小規(guī)格鈦合金棒材的熱矯直方法

前言

鈦及鈦合金的小規(guī)格棒材一般通過軋制生產(chǎn)，但在加熱、軋制和熱處理等過程中，由于溫度和塑性變形分布不均勻，以及剪切、運(yùn)輸和堆放等原因，往往會產(chǎn)生不同程度的彎曲，這時就須通過矯直處理，以確保棒材彎曲度能滿足使用要求。

鈦及鈦合金棒材常用的矯直方法有壓力矯直和輥式矯直，而小規(guī)格的棒材則一般采用輥式矯直，其效率較高。但對于鈦及鈦合金小規(guī)格棒材來說，往往經(jīng)過多次的矯直后仍然不能達(dá)到理想的效果，甚至常會發(fā)生矯直過程中直接斷裂的問題。本文針對鈦及鈦合金小規(guī)格棒材的熱矯直進(jìn)行了研究，提出了一種簡單、便捷、低投入的加熱矯直方法。

1、現(xiàn)狀分析

1.1 鈦及鈦合金彈性模量低、屈強(qiáng)比高，冷矯困難

常用鈦及鈦合金的室溫彈性模量[1]如表1 所示，大多低于120GPa，因此，鈦及鈦合金棒材在較小的應(yīng)力條件下即會發(fā)生較大的彈性變形，回彈大，不易矯直；且其較多鈦合金的屈強(qiáng)比在0.9~1 之間，矯直過程中極易發(fā)生斷裂。因此，鈦及鈦合金棒材一般需要采用熱矯，才能保證矯直效果。

1.2 鈦及鈦合金小規(guī)格棒材往往由于批量小、裝備不配套等因素，導(dǎo)致熱矯成本高，效果不好

目前鈦及鈦合金的用量相對仍然較小，實(shí)際生產(chǎn)過程中，往往單批次訂貨量僅為幾百公斤，甚至幾十公斤，且規(guī)格繁多。而一般工廠往往裝備的是加熱能力較大的加熱爐，其一次裝爐量可達(dá)幾噸或幾十噸，因此在對鈦及鈦合金棒材進(jìn)行加熱矯直時，往往加熱成本較高。其次，一般工廠布置的矯直設(shè)備往往離加熱設(shè)施較遠(yuǎn)，在對鈦及鈦合金小規(guī)格棒材進(jìn)行加熱后再轉(zhuǎn)運(yùn)至矯直設(shè)備時，棒材溫度往往已損失嚴(yán)重，導(dǎo)致矯直效果大幅降低。若專門為鈦及鈦合金棒材的矯直建設(shè)相應(yīng)的配套加熱、矯直設(shè)施時，實(shí)際設(shè)備利用率又較低，經(jīng)濟(jì)性較差。因此如何選擇一種高效、經(jīng)濟(jì)的鈦及鈦合金棒材熱矯方式即成為工廠急待解決的問題。

2、試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)所用材料及設(shè)備

試驗(yàn)采用的材料為經(jīng)軋制加工獲得的TC4鈦合金棒材，如圖1 所示，棒材的規(guī)格為φ35mm × 3500mm，棒材彎曲度為5~12mm/m。試驗(yàn)所用的設(shè)備包括一臺普通焊機(jī)電源裝置、一臺9 輥矯直機(jī)和一個手持式紅外測溫儀。

2.2 試驗(yàn)方法

在矯直機(jī)旁，如圖2 所示，焊機(jī)與TC4 鈦棒相連接組成一個電流回路，在接通電源后，鈦棒即成為一個電阻并會被加熱。當(dāng)棒材加熱至一定溫度后，將其快速采用輥式矯直機(jī)進(jìn)行矯直。

試驗(yàn)在矯直機(jī)參數(shù)設(shè)置一致的情況下，如表2所示，采用6個方案來進(jìn)行棒材的加熱矯直試驗(yàn)，以研究鈦棒的加熱效果及隨后的矯直效果。其中第1至第5個方案中，設(shè)定了不同的焊機(jī)電源輸出電流及加熱時間，第6個方案為不加熱鈦棒而直接進(jìn)行矯直試驗(yàn)。

棒材的加熱溫度檢測采用手持式紅外測溫儀測量。

每個方案中，隨機(jī)在同一批軋制的TC4鈦合金棒材中分別選擇10 支棒材進(jìn)行矯直試驗(yàn)。

另對方案4、5、6 中矯直的棒材各隨機(jī)選兩根分別取樣退火后進(jìn)行室溫拉伸性能檢測，以分析加熱矯直對棒材室溫拉伸性能的影響，試樣的退火制度為780℃ × 1.5h，空冷。

3、試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 棒材的加熱、矯直情況

棒材的加熱、矯直情況如表3 所示，由表2 中數(shù)據(jù)可看出，第1 個方案中，棒材的加熱溫度為515℃，棒材矯直后的彎曲度為≤6mm/m，未能達(dá)到國標(biāo)GB/T2965 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的φ35mm 棒材彎曲度≤5mm/m 的要求。第2 至第5 個方案中，棒材的加熱溫度達(dá)到了644℃~751℃，棒材矯直后的彎曲度為≤3mm/m，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，矯直效果較好，矯直的棒材如圖3 所示。第6 個方案即未加熱直接矯直的棒材，其彎曲度為≤10mm/m，與棒材的原始彎曲度相比，沒有得到明顯改善，矯直效果較差。

3.2 棒材的性能檢測結(jié)果

棒材室溫拉伸性能檢測結(jié)果如表4所示，采用方案4、5、6 矯直的棒材的室溫拉伸性能無明顯差異。

3.2加熱矯直效果分析與討論

通過6組方案中棒材的加熱矯直效果進(jìn)行對比可知，采用方案2~方案5加熱矯直的棒材，彎曲度≤3mm/m，矯直效果較好，說明方案2~方案5設(shè)定的電流及時間可較好地使該規(guī)格的TC4鈦合金棒材滿足矯直要求。另通過對比可知，方案1中，矯直后的棒材彎曲度未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的原因應(yīng)是加熱溫度較低造成，但實(shí)際效果仍較未經(jīng)加熱而直接矯直的效果好。

TC4 合金的室溫電阻率為1.7μΩ·m，其電阻較高。試驗(yàn)通過采用焊機(jī)與鈦棒組成的電路可看成是一個純電阻電路，而電阻電路中的熱量公式為：

Q=I²Rt=IUt （1）式中

Q——電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量/J；

I——通過導(dǎo)體的電流/A；

R——導(dǎo)體的電阻/Ω；

U——導(dǎo)體兩端的電壓/V；

t——通電時間/s

因此，鈦棒的加熱效果與相應(yīng)的電流、電壓及通電時間有關(guān)。加熱試驗(yàn)中，焊機(jī)電源可調(diào)整輸出電流，因此通過調(diào)節(jié)電流即可以控制鈦棒的加熱效果，從而精確地控制鈦棒的加熱溫度。試驗(yàn)采用的棒材加熱方法易于掌握、控制。當(dāng)棒材加熱至一定溫度后，即可將其快速采用輥式矯直機(jī)進(jìn)行矯直。

試驗(yàn)采用焊機(jī)電源作為TC4 鈦棒的加熱電源，與其組成一個簡單的串聯(lián)電路，連接方便，而TC4 鈦棒經(jīng)加熱2~3min 后即可實(shí)現(xiàn)較好的矯直效果。同時，焊機(jī)一般工廠均會配備，實(shí)際生產(chǎn)中，可快速、方便地在矯直機(jī)旁即可采用焊機(jī)對鈦棒進(jìn)行加熱，其占地面積小，設(shè)備適用，移動方便。其次，焊機(jī)輸出大電流，低電壓，對于小規(guī)格TC4 鈦合金棒材，既 可滿足快速加熱要求、達(dá)到矯直效果；又實(shí)現(xiàn)了安全、便捷、高效、低投入的要求。

而我們知道，鈦及鈦合金棒材的電阻率等物理特性又相近，因此，通過采用合適的電流、加熱時間后，即可實(shí)現(xiàn)其它小規(guī)格鈦及鈦合金棒材的矯直。

3.3 加熱矯直對鈦棒的室溫拉伸性能影響分析與討論

由表4 可看出，經(jīng)過加熱矯直的棒材的室溫拉伸指標(biāo)與未經(jīng)加熱直接矯直的棒材的室溫拉伸指標(biāo)基本保持一致，說明該加熱、矯直方案未對棒材的室溫拉伸性能造成影響，該工藝適用可行。同時，由表4 也可看出，該合金棒材的屈強(qiáng)比最高已達(dá)到了0.99，若采用冷矯直的話，極易發(fā)生斷裂，難以達(dá)到矯直效果。因此，采用加熱矯直的工藝是合理的。

4、結(jié)論

采用焊機(jī)與TC4鈦合金棒材組成的電路對TC4鈦棒進(jìn)行加熱后再矯直的方法，實(shí)現(xiàn)了鈦棒的快速加熱矯直，又實(shí)現(xiàn)了安全、便捷、高效、低投入的要求；同時，矯直的棒材的室溫拉伸性能指標(biāo)與未采用加熱矯直的棒材的室溫拉伸性能指標(biāo)基本一致。該方法可推廣應(yīng)用于其它鈦及鈦合金小規(guī)格棒材的矯直。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄒武裝等. 鈦手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.8：338-366

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