钛及钛合金线材轧制工艺研究_郭拉凤
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。但 钛 的 屈 强 比
( σ0． 2 / σ b ) 高，一 般 在 0． 70 ～ 0． 95 之间，弹 性 较 好，变形抗力大，并且弹性模量相 对 较低，故 加 工 变形 力 大，回 弹 严 重，导致 钛材 加 工 困 难 工技术发展缓慢，生产成本居高不下。 目前，钛及钛 合金 线材 主要 生 产 工艺 有 旋转 锻造和轧制。 旋转锻造的原材料铸锭 需 要 加 热 2 ～ 4 次，金 属损失高达 60% ，材 料 消 耗 占 生 产 成 本 的 主要 部 分; 由 于 断续、冲击 变 形，手 工 操 作，生 产 效 率 低，产品质量难以保证，产生很多 缺陷，需 要进 行 大量修磨，使生产成本居高不下; 旋锻机生产能力 很低，不适合钛及钛合金线材扩大应用领域、提高 生产能力的要求。 轧制采用 二 辊 轧机 和 老 式 三 辊 线材轧机。二 辊轧机可以使 轧制 速 度 有 所 提 高，但 二 辊 轧机 刚 度差，且两向压缩变形，使产品精 度 低，出 现 很 严 “耳子” ，需 要大 量 的 修 磨 才 能 达 到后 续 工 序 重的 的要求。此外，两向变形造成压缩 比不 够，影响 轧 件组织性能。 老式的三辊 线材轧机 采用 一 台 交流 电 机 集 体 传动，由人工将轧件喂入辊缝，在上下孔型中反复 轧制后，再横 移 至 下 一 架 轧机。轧机 没 有 平 衡 装 置，轧辊采用滑动轴承，因 此，轧机 刚 度 很 差，轧 制精度低。 为了克服 旋转锻造 和 轧制 的 缺 点，近 年 来 采 用步进轧制，即 把 旋转锻造 与 轧制 结 合 起 来 的 轧 锻过程。步进轧制 的 生 产 率 高，容易实 现 自 动 化。 但是机架是往复运动的，由于惯性力的作用，轧制 速度不可能很高。而且步进轧制是间断的过程，难 以实现连轧生 产，而 连 轧 几乎 是 所 有 金 属 线材生 产的最终选择。 综上所述，现 有 的 钛及钛 合金 生 产 工艺 使产 品的成本 高、精 度 低、不 能 满 足 高 速 线材生 产 要 求，从而限制了应用领域的扩大。
收稿日期: 2010 － 08 － 17 ; 修订日期: 2010 － 09 － 16 基金项目: 国家自然科学基金 ( 50871086 ) ，中国博士后科学基金 ( 20100470125 ) 和山西省青年科技基金 ( 2009021028 ) 资助项目 作者简介: 郭拉凤 ( 1968 － ) ，女，山西太原人，硕士，副教授; 研究方向: 材料塑性成形 * 通讯联系人( E － mail: guolafeng@ nuc． edu． cn)
had high cost，low precision and poor organizational performance． The structure of Yshaped rolling mill was analyzed． Ytype rolling mill had good properties for stress state，pass system and rolling mill stiffness． It could improve rolling accuracy，ensure organizational speed rolling． And the rolling of titanium and titanium alloy wire by 15 Yshaped rolling mills was put performance，and realize highforward． The effects of temperature，rolling speed，rolling processing rate and rolling tension on the mechanical properties of titanium and titanium alloy wire were studied． When the rolling temperature was below phase transition temperature， titanium and titanium alloy organization were equiaxed structure and its performance was good． When rolling speed，rolling processing rate and rolling tension were determined，the continuous rolling requirements should be considered，and organization performance and dimensional accuracy of the product should be ensured． Based on analysis and discussion of rolling techniques，the best rolling technical parameter of titanium and titanium alloy wire were identified through pilot study ( Ti: heating temperature of 880 ℃ ，rolling speed of 500 r · min － 1 ; TC4 : heating temperature of 950 ℃ ，rolling speed of 600 r · min － 1 ; TC16 : heating temperature of 800 ℃ ，rolling speed of 600 r · min － 1 ; Holding time of 5 min; Pass reduction of 70% or so; Tension between each pass rolling ＜ 1． 0% ; Air cooling after rolling) ． The results showed that the titanium and titanium alloy wire were produced by this technique met with National Standards on the dimensional accuracy，surface quality and organizational performance． Key words: titanium and titanium alloy wire; Yshaped rolling mill; rolling; rolling constant; tension
［8 ］
，可 以 显 著 地 改
善金属的塑性，减少轧件的开裂、劈 头 等 现 象。这 一点对于钛及钛 合金 等 难 变形金 属 的 轧制尤 为 重 要。另外，三辊 Y 型轧机采用平辊孔型系统，从而 保证了轧件 变形均匀，提 高 了 轧制 精 度; 而 Y 型 连轧机相邻机 架 倒 置 180° ，轧制 中 不 需 要 扭 转 翻 料，既避免了 扭 转轧制 引起 的 导 卫 划 伤 表 面 及 裂 纹现象
Rolling Techniques of Titanium and Titanium Alloy Wire
Guo Lafeng1* ，Yuan Meini1，2 ，Liang Minjie1 ( 1 ． College of Mechanical and Electrical Engineering，North University of China，Taiyuan 030051 ，China; 2 ． College of Materials Science，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072 ，China) Abstract : The titanium and titanium alloy wire were produced by rotary forging，two-roll mill as well as old fashioned three-roll mill
关键词: 钛及钛合金线材; Y 形连轧机; 轧制; 连轧常数; 张力 doi: 10． 3969 / j． issn． 0258 － 7076． 2011． 02． 007 中图分类号: TG146． 2 文献标识码: A 文章编号: 0258 － 7076 ( 2011 ) 02 － 0196 － 06
［7 ］
。另
图1 Fig． 1 Y 型轧机的结构 Structure of Yshaped rolling mill
外，钛合金线材产品品种多、批量 小，也 促 使其 加
Y 型轧机 的 结 构 如 图 1 所 示。三 辊 Y 型 轧机 在轧件的受 力 状 态，孔 型 系 统 和 轧机 刚 度 等 方 面 具有良好的特性。由于轧辊呈 120° 布置，轧辊 从 3 个对称的方向同时压缩 轧 件，在下 一 道 次，3 个 轧 辊调转 180° ，在另外 3 个方向 上 压缩 轧 件，所 以， 轧件是在 6 个方向 受 到 压缩变形，轧 件 的压缩变 形及其周边 的 冷 却 都 比 较 均匀
2期
郭拉凤等
钛及钛合金线材轧制工艺研究
197
钛及钛合金具有 熔 点 高、比重 小、比 强 度高、 耐热性好、塑性好、耐蚀 性 好 等 优 点
［1 ～ 4 ］
，在 武 器
［5 ］
装备和 航空航天 工业 中 占 有 极 为 重要 的 地 位
。
钛及钛合金 线材 在 航空航天、生 物 医 学工 程 等 高 科技领域应用愈来 愈 广 泛，如 航空 螺栓、眼 镜 架、 焊 丝、击 剑 面 具、 手 表 带 等
第 35 卷 第 2 期 Vol. 35 No. 2
稀
有
金Leabharlann 属CHINESE JOURNAL OF RARE METALS
2011 年 3 月 Mar． 2011
钛及钛 合金 线材轧制工艺 研究
1* 1， 2 1 郭拉凤 ，原梅妮 ，梁敏洁
( 1． 中北大学机电工程学院，山西 太原 030051; 2． 西北工业大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710072)
［9 ］
，又 为 高 速 轧制 创 造 了 有 利 条 件，实 现
保证组织性能的变形量。 因此，Y 型 连 轧机 的 这 些 优 异 性能 可 以 满 足 钛及钛合金线材的质量要求。而 15 架 三 辊 Y 形 连
摘要: 针对旋转锻造、二辊轧机和老式三辊轧机生产钛及钛合金线材成本高、精度低、组织性能差的现状。分析了 Y 型轧机 的 结 构，Y 型 轧 机在轧件的受力状态、孔 型 系 统 和 轧机 刚 度 等 方 面 具有 良好 的 特 性，既 能 提 高轧制 精 度，保证 组织性能，又 能 实 现 高 速 轧制。采用 15 架 Y 形连轧机轧制钛及钛 合金线材。论述了加热温度、轧制速度、热轧加工率、连轧张力 对 钛及钛 合金 线材 组织性能的影响，对 于钛及钛 合金， 当轧制温度低于相变温度时，得到等轴组织，性能较好; 轧制速度、热轧加工率、连轧张力的确定既要考虑连轧要求，又 要 确保 产品 的组织 · min － 1 ; TC4 合金 性能和尺寸精度。通过试验研究，优选得出钛及钛合金线材的最佳工艺参数分别为: 纯钛加热温度 880 ℃ ，轧制速度 500 r · min － 1 ; TC16 合金加热温度 800 ℃ ， · min － 1 ; 保温时间均为 5 min; 道次加工率 70% 左右; 各 加 热温度 950 ℃ ，轧制速度 600 r 轧制速度 600 r 道次间连轧张力 ＜ 1． 0% ; 采用空冷的轧后处理。结果表明: 采用该工艺轧制的钛及钛合金线材试 件 在 尺 寸 精 度、表 面 质量 和组织性能 方 面 均达到国家标准。
。但 钛 的 屈 强 比
( σ0． 2 / σ b ) 高，一 般 在 0． 70 ～ 0． 95 之间，弹 性 较 好，变形抗力大，并且弹性模量相 对 较低，故 加 工 变形 力 大，回 弹 严 重，导致 钛材 加 工 困 难 工技术发展缓慢，生产成本居高不下。 目前，钛及钛 合金 线材 主要 生 产 工艺 有 旋转 锻造和轧制。 旋转锻造的原材料铸锭 需 要 加 热 2 ～ 4 次，金 属损失高达 60% ，材 料 消 耗 占 生 产 成 本 的 主要 部 分; 由 于 断续、冲击 变 形，手 工 操 作，生 产 效 率 低，产品质量难以保证，产生很多 缺陷，需 要进 行 大量修磨，使生产成本居高不下; 旋锻机生产能力 很低，不适合钛及钛合金线材扩大应用领域、提高 生产能力的要求。 轧制采用 二 辊 轧机 和 老 式 三 辊 线材轧机。二 辊轧机可以使 轧制 速 度 有 所 提 高，但 二 辊 轧机 刚 度差，且两向压缩变形，使产品精 度 低，出 现 很 严 “耳子” ，需 要大 量 的 修 磨 才 能 达 到后 续 工 序 重的 的要求。此外，两向变形造成压缩 比不 够，影响 轧 件组织性能。 老式的三辊 线材轧机 采用 一 台 交流 电 机 集 体 传动，由人工将轧件喂入辊缝，在上下孔型中反复 轧制后，再横 移 至 下 一 架 轧机。轧机 没 有 平 衡 装 置，轧辊采用滑动轴承，因 此，轧机 刚 度 很 差，轧 制精度低。 为了克服 旋转锻造 和 轧制 的 缺 点，近 年 来 采 用步进轧制，即 把 旋转锻造 与 轧制 结 合 起 来 的 轧 锻过程。步进轧制 的 生 产 率 高，容易实 现 自 动 化。 但是机架是往复运动的，由于惯性力的作用，轧制 速度不可能很高。而且步进轧制是间断的过程，难 以实现连轧生 产，而 连 轧 几乎 是 所 有 金 属 线材生 产的最终选择。 综上所述，现 有 的 钛及钛 合金 生 产 工艺 使产 品的成本 高、精 度 低、不 能 满 足 高 速 线材生 产 要 求，从而限制了应用领域的扩大。
收稿日期: 2010 － 08 － 17 ; 修订日期: 2010 － 09 － 16 基金项目: 国家自然科学基金 ( 50871086 ) ，中国博士后科学基金 ( 20100470125 ) 和山西省青年科技基金 ( 2009021028 ) 资助项目 作者简介: 郭拉凤 ( 1968 － ) ，女，山西太原人，硕士，副教授; 研究方向: 材料塑性成形 * 通讯联系人( E － mail: guolafeng@ nuc． edu． cn)
had high cost，low precision and poor organizational performance． The structure of Yshaped rolling mill was analyzed． Ytype rolling mill had good properties for stress state，pass system and rolling mill stiffness． It could improve rolling accuracy，ensure organizational speed rolling． And the rolling of titanium and titanium alloy wire by 15 Yshaped rolling mills was put performance，and realize highforward． The effects of temperature，rolling speed，rolling processing rate and rolling tension on the mechanical properties of titanium and titanium alloy wire were studied． When the rolling temperature was below phase transition temperature， titanium and titanium alloy organization were equiaxed structure and its performance was good． When rolling speed，rolling processing rate and rolling tension were determined，the continuous rolling requirements should be considered，and organization performance and dimensional accuracy of the product should be ensured． Based on analysis and discussion of rolling techniques，the best rolling technical parameter of titanium and titanium alloy wire were identified through pilot study ( Ti: heating temperature of 880 ℃ ，rolling speed of 500 r · min － 1 ; TC4 : heating temperature of 950 ℃ ，rolling speed of 600 r · min － 1 ; TC16 : heating temperature of 800 ℃ ，rolling speed of 600 r · min － 1 ; Holding time of 5 min; Pass reduction of 70% or so; Tension between each pass rolling ＜ 1． 0% ; Air cooling after rolling) ． The results showed that the titanium and titanium alloy wire were produced by this technique met with National Standards on the dimensional accuracy，surface quality and organizational performance． Key words: titanium and titanium alloy wire; Yshaped rolling mill; rolling; rolling constant; tension
［8 ］
，可 以 显 著 地 改
善金属的塑性，减少轧件的开裂、劈 头 等 现 象。这 一点对于钛及钛 合金 等 难 变形金 属 的 轧制尤 为 重 要。另外，三辊 Y 型轧机采用平辊孔型系统，从而 保证了轧件 变形均匀，提 高 了 轧制 精 度; 而 Y 型 连轧机相邻机 架 倒 置 180° ，轧制 中 不 需 要 扭 转 翻 料，既避免了 扭 转轧制 引起 的 导 卫 划 伤 表 面 及 裂 纹现象
Rolling Techniques of Titanium and Titanium Alloy Wire
Guo Lafeng1* ，Yuan Meini1，2 ，Liang Minjie1 ( 1 ． College of Mechanical and Electrical Engineering，North University of China，Taiyuan 030051 ，China; 2 ． College of Materials Science，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072 ，China) Abstract : The titanium and titanium alloy wire were produced by rotary forging，two-roll mill as well as old fashioned three-roll mill
关键词: 钛及钛合金线材; Y 形连轧机; 轧制; 连轧常数; 张力 doi: 10． 3969 / j． issn． 0258 － 7076． 2011． 02． 007 中图分类号: TG146． 2 文献标识码: A 文章编号: 0258 － 7076 ( 2011 ) 02 － 0196 － 06
［7 ］
。另
图1 Fig． 1 Y 型轧机的结构 Structure of Yshaped rolling mill
外，钛合金线材产品品种多、批量 小，也 促 使其 加
Y 型轧机 的 结 构 如 图 1 所 示。三 辊 Y 型 轧机 在轧件的受 力 状 态，孔 型 系 统 和 轧机 刚 度 等 方 面 具有良好的特性。由于轧辊呈 120° 布置，轧辊 从 3 个对称的方向同时压缩 轧 件，在下 一 道 次，3 个 轧 辊调转 180° ，在另外 3 个方向 上 压缩 轧 件，所 以， 轧件是在 6 个方向 受 到 压缩变形，轧 件 的压缩变 形及其周边 的 冷 却 都 比 较 均匀
2期
郭拉凤等
钛及钛合金线材轧制工艺研究
197
钛及钛合金具有 熔 点 高、比重 小、比 强 度高、 耐热性好、塑性好、耐蚀 性 好 等 优 点
［1 ～ 4 ］
，在 武 器
［5 ］
装备和 航空航天 工业 中 占 有 极 为 重要 的 地 位
。
钛及钛合金 线材 在 航空航天、生 物 医 学工 程 等 高 科技领域应用愈来 愈 广 泛，如 航空 螺栓、眼 镜 架、 焊 丝、击 剑 面 具、 手 表 带 等
第 35 卷 第 2 期 Vol. 35 No. 2
稀
有
金Leabharlann 属CHINESE JOURNAL OF RARE METALS
2011 年 3 月 Mar． 2011
钛及钛 合金 线材轧制工艺 研究
1* 1， 2 1 郭拉凤 ，原梅妮 ，梁敏洁
( 1． 中北大学机电工程学院，山西 太原 030051; 2． 西北工业大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710072)
［9 ］
，又 为 高 速 轧制 创 造 了 有 利 条 件，实 现
保证组织性能的变形量。 因此，Y 型 连 轧机 的 这 些 优 异 性能 可 以 满 足 钛及钛合金线材的质量要求。而 15 架 三 辊 Y 形 连
摘要: 针对旋转锻造、二辊轧机和老式三辊轧机生产钛及钛合金线材成本高、精度低、组织性能差的现状。分析了 Y 型轧机 的 结 构，Y 型 轧 机在轧件的受力状态、孔 型 系 统 和 轧机 刚 度 等 方 面 具有 良好 的 特 性，既 能 提 高轧制 精 度，保证 组织性能，又 能 实 现 高 速 轧制。采用 15 架 Y 形连轧机轧制钛及钛 合金线材。论述了加热温度、轧制速度、热轧加工率、连轧张力 对 钛及钛 合金 线材 组织性能的影响，对 于钛及钛 合金， 当轧制温度低于相变温度时，得到等轴组织，性能较好; 轧制速度、热轧加工率、连轧张力的确定既要考虑连轧要求，又 要 确保 产品 的组织 · min － 1 ; TC4 合金 性能和尺寸精度。通过试验研究，优选得出钛及钛合金线材的最佳工艺参数分别为: 纯钛加热温度 880 ℃ ，轧制速度 500 r · min － 1 ; TC16 合金加热温度 800 ℃ ， · min － 1 ; 保温时间均为 5 min; 道次加工率 70% 左右; 各 加 热温度 950 ℃ ，轧制速度 600 r 轧制速度 600 r 道次间连轧张力 ＜ 1． 0% ; 采用空冷的轧后处理。结果表明: 采用该工艺轧制的钛及钛合金线材试 件 在 尺 寸 精 度、表 面 质量 和组织性能 方 面 均达到国家标准。