RU2183691C2

RU2183691C2 - Method for making products of titanium alloy

Info

Publication number: RU2183691C2
Application number: RU2000103206/02A
Authority: RU
Inventors: А.В. Баулин
Original assignee: Баулин Анатолий Викторович
Priority date: 2000-02-11
Filing date: 2000-02-11
Publication date: 2002-06-20

Abstract

FIELD: metallurgy, possibly production of articles such as bolts and springs of titanium alloys. SUBSTANCE: method comprises steps of annealing blank of elongated rod at (680-800)C; subsequently quenching it by heating up to (780-880)C and cooling at rate of heating and cooling (0.1-25)C/s; aging by two stages at temperature of first stage (300-380)C and at temperature of second stage (400-520)C. Heating for quenching may be combined with deformation; quenching and deforming may be performed in one technological cycle. EFFECT: enhanced quality of articles, reduced labor consumption for making them, enhanced efficiency. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к специализированному производству высокоресурсных титановых деталей авиационной, морской, автомобильной и другой машиностроительной техники. The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the specialized production of high-resource titanium parts for aviation, marine, automotive and other engineering equipment.

Титановые материалы по удельной прочности, коррозионной стойкости и демпфирующим свойствам превосходят традиционные конструкционные материалы. Однако их использование в качестве высокоресурсных деталей и узлов ограничено их низкой конструктивной прочностью, связанной с особенностями проблем титановой металлообработки. Титановая металлообработка, построенная по схеме: слиток - переходные заготовки и полуфабрикаты: прутки, листы, проволока, трубы и штамповки. Полуфабрикаты из заготовительного металлургического производства поступают в машиностроение, где перерабатываются в детали, упрочняемые термообработкой. Комплексная проблема конструктивной прочности заключается в получении гомогенного материала с мелкозернистой структурой, упрочненной высокодисперсной фазой и качественной поверхностью деталей. Мелкозернистая структура и качественная поверхность снижают действие концентраторов напряжений и, как следствие, повышают сопротивляемость хрупкому разрушению при работе в условиях знакопеременных динамических нагрузок. Titanium materials surpass traditional structural materials in their specific strength, corrosion resistance, and damping properties. However, their use as high-resource parts and assemblies is limited by their low structural strength associated with the peculiarities of the problems of titanium metalworking. Titanium metalworking, constructed according to the scheme: ingot - transitional blanks and semi-finished products: rods, sheets, wire, pipes and stampings. Semi-finished products from pre-production metallurgical production go to mechanical engineering, where they are processed into parts hardened by heat treatment. The complex problem of structural strength is to obtain a homogeneous material with a fine-grained structure, a hardened highly dispersed phase and a high-quality surface of the parts. The fine-grained structure and high-quality surface reduce the effect of stress concentrators and, as a result, increase the resistance to brittle fracture when working in conditions of alternating dynamic loads.

Наиболее близким способом к предложенному является способ, описанный в патенте RU 1233523. Данный способ включает отжиг заготовки при 780^oС, закалку с температуры 850^oС, горячую деформацию (высадку головки болта) и старение при 540^oС в течение 8 ч.The closest method to the proposed one is the method described in patent RU 1233523. This method includes annealing the workpiece at 780 ^° C, quenching from a temperature of 850 ^° C, hot deformation (disembarkation of the bolt head) and aging at 540 ^° C for 8 hours.

К недостаткам способа можно отнести то, что проведение дополнительного нагрева заготовки под деформацию обуславливает окисление и газонасыщение материала и коробление заготовки, что снижает качество изделия и требует припуска материала заготовки на последующую механообработку, которая сама по себе является трудоемкой операцией. Разрезка прутков на мерные заготовки не позволяет автоматизировать процесс изготовления изделий на высокопроизводительных линиях крупносерийного производства, что увеличивает трудоемкость и уменьшает коэффициент использования дорогостоящего металла. Все вышеизложенное приводит к низкому качеству изделий. The disadvantages of the method include the fact that additional heating of the workpiece under deformation causes oxidation and gas saturation of the material and warping of the workpiece, which reduces the quality of the product and requires allowance of the workpiece material for subsequent machining, which in itself is a laborious operation. Cutting rods into measured billets does not allow automating the process of manufacturing products on high-performance lines of large-scale production, which increases the complexity and reduces the utilization of expensive metal. All of the above leads to poor quality products.

Задачей изобретения является устранение вышеприведенных недостатков способа. The objective of the invention is to remedy the above disadvantages of the method.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления изделий из титанового сплава ВТ 16, включающем отжиг заготовки перед закалкой, закалку, деформацию и старение, в качестве заготовки используют длинномерный пруток, отжиг проводят при 680-800^oС, закалку осуществляют путем нагрева до 780-880^oС и охлаждения со скоростью нагрева и охлаждения 0,1-25^oС/с, а старение проводят в две ступени с температурой первой ступени 300-380^oС и второй 400-520^oС.The problem is solved in that in the method of manufacturing products from titanium alloy VT 16, including annealing of the workpiece before quenching, quenching, deformation and aging, a long bar is used as the workpiece, annealing is carried out at 680-800 ^o C, quenching is carried out by heating to 780 -880 ^o C and cooling with a heating and cooling rate of 0.1-25 ^o C / s, and aging is carried out in two stages with a temperature of the first stage 300-380 ^o C and the second 400-520 ^o C.

Задача может решаться также тем, что нагрев под закалку совмещают с деформацией, а закалку и деформацию проводят в одном технологическом цикле. The problem can also be solved by the fact that heating under quenching is combined with deformation, and quenching and deformation are carried out in one technological cycle.

Разработанные температурно-скоростные параметры закалки предлагаемого способа обеспечивают получение материала с высокой технологической пластичностью, позволяющей проводить холодную деформацию (формообразование изделий) без предварительного нагрева, что невозможно реализовать известным способом. The developed temperature and speed parameters of hardening of the proposed method provide a material with high technological plasticity, which allows cold deformation (shaping of products) without preheating, which is impossible to implement in a known manner.

В качестве источника нагрева при закалке в предлагаемом способе используется электроконтактный и индукционный нагрев. Исключительно важно, что предлагаемый способ позволяет в качестве источника нагрева реализовать деформационный нагрев, например при прокатке, волочении и прессовании. Это позволяет закалку совместить с проведением деформации в одном технологическом цикле. As a heat source during quenching, the proposed method uses electric contact and induction heating. It is extremely important that the proposed method allows to implement deformation heating as a heating source, for example during rolling, drawing and pressing. This allows quenching to be combined with deformation in one technological cycle.

Основная проблема связана с физическими особенностями поведения титана и его сплавов при термической обработке. По классической схеме изготовления деталей машин управляющая термообработка следует после формообразования деталей. В случае титановых изделий такая технологическая схема не обеспечивает необходимой технологичности и качества титанового материала вследствие его высокой склонности к росту зерна, окислению и газонасыщению при термообработке и, как следствие, к потере пластичности и охрупчиванию материала. Температура полиморфного превращения (Тпп) у сплава ВТ 16 равна 840-880^oС, при которой происходит фазовая α+β←→β перекристаллизация, является базовой характеристикой для назначения режимов термической обработки, но именно при Тпп и выше нее в титановых сплавах наблюдается катастрофический рост зерна и огрубление внутризеренной структуры.The main problem is related to the physical features of the behavior of titanium and its alloys during heat treatment. According to the classical scheme of manufacturing machine parts, control heat treatment follows after the shaping of the parts. In the case of titanium products, such a technological scheme does not provide the necessary manufacturability and quality of the titanium material due to its high tendency to grain growth, oxidation and gas saturation during heat treatment and, as a consequence, to loss of ductility and embrittlement of the material. The temperature of polymorphic transformation (TPP) for VT 16 alloy is 840-880 ^o С, at which phase α + β ← → β recrystallization occurs, is a basic characteristic for assigning heat treatment modes, but catastrophic catastrophic conditions occur in TPP and above. grain growth and coarsening of the intragranular structure.

Надо отметить, что в отличие от сталей крупнозернистая структура титановых материалов не исправляется термической обработкой. Поэтому при термической обработке температура закалки назначается на 80-150^oС ниже Тпп сплава. Но в этих условиях не происходит полная перекристаллизация, которая не обеспечивает полной закалки и не исправляет наследственности предшествующей обработки, вследствие чего материал не обладает достаточным качеством для таких ответственных деталей, как болты и пружины. К этому надо добавить, что при термообработке садок деталей в печах и особенно при закалке в воде всегда существует острая проблема их коробления, усугубляющаяся низкой теплопроводностью титана.It should be noted that, unlike steels, the coarse-grained structure of titanium materials is not corrected by heat treatment. Therefore, during heat treatment, the quenching temperature is assigned to 80-150 ^o C below the alloy TPP. But under these conditions, complete recrystallization does not occur, which does not ensure complete hardening and does not correct the heredity of the previous processing, as a result of which the material does not have sufficient quality for such critical parts as bolts and springs. To this it must be added that during the heat treatment of cage parts in furnaces and especially when quenching in water, there is always an acute problem of their warping, exacerbated by the low thermal conductivity of titanium.

Изучение особенностей фазовой перекристаллизации титана и его сплавов в условиях скоростного нагрева без изотермической выдержки позволило повысить температуру закалки без опасности роста зерна и огрубления внутризеренной структуры с обеспечением титановому материалу ВТ 16 высокой технологической пластичности, необходимой для холодного формообразования деталей деформацией и высокой эффективности упрочнения холодноотформованных деталей в процессе последующего старения. Особенность скоростной фазовой перекристаллизации в отличие от традиционных нагревов в печах с изотермической выдержкой, как в известном способе, заключается в отставании скорости диффузионных процессов фазовой перекристаллизации от скорости повышения температуры, что существенно сказывается на кинетике и температуре полиморфного превращения сплава. Физическая сущность кинетики скоростной фазовой перекристаллизации заключается в следующем. В реальных условиях структура титанового сплава, условно говоря, представляет гетерогенную смесь α/β фаз титана, отличающихся друг от друга характером и степенью легированности даже в случае одноименных фаз. Так α-фаза сплава ВТ 16, представляющая твердый раствор Аl в α-титане, может иметь переменный состав, переходящий в более легированный упорядоченный твердый раствор α2-фазу. Эта фаза, обогащенная Аl1, который повышает Тпп, образуется по границам зерен в условиях отжига при медленном охлаждении от температур обработки вследствие ограниченной растворимости Al в α-титане при низких температурах. Наоборот, β-фазы обогащены β-стабилизирующими элементами, которые понижают Тпп. Строго говоря, каждая фаза в гетерогенной структуре сплава в своем микрообъеме представляет титановый сплав конкретного состава с конкретной температурой полиморфного превращения, отличающейся от Тпп сплава среднего состава. В условиях традиционных медленных нагревов с изотермической выдержкой диффузионные процессы фазовой перекристаллизации снимают концентрированную неоднородность фаз исходной α/β структуры и фазовая перекристаллизация протекает в узком интервале температур, а в нелегированном титане практически при постоянной температуре. С увеличением скорости нагрева скорость выравнивающей диффузии не соответствует скорости изменения температуры и фазовое превращение начинается несколько раньше, а заканчивается при более высокой температуре относительно равновесной Тпп сплава в соответствии с дифференцированностью легирования фаз исходной структуры. Получается таким образом, что практически осуществляется полная фазовая перекристаллизация, но расположенная по границам субструктуры α2-фаза подавляет рост зерна и огрубление внутризеренной структуры. Более того, специфика кинетики скоростной фазовой перекристаллизации заключается в увеличении центров перекристаллизации и, как следствие, измельчении субструктуры сплава, что повышает пластичность сплава и конструктивную прочность титановых изделий. Особая исключительность скоростной фазовой перекристаллизации еще и в том, что она позволяет формировать структуру закалки с максимальным количеством высокопластичной и механически стабильной β-фазы, которая обеспечивает холодное формообразование деформацией и в то же время осуществляет высокодисперсный распад β-фазы при старении отформованных изделий, придавая им высокую конструктивную прочность. Таким образом, управляя фазовым составом, легированностью фаз исходной структуры и технологическими параметрами скоростной закалки, можно формировать необходимую структуру с строго заданным уровнем технологических и служебных свойств материала и изделий, недостижимых традиционными способами обработки. Особенности скоростной фазовой перекристаллизации реализованы в предлагаемом способе. The study of the features of phase recrystallization of titanium and its alloys under conditions of high-speed heating without isothermal exposure allowed increasing the hardening temperature without the risk of grain growth and coarsening of the intragranular structure, providing the VT 16 titanium material with high technological plasticity necessary for cold forming of parts by deformation and high hardening efficiency of cold formed parts in the process of subsequent aging. A feature of high-speed phase recrystallization, in contrast to traditional heating in furnaces with isothermal holding, as in the known method, is that the rate of diffusion processes of phase recrystallization lags behind the rate of temperature increase, which significantly affects the kinetics and temperature of the polymorphic transformation of the alloy. The physical nature of the kinetics of high-speed phase recrystallization is as follows. Under real conditions, the structure of a titanium alloy, relatively speaking, is a heterogeneous mixture of α / β phases of titanium, which differ from each other in character and degree of alloying even in the case of the same phases. Thus, the α-phase of VT 16 alloy, which is a solid solution of Al in α-titanium, can have a variable composition that transforms into a more doped ordered solid solution of the α2 phase. This phase enriched with Al1, which increases the TPP, is formed along the grain boundaries under conditions of annealing during slow cooling from processing temperatures due to the limited solubility of Al in α-titanium at low temperatures. Conversely, β-phases are enriched with β-stabilizing elements that lower TPP. Strictly speaking, each phase in the heterogeneous structure of the alloy in its microvolume represents a titanium alloy of a specific composition with a specific polymorphic transformation temperature that differs from the TPP of an alloy of medium composition. Under the conditions of traditional slow heating with isothermal holding, diffusion phase recrystallization processes remove the concentrated phase inhomogeneity of the initial α / β structure and phase recrystallization proceeds in a narrow temperature range, and in unalloyed titanium almost at a constant temperature. With an increase in the heating rate, the leveling diffusion rate does not correspond to the rate of temperature change and the phase transformation begins somewhat earlier, but ends at a higher temperature relative to the equilibrium TPP of the alloy in accordance with the differentiation of phase alloying of the initial structure. It turns out in such a way that complete phase recrystallization is practically realized, but the α2 phase located along the boundaries of the substructure suppresses grain growth and coarsening of the intragranular structure. Moreover, the specificity of the kinetics of high-speed phase recrystallization is to increase the centers of recrystallization and, as a result, to refine the alloy substructure, which increases the ductility of the alloy and the structural strength of titanium products. The special exceptionality of high-speed phase recrystallization also lies in the fact that it allows you to form a quenching structure with a maximum amount of highly plastic and mechanically stable β-phase, which provides cold forming by deformation and at the same time provides highly dispersed β-phase decomposition during aging of molded products, giving them high structural strength. Thus, by controlling the phase composition, phase alloying of the initial structure and the technological parameters of high-speed quenching, it is possible to form the necessary structure with a strictly specified level of technological and service properties of the material and products, unattainable by traditional processing methods. Features of high-speed phase recrystallization are implemented in the proposed method.

Исключительно важно, что в качестве источника нагрева можно использовать деформационный нагрев, например, при прокатке, волочении и прессовании. Это позволяет непрерывную закалку совместить с проведением деформации в одном технологическом цикле. It is extremely important that deformation heating can be used as a heating source, for example, during rolling, drawing and pressing. This allows continuous quenching to be combined with deformation in one technological cycle.

Применительно к изготовлению болтов и пружин в соответствии с технологической схемой, предложенной в заявляемом способе, в заготовительном металлургическом производстве изготавливаются закаленные длинномерные шлифованные или обточенные прутки и бухты проволоки с высококачественной поверхностью, которые поступают в специализированное производство для навивки пружин и холодной высадки болтов, после чего следует термическая операция старелия отформованных деталей, то есть их упрочнение. In relation to the manufacture of bolts and springs in accordance with the technological scheme proposed in the present method, in the metallurgical industry, hardened long-sized polished or turned rods and coils of wire with a high-quality surface are made, which go to a specialized production for winding springs and cold heading of bolts, after which follows the thermal operation of the aging of molded parts, that is, their hardening.

Предложенный способ реализован в изготовлении болтов и пружин для авиакосмической техники, пружин, клапанов двигателей и подвесок автомобилей. The proposed method is implemented in the manufacture of bolts and springs for aerospace engineering, springs, engine valves and car suspensions.

В таблице приведены результаты исследовании и испытаний механических свойств, конструктивной прочности материала и болтов, изготовленных из сплава ВТ 16 по предложенному способу в сравнении с известным способом. The table shows the results of research and testing of mechanical properties, structural strength of the material and bolts made of VT 16 alloy according to the proposed method in comparison with the known method.

Claims

1. A method of manufacturing products from titanium alloy VT 16, including annealing the preform before hardening, hardening, deformation and aging, characterized in that a long rod is used as the preform, annealing is carried out at 680-800 ^o C, hardening is carried out by heating to 780- 880 ^o C and cooling with a heating and cooling rate of 0.1-25 ^o C / s, and aging is carried out in two stages with a temperature of the first stage of 300-380 ^o C and the second 400-520 ^o C.

2. The method according to p. 1, characterized in that the heating under quenching is combined with deformation, and the quenching and deformation are carried out in one technological cycle.