CN114836649B - 一种大型钛铜锻件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型钛铜锻件及其制造方法，该钛铜锻件单件重量大于1.5吨，含有质量分数1.2～4.5％的Ti，剩余部分为铜及不可避免的杂质，其平均晶粒度小于35μm，导电率大于11%IACS，轴向抗拉强度为大于880MPa。制造方法如下：熔铸→表面加工→下料→一次加热→一次锻造→一次固溶→二次加热→锻造成型→二次固溶→时效热处理；下料的料坯起始形状为方形，所述的一次锻造为对角方向墩粗，直径方向整体压扁方；所述的一次固溶温度820～980℃，固溶时间为1～50分钟；所述的二次固溶温度为680～820℃，固溶时间为1～45分钟。本发明解决了大型钛铜在锻造过程中端部及表面开裂的问题，降低了废品率。
Description
技术领域
本发明本发明涉及铜合金，特别涉及一种大型钛铜合金锻件及其制作方法。
背景技术
一直以来在电子、通讯、汽车、航空航天等需精密仪器的行业领域，号称“弹性材料之王”的铍铜合金利用其高强度、高弹性、良好的耐磨性、导电、导热、无磁和冲击无火花等性能，一直占据该领域的主导地位，但由于铍铜在生产时存在毒粉尘问题，人体吸入会产生一种能够使组织器官病变的物质，引发癌症等疾病，并且在高温下抗应力松弛能力差、高温导电稳定性低和时效之后元件的变形度大等问题，已满足不了精密仪器和大型耐磨零部件的要求，急需找一种完全能替代铍铜的材料。
钛铜是一种高性能时效强化型的环保铜合金，通过Ti在合金中析出，并且偏聚产生浓度差，阻碍位错的运动实现强度提升，钛铜具有很高的强度、硬度、弹性极限和良好的导电导热性能，是目前替代铍铜性能最稳定的铜合金。钛铜的研究从上世纪50年代开始，但常规的生产模式都是通过熔铸—热轧—冷轧来生产钛铜带材，因为钛铜在生产过程中极易产生开裂时效，在大型锻件领域一直没有成熟的生产工艺，无法实现大型钛铜锻件的生产。在这种情况下为了解决大型钛铜锻件的制造难题，进一步提升钛铜产品的规格和产品质量，需要对大型钛铜锻件的制造方法进行深入研究。
发明内容
本发明目的是提出一种大型钛铜锻件及其制造方法，以解决现有大型钛铜锻件的制造难题。
本发明在传统熔铸—热轧—冷轧生产钛铜带材的工艺基础上，提供一种大型钛铜锻件的制备方法，该方法能使大型钛铜锻件在锻造过程中降低裂纹倾向、提高产品组织均匀性，保证最终产品质量，最终大型钛铜锻件的平均晶粒度小于35μm，导电率大于11%IACS，轴向抗拉强度为大于880MPa。
进一步在除了含有质量分数1.2～4.5％的Ti，还有质量分数0.2～2.2%的Fe、Co、Ni、Cr、Mn及P中的2种以上作为第三元素，剩余部分由铜及不可避免的杂质构成。Ti的含量是引起时效强化的主要元素，其它第三元素的配比可以起到细化晶粒的目的，该钛铜锻件单件重量大于1.5吨。
优选的：晶粒度为10-35μm，导电率11-36%IACS，轴向抗拉强度为880-1350MPa。
大型钛铜锻件的制造方法，工艺流程如下：钛铜熔炼铸锭→铸锭表面加工→下料→一次加热→一次锻造→一次固溶→二次加热→锻造成型→二次固溶→时效热处理。下料的料坯起始形状为圆柱形。本发明在解决上述方法的过程中发现，在钛铜铸锭第一次锻造过程中垂直墩粗，墩粗后在端面棱角处极易产生开裂，改用下料过程中对端面倒R5～30mm的圆角，在第一次锻造墩粗为对角方向墩粗，墩粗为沿着端面圆角方向整体墩粗压下20～400mm，在保证铸锭芯部受压应力的状态下降低了开裂风险。
其中一次加热温度为750～900℃，加热时间为4～840分钟，使铸锭在热透的状态下进行对角方向墩粗，保证墩粗变形量，墩粗完成后沿着直径方向整体压扁方，压扁方要求铸锭轴向平行于砧长方向，这样可以保证铸锭各个区域受力均匀，进一步降低产生裂纹的风险，最终扁方的横截面厚度H与宽度B的关系满足1.1≤B/H≤2.0。
压扁方完成后入炉重新加热进行一次固溶处理，一次固溶温度820～980℃，固溶时间为1～50分钟，保证Ti能充分的固溶到基体中，冷至室温后对表面裂纹进行打磨，然后进行二次加热，二次加热温度为700～900℃，加热时间为4～480分钟，保证在热透的状态下按照最终大型钛铜锻件的尺寸要求进行锻造成型。锻造成型过程保证材料的锻比＞4.0。
将锻造成型的产品进行二次固溶，二次固溶温度为680～820℃，固溶时间为1～45分钟，为了使钛铜合金中的所有合金元素均能进一步充分固溶，时效处理要求固溶处理后的大型钛铜锻件毛坯进行先加工，加工至图纸尺寸后进行时效处理，装炉温度为≤50℃，在300-450℃下加热1-20h后出炉空冷至室温，制得大型钛铜锻件成品。
进一步的，所述的大型钛铜锻件的制造方法，一次加热的加热时间：t=X×（0.5-3.5），其中t为加热时间，单位：min；X为有效厚度，单位：mm。
本发明的有益效果：本发明根据大型钛铜板件尺寸要求，选择相应钛铜铸锭，将钛铜铸锭通过表面加工—下料—一次加热—一次锻造—一次固溶—二次加热—锻造成型—二次固溶—时效热处理步骤，其中，锻造横向压扁方前进行对角方向镦粗，在降低棱角开裂风险的情况下，保证芯部在不同方向均受到压应力，保证产品芯部组织，本发明通过对钛铜合金锻前加热时间、加热温度和对角方向镦粗高度的控制，有效的降低了锻造过程中的开裂倾向，再加上一次固溶处理，使得产品性能更加稳定和优良，保证产品最终组织和性能要求。
附图说明
图1为本发明的大型钛铜锻件成形工艺路线图。
图2为本发明制造方法中直径方向整体压扁方形成的形状示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方法对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，钛铜铸锭在对角方向墩粗过程中沿着铸锭圆角方向进行墩粗变形，在降低棱角开裂风险的情况下，保证芯部在不同方向均受到压应力，保证产品芯部组织；图2为对角方向墩粗变形完成后，沿着铸锭轴向横向整体压扁方形成的形状。
实施例1
一种大型钛铜锻件的制造方法：锻件尺寸为：215mm×630mm×2900mm。其包括钛铜铸锭通过表面加工—下料—一次加热—一次锻造—一次固溶—二次加热—锻造成型—二次固溶—时效热处理步骤，其具体步骤如下：
第一步下料：根据产品尺寸选择Φ720mm×1000mm钛铜铸锭，钛铜铸锭含有质量分数1.2～4.5％的Ti，并含有合计质量分数0.2～2.2%的Fe、Co、Ni、Cr、Mn及P中的2种以上作为第三元素，剩余部分由铜及不可避免的杂质构成。将钛铜铸锭进行下料，头部锯切70mm，尾部锯切20mm，端部棱角倒R5～30mm的圆角。
第二步一次加热：将下料钛铜铸锭装炉加热，一次加热温度为750～900℃，加热时间为4～840分钟，加热时间：t=X×（0.5~3.5），其中t为加热时间，单位：min；X为有效厚度，单位：mm；锻造前烘烤工装至300℃。
第三步一次锻造：将加热好钛铜铸锭进行对角方向镦粗，如图1，镦粗压下量20～400mm，对角方向镦粗压下量按照30mm，50mm，30mm循环进行；墩粗过程中实时关注开裂情况，镦粗后沿着直径方向，保证轴向平行于砧长方向整体压扁方，最终扁方的横截面厚度H与宽度B的关系满足1.1≤B/H≤2.0，如图2。
第四步一次固溶：将压扁方完成的坯料重新入炉后加热进行一次固溶处理，一次固溶温度820～980℃，固溶时间为1～50分钟，保证Ti能充分的固溶到基体中。
第五步二次加热：冷至室温后对表面裂纹进行打磨，然后进行二次加热，二次加热温度为700～900℃，加热时间为4～480分钟，保证在热透的状态下按照最终大型钛铜锻件的尺寸要求进行锻造成型。
第六步锻造成型：锻造成型过程依次进行压六方、倒棱、平整上下端面、拔长、修平端面、压扁方、精整成型，锻造成型过程保证材料的锻比＞4.0。
第七步二次固溶：二次固溶温度为680～820℃，固溶时间为1～45分钟，为了使钛铜合金中的所有合金元素均能进一步充分固溶，固溶前大型钛铜锻件毛坯室温装炉，装炉后以≤100℃/h的速率加热至680-820℃，进行固溶热处理，冷至大型钛铜锻件毛坯表温至室温结束。
第七步时效热处理：固溶处理后的大型钛铜锻件毛坯进行先进行加工，加工至图纸尺寸后进行时效处理，装炉温度为≤50℃，在300-450℃下加热1-20h后出炉空冷至室温，制得大型钛铜锻件成品。
将实施例1得到的大型钛铜锻件进行性能测试，结果为：晶粒度20-35μm，本体导电率20.5 %IACS，轴向抗拉强度1158 MPa，符合标准要求。
实施例2
一种大型钛铜环件的制造方法：锻件尺寸为：Φ1650mm×Φ1590mm×380mm。其包括钛铜铸锭通过表面加工—下料—一次加热—一次锻造—一次固溶—二次加热—锻造成型—二次固溶—时效热处理步骤，其具体步骤如下：
第一步下料：根据产品尺寸选择Φ750mm×980mm钛铜铸锭，钛铜铸锭含有质量分数1.2～4.5％的Ti，并含有合计质量分数0.2～2.2%的Fe、Co、Ni、Cr、Mn及P中的2种以上作为第三元素，剩余部分由铜及不可避免的杂质构成。将钛铜铸锭进行下料，头部锯切70mm，尾部锯切20mm，端部棱角倒R5～30mm的圆角。
第二步一次加热：将下料钛铜铸锭装炉加热，一次加热温度为750～900℃，加热时间为4～840分钟，加热时间：t=X×（0.5~3.5），其中t为加热时间，单位：min；X为有效厚度，单位：mm；锻造前烘烤工装至300℃。
第三步一次锻造：将加热好钛铜铸锭进行对角方向镦粗，如图1，镦粗压下量20～400mm，对角方向镦粗压下量按照等变量循环方法，即30mm，50mm，30mm循环进行，采用此方法是本专利创新，具有镦粗过程不开裂、效率高的优点；墩粗过程中实时关注开裂情况，镦粗后沿着直径方向，保证轴向平行于砧长方向整体压扁方，最终扁方的横截面厚度H与宽度B的关系满足1.1≤B/H≤2.0，如图2。
第四步一次固溶：将压扁方完成的坯料重新入炉后加热进行一次固溶处理，一次固溶温度820～980℃，固溶时间为1～50分钟，保证Ti能充分的固溶到基体中。
第五步二次加热：冷至室温后对表面裂纹进行打磨，然后进行二次加热，二次加热温度为700～900℃，加热时间为4～480分钟，保证在热透的状态下按照最终大型钛铜锻件的尺寸要求进行锻造成型。
第六步锻造成型：将加热好铸锭进行进行镦粗，镦粗后拔长，拔长后二次镦粗，墩粗至高度为H=515mm时底面直径Φ=680mm，墩粗过程高度依次压下量分别为30mm、50mm、30mm循环进行，墩粗完成后依次压六方、倒棱、修平端面，进行冲孔和马架扩孔，最终尺寸H=490mm，d=820mm，D=1080mm，D为外径，d为内径，单位为mm；扩孔完成后进行辗环，辗环加热温度为720～850℃，碾至锻件尺寸为Φ1670mm×Φ1535mm×470mm毛坯尺寸；
第七步二次固溶：二次固溶温度为680～820℃，固溶时间为1～45分钟，为了使钛铜合金中的所有合金元素均能进一步充分固溶，冷至大型钛铜锻件毛坯表温至室温结束。
第七步时效热处理：固溶处理后的大型钛铜锻件毛坯进行先进行加工，加工至图纸尺寸后进行时效处理，装炉温度为≤50℃，在200-450℃下加热1-20h后出炉空冷至室温，制得大型钛铜环锻件成品。
将实施例2得到的大型钛铜环锻件进行性能测试，结果为：晶粒度20-35μm，本体导电率%24 IACS，轴向抗拉强度1060 MPa，符合标准要求。
Claims (4)
1.一种大型钛铜锻件的制造方法，其特征在于：该钛铜锻件单件重量大于1.5吨，含有质量分数1.2～4.5％的Ti，剩余部分为铜及不可避免的杂质，钛铜锻件平均晶粒度小于35μm，导电率大于11%IACS，轴向抗拉强度为大于880MPa，所述制造方法的工艺流程如下：熔铸→表面加工→下料→一次加热→一次锻造→一次固溶→二次加热→锻造成型→二次固溶→时效热处理；下料的料坯起始形状为圆柱形，所述的一次锻造为对角方向墩粗，直径方向整体压扁方；所述的一次固溶温度820～980℃，固溶时间为1～50分钟；所述的二次固溶温度为680～820℃，固溶时间为1～45分钟；
其中，下料过程中对端面倒R5～30mm的圆角；
一次锻造过程中的对角方向墩粗为沿着圆角方向整体墩粗压下20～400mm，直径方向整体压扁方的要求为扁方的横截面厚度H与宽度B的关系满足1.1≤B/H≤2.0；
一次加热温度为750～900℃，加热时间为4～840分钟，二次加热温度为700～900℃，加热时间为4～480分钟。
2.根据权利要求1所述大型钛铜锻件的制造方法，其特征在于：时效处理要求固溶处理后的大型钛铜锻件毛坯进行先加工，加工至图纸尺寸后进行时效处理，装炉温度为≤50℃，在300-450℃下加热1-20h后出炉空冷至室温，制得大型钛铜锻件成品。
3.根据权利要求1所述大型钛铜锻件的制造方法，其特征在于：熔铸的钛铜锻件单件电渣锭重量大于1.5吨。
4.根据权利要求1所述大型钛铜锻件的制造方法，其特征在于：钛铜锻件添加有第三元素，第三元素为Fe、Co、Ni、Cr、Mn及P中的2种以上，第三元素质量分数为0.2～2.2%。
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