萬明珍 朱乾皓 吳 劍 馬 蘇 張 斌 杜 燦 陳藝杰

(張家港中環(huán)海陸特鍛股份有限公司，江蘇215626)

純鈦TA1具有密度小、強度高、耐腐蝕、耐熱等優(yōu)點，在減輕結(jié)構(gòu)重量，提高機體壽命，滿足高溫及腐蝕環(huán)境等方面具有其他金屬不可替代的作用，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、水利電力、冶金鋼鐵等多個領(lǐng)域[1-2]。由于純鈦的抗海水腐蝕能力比其他金屬好，在靜止的或者高速流動的海水中都有特殊的穩(wěn)定性，純鈦環(huán)件是制造海底石油管道的理想材料[1]。但是由于技術(shù)水平的限制，原來應(yīng)用在海底石油管道的高筒形薄壁純鈦環(huán)件都是采用鈦板卷制成形再焊接制造的，很難整體鍛造成形。

純鈦本身變形抗力大、導(dǎo)熱性差、黏性大、流動性差[1]。我公司制造的純鈦環(huán)件壁厚為50 mm左右，外徑為?2300 mm左右，導(dǎo)致了軋制難度進一步增加。我公司通過對碾環(huán)工藝的研發(fā)和改進，成功軋制出了?2380 mm×?2290 mm×1450 mm的高筒型鍛件。

1 純鈦鍛件的技術(shù)要求

表1 環(huán)鍛件化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of ring forging (mass fraction，%)

2 純鈦TA1產(chǎn)品的生產(chǎn)流程

2.1 產(chǎn)品制作流程

客戶前期已經(jīng)將TA1坯料鍛制成形，坯料的形貌如圖1所示，我公司只負(fù)責(zé)碾環(huán)。因此我們的產(chǎn)品制作流程為：粗車→輾環(huán)→取樣→鍛后晶粒度檢測→入庫。

圖1 TA1鈦坯的形貌Figure 1 Morphology of TA1 titanium billet

客戶送來的1#TA1坯料的尺寸約為?1035 mm×?856 mm×1496 mm，重量約為1800 kg。由于坯料端面凹坑和麻坑較多，如果不加工端面，則會對錐輥的磨損加重，且不利于生產(chǎn)過程的控制，考慮到鍛件的重量和尺寸要求，對TA1鈦坯的端面進行了粗車，否則鈦坯四面見光后重量不夠。粗車過程中，僅對矩形TA1鈦坯上下端面進行粗車，去除表面缺陷，要求粗車后矩形環(huán)坯兩端面的平面度均≤2 mm，兩端面的平行度≤2 mm。2.2 首次碾環(huán)試制2017年6月10日，我們首次對1#TA1坯料進行碾環(huán)過程試制。首先對粗車后的矩形環(huán)進行電爐加熱，爐溫均勻性≤±10℃，矩形環(huán)裝爐時爐內(nèi)溫度80℃以下，然后電爐加熱，使得爐內(nèi)溫度以≤100℃h的速率升溫至800℃±10℃后，保溫2.5 h～3 h，然后在≤300 s的時間內(nèi)將矩形環(huán)從電爐移動至軋環(huán)機上，采用圓柱形的芯輥和圓柱形的主軋輥進行輾環(huán)。但是在軋制過程中，由于純鈦材料的導(dǎo)熱性和流動性均很差，并且純鈦材料的軋制溫度區(qū)間很小，溫度降低很快。在軋制1#高筒形薄壁純鈦環(huán)件時，鈦坯不穩(wěn)定，軋制過程中發(fā)生了爬輥、翻皮現(xiàn)象。此時，碾環(huán)過程持續(xù)3 min，鈦坯的表面溫度約600℃。錐輥下壓，外徑靠近上下端面處翻皮嚴(yán)重，芯輥加力至10 MPa，無明顯輾軋擴孔效果，隨即停止碾環(huán)。但是端面與錐輥、主軋輥接觸的地方形成了大量的折疊，折疊的厚度4 mm～5 mm，長度300 mm左右，折疊的形貌如圖2所示。工件冷卻至室溫后，在工件的高度方向切取10 mm的小試樣環(huán)，鋸成10 mm長一段，觀察內(nèi)徑切向的晶粒度，檢驗結(jié)果如圖3所示。

圖2 TA1鈦坯碾環(huán)過程中折疊的形貌Figure 2 The morphology of folding during rolling ring from TA1 titanium billet

圖3 1#TA1鈦坯碾環(huán)后本體晶粒度檢測形貌(100×)Figure 3 Morphology of grain size after rolling ring from 1#TA1 titanium billet(100×)

2.3 再次碾環(huán)試制

1#純鈦鍛坯首件試制失敗，進行了原因分析和經(jīng)驗總結(jié)，在加熱溫度和加熱工藝以及潤滑和軋制方面進行了改進。2017年6月14日，對2#TA1坯進行了再次試制。粗車2#坯料兩端面后，尺寸約為?1104 mm×?871 mm×1490 mm，橢圓度為15 mm，重量約為2410 kg。

2#純鈦環(huán)坯裝爐時，爐內(nèi)溫度在80℃以下，然后電爐加熱，使得爐內(nèi)溫度以≤100℃h的速率升溫至650℃±10℃后保溫2.5 h～3 h，然后繼續(xù)加熱使得爐內(nèi)溫度以≤150℃h的速率升溫至900℃±10℃后保溫4 h～4.5 h，為了加塊鈦坯出爐至碾環(huán)機的時間，直接用操作機將環(huán)坯夾持到碾環(huán)機上(放棄了吊裝工具的使用)，用時1.5 min，此時環(huán)坯的溫度在870℃左右。

軋制前，對工裝模具進行預(yù)熱和調(diào)整。在輾環(huán)前，輾環(huán)中用到的所有輾環(huán)工裝需預(yù)熱至150～300℃，在主軋輥、芯輥、上錐輥、下錐輥、托架輥、兩個抱輥上需涂抹有色金屬鍛造專用潤滑劑，另外，主軋輥、芯輥與托架的垂直度分別≤1 mm，主軋輥與芯輥的平行度≤1 mm，環(huán)件從芯輥和主軋輥之間旋出一側(cè)的抱輥的中心軸線向著對面抱輥的中心軸線傾斜1°～1.5°，以此來減小軋制時爬輥現(xiàn)象的發(fā)生。托架輥頂部母線與下錐輥頂部母線在同一平面上，下錐輥頂部母線高出托架表面3 mm～5 mm。

軋制過程中采用徑向快速軋制成形，軋制以徑向軋制為主，并且加快軋制速度，軸向不用加壓，防止軋制過程中的折疊和溫度的快速降低。整個軋制過程分為三個階段：

在平穩(wěn)軋制階段，上錐輥的進給速度為0，上錐輥軋制力為1.5 MPa～2.5 MPa；主軋輥轉(zhuǎn)速為23 rmin～27 rmin，上、下錐輥的轉(zhuǎn)速分別為180 rmin～220 rmin，終軋溫度控制在700～720℃，熱態(tài)收縮率為0.6%～0.7%。軋制過程中坯料照片和最終鍛件產(chǎn)品照片如圖4和圖5所示。

圖4 TA1鈦坯碾環(huán)過程中形貌Figure 4 The shape of TA1 titanium blank in the process of rolling ring

圖5 TA1鈦坯碾環(huán)后室溫形貌Figure 5 Shape of TA1 titanium billet after rolling ring at room temperature

工件碾環(huán)后冷態(tài)尺寸為?2380 mm×?2290mm×1450 mm，重量約為2388 kg，橢圓度為5 mm,錐度為3 mm。然后在工件上沿著高度方向切取40 mm高的試樣環(huán)，檢測內(nèi)徑下端面的晶粒度，檢驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 2#TA1鈦坯碾環(huán)后本體晶粒度檢測形貌(100×)Figure 6 Morphology of grain size after rolling ring from 2#TA1 titanium billet(100×)

3 結(jié)論

(1)客戶對鈦坯進行預(yù)成形，使得輾環(huán)的軋制量變小，從而在提高軋制穩(wěn)定性的同時為在純鈦材料的軋制溫度區(qū)間內(nèi)一火完成輾環(huán)工序提供了條件。

(2)輾環(huán)前進行粗車去除表面缺陷且軋制前必須對模具進行預(yù)熱和潤滑，能降低輾環(huán)時爬輥、翻皮、橢圓發(fā)生率。

(3)輾環(huán)加熱過程中，環(huán)坯在450℃時進行了中間保溫，同時鍛造加熱溫度升高到850℃時，保證了軋制時的始鍛溫度為800～830℃。

(4)軋制以徑向軋制為主，并且加快軋制速度，軸向不用加壓，防止軋制過程中的折疊和溫度的快速降低。通過輾環(huán)中各個參數(shù)的設(shè)置均能提高軋制的穩(wěn)定性，從而降低爬輥、翻皮、橢圓發(fā)生率。