN
Inventors: 李永林; 朱宝辉; 李修勇; 沈立华; 袁红军; 陈胜川; 蔡国帅; 韩伟松; 陈睿博; 胡革全; 汤泉乐
Original assignee: Ningxia Orient Tantalum Industry Co Ltd
Current assignee: Ningxia Orient Tantalum Industry Co Ltd
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2018-06-12

Abstract

一种自行车用新型钛合金Ti421管材及其加工方法，钛合金Ti421材料合金成分按重量百分数计为：Al：3.5%‑4.5%，V：1.5%‑2.5%，Fe：1.0%‑1.5%，O：0.15%‑0.25%，C≤0.08%，N≤0.03%，H≤0.015%，余量为Ti，其它单一杂质元素≤0.10%，其他杂质总量≤0.30%，采用二级海绵钛，Al‑V、钛铁或铁钉等中间合金、二氧化钛，配料、混料、压制成电极，在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，铸锭经加热，锻至挤压管坯用棒材；管坯经除油、退火、酸洗等工序得到冷轧管材坯料，本发明提高合金的塑性，解决中等强度钛合金管材的冷加工变形容易开裂的难加工技术问题。

Description

一种自行车用新型钛合金Ti421管材及其加工方法

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，特别涉及一种自行车用新型钛合金Ti421管材及其加工方法。

背景技术

钛金属材料因具有重量轻、强度高、弹性好、抗冲击、疲劳性能好、耐腐蚀永不生锈的特性，广泛应用于自行车领域。

自行车特别是赛车，要求重量轻、刚度好并且冲击性能好。重量轻可以提高速度，并在长距离运动时降低体力消耗。刚度好的车架有利于驱动力的转换，并提高操作性能。冲击吸收性好的车架可以较好地减缓来自路面的冲击，从而减轻车手的疲劳。

目前自行车行业使用的钛合金管材主要是以TA18（Ti-3Al-2.5V）和TC4（Ti-6Al-4V）无缝管为主，其中TA18材料占了钛合金自行车车架材料80-90%的用量。TC4（Ti-6Al-4V）无缝管可以满足较高强度的需求，但由于冷成形性能差和制造成本高等原因所占比例比较低。

国内发明专利钛-铝-钒合金的加工及由其制造的产品中国专利CN 1816641A涉及一种由α-β钛合金形成制品的方法，该钛合金包括以重量百分数计为约2.9至约5.0铝，约2.0至约3.0的钒，约0.4至约2.0的铁，约0.2至约0.3的氧，约0.005至约0.3的碳，约0.001至约0.02的氮，及小于约0.5的其它元素，该方法包括冷加工α-β钛合金。但α-β钛合金制品的屈服强度和工艺塑性及其综合性能还不太理想。

发明内容

本发明的目的是针对现有自行车用钛合金管材存在的不足之处，提供一种屈服强度高，工艺塑性好，工艺简单，各种综合性能优良的自行车用新型钛合金Ti421管材及其加工方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：

一种自行车用新型钛合金Ti421管材，钛合金Ti421材料各组分及配比为：Al：3.5-4.5%，V：1.5-2.5%，Fe：1-1.5%，O：0.15-0.25%，余量为Ti和不可避免的杂质，采用二级海绵钛，Al-V、钛铁或铁钉等中间合金、二氧化钛，按上述重量百分比配料、混料、压制成电极，在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，铸锭规格为Φ600×Lmm；铸锭经980～1050℃加热，保温1.5小时，加热1000℃锻至Φ220mm的挤压管坯用棒材；棒坯经钻孔后，在3500吨挤压成Φ72×8mm的管坯，管坯经除油、退火、酸洗等工序得到冷轧管材坯料，管材在冷轧轧管机上，冷轧成Φ39×1.8mm成品管材。

一种自行车用新型钛合金Ti421管材的加工方法，该方法的加工工序如下：

铸锭制备→锻造制备棒坯→热挤压制备管坯→管材冷轧→管坯表面处理→除油处理→中间和成品热处理→成品管材。

所述的铸锭制备为：采用海绵钛、中间合金、二氧化钛按照质量配比进行配料和压制电极块，电极块进行组合焊接制备一次电极，然后进行两次真空自耗电弧熔炼制备成Φ300～900×Lmm铸锭。

所述的锻造制备棒坯为：采用快锻机对铸锭进行开坯和棒坯锻造，开坯加热前对铸锭表面进行涂层处理，锻造开坯温度为950～1050℃，保温1～2小时，锻造比2～10，终锻温度≥800℃，棒坯锻造温度为850～1000℃，保温1～2小时，锻造比2～6，终锻温度≥750℃，棒坯规格为直径150～300×L mm，棒坯锻造火次为1～7火次。

所述的热挤压制备管坯为：采用挤压方法或斜轧穿孔方法进行管坯制备，挤压前首先要对棒坯扒皮钻孔并进行表面涂层和包覆铜皮处理，补充挤压温度为850～930℃，保温1～3小时；斜轧法中管坯斜轧穿孔中频加热温度为900～950℃，保温10～30分钟。

所述的管材冷轧为：管材轧制前采用真空热处理和表面处理后直接进行轧制，采用两辊冷轧开坯一至三道次直接轧制成品，管坯或半成品管内表面使用氯化石蜡、外表面使用机油和石蜡混合液进行润滑，轧制速度为10～60次/分钟，轧制送进量为2～8mm，每一道次变形量为20～50%，总加工率为30～70%。

所述的管坯表面处理为：对热加工管坯需进行酸洗和水洗或者碱洗、酸洗和水洗除去表面涂层或表面氧化皮，在HF：H₂SO₄：HNO₃：H₂O=1.5～2.5：20：34～39：100体积比的混合液中，浸泡1～3小时，再进行表面扒皮（机械扒皮或手工刮料），内表面采用镗孔处理，镗孔量0.2～1.5mm，成品外表面采用机械抛光的方式，磨抛量0.1～0.3mm。

所述的除油处理为：对冷轧后进行真空热处理的管材需要进行除油处理，先进行超声波清洗除油或除油剂进行清洗，然后在HF：HNO3：H2O=5～12：45～60：100体积比的酸洗混合液中，浸泡3～10min，水洗和烘干处理。

所述的中间和成品热处理为：采用真空退火热处理，退火温度为750～850℃，保温1～3小时，真空度不低于1×10^-1Pa，经过中间退火的产品可以继续进行轧制，经过成品退火的产品即可成为产成品，或经过酸洗、水洗后成为产成品。

本发明的自行车用新型钛合金Ti421（Ti-4Al-2V-1Fe）合金管材制造工艺路线如下：

海绵钛+中间合金+二氧化钛→混料→制备电极→两次真空自耗电弧炉熔炼→扒皮→锻造→机加工→钻孔→热挤压→酸洗→修磨→冷轧→酸洗→热处理→精整→成品管材。

本发明具有如下显著效果：

1、本发明在TC4（Ti-6Al-4V）合金的基础上，适当降低了合金的强度，但大幅度提高合金的塑性，解决中等强度钛合金管材的冷加工变形容易开裂的难加工技术问题。

2、本发明钛合金比TC4（Ti-6Al-4V）和TA18（Ti-3Al-2.5V）降低了贵金属V的含量，增加了成本更低的铁和氧元素的含量，既实现了中强、高塑性管材的易加工和综合性能，又降低了该类管材的制造成本，为该管材在新型自行车用管方面的更新换代提供了可能性。

具体实施方式

本发明的具体实施方式为参见实施例。

实施例1：

新型钛合金Ti421管材配方为：Al：3.5%，V：2.5%，Fe：1.5%，O：0.25%，余量为Ti和不可避免的杂质，采用二级海绵钛，Al-V、钛铁或铁钉等中间合金、二氧化钛，按上述重量百分比配料、混料、压制成电极，在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，铸锭规格为Φ300×Lmm。铸锭经980～1050℃加热，保温1小时，加热1000℃锻至Φ150mm的挤压管坯用棒材。棒坯经钻孔后，在1630吨挤压成Φ55×9mm的管坯，管坯经除油、退火、酸洗等工序得到冷轧管材坯料。管材在冷轧轧管机上，冷轧成Φ16×0.9mm成品管材。成品管材经800℃/1h的热处理制度后，取力性样品进行测试，结果：抗拉强度为820MPa，规定非比例延伸强度690MPa，延伸率为28%。焊接性能与TA18相当。

实施例2：

新型钛合金Ti421管材配方为：Al：4.0%，V：2.1%，Fe：1.3%，O：0.20%，余量为Ti和不可避免的杂质，采用二级海绵钛，Al-V、钛铁或铁钉等中间合金、二氧化钛，按上述重量百分比配料、混料、压制成电极，在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，铸锭规格为Φ600×Lmm。铸锭经980～1050℃加热，保温1.5小时，加热1000℃锻至Φ220mm的挤压管坯用棒材。棒坯经钻孔后，在3500吨挤压成Φ72×8mm的管坯，管坯经除油、退火、酸洗等工序得到冷轧管材坯料。管材在冷轧轧管机上，冷轧成Φ39×1.8mm成品管材。成品管材经830℃/1.5h的热处理制度后，取力性样品进行测试，结果：抗拉强度为870MPa，规定非比例延伸强度750MPa，延伸率为26%。焊接性能与TA18相当。

实施例3：

新型钛合金Ti421管材配方为：Al：4.5%，V：1.5%，Fe：1.0%，O：0.15%，余量为Ti和不可避免的杂质，采用二级海绵钛，Al-V、钛铁或铁钉等中间合金、二氧化钛，按上述重量百分比配料、混料、压制成电极，在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，铸锭规格为Φ900×Lmm。铸锭经980～1050℃加热，保温2小时，加热1000℃锻至Φ300mm的挤压管坯用棒材。棒坯经钻孔后，在3500吨挤压成Φ84×11mm的管坯，管坯经除油、退火、酸洗等工序得到冷轧管材坯料。管材在冷轧轧管机上，冷轧成Φ46×1.1mm成品管材。成品管材经830℃/1.5h的热处理制度后，取力性样品进行测试，结果：抗拉强度为930MPa，规定非比例延伸强度800MPa，延伸率为25%。焊接性能与TA18相当。

Claims

1.一种自行车用新型钛合金Ti421管材，其特征在于，该合金管材合金成分按重量百分数计为：Al：3.5%-4.5%，V：1.5%-2.5%，Fe：1.0%-1.5%，O：0.15%-0.25%，C≤0.08%，N≤0.03%，H≤0.015%，余量为Ti，其它单一杂质元素≤0.10%，其他杂质总量≤0.30%，采用二级海绵钛，Al-V、钛铁或铁钉等中间合金、二氧化钛，按上述重量百分比配料、混料、压制成电极，在真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，铸锭规格为φ300-φ900×Lmm；铸锭经980～1050℃加热，保温1.5小时，加热1000℃锻至Φ220mm的挤压管坯用棒材；棒坯经钻孔后，在3500吨挤压成φ55-84×8-11×Lmm的管坯，管坯经除油、退火、酸洗等工序得到冷轧管材坯料，管材在冷轧轧管机上，冷轧成φ16-46×0.9-1.8×Lmm成品管材。

2.一种自行车用新型钛合金Ti421管材的加工方法，其特征在于，该方法的加工工序如下：

3.根据权利要求2所述的钛合金Ti421管材及其加工方法，其特征在于，所述的铸锭制备为：采用海绵钛、中间合金、二氧化钛按照质量配比进行配料和压制电极块，电极块进行组合焊接制备一次电极，然后进行两次真空自耗电弧熔炼制备成Φ300～900×Lmm铸锭。

4.根据权利要求2所述的钛合金Ti421管材的加工方法，其特征在于，所述的锻造制备棒坯为：采用快锻机对铸锭进行开坯和棒坯锻造，开坯加热前对铸锭表面进行涂层处理，锻造开坯温度为950～1050℃，保温1～2小时，锻造比2～10，终锻温度≥800℃，棒坯锻造温度为850～1000℃，保温1～2小时，锻造比2～6，终锻温度≥750℃，棒坯规格为直径150～300×L mm，棒坯锻造火次为1～7火次。

5.根据权利要求2所述的钛合金Ti421管材的加工方法，其特征在于，所述的热挤压制备管坯为：采用挤压方法或斜轧穿孔方法进行管坯制备，挤压前首先要对棒坯扒皮钻孔并进行表面涂层和包覆铜皮处理，补充挤压温度为850～930℃，保温1～3小时；斜轧法中管坯斜轧穿孔中频加热温度为900～950℃，保温10～30分钟。

6.根据权利要求2所述的钛合金Ti421管材的加工方法，其特征在于，所述的管材冷轧为：管材轧制前采用真空热处理和表面处理后直接进行轧制，采用两辊冷轧开坯一至三道次直接轧制成品，管坯或半成品管内表面使用氯化石蜡、外表面使用机油和石蜡混合液进行润滑，轧制速度为10～60次/分钟，轧制送进量为2～8mm，每一道次变形量为20～50%，总加工率为30～70%。

7.根据权利要求2所述的钛合金Ti421管材的加工方法，其特征在于，所述的管坯表面处理为：对热加工管坯需进行酸洗和水洗或者碱洗、酸洗和水洗除去表面涂层或表面氧化皮，在HF：H₂SO₄：HNO₃：H₂O=1.5～2.5：20：34～39：100体积比的混合液中，浸泡1～3小时，再进行表面扒皮（机械扒皮或手工刮料），内表面采用镗孔处理，镗孔量0.2～1.5mm，成品外表面采用机械抛光的方式，磨抛量0.1～0.3mm。

8.根据权利要求2所述的钛合金Ti421管材的加工方法，其特征在于，所述的除油处理为：对冷轧后进行真空热处理的管材需要进行除油处理，先进行超声波清洗除油或除油剂进行清洗，然后在HF：HNO3：H2O=5～12：45～60：100体积比的酸洗混合液中，浸泡3～10min，水洗和烘干处理。

9.根据权利要求1所述的钛合金Ti421管材的加工方法，其特征在于，所述的中间和成品热处理为：采用真空退火热处理，退火温度为750～850℃，保温1～3小时，真空度不低于1×10^-1Pa，经过中间退火的产品可以继续进行轧制，经过成品退火的产品即可成为产成品，或经过酸洗、水洗后成为产成品。