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        鈦及鈦合金管材軋制工藝研究現(xiàn)狀

        2019-12-13 07:49:22供稿劉偉張耀斌侯振杰LIUWeiZHANGYaobinHOUZhenjie
        金屬世界 2019年6期
        關(guān)鍵詞:管機(jī)無縫管軋機(jī)

        供稿|劉偉,張耀斌,侯振杰 / LIU Wei, ZHANG Yao-bin, HOU Zhen-jie

        內(nèi)容導(dǎo)讀

        鈦及鈦合金管材具有優(yōu)異的性能而廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。鈦合金管材分為無縫管和有縫管,無縫管的加工方法有拉伸、斜軋、擠壓、軋制或拉伸—軋制等。鈦合金管材冷軋是先進(jìn)的管材生產(chǎn)方法。如何制定軋制工藝參數(shù)對軋制出合格的管材尤為重要。文章闡述了鈦及鈦合金冷軋管材生產(chǎn)現(xiàn)狀,敘述了鈦合金管材軋制的特點(diǎn)及生產(chǎn)過程中的影響因素,對鈦合金軋制工藝研究及發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

        鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、耐蝕性好、彈性模量低、無磁且生物相容性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工作的零件、結(jié)構(gòu)件和緊固件以及航空航天、海洋開發(fā)、醫(yī)療和運(yùn)動器材等領(lǐng)域[1-2]。世界各國都在大力發(fā)展鈦及鈦合金生產(chǎn)。據(jù)估計(jì),目前全球鈦及鈦合金的生產(chǎn)能力已超過消費(fèi)需求量的2~2.5倍,因而鈦及鈦合金世界市場競爭激烈。鈦合金管材分為無縫管和有縫管,無縫管的加工方法有拉伸、斜軋、擠壓、軋制或拉伸—軋制等。而鈦及鈦合金軋制管的生產(chǎn)過程主要有管坯制備、軋制、熱處理等三個(gè)部分。鈦合金管材冷軋是先進(jìn)的管材生產(chǎn)方法。第一臺冷軋管機(jī)問世于1930年,由于各種形式的冷軋管機(jī)的不斷出現(xiàn),以及冷軋管工藝的日益完善,使得管材工業(yè)的發(fā)展得到了長足的進(jìn)步。

        鈦合金管材軋制的特點(diǎn)

        目前,低強(qiáng)度、低合金化的鈦及鈦合金無縫管的加工技術(shù)比較成熟,均采用冷軋真空退火工藝。管材冷軋相對于其他生產(chǎn)方法(如:管材的拉伸生產(chǎn))具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)冷軋管材時(shí),金屬在變形區(qū)中始終處于三向壓應(yīng)力的作用之下能充分發(fā)揮金屬的塑性,同時(shí)在多段孔型中實(shí)現(xiàn)分散變形,因此能采用較大的變形量。(2)冷軋后的管材,其尺寸精確,內(nèi)表面光潔,并且具有較高的機(jī)械性能。(3)冷軋管可生產(chǎn)各種規(guī)格的小直徑薄壁管以及各種斷面不規(guī)則的異型管材。一般用兩輥式冷軋管機(jī)軋制的管材外徑最小為15 mm,壁厚可薄至0.5 mm;而用三輥式冷軋管機(jī)軋制的管材最小外徑可為3 mm,壁厚薄至0.08 mm。(4)冷軋管的成品率高,廢品損失少。冷軋管材廢品率僅為1%~1.5%,而拉伸管材廢品率高達(dá)20%~25%。

        鈦及鈦合金管材軋制采用兩輥和多輥式周期軋管機(jī)生產(chǎn)。兩輥軋機(jī)相比多輥軋機(jī)來說減徑量和減壁量較大,提高了生產(chǎn)效率,而多輥軋機(jī)能夠提高尺寸的精度、變形均勻但生產(chǎn)效率較低。為了能夠兼具兩者的優(yōu)點(diǎn),通常情況下生產(chǎn)線會相結(jié)合使用。

        盡管焊管有代替無縫管的趨勢,但重要的化工裝置、航空液壓管路及火箭發(fā)動機(jī)燃料導(dǎo)管等,為保證安全,無縫管仍然不能被焊管取代[3]。

        軋制過程的影響因素

        鈦合金管材軋制過程的影響因素較多,諸如送料量、轉(zhuǎn)角、摩擦因數(shù)、工件的材質(zhì)、加工率、軋機(jī)的類型、工件的直徑、機(jī)架往復(fù)行程次數(shù)等,歸納得出其主要影響因素有:轉(zhuǎn)角、送進(jìn)量選擇、軋機(jī)的速度、變形程度。

        轉(zhuǎn)角

        通過研究發(fā)現(xiàn),在其他軋制參數(shù)相同的情況下,回轉(zhuǎn)角度的變化對壁厚的不均勻度產(chǎn)生較大的影響。隨著回轉(zhuǎn)角度的增加,壁厚不均度增加較快。這是由于回轉(zhuǎn)角的增大,輾軋角也增大,切向變形增大,從而加大了橫向變形的不均。例如,LD60三輥冷軋管機(jī)在軋制TA2 φ41 mm×1.4 mm的純鈦管坯時(shí),回轉(zhuǎn)角分別為16o、18o、20o,對應(yīng)的壁厚不均度Z分別為8.4%、8.7%、9.1%,壁厚不均度隨著回轉(zhuǎn)角的增加而增大[4]。管材通過轉(zhuǎn)動一定角度,可以大大減小壓縮段中出現(xiàn)的拉應(yīng)力,避免塑性差的金屬在機(jī)架工作行程中出現(xiàn)裂紋。

        變形程度

        變形程度是管材軋制過程中一個(gè)重要的參數(shù),它對軋制時(shí)所需的軋制力、軋制制品的表面質(zhì)量、變形熱效應(yīng)、制品的組織和性能等均有一定的影響。通過對小規(guī)格TA15鈦合金軋制管材工藝研究發(fā)現(xiàn):隨著變形程度的增加,強(qiáng)度提高,塑性基本不變,但管材經(jīng)過800℃/1.5 h退火后,其強(qiáng)度降低,塑性會有所提高。再結(jié)晶退火后,大加工量管材的強(qiáng)度比小加工量的降低很多,塑性比小加工量的高。從組織上看,再結(jié)晶比小加工量的更完全[5]。通過變形率對TA18管材力學(xué)性能和組織的影響分析發(fā)現(xiàn):加工硬態(tài)管材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均隨著變形率的增大而逐漸升高,變形率超過44%時(shí),延伸率會逐漸下降;經(jīng)不同變形率軋制成形的φ12 mm×0.9 mm管材的加工硬態(tài)縱向顯微組織中,變形率為23%時(shí),晶粒變形不明顯,晶界清晰可見,隨著加工率的增大出現(xiàn)典型的纖維組織,管材組織中的變形流線就越明顯[6]。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),變形率對管材力學(xué)性能的影響可以通過退火進(jìn)行消除。

        在軋制時(shí),除考慮變形程度外,還必須考慮減徑量與減壁量的比值對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。通過生產(chǎn)實(shí)踐得知,孔型始端減徑值(通稱空減徑)對工業(yè)純鈦TA2、TA3的變形影響不大,但對TC1、TC2等鈦合金的變形有著很大的影響。

        送進(jìn)量

        送進(jìn)量大小的選擇合理與否,是直接影響到能否獲得較高的生產(chǎn)效率和良好的產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要因素。送進(jìn)量過小使設(shè)備能力沒有充分發(fā)揮出來,降低了生產(chǎn)率;而送進(jìn)量過大,則將使軋出的管材出現(xiàn)飛邊、棱子、橢圓、壁厚不均甚至破裂等嚴(yán)重缺陷。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):管材軋制送進(jìn)量的大小對渦流探傷也會產(chǎn)生一定的影響。送進(jìn)量較小的情況下,渦流探傷檢測精度高,當(dāng)軋制送進(jìn)量增大到一定值后,即使不產(chǎn)生軋制缺陷,也會由于金屬變形激烈、應(yīng)力集中等原因使管材本身渦流探傷噪聲加大[7]。

        當(dāng)金屬及合金越硬、越難變形時(shí),送進(jìn)量應(yīng)適當(dāng)減小,且工作機(jī)架的行程次數(shù)可以放慢,否則軋機(jī)的負(fù)荷增加,軋出的管材容易造成廢品。當(dāng)軋機(jī)的行程次數(shù)不變時(shí),軋制不同類型的合金可根據(jù)不同的情況調(diào)整送進(jìn)量,例如:軋機(jī)型號LG-30,TA1、TA2管材軋后壁厚為0.40~2.50 mm,送進(jìn)量可選擇3.0~7.0 mm/次;軋后壁厚為2.60~6.00 mm時(shí),送進(jìn)量則可調(diào)整為4.0~10.0 mm/次。

        軋機(jī)的速度

        軋機(jī)速度的選擇主要根據(jù)不使軋機(jī)負(fù)荷過于增大的原則來確定。小型軋機(jī)的速度比大型軋機(jī)的快,因小型軋機(jī)運(yùn)動部分的重量和金屬的送進(jìn)體積小;而大型軋機(jī)的則相反,因慣性力矩很大而使傳動困難,為此,在軋機(jī)的主傳動部分增加動平衡裝置,可顯著提高速度。

        擠壓工藝確定

        鈦及鈦合金軋制,要求在工具合適的條件下制定正確的生產(chǎn)工藝,即要求轉(zhuǎn)角、送進(jìn)量、軋機(jī)速度、變形程度的配合。針對不同鈦合金型號的特點(diǎn),制定合適的軋制工藝,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和成品率最大化。

        雷江等通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了TA18鈦合金小規(guī)格厚壁管材變形量對成品管材顯微組織及力學(xué)性能的影響,張富平也通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了TA16小規(guī)格厚壁管材加工量對管材性能均勻性的影響[8]。

        隨著有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,將有限元分析法和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合起來,通過有限元數(shù)值模擬金屬塑性成形過程,優(yōu)化工藝參數(shù)后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對提高經(jīng)濟(jì)效益和軋制效率具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[9]。

        結(jié)束語

        鈦及鈦合金管材冷軋方法主要受轉(zhuǎn)角,變形程度、送進(jìn)量和軋機(jī)速度的選擇等因素影響。采用計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際相結(jié)合制定合理的軋制工藝,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

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