CN109127726B

CN109127726B - 一种工业纯钛板的制备方法

Info

Publication number: CN109127726B
Application number: CN201810960056.XA
Authority: CN
Inventors: 周峰; 周庆
Original assignee: Foshan Polytechnic
Current assignee: Baoji hongyetai metal materials Co.,Ltd.
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2038-08-22
Also published as: CN109127726A

Abstract

本发明公开了一种工业纯钛板的制备方法，包括：将钛材预处理得到钛材坯体；加热；除鳞；至少一次粗轧得到钛板坯体；至少一次精轧，精轧后钛板厚度为2‑6mm；精轧后钛板快速冷却至300‑350℃，然后在空气中冷却得到工业纯钛板成品；本发明采用热轧的生产工艺生产了工业纯钛板，其所需设备少，投入低；且工艺简单，生产成本低；制备得到的钛板各项性能优异，符合国家标准GB/T3621‑2007和美国国家标准ASTM B265的要求，具有极高的推广价值。

Description

一种工业纯钛板的制备方法

技术领域

本发明涉及钛板生产领域，尤其涉及一种工业纯钛板的制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有较高的比强度、良好的耐蚀性和生物相容性，因而广泛的应用于航空航天、海洋、石油化工和生物工程等领域。我国是世界钛资源最丰富的国家，钛储量居世界第一，占世界总储量的38.8％。同时，我国也是仅次于美国的世界第二大钛材消费国。

然而，长期以来，由于缺乏热轧钛带卷技术，我国的钛带卷基本依赖进口。特别是近年来，随着我国战略产业发展，钛带卷和钛焊管的进口量不断增加，而美国、日本等钛产品出口大国又通过封锁核心技术来控制产品价格和供应量，大大抑制了我国相关战略产业发展。因此，加大对钛材精深加工技术的研发及产业化，已成为我国国民经济发展和国防建设的重大课题。

在钛板材生产中，工业纯钛板的占有率很大，约占90％，到2015年我国消费钛材约8.8万吨，其中板占比55.7％。约4.84万吨，其规格从厚度规格从0.3～70mm，宽度达到2500mm，板材加工呈现规格多，单个规格产量少的特点，如果单独投资建设金属钛板轧制生产线投资成本高，设备利用率低。

一种方法是改造钢材轧制生产线，以用于钛板生产。专利申请200710046144.0采用海绵钛作为原料生产了板式交换器专用钛板，其采用加热、热轧、酸洗、再加热、再热轧、酸碱洗、一次退火、冷轧、清洗、二次退火、再冷轧、酸碱洗、三次退火的工艺制备得到了厚度为0.5-0.6mm的钛板材，然而这种工艺复杂，需要设备多，不利于推广。专利申请201310608859.6公开了一种热轧钛板生产方法及系统，其采用加热、粗轧、开卷、精轧、喷水冷却的工艺制备了热轧钛板，但其采用的水冷工艺不适用于钛板生产，制备得到的钛板材性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种工业纯钛板的制备方法，其具有需要设备少，投入低；工艺简单，生产成本低的特点，同时生产得到的工业纯钛板产品性能优良。

为了解决上述技术问题，达到相应的技术效果，本发明提供了一种工业纯钛板的制备方法，包括：

(1)将钛材进行预处理得到钛材坯体；

(2)将钛材坯体加热；

(3)将加热后钛材坯体采用高压水除鳞；

(4)将除鳞后钛材坯体进行至少一次粗轧得到钛板坯体；

(5)将钛板坯体进行至少一次精轧得到钛板，精轧后钛板厚度为2-6mm；

(6)将钛板以20-40℃/s的速度冷却至300-350℃，然后在空气中得到工业纯钛板成品；

作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，加热后钛材坯体的温度为1000-1050℃。

作为上述技术方案的改进，步骤(4)中，粗轧次数为3-5次，压下量≤400mm，压下率≤50％。

作为上述技术方案的改进，粗轧开轧温度为950-1050℃。

作为上述技术方案的改进，步骤(1)中，所述钛材的组分和质量百分比为：0.01wt％≤铁≤0.10wt％、0.01wt％≤碳≤0.05wt％、氮<0.008wt％、氢<0.008wt％、0.01wt％≤氧≤0.15wt％，其他杂质含量＜0.5wt％，余量为钛。

作为上述技术方案的改进，步骤(5)包括：

(5.1)粗轧后坯体采用高压水除鳞；

(5.2)进行至少一次精轧，精轧后钛板厚度为2-6mm。

作为上述技术方案的改进，其特征在于，步骤(5)中，精轧的最后3道次的道次压下率≤10％，精轧出口温度600～650℃。

作为上述技术方案的改进，步骤(3)中，所述高压水的水压为9-18MPa。

实施本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种简单的工业纯钛板的制备方法，具体如下：

1.本发明采用快速冷却工艺，优化了钛板的性能，一方面使得前序加热工艺能够采用更高的加热温度，增强了钛材的塑性；另一方面降低了精轧出轧温度，使得轧制工艺更容易控制。进而制备得到了性能优良的工业纯钛板。

2.本发明采用快速冷却工艺，细化了成品钛板中的晶粒组织，提升了钛板的强度，改善了产品性能。

3.本发明采用的热轧以及快速冷却的工艺，其所需设备少、投入低，且工艺简单、生产成本低。

4.本发明采用合理的加热工艺，采用合理的气氛，保证了加热质量，同时减少了氧化对钛板性能的影响。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种工业纯钛板的制备方法，其包括步骤：

(1)将钛材进行预处理得到钛材坯体；

其中，所述钛材选自工业纯钛材；优选的，采用TA2牌号的工业纯钛，所述TA2牌号工业纯钛的成分及含量为：0.01wt％≤铁≤0.10wt％、0.01wt％≤碳≤0.05wt％、氮<0.008wt％、氢<0.008wt％、0.01wt％≤氧≤0.15wt％，其他杂质含量＜0.5wt％，余量为钛。杂质包括磷、硫、镍、硅、铝、锌等常见的残留元素。

所述钛材可选海绵钛或钛锭。根据不同的钛材选定不同的预处理工艺。

所述预处理包括锻造和/或铸造。当采用海绵钛作为原料时，可直接采用真空等离子束熔炼炉融化后，直接浇铸成为坯体；亦可采用加热炉加热后铸造，进而锻造得到钛材坯体；其中，加热炉可采用电子束炉、真空电弧炉、或真空自耗炉；优选的，采用电子束炉进行加热；当采用钛锭作为原料时，可直接进行锻造，得到后续工序使用的钛材坯体。

优选的，经过预处理后坯体规格为150mm×1200mm。

(2)将钛材坯体加热；

将所述钛材坯体在气氛炉中加热，加热后温度为1000-1050℃，优选的，所述气氛为中性气氛或者微氧化性气氛，有利于阻止在钛材坯体表面形成过厚的氧化膜，影响钛板性能。

一方面，由于钛金属化学性质活泼，在高温下，极易被氧化。加热时，在低温段，氧容易进入钛表面晶格，形成一层致密的氧化膜，这层氧化膜可以阻止氧进一步向基体扩散，当加热到500℃以上时，钛的氧化膜变为多孔状、变厚并容易剥脱，氧通过膜中的小孔不断的向基体扩散，形成了较厚的氧化膜，较厚的氧化膜会导致成品率降低、表面质量降低等缺陷，因此需要尽量降低坯体温度；然而从另一方面讲，提高基体温度，又有利于提高基体的可塑性，使得后续热轧工序更容易进行，因此选择合适的加热温度是影响钛板成型的重要因素。一般认为，应控制加热温度低于1100℃，因为过高的温度会加厚氧化膜，降低钛板成品的力学性能。

优选的，在本发明中，采用气氛炉中加热至1000-1050℃，采用微氧化气氛。在本发明中，一方面采用了含有较高碳、氮、氧以及其他杂质元素，提高了钛材的相变温度；另一方面，在后续工艺中采用了快速冷却的工艺，使得成品钛板中晶粒组织得到了细化，改善了产品性能；因此在本发明中可采用较高的热处理温度对钛材进行处理，能够有利于后续的成型，又能保证后期产品的质量。

(3)将加热后钛材坯体采用高压水除鳞；

由于在燃烧过程中，会产生一些炉生氧化铁附着到钛材坯体表面，因此需要采用对加热后钛材坯体进行除磷，在本发明中，对除鳞工艺没有具体的限制，可采用爆破法、机械法、变形法、高压水清除法对钛材坯体表面进行除鳞。为了更好的发挥本发明的优势，采用高压水冲洗除去钛材坯体表面的氧化铁等杂质；优选的，高压水的压力为9-18MPa；较高的水压力能够将钛材坯体表面的氧化铁等杂质充分脱除，保障钛板的优良性能。

(4)将除鳞后钛材坯体进行至少一次粗轧得到钛板坯体；

采用四辊可逆粗轧机对除鳞后坯体进行粗轧；优选的，在此步骤中，对钛材坯体进行3-5道次的粗轧；其压下量≤400mm，压下率≤50％。进一步优选的，对钛材坯体进行3道次的粗轧，各道次轧制量≤32mm；粗轧各道次轧制量的合理配合能提高轧制的效率，同时保证轧制质量，提高成品性能。

轧制过程中，开轧温度影响较大，一般选取合金相图中固相线温度的80％左右；在本发明中，充分考虑钛材的氧化、轧制性能等问题，采用开轧温度为950-1050℃，一方面确保了钛材坯体具有良好的塑形，易于轧制；另一方面，也尽量降低了钛材坯体表面的氧化，以防影响后续钛板的性能。

步骤(5)包括：

(5.1)将粗轧后的钛板坯体采用高压水除鳞；

在粗轧过程中有可能会带入氧化铁等杂质，因此在精轧前，需要对钛板坯体进行除鳞处理，此处除鳞水的压力为9-18MPa；

(5.2)除鳞后的钛板坯体进行至少一次精轧；

采用连轧的方式进行精轧，精轧道次数根据最终产品的要求决定；优选的，采用七机架精轧机组进行连轧；其中，精轧最后3道次的道次压下率≤10％。

其中，在步骤(5.2)中，精轧出口温度为600-650℃。热轧出口温度指热轧板带离开最后一道精轧机时的温度；此温度对热轧板带成材后的金相组织、晶粒大小有着极大影响，从而对其机械性能影响巨大，一般流程中，常选择热轧出口温度为660-730℃，因为较低的热轧出口温度会集中钛板中的残余应力，使得版型不良。在本发明中，选择出口温度为600-650℃，配合后续快速冷却工艺可有效消除钛板坯体中不均匀的残余应力，保障钛板成品的力学性能。

(6)钛板以20-40℃/s的速度冷却至300-350℃，然后在空气中得到工业纯钛板成品；

在快速冷却设备中对精轧后钛板进行冷却，冷却速度为20-40℃/s，冷却后温度为300-350℃。

快速冷却的工艺一方面可以有效消除表面硬化层，使得在热处理过程中积累的氧化膜得到有效地消除。

需要说明的是，一般认为，在金属板的轧制过后，适当地提升冷却速度有助于减小晶粒组织，进而提升板材的韧性和强度；但采用过高的冷却速度(＞15-20℃/s)时，会显著增加板材中贝氏体的生成量，造成板材的强度和韧性降低，而且过高的冷却速度会使得应力释放不均匀，导致板材变形。

而本发明采用了较高的冷却速度20-40℃/s，细化了板材中的晶粒组织，同时也能够很好的释放板材中残余应力，得到性能符合标准的产品。

(7)卷取、检测、包装；

快冷后，采用卷取机直接进行卷取，卷取后进行检测、包装。

本发明采用热轧的生产工艺生产了工业纯钛板，其所需设备少，投入低；且工艺简单，生产成本低；制备得到的钛板各项性能优异，符合国家标准GB/T3621-2007和美国国家标准ASTM B265的要求，具有极高的推广价值。

实施例1

选用钛锭作为原料，其化学成分为：Fe为0.02％，C为0.04％，N为0.005％，H为0.005％，O为0.02％，P为0.012％，S为0.002％，其他杂质含量为0.2％，余量为Ti。

制备工艺：

(1)将钛锭锻造为长度150mm，宽度1200mm的锻坯；

(2)在加热炉中将锻坯加热到1020℃；

(3)采用高压水除鳞，水压为18MPa；

(4)采用四辊可逆粗轧机进行往返轧制3道次，各道次轧制量分别为30mm、25mm、24mm；

(5)进行精轧前除磷，除磷水压力为12MPa，然后进入7机架精轧机组进行连轧，轧制最后3道次采用小道次压下率，道次压下率分别为8.6％、3.2％、1.3％，轧制厚度为2mm，精轧出口温度620℃，

(6)轧制完成后立即进入超快冷却装置，冷却速率为20℃/s，冷却到300℃；然后空冷；

(7)卷取、检测、包装。

本实施例制备得到的工业纯钛板，其屈服强度为330MPa，抗拉强度455MPa，A50延伸率33.5％，其性能满足TA2国家标准GB/T3621-2007和美国国家标准ASTM B265技术条件。

实施例2

选用钛锭作为原料，其化学成分为：Fe为0.01％，C为0.03％，N为0.005％，H为0.005％，O为0.02％，P为0.01％，S为0.002％，其他杂质含量为0.12％余量为Ti。

制备工艺：

(1)将钛锭锻造为长度150mm，宽度1200mm的锻坯；

(2)在气氛炉中将锻坯加热到1050℃，采用弱氧化气氛；

(3)采用高压水除鳞，水压为18MPa；

(4)采用四辊可逆粗轧机进行往返轧制3道次，各道次轧制量分别为32mm、28mm、20mm、；

(5)进行精轧前除磷，除磷水压力为12MPa，然后采用7机架精轧机组进行连轧，轧制最后3道次采用小道次压下率，道次压下率分别为7.6％、4.2％、2.3％，轧制厚度为6mm，精轧出口温度600℃

(6)轧制完成后立即进入超快冷却装置，冷却速率为40℃/s，冷却到350℃；然后空冷；

(7)卷取、检测、包装。

本实施例制备得到的工业纯钛板，其屈服强度为350MPa，抗拉强度465MPa，A50延伸率34.5％，其性能满足TA2国家标准GB/T3621-2007和美国国家标准ASTM B265技术条件。

实施例3

选用钛锭作为原料，其化学成分为：Fe为0.02％，C为0.04％，N为0.005％，H为0.003％，O为0.02％，P为0.011％，S为0.001％，其他杂质含量为0.3％，余量为Ti。

制备工艺：

(1)将钛锭锻造为长度150mm，宽度1200mm的锻坯；

(2)在加热炉中将锻坯加热到1000℃；

(3)采用高压水除鳞，水压为16MPa；

(4)采用四辊可逆粗轧机进行往返轧制3道次，各道次轧制量分别为33mm、30mm、28mm；

(5)进行精轧前除磷，除磷水压力为9MPa，然后采用7机架精轧机组进行连轧，轧制最后3道次采用小道次压下率，道次压下率分别为8.2％、3.1％、1.9％，轧制厚度为6mm，精轧出口温度650℃。

(6)轧制完成后立即进入超快冷却装置，冷却速率为20℃/s，冷却到320℃；然后空冷；

(7)卷取、检测、包装。

本实施例制备得到的工业纯钛板，其屈服强度为325MPa，抗拉强度430MPa，A50延伸率31.5％，其性能满足TA2国家标准GB/T3621-2007和美国国家标准ASTM B265技术条件。

实施例4

选用钛锭作为原料，其化学成分为：Fe为0.01％，C为0.02％，N为0.004％，H为0.005％，O为0.02％，P为0.012％，S为0.002％，其他杂质含量为0.2％，余量为Ti。

制备工艺：

(1)将钛锭锻造为长度150mm，宽度1200mm的锻坯；

(2)将锻坯在气氛炉中，中性气氛下加热到1050℃；

(3)采用高压水除鳞，水压为14MPa；

(4)采用四辊可逆粗轧机进行往返轧制3道次，各道次轧制量分别为31mm、30mm、28mm；

(5)进行精轧前除磷，除磷水压力为10MPa，然后采用7机架精轧机组进行连轧，轧制最后3道次采用小道次压下率，道次压下率分别为6.3％、3.2％、2.3％，轧制厚度为4mm，精轧出口温度600℃。

(6)轧制完成后立即进入超快冷却装置，冷却速率为25℃/s，冷却到320℃；然后空冷；

(7)卷取、检验、标识、入库。

本实施例制备得到的工业纯钛板，其屈服强度为335MPa，抗拉强度425MPa，A50延伸率33.5％，其性能满足TA2国家标准GB/T3621-2007和美国国家标准ASTM B265技术条件。

实施例5

选用海绵作为原料，其化学成分为：Fe为0.03wt％，C为0.04wt％，N为0.004wt％，H为0.003wt％，O为0.04wt％，P为0.02wt％，S为0.003wt％，其他杂质含量为0.2％，余量为钛。

制备工艺：

(1)采用真空等离子束炉熔炼后直接浇注为长度150mm，宽度1200mm的钛材坯体；

(2)将钛材坯体在气氛炉中、微氧化气氛下加热到1020℃；

(3)采用高压水除鳞，水压为18MPa；

(5)进行精轧前除磷，除磷水压力为12MPa，然后采用7机架精轧机组进行连轧，轧制最后3道次采用小道次压下率，道次压下率分别为6.3％、3.2％、2.3％，轧制厚度为5mm，精轧出口温度650℃。

(6)轧制完成后立即进入超快冷却装置，冷却速率为30℃/s，冷却到300℃；然后空冷；

(7)卷取、检验、标识、入库。

本实施例制备得到的工业纯钛板，其屈服强度为325MPa，抗拉强度420MPa，A50延伸率31.5％，其性能满足TA2国家标准GB/T3621-2007和美国国家标准ASTM B265技术条件。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种工业纯钛板的制备方法，其特征在于，包括：

(1)将钛材进行预处理得到钛材坯体；

(2)将钛材坯体加热到1000-1050℃；

(3)将加热后钛材坯体采用高压水除鳞；

(4)将除鳞后钛材坯体进行至少一次粗轧得到钛板坯体；

(5)将钛板坯体进行至少一次精轧得到钛板，精轧后钛板厚度为2-6mm；精轧出口温度600-650℃；

(6)将钛板以20-40℃/s的速度冷却至300-350℃，然后在空气中冷却、卷取后得到工业纯钛板成品。

2.如权利要求1所述的工业纯钛板的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，粗轧次数为3-5次，压下量≤400mm，压下率≤50％。

3.如权利要求2所述的工业纯钛板的制备方法，其特征在于，粗轧开轧温度为950-1050℃。

4.如权利要求1所述的工业纯钛板的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钛材的组分和质量百分比为：0.01wt％≤铁≤0.10wt％、0.01wt％≤碳≤0.05wt％、氮<0.008wt％、氢<0.008wt％、0.01wt％≤氧≤0.15wt％，其他杂质含量＜0.5wt％，余量为钛。

5.如权利要求1所述的工业纯钛板的制备方法，其特征在于，步骤(5)包括：

(5.1)粗轧后坯体采用高压水除鳞；

(5.2)进行至少一次精轧，精轧后钛板厚度为2-6mm。

6.如权利要求1-5任一项所述的工业纯钛板的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，精轧的最后3道次的道次压下率≤10％。

7.如权利要求1所述的工业纯钛板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述高压水的水压为9-18MPa。