TWI684646B

TWI684646B - 鈦合金板材及其製造方法

Info

Publication number: TWI684646B
Application number: TW108116204A
Authority: TW
Inventors: 常傳賢; 廖國鈞
Original assignee: 大田精密工業股份有限公司
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-02-11
Also published as: CN111910103A; TW202041691A

Abstract

一種鈦合金板材，以其總重為100wt%計算，該鈦合金板材包括以下成份：6~8wt%的鋁、0.5~1.5wt%的錫、0.5~1.5wt%的鉻、0.8~2.0wt%的鐵、0.5~1.8%的鉬、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質，其中該鈦合金板材具有雙晶型過飽和的麻田散鐵組織。本發明利用鈦合金之新的成份比例，並利用新的軋製製程可再提升本發明之鈦合金板材具有更佳的強度性能與延伸率。

Description

鈦合金板材及其製造方法

本發明是有關於一種鈦合金板材及其製造方法，且特別是有關於一種具有更佳的強度性能的鈦合金板材及其製造方法。

高爾夫球桿頭由於其運動性質，球頭需常以極高的揮桿速度去撞擊堅硬的高爾夫球，且由於性能方面考量，擊球面厚度通常介於2~4mm之間，所以應用在球頭的材料往往需要擁有極高的強度性能，才能承受其嚴苛的衝擊環境。

鈦合金板材因具有高強度、耐腐蝕性、高耐熱性等特點而被廣泛用於運動產業領域，其中又以6鋁4釩鈦合金(Ti-6Al-4V合金)最具代表性。6鋁4釩鈦合金是目前使用鈦合金的總量一半以上的材料，雖然具有良好物理性能，但是6鋁4釩鈦合金含有貴金屬釩(V)，因此較為昂貴。而且6鋁4釩鈦合金為差排型麻田散鐵組織，不利彎鍛，如果需要將6鋁4釩鈦合金進行較大的彎鍛，容易發生破裂的情況。

本申請人之專利文獻(證書號TW I516318)曾提出一種高爾夫桿頭之鈦合金滾軋板，以特殊工法搭配專用合金材料，製造出高耐腐蝕性、高抗拉強度、高降伏強度、及高韌性等特質之鈦合金板材，但由於產業競爭與持續創新的需求，追求更高強度、更優秀的鈦合金材料為本申請人努力的方向。因此，便有需要提供一種具有更佳的強度性能的鈦合金板材及其製造方法。

本發明之一目的是提供一種具有更佳的強度性能的鈦合金板材及其製造方法。

依據上述之目的，本發明提供一種鈦合金板材，以其總重為100wt%計算，該鈦合金板材包括以下成份：6~8wt%的鋁、0.5~1.5wt%的錫、0.5~1.5wt%的鉻、0.8~2.0wt%的鐵、0.5~1.8%的鉬、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質，其中該鈦合金板材具有雙晶型過飽和的麻田散鐵組織。

本發明更提供一種鈦合金板材製造方法，包括下列步驟：對海綿鈦、鋁鐵合金、鋁鈦合金、鋁鉬合金、鈦錫合金及鋁鉻合金進行熔煉製程，以形成一鑄錠；對該鑄錠進行一鍛造製程(forging process)而形成一板胚：對該板胚進行一軋製製程(rolling process)而形成一鈦合金板材，其中該軋製製程包括：一第一熱處理步驟：在加熱温度1000±100℃之間，將該板胚進行滾軋，使該板胚之原始厚度減至第一厚度；一第二熱處理步驟：在加熱温度800±100℃之間，將該第一熱處理步驟後之板胚進行滾軋，使該板胚之第一厚度減至第二厚度；一第三熱處理步驟：在加熱温度1000±100℃之間，將該第二熱處理步驟後之板胚進行水淬；以及一第四熱處理步驟：在加熱温度800±100℃之間，將該第三熱處理步驟後之板胚進行換向滾軋，使該板胚之第二厚度減至第三厚度；其中該鈦合金板材包括以下成份：6~8wt%的鋁、0.5~1.5wt%的錫、0.5~1.5wt%的鉻、0.8~2.0wt%的鐵、0.5~1.8%的鉬、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質，其中該鈦合金板材具有雙晶型過飽和的麻田散鐵組織。

相較於先前技術的鈦合金板材，本發明利用鈦合金之新的成份比例，並利用新的軋製製程可再提升本發明之鈦合金板材具有更佳的強度性能與延伸率。

S100‧‧‧步驟

S200‧‧‧步驟

S210‧‧‧第一鍛造步驟

S220‧‧‧第二鍛造步驟

S230‧‧‧第三鍛造步驟

S240‧‧‧第四鍛造步驟

S250‧‧‧第五鍛造步驟

S300‧‧‧步驟

S310‧‧‧第一熱處理步驟

S320‧‧‧第二熱處理步驟

S330‧‧‧第三熱處理步驟

S340‧‧‧第四熱處理步驟

圖1為本發明之一實施例的鈦合金板材製造方法之流程示意圖。

圖2為本發明之鍛造製程之流程示意圖。

圖3為本發明之軋製製程之流程示意圖

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

圖1為本發明之一實施例的鈦合金板材製造方法之流程示意圖。該鈦合金板材製造方法，包括下列步驟：在步驟S100中，對海綿鈦、鋁鐵合金、鋁鈦合金、鋁鉬合金、鈦錫合金及鋁鉻合金進行一熔煉製程，以形成一鑄錠。而除了鈦以外的添加元素也可採用非中間合金的純鐵、鉬棒、純鋁、純鉻、純錫進行熔煉。在本實施例中，以海綿鈦、鋁鐵合金、鋁鈦合金、鋁鉬合金、鈦錫合金及鋁鉻合金等為原料配置合金材料，各組成分依照設計質量配比後，壓制電極後進行三次真空電弧自耗熔煉。該真空自耗電弧是指利用直流電源在電極與放置於銅坩堝底板之間產生電弧，電弧產生高熱熔化電極，電極不斷下降溶化，在水冷銅坩堝內形成熔池，熔化的金屬完成速凝、結晶、成錠。

合金元素為鋁(Al)、錫(Sn)、鐵(Fe)、鉻(Cr)、鉬(Mo)。相對於鈦(Ti)元素，鋁(Al)元素的熔點較低，密度較小，熔點為660.4℃，密度為2.70g/cm³(20℃時)，同一温度下的飽和蒸汽壓遠遠大於Ti的飽和蒸汽壓，為易揮發的合金元素；錫(Sn)元素熔點也很低，而鐵(Fe)、鉻(Cr)等元素容易偏析，合金元素的加入方式選擇不當，極易造成高密度夾雜及偏析的等冶金缺陷。鉻(Cr)、鉬(Mo)元素為高熔點難熔金屬，其熔點為2000℃以上。鐵(Fe)為共析型β穩定元素，具有強烈的偏析傾向。元素的偏析程度隨鑄錠中該元素含量的增加以及鑄錠規格的增大而加劇。因此採取有效措施保證鋁(Al)、錫(Sn)、鐵(Fe)、鉻(Cr)、鉬(Mo)各元素充分合金化和均勻化是合金鑄錠熔煉工藝研究的關鍵之一。

為了使各元素在鑄錠中充分合金化，在本實施例中，採用了熔點及密度與基體較為接近的中間合金：鈦錫合金(TiSn)、鋁鉬合金(AlMo)、鋁鐵合金(AlFe)、鋁鉻合金(AlCr)及鋁鈦合金(AlTi)。採用特殊的布、混料生產工藝，以提高中間合金在電極中分布的均勻性，進一步保證鑄錠中各元素的分布均勻性。

α+β型鈦合金通常會藉由固溶與時效處理來在β相中析出部分的α相，進而達到強化材料的效果，當以提高強度為目的時，常見的作法是在生成α-β兩相區溫度或是高於β轉變溫度的溫度快速冷卻下來，之後再以時效的方式得到適當的α與β混和相。

本申請案相較於專利文獻(證書號TW I516318)，將鉬(Mo)元素以較大的成份比例添加於鈦合金中，且微調原鈦合金中之設計元素的含量，而新的成分比例對比專利文獻(證書號TW I516318)，擁有更高的α/β轉換溫度為890~990℃，使合金材料在固溶時增加了β相的殘留，使的原本α：β=1：1的比例改變為α：β=1：2~3，而時效溫度接近麻田散鐵轉換溫度(Ms)為780~880℃，使得更多的麻田散鐵相析出增強β相的強度，使得合金材料的強度提升，在不大幅增加成本的情況下使得該合金材料具有更強的競爭力。

舉例，本發明之實際投料64kg(合金材料重)，採用100kg(爐重)進行真空自耗熔煉爐熔煉，熔煉次數為3次，第一次鑄錠直徑為120mm，第二次鑄錠直徑為170mm，第三次鑄錠直徑為220mm。鑄錠扒除表面污染層及皮下氣孔缺陷後，取化學成分和氣體分析樣品。本發明之實施例1~5，採用標準方法，完成了成分檢測，結果見表1。各鑄錠中主要元素及雜質元素均滿足試製要求，成分比例控制達到預期目標。

在步驟S200中，對該鑄錠進行一鍛造製程(forging process)而形成一板胚。舉例，採用的鍛造設備為800噸快鍛機，加熱爐温度控制精度±10℃。圖2為本發明之鍛造製程之流程示意圖。該鍛造製程包括：進行一第一鍛造步驟S210，開坯：在加熱温度1200±50℃之間，將該鑄錠進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且修磨去除其表面裂紋及部分氧化皮，以形成一坯料；進行一第二鍛造步驟S220，坯料改鍛：在加熱温度1060±50℃之間，將該第一鍛造步驟S210後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且修磨去除其表面裂紋及部分氧化皮；進行一第三鍛造步驟S230，坯料改鍛：在加熱温度960±50℃之間，將該第二鍛造步驟S220後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且修磨去除其表面裂紋及部分氧化皮；進行一第四鍛造步驟S240，坯料改鍛：在加熱温度930±50℃之間，將該第三鍛造步驟S230後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後回爐；以及進行一第五鍛造步驟S250，板坯制備：在加熱温度930±50℃之間，將該第四鍛造步驟S240後之坯料進行單向壓下及四周整形交替操作，並鍛製成尺寸為400mmx300mmx60mm的板坯。

在步驟S300中，對該板胚進行一軋製製程(rolling process)而形成一鈦合金板材。舉例，根據加熱爐、軋板機及工藝試驗數量的要求，採用帶鋸機下料，將400mm×300mm×60mm板坯，沿長度和寬度中線方向斷開，即四等分，每塊尺寸為200mm×150mm×60mm，四塊板坯採用刨床刨除表面氧化皮和裂紋缺陷，四周表面100%修磨，剩於餘材料淨重32.4公斤。在上一道工序40kg基礎上損耗7.6kg，工序成材率為81%。再者，採用軋輥寬度為400mm的小型軋板機完成板材軋製。該板坯採用高温箱式電阻爐加熱，在熱軋試驗機組軋機上軋製。使用數字電位差計對箱式電阻爐進行温度校訂，保證温度偏差±10℃。

圖3為本發明之軋製製程之流程示意圖。在本實施例中，該軋製製程包括：進行一第一熱處理步驟S310：在加熱温度1000±100℃之間，將該板胚進行滾軋，使該板胚之原始厚度減至第一厚度，例如δ 60mm→δ 30mm；進行一第二熱處理步驟S320：在加熱温度800±100℃之間，將該第一熱處理步驟S310後之板胚進行滾軋，使該板胚之第一厚度減至第二厚度，例如δ 30mm→δ 15mm；進行一第三熱處理步驟S330：在加熱温度1000±100℃之間，將該第二熱處理步驟S320後之板胚進行水淬，例如水淬30分鐘；以及進行一第四熱處理步驟S340：在加熱温度800±100℃之間，將該第三熱處理步驟S330後之板胚進行換向滾軋，使該板胚之第二厚度減至第三厚度，例如δ 15mm→δ 4±0.6mm。搭配鈦合金之新的成份比例，本發明之新的軋製製程可再提升鈦合金板材具有更佳的強度性能與延伸率。

該鈦合金板材包括以下成份：6~8wt%的鋁、0.5~1.5wt%的錫、0.5~1.5wt%的鉻、0.8~2.0wt%的鐵、0.5~1.8%的鉬、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質，如表2。

本發明之鈦合金板材具有雙晶型過飽和的麻田散鐵組織。雙晶型的金屬或合金具有在變形時，所有平行於雙晶面的原子平面都朝著同一個方向移動的特性。雙晶型的金屬或合金的移動，又稱為塑性變形或是永久變形，是利用原子相對稱的排列移動產生變形。麻田散鐵組織是指純金屬或合金從某一固相轉變成另一固相時的產物；在轉變過程中，原子不擴散，化學成分不改變，但晶格發生變化，同時新舊相之間維持一定的位向關係並且具有切變共格的特徵。

軋制態板材性能：在厚度4mm的板材上沿横向、縱向取板狀拉伸試樣各五支，進行室温拉伸性能測試，測試結果見表3。可見，軋制態板材横向、縱向拉伸強度，可見強度塑性均達到本發明之目標要求；硬度值滿足要求，尤其T方向(横向)面板強度最為優異，而高爾夫球頭面板製作能依照合適的方向切割面板，以T方向(横向)切割面板能確保球頭擁有最佳的機械性質。由表4可見本發明材料對比專利文獻(證書號TW I516318)的鈦合金板材與業界常用鈦合金(Ti-6Al-4V)，擁有更佳的抗拉強度、降伏強度及延伸率。

因此，相較於先前技術的鈦合金板材，本發明利用鈦合金之新的成份比例，並利用新的軋製製程可再提升本發明之鈦合金板材具有更佳的強度性能與延伸率。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

S100‧‧‧步驟

S200‧‧‧步驟

S300‧‧‧步驟

Claims

一種鈦合金板材，以其總重為100wt%計算，該鈦合金板材包括以下成份：6~8wt%的鋁、0.5~1.5wt%的錫、0.5~1.5wt%的鉻、0.8~2.0wt%的鐵、0.5~1.8%的鉬、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質，其中該鈦合金板材具有雙晶型過飽和的麻田散鐵組織。
根據專利申請範圍第1項所述之鈦合金板材，其中該鈦合金板材的抗拉強度介在169~193KSI之間，且該鈦合金板材的降伏強度介在158~181KSI之間。
一種鈦合金板材，以其總重為100wt%計算，該鈦合金板材由以下成份所組成：6~8wt%的鋁、0.5~1.5wt%的錫、0.5~1.5wt%的鉻、0.8~2.0wt%的鐵、0.5~1.8%的鉬、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質，其中該鈦合金板材具有雙晶型過飽和的麻田散鐵組織。
一種鈦合金板材製造方法，包括下列步驟：對海綿鈦、鋁鐵合金、鋁鈦合金、鋁鉬合金、鈦錫合金及鋁鉻合金進行一熔煉製程，以形成一鑄錠；對該鑄錠進行一鍛造製程(forging process)而形成一板胚：以及對該板胚進行一軋製製程(rolling process)而形成一鈦合金板材，其中該軋製製程包括：進行一第一熱處理步驟：在加熱温度1000±100℃之間，將該板胚進行滾軋，使該板胚之原始厚度減至第一厚度；進行一第二熱處理步驟：在加熱温度800±100℃之間，將該第一熱處理步驟後之板胚進行滾軋，使該板胚之第一厚度減至第二厚度；進行一第三熱處理步驟：在加熱温度1000±100℃之間，將該第二熱處理步驟後之板胚進行水淬；以及進行一第四熱處理步驟：在加熱温度800±100℃之間，將該第三熱處理步驟後之板胚進行換向滾軋，使該板胚之第二厚度減至第三厚度；其中該鈦合金板材包括以下成份：6~8wt%的鋁、0.5~1.5wt%的錫、0.5~1.5wt%的鉻、0.8~2.0wt%的鐵、0.5~1.8%的鉬、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質，其中該鈦合金板材具有雙晶型過飽和的麻田散鐵組織。
根據專利申請範圍第4項所述之鈦合金板材製造方法，其中該熔煉製程進行三次真空電弧自耗熔煉，並採用該鈦錫合金、該鋁鉬合金、該鋁鐵合金、該鋁鉻合金及鋁鈦合金作為中間合金。
根據專利申請範圍第4項所述之鈦合金板材製造方法，其中該鍛造製程包括：進行一第一鍛造步驟：在加熱温度1200±50℃之間，將該鑄錠進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且修磨去除其表面裂紋及部分氧化皮，以形成一坯料；進行一第二鍛造步驟：在加熱温度1060±50℃之間，將該第一鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且修磨去除其表面裂紋及部分氧化皮；進行一第三鍛造步驟：在加熱温度960±50℃之間，將該第二鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後空冷，且修磨去除其表面裂紋及部分氧化皮；進行一第四鍛造步驟：在加熱温度930±50℃之間，將該第三鍛造步驟後之坯料進行一鐓粗一拔長，鍛後回爐；以及進行一第五鍛造步驟：在加熱温度930±50℃之間，將該第四鍛造步驟後之坯料進行單向壓下及四周整形交替操作，並鍛製成該板坯。
根據專利申請範圍第4項所述之鈦合金板材製造方法，其中該鑄錠之α：β=1：2~3。
根據專利申請範圍第7項所述之鈦合金板材製造方法，其中該鑄錠之α/β轉換溫度為890~990℃，該鑄錠之時效溫度接近麻田散鐵轉換溫度(Ms)為780~880℃。
根據專利申請範圍第4項所述之鈦合金板材製造方法，其中該鈦合金板材的抗拉強度介在169~193KSI之間，且該鈦合金板材的降伏強度介在158~181KSI之間。
一種鈦合金板材製造方法，包括下列步驟：對海綿鈦、純鐵、鉬棒、純鋁、純鉻及純錫進行一熔煉製程，以形成一鑄錠，其中採用該純鐵、該鉬棒、該純鋁、該純鉻及該純錫作為非中間合金；對該鑄錠進行一鍛造製程(forging process)而形成一板胚：以及對該板胚進行一軋製製程(rolling process)而形成一鈦合金板材，其中該軋製製程包括：一第一熱處理步驟：在加熱温度1000±100℃之間，將該板胚進行滾軋，使該板胚之原始厚度減至第一厚度；一第二熱處理步驟：在加熱温度800±100℃之間，將該第一熱處理步驟後之板胚進行滾軋，使該板胚之第一厚度減至第二厚度；一第三熱處理步驟：在加熱温度1000±100℃之間，將該第二熱處理步驟後之板胚進行水淬；以及一第四熱處理步驟：在加熱温度800±100℃之間，將該第三熱處理步驟後之板胚進行滾軋，使該板胚之第二厚度減至第三厚度；其中該鈦合金板材包括以下成份：6~8wt%的鋁、0.5~1.5wt%的錫、0.5~1.5wt%的鉻、0.8~2.0wt%的鐵、0.5~1.8% 的鉬、0.015wt%以下的氫、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的鈦，以及不可避免之雜質，其中該鈦合金板材具有雙晶型過飽和的麻田散鐵組織。