CN109097625A

CN109097625A - 一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺

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Publication number: CN109097625A
Application number: CN201811135785.8A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2018-12-28

Abstract

本发明公开了一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺。按照重量百分比,该合金的成分为:Al:3.0‑5.0wt.%,Nd:0.2‑0.4wt.%,Y:1.0‑1.5wt.%,Bi:2.0‑3.0wt.%,In:4.0‑6.0wt.%,Mn:1.0‑1.5wt.%,Ge:4.0‑5.0wt.%,Co:1.6‑2.0wt.%，余量为钛。该材料为要求轻量化的结构材料应用领域提供了一种不同于常见钛合金的技术方案，也就是提供了一种具有优异铸造性能的钛合金。该合金的实施和产业化会大大推动我国对高端钛合金的新材料更新和商业升级需求。

Description

一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种钛合金。

背景技术

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。在钛中添加适当的合金元素，使其相变温度及相含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。钛合金具有一系列优异的物理，力学和化学性能，主要表现在：（1）比强度高。钛合金的密度一般在4.5g/cm³左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其它金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。（2）热强度高。使用温度比铝合金高几百度，可在450-500℃的温度下长期工作，而铝合金的工作温度则在200℃以下。（3）抗蚀性好。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢。对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。

钛合金在民用和军用航空领域得到了广泛的应用。钛合金的优势在于：（1）减轻结构重量、提高结构效率。钛合金具有强度接近中强钢但密度小的特点，代替结构钢和高温合金，能大幅度减轻结构重量，同时也能节省费用。(2)符合高温部位的使用要求。在飞机的高温部位(如后机身等)可取代因高温使用性能不能满足要求的铝合金。(3)符合高抗蚀性和长寿命的要求。钛合金具有较高的疲劳寿命和优良的耐腐蚀性能，可以提高结构的抗腐蚀能力和寿命，满足先进飞机、发动机高可靠性和长寿命的要求。

一般而言，金属或者合金在凝固的时候都会因为由液态变为固态而发生体积收缩，这是由于固态的密度大于液态而导致的。很显然，这些密度的差异会导致凝固过程中的铸造孔洞和疏松的形成。此外，合金在凝固过程中由于先析出相形成了枝晶主干和侧枝而使得后来的熔体不能有效地填补枝晶间的空隙，也会促使孔洞和疏松的生成。因而，多元合金在凝固时铸件的铸造密实度一直是材料学上的难点。通常，对于铸造合金而言，人们会选择多元共晶点附近的成分，使得合金的凝固过程中有固定而单一的相转变温度，因为共晶温度是固定的。这样不仅使得铸件在大范围内合金成分均匀，而且由于共晶相的相互协调生成而使得铸造的孔洞和疏松达到了最小化。

由于钛合金物理性能，力学性能和化学性能的极其优越性，国内外研究专家和机构已经对钛合金进行了广泛而深入的研究，并开发出了一系列的变形钛合金和铸造钛合金。这些钛合金在推广后不仅使得相关行业的产业升级成为可能，也大大促进性相关领域的技术发展。但是，对铸造钛合金的铸造性能的优化是基于将这些合金的成分设计在多元合金共晶点附近，因而这些共晶点附近的合金在铸造过程中可以大大降低了铸造过程中的孔洞和疏松的形成。由于该设计理念的限制，合金成分限制在了多元合金共晶点附近，但是具备优异物理性能，力学性能和化学性能的合金成分点未必会在多元共晶点附近。因而在实际使用过程中造成了铸造用钛合金不是力学性能差，就是传热性能或者导电性能不能满足使用的要求。

随着当今世界的发展以及人民生活水平的提高，对高性能钛合金材料以及使用于极端环境先进钛合金材料的需求也越来越多。可以预见的是钛基合金会在工业领域和国防领域展现出更为广阔的应用前景。进行合金新材料的创新离不开合金结构和成分设计，而材料的热力学和动力学是解决该类问题的主要方法。通过优化合金元素的筛选和成分确定，不仅可以达到所需要的各种性能指标，还会降低合金冶炼和加工的生产成本和对设备的要求。该类产品不仅使用寿命有了进一步的提高，还便于工业化大规模生产。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺。按重量百分比计,合金的组成为Al:3.0-5.0wt.%,Nd:0.2-0.4wt.%,Y:1.0-1.5wt.%,Bi:2.0-3.0wt.%,In:4.0-6.0wt.%,Mn:1.0-1.5wt.%,Ge:4.0-5.0wt.%,Co:1.6-2.0wt.%，余量为钛。

上述一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入真空自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在真空炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在820-860度加热，采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%。每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时。可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间。最后的热处理制度为：300-320度固溶处理1.5小时,随后空冷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）随着新技术的发展和材料设计能力的提高，在多元合金的设计领域，可以通过液相的调幅分解效应来产生两种不同的熔体，并使得这两种熔体具有很大的熔点差别。这种设计方法是另一种消除铸造孔洞和疏松的新型方法。由于合金的液相调幅分解可以在相当大的成分范围内实现，因而材料设计者可以通过不断的调整合金元素和含量来进一步提高材料的其它性能。这种设计方法无疑是非常先进的，并在实践中相比共晶点合金的设计更能解决实际问题。但是令人遗憾的是，目前在钛合金领域国内外并没有基于该设计理念的新产品出现。随着科技和工业的日益发展，钛合金的使用环境和条件也越来越苛刻。因而，开发不在共晶点附近且具有优异物理性能和力学性能的铸造用钛合金是目前国内外的热点方向。本专利提供了一种新型的基于液相调幅分解特性的消除铸造孔洞和疏松缺陷的钛合金及其工艺。

（2）本专利设计的新型铸造用钛合金，在凝固的过程中，富Ti的液相和富Nd和Y的液相不断的从最初的合金熔体中分离出来。这些富Ti的熔体由于不和富Nd和Y熔体相熔,因而在凝固过程中伴随着枝晶的生成而逐渐被排挤到枝晶的间隙中,并在这些狭小的缝隙中最终凝固,起到了补充凝固孔洞的作用。因而，具备液相调幅分解特性的合金最适合来制备无凝固收缩孔洞的铸件,因为这种材料产生的凝固孔洞等缺陷极少。用专业术语来说，液态合金在凝固的过程中生成两种互不溶解的液相，低熔点的液相在凝固过程中可以补偿高熔点液相凝固时产生的枝晶孔洞，因而对于铸件的物理性能和力学性能具有极其有益的作用。

（3）本专利申请保护的新型铸造钛合金具有宽广的凝固温度范围（910-1450度）。其中主要的富Ti熔体的凝固温度范围为1280-1450度，富Nd和Y的熔体凝固温度范围为910-1080度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从1450度到910度的温度范围，因而在用该合金进行铸造的时候，可以获得的铸造件致密度高，可以达到98%以上而没有明显的孔洞出现。此外，该合金具有极其优异的回用性能，经4次回用后铸造件的外形轮廓清晰，表面光洁。因而，该材料的产业化，不仅可以提高成品率，还可以通过多次回用大大降低生产成本。

（4）高速轴承材料及制品是高铁、高客等重大装备的关键材料及零部件。其技术水平高低，对一个国家工业技术发展水平具有一定代表意义。本专利申请保护的铸造用钛合金,由于本身具有的低密度特征就可以作为轻量化的材料用于高铁和航空领域。该材料具有极其优异的力学性能，屈服强度达到600-720MPa，抗拉强度达到840-860MPa，延伸率为12-14%。经过真空渗碳处理后，该合金的表面显微硬度可以达到900-980HV，耐磨损性能有了极大的提高。在往复滑动摩擦方式下，该合金以塑性变形和犁沟磨损为主，因而极其适合用来制备高速或者航空领域的轴承材料。该材料的实施和产业化可以极大地提升我国制备高端轴承领域材料的水平，并同时获得巨大的市场销售量和解决行业难题。

具体实施方式

实施例1

一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Al:3.0wt.%,Nd:0.2wt.%,Y:1.0wt.%,Bi:2.0wt.%,In:4.0wt.%,Mn:1.0wt.%,Ge:4.0wt.%,Co:1.6wt.%，余量为钛。上述一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入真空自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在真空炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在820-860度加热，采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%。每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时。可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间。最后的热处理制度为：300-320度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该材料具有宽广的凝固温度范围（910-1450度）。其中主要的富Ti熔体的凝固温度范围为1280-1450度，富Nd和Y的熔体凝固温度范围为910-1080度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从1450度到910度的温度范围，因而在用该合金进行铸造的时候，可以获得的铸造件致密度高，可以达到98%以上而没有明显的孔洞出现。该材料具有极其优异的力学性能，屈服强度达到650MPa，抗拉强度达到840MPa，延伸率为12%。经过真空渗碳处理后，该合金的表面显微硬度可以达到920HV，耐磨损性能有了极大的提高。

实施例2

一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Al:5.0wt.%,Nd:0.4wt.%,Y:1.5wt.%,Bi:3.0wt.%,In:6.0wt.%,Mn:1.5wt.%,Ge:5.0wt.%,Co:2.0wt.%，余量为钛。上述一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入真空自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在真空炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在820-860度加热，采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%。每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时。可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间。最后的热处理制度为：300-320度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该材料具有宽广的凝固温度范围（910-1450度）。其中主要的富Ti熔体的凝固温度范围为1280-1450度，富Nd和Y的熔体凝固温度范围为910-1080度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从1450度到910度的温度范围，因而在用该合金进行铸造的时候，可以获得的铸造件致密度高，可以达到98%以上而没有明显的孔洞出现。该材料具有极其优异的力学性能，屈服强度达到700MPa，抗拉强度达到850MPa，延伸率为13%。经过真空渗碳处理后，该合金的表面显微硬度可以达到940HV，耐磨损性能有了极大的提高。

实施例3

一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺。按重量百分比计，合金的组成为Al:3.2wt.%,Nd:0.3wt.%,Y:1.4wt.%,Bi:2.5wt.%,In:4.2wt.%,Mn:1.2wt.%,Ge:4.5wt.%,Co:1.8wt.%，余量为钛。上述一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入真空自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在真空炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在820-860度加热，采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%。每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时。可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间。最后的热处理制度为：300-320度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该材料具有宽广的凝固温度范围（910-1450度）。其中主要的富Ti熔体的凝固温度范围为1280-1450度，富Nd和Y的熔体凝固温度范围为910-1080度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从1450度到910度的温度范围，因而在用该合金进行铸造的时候，可以获得的铸造件致密度高，可以达到98%以上而没有明显的孔洞出现。该材料具有极其优异的力学性能，屈服强度达到690MPa，抗拉强度达到860MPa，延伸率为12%。经过真空渗碳处理后，该合金的表面显微硬度可以达到940HV，耐磨损性能有了极大的提高。

Claims

1.一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺；按照重量百分比,该合金的成分为: Al:3.0-5.0wt.%,Nd:0.2-0.4wt.%,Y:1.0-1.5wt.%,Bi:2.0-3.0wt.%,In:4.0-6.0wt.%,Mn:1.0-

1.5wt.%,Ge:4.0-5.0wt.%,Co:1.6-2.0wt.%，余量为钛。

2.根据权利要求1所述一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺，其特征在于包括如下冶炼步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入；合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极；将若干支小电极组焊在一起，放入真空自耗炉中熔炼3次；在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在真空炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。

3.根据权利要求1所述一种具备优异凝固特性的高耐磨轴承用钛合金及其工艺，其特征在于包含如下加工步骤：将铸棒在820-860度加热，采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：300-320度固溶处理1.5小时,随后空冷。