CN110369546A - 一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金热轧无缝管生产技术领域，具体公开了一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法，包括以下步骤：S1、棒坯预加热处理；将棒料置于加热炉内，控制加热炉空燃比为12：1，控制残氧量为2～3%；S2、棒坯斜轧穿孔处理制成毛管；采用扩径变形斜孔穿孔的方法将步骤S1中预加热处理后的棒料制造毛管；S3、毛管保护预加热处理；在步骤S2制成的毛管外表面包裹一层高铝纤维保温棉，然后将毛管放入加热炉内进行加热处理；S4、毛管周期轧机保温轧管；对毛管进行周期轧制加工；S5、荒管机加工制成钛合金无缝管。本发明的优点是大幅降低大口径钛合金无缝管的生产工艺难度，增加产品质量的持久稳定性，大幅降低大口径钛合金无缝管的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金热轧无缝管生产技术领域，特别是一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法。
背景技术
钛合金是一种密度小、重量轻、比强度高、韧性好的综合性能优异的材料，同时，因其良好的耐蚀性，广泛应用于航空、航天、导弹、舰船、化工和体育用品、食品机械、医疗器械等领域。但由于我国在钛及钛合金材料的研究与工业化生产方面起步较晚，战略性的研究投入和生产配套设施方面远远落后于美国和俄罗斯等国；故，1、目前成熟的国家标准GB/T3624-2010《钛及钛合金无缝管》规定的组距仅为3mm～110mm，实际最大生产组距≤Φ219mm(肖国章.钛合金油井管的生产加工工艺研发现状[J].钢管，2018,47(2)：9-15),前期被列入国家鉴定成果自主创新100项重点推荐目录的某厂也仅能生产≤Φ273mm的钛合金热轧无缝管(姚文静.钛合金热轧无缝管生产工艺的新突破[J].四川冶金,2016(5):78-78)。2、由于基础研究相较于美国和俄罗斯等国的差距，国家标准GB/T3624-2010《钛及钛合金无缝管》和GB/T3625-2007《换热器及冷凝器用钛及钛合金无缝管》中均未对无缝管的金相组织作出要求，而国家标准GB/T6611-2008《钛及钛合金术语和金相图谱》中所列出的各类组织也未明确其优缺点3、从工艺技术方案来看：锻造工艺由于工艺复杂、生产流程长、管材长度受限、几何尺寸精度不高，机加工余量大故金属损失大，最终材料利用率低，成材率12％～18％；挤压工艺对工模具设计和润滑等要求较高，加工成本大、最终材料利用率也较低，成材率22％～27％；所以提高成材率是现在需要克服的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法，周期轧制组织均匀、性能稳定、几何尺寸精度高，最终材料利用率也较高。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法，包括以下步骤：
S1、棒坯预加热处理；
将棒料置于加热炉内，控制加热炉空燃比为12：1，控制残氧量为2～3％，使炉内气氛为微氧化气氛，0～4h加热到800℃，然后以800℃保温3h，之后经过2h加热到995℃～1025℃，然后保温1h；
S2、棒坯斜轧穿孔处理制成毛管；
采用扩径变形斜孔穿孔的方法将步骤S1中预加热处理后的棒料制造毛管，在轧辊的过程中向毛管冲淋冷却水，控制形变热效应温升，避免材料塑形降低与轧辊粘合在一起而轧卡；采用喷水式内水冷顶头，控制形变热效应温升，并使水蒸气形成的蒸汽膜起到润滑顶头的作用，避免材料与顶头粘合在一起而产生轧卡或划伤毛管内表面，采用喷水式导板，控制形变热效应温升，并使水蒸气形成的蒸汽膜起到润滑导板的作用，避免材料与导板粘合在一起而产生轧卡或划伤毛管外表面；
S3、毛管保护预加热处理；
在步骤S2制成的毛管外表面包裹一层高铝纤维保温棉，在毛管内孔两端堵塞同材质保温棉，然后将毛管放入加热炉内进行加热处理；具体的加热方法为：在0～7h内加热到800℃，然后800℃保温1h，之后经过2h加热到960～980℃，再经过3.5小时进行保温处理；
S4、毛管周期轧机保温轧管；
对毛管进行周期轧制加工，在将毛管从加热炉转运到周期轧机之间时保持包裹在毛管外表面的高铝纤维保温棉和堵塞在毛管内孔两端的保温棉必须牢固，在运输过程中不得脱落，以有效减少毛管运输过程中和轧制过程中的温降，确保毛管在980℃β转变温度点以下的α+β两相区内进行轧制；
S5、荒管机加工制成钛合金无缝管；
采用大型车床和深孔镗床，以内镗外扒的方法将步骤S4处理后的钛合金毛管加工至钛合金成品无缝管。
具体地，所述步骤S2中进行穿孔时，在进行穿孔前对需要使用的模具和工装夹具进行预热，预热的方法为离线加热两支三米长度的毛管，提前30min放在穿孔机前台和孔型内，使静态工模具温度达到90～110℃。
具体地，步骤S3中为确保轧制顺利周期，冷状态在炉头安装一只接触式铠装热电偶，位于毛管内孔下部位置，以期精确检测实际料温。
具体地，步骤S4中的毛管外部包裹的高铝纤维保温棉采用铁丝固定在毛管上。
具体地，步骤S4中进行周期轧制的轧辊的表面为车削表面，且腐蚀时间≥一周。
具体地，步骤S4中进行周期轧制时，由于钛合金亲和力强，与模具接触并发生相对摩擦时容易粘附在模具上而造成轧制变形时纵向流动不畅、轧完后抱紧芯棒，因而采用锥度为2000：1的芯棒，保证轧制中金属的纵向延伸、轧完后顺利脱棒。
本发明具有以下优点：
1、大幅提高钛合金无缝管的规格组距，为高端合金供给侧改革树立新的标杆。
2、得到合格的力学性能和相对稳定的金相组织，可保证材料疲劳试验合格的金相组织。
3、大幅降低大口径钛合金无缝管的生产工艺难度，大幅提高钛合金无缝管的金属收得率、降低生产成本
附图说明
图1为棒坯加热曲线图；
图2为毛管保护加热曲线图；
图3为无缝管金相组织图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1～3所示，一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法，包括以下步骤：
S1、棒坯预加热处理；
钛元素非常活泼，易与氧、氢、氮等气体发生化学反应，因此加热钛合金最理想的加热炉是真空或纯氩气保护炉。但是，无缝钢管生产线上的加热炉只有环形炉和车底式炉，无法进行真空或纯氩气保护加热，只能通过控制炉内气氛来避免加热对轧管质量产生不良影响。
车底式炉和环形炉均是以天然气为燃料，如果以常规控制即保持微还原性气氛加热，则加热过程中钛合金吸氢强烈，氢会扩散到钛合金内部，降低其塑性，对热变形极其不利；如果以氧化性气氛加热，则以氧渗入为主，充分抑制吸氢效应，只是加热管坯表面会产生氧化钛和富氧α层，氧化钛对变形没有影响，但富氧α层又硬又脆、塑性极差，在变形时会产生表面微裂纹，影响管材质量，且加热温度越高、时间越长，富氧α层越厚，对表面质量越不利，故高温段加热时间应尽可能短；在实施时，将棒料置于加热炉内，控制加热炉空燃比为12：1，控制残氧量为2～3％，使炉内气氛为微氧化气氛，避免TC4钛合金在加热过程吸氢，同时通过高温段快速加热尽量减少氧化钛和富氧α层厚度，避免恶化钛合金的塑性变形性能，钛合金的导热率小，仅为钢的1/5，随着温度的升高，导热率增加，因此，为保证加热质量，必须控制合理的加热速度和保温时间，根据钛合金热导率变化特点，采取低温段缓慢升温、高温段快速加热、缓慢升温时间原则上占总加热时间的2/3来分配加热炉各段加热时间，在0～4h加热到800℃，然后以800℃保温3h，之后经过2h加热到995℃～1025℃，然后保温1h；钛合金的变形抗力在920℃以下会急剧上升，而加热炉与穿孔机之间的运输需要较长时间，故为考虑设备安全和产品成型，将加热温度定在1010℃，此时经过一定保温均温后出炉，穿孔初始温度可达920℃及以上，加上穿孔过程中的温升，其终轧温度维持在外表面920℃～内表面980℃之间；
S2、棒坯斜轧穿孔处理制成毛管；
采用扩径变形斜孔穿孔的方法将步骤S1中预加热处理后的棒料制造毛管，扩径变形的方法可大大改善坯料在穿孔过程中的变形条件，有效抑制产品内外表面缺陷的产生，在轧辊的过程中向毛管冲淋冷却水，控制形变热效应温升，避免材料塑形降低与轧辊粘合在一起而轧卡；采用喷水式内水冷顶头，控制形变热效应温升，并使水蒸气形成的蒸汽膜起到润滑顶头的作用，避免材料与顶头粘合在一起而产生轧卡或划伤毛管内表面，采用喷水式导板，控制形变热效应温升，并使水蒸气形成的蒸汽膜起到润滑导板的作用，避免材料与导板粘合在一起而产生轧卡或划伤毛管外表面；
斜轧穿孔是大口径钛合金热轧无缝管的主变形工艺之一；由于在斜轧穿孔过程中，管坯内外层金属流动速度不同、金属受到各种拉、压、剪切、扭转应力的综合作用而变形条件恶劣，极易产生诸如外折、外表面裂纹、内裂、内折等产品缺陷；同时由于钛合金热变形的主要工艺难点在于其最佳变形温度区间窄，在斜轧穿孔过程中，由于变形量较大，形变热效应温升，通常达到100℃左右，使材料进入塑性急剧降低的温度区间，导致材料与工模具粘合在一起而轧卡，同时，如果管坯加热温度偏高或穿孔过程降温措施不力，行进中的毛管表面温度上升过大则降低了与轧辊间的摩擦系数，轧制动力下降可能造成中卡；在穿孔至尾端时因管坯与轧辊接触面积减少、轧制动力不足以克服顶头和导板的阻力而打滑产生穿孔尾卡。
穿孔工艺参数如表1所示；
表1、钛合金Φ610mm×30mm×6000mm穿孔工艺参数
S3、毛管保护预加热处理；
在步骤S2制成的毛管外表面包裹一层高铝纤维保温棉，在毛管内孔两端堵塞同材质保温棉，然后将毛管放入加热炉内进行加热处理；具体的加热方法为：在0～7h内加热到800℃，然后800℃保温1h，之后经过2h加热到960～980℃，再经过3.5小时进行保温处理；
由于周期轧制是大口径钛合金热轧无缝管最为主要的变形工艺，变形量在52％以上，是决定最终产品力学性能和金相组织的关键工序，故其对毛管的加热制度要求极为严格：1、为获得合格的力学性能和理想的金相组织，要求在相变点以下的α+β两相区内进行轧制，2、实际料温必须控制在规定温度±10℃范围内，即±970℃。
S4、毛管周期轧机保温轧管；
对毛管进行周期轧制加工，由于周期轧制是大口径钛合金热轧无缝管最为主要的变形工艺(变形量52％以上)，是决定最终产品力学性能和金相组织的关键工序，本目标产品为获得合格的力学性能和理想的金相组织，要求在980℃β转变温度点以下的α+β两相区内进行轧制，借鉴某钢厂已公布的成功经验：钛××钛合金的变形抗力在920℃以下会急剧上升，而加热炉与周期轧机之间的运输需要较长时间会产生较大的温降，且周期轧机的纯轧时间长，低温状态下钛合金变形抗力的急剧上升使轧机存在过载停车的风险，为确保轧制顺利周期，必须采取相应措施加以弥补：在将毛管从加热炉转运到周期轧机之间时保持包裹在毛管外表面的高铝纤维保温棉和堵塞在毛管内孔两端的保温棉必须牢固，在运输过程中不得脱落，以有效减少毛管运输过程中和轧制过程中的温降，确保毛管在980℃β转变温度点以下的α+β两相区内进行轧制，又避免设备过载停车的风险；经试验表明：由于高铝纤维保温棉在常规的常温和高温环境下与钛合金本体不会发生任何化学和物理反应，因此在随钛合金本体一起进行轧制的过程中会自动破碎脱落，对钛合金管表面不产生影响。由于高铝纤维保温棉本身并不具备粘合性，而又要求其在运输过程中不得脱落、在轧制过程中缓慢脱落，故包裹时需采用铁丝固定，而铁丝在高温状态下强度高且不会自动脱落，会随钛合金的轧制而嵌入钛合金管的本体，因此考虑后续钛合金管的机加工富余量后，用于固定高铝纤维保温棉的铁丝直径应≤5mm。
由于钛合金亲和力强，与模具接触并发生相对摩擦时容易粘附在模具上而造成轧制变形时纵向流动不畅、轧完后抱紧芯棒，因而制作专用的2000：1锥度芯棒，保证轧制中金属的纵向延伸、轧完后顺利脱棒。
轧制参数到如表2所示；
表2、钛合金Φ610mm×30mm×6000mm轧制工艺参数
S5、荒管机加工制成钛合金无缝管；
采用大型车床和深孔镗床，以内镗外扒的方法将步骤S4处理后的钛合金毛管加工至钛合金成品无缝管。
实施时，采用如表3所示的工艺进行机加工；
表3、钛合金Φ610mm×30mm×6000mm机加工工艺
| 序号 | 工序 | 尺寸 | 要点 |
| 1 | 车架位 | 架位见光 | 找正，两端车架位，中间车找正带 |
| 2 | 粗镗孔 | Φ545 | 转速18转/分；走刀0.4～0.5㎜/转，勤换刀 |
| 3 | 半精镗孔 | Φ547.5 | 转速25转/分；走刀0.3～0.4㎜/转，控制尺寸 |
| 4 | 精镗孔 | Φ550 | 转速18转/分；走刀0.35㎜/转，保粗糙度 |
| 5 | 粗车 | Φ615 | 转速12转/分，走刀0.5㎜/转，防止轧刀 |
| 6 | 半精车 | 31.7～33.1 | 转速20转/分，走刀0.5㎜/转，控制壁厚 |
| 7 | 精车 | 30.5～30.8 | 转速50转/分，走刀0.3㎜/转，提光表面 |
| 8 | 外表面抛光 | Ra≤3.2 | 转速5转/分，走刀0.3㎜/转，用千叶轮提光 |
| 9 | 平端面，倒角 | 2～3×45° | 中心架支承，平两端，倒角。 |
| 10 | 内表面抛光 | Ra≤3.2 | 转速5转/分，走刀0.3㎜/转，用千叶轮抛光 |
进一步地，所述步骤S2中进行穿孔时，在进行穿孔前对需要使用的模具和工装夹具进行预热，预热的方法为离线加热两支三米长度的毛管，提前30min放在穿孔机前台和孔型内，使静态工模具温度达到90～110℃。
进一步地，步骤S3中为确保轧制顺利周期，冷状态在炉头安装一只接触式铠装热电偶，位于毛管内孔下部位置，以期精确检测实际料温。
进一步地，步骤S4中进行周期轧制的轧辊的表面为车削表面，且腐蚀时间≥一周。
本发明涉及的大口径钛合金无缝管的产品技术要求：
1.钛××化学成分：Ti-Al-Mo-V
2.尺寸允许偏差及外形：外径D±1mm，壁厚S+1mm 0，椭圆度≤2mm，弯曲度≤0.5mm/m，表面粗糙度Ra≤3.2μm。
3.力学性能：抗拉强度Rm≥770MPa，屈服强度Rp0.2≥650MPa，断后伸长率A≥9％，断面收缩率Z≥25％，-20℃冲击功KV2≥60J，-50℃冲击功KV2≥50J。
4.金相组织：网篮(束状)、魏氏或双态组织形状，其中网篮(束状)组织不低于80％。
5.工艺性能：水压试验(60MPa、≥2Min)、气密性试验(60MPa、≥10Min)、疲劳试验(0～60MPa、≥12000次循环)。
本发明的钛合金无缝管的实际检验结果：
1.钛合金化学成分：Ti-Al-Mo-V含量符合
2.尺寸偏差及外形：外径610+0.8mm+0.1mm，壁厚S+0.5mm+0.1mm，椭圆度≤0.5mm，弯曲度≤0.1mm/m，表面粗糙度Ra≤1.6μm。
3.力学性能：抗拉强度Rm 865MPa，屈服强度Rp0.2 758MPa，断后伸长率A 12％，断面收缩率Z 45％，-20℃冲击功KV2≥76J，-50℃冲击功KV2≥65J。
4.金相组织：任意视场内网篮(束状)组织不低于90％。
5.工艺性能：水压试验(60MPa、≥2Min无泄漏与畸变)、气密性试验(60MPa、≥10Min无泄漏)、疲劳试验(0～60MPa、≥13000次循环未失效)。
以上是本发明的生产大口径，Φ610mm及以下，钛合金热轧无缝管的方法的实施方式和实施例。通过以上实施过程可以看出，本发明不需要进行有色金属行业内常规的热挤压或锻制处理就能制成钛合金无缝管，且材料的力学性能和金相组织理想，从而大幅降低大口径钛合金无缝管的生产工艺难度，增加产品质量的持久稳定性，特别是疲劳指标，大幅降低大口径钛合金无缝管的生产成本。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、棒坯预加热处理；
将棒料置于加热炉内，控制加热炉空燃比为12：1，控制残氧量为2～3%，使炉内气氛为微氧化气氛，0～4h加热到800℃，然后以800℃保温3h，之后经过2h加热到995℃～1025℃，然后保温1h；
S2、棒坯斜轧穿孔处理制成毛管；
采用扩径变形斜孔穿孔的方法将步骤S1中预加热处理后的棒料制造毛管，在轧辊的过程中向毛管冲淋冷却水，控制形变热效应温升，避免材料塑形降低与轧辊粘合在一起而轧卡；采用喷水式内水冷顶头，控制形变热效应温升，并使水蒸气形成的蒸汽膜起到润滑顶头的作用，避免材料与顶头粘合在一起而产生轧卡或划伤毛管内表面，采用喷水式导板，控制形变热效应温升，并使水蒸气形成的蒸汽膜起到润滑导板的作用，避免材料与导板粘合在一起而产生轧卡或划伤毛管外表面；
S3、毛管保护预加热处理；
在步骤S2制成的毛管外表面包裹一层高铝纤维保温棉，毛管内孔两端堵塞同材质保温棉，然后将毛管放入加热炉内进行加热处理；具体的加热方法为：在0～7h内加热到800℃，然后800℃保温1h，之后经过2h加热到960～980℃，再经过3.5小时进行保温处理；
S4、毛管周期轧机保温轧管；
对毛管进行周期轧制加工，在将毛管从加热炉转运到周期轧机之间时保持包裹在毛管外表面的高铝纤维保温棉和堵塞在毛管内孔两端的保温棉必须牢固，在运输过程中不得脱落，以有效减少毛管运输过程中和轧制过程中的温降，确保毛管在980℃β转变温度点以下的α+β两相区内进行轧制；
S5、荒管机加工制成钛合金无缝管；
采用大型车床和深孔镗床，以内镗外扒的方法将步骤S4处理后的钛合金毛管加工至钛合金成品无缝管。
2.根据权利要求1所述的一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法，其特征在于：所述步骤S2中进行穿孔时，在进行穿孔前对需要使用的模具和工装夹具进行预热，预热的方法为离线加热两支三米长度的毛管，提前30min放在穿孔机前台和孔型内，使静态工模具温度达到90～110℃。
3.根据权利要求1所述的一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法，其特征在于：步骤S3中为确保轧制顺利周期，冷状态在炉头安装一只接触式铠装热电偶，位于毛管内孔下部位置，以期精确检测实际料温。
4.根据权利要求1所述的一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法，其特征在于：步骤S4中的毛管外部包裹的高铝纤维保温棉采用铁丝固定在毛管上，用于固定高铝纤维保温棉的铁丝直径应≤5mm。
5.根据权利要求1所述的一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法，其特征在于：步骤S4中进行周期轧制的轧辊的表面为车削表面，且腐蚀时间≥一周。
6.根据权利要求1所述的一种生产大口径钛合金热轧无缝管的方法，其特征在于：步骤S4中进行周期轧制时，由于钛合金亲和力强，与模具接触并发生相对摩擦时容易粘附在模具上而造成轧制变形时纵向流动不畅、轧完后抱紧芯棒，因而采用锥度为2000：1的芯棒，保证轧制中金属的纵向延伸、轧完后顺利脱棒。
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