劉東生

摘要：海綿鈦的布氏硬度值是海綿鈦的重要指標(biāo)，能夠反映海綿鈦的綜合質(zhì)量。本文中研究了雜質(zhì)元素、檢測手段、制樣過程對最終的海綿鈦布氏硬度的影響，提出了控制海綿鈦布氏硬度有效合理的措施。

關(guān)鍵詞：海綿鈦;布氏硬度;雜質(zhì)元素;檢測手段;制樣方法

一、引言

近幾年隨著海綿鈦工業(yè)的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為名副其實的海綿鈦生產(chǎn)大國，但仍不算是海綿鈦生產(chǎn)強(qiáng)國，航空、軍工級的產(chǎn)品比例不高。海綿鈦的標(biāo)準(zhǔn)是按照布氏硬度值和雜質(zhì)含量的高低來確定海綿鈦質(zhì)量的優(yōu)劣。同一級別的海綿鈦布氏硬度與各種雜質(zhì)含量成統(tǒng)計的關(guān)系，這種關(guān)系也是制定海綿鈦標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)。在實際生產(chǎn)中，也存在硬度和雜質(zhì)含量不對應(yīng)的情況，因布氏硬度的原因而造成產(chǎn)品質(zhì)量降級。影響硬度的因素較多，本文中探討了雜質(zhì)元素Fe、C、N、O含量與海綿鈦硬度值的關(guān)系，并且討論了檢測方法、實驗條件、制樣條件等因素對雜質(zhì)含量的影響，從中找出控制海綿鈦硬度的有效方法。

二、結(jié)果與討論

（一）雜質(zhì)元素對硬度的影響

雜質(zhì)含量的數(shù)值也直接影響著硬度的值，隨著雜質(zhì)含量的增加，硬度值也隨著變大。雜質(zhì)元素Fe、C、N、O等元素在海綿鈦中會增加其硬度，海綿鈦的品級與硬度值和雜質(zhì)含量有密切的關(guān)系。

布勞斯 [1]等人經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計證實在多種雜質(zhì)存在時對鈦的硬度的影響具有加和性，其公式如下：

另外據(jù)其它的資料[2]介紹海綿鈦的綜合指標(biāo)布氏硬度與海綿鈦中的N、O、Fe還存在如下的關(guān)系：

日本大阪鈦有限公司Vameji等人[3]研究了鈦中O2、Fe、N、C含量與布氏硬度的關(guān)系。通過將不同含量的雜質(zhì)元素O、Fe、N、C，按不同重量百分比加入到海綿鈦中，每個分做兩個小錠，并經(jīng)過爐子兩次熔化，生產(chǎn)出小錠。每個約80g，再制成樣品，測量其布氏硬度，然后分析雜質(zhì)含量，利用回歸分析法，得到硬度與雜質(zhì)關(guān)系式。得到的結(jié)果如下：

筆者通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，驗證了公式上述公式，海綿鈦指標(biāo)數(shù)據(jù)取自朝陽金達(dá)鈦業(yè)，發(fā)現(xiàn)海綿鈦HB低于100時，公式1與公式2計算誤差較大，公式3較適合低硬度海綿鈦的硬度結(jié)果測算。公式3與實際測量出來的硬度值十分的匹配。

經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)當(dāng)公式中Fe含量在0.01-0.05%，O的含量在0.035%-0.055%時，應(yīng)用公式所計算得到的硬度值與實際測量值相一致，誤差在±1范圍內(nèi)。當(dāng)Fe含量高于0.05%或O的含量高于0.055%時，計算硬度比實際測量的硬度偏小，誤差較大，說明了當(dāng)Fe、O含量較高時，對硬度的影響明顯增大。因而可以利用公式3間接的判定一段時間內(nèi)的海綿鈦質(zhì)量是否相對穩(wěn)定，當(dāng)計算硬度與實際測量的影響相差較大時，說明海綿鈦雜質(zhì)含量分布的均勻性差。

（二）檢測方法對硬度的影響

布氏硬度是指用一定直徑的淬火鋼球（硬質(zhì)合金球），以規(guī)定的負(fù)荷壓入試樣表面，保持至規(guī)定時間后卸除負(fù)荷，測量試樣壓痕的表面積，計算出布氏硬度值，即：布氏硬度值

式中：F為試驗力;D為壓頭球直徑;d為壓痕平均直徑。

測量布氏硬度過程中，不同檢測人員的測量重復(fù)性、測量設(shè)備精度、測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)值修約都可對布氏硬度的測量結(jié)果造成一定的影響，許飛等[4-5]也對海綿鈦布氏硬度測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行研究。

（三）制樣方法對硬度的影響

海綿鈦制樣過程中同樣可能對海綿鈦的硬度造成影響。試樣首先壓制成鈦棒，利用真空自耗爐熔煉成鈦錠，再按要求制備樣塊，測量樣塊的硬度。在實際測量過程中，發(fā)現(xiàn)真空自耗爐的工藝，冷卻時間和速度對海綿鈦測量硬度造成影響。表2和表3中數(shù)據(jù)都是來自同一批海綿鈦樣品1，具體指標(biāo)如下：Fe（0.032%），C（0.009%），N（0.004%），O（0.048%）。

表2中的數(shù)據(jù)為樣品1所測得的硬度值。分別采用兩種方式冷卻，即方式1：冷卻水溫10℃;方式2：冷卻水溫20℃，兩種方式在相同冷卻時間為25分鐘，和相同流速下進(jìn)行對比，按照國標(biāo)方法測量得到了硬度值。為了保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，各做兩次重復(fù)實驗。圖1是待測硬度點位置示意圖，A1，A2是在R/2處測量的硬度值，B1，B2為2/3R處所測得的硬度數(shù)據(jù)。從表2中可以看到采用方式1比方式2的硬度值明顯偏高。同時靠近鈦錠邊緣處的硬度要高于鈦錠中心處的硬度，主要是因為靠近結(jié)晶器壁處冷卻速度過快，成分還沒有進(jìn)行均勻化的過程就開始成核長大，開始凝固，成分不均勻。而距離結(jié)晶器壁較遠(yuǎn)處，海綿鈦通過形核、長大、形成成分均勻的柱狀晶，雜質(zhì)元素相對較少，硬度值低。因而合理選擇冷卻時間和冷卻速度對準(zhǔn)確測量海綿鈦硬度是十分必要的。

表3數(shù)據(jù)是海綿鈦所熔煉成鈦錠后，不同部位硬度的測量結(jié)果。圖2為具體測量截面位置的示意圖，每個界面間的距離為20mm，在按照國標(biāo)的方法來取點，其中截面1為國標(biāo)規(guī)定取點位置，依次來研究鈦錠在不同部位的硬度關(guān)系。從結(jié)果中可以看到截面3位置的硬度明顯高于截面1位置的硬度，說明了越靠近坩堝底部處的硬度越高，通過分析這種現(xiàn)象主要是由于在熔煉過程中發(fā)生區(qū)域熔煉作用所導(dǎo)致的，鈦錠在凝固過程中的成分出現(xiàn)了偏析，一些在自耗爐中較難出去的雜質(zhì)元素如Fe、Mn等元素偏析在鈦錠下部，所以出現(xiàn)了底部硬度高于上部硬度的現(xiàn)象。截面1所處的位置成分較為均勻，能夠很好的反應(yīng)出海綿鈦的質(zhì)量。

最后對硬度測量結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論，按照國標(biāo)的取樣方法比較合理，能夠代表整個產(chǎn)品的硬度情況，所以在實際的檢測制樣過程中要制定合理的熔煉工藝，嚴(yán)格按照國標(biāo)要求的方法來制樣和取點測量，以此減少對硬度的測量誤差。

三、控制硬度主要措施

根據(jù)以上討論內(nèi)容來研究控制海綿鈦硬度的方法，具體措施如下：

（1）對Fe的控制主要是通過合理控制反應(yīng)點的最高溫度，控制好還原和蒸餾階段各段溫度避免超溫，合理的制定熔鎂的溫度和時間也十分的重要，以減少鐵元素向反應(yīng)器內(nèi)擴(kuò)散。

（2）對O和N的控制主要避免還原和蒸餾階段進(jìn)氣，保證反應(yīng)器的氣密性，尤其是在夏季潮濕的環(huán)境中，制定合理的脫氣工藝。

合理控制加料量和加料速度，避免破碎時物料溫度過高，導(dǎo)致破碎工序物料的氧化。

（3）海綿鈦試樣布氏硬度的測量硬度計示值也受到儀器使用的重復(fù)性、操作水平影響，今后對儀器需加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，定期檢定和校準(zhǔn)，同時應(yīng)加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)，提高檢測結(jié)果的穩(wěn)定性。

（4）在海綿鈦制樣時采用適當(dāng)?shù)恼婵兆院臓t的工藝，控制冷卻時間、冷卻速度等條件，嚴(yán)格按照國標(biāo)的方法來進(jìn)行制樣、取樣。

四、結(jié)論

（一）采取合理的措施降低海綿鈦的Fe、O、N的含量，海綿鈦雜質(zhì)含量穩(wěn)定、分布均勻，海綿鈦的硬度測量值誤差小。

（二）制樣工藝統(tǒng)一、規(guī)范，海綿鈦硬度測量值重復(fù)性好。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳文廣.淺談海綿鈦布氏硬度與雜質(zhì)關(guān)系[J]稀有金屬，1983，2：30-32.

[2]莫畏，鄧國珠，羅方承.鈦冶金[M].冶金工業(yè)出版社，1998.

[3]袁成安.鈦布氏硬度與雜質(zhì)含量的關(guān)系[J]鈦工業(yè)進(jìn)展，1993，2：30-31.

[4]許飛，周善林，石科學(xué).海綿鈦布氏硬度測量結(jié)果不確定度的評定[J]鈦工業(yè)進(jìn)展，2009，26（1）：23-25.

[5]周飛.布氏硬度測量誤差分析[J]計量與測試技術(shù)，2011，38 （3）：32.