RU2793901C1 - Method for obtaining material for high-strength fasteners - Google Patents
Method for obtaining material for high-strength fasteners Download PDFInfo
- Publication number
- RU2793901C1 RU2793901C1 RU2022109822A RU2022109822A RU2793901C1 RU 2793901 C1 RU2793901 C1 RU 2793901C1 RU 2022109822 A RU2022109822 A RU 2022109822A RU 2022109822 A RU2022109822 A RU 2022109822A RU 2793901 C1 RU2793901 C1 RU 2793901C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- aging
- strength
- obtaining
- workpiece
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, в частности к получению материалов на основе титанового сплава с заданными механическими свойствами для изготовления крепежных изделий, использующихся в различных областях промышленности, преимущественно в авиастроительной.The invention relates to metallurgy, in particular to the production of materials based on a titanium alloy with desired mechanical properties for the manufacture of fasteners used in various industries, mainly in the aircraft industry.
Благодаря своей высокой удельной прочности и повышенной коррозионной стойкости материалы на основе титана находят все большее применение в различных областях промышленности. Одним из перспективных направлений является изготовление элементов крепежа для авиастроительной и автомобильной промышленности. В современном самолетостроении в целях экономии веса конструкций ведутся работы по замене стальных крепежных деталей на изделия из высокопрочных титановых сплавов. Для надежной эксплуатации резьбовые крепежные изделия должны обладать высоким комплексом свойств, в частности высокими значениями прочности при растяжении и двойном срезе. При этом титановые сплавы должны приближаться по механическим свойствам к стальным материалам, имеющим временное сопротивление σв- 1500 МПа, предел прочности на двойной срез τср - 900 МПа, относительное удлинение δ - 12%. Прочность и пластичность являются базовыми механическими свойствами металлов и сплавов, от сочетания которых напрямую зависят технологические и эксплуатационные качества материала крепежных изделий.Due to their high specific strength and increased corrosion resistance, titanium-based materials are increasingly used in various industries. One of the promising areas is the manufacture of fasteners for the aircraft and automotive industries. In modern aircraft construction, in order to save the weight of structures, work is underway to replace steel fasteners with products made of high-strength titanium alloys. For reliable operation, threaded fasteners must have a high set of properties, in particular, high tensile strength and double shear strength. In this case, titanium alloys should approach the mechanical properties of steel materials with a tensile strength σ in - 1500 MPa, double shear strength τ cf - 900 MPa, elongation δ - 12%. Strength and ductility are the basic mechanical properties of metals and alloys, the combination of which directly affects the technological and operational qualities of the material of fasteners.
Наиболее экономически эффективным процессом изготовления внешней резьбы крепежных элементов является процесс получения резьбы в результате пластической деформации заготовки резьбонакатным инструментом. Профиль накатываемой резьбы образуется за счет вдавливания инструмента в материал заготовки и выдавливания части материала во впадины инструмента. Современное оборудование и применяемые технологии позволяют осуществлять накатку резьбы на материале в термоупрочненном состоянии, т.е. в состоянии после закалки и искусственного старения. При этом во внутренних витках резьбы формируются сжимающие напряжения, существенно повышающие количество циклов до зарождения трещины, что обеспечивает увеличение циклической стойкости материала в целом. Однако накатка резьбы в термоупрочненном состоянии осложняется наличием повышенной прочности материала, сопровождающейся пониженным уровнем пластичности, что существенно ограничивает технологические возможности процесса и снижает стойкость используемого инструмента. В связи с этим актуальной задачей является создание материала на основе титана, обладающего сочетанием высокой прочности и пластичности в термоупрочненном состоянии.The most cost-effective process for manufacturing an external thread of fasteners is the process of obtaining a thread as a result of plastic deformation of the workpiece with a thread rolling tool. The rolled thread profile is formed by pressing the tool into the workpiece material and extruding part of the material into the tool cavities. Modern equipment and applied technologies make it possible to carry out thread rolling on the material in a heat-strengthened state, i.e. in the state after hardening and artificial aging. In this case, compressive stresses are formed in the internal turns of the thread, which significantly increase the number of cycles before crack initiation, which ensures an increase in the cyclic resistance of the material as a whole. However, thread rolling in the heat-strengthened state is complicated by the presence of increased strength of the material, accompanied by a reduced level of plasticity, which significantly limits the technological capabilities of the process and reduces the tool life. In this regard, an urgent task is to create a material based on titanium, which has a combination of high strength and ductility in a heat-strengthened state.
Известен способ производства крепежного изделия из альфа-бета титанового сплава, включающий обеспечение альфа/бета титанового сплава, содержащего, мас. %:A known method for the production of fasteners from alpha-beta titanium alloy, including the provision of alpha/beta titanium alloy containing, wt. %:
алюминий от 3,9 до 4,5;aluminum from 3.9 to 4.5;
ванадий от 2,2 до 3,0;vanadium from 2.2 to 3.0;
железо от 1,2 до 1,8;iron from 1.2 to 1.8;
кислород от 0,24 до 0,3;oxygen from 0.24 to 0.3;
углерод до 0,08;carbon up to 0.08;
азот до 0,05;nitrogen up to 0.05;
другие элементы не более чем 0,3 в сумме,other elements not more than 0.3 in total,
при этом другие элементы представляют собой, по существу, по меньшей мере, один из: бор, иттрий с содержанием каждого менее чем 0,005 и олово, цирконий, молибден, хром, никель, кремний, медь, ниобий, тантал, марганец и кобальт с содержанием каждого 0,1 или менее, остальное - титан и случайные примеси, горячую прокатку титанового сплава в области альфа/бета фаз с получением заготовки; отжиг полученной заготовки при температуре от 1200°F (648,9°С) до 1400°F (760°С) в течение времени от 1 часа до 2 часов; охлаждение на воздухе; механическую обработку до заранее определенного размера изделия; обработку на твердый раствор при температуре от 1500°F (815,6°С) до 1700°F (926,7°С) в течение времени от 0,5 часа до 2 часов; охлаждение со скоростью, по меньшей мере, эквивалентной охлаждению на воздухе; старение при температуре от 800°F (426,7°С) до 1000°F (537,8°С) в течение времени от 4 часов до 16 часов; и охлаждение на воздухе (Патент РФ на изобретение №2581332, МПК С22С 14/00, C22F 1/18, публ. 20.04.2016).while the other elements are essentially at least one of: boron, yttrium with a content of each less than 0.005 and tin, zirconium, molybdenum, chromium, nickel, silicon, copper, niobium, tantalum, manganese and cobalt with a content each 0.1 or less, the rest is titanium and random impurities, hot rolling of a titanium alloy in the alpha/beta phase region to obtain a billet; annealing the resulting preform at a temperature of 1200°F (648.9°C) to 1400°F (760°C) for 1 hour to 2 hours; air cooling; machining to a predetermined product size; solid solution treatment at 1500°F (815.6°C) to 1700°F (926.7°C) for 0.5 hour to 2 hours; cooling at a rate at least equivalent to air cooling; aging at 800°F (426.7°C) to 1000°F (537.8°C) for 4 hours to 16 hours; and cooling in air (RF Patent for the invention No. 2581332, IPC C22C 14/00, C22F 1/18, publ. 20.04.2016).
Однако уровень прочности на растяжение полученного материала, при котором возможна накатка резьбы в термоупрочненном состоянии, ограничен величиной 1370 МПа.However, the level of tensile strength of the obtained material, at which thread rolling in the heat-strengthened state is possible, is limited to 1370 MPa.
Известен способ получения прутков из титанового сплава для изготовления крепежных изделий, включающий получение заготовки, ее горячую прокатку на пруток, при этом заготовку получают из слитка и осуществляют травление полученного в результате горячей прокатки прутка, его вакуумный отжиг, волочение, отжиг прошедшего волочение прутка и его механическую обработку на конечный размер, при этом проводят воздушный отжиг прошедшего волочение прутка в две стадии: сначала при температуре 650-750°С в течение 15-60 мин с охлаждением на воздухе до комнатной температуры, затем при температуре 180-280°С в течение 4-12 ч с охлаждением на воздухе до комнатной температуры; при этом по второму варианту отжиг ведут сначала при температуре 750-850°С в течение 15-45 мин с охлаждением в печи до 500-550°С и далее на воздухе до комнатной температуры, затем при температуре 400-500°С в течение 4-12 ч с охлаждением на воздухе до комнатной температуры (Патент РФ на изобретение №2311248, МПК C22F 1/18, В21С 37/04, публ. 27.11.2007).A known method for producing rods from a titanium alloy for the manufacture of fasteners, including obtaining a billet, its hot rolling into a bar, while the billet is obtained from an ingot and the hot-rolled bar is etched, its vacuum annealing, drawing, annealing the drawn bar and its mechanical processing to the final size, while air annealing of the last drawn rod is carried out in two stages: first at a temperature of 650-750 ° C for 15-60 minutes with cooling in air to room temperature, then at a temperature of 180-280 ° C for 4-12 h with cooling in air to room temperature; in this case, according to the second option, annealing is carried out first at a temperature of 750–850°C for 15–45 min with cooling in a furnace to 500–550°C and then in air to room temperature, then at a temperature of 400–500°C for 4 -12 h with cooling in air to room temperature (RF Patent for the invention No. 2311248, IPC C22F 1/18, B21C 37/04, publ. 27.11.2007).
Известный способ предназначен для изготовления заготовок крепежных деталей из титанового сплава Вт16 и не учитывает особенностей обработки других высокопрочных материалов и сплавов, что приводит к низким значениям предела прочности на растяжение и двойной срез.The known method is intended for the manufacture of blanks of fasteners from titanium alloy W16 and does not take into account the processing of other high-strength materials and alloys, which leads to low values of tensile strength and double shear.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение материала на основе титанового сплава для высокопрочных крепежных изделий, обладающего комплексом высоких показателей механических свойств и позволяющего выполнять накатку резьбы в термоупрочненном состоянии.The problem to be solved by the invention is to obtain a material based on a titanium alloy for high-strength fasteners, which has a complex of high mechanical properties and allows thread rolling in a heat-strengthened state.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является повышение прочностных свойств материала при сохранении высокого уровня пластичности.The technical result achieved in the implementation of the invention is to increase the strength properties of the material while maintaining a high level of plasticity.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения материала для высокопрочных крепежных изделий, включающий получение из титанового сплава промежуточной заготовки для волочения, получение холоднотянутой заготовки и ее окончательную термическую обработку, согласно изобретению промежуточную заготовку для волочения получают из титанового сплава, содержащего легирующие элементы в виде α - стабилизаторов, β - стабилизаторов, нейтральных упрочнителей, остальное титан и неизбежные примеси, при этом суммарное количество легирующих элементов, обеспечивающих твердорастворное упрочнение α-фазы титанового сплава, определяется соотношением:The specified technical result is achieved by the fact that in the method for producing material for high-strength fasteners, including obtaining an intermediate workpiece for drawing from a titanium alloy, obtaining a cold-drawn workpiece and its final heat treatment, according to the invention, an intermediate workpiece for drawing is obtained from a titanium alloy containing alloying elements in in the form of α - stabilizers, β - stabilizers, neutral hardeners, the rest is titanium and inevitable impurities, while the total amount of alloying elements that provide solid-solution strengthening of the α-phase of the titanium alloy is determined by the ratio:
с содержанием каждого конкретного элемента в следующих интервалах:with the content of each specific element in the following intervals:
где 
а суммарное количество элементов, обеспечивающих твердорастворное упрочнение, а также увеличивающих объемную долю метастабильной β-фазы, определяется соотношением:and the total number of elements providing solid-solution strengthening, as well as increasing the volume fraction of the metastable β-phase, is determined by the relation:
с содержанием каждого конкретного элемента в следующих интервалах:with the content of each specific element in the following intervals:
где 
промежуточную заготовку перед волочением отжигают при температуре (Тпп-20)°С-(Тпп-50)°С (где Тпп - температура полиморфного превращения) и охлаждают до комнатной температуры со среднеарифметической скоростью не менее 15°С/мин., получение холоднотянутой заготовки осуществляют волочением с коэффициентом вытяжки от 1,8 до 5, причем окончательную термическую обработку холоднотянутой заготовки проводят по следующему режиму: обработка на твердый раствор после нагрева металла до температуры (Тпп-50)°С - (Тпп-80)°С с выдержкой 1-8 часов и последующим охлаждением со среднеарифметической скоростью более 10°С/мин до температуры ниже или равной температуре последующего старения, старение при температуре нагрева металла 400-530°С в течение не менее 8 часов с последующих охлаждением до комнатной температуры. Промежуточную заготовку для волочения получают путем выплавки слитка из титанового сплава, термомеханической обработки слитка с получением кованого биллета и его последующей прокатки. Промежуточную заготовку для волочения получают методом порошковой металлургии. Полученный материал для высокопрочных крепежных изделий выполняют в виде прутка круглого сечения диаметром до 40 мм, подвергнутого обработке на твердый раствор и старению. Полученный материал для высокопрочных крепежных изделий выполняют в виде проволоки круглого сечения диаметром до 18 мм, подвергнутой обработке на твердый раствор и старению. Полученный материал для высокопрочных крепежных изделий, подвергнутый обработке на твердый раствор и старению, имеет структуру с объемной долей первичной α-фазы от 15 до 27%. Полученный материал для высокопрочных крепежных изделий, подвергнутый обработке на твердый раствор и старению, имеет структуру с размером бета-субзерна, не превышающим 15 мкм. Полученный материал для высокопрочных крепежных изделий после обработки на твердый раствор и старения имеет предел прочности на растяжение свыше 1400 МПа. Полученный материал для высокопрочных крепежных изделий после обработки на твердый раствор и старения имеет относительное удлинение свыше 11% и относительное сужение свыше 35%. Полученный материал для высокопрочных крепежных изделий после обработки на твердый раствор и старения имеет предел прочности на двойной срез свыше 750 МПа.the intermediate billet is annealed before drawing at a temperature of (Tpp-20)°C-(Tpp-50)°C (where Tpp is the temperature of polymorphic transformation) and cooled to room temperature at an arithmetic mean rate of at least 15°C/min., obtaining a cold-drawn billet is carried out by drawing with a drawing ratio from 1.8 to 5, and the final heat treatment of the cold-drawn billet is carried out according to the following mode: processing for a solid solution after heating the metal to a temperature of (Tpp-50) ° C - (Tpp-80) ° C with a holding time of 1 -8 hours and subsequent cooling at an arithmetic mean rate of more than 10°C/min to a temperature below or equal to the temperature of subsequent aging, aging at a metal heating temperature of 400-530°C for at least 8 hours, followed by cooling to room temperature. An intermediate workpiece for drawing is obtained by melting a titanium alloy ingot, thermomechanically processing the ingot to obtain a forged billet, and then rolling it. The intermediate billet for drawing is obtained by powder metallurgy. The resulting material for high-strength fasteners is made in the form of a round cross-section rod with a diameter of up to 40 mm, subjected to solution treatment and aging. The resulting material for high-strength fasteners is made in the form of a round wire with a diameter of up to 18 mm, subjected to solution treatment and aging. The obtained material for high-strength fasteners, subjected to solution treatment and aging, has a structure with a volume fraction of the primary α-phase from 15 to 27%. The obtained material for high-strength fasteners subjected to solution treatment and aging has a structure with a beta subgrain size not exceeding 15 μm. The resulting material for high-strength fasteners after solution treatment and aging has a tensile strength of over 1400 MPa. The resulting material for high-strength fasteners, after solution treatment and aging, has an elongation ratio of over 11% and a reduction ratio of over 35%. The resulting material for high-strength fasteners after solution treatment and aging has a double shear strength of over 750 MPa.
Для получения материала для высокопрочных крепежных изделий используется титановый сплав, в составе которого содержатся α-стабилизаторы (алюминий, кислород, азот, углерод), β-стабилизаторы (ванадий, молибден, хром, железо), нейтральные упрочнители (цирконий). В принцип создания материала заложено различие эффекта влияния на титан указанных групп легирующих элементов. Элементы, эквивалентные алюминию (α-стабилизаторы и нейтральные упрочнители), упрочняют титановые сплавы, в основном, в результате растворного упрочнения, а элементы, эквивалентные молибдену (β-стабилизаторы), - вследствие как твердорастворного упрочнения, так и увеличения доли метастабильной β-фазы, которая при старении обеспечивает дисперсионное твердение сплава. В заявляемом изобретении структурные эквиваленты [Al]экв и [Мо]экв являются критериями, которые в совокупности с разработанными режимами обработки регламентируют процесс получения высококачественного материала для крепежных элементов.To obtain material for high-strength fasteners, a titanium alloy is used, which contains α-stabilizers (aluminum, oxygen, nitrogen, carbon), β-stabilizers (vanadium, molybdenum, chromium, iron), neutral hardeners (zirconium). The principle of creating the material is based on the difference in the effect of the specified groups of alloying elements on titanium. Elements equivalent to aluminum (α-stabilizers and neutral hardeners) strengthen titanium alloys, mainly as a result of solution strengthening, and elements equivalent to molybdenum (β-stabilizers) due to both solid-solution strengthening and an increase in the proportion of the metastable β-phase , which during aging provides precipitation hardening of the alloy. In the claimed invention, the structural equivalents of [Al] eq and [Mo] eq are criteria that, together with the developed processing modes, regulate the process of obtaining high-quality material for fasteners.
[Al]экв - структурный алюминиевый эквивалент позволяет оценить степень стабилизации α-фазы, которую на нее одновременно оказывают α-стабилизирующие элементы, присутствующие в сплаве: алюминий, кислород, углерод, азот и цирконий. Установленная величина суммарного количества легирующих элементов, упрочняющих титановый сплав твердорастворным упрочнением, [Al]экв составляет от 5,1 до 9,3. Это позволяет во всем указанном диапазоне химического состава титанового сплава с учетом температурно-скоростных параметров обработки получать необходимую долю α-фазы.[Al] equiv - structural aluminum equivalent makes it possible to estimate the degree of stabilization of the α-phase, which is simultaneously exerted on it by α-stabilizing elements present in the alloy: aluminum, oxygen, carbon, nitrogen and zirconium. The established value of the total amount of alloying elements that strengthen the titanium alloy by solid solution hardening, [Al] eq is from 5.1 to 9.3. This allows, in the entire specified range of the chemical composition of the titanium alloy, taking into account the temperature and speed processing parameters, to obtain the required proportion of the α-phase.
Величины содержания каждого элемента определены исходя из следующих соображений. Алюминий повышает удельную прочность сплава, улучшает прочностные свойства и модуль упругости титана. Содержание алюминия в сплаве менее 3,0% не обеспечивает необходимую прочность сплава, а также повышает вероятность образования ω-фазы которая негативно сказывается на характеристиках пластичности, при содержании алюминия свыше 6,5%, уменьшается технологическая пластичность сплава а также возможно формирование частиц Ti3Al, которые могут вызвать охрупчивание материала. Содержание кислорода в пределах 0,05-0,3% повышает прочность при сохранении характеристик пластичности. Наличие в сплаве азота не более 0,05% и углерода не более 0,1% не оказывает воздействия на снижение пластичности при комнатной температуре. Для увеличения прочности α-фазы сплав дополнительно легирован цирконием не более 2,0%, что повышает прочность сплава, практически не снижая его пластичность и трещиностойкость.The values of the content of each element are determined based on the following considerations. Aluminum increases the specific strength of the alloy, improves the strength properties and modulus of elasticity of titanium. The aluminum content in the alloy less than 3.0% does not provide the necessary strength of the alloy, and also increases the likelihood of the formation of the ω-phase, which adversely affects the plasticity characteristics, with an aluminum content of more than 6.5%, the technological plasticity of the alloy decreases, and the formation of Ti 3 particles is also possible Al, which can cause material embrittlement. The oxygen content in the range of 0.05-0.3% increases the strength while maintaining the plasticity characteristics. The presence of nitrogen in the alloy is not more than 0.05% and carbon is not more than 0.1% does not affect the reduction of ductility at room temperature. To increase the strength of the α-phase, the alloy is additionally alloyed with zirconium not more than 2.0%, which increases the strength of the alloy, practically without reducing its ductility and crack resistance.
Введенное в сплав содержание ванадия, молибдена, хрома и железа, соответствующие молибденовому эквиваленту [Мо]экв от 12,4 до 17,4, позволяет снизить критическую скорость охлаждения и обеспечить фиксацию метастабильной β-фазы при охлаждении на воздухе в сечениях до 40 мм и более, обеспечивает получение высокой доли метастабильной β-фазы, необходимой для получения высокой прочности после старения, а также повышенной технологической пластичности при проведении холодной деформации.The content of vanadium, molybdenum, chromium and iron introduced into the alloy, corresponding to the molybdenum equivalent [Mo] eq from 12.4 to 17.4, makes it possible to reduce the critical cooling rate and ensure the fixation of the metastable β-phase upon cooling in air in cross sections up to 40 mm and moreover, it provides a high proportion of the metastable β-phase necessary to obtain high strength after aging, as well as increased technological plasticity during cold deformation.
При этом из числа β-стабилизаторов дополнительно определено содержание каждого элемента. Ванадий, имеющий высокую растворимость в титане, в количестве 4,0-6,5% повышает способность к упрочняющей термической обработке и обеспечивает стабилизацию β-фазы, а также упрочнение α-фазы. Легирование молибденом в интервале 4,0-6,5% эффективно увеличивает прочность при комнатной и повышенных температурах, а также повышает термическую стабильность сплавов, содержащих хром и железо. Содержание хрома, установленное в интервале 2,0-3,5% обусловлено тем, что этот элемент является сильным β-стабилизатором и значительно упрочняет титановые сплавы. При легировании сплава хромом больше 3,5% возможно образование интерметаллидной фазы TiCr2, вызывающей охрупчивание сплава. Введение железа в интервале 0,2-1,0% повышает технологическую пластичность при горячей обработке сплава, что помогает избежать образования деформационных дефектов. Содержание железа более 1,0% повышает химическую неоднородность при плавлении и кристаллизации сплава, что приводит к неоднородности структуры и, как следствие, неоднородности механических свойств. Повышенный уровень пластичности материала в термоупрочненном состоянии обеспечивает сочетание большого количества субграниц при размере β-субзерен до 15 мкм и наличие зернограничных дислокаций в границах/субграницах, а также большой протяженности межфазных границ, обеспечиваемых частицами первичной α-фазы в объемной доле 15-27%.At the same time, from among the β-stabilizers, the content of each element was additionally determined. Vanadium, having a high solubility in titanium, in the amount of 4.0-6.5% increases the ability for hardening heat treatment and provides stabilization of the β-phase, as well as strengthening of the α-phase. Alloying with molybdenum in the range of 4.0-6.5% effectively increases the strength at room and elevated temperatures, and also increases the thermal stability of alloys containing chromium and iron. The chromium content, set in the range of 2.0-3.5%, is due to the fact that this element is a strong β-stabilizer and significantly strengthens titanium alloys. When alloying the alloy with chromium more than 3.5%, the formation of an intermetallic phase TiCr 2 is possible, causing the embrittlement of the alloy. The introduction of iron in the range of 0.2-1.0% increases the technological ductility during hot processing of the alloy, which helps to avoid the formation of deformation defects. The iron content of more than 1.0% increases the chemical inhomogeneity during melting and crystallization of the alloy, which leads to structural inhomogeneity and, as a result, inhomogeneity of mechanical properties. An increased level of plasticity of the material in the heat-strengthened state is provided by a combination of a large number of subboundaries with a size of β-subgrains up to 15 μm and the presence of grain-boundary dislocations in the boundaries/subboundaries, as well as a large length of interfacial boundaries provided by particles of the primary α-phase in a volume fraction of 15-27%.
Сущность предлагаемого способа изготовления материала для высокопрочных крепежных элементов заключается в следующем.The essence of the proposed method for manufacturing material for high-strength fasteners is as follows.
В целях получения материала изготовляют промежуточную заготовку для волочения из титанового сплава, содержащего легирующие элементы в виде α - стабилизаторов, β - стабилизаторов, нейтральных упрочнителей, остальное титан и неизбежные примеси.In order to obtain material, an intermediate workpiece for drawing is made from a titanium alloy containing alloying elements in the form of α - stabilizers, β - stabilizers, neutral hardeners, the rest is titanium and inevitable impurities.
Расчетный химический состав титанового сплава определяют исходя из соотношения величин суммарного количества легирующих элементов, обеспечивающих твердорастворное упрочнение α-фазы титанового сплава и определяющихся вышеуказанным соотношением.The calculated chemical composition of the titanium alloy is determined based on the ratio of the values of the total number of alloying elements that provide solid solution strengthening of the α-phase of the titanium alloy and are determined by the above ratio.
Одним из возможных вариантов получения промежуточной заготовки является выплавка слитка, его термомеханическая обработка посредством деформирования в кованую заготовку (биллет) при температурах β- и/или (α+β)-области. Для удаления газонасыщенного слоя и поверхностных деформационных дефектов целесообразно проводить механическую обработку кованого биллета. Последующую прокатку биллета осуществляют с получением промежуточной заготовки в виде катаного прутка. Возможно получение заготовки и другими способами, включая порошковую металлургию.One of the possible options for obtaining an intermediate billet is the smelting of an ingot, its thermomechanical processing by deformation into a forged billet (billet) at temperatures of the β- and/or (α+β)-region. To remove the gas-saturated layer and surface deformation defects, it is advisable to carry out mechanical processing of the forged billet. Subsequent billet rolling is carried out to obtain an intermediate billet in the form of a rolled bar. It is possible to obtain a workpiece in other ways, including powder metallurgy.
Максимальный размер диаметра получаемой заготовки для волочения может быть ограничен только возможностями волочильного оборудования для холодной деформации, т.к. с увеличением диаметра заготовки при обеспечении равной степени деформации значительно возрастают нагрузки на деформирующую оснастку оборудования и удельные усилия волочения.The maximum size of the diameter of the obtained workpiece for drawing can be limited only by the capabilities of drawing equipment for cold deformation, since. with an increase in the diameter of the workpiece, while ensuring an equal degree of deformation, the loads on the deforming tooling of the equipment and the specific drawing forces increase significantly.
Кроме того, при увеличении диаметра промежуточной заготовки для волочения повышается неравномерность деформации по сечению из-за накопления при последующем волочении неравномерности деформации периферийных и центральных слоев заготовки, что, соответственно, создает неравномерность структуры финального изделия.In addition, with an increase in the diameter of the intermediate workpiece for drawing, the unevenness of the deformation over the section increases due to the accumulation during subsequent drawing of the unevenness of the deformation of the peripheral and central layers of the workpiece, which, accordingly, creates the unevenness of the structure of the final product.
Перед волочением промежуточную заготовку подвергают отжигу, в том числе вакуумному, при температуре (Тпп-20)°С - (Тпп-50)°С с последующим охлаждением со среднеарифметической скоростью не менее 15°С/мин. Нагрев промежуточной заготовки с указанным химическим составом в интервале температур (Тпп-20)°С - (Тпп-50)°С позволяет получить структуру, содержащую метастабильную матричную β-фазу с долей первичной α-фазы в диапазоне 6-17%. В процессе пластической холодной деформации первичная α-фаза является препятствием для движения дислокаций, сокращая их путь до расстояния между частицами α-фазы. Доля первичной α-фазы, необходимой для перераспределения и гомогенизации напряжений перед последующим волочением, в диапазоне 6-17% способствует эффективному накоплению дислокаций при дальнейшей холодной деформации, определяющих последующие процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации. Охлаждение с температуры отжига со среднеарифметической скоростью более 15°С/мин позволяет осуществить фиксацию метастабильной β-фазы без ее распада, а также зафиксировать установленное количество первичной α-фазы. Кроме того, указанная скорость позволяет избежать образования вторичной α-фазы, наличие которой существенно увеличивает коэффициент упрочнения и не дает возможность достигать высоких коэффициентов вытяжки на следующей стадии процесса пластической деформации.Before drawing, the intermediate billet is subjected to annealing, including vacuum annealing, at a temperature of (Tpp-20)°C - (Tpp-50)°C, followed by cooling at an arithmetic mean rate of at least 15°C/min. Heating an intermediate workpiece with the specified chemical composition in the temperature range (Tpp-20)°C - (Tpp-50)°C allows you to obtain a structure containing a metastable matrix β-phase with a share of the primary α-phase in the range of 6-17%. In the process of plastic cold deformation, the primary α-phase is an obstacle to the movement of dislocations, shortening their path to the distance between particles of the α-phase. The proportion of the primary α-phase required for the redistribution and homogenization of stresses before subsequent drawing, in the range of 6-17%, contributes to the effective accumulation of dislocations during further cold deformation, which determine the subsequent processes of recovery, polygonization and recrystallization. Cooling from the annealing temperature at an arithmetic mean rate of more than 15°C/min makes it possible to fix the metastable β-phase without its decomposition, and also to fix the set amount of the primary α-phase. In addition, the indicated speed makes it possible to avoid the formation of a secondary α-phase, the presence of which significantly increases the hardening coefficient and does not make it possible to achieve high elongation ratios at the next stage of the plastic deformation process.
Волочение промежуточной заготовки осуществляют при комнатной температуре с коэффициентом вытяжки в интервале 1,8-5. В процессе волочения существенно увеличивается плотность дислокаций как в β-фазе, так на межфазных границах и в α-фазе. Частицы первичной α-фазы в количестве от 6 до 17% позволяют оптимально распределить дислокации по линиям скольжения, создавая равномерное их распределение по объему материала. При коэффициенте вытяжки свыше 1,8 в материале образуется и стабилизируется ячеистая структура, которая при обработке на твердый раствор обеспечивает необходимый размер и количество субзерен β-фазы. Коэффициент вытяжки менее 1,8 не обеспечивает устойчивость ячеистой структуры при последующей обработке на твердый раствор даже при расширении температурного диапазона, т.к. удельная доля ячеек, трансформирующихся в β-субзерна, понижена, что приводит к увеличению размеров β-субзерен и не позволяет обеспечить значения механических свойств после окончательной термической обработки. Максимальный коэффициент вытяжки характеризуется предельной повреждаемостью материала перед разрушением, которая в большей степени зависит от параметров режима волочения и структуры исходной заготовки. После волочения материал в виде проволоки или прутка подвергают упрочняющей термической обработке, состоящей из обработки на твердый раствор и последующего искусственного старения.The drawing of the intermediate billet is carried out at room temperature with an elongation ratio in the range of 1.8-5. In the process of drawing, the density of dislocations increases significantly both in the β-phase and at the interphase boundaries and in the α-phase. Particles of the primary α-phase in an amount of 6 to 17% make it possible to optimally distribute dislocations along slip lines, creating their uniform distribution over the volume of the material. At an elongation ratio of more than 1.8, a cellular structure is formed and stabilized in the material, which, when processed into a solid solution, provides the required size and number of subgrains of the β-phase. An elongation ratio of less than 1.8 does not ensure the stability of the cellular structure during subsequent processing into a solid solution, even with the expansion of the temperature range, because the specific fraction of cells that transform into β-subgrains is reduced, which leads to an increase in the size of β-subgrains and does not allow one to provide the values of mechanical properties after the final heat treatment. The maximum elongation ratio is characterized by the limiting damage of the material before destruction, which largely depends on the parameters of the drawing mode and the structure of the original workpiece. After drawing, the material in the form of a wire or rod is subjected to a hardening heat treatment, consisting of a solid solution treatment and subsequent artificial aging.
Обработку на твердый раствор осуществляют по следующему режиму: нагрев материала до температуры (Тпп-50)°С - (Тпп-80)°С, выдержка при заданной температуре 1-8 часов, охлаждение до температуры ниже или равной температуре последующего старения со среднеарифметической скоростью более 10°С/мин.Processing for a solid solution is carried out according to the following mode: heating the material to a temperature of (Tpp-50) ° C - (Tpp-80) ° C, holding at a given temperature for 1-8 hours, cooling to a temperature below or equal to the temperature of subsequent aging at an arithmetic average rate more than 10°С/min.
Указанный режим обусловлен получением необходимых параметров α- и β-фазы. При данной термической обработке в результате превращений и перераспределения дислокаций образуется структура с увеличенной объемной долей первичной α-фазы до 15-27% и наличием в структуре субзерен β-фазы размерами не более 15 мкм.This mode is due to obtaining the necessary parameters of the α- and β-phases. With this heat treatment, as a result of transformations and redistribution of dislocations, a structure is formed with an increased volume fraction of the primary α-phase up to 15-27% and the presence of subgrains of the β-phase in the structure with a size of no more than 15 μm.
Нагрев материала выше температуры указанного диапазона приводит к существенному росту размера субзерен β-фазы и уменьшает объемную долю α-фазы, что в итоге приводит к понижению пластичности материала в конечном состоянии. При нагреве материала до температуры ниже (Тпп-80)°С увеличивается объемная доля α-фазы, что затрудняет получение прочности после старения более 1450 МПа. Минимальная выдержка при нагреве до температуры обработки на твердый раствор в течение 1 часа обусловлена достаточностью прохождения процессов преобразования ячеистой структуры в субзеренную, а выдержка материала более 8 часов увеличивает размер субзерен, что приводит к снижению пластичности. Среднеарифметическая скорость охлаждения 10°С/мин является минимальной скоростью, обеспечивающей при обработке на твердый раствор отсутствие распада метастабильной β-фазы, сохранения доли первичной α-фазы, ограничивая образование вторичной α-фазы.Heating the material above the temperature of the specified range leads to a significant increase in the size of the subgrains of the β-phase and reduces the volume fraction of the α-phase, which ultimately leads to a decrease in the plasticity of the material in the final state. When the material is heated to a temperature below (Tpp-80)°C, the volume fraction of the α-phase increases, which makes it difficult to obtain strength after aging of more than 1450 MPa. The minimum exposure during heating to the temperature of treatment for a solid solution for 1 hour is due to the sufficiency of passing the processes of transformation of the cellular structure into a subgrain structure, and holding the material for more than 8 hours increases the size of the subgrains, which leads to a decrease in plasticity. The arithmetic mean cooling rate of 10°C/min is the minimum rate that ensures no decomposition of the metastable β-phase during processing into a solid solution, preserving the proportion of the primary α-phase, limiting the formation of the secondary α-phase.
После обработки на твердый раствор осуществляют искусственное старения материала при температуре 400-530°С в течение свыше 8 часов.After treatment for a solid solution, artificial aging of the material is carried out at a temperature of 400-530°C for more than 8 hours.
Искусственное старение материала при температурах 400-530°С позволяет варьировать значения предела прочности на растяжение в диапазоне от 1400 МПа, учитывая значения интервала температур обработки на твердый раствор, а также закончить формирование структуры, которая в совокупности с обработкой на твердый раствор дает возможность получения повышенного уровня пластичности с обеспечением значения относительного удлинения материала не менее 11%. Температурный интервал старения вызван достижением необходимой прочности материала, которая впоследствии определяет прочность полученных крепежных элементов. Выбор значений температур старения обусловлен степенью стабильности распадающейся при старении β-фазы, а также дисперсностью выделяющейся вторичной α-фазы, которая предопределяет достижение высоких показателей прочности материала. Длительность старения не менее 8 часов обеспечивает полное прохождение распада β-фазы и приведение материала в равновесное состояние.Artificial aging of the material at temperatures of 400–530°C makes it possible to vary the values of the tensile strength in the range from 1400 MPa, taking into account the values of the temperature range of treatment for a solid solution, and also to complete the formation of a structure, which, together with treatment for a solid solution, makes it possible to obtain an increased the level of plasticity, ensuring the value of the relative elongation of the material is not less than 11%. The temperature interval of aging is caused by the achievement of the required strength of the material, which subsequently determines the strength of the obtained fasteners. The choice of aging temperature values is due to the degree of stability of the β-phase decomposing during aging, as well as the dispersion of the secondary α-phase that is released, which predetermines the achievement of high material strength indicators. The duration of aging for at least 8 hours ensures the complete passage of the decomposition of the β-phase and bringing the material to an equilibrium state.
Промышленную применимость изобретения подтверждает пример его конкретного выполнения.The industrial applicability of the invention is confirmed by an example of its specific implementation.
Для изготовления материала для крепежных элементов в виде проволоки диаметром 8,05 мм был выплавлен слиток с химическим составом, приведенным в таблице 1. Температура полиморфного превращения сплава (Тпп), определенная металлографическим способом, составила 838°С. Выплавленный слиток деформировали при температурах в β- и (α+β)-области, окончательное деформирование заготовки осуществляли с получением кованых биллетов для прокатки, далее производили их механическую обработку.For the manufacture of material for fasteners in the form of a wire with a diameter of 8.05 mm, an ingot was smelted with a chemical composition shown in table 1. The polymorphic transformation temperature of the alloy (Tpp), determined by a metallographic method, was 838°C. The smelted ingot was deformed at temperatures in the β- and (α+β)-regions, the final deformation of the workpiece was carried out to obtain forged billets for rolling, then they were machined.
Из механически обработанных биллетов прокаткой получали катаную промежуточную заготовку диаметром 13,3 мм с температурой окончания деформации в β-области. В результате получали структуру в виде рекристаллизованного равноосного β-зерна. Промежуточную заготовку диаметром 13,3 мм отжигали в вакуумной печи при температуре 802°С (Тпп-36)°С и охлаждали до комнатной температуры со среднеарифметической скоростью более 15°С/мин. Для удаления дефектов поверхности и газонасыщенного слоя проводили адъюстажные операции с получением заготовки диаметром 12,3 мм. Заготовку диаметром 12,3 мм подвергали волочению при комнатной температуре до диаметра 8,6 мм. Далее проводили удаление дефектов поверхности и газонасыщенного слоя с использованием абразивной шлифовки и травления, при которой диаметр заготовки уменьшился до 8,05 мм. Затем осуществляли термоупрочняющую обработку материала проволоки по следующему режиму: обработка на твердый раствор при нагреве до температуры 768°С (Тпп-70)° и выдержке 4 часа, охлаждение на воздухе до комнатной температуры со среднеарифметической скоростью более 10°С/мин; искусственное старение при температуре 500°С, выдержка 8 часов, охлаждение на воздухе. Результаты испытаний механических свойств материала проволоки диаметром 8,05 мм в термоупрочненном состоянии приведены в таблице 2. Изображение микроструктуры материала в продольном направлении при 4000-кратном увеличении приведено на фиг.1.From machined billets by rolling, a rolled intermediate billet with a diameter of 13.3 mm was obtained with a temperature of the end of deformation in the β-region. As a result, a structure was obtained in the form of a recrystallized equiaxed β-grain. An intermediate workpiece with a diameter of 13.3 mm was annealed in a vacuum furnace at a temperature of 802°C (Tpp-36)°C and cooled to room temperature at an arithmetic mean rate of more than 15°C/min. To remove surface defects and the gas-saturated layer, adjusting operations were performed to obtain a workpiece with a diameter of 12.3 mm. A workpiece with a diameter of 12.3 mm was subjected to drawing at room temperature to a diameter of 8.6 mm. Next, the surface defects and the gas-saturated layer were removed using abrasive grinding and etching, in which the diameter of the workpiece decreased to 8.05 mm. Then, heat-strengthening treatment of the wire material was carried out according to the following mode: treatment for a solid solution when heated to a temperature of 768°C (Tpp-70)° and held for 4 hours, air-cooled to room temperature at an arithmetic mean rate of more than 10°C/min; artificial aging at a temperature of 500°C, holding for 8 hours, cooling in air. The results of testing the mechanical properties of the material of the wire with a diameter of 8.05 mm in the heat-strengthened state are shown in table 2. The image of the microstructure of the material in the longitudinal direction at a 4000-fold increase is shown in Fig.1.
Таким образом, заявляемый способ получения материала для высокопрочных крепежных элементов характеризуется повышенным уровнем технологических и эксплуатационных свойств, которые достигаются за счет оптимизации химического состава и соотношений легирующих элементов в титановом сплаве, а также за счет оптимизации технологических режимов его деформирования и термической обработки, обеспечивающих получение регламентированной микроструктуры.Thus, the claimed method for producing material for high-strength fasteners is characterized by an increased level of technological and operational properties, which are achieved by optimizing the chemical composition and ratios of alloying elements in a titanium alloy, as well as by optimizing the technological modes of its deformation and heat treatment, providing a regulated microstructures.
Claims (20)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2793901C1 true RU2793901C1 (en) | 2023-04-07 |
| RU2793901C9 RU2793901C9 (en) | 2023-06-07 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2311248C1 (en) * | 2006-05-06 | 2007-11-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский Институт Легких сплавов" (ОАО ВИЛС) | Titanium- alloy rods producing method |
| RU2581332C2 (en) * | 2010-09-23 | 2016-04-20 | ЭйТиАй ПРОПЕРТИЗ, ИНК. | High strength alpha/beta titanium alloy fasteners and fastener stock |
| US9816158B2 (en) * | 2006-10-26 | 2017-11-14 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | β-type titanium alloy |
| WO2020101008A1 (en) * | 2018-11-15 | 2020-05-22 | 日本製鉄株式会社 | Titanium alloy wire rod and method for manufacturing titanium alloy wire rod |
| RU2724751C1 (en) * | 2019-01-22 | 2020-06-25 | Публичное Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" | Billet for high-strength fasteners made from deformable titanium alloy, and method of manufacturing thereof |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2311248C1 (en) * | 2006-05-06 | 2007-11-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский Институт Легких сплавов" (ОАО ВИЛС) | Titanium- alloy rods producing method |
| US9816158B2 (en) * | 2006-10-26 | 2017-11-14 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | β-type titanium alloy |
| RU2581332C2 (en) * | 2010-09-23 | 2016-04-20 | ЭйТиАй ПРОПЕРТИЗ, ИНК. | High strength alpha/beta titanium alloy fasteners and fastener stock |
| WO2020101008A1 (en) * | 2018-11-15 | 2020-05-22 | 日本製鉄株式会社 | Titanium alloy wire rod and method for manufacturing titanium alloy wire rod |
| RU2724751C1 (en) * | 2019-01-22 | 2020-06-25 | Публичное Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" | Billet for high-strength fasteners made from deformable titanium alloy, and method of manufacturing thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101827017B1 (en) | Production of high strength titanium alloys | |
| KR101847667B1 (en) | High strength alpha/beta titanium alloy fasteners and fastener stock | |
| KR101758956B1 (en) | Processing of alpha/beta titanium alloys | |
| US7611592B2 (en) | Methods of beta processing titanium alloys | |
| JP4013761B2 (en) | Manufacturing method of titanium alloy bar | |
| EP0683242B1 (en) | Method for making titanium alloy products | |
| US9297059B2 (en) | Method for the manufacture of wrought articles of near-beta titanium alloys | |
| EP1466028A1 (en) | Method for processing beta titanium alloys | |
| EP3546606B1 (en) | Alpha+beta titanium extruded material | |
| JP7087476B2 (en) | α + β type titanium alloy extruded profile | |
| US11920218B2 (en) | High strength fastener stock of wrought titanium alloy and method of manufacturing the same | |
| RU2724751C1 (en) | Billet for high-strength fasteners made from deformable titanium alloy, and method of manufacturing thereof | |
| JP7119840B2 (en) | α＋β type titanium alloy extruded shape | |
| JP4340754B2 (en) | Steel having high strength and excellent cold forgeability, and excellent molded parts such as screws and bolts or shafts having excellent strength, and methods for producing the same. | |
| JP3540316B2 (en) | Improvement of mechanical properties of aluminum-lithium alloy | |
| JP2018510268A (en) | Method for manufacturing titanium and titanium alloy articles | |
| EP4317497A1 (en) | Material for the manufacture of high-strength fasteners and method for producing same | |
| RU2793901C1 (en) | Method for obtaining material for high-strength fasteners | |
| RU2793901C9 (en) | Method for obtaining material for high-strength fasteners | |
| JPH07180011A (en) | Production of alpha+beta type titanium alloy extruded material | |
| JP2017078206A (en) | α+β TYPE TITANIUM ALLOY HOT EXTRUSION SHAPE MATERIAL HAVING UNIFORM ACICULAR STRUCTURE AND EXCELLENT IN TENSILE PROPERTY | |
| JP6673123B2 (en) | α + β type titanium alloy hot extruded material and method for producing the same | |
| JP2003013159A (en) | Fastener material of titanium alloy and manufacturing method therefor | |
| JP2017057473A (en) | α+β TYPE TITANIUM ALLOY SHEET AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR | |
| RU2756077C1 (en) | Method for producing titanium alloy round rods (options) |