CN112779438B - 一种紧固件用钛合金棒及其制备方法、紧固件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种紧固件用钛合金棒及其制备方法、紧固件，所述钛合金棒由如下质量分数的成分组成，Nb：3‑3.5％，Zr：1.8‑2.3％，Al：5.5‑6.0％，Mo：0.7‑1.0％，Fe≤0.1％，O≤0.1％，N≤0.05％，C≤0.03％，H≤0.01％，其余为钛及不可避免的杂质。本发明提供的紧固件，其屈服强度为761‑800MPa，抗拉强度为897‑900MPa，延伸率为15.5‑18.5％，在模拟海水(NaCl质量浓度为3.5％,PH＝7.5,温度为30℃)中几乎无腐蚀，同时兼具良好的耐腐蚀性能和强度性能，综合性能良好。
Description
技术领域
本发明属于紧固件用钛合金棒生产技术领域，尤其涉及一种紧固件用钛合金棒及其制备方法、紧固件。
背景技术
紧固件比如螺母就是一种常见的紧固件，可以作为舰船上一种常用的连接紧锁零件，现有的紧固件一般使用钢材质或者纯钛材质制成，但是由于舰船长期在水面(海面)使用，环境潮湿并伴有海水腐蚀(缝隙腐蚀)，其中，钢材质的紧固件耐海洋环境腐蚀性能不佳，纯钛材质的紧固件虽然耐海洋环境腐蚀，但是强度较低。
因此，亟需一种新型紧固件用金属材料，这种紧固件在具备良好海水腐蚀(缝隙腐蚀)性能的前提下，具有较高的强度。
发明内容
本发明提供了一种紧固件用钛合金棒及其制备方法、钛合金螺母，该钛合金方法制作的紧固件具备良好的耐蚀性能和强度，综合性能好。
一方面，本发明提供了一种紧固件用钛合金棒，所述钛合金棒由如下质量分数的成分组成，Nb：3-3.5％，Zr：1.8-2.3％，Al：5.5-6.0％，Mo：0.7-1.0％，Fe≤0.1％，O≤0.1％，N≤0.05％，C≤0.03％，H≤0.01％，其余为钛及不可避免的杂质。
进一步地，所述紧固件用钛合金棒为钛合金六方棒，所述钛合金六方棒的对角顶点间的距离为29-30mm，平行边长度为26-28mm，边宽为16-17mm。
进一步地，所述紧固件用钛合金棒的金相组织为如下任意一种:等轴组织、双态组织，所述等轴组织中α相组织的体积分数＞60％；所述双态组织由α相组织和β相组织组成，所述α相组织的体积分数为30-60％，所述β相组织的体积分数为40-70％。
另一方面，本发明提供了上述的一种紧固件用钛合金棒的制备方法，所述方法包括，
获得钛合金铸锭；所述钛合金铸锭由如下质量分数的成分组成，Nb：3-3.5％，Zr：1.8-2.3％，Al：5.5-6.0％，Mo：0.7-1.0％，Fe≤0.1％，O≤0.1％，N≤0.05％，C≤0.03％，H≤0.01％，其余为钛及不可避免的杂质；
将所述钛合金铸锭加热至1145-1155℃的温度，保温2-6h的时间后，经第一锻造获得正方体坯；
将所述正方体坯加热至990-1010℃的温度，保温2-5h的时间后，经第二锻造获得长方体坯；
将所述长方体坯在相变点以下20℃的温度下，保温1-4h的时间后，经第三锻造后并滚圆，获得直径为120-150mm的圆棒；
将所述圆棒加热至920-940℃的温度，保温1-3h的时间后，经径向锻造获得直径为60-80mm的钛合金棒。
进一步地，所述相变点温度为990-1000℃。
进一步地，所述第一锻造包括三墩三拔，总变形率＞70％；第二锻造包括三墩三拔，总变形率＞65％；第三锻造为二墩二拔，总变形率＞70％。
进一步地，所述第一锻造温度1150±10℃。
进一步地，所述钛合金铸锭的直径为300-750mm。
再一方面，本发明还提供了一种紧固件，所述紧固件由上述的一种紧固件用钛合金棒依次经过加热、热轧、退火和加工后获得；
所述加热过程中，加热温度为950-970℃，保温时间为1.5-2h；所述热轧温度为960±10℃，所述热轧孔型依次为四方-圆形-正菱形-圆形-六方。
进一步地，所述退火中，温度为800-950℃，保温时间为1-3h。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供了一种紧固件用钛合金棒及其制备方法、紧固件，本发明钛合金棒通过加入Nb、Al和Zr元素提高钛合金的强度，添加Mo元素提高钛合金的耐腐蚀性能，同时还可以细化晶粒提高强度，从而使其制作的紧固件极同时兼具良好的耐腐蚀性能和强度性能，综合性能良好，用于舰船可以提高使用寿命，本发明提供的紧固件，其屈服强度为761-800MPa，抗拉强度为897-900MPa，延伸率为15.5-18.5％，海水中几乎无腐蚀；并且采用优选钛合金成分，六方棒热轧采用“四方-圆形-正菱形-圆形-六方”的创新设计孔型，生产的钛合金六角型材尺寸精度高、强韧性能匹配好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种紧固件用钛合金棒的双态组织图；
图2为本发明实施例1提供的一种紧固件的双态组织图；
图3为本发明实施例3提供的一种紧固件用钛合金棒的等轴组织图；
图4为本发明实施例3提供的一种紧固件的等轴组织图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一方面，本发明实施例提供了一种紧固件用钛合金棒，所述钛合金棒由如下质量分数的成分组成，Nb：3-3.5％，Zr：1.8-2.3％，Al：5.5-6.0％，Mo：0.7-1.0％，Fe≤0.1％，O≤0.1％，N≤0.05％，C≤0.03％，H≤0.01％，其余为钛及不可避免的杂质。
钛合金棒中各元素的作用如下：
Nb：可以提升钛合金棒的塑性、还可以通过固溶强化提高钛合金棒的强度。
Zr：通过固溶强化提高钛合金棒的强度。
Al：通过固溶强化和细化晶粒，从而提高钛合金棒的强度。
Mo：提高钛合金棒的耐腐蚀性能，同时还可以细化晶粒，提高钛合金棒的强度。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述紧固件用钛合金棒为钛合金六方棒，所述钛合金六方棒的对角顶点间的距离为29-30mm，平行边长度为26-28mm，边宽为16-17mm。本发明提供的钛合金六方棒的断面为内圆外六方的形状。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述紧固件用钛合金棒的金相组织为如下任意一种：等轴组织、双态组织，所述等轴组织中α相的体积分数＞60％；所述双态组织由α相组织和β相组织组成，所述α相组织的体积分数为30-60％，所述β相组织的体积分数为40-70％。
双态组织中α相较软，可以使钛合金棒具有良好的塑性，双态组织中的β相可以使钛合金棒具有良好的强度和冲击韧性，因此α+β的双态组织可以使钛合金棒强度塑性匹配好；等轴组织的钛合金棒的塑性好。
另一方面，本发明实施例还提供了上述的一种紧固件用钛合金棒的制备方法，所述方法包括，
S1，获得钛合金铸锭；所述钛合金铸锭由如下质量分数的成分组成，Nb：3-3.5％，Zr：1.8-2.3％，Al：5.5-6.0％，Mo：0.7-1.0％，Fe≤0.1％，O≤0.1％，N≤0.05％，C≤0.03％，H≤0.01％，其余为钛及不可避免的杂质；
S2，将所述钛合金铸锭加热至1145-1155℃的温度，保温2-6h的时间后，经第一锻造获得正方体坯；
S3，将所述正方体坯加热至990-1010℃的温度，保温2-5h的时间后，经第二锻造获得长方体坯；
S4，将所述长方体坯在相变点以下20℃的温度下，保温1-4h的时间后，经第三锻造后并滚圆，获得直径为120-150mm的圆棒；
S5，将所述圆棒加热至920-940℃的温度，保温1-3h的时间后，经径向锻造获得直径为60-80mm的钛合金棒。
在本发明中第一锻造实质为开坯锻造，该步骤是破碎铸造组织、改善塑性、提高加工性能的必需工序。第二锻造和第三锻造的作用是将破碎后的铸锭组织进一步破碎并均匀化；S3步骤中的加热温度过高，保温时间过长，会引起组织粗大，不利于破碎和细化，加热的温度过低，保温时间过短，不利于变形和组织破碎，造成锻不透而引起内外组织和性能不均匀；S4步骤中的加热温度过高，保温时间过长，引起组织长大，破坏前一步锻造结果，不利于棒材组织进一步破碎细化，从而不能获得性能优异的锻造棒材。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述相变点温度为990-1000℃。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述第一锻造包括三墩三拔，总变形率＞70％；第二锻造包括三墩三拔，总变形率＞65％；第三锻造为二墩二拔，总变形率＞70％。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述第一锻造温度1150±10℃，所述热轧温度为960±10℃。热轧变形过程本身变形率大，会引起材料温度升高，热轧温度过高会造成组织粗大不均匀，若热轧过程中温度高过相变点引起相变形成魏氏体组织是热轧棒材力学性能降低。热轧温度过低，材料流动性不好导致组织不均匀，或引起热轧过程中卡死不能获得所需尺寸棒材。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述钛合金铸锭的直径为300-750mm。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述第一锻造温度1150±10℃。第一锻造温度过高，保温时间过长均会导致铸造组织过分长大，不利于铸造组织的充分破碎及均匀化。
再一方面，本发明实施例还提供了一种紧固件，所述紧固件由上述的一种紧固件用钛合金棒依次经过加热、热轧、退火和加工后获得；所述加热过程中，加热温度为950-970℃，保温时间为1.5-2h；所述热轧温度为960±10℃，所述热轧孔型依次为四方-圆形-正菱形-圆形-六方。
作为本发明实施例的一种实施方式，所述退火中，温度为800-900℃，保温时间为1-3h。
退火的作用是消除热轧应力，改善塑性，稳定组织，退火温度过高，保温时间过长，会引起组织异常长大，导致紧固件的强度塑性降低。退火温度过低，保温时间过短，变形应力消除不充分塑性不足，会导致紧固件在使用过程中内应力腐蚀开裂风险，在本发明中，紧固件可以是钛合金螺母。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本发明的一种紧固件用钛合金棒及其制备方法、紧固件进行详细说明。
实施例1
实施例1提供了一种紧固件用钛合金棒及其制备方法、钛合金螺母，具体如下：
钛合金铸锭的成分为：Nb：3.2％，Zr：2.0％，Al：5.8％，Mo：0.9％，Fe：0.04％，O：0.06％，N：0.005％，C：0.001％，H：0.0:03％，其余为钛，以及总量不超过0.2％的其它元素。
采用的生产工艺流程为：三次真空自耗VAR熔炼→φ350×Lmm铸锭→开坯(电炉加热1150℃，保温2.5h，)三墩三拔成断面为270×270×270mm的方坯→电炉加热至1000℃，保温1.5h，三墩三拔至断面为250×250×250mm的方坯→电炉加热980℃，保温1.5h，二墩二拔，滚圆到φ125×Lmm的圆棒→电炉加热935℃，保温3h，径向锻造制得φ78mm的钛合金棒→精车外圆至φ75mm，Ra(粗糙度)为3.2→加热至960℃依次进行四方-圆形-正菱形-圆形-六方孔型热轧成对角尺寸为29mm的六方棒→850℃保温2h进行退火并炉冷→矫直→机加工车外圆→超声波探伤AA级→机加工成M26的钛合金六方螺母→检查、包装。
实施例2
实施例2提供了一种紧固件用钛合金棒及其制备方法、钛合金螺母，具体如下：
采用的钛合金成分为：Nb：3.1％，Zr：2.1％，Al：5.6％，Mo：0.8％，Fe：0.05％，O：0.07％，N：0.006％，C：0.002％，H：0.004％，其余为钛，以及总量不超过0.2％的其它元素。
采用的生产工艺流程为：三次真空自耗VAR熔炼→φ350mm铸锭→开坯(电炉加热1150℃，保温2.5h，)三墩三拔成断面为270×270mm的方坯→电炉加热至1015℃，保温1.5h，三墩三拔至断面为250×250mm的方坯→电炉加热980℃，保温1.5h，二墩二拔，滚圆到φ125mm的圆棒→电炉加热938℃，保温3h，径向锻造至φ78mm的钛合金棒→精车外圆至φ75mm，Ra(粗糙度)为3.2→加热至965℃，依次进行四方-圆形-正菱形-圆形-六方孔型热轧成对角尺寸为24mm的六方棒→840℃保温2h退火后炉冷→矫直→机加工车外圆→超声波探伤AA级→机加工成M26的钛合金六方螺母→检查、包装。
实施例3
实施例3提供了一种紧固件用钛合金棒及其制备方法、钛合金螺母，具体如下：
采用的钛合金成分为：Nb：3.4％，Zr：2.3％，Al：5.9％，Mo：0.9％，Fe：0.05％，O：0.07％，N：0.005％，C：0.004％，H：0.004％，其余为钛，以及总量不超过0.2％的其它元素。
采用的生产工艺流程为：三次真空自耗VAR熔炼→φ450mm*L铸锭→开坯(电炉加热1153℃，保温3h，)三墩三拔成断面为270×270mm的方坯→电炉加热至1010℃，保温2.5h，三墩三拔至断面为250×250mm的方坯→电炉加热985℃，保温2h，二墩二拔，滚圆到直径为135mm的圆棒→电炉加热930℃，保温3h，径向锻造制得直径为78mm的钛合金棒→精车外圆至直径为75mm，Ra(粗糙度)为3.2→加热至960℃依次进行四方-圆形-正菱形-圆形-六方孔型热轧成对角尺寸为24mm的六方棒→加热至850℃保温2h的时间进行退火后炉冷→矫直→机加工车外圆→超声波探伤AA级→机加工成M26的钛合金六方螺母→检查、包装。
对比例1
对比例1提供了一种紧固件用钛合金棒，其化学成分为：Ti:99％，其余杂质(Fe、H、O、N、C等)元素≤1％。
表1
对实施例1-3和对比例1提供的退火后的钛合金棒采用GB/T228.1-2010进行力学性能检测，并进行显微组织观察，结果如表1所示，同时采用浸泡腐蚀方法进行耐腐蚀性能检测，具体腐蚀环境为：NaCl质量分数为3.5％,PH＝7.5,温度为30℃，放置2周，结果如表1所示。
根据表1中的数据可知，本发明实施例1-2提供的螺母，其组织为双态组织，实施例3为等轴组织，实施例1-3的退火后的钛合金棒的屈服强度为761-800MPa，抗拉强度为897-900MPa，延伸率为15.5-18.5％，海水中无腐蚀。对比例1提供的纯钛螺母，其组织为等轴组织，其屈服强度为170MPa，抗拉强度为280MPa，延伸率为32％，耐海水腐蚀速率为0.025mm/a。
本发明提供了一种紧固件用钛合金棒及其制备方法、紧固件，本发明钛合金棒通过加入Nb、Al和Zr元素提高钛合金的强度，添加Mo元素提高钛合金的耐腐蚀性能，同时还可以细化晶粒提高强度，从而使其制作的紧固件极同时兼具良好的耐腐蚀性能和强度性能，综合性能良好，用于舰船可以提高使用寿命，本发明提供的紧固件，其屈服强度为761-800MPa，抗拉强度为897-900MPa，延伸率为15.5-18.5％，模拟海水中几乎无腐蚀；并且采用优选钛合金成分，配合“四方-圆形-正菱形-圆形-六方”的创新设计孔型，生产的钛合金六角型材尺寸精度高、强韧性能匹配好。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种紧固件用钛合金棒的制备方法，其特征在于，所述方法包括，
获得钛合金铸锭；所述钛合金铸锭由如下质量分数的成分组成，Nb：3-3.5%，Zr：1.8-2.3%，Al：5.5-6.0%，Mo：0.7-1.0%，Fe≤0.1%，O≤0.1%，N≤0.05%，C≤0.03%，H≤0.01%，其余为钛及不可避免的杂质；
将所述钛合金铸锭加热至1145-1155℃的温度，保温2-6h的时间后，经第一锻造获得正方体坯；
将所述正方体坯加热至990-1010℃的温度，保温2-5h的时间后，经第二锻造获得长方体坯；
将所述长方体坯在相变点以下20℃的温度下，保温1-4h的时间后，经第三锻造后并滚圆，获得直径为120-150mm的圆棒；
将所述圆棒加热至920-940℃的温度，保温1-3h的时间后，经径向锻造获得直径为60-80mm的钛合金棒；
其中，所述第一锻造包括三墩三拔，总变形率＞70%；第二锻造包括三墩三拔，总变形率＞65%；第三锻造为二墩二拔，总变形率＞70%，所述第一锻造温度1150±10℃。
2.根据权利要求1所述的一种紧固件用钛合金棒的制备方法，其特征在于，所述相变点为990-1000℃。
3.根据权利要求1所述的一种紧固件用钛合金棒的制备方法，其特征在于，所述钛合金铸锭的直径为300-750mm。
4.一种根据权利要求1-3中任一项所述的紧固件用钛合金棒的制备方法制备获得的紧固件用钛合金棒，其特征在于，所述钛合金棒由如下质量分数的成分组成，Nb：3-3.5%，Zr：1.8-2.3%，Al：5.5-6.0%，Mo：0.7-1.0%，Fe≤0.1%，O≤0.1%，N≤0.05%，C≤0.03%，H≤0.01%，其余为钛及不可避免的杂质。
5.根据权利要求4所述的一种紧固件用钛合金棒，其特征在于，所述紧固件用钛合金棒为钛合金六方棒，所述钛合金六方棒的对角顶点间的距离为29-30mm，平行边长度为26-28mm，边宽为16-17mm。
6.根据权利要求4所述的一种紧固件用钛合金棒，其特征在于，所述紧固件用钛合金棒的金相组织为如下任意一种:等轴组织、双态组织，所述等轴组织中α相组织的体积分数＞60%；所述双态组织由α相组织和β相组织组成，所述α相组织的体积分数为30-60%，所述β相组织的体积分数为40-70%。
7.一种紧固件，其特征在于，所述紧固件由权利要求4-6任一项所述的紧固件用钛合金棒依次经过加热、热轧、退火和加工后获得；
所述加热过程中，加热温度为950-970℃，保温时间为1.5-2h；所述热轧温度为960±10℃，所述热轧孔型依次为四方-圆形-正菱形-圆形-六方。
8.根据权利要求7所述的一种紧固件，其特征在于，所述退火中，温度为800-950℃，保温时间为1-3h。
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